基於空心編碼器和相位差的光學掃描頭的驅動控制系統的製作方法
2023-10-21 16:17:47 1
專利名稱：基於空心編碼器和相位差的光學掃描頭的驅動控制系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學掃描領域，具體涉及一種基於空心編碼器和相位差的光學掃描頭的驅動控制系統。
背景技術：
目前光學掃描頭一般是通過控制四組不同作用的光學鏡片嚴格按照一定規則高速旋轉來實現對雷射束的偏移操作。如圖1所示，現有技術中的常用的雷射加工設備包括擴束器1、反射鏡2、旋轉的光線掃描裝置3。需要驅動的掃描裝置具有四個光楔31、32、33、34繞雷射光軸同步旋轉。設光楔33和34的保持圖1中位置時，兩者的相位差為O度，通過改變光楔33、34之間的相位差，改變旋轉光束的半徑。通過改變光楔31和32之間的距離，改變旋轉光束的錐度。針對不同的用途，有時要求各鏡片保持設定的相對相位同步旋轉；有時要求各鏡片一邊旋轉一邊遵循指定的規律調節相對相位，即將基準鏡片的旋轉相位看做是零位的話，其他跟隨其旋轉的鏡片相對於基準鏡片的相位差嚴格遵循一定的規律變化。並且隨著超快雷射精細加工這一領域的快速發展，要求這種光學掃描頭的旋轉速度越高越好，長期穩定性也是越聞越好。這對控制系統提出了很高的要求。當前這類光學掃描頭大多是用運動控制系統控制伺服系統來實現的。有的是基於插補的控制方式，有的是基於跟隨的控制方式，還有的是基於電子齒輪。以上控制方案都有一個明顯的缺陷，即本質上都是通過保證各自鏡片的旋轉軌跡的精度來達到保證最終運轉的相對相位精度，屬於間接控制。按照自控原理的角度來說，期望保證精度的對象最好是由直接來自該對象的反饋值來進行調節，才能最大程度抑制中間轉換帶來的誤差和擾動。此外運動控制系統控制的各伺服反饋也僅僅來自伺服電機本身的反饋，這種方式對於來自伺服電機到光學鏡片中間傳遞環節的加工誤差、彈性形變、磨損、抖動等因素帶來的誤差是無能為力的。這類光學掃描裝置對運行速度的精度要求並不太高，當前方案完全能夠滿足其需求。但是，對各光學鏡片之間的相對位置的精度和穩定性要求就高的多，隨著被加工對象越來越高的精度、一致性的要求，該指標完全可能被進一步提高。
發明內容
本發明針對上述問題，提出一種改善當前其他方案通過間接控制的先天不足、直接將相位差作為自動控制系統的參量的光學掃描頭的驅動控制系統。其次通過空心編碼器直接對被控制鏡片相位進行檢測，消除間接的位置傳感器(如霍爾)導致的各種影響量。本發明的目的是通過下述技術方案來實現的。一種光學掃描頭的驅動控制系統，包括:上跟隨鏡片驅動模塊、基準鏡片驅動模塊、下跟隨鏡片驅動模塊；上跟隨鏡片驅動模塊驅動上跟隨光楔旋轉、下跟隨鏡片驅動模塊驅動下跟隨光楔旋轉、基準鏡片驅動器驅動基準光楔以一基準速度旋轉；上跟隨鏡片驅動模塊包括自動控制調節器、相位差測定模塊、上跟隨鏡片驅動器；上跟隨鏡片驅動模塊的自動控制調節器比較給定的相位差信號和採集的上、下跟隨光楔的之間的相位差信號，得到一誤差量，根據該誤差量產生新的電機轉速控制信號驅動電機運動，改變上跟隨光楔的轉速，直至誤差量在允許範圍之內；下跟隨鏡片驅動模塊包括自動控制調節器、相位差測定模塊、下跟隨鏡片驅動器；下跟隨鏡片驅動模塊的自動控制調節器比較給定的相位差信號和採集的上、下跟隨光楔的之間的相位差信號，得到一誤差量，根據該誤差量產生新的電機轉速控制信號驅動電機運動，改變下跟隨光楔的轉速，直至誤差量在允許範圍之內。進一步地，上、下跟隨光楔的之間的相位差信號通過其外圈安裝的空心編碼器採集的位置信號之間的差得到。進一步地，上、下跟隨光楔的之間的相位差信號通過一基準光楔的位置信號作為中間信號得到，上跟隨鏡片驅動模塊中，上、下跟隨光楔的之間的相位差信號為上跟隨光楔與基準光楔之間的位置信號的差；下跟隨鏡片驅動模塊中，上、下跟隨光楔的之間的相位差信號為下跟隨光楔與基準光楔之間的位置信號的差。進一步地，基準光楔外圈安裝空心編碼器，採集其位置信號。本發明的有益效果在於:本發明首先通過專門設計的硬體電路實時測定跟隨光學鏡片和基準光學鏡片之間的相位，並把該數據送入自動控制調節系統作為鏡片運動控制的參量。從而改善因上述控制方案的缺陷帶來的誤差。其次，通過各光學鏡片配置的空心編碼器直接採樣光學鏡片的實時相位，並把該編碼器的輸出送入上述專門設計的硬體電路。可進一步消除傳動裝置的加工誤差以及長期穩定性漂移帶來的誤差。最後，這種直接採樣並配合硬體的相位偏差測量裝置可以簡化自動控制系統的計算量，提高控制系統的時間解析度，為進一步提高轉速打下基礎。
圖1是雷射掃描裝置的四光楔旋轉結構示意圖。圖2是本發明的驅動控制系統實施例一結構圖。圖3是本發明的驅動控制系統實施例二結構圖。圖4是本發明的驅動控制系統實施例三結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明。實施例一:如圖2所示，為了直接採集到一對光楔33和34的相對旋轉角度，在光楔的外圈安裝空心編碼器直接反饋光楔的角度。該系統包括上位機接口、上跟隨鏡片驅動模塊、基準鏡片驅動器、下跟隨鏡片驅動模塊等。其中上位機接口部分主要負責和上位機交換信息並處理來自外部的IO控制信號，從而協調各鏡片驅動部分的工作。在驅動時，上跟隨鏡片驅動模塊驅動光楔33旋轉、下跟隨鏡片驅動模塊驅動光楔34旋轉、基準鏡片驅動器同時驅動光楔31和32旋轉。如圖2所示，上位機接口接收外部發來的每個光楔的指令信號。基準鏡片驅動器接收外部給定的電機基準速度指令信號，按照該基準速度驅動電機帶動光楔31、32以該基準速度旋轉。上跟隨鏡片驅動模塊包括自動控制調節器、相位差測定模塊、上跟隨鏡片驅動器。上跟隨鏡片驅動模塊的自動控制調節器接收給定的相位差信號(即光楔33和34之間的位置偏差角，如背景技術中所述，當為圖1位置時，光楔33和34之間的相位差為O度，此時，雷射旋轉掃描出的半徑最小)。自動控制調節器將該相位差信號發送給上跟隨鏡片驅動器，上跟隨鏡片驅動器以此改變上跟隨電機的轉速，從而改變光楔33的轉速。下跟隨鏡片驅動模塊包括自動控制調節器、相位差測定模塊、下跟隨鏡片驅動器。下跟隨鏡片驅動模塊的自動控制調節器接收給定的相位差信號。自動控制調節器將該相位差信號發送給下跟隨鏡片驅動器，下跟隨鏡片驅動器以此改變下跟隨電機的轉速，從而改變光楔34轉速。上述光楔33和34轉速的改變，需要使兩者之間產生相位差。光楔33、34的外圈都安裝有空心編碼器用於反饋各光楔的角度信號。將光楔33和34之間的相位差信號反饋至上跟隨鏡片驅動模塊的自動控制調節器，該自動控制調節器比較給定的相位差信號和該反饋的相位差信號，得到一誤差量，並根據該誤差量產生新的電機轉速控制信號驅動電機運動，直至誤差量在允許範圍之內。對下跟隨鏡片來說，同樣需要將光楔33和34之間的相位差信號反饋至下跟隨鏡片驅動模塊的自動控制調節器，該自動控制調節器比較給定的相位差信號和該反饋的相位差信號，得到一誤差量，並根據該誤差量產生新的電機轉速控制信號驅動電機運動，直至誤差量在允許範圍之內。實施例二:如圖3所示，實施例二相比於實施例一，增加了基準電機M驅動的光楔31的位置反饋信號。由於基準電機是以一恆定速度進行運轉的，因此將其驅動的光楔31的位置信號反饋至上跟隨驅動模塊和下跟隨驅動模塊，其位置的偏差相位的精度更高。光楔31的位置信號直接採用電機M的位置傳感器反饋的位置信號。如圖3所示，光楔33和34的外圈都安裝有空心編碼器用於反饋各光楔的角度信號。將光楔31和33之間的相位差信號反饋至上跟隨鏡片驅動模塊的自動控制調節器，該自動控制調節器比較給定的相位差信號和該反饋的相位差信號，得到一誤差量，並根據該誤差量產生新的電機轉速控制信號驅動電機運動，直至誤差量在允許範圍之內。將光楔31和34之間的相位差信號反饋至上跟隨鏡片驅動模塊的自動控制調節器，該自動控制調節器比較給定的相位差信號和該反饋的相位差信號，得到一誤差量，並根據該誤差量產生新的電機轉速控制信號驅動電機運動，直至誤差量在允許範圍之內。實施例三:如圖4所不,實施例三相比於實施例二,在光楔31的外圈安裝有一空心編碼器，通過空心編碼器直接反饋的光楔31的位置信號作為基準信號。
權利要求
1.一種光學掃描頭的驅動控制系統，包括:上跟隨鏡片驅動模塊、基準鏡片驅動模塊、下跟隨鏡片驅動模塊；上跟隨鏡片驅動模塊驅動上跟隨光楔旋轉、下跟隨鏡片驅動模塊驅動下跟隨光楔旋轉、基準鏡片驅動器驅動基準光楔以一基準速度旋轉；其特徵在於: 上跟隨鏡片驅動模塊包括自動控制調節器、相位差測定模塊、上跟隨鏡片驅動器；上跟隨鏡片驅動模塊的自動控制調節器比較給定的相位差信號和採集的上、下跟隨光楔的之間的相位差信號，得到一誤差量，根據該誤差量產生新的電機轉速控制信號驅動電機運動，改變上跟隨光楔的轉速，直至誤差量在允許範圍之內； 下跟隨鏡片驅動模塊包括自動控制調節器、相位差測定模塊、下跟隨鏡片驅動器；下跟隨鏡片驅動模塊的自動控制調節器比較給定的相位差信號和採集的上、下跟隨光楔的之間的相位差信號，得到一誤差量，根據該誤差量產生新的電機轉速控制信號驅動電機運動，改變下跟隨光楔的轉速，直至誤差量在允許範圍之內。
2.根據權利要求1所述的光學掃描頭的驅動控制系統，其特徵在於:上、下跟隨光楔的之間的相位差信號通過其外圈安裝的空心編碼器採集的位置信號之間的差得到。
3.根據權利要求1所述的光學掃描頭的驅動控制系統，其特徵在於:上、下跟隨光楔的之間的相位差信號通過一基準光楔的位置信號作為中間信號得到，上跟隨鏡片驅動模塊中，上、下跟隨光楔的之間的相位差信號為上跟隨光楔與基準光楔之間的位置信號的差；下跟隨鏡片驅動模塊中，上、下跟隨光楔的之間的相位差信號為下跟隨光楔與基準光楔之間的位置信號的差。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的光學掃描頭的驅動控制系統,其特徵在於:基準光楔外圈安裝空心編碼器，採集其位置信號。
全文摘要
一種光學掃描頭的驅動控制系統，包括上跟隨鏡片驅動模塊、基準鏡片驅動模塊、下跟隨鏡片驅動模塊；上跟隨鏡片驅動模塊驅動上跟隨光楔旋轉、下跟隨鏡片驅動模塊驅動下跟隨光楔旋轉、基準鏡片驅動器驅動基準光楔以一基準速度旋轉；上、下跟隨鏡片驅動模塊包括均自動控制調節器、相位差測定模塊、上、下跟隨鏡片驅動器；通過空心編碼器採集光楔的位置信號，比較給定的相位差信號和採集的上、下跟隨光楔的之間的相位差信號，得到一誤差量，根據該誤差量產生新的電機轉速控制信號驅動電機運動，改變上、下跟隨光楔的轉速，直至誤差量在允許範圍之內。
文檔編號G02B26/10GK103091836SQ20121057447
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者姜寶寧, 江浩, 趙華龍 申請人:中科中涵雷射設備(福建)股份有限公司