振镜式激光扫描控制

 3D打印技术最初研发过程, 研发人员便试图将激光加工技术的理念引入, 即激光固化光敏树脂成型. 激光扫描系统由激光器、扫描器件、光路转换器件、接收装置及需要的反馈系统构成. 光束扫描在工作区域是由扫描器件接收控制信号完成, 扫描器件分为许多种, 例如: 机械式绘图扫描器、声光偏转器件、振镜扫描器件等, 而振镜式扫描系统由于快速、高精度等性能特点, 广泛应用于3D打印技术中。本节将介绍振镜式激光扫描控制系统。

 振镜式激光扫描控制经过多年的研究, 发展相对成熟, 特别是德国的ScanLab公司以及美国的GSI公司、Nutfield公司等出售振镜扫描系统, 价格十分昂贵, 国内的上海通用扫描公司、北京世纪桑尼科技有限公司是国产振镜扫描系统的制造公司。目前,振镜式激光扫描系统应用最多的领域是激光打标、激光快速成型以及激光的扫描与显示, 例如在3D打印中的立体光固化技术就是采用振镜式激光扫描系统, 使整个成型系统能够高效、快速、高性能成型。振镜扫描是光机扫描方式,即控制机械装置的运动来掌握光束的偏转, 完成激光光束在扫描界面

的移动。振镜式激光扫描系统主要有两种: 第一种是利用F-Theta 透镜聚焦方式, 也称二维振镜式激光扫描系统(静态聚焦系统)一种专业的透镜系统, 其工作原理如图7所示, 目的是将激光束在整个平面内形成均匀大小的聚焦光斑; 第二种是动态聚焦方式的三维振镜式激光扫描系统(动态聚焦系统),具体应用根据实际扫描视场、工作面聚焦光斑的大小、性价比、工作距离等方面来决定使用哪种聚焦系统.

 针对聚焦系统位置的不同, 把二维振镜式扫描又分成了两种扫描类型, 即物镜前扫描方式和物镜后扫描方式. 物镜前扫描指光束先经

过偏转器偏转, 然后由F-Theta透镜将光束聚焦; 物镜后扫描指光束先经过F-Theta 透镜聚焦后, 再通过偏转器将光束进行偏转扫描。动态聚焦方式相对于静态聚焦方式采用的控制方式更加复杂, 动态聚焦方式的振镜式激光扫描系统原理: 激光器发射光束经过扩束镜, 得到一系列平行光束, 光束通过动态聚焦系统的聚焦以及物镜组的光学放大后, 依次投射到X 轴和Y 轴振镜上, 经过两个振镜的二次反射到工作台面上, 形成扫描平面上的扫描点. 如果立体光固化技术的成型尺寸大于1000cm3,并且要求成型精度非常高的情况下, 这时候需要采用动态聚焦的扫描系统, 文世峰深入研究了将动态聚焦振镜激光扫描系统应用在立体光固化成型技术上的可行性, 分析了基于PC的数控系统实现对输入图像的复杂插补算法、数据的模型转换、图形校正算法以及通过中端控制方式实现对插补后的扫描点高速、准确地定位控制，并通过对焦距进行动态的调节, 确保在工作时整个扫描工作区域的扫描点都处于焦点位置。

 振镜式激光扫描控制系统在实际运用中会出现图形扫描的线性失真和非线性失真现象, 随着扫描图形尺寸增大, 模型成型质量将会受到影响. 基于上述问题, 文献应用了一种针对3D打印技术中振镜式激光扫描系统的二次曲线拟合校正算法,一方面消除激光在图形扫描中出现的线性失真和非线性失真; 另一方面可以校正激光扫描过程中产生的综合误差. 当激光发射至工作平面上任一点(x，y)时, 能够得到激光在整个平面上的扫描轨迹函数为：

式中, α，β分别表示x轴和y 轴转角角度的一半; d表示振镜x轴镜片中心到y轴振镜中心的垂直距离; D表示振镜y轴中心到工作平面的

距离. 假设(x0，y0)为待加工零件的坐标, 方程x = y²/x1；Δx和△y分别是x 轴和y 轴上的畸变量, μ和λ分别是x轴和y轴上的校正系数可以通过公式校正。得到如表4所示误差校正的实验数据,(X，Y)是图形发生起畸变后的坐标。

未完待续；