一种四自由度XY振镜扫描装置及控制方法与流程

本发明属于光学与机电控制技术领域，具体是一种四自由度XY振镜扫描方法。

背景技术：

激光束扫描装置是激光加工机床的核心部件，现有的激光束扫描装置主要基于XY振镜系统。XY振镜系统包括两个可做快速角度偏转的反射镜，它们在几何上成正交布局并分别采用角度伺服机构驱动；角度伺服机构通过调节两个反射镜的偏转角，可控制激光束按设定轨迹在XY平面上进行连续扫描。为了提升激光束扫描速度和效率，实践中一方面将XY振镜的反射镜片轻量化以降低其转动惯量，另一方面常采用具有快速响应特性的音圈电机。由于音圈电机是通过电流控制元件且为非换流型电机，因此可实现很高的重复定位精度，但其高频响应特性却受绕组强感性负载特性的影响难以进一步提升，目前传统的XY振镜系统虽能实现较高的直线扫描速度，但在处理复杂矢量图案，特别是具有大量微小结构、曲线、不规则转弯图形方面，其扫描效率仍较低。

为了提升激光束扫描效率，有文献报道采用压电偏转机构替代音圈电机实现XY振镜系统反射镜片的角度偏转伺服驱动，但其反射镜尺寸和角度偏转范围较小，限制了扫描范围，在处理复杂扫描任务，特别是包含大量微结构图案方面，目前尚缺少一种能兼顾大尺寸扫描范围、高效率扫描性能以及高精度微结构扫描需求的XY振镜扫描装置及其控制方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术不足，提供一种机械、光学结构科学合理，控制方案简便易行的四自由度XY振镜扫描装置及控制方法。

本发明的技术方案如下：一种四自由度XY振镜扫描装置，该四自由度XY振镜扫描装置包括激光器、XY振镜扫描系统、场镜和扫描控制器，其中，XY振镜扫描系统设在工作平台上方，XY振镜扫描系统包括X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜和角度驱动机构，X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜采用几何正交布局，角度驱动机构驱动X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜的偏转，场境设在XY振镜扫描系统的下方，被加工零件设在场境的下方并固定在工作平台上，激光器发出的激光束射向X轴振镜反射镜的回转中心，经X轴振镜反射镜后射向Y轴振镜反射镜的回转中心，经Y轴振镜反射镜反射后的激光束射入场镜聚焦，而后投射到放置于工作平台上的被加工零件表面；扫描控制器分别与激光器、角度驱动机构相连接实现控制；所述的X轴振镜反射镜包括框体、回转轴和反射镜本体，反射镜本体内设有依次叠加的第一导电背板、压电层、第二导电背板和反射层，第一导电背板上设有引出端子一，第二导电背板上设有引出端子二；通过引出端子一、引出段子二在第一导电背板和第二导电背板间接入受控电压信号，可调节反射镜本体的厚度，反射层随之移动，使得激光器发出的激光束射在X轴振镜反射镜上后反射的光斑发生移动，完成复杂扫描图案中微结构部分的激光扫描。

在所述的一种四自由度XY振镜扫描装置中，所述Y轴振镜反射镜的结构与X轴振镜反射镜结构相同。

在所述的一种四自由度XY振镜扫描装置中，所述的角度驱动机构包括角度伺服驱动器一和角度伺服驱动器二，角度伺服驱动器一、角度伺服驱动器二分别与扫描控制器相连，X轴振镜反射镜由角度伺服驱动器一驱动偏转，Y轴振镜反射镜由角度伺服驱动器二驱动偏转，扫描控制器通过角度伺服驱动器一、角度伺服驱动器二控制X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜偏转角度，完成复杂扫描图案中的走势平稳部分的激光扫描。

在所述的一种四自由度XY振镜扫描装置中，所述的角度伺服驱动器一与角度伺服驱动器二均采用音圈电机，偏转角度范围大，满足加工需要。

一种四自由度XY振镜扫描控制方法，该四自由度XY振镜扫描控制方法包括：

⑴开始激光束扫描前，扫描控制器先根据加工任务确定完整扫描路径，并以给定扫描速度为前提，采用滤波器或频谱分析算法将完整扫描路径分解为：直流及低频分量即完整扫描路径中的走势平稳部分，高频分量即反映完整扫描路径中的微结构部分及走势急剧、反复变化部分；

⑵扫描控制器将分解所得直流及低频分量、高频分量与激光功率设定值、激光开启超前时间、激光关闭滞后时间等参数一并载入加工程序；被加工零件固定放置于工作平台上，调节工作台高度使得XY振镜扫描系统的场镜焦平面与被加工零件表面重合；

⑶进行激光束扫描时，扫描控制器根据加工程序中的直流及低频分量计算X轴振镜反射镜与Y轴振镜反射镜的偏转角度坐标值，并输出至角度伺服驱动器控制X轴振镜反射镜与Y轴振镜反射镜的角度偏转；扫描控制器根据加工程序中的高频分量计算X轴振镜反射镜与Y轴振镜反射镜的厚度变化值，并输出电压信号至X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜，X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜的厚度跟随电压信号发生变化；X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜偏转角度与厚度控制过程保持时域同步，激光器发出的激光束射向X轴振镜反射镜的回转中心，反射后射向Y轴振镜反射镜的回转中心，反射后的激光束射入场镜聚焦，而后投射到放置于工作平台上的被加工零件表面，通过X轴振镜扫描镜的偏转角度与厚度、Y轴振镜扫描镜的偏转角度与厚度四个自由度的调整，相互配合完成复杂图案的激光扫描。

在所述的一种四自由度XY振镜扫描控制方法中，所述的扫描控制器根据当前所执行完整扫描路径的瞬时位置以及激光束开启超前时间、激光束关闭滞后时间输出开关信号至激光器，确保仅当激光束光斑位于加工任务所限定的扫描区域内时才开启；扫描控制器根据加工程序中各扫描位置的激光功率设定数据输出控制信号至激光器，以得到符合加工任务需求的激光束实时功率条件。

在所述的一种四自由度XY振镜扫描控制方法中，所述X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜内设有压电材料组成的压电层，压电层的厚度可通过电气信号实时调节，控制X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜的厚度。

本发明X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜的角度偏转所产生的激光束扫描运动，与X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜厚度变化所产生的激光束扫描运动在被加工零件表面同步叠加，得到最终的激光束扫描轨迹，这使得加工任务所定义完整扫描路径中的直流及低频分量通过X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜的角度偏转得以执行，控制激光束的宏观扫描路径；高频分量则通过X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜的厚度变化得以执行，控制激光束的微观扫描路径；本发明X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜的角度偏转可采用音圈电机伺服机构控制，反射镜片的厚度变化可采用压电材料控制，前者偏转角度范围大，后者高频响应特性好、分辨率高。

本发明X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜的厚度变化量，在任意偏转角度位置上均与激光束光斑位移呈线性关系，因此反射镜片厚度变化所产生的激光束微观扫描运动不仅高频响应特性好，而且控制精度及分辨率高；本发明四自由度XY振镜扫描装置结构紧凑、可控性好，能兼顾大扫描范围、高扫描效率和高扫描精度的多重需求，在激光加工领域有良好应用前景。

附图说明

图1为本发明一种四自由度XY振镜扫描装置的总体结构图。

图2为本发明中X轴振镜反射镜的结构示意图。

图3为图2的剖面图。

图4为本发明中控制信号连接示意图图。

图5为本发明中反射镜的厚度变化导致激光束光斑移动示意图。

在附图1～5中，1表示激光器；2表示X轴振镜反射镜；3表示Y轴振镜反射镜；4表示场镜；5表示被加工零件；6表示工作平台；7表示角度伺服驱动器一；8表示角度伺服驱动器二；9表示框体；10表示回转轴；11表示反射镜本体；12表示第一导电背板；13表示压电层；14表示第二导电背板；15表示反射层；16表示引出端子一；17表示引出端子二；18表示扫描控制器；H表示压电层厚度变化；L表示反射后光斑位移。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细描述。

如图1～5所示，一种四自由度XY振镜扫描装置，该四自由度XY振镜扫描装置包括激光器1、XY振镜扫描系统、场镜4和扫描控制器18，其中，XY振镜扫描系统设在工作平台6上方，XY振镜扫描系统包括X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3和角度驱动机构，X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3采用几何正交布局，角度驱动机构包括角度伺服驱动器一7和角度伺服驱动器二8，角度伺服驱动器一7、角度伺服驱动器二8分别与扫描控制器18相连，X轴振镜反射镜2由角度伺服驱动器一7驱动偏转，Y轴振镜反射镜3由角度伺服驱动器二8驱动偏转；角度伺服驱动器一7与角度伺服驱动器二8均采用音圈电机，偏转角度范围大，满足加工需要；扫描控制器18通过角度伺服驱动器一7、角度伺服驱动器二8控制X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3偏转角度，完成复杂扫描图案中的走势平稳部分的激光扫描；场境4设在XY振镜扫描系统的下方，被加工零件5设在场境4的下方并固定在工作平台6上，激光器1发出的激光束射向X轴振镜反射镜2的回转中心，经X轴振镜反射镜2后射向Y轴振镜反射镜3的回转中心，经Y轴振镜反射镜3反射后的激光束射入场镜4聚焦，而后投射到放置于工作平台6上的被加工零件表面5；扫描控制器18分别与激光器1、角度驱动机构相连接实现控制；所述的X轴振镜反射镜2与Y轴振镜反射镜3的结构相同，X轴振镜反射镜2包括框体9、回转轴10和反射镜本体11，反射镜本体11固定在框体9内，回转轴10设在框体9一侧并与角度伺服驱动器一7连接，反射镜本体11内设有依次叠加的第一导电背板12、压电层13、第二导电背板14和反射层15，第一导电背板12上设有引出端子一16，第二导电背板14上设有引出端子二17；通过引出端子一16、引出段子二17在第一导电背板12和第二导电背板14间接入受控电压信号，可调节反射镜本体11的厚度，如图4中所示，电压信号变化导致压电层13的厚度减小标为H，使得激光器1发出的激光束射在X轴振镜反射镜2上后反射的光斑发生位移L，完成复杂扫描图案中微结构部分的激光扫描，反射镜本体11的厚度变化H与反射后光斑位移L之间满足基本的几何规则与比例关系，因此采用压电层13带动反射层15前移、后退，可控制激光束光斑精确移动，且位移幅度与激光束投射距离无关。

一种四自由度XY振镜扫描控制方法，该四自由度XY振镜扫描控制方法包括：

⑴开始激光束扫描前，扫描控制器18先根据加工任务确定完整扫描路径，并以给定扫描速度为前提，采用滤波器或频谱分析算法将完整扫描路径分解为：直流及低频分量即完整扫描路径中的走势平稳部分，高频分量即反映完整扫描路径中的微结构部分及走势急剧、反复变化部分；

⑵扫描控制器18将分解所得直流及低频分量、高频分量与激光功率设定值、激光开启超前时间、激光关闭滞后时间等参数一并载入加工程序；被加工零件5固定放置于工作平台6上，调节工作平台6高度使得XY振镜扫描系统的场镜4焦平面与被加工零件5表面重合；

⑶进行激光束扫描时，扫描控制器18根据加工程序中的直流及低频分量计算X轴振镜反射镜2与Y轴振镜反射镜3的偏转角度坐标值，并输出至角度伺服驱动器一7、角度伺服驱动器二8中控制X轴振镜反射镜2与Y轴振镜反射镜3的角度偏转；所述X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜内设有压电材料组成的压电层，压电层的厚度可通过电气信号实时调节，扫描控制器18根据加工程序中的高频分量计算X轴振镜反射镜2与Y轴振镜反射镜3的厚度变化值，并输出电压信号至X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3，X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3的厚度跟随电压信号发生变化；X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3偏转角度与厚度控制过程保持时域同步，激光器1发出的激光束射向X轴振镜反射镜2的回转中心，反射后射向Y轴振镜反射镜3的回转中心，反射后的激光束射入场镜4聚焦，而后投射到放置于工作平台6上的被加工零件5表面，通过X轴振镜扫描镜2的偏转角度与厚度、Y轴振镜扫描镜3的偏转角度与厚度四个自由度的调整，相互配合完成复杂图案的激光扫描；如图4所示，电压信号变化导致压电层13的厚度减小标为H，使得激光器1发出的激光束射在X轴振镜反射镜2上后反射的光斑发生位移L，完成复杂扫描图案中微结构部分的激光扫描，反射镜本体11的厚度变化H与反射后光斑位移L之间满足基本的几何规则与比例关系，因此采用压电层13带动反射层15前移、后退，可控制激光束光斑精确移动，且位移幅度与激光束投射距离无关；所述的扫描控制器18根据当前所执行完整扫描路径的瞬时位置以及激光束开启超前时间、激光束关闭滞后时间输出开关信号至激光器1，确保仅当激光束光斑位于加工任务所限定的扫描区域内时才开启；扫描控制器18根据加工程序中各扫描位置的激光功率设定数据输出控制信号至激光器1，以得到符合加工任务需求的激光束实时功率条件。

本发明在两个反射镜的角度偏转自由度基础上，增加了反射镜的厚度变化自由度，且增加的自由度采用压电材料等高频响应特性好的材料和结构实现其输出控制；本发明采用反射镜的角度偏转自由度执行复杂扫描图案中的走势平稳部分即直流和低频分量，采用反射镜的厚度变化自由度执行复杂扫描图案中的微结构部分即高频分量；本发明合理利用了反射镜角度偏转自由度扫描范围大、反射镜厚度变化自由度高频特性好、分辨率高的优点，兼顾了复杂激光束扫描任务对大扫描范围、高扫描精度和高扫描效率的多重要求。

本发明中X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜的厚度变化自由度能实现纳米级控制精度和亚纳米级分辨率，可用于在材料表面制作大规模的微结构整列，在微纳制造领域有良好应用前景。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。