專利名稱：一種振鏡式激光掃描系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光機電一體化領(lǐng)域，具體涉及一種振鏡式激光掃描系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光掃描技術(shù)的應用范圍越來越廣，其應用行業(yè)涉及到快速成形、圖像傳遞、光電醫(yī)療、激光加工等，如激光微細加工設(shè)備、同位素分離設(shè)備、計算機——膠片輸出設(shè)備、激光打印機、衛(wèi)星通訊設(shè)備、激光娛樂設(shè)備、激光調(diào)阻設(shè)備、非接觸式印刷/打印、傳真通訊設(shè)備和軍事夜視系統(tǒng)、激光雷達、空中監(jiān)視和巡航導航系統(tǒng)。
在快速成形、激光標記等激光掃描技術(shù)應用中，要求激光束能準確聚焦在視場上的任意位置，且光點的移動按照確定的關(guān)系進行。
各種激光掃描技術(shù)中，振鏡式掃描是廣泛采用的一種掃描方式。它具有速度快，定位精度高等優(yōu)點。其原理如圖1所示，激光器1發(fā)出的光束通過聚焦模塊3，經(jīng)X軸掃描頭4，Y軸掃描頭5到達焦點工作平面6，稱為二維振鏡式掃描系統(tǒng)。激光束通過動態(tài)聚焦模塊2和聚焦模塊3，經(jīng)X軸掃描頭4，Y軸掃描頭5到達焦點工作平面6，稱之為三維振鏡式掃描系統(tǒng)。
目前，振鏡式激光掃描系統(tǒng)均采用檢流計作為掃描系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，檢流計是一個對電流敏感的執(zhí)行機構(gòu)，因此，系統(tǒng)控制方式為模擬量控制方式。模擬量控制方式難以實現(xiàn)“體積小，可靠性高，熱消散少”的技術(shù)特點，并存在溫漂、易受干擾等缺點。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供一種振鏡式激光掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)可克服溫漂、易受干擾的缺點，具有體積小，可靠性高，熱消散少的優(yōu)點。
本發(fā)明提供的一種振鏡式激光掃描系統(tǒng)，包括激光器、聚焦模塊、X軸掃描頭和Y軸掃描頭，激光束通過聚焦模塊，經(jīng)X軸掃描頭和Y軸掃描頭到達焦點工作平面，其特征在于所述X軸掃描頭和Y軸掃描頭均由全數(shù)字交流伺服電機和附在其轉(zhuǎn)軸上的鏡片組成，全數(shù)字交流伺服電機的轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有限位裝置；控制系統(tǒng)通過二個全數(shù)字交流伺服電機的控制器分別控制二個鏡片在X軸和Y軸上移動，實現(xiàn)二維掃描。
與現(xiàn)有的掃描頭驅(qū)動不同，本發(fā)明采用全數(shù)字交流伺服電機作為掃描頭的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)了數(shù)字式控制。該系統(tǒng)具有體積小、高精度，高響應，控制簡單、可靠性高和熱消散少等優(yōu)點。本系統(tǒng)可以掃描各種復雜的二維平面形狀，以它為核心，可以構(gòu)成各種實用激光掃描系統(tǒng)。
圖1為振鏡式掃描系統(tǒng)原理圖；圖2為掃描頭構(gòu)成示意圖；圖3為動態(tài)聚焦模塊的構(gòu)成示意圖；圖4為二維振鏡式激光掃描系統(tǒng)的掃描光路示意圖；圖5為機械限位塊示意圖；圖6為二維振鏡式激光掃描系統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖7為三維振鏡式激光掃描系統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
本發(fā)明也是由激光器1、聚焦模塊3，X軸掃描頭4和Y軸掃描頭5，構(gòu)成二維振鏡式掃描系統(tǒng)。聚焦模塊3之前增設(shè)動態(tài)聚焦模塊2，可構(gòu)成三維振鏡式掃描系統(tǒng)。
下面對上述各部件分別加以說明。
如圖2所示，X軸掃描頭4和Y軸掃描頭5都是由電機7和附在其轉(zhuǎn)軸上的鏡片8組成。電機采用全數(shù)字交流伺服電機，鏡片的轉(zhuǎn)動角度為±30°。
聚焦模塊3可采用現(xiàn)有技術(shù)，其設(shè)計有多種，如在激光功率比較小的情況下，可采用如圖1所示的由凸透鏡組成擴束聚焦模塊。
動態(tài)聚焦模塊2適用于物鏡后掃描系統(tǒng)。動態(tài)聚焦模塊完成了對全視場上的離焦校正。如圖3所示。其工作原理是在全數(shù)字交流伺服電機11的輸出軸上安裝一個轉(zhuǎn)輪18，通過鋼帶17等傳動裝置帶動一個在精密導軌上移動的透鏡座16實現(xiàn)快速來回移動。透鏡座的最大移動范圍為10mm。由于無往返運動死區(qū)，可大大提高其控制精度。這樣，也就實現(xiàn)了將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)殓R座的直線運動。
動態(tài)聚焦模塊2與聚焦模塊3一起組成掃描系統(tǒng)的聚焦子系統(tǒng)。只不過動態(tài)聚焦模塊2在電機的驅(qū)動下，作往復直線運動。聚焦模塊3則是靜止的。聚焦子系統(tǒng)一方面起聚焦作用，另一方面起光學杠桿作用，限定動態(tài)聚焦模塊的移動距離。
由于全數(shù)字式交流伺服電機是連續(xù)運轉(zhuǎn)的，為限定鏡片其在所設(shè)計的角度(通常為±30°)內(nèi)擺動，在伺服電機上應沒置限位裝置。為簡單、安全可見，可采用可調(diào)式機械限位擋塊。如圖4所示，A，B盤上各帶一點，作相對調(diào)節(jié)可得所限位角度范圍。伺服電機的轉(zhuǎn)軸穿過機械限位擋塊的中央通孔，并將擋塊固定在電機的支座上。
對于小范圍的平面掃描，采用二維振鏡式掃描系統(tǒng)。如圖4、圖6所示，控制系統(tǒng)15通過X軸掃描頭控制器12控制X軸掃描頭的全數(shù)字交流伺服電機7；通過Y軸掃描頭控制器13控制Y軸掃描頭的全數(shù)字交流伺服電機10；伺服電機均為絕對值編碼器方式的全數(shù)字式交流伺服電機。
X、Y軸掃描頭上的鏡片8、10在伺服電機7，9的控制下，把激光束反射到工作面6預定的X、Y坐標點上，通過X、Y軸掃描頭的匹配，系統(tǒng)實現(xiàn)二維掃描。
X、Y軸掃描頭的位置可根據(jù)實際要求設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計。
對于大范圍的平面掃描，采用帶動態(tài)聚焦模塊的三維物鏡后振鏡式掃描系統(tǒng)。如圖2、圖4、圖7所示，控制系統(tǒng)15通過X軸掃描頭控制器12控制X軸掃描頭的全數(shù)字交流伺服電機7；通過Y軸掃描頭控制器13控制Y軸掃描頭的全數(shù)字交流伺服電機10；通過動態(tài)聚焦模塊的控制器14控制動態(tài)聚焦模塊中的全數(shù)字交流伺服電機11。三個伺服電機均為絕對值編碼器方式的全數(shù)字式交流伺服電機。
X、Y軸掃描頭上的鏡片8，10在伺服電機7，9的控制下，把激光束反射到工作面6預定的X、Y坐標點上。通過動態(tài)聚焦模塊2的補償，反射到X、Y任意坐標點上的激光束始終聚焦在同一平面上。
X、Y軸掃描頭的位置可根據(jù)實際要求設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計。
上述控制系統(tǒng)15可以指工業(yè)控制計算機、PC機和單片機等具有數(shù)據(jù)處理能力的控制器，負責整個系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)?？刂破?2-14指的是控制伺服電機運動的控制器。
以應用于選擇性激光粉末燒結(jié)成形(SLS)的掃描系統(tǒng)為例。通過配套選型后采用激光器為CO2激光器，掃描視場400mm×400mm。全數(shù)字交流伺服電機采用日本松下電機公司生產(chǎn)的MINAS A系列電機，控制系統(tǒng)采用工控機，動態(tài)聚焦模塊的移動范圍±5mm，掃描頭機械偏轉(zhuǎn)角±20°，掃描速度達2m/s，視場上光斑的大小為350um。
權(quán)利要求
1.一種振鏡式激光掃描系統(tǒng)，包括激光器、聚焦模塊、X軸掃描頭和Y軸掃描頭，激光束通過聚焦模塊，經(jīng)X軸掃描頭和Y軸掃描頭到達焦點工作平面，其特征在于所述X軸掃描頭(4)和Y軸掃描頭(5)均由全數(shù)字交流伺服電機(7、9)和附在其轉(zhuǎn)軸上的鏡片(8、10)組成，全數(shù)字交流伺服電機(7、9)的轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有限位裝置；控制系統(tǒng)(15)通過二個全數(shù)字交流伺服電機的控制器(12、13)分別控制鏡片(8、10)在X軸和Y軸上移動，實現(xiàn)二維掃描。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描系統(tǒng)，其特征在于所述聚焦模塊(3)之前設(shè)置有動態(tài)聚焦模塊(2)，該模塊包括有全數(shù)字交流伺服電機(11)，伺服電機的輸出軸上裝有帶限位裝置的轉(zhuǎn)輪(18)，轉(zhuǎn)輪(18)通過傳動裝置帶動透鏡座(16)在導軌上作往復運動，透鏡座內(nèi)設(shè)置有聚焦透鏡，用于完成對全視場上的離焦校正。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種振鏡式激光掃描系統(tǒng)，包括激光器、聚焦模塊、X軸掃描頭和Y軸掃描頭。激光束通過聚焦模塊，經(jīng)X軸掃描頭和Y軸掃描頭到達焦點工作平面，所述X軸掃描頭(4)和Y軸掃描頭(5)均由全數(shù)字交流伺服電機(7、9)和附在其轉(zhuǎn)軸上的鏡片(8、10)組成，全數(shù)字交流伺服電機(7、9)的轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有限位裝置；控制系統(tǒng)(15)通過二個全數(shù)字交流伺服電機的控制器(12、13)分別控制鏡片(8、10)在X軸和Y軸上移動，實現(xiàn)二維掃描。增設(shè)動態(tài)聚焦模塊后，可實現(xiàn)三維掃描。本發(fā)明構(gòu)成的激光掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，精度更高、掃描速度更快、可靠性更高、成本更低，克服模擬式溫漂。
文檔編號G02B26/10GK1547055SQ20031011157
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月12日
發(fā)明者黃樹槐, 史玉升, 葉春生, 陳國清, 謝軍, 文世峰 申請人:華中科技大學