专利名称：一种振镜式激光三维扫描系统的制作方法
技术领域：
本发明属于激光加工应用技术领域，具体涉及一种振镜式激光三维扫 描系统。
背景技术：
振镜式激光扫描系统是由xy兩维扫描振镜和扫描聚焦镜(如平常聚焦 镜或远心扫描透镜)组成，其工作原现是将激光器输出的激光朿经扩朿镜放
大准直后依次经过x轴扫描报镜、y轴扫描娠镜和扫描聚焦镜会聚到:i:件表
面上，通过控制x轴、y轴扫描振镜的转动来控制激光光束在材料表面的x 方向和y方向上移动距离和位置，对工件表面进行加工。扫描振镜控制系 统具有输出力矩大，转动惯量小、速度快、精度高以及运行稳定等特点被 广泛用于打标、雕刻、钻孔、切割、焊接、快速加工等应用领域。由于这 种振镜式激光扫描系统的xy兩轴扫描振镜和扫描聚焦镜之间距离是固定- 体，因而只能用于xy平面两维加工。如要进行三维立体加工就必须在扩束 镜和激光扫描系统之间增加两片反射镜如图1所示。其工作原理是激光 器1发出激光束2，经扩束镜3放火准直后，通过两片反射镜4和5，将激 光束导入x轴扫描振镜6和y轴扫描振镜7以及扫描聚焦透镜8汇聚到工 件9的表面上。反射镜5与激光xy扫描振镜6、 7和扫描聚焦透镜8组成 一体并固定在可沿z轴方向上下移动的装置上，来调节激光焦点在z轴方向 的位置，从而实现三维立体加工。该方法调节激光焦点在z轴方向位置的 优点是不改变激光xy扫描振镜6、 7与扫描聚焦透镜8之间的距离，从而 保证激光扫描聚焦点在z轴的任何位置时，扫描尺寸的-致性。但其缺点 是因增加了两片反射镜使光路较复杂，稳定性较差，激光功率损耗增加以 及成本较高，尤其是对于昂贵的紫外和高功率密度激光反射镜片而言。发明內容
为了解决以上问题，本发明提供了一种振镜式激光三维扫描系统，该 系统无需增加任何反射镜，并且具有光路稳定高，易于调试和激光利用率 高的特点。
本发明提供的振镜式激光二维扫描系统，包括激光器、扩*镜、x轴土l 描振镜、y轴扫描振镜、扫描聚焦透镜及控制系统，控制系统与激光器、x 轴扫描振镜和y轴扫描振镜电连接，其特征在于扫描聚焦透镜安装在z
轴移动机构上x轴扫描振镜和y轴扫描振镜的镜面中心与激光器和扩束镜 的光轴中心重合，扫描聚焦透镜中心与x轴扫描振镜和y轴扫描振镜镜面
屮心重合。激光器发出激光束，经扩朿镜放大准直后，激光朿直接进入X
轴扫描振镜和y轴扫描振镜，控制系统控制z轴移动机构带动扫描聚焦透 镜在z轴方向上、下移动，调节激光聚焦点在z轴方向的位覽。
本发明采用/--种新而简便的yy法来实现激光扫描聚焦点能在z轴方 向调节焦点的位置。尽管该振镜式激光扫描系统也是由xy兩维扫描振镜和 扫描聚焦镜(如平常聚焦镜或远心扫描透镜)组成，但是与传统的振镜式激光 扫描系统不同之处是该振镜式激光扫描系统将xy兩维扫描振镜和扫描聚焦 镜(如平常聚焦镜或远心扫描透镜)分开为可相互移动的组合体，即xy轴扫 描振镜在z轴方向上固定不动，而扫描聚焦透镜固定在可沿z轴方向上下 移动的机构上来实现三维立体加工功能。由于该方法无需增加任何反射镜，
因而本发明系统具有以下优点
1、 由于减少两片反射镜，使光路简单，易于调试整休光路的准致性；
2、 由于减少两片反射镜，整体光路的稳定性提高；
3、 由于减少两片反射镜，使激光功率因反射镜片吸收而损耗的功率 消除，提高了激光功率的利用率；
4、 由于减少两片反射镜，使激光光路成本降低，尤其是对于较昂贵 的反射镜，如紫外激光和高密度激光功率的反射镜而g。
图1为现有的系统的一种具体实施方式
的结构示意图； 图2为本发明系统的一种具体实施方式
的结构示意图3为扫描聚焦透镜向下移动距离为Ah时，x轴扫描振镜旋转，而y 轴扫描振镜不旋转情况；
图4为扫描聚焦透镜向下移动距离为Ah吋，y轴tl描振镜旋转，而x 轴扫描振镜不旋转情况。
具体实施例方式
下面通过附图和实例对本发明方法作进-歩详细的说明。 振镜式激光扫描系统分为两部分； 一部分为xy兩轴扫描振镜，另一部
分为扫描聚焦透镜。xy兩轴扫描振镜在z轴方向上周定不移动，而扫描聚
焦透镜则可沿z轴方向上相对xy兩轴扫描振镜上下移动，自动调节在z轴
方向的焦点位置来实现二维立体加l:ll的。
实现上述方法的系统，如图2所小，本发明系统由激光器1、扩束镜3、
x轴扫描振镜6、 y轴扫描振镜7、 tl描聚焦透镜8、 z轴移动机构15和控
制系统。
x轴扫描振镜6和y轴扫描振镜7的镜面中心与激光器1和扩束镜3的 光轴中心重合，并在工作中相互距离保持不变。扫描聚焦透镜8固定于z 轴移动机构15上，随z轴移动机构15在z轴方向上、下移动，扫描聚焦透 镜8中心与x轴扫描振镜6和y轴扫描振镜7的镜面中心重合，工作时可 由控制系统利用计算机程序软件控制z轴移动机构15来带动扫描聚焦透镜 8上、下移动，调节激光聚焦点在z轴方向的位置，同时控制系统利用计算 机程序软件控制x轴扫描振镜6和y轴扫描振镜7的扫描角度来调节激光 聚焦点在xy两维平面位置，从而实现二维立体激光加工I -I的。
z轴移动机构15可以采用多种方式实现，简单的方式是利用滑块与电 机实现，如将滑块安装在直线电机的输出轴上，也可以将滑动安装在伺服 电机的丝杆上。将扫描聚焦透镜8固定在滑块上，电机通过滑块带动扫描聚焦透镜8上、下移动。
这种振镜式激光扫描系统调焦方法的唯-'缺点是在调焦li、」云彩'
扫描尺寸；即在x轴扫描振镜6和y轴扫描振镜7的扫描角度都不变的情 况下，移动扫描聚焦透镜8会导致扫描尺寸略有变化。这种tl描尺寸的变 化是由x和y轴扫描振镜6、 7带来的，似是很容易通过程序软件来解决。 从图3可以看出，y轴扫描娠镜7小旋转，x轴扫描振镜6旋转到某一 个角度oc，扫描聚焦透镜8在h位置时，激光束11在x轴方向扫描尺寸为x。 当扫描聚焦透镜8从h位置向下移动距离为Ah时，激光束11会在x方向增 加了一个Ax卜为了保持尺寸不变，可以通过程序软件来消除Ax卜例如，当 扫描聚焦透镜8向下移动距离为Ah的同吋，通过程序软件对x轴扫描振镜 6的扫描角度减小一个Aa。即
<formula>formula see original document page 7</formula>妙
(式中s表示x轴扫描振镜6的镜面「l'心与y轴扫描娠镜7的镜面中心之间 的距离，h表示y轴扫描振镜7的镜面't'心与扫描聚焦透镜8未移动时之间 的距离)使激光束11移动，成为激光朿12 (见图3所示)，从而消除了A^ 的偏差。
同理，当扫描聚焦透镜8从h位置向上移动距离为Ah时，会在x方向 减小-一个Axp通过软件对x轴扫描振镜6的扫描角度增加--个Aoc2，即 就可消除了AX2的偏差。
例如当激光扫描系统的X扫描振镜与扫描聚焦透镜之间的距离h+S =
37mm， x轴扫描振镜的扫描角度oc为20°，扫描聚焦透镜向卜'移动5mm时， 通过软件使x轴扫描振镜的扫描角度a减小一个Aa^2.222。就可保持激光扫 描尺寸不变。当扫描聚焦透镜向上移动5mm时，通过软件使x轴扫描振镜 的扫描角度cc增加一个Aaf2.8233。就可保持激光扫描尺寸不变。图4给出了扫描聚焦透镜8从h位置向下移动时，x轴扫描振镜6不旋 转，而y轴扫描振镜7旋转到某'个角度e的情况。当y轴扫描振镜7的扫 描角度为e时，扫描聚焦透镜8向下移动距离为Ah，激光束20在激光扫描 尺寸y方向增加了Ay,的示意图。同样通过程序软件是很容易消除Ay)，保 持尺寸不变。例如，当扫描聚焦透镜8向下移动距离为Ah的同时，通过软 件对y轴扫描振镜7的扫描角度减小-一个Ae,，即
使激光束20移动，成为激光束'21 (见图4所小)，从而消除丫Ay,的偏差。 同理，当扫描聚焦透镜8从h位置向上移动距离为Ah时，会在y方向 减小一个勿2，通过软件对y轴扫描振镜7的扫描角度增加小一个Ae2，艮卩
就可消除了Ay2的偏差。
例如当激光扫描系统的y轴扫描振镜与扫描聚焦透镜之间的距离h 为20mm， y轴扫描振镜的扫描角度e为20°，扫描聚焦透镜向下移动5mm 时，通过软件使y轴扫描振镜的扫描角度e减小一个Ae^3.76569。就可保持激 光扫描尺寸不变。当扫描聚焦透镜向上移动2mm时，通过软件使y轴扫描 振镜的扫描角度e增加-- 个Ae-2.01896。就nJ保持激光扫描尺、j不变。
显然，3x和y轴扫描振镜6、 7问吋旋转时，扫描聚焦镜8的上下移 动所产生的xy平面尺寸误差，可同时按照上述方法分别给x、 y轴扫描振 镜6、 7的旋转角度减或增加一个Acx和Ae来消除x和y方向产生的误差，达 到保持尺寸不变的目的。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施 例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等 效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1、一种振镜式激光三维扫描系统，包括激光器(1)、扩束镜(3)、x轴扫描振镜(6)、y轴扫描振镜(7)、扫描聚焦透镜(8)及控制系统，控制系统与激光器(1)、x轴扫描振镜(6)和y轴扫描振镜(7)电连接，其特征在于它还包括z轴移动机构(15)，扫描聚焦透镜(8)安装在z轴移动机构(15)上；x轴扫描振镜(6)和y轴扫描振镜(7)的镜面中心与激光器(1)和扩束镜(3)的光轴中心重合，扫描聚焦透镜(8)中心与x轴扫描振镜(6)和y轴扫描振镜(7)的镜面中心重合；激光器(1)发出激光束，经扩束镜(3)放大准直后，激光束直接进入x轴扫描振镜(6)和y轴扫描振镜(7)，控制系统控制z轴移动机构(15)带动扫描聚焦透镜(8)在z轴方向上、下移动，调节激光聚焦点在z轴方向的位置。
2、根据权利要求1所述的振镜式激光三维扫描系统，其特征在于控 制系统按照卜-述方式对x轴tl描报镜(6)和y轴j::l描报镜(7)的旋转角度进行误差补偿在x轴扫描振镜(6)旋转任-角度a， y轴扫描振镜(7)旋转到任一角度e的情况下当扫描聚焦透镜(8)从h位置向下移动距离为Ah时，x轴扫描振镜(6) 的实际扫描角度为cx — Aa,， y轴扫描振镜(7)的实际扫描角度等于e — Ae,， 当扫描聚焦透镜(8)上移动距离为Ah吋，x轴扫描振镜(6)的实际扫描角度为a+Acc2， y轴扫描振镜(7)的实际扫描角度等于e十A02，其中，<formula>formula see original document page 3</formula>式中s表示x轴扫描振镜(6)的镜面中心与y轴扫描振镜(7)的镜面 中心之间的距离，h表示y轴扫描振镜(7)的镜面中心与扫描聚焦透镜(8) 未移动时之间的距离。
全文摘要
本发明公开了一种振镜式激光三维扫描系统，包括激光器、扩束镜、x轴扫描振镜、y轴扫描振镜、扫描聚焦透镜、z轴移动机构及控制系统。激光器发出激光束，经扩束镜放大准直后，激光束直接进入x轴扫描振镜和y轴扫描振镜，控制系统控制z轴移动机构带动扫描聚焦透镜在z轴方向上、下移动，调节激光聚焦点在z轴方向的位置。本发明通过固定在可沿z轴方向上下移动的z轴移动机构的扫描聚焦透镜来实现三维立体加工功能。由于该系统减少了两片反射镜，使激光光路成本降低，尤其是对于较昂贵的反射镜而言。同时，本发明易于调试整体光路的准致性，并且提高了整体光路的稳定性及激光功率的利用率。
文档编号G02B26/10GK101419336SQ20081019766
公开日2009年4月29日 申请日期2008年11月17日 优先权日2008年11月17日
发明者曾晓雁, 李祥友, 军 段, 王泽敏, 胡乾午 申请人:华中科技大学