1、*基金項目:國家科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金(項目編號:05C26214201059收稿日期:2007-12-14第28卷第2期應(yīng) 用 激 光Vo l.28,N o.22008年4月APPLIED LASERA pr il 2008選區(qū)激光熔化成形系統(tǒng)的動態(tài)聚焦技術(shù)研究*章文獻, 史玉升, 賈和平(華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室,湖北武漢430074提要 針對二維振鏡存在的聚焦誤差問題,根據(jù)產(chǎn)生聚焦誤差的原理,采用動態(tài)聚焦技術(shù)補償聚焦誤差。分析振鏡激光掃描過程中的圖形失真機理,采用坐標(biāo)映射方式補償圖形畸變方法?；赑 CI 總線控制技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)聚焦振鏡掃描的控制,并將該動態(tài)掃描系統(tǒng)應(yīng)用

2、于選區(qū)激光熔化成形設(shè)備,通過選區(qū)激光熔化成形工藝實驗,驗證了所開發(fā)的動態(tài)聚焦系統(tǒng)滿足選區(qū)激光熔化成形工藝要求。關(guān)鍵詞 激光技術(shù); 動態(tài)聚焦; P CI 總線控制技術(shù); 聚焦誤差中圖分類號:TH 164 文獻標(biāo)識碼:Dynamic Focusing Technology for Laser Galvanometer Scanning of a Selective Laser Melting SystemZhang Wenx ian, Shi Yusheng , Jia H eping(State K ey L abor atory of M ater ial P rocessing and D

3、ie &M ould T echnology ,S chool of M ater ial S cience andE ngineer ing,H uaz hong Univer sity of Science and T echnology ,W uhan,H ubei 430074,China Abstract A cco rding to the principle of focusing er ro r for tw o dimensio ns laser galvanometer scanning,a dynamic fo cusing opt-i cal model for cor

4、 recting this erro r was put for war d.Causes o f Imag e disto rtio n in the scanning pr ocess w ere analyzed,and map -ping transfor mation fo r the focus posit ions was used.A dynamic focusing sy st em based on the P CI bus contr ol technique was dev elo ped.T hen it was insta lled in a select ive

5、laser melting (SLM machine.T he tests results show that the dev elo ped dynamic focusing system can adapt to the SL M pr ocessing.Key words L aser techno lo gy ; dynamic focusing ; PCI bus contro l technique; focusing er ro r1 引言在各種激光掃描技術(shù)中,振鏡式激光掃描是目前廣泛采用的一種激光掃描方式,它具有高速、高精度、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢,但存在光斑焦點不在加工面上的聚焦誤差

6、問題。用安裝在微機電系統(tǒng)的聚焦鏡可獲得高的聚焦精度,但不適宜于激光掃描系統(tǒng)1?？捎肍 -theta 透鏡對聚焦畸變進行校正,這種方法只適合較小的工作臺面的激光掃描加工,若在較大工作臺面上掃描時,F -theta 透鏡尺寸大,成本高2。為此,可用動態(tài)聚焦技術(shù)補償這種聚焦誤差。動態(tài)聚焦技術(shù)是近年來興起的激光掃描聚焦誤差補償技術(shù),它廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、攝影、超聲波成像和三維激光掃描技術(shù)3。2 誤差產(chǎn)生及其補償機理2.1聚焦誤差及其補償如圖1所示, 激光器發(fā)出的光束經(jīng)聚焦透鏡后圖1 振鏡掃描誤差簡圖再經(jīng)X 、Y 軸振鏡到達焦點工作平面。但經(jīng)過振鏡偏轉(zhuǎn)后的光束焦點只有一點落在工作臺面上,其它焦點都與工作面存

7、在誤差。99為此,在X 、Y 軸振鏡前加上一套能夠改變光路的裝置,實時保證焦點落在工作面上就能補償聚焦誤差。一般來說,在X 、Y 軸振鏡前加上一個可作往復(fù)移動的聚焦透鏡,實時改變光路,補償聚焦誤差,從而實現(xiàn)動態(tài)聚焦。這種聚焦方式不僅適合大視場的動態(tài)掃描,而且具有通用性,設(shè)計簡單,維護方便。2.2圖形失真及其補償振鏡式激光掃描時存在著掃描圖形的線性失真和非線性失真,特別是當(dāng)掃描區(qū)域較大時,嚴(yán)重影響了激光掃描的圖形精度及加工質(zhì)量,這給進一步的分析處理帶來困難。而描述理想圖和畸變圖之間的地址映射4關(guān)系的平面坐標(biāo)變換方法能夠很好地解決這個問題。如圖2所示的坐標(biāo)系中,激光束入射方向平行于X 軸,X 軸振

8、鏡以平行于Z 的軸轉(zhuǎn)動,其偏轉(zhuǎn)角為 ;Y 軸振鏡以平行于X 的軸轉(zhuǎn)動,其偏轉(zhuǎn)角為 。當(dāng)激光束射到工作面上的任一點(x,y時,可以得出光束在XOY 平面上的掃描軌跡:y =-dtg 2x =etg 2 +dtg 2 sec2(1其中e 表示振鏡x 到Z 軸的距離,d 表示工作臺面的高度。當(dāng) 0時,令tg 2 = ,有5(x -e 2(d a2-y 2d2=1(2圖2 激光掃描原理圖由此可知所得軌跡為雙曲線,且當(dāng) 0時取雙曲線左部分, 0時取右半部分,即所謂的枕形畸變。此外,振鏡式激光掃描系統(tǒng)控制精度還受到控制裝置和掃描鏡安裝偏置誤差的影響6,7,它們可以造成振鏡激光掃描時產(chǎn)生的非線性誤差。物體按

9、照理想光學(xué)模型成像,所得的圖像為理想圖,由于實際的光學(xué)模型與理想光學(xué)模型不完全一致,因此所成的圖像有畸變,稱之為畸變圖。假定畸變圖中的點(x ,y 在理想圖中對應(yīng)坐標(biāo)為(x ,y ,那么(x ,y 與(x,y 之間的映射關(guān)系為8x =s(x ,y = k i =0 k =ij =0u ij x i y jy =t(x ,y= k i =0 k =i j =0v ij x i y j(3為了確定坐標(biāo)關(guān)系中的參數(shù),在理想圖中找n 個點(x 1,y 1,(x 2,y 2, ,(x n ,y n ,這些點稱為約束點,它們在畸變圖中對應(yīng)的坐標(biāo)分別為(x 1,y 1,(x 2,y 2, ,(x n ,y

10、n ,基于這n 對約束點, 可用最小二乘法辨識出式(3中的參數(shù),從而確定坐標(biāo)映射關(guān)系。其中i 、j 越大,精度就越高,但計算量也就越大,可操作性也越差。3 動態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)組成及其控制依據(jù)光學(xué)杠桿原理,設(shè)計動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)光學(xué)模型(圖3。激光束經(jīng)動態(tài)聚焦系統(tǒng)再經(jīng)兩次鏡面反射到達掃描場。在伺服電機的驅(qū)動下,動態(tài)聚焦鏡在光路方向上做往復(fù)直線運動,實時補償聚焦誤差,從而保證光斑焦點的掃描場與工作場誤差得到補償。在動態(tài)聚焦系統(tǒng)中,為避免光束聚焦燒壞透鏡,提高校正效果,動態(tài)聚焦鏡和其它的凸透鏡都選用平凸鏡。圖3 三維動態(tài)聚焦光學(xué)模型動態(tài)聚焦系統(tǒng)中的動態(tài)聚焦透鏡的往復(fù)移動是通過伺服電機和直線轉(zhuǎn)換器來實

11、現(xiàn)的。這套裝100置包括一套光學(xué)支架(套筒、伺服電機、電流計、以及將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的直線轉(zhuǎn)換器。在光學(xué)支架上安裝動態(tài)聚焦透鏡。當(dāng)激光進行掃描時,上層應(yīng)用程序和下層驅(qū)動程序把聚焦誤差值的數(shù)字信號經(jīng)過PCI板卡傳到伺服電機的驅(qū)動器,驅(qū)動伺服電機偏轉(zhuǎn),電機的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)直線轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)橥哥R支架的直線運動,從而實現(xiàn)了Z 方向的動態(tài)聚焦。相對于其它方式的激光掃描來說,振鏡式激光掃描的速度很快,最高可以達到8000mm/s。在激光快速掃描過程中,為實現(xiàn)激光等間距、勻速掃描,當(dāng)插值的點與點之間的距離比較大時,掃描出來的只是兩個端點,中間部分完全不能達到加工效果9。因此,要求在掃描平面的線段插值形成振鏡

12、的偏轉(zhuǎn)角時,插值點的距離要足夠近,這樣就導(dǎo)致振鏡控制系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)量增大。不過,當(dāng)前計算機的運算能力已大大提高,數(shù)據(jù)處理已不成問題。在振鏡掃描過程中,振鏡掃描有激光掃描(mark指令控制和非激光掃描(jump指令控制兩種方式。對于jum p的線段可以以一個受限的高速空跳過去,而對于mark的線段則采用等間距勻速插補。動態(tài)聚焦振鏡激光掃描系統(tǒng)一般采用上層應(yīng)用軟件和下層驅(qū)動軟件控制。由于采用開環(huán)控制,所以在運動過程中要求實現(xiàn)三軸同步。驅(qū)動振鏡的伺服電機是由模擬電壓驅(qū)動的。其模擬電壓是由基于總線技術(shù)的接口卡控制。所采用的接口卡為16位的D/A板卡,輸出電壓為 10V?？刂蒲b置的最終目的是要將工作平

13、面上的數(shù)字化坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化成振鏡的轉(zhuǎn)角值與動態(tài)聚焦的位移值,這就需要根據(jù)電機的轉(zhuǎn)動特性和接口卡的特性將數(shù)字量信號經(jīng)過D/ A轉(zhuǎn)化成驅(qū)動電壓值。3.2動態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)實施方案動態(tài)聚焦振鏡激光掃描系統(tǒng)(圖4是基于PCI 總線技術(shù)的基礎(chǔ)實現(xiàn)的,并成功地應(yīng)用于選區(qū)激光熔化成形機。其主體部分是計算機控制系統(tǒng),主要由工控機、激光器、振鏡、激光控制器、溫度控制裝置、PCI板卡、其它輔助裝置,以及與之適應(yīng)的控制軟件等組成。如圖4所示,當(dāng)計算機發(fā)出指令后,其數(shù)字信號通過PCI板卡、三軸D/A轉(zhuǎn)換卡,將模擬電壓信號送到伺服電機,電機旋轉(zhuǎn)帶動X、Y軸振鏡偏轉(zhuǎn)和Z軸動態(tài)聚焦鏡的往復(fù)移動,從而實現(xiàn)計算機對光路和動態(tài)聚焦

14、模塊的控制。其中,激光控制器可實現(xiàn)數(shù)字信號到電壓大小的轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)對激光能量(功率 的實時控制。圖4 動態(tài)聚焦振鏡式激光掃描實現(xiàn)方案圖4 具有動態(tài)聚焦的SLM成形系統(tǒng)H RPM-I設(shè)備主要由150W Nd-YAG激光器、冷卻器、含擴束鏡及動態(tài)聚焦掃描子系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、工作缸運動系統(tǒng)、氧含量及溫度的檢測系統(tǒng)、高氣密性成形腔體以及控制電機運動的硬件系統(tǒng)組成。H RPM-I設(shè)備主要特征:激光波長為1.064 m,金屬材料對該波長的激光吸收率高,減少了金屬粉末完全熔化所需的激光功率;激光器功率最大為150W,當(dāng)激光束聚焦光斑小于0.1mm時,其能量密度超過5 106W/cm2,可使金屬粉末

15、完全熔化,同時也滿足對成形精度等工藝的要求;鋪粉層厚精度可達0.05mm;激光束聚焦后光斑尺寸達0.05-0.1m m;激光束最大掃描速度達5m/s,掃描定位精度達0.02m m;成形腔體通保護氣氛下氧含量可控制在10ppm以內(nèi);雙缸下送粉運動系統(tǒng);成形空間為250m m 250mm 450mm;基于軟件芯片的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),用軟件實現(xiàn)由硬件完成的許多功能,既保證控制系統(tǒng)的可靠性和技術(shù)指標(biāo),又降低了SLM成形設(shè)備的成本。5 試驗結(jié)果及分析本文主要研究了動態(tài)聚焦振鏡式激光掃描的關(guān)101鍵技術(shù),開發(fā)出比較實用的動態(tài)聚焦系統(tǒng),并應(yīng)用于選區(qū)激光熔化成形系統(tǒng)。圖5為在裝有自行開發(fā)的動態(tài)聚焦系統(tǒng)的選區(qū)激光熔

16、化成形機上所加工的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件,其加工精度可達 0.1mm 。通過試驗結(jié)果,分析成形零件的綜合性能,可以得出自主開發(fā)的動態(tài)聚焦系統(tǒng)具有以下特點:此系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)時間短、結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、便于維護,且具有很好的通用性。采用全數(shù)字化控制,實現(xiàn)三軸同步運動,利于實現(xiàn)高速掃描和聚焦誤差的實時補償,便于掃描各種復(fù)雜形狀的二維平面輪廓。掃描誤差動態(tài)補償,適合大范圍激光掃描,并使工件的組織性能、 表面質(zhì)量得到提高。圖5 SL M 不銹鋼316L 粉末直接成形件參考文獻1Qi Bing,Himmer A Phillip,Gordon L M ag gie,et al.Dy -namic foc

17、us control in high -speed optical coherence to mo -g raphy based on a micr oelectromechanical mirro r J.Op -tics Communications,2004,232(1-6:123-128.2王瑞敏,盧秉恒,李滌塵.激光快速成型機中的動態(tài)聚焦系統(tǒng)分析J.激光雜志,1997,18(5:35-37.3M uth M ichael,Optimized X /Y scanning head for laserbeam posit ioning J.Pr oceeding s of the SPIE -T he In -t ernational So ciety for O pt ical Eng ineering ,1996,2774:535-544.4虞孝舜.雙振鏡掃描幾何畸變的校正J.激光與紅外,1998,28(1:45-47.5趙毅,盧秉恒.振鏡掃描系統(tǒng)的枕形畸變校正算法J.中國激光,2003,30(3:216-218.6孫會來,趙樹忠.雙振鏡激光掃描加工誤差原因分析J.激光與紅外,2005,35(3:161-163.7M o nt agu J