一種振鏡式雷射三維掃描系統的製作方法

2023-06-04 22:49:21 1

專利名稱：一種振鏡式雷射三維掃描系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射加工應用技術領域，具體涉及一種振鏡式雷射三維掃 描系統。
背景技術：
振鏡式雷射掃描系統是由xy兩維掃描振鏡和掃描聚焦鏡(如平常聚焦 鏡或遠心掃描透鏡)組成，其工作原現是將雷射器輸出的雷射朿經擴朿鏡放
大準直後依次經過x軸掃描報鏡、y軸掃描娠鏡和掃描聚焦鏡會聚到:i:件表
面上，通過控制x軸、y軸掃描振鏡的轉動來控制雷射光束在材料表面的x 方向和y方向上移動距離和位置，對工件表面進行加工。掃描振鏡控制系 統具有輸出力矩大，轉動慣量小、速度快、精度高以及運行穩定等特點被 廣泛用於打標、雕刻、鑽孔、切割、焊接、快速加工等應用領域。由於這 種振鏡式雷射掃描系統的xy兩軸掃描振鏡和掃描聚焦鏡之間距離是固定- 體，因而只能用於xy平面兩維加工。如要進行三維立體加工就必須在擴束 鏡和雷射掃描系統之間增加兩片反射鏡如圖1所示。其工作原理是雷射 器1發出雷射束2，經擴束鏡3放火準直後，通過兩片反射鏡4和5，將激 光束導入x軸掃描振鏡6和y軸掃描振鏡7以及掃描聚焦透鏡8匯聚到工 件9的表面上。反射鏡5與雷射xy掃描振鏡6、 7和掃描聚焦透鏡8組成 一體並固定在可沿z軸方向上下移動的裝置上，來調節雷射焦點在z軸方向 的位置，從而實現三維立體加工。該方法調節雷射焦點在z軸方向位置的 優點是不改變雷射xy掃描振鏡6、 7與掃描聚焦透鏡8之間的距離，從而 保證雷射掃描聚焦點在z軸的任何位置時，掃描尺寸的-致性。但其缺點 是因增加了兩片反射鏡使光路較複雜，穩定性較差，雷射功率損耗增加以 及成本較高，尤其是對於昂貴的紫外和高功率密度雷射反射鏡片而言。發明內容
為了解決以上問題，本發明提供了一種振鏡式雷射三維掃描系統，該 系統無需增加任何反射鏡，並且具有光路穩定高，易於調試和雷射利用率 高的特點。
本發明提供的振鏡式雷射二維掃描系統，包括雷射器、擴*鏡、x軸土l 描振鏡、y軸掃描振鏡、掃描聚焦透鏡及控制系統，控制系統與雷射器、x 軸掃描振鏡和y軸掃描振鏡電連接，其特徵在於掃描聚焦透鏡安裝在z
軸移動機構上x軸掃描振鏡和y軸掃描振鏡的鏡面中心與雷射器和擴束鏡 的光軸中心重合，掃描聚焦透鏡中心與x軸掃描振鏡和y軸掃描振鏡鏡面
屮心重合。雷射器發出雷射束，經擴朿鏡放大準直後，雷射朿直接進入X
軸掃描振鏡和y軸掃描振鏡，控制系統控制z軸移動機構帶動掃描聚焦透 鏡在z軸方向上、下移動，調節雷射聚焦點在z軸方向的位覽。
本發明採用/--種新而簡便的yy法來實現雷射掃描聚焦點能在z軸方 向調節焦點的位置。儘管該振鏡式雷射掃描系統也是由xy兩維掃描振鏡和 掃描聚焦鏡(如平常聚焦鏡或遠心掃描透鏡)組成，但是與傳統的振鏡式雷射 掃描系統不同之處是該振鏡式雷射掃描系統將xy兩維掃描振鏡和掃描聚焦 鏡(如平常聚焦鏡或遠心掃描透鏡)分開為可相互移動的組合體，即xy軸掃 描振鏡在z軸方向上固定不動，而掃描聚焦透鏡固定在可沿z軸方向上下 移動的機構上來實現三維立體加工功能。由於該方法無需增加任何反射鏡，
因而本發明系統具有以下優點
1、 由於減少兩片反射鏡，使光路簡單，易於調試整休光路的準致性；
2、 由於減少兩片反射鏡，整體光路的穩定性提高；
3、 由於減少兩片反射鏡，使雷射功率因反射鏡片吸收而損耗的功率 消除，提高了雷射功率的利用率；
4、 由於減少兩片反射鏡，使雷射光路成本降低，尤其是對於較昂貴 的反射鏡，如紫外雷射和高密度雷射功率的反射鏡而g。


圖1為現有的系統的一種具體實施方式
的結構示意圖； 圖2為本發明系統的一種具體實施方式
的結構示意圖3為掃描聚焦透鏡向下移動距離為Ah時，x軸掃描振鏡旋轉，而y 軸掃描振鏡不旋轉情況；
圖4為掃描聚焦透鏡向下移動距離為Ah吋，y軸tl描振鏡旋轉，而x 軸掃描振鏡不旋轉情況。
具體實施例方式
下面通過附圖和實例對本發明方法作進-歩詳細的說明。 振鏡式雷射掃描系統分為兩部分； 一部分為xy兩軸掃描振鏡，另一部
分為掃描聚焦透鏡。xy兩軸掃描振鏡在z軸方向上周定不移動，而掃描聚
焦透鏡則可沿z軸方向上相對xy兩軸掃描振鏡上下移動，自動調節在z軸
方向的焦點位置來實現二維立體加l:ll的。
實現上述方法的系統，如圖2所小，本發明系統由雷射器1、擴束鏡3、
x軸掃描振鏡6、 y軸掃描振鏡7、 tl描聚焦透鏡8、 z軸移動機構15和控
制系統。
x軸掃描振鏡6和y軸掃描振鏡7的鏡面中心與雷射器1和擴束鏡3的 光軸中心重合，並在工作中相互距離保持不變。掃描聚焦透鏡8固定於z 軸移動機構15上，隨z軸移動機構15在z軸方向上、下移動，掃描聚焦透 鏡8中心與x軸掃描振鏡6和y軸掃描振鏡7的鏡面中心重合，工作時可 由控制系統利用電腦程式軟體控制z軸移動機構15來帶動掃描聚焦透鏡 8上、下移動，調節雷射聚焦點在z軸方向的位置，同時控制系統利用計算 機程序軟體控制x軸掃描振鏡6和y軸掃描振鏡7的掃描角度來調節雷射 聚焦點在xy兩維平面位置，從而實現二維立體雷射加工I -I的。
z軸移動機構15可以採用多種方式實現，簡單的方式是利用滑塊與電 機實現，如將滑塊安裝在直線電機的輸出軸上，也可以將滑動安裝在伺服 電機的絲杆上。將掃描聚焦透鏡8固定在滑塊上，電機通過滑塊帶動掃描聚焦透鏡8上、下移動。
這種振鏡式雷射掃描系統調焦方法的唯-'缺點是在調焦li、」雲彩'
掃描尺寸；即在x軸掃描振鏡6和y軸掃描振鏡7的掃描角度都不變的情 況下，移動掃描聚焦透鏡8會導致掃描尺寸略有變化。這種tl描尺寸的變 化是由x和y軸掃描振鏡6、 7帶來的，似是很容易通過程序軟體來解決。 從圖3可以看出，y軸掃描娠鏡7小旋轉，x軸掃描振鏡6旋轉到某一 個角度oc，掃描聚焦透鏡8在h位置時，雷射束11在x軸方向掃描尺寸為x。 當掃描聚焦透鏡8從h位置向下移動距離為Ah時，雷射束11會在x方向增 加了一個Ax卜為了保持尺寸不變，可以通過程序軟體來消除Ax卜例如，當 掃描聚焦透鏡8向下移動距離為Ah的同吋，通過程序軟體對x軸掃描振鏡 6的掃描角度減小一個Aa。即
formula see original document page 7妙
(式中s表示x軸掃描振鏡6的鏡面「l'心與y軸掃描娠鏡7的鏡面中心之間 的距離，h表示y軸掃描振鏡7的鏡面't'心與掃描聚焦透鏡8未移動時之間 的距離)使雷射束11移動，成為雷射朿12 (見圖3所示)，從而消除了A^ 的偏差。
同理，當掃描聚焦透鏡8從h位置向上移動距離為Ah時，會在x方向 減小-一個Axp通過軟體對x軸掃描振鏡6的掃描角度增加--個Aoc2，即 就可消除了AX2的偏差。
例如當雷射掃描系統的X掃描振鏡與掃描聚焦透鏡之間的距離h+S =
37mm， x軸掃描振鏡的掃描角度oc為20°，掃描聚焦透鏡向卜'移動5mm時， 通過軟體使x軸掃描振鏡的掃描角度a減小一個Aa^2.222。就可保持雷射掃 描尺寸不變。當掃描聚焦透鏡向上移動5mm時，通過軟體使x軸掃描振鏡 的掃描角度cc增加一個Aaf2.8233。就可保持雷射掃描尺寸不變。圖4給出了掃描聚焦透鏡8從h位置向下移動時，x軸掃描振鏡6不旋 轉，而y軸掃描振鏡7旋轉到某'個角度e的情況。當y軸掃描振鏡7的掃 描角度為e時，掃描聚焦透鏡8向下移動距離為Ah，雷射束20在雷射掃描 尺寸y方向增加了Ay,的示意圖。同樣通過程序軟體是很容易消除Ay)，保 持尺寸不變。例如，當掃描聚焦透鏡8向下移動距離為Ah的同時，通過軟 件對y軸掃描振鏡7的掃描角度減小-一個Ae,，即
使雷射束20移動，成為雷射束'21 (見圖4所小)，從而消除丫Ay,的偏差。 同理，當掃描聚焦透鏡8從h位置向上移動距離為Ah時，會在y方向 減小一個勿2，通過軟體對y軸掃描振鏡7的掃描角度增加小一個Ae2，艮卩
就可消除了Ay2的偏差。
例如當雷射掃描系統的y軸掃描振鏡與掃描聚焦透鏡之間的距離h 為20mm， y軸掃描振鏡的掃描角度e為20°，掃描聚焦透鏡向下移動5mm 時，通過軟體使y軸掃描振鏡的掃描角度e減小一個Ae^3.76569。就可保持激 光掃描尺寸不變。當掃描聚焦透鏡向上移動2mm時，通過軟體使y軸掃描 振鏡的掃描角度e增加-- 個Ae-2.01896。就nJ保持雷射掃描尺、j不變。
顯然，3x和y軸掃描振鏡6、 7問吋旋轉時，掃描聚焦鏡8的上下移 動所產生的xy平面尺寸誤差，可同時按照上述方法分別給x、 y軸掃描振 鏡6、 7的旋轉角度減或增加一個Acx和Ae來消除x和y方向產生的誤差，達 到保持尺寸不變的目的。
以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限於該實施 例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等 效或修改，都落入本發明保護的範圍。
權利要求
1、一種振鏡式雷射三維掃描系統，包括雷射器(1)、擴束鏡(3)、x軸掃描振鏡(6)、y軸掃描振鏡(7)、掃描聚焦透鏡(8)及控制系統，控制系統與雷射器(1)、x軸掃描振鏡(6)和y軸掃描振鏡(7)電連接，其特徵在於它還包括z軸移動機構(15)，掃描聚焦透鏡(8)安裝在z軸移動機構(15)上；x軸掃描振鏡(6)和y軸掃描振鏡(7)的鏡面中心與雷射器(1)和擴束鏡(3)的光軸中心重合，掃描聚焦透鏡(8)中心與x軸掃描振鏡(6)和y軸掃描振鏡(7)的鏡面中心重合；雷射器(1)發出雷射束，經擴束鏡(3)放大準直後，雷射束直接進入x軸掃描振鏡(6)和y軸掃描振鏡(7)，控制系統控制z軸移動機構(15)帶動掃描聚焦透鏡(8)在z軸方向上、下移動，調節雷射聚焦點在z軸方向的位置。
2、根據權利要求1所述的振鏡式雷射三維掃描系統，其特徵在於控 制系統按照卜-述方式對x軸tl描報鏡(6)和y軸j::l描報鏡(7)的旋轉角度進行誤差補償在x軸掃描振鏡(6)旋轉任-角度a， y軸掃描振鏡(7)旋轉到任一角度e的情況下當掃描聚焦透鏡(8)從h位置向下移動距離為Ah時，x軸掃描振鏡(6) 的實際掃描角度為cx — Aa,， y軸掃描振鏡(7)的實際掃描角度等於e — Ae,， 當掃描聚焦透鏡(8)上移動距離為Ah吋，x軸掃描振鏡(6)的實際掃描角度為a+Acc2， y軸掃描振鏡(7)的實際掃描角度等於e十A02，其中，formula see original document page 3式中s表示x軸掃描振鏡(6)的鏡面中心與y軸掃描振鏡(7)的鏡面 中心之間的距離，h表示y軸掃描振鏡(7)的鏡面中心與掃描聚焦透鏡(8) 未移動時之間的距離。
全文摘要
本發明公開了一種振鏡式雷射三維掃描系統，包括雷射器、擴束鏡、x軸掃描振鏡、y軸掃描振鏡、掃描聚焦透鏡、z軸移動機構及控制系統。雷射器發出雷射束，經擴束鏡放大準直後，雷射束直接進入x軸掃描振鏡和y軸掃描振鏡，控制系統控制z軸移動機構帶動掃描聚焦透鏡在z軸方向上、下移動，調節雷射聚焦點在z軸方向的位置。本發明通過固定在可沿z軸方向上下移動的z軸移動機構的掃描聚焦透鏡來實現三維立體加工功能。由於該系統減少了兩片反射鏡，使雷射光路成本降低，尤其是對於較昂貴的反射鏡而言。同時，本發明易於調試整體光路的準致性，並且提高了整體光路的穩定性及雷射功率的利用率。
文檔編號G02B26/10GK101419336SQ20081019766
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月17日 優先權日2008年11月17日
發明者曾曉雁, 李祥友, 軍 段, 王澤敏, 胡乾午 申請人:華中科技大學