一种混合式激光束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，具体是一种混合式激光束扫描装置及控制方法。

背景技术：

现有激光束扫描装置主要采用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度，控制激光光斑按设定路径在XY平面上进行连续扫描。激光束扫描方式又可分为矢量式和位图式，其中矢量式扫描的激光束移动路径通常是围绕零件轮廓的连续曲线；位图式扫描的激光束移动路径则是逐行逐行均匀覆盖加工区域，并根据激光束当前所处位置是否位于被加工区域而对其进行开关操作。矢量式和位图式扫描的本质均是将激光束移动所形成的扫描线密集排列，进而拼接成所需形状扫描面的过程；而由于扫描线是激光光斑连续移动所产生，因此相邻扫描线的生成时刻为异步且时间差随扫描轮廓变长而增长，相应地激光束所引发的加热和冷却过程也是异步的。这容易造成扫描线拼接部位的受热、冷却不均，进而形成内应力并导致强度降低和变形；此外，单一、规则的拼接纹理容易导致零件在外力作用下在拼接部位发生撕裂损伤。

CN201510296762.5公开了一种激光扫描粉末进行熔化成形的方法，采用大光斑扫描中心规则区域、小光斑扫描边缘不规则区域的双激光束方案，提升了扫描效率并使得受热熔化过程更均匀，但其大光斑的光强均化、大小光斑结合部的扫描路径规划未阐述清楚。此外还有文献报道了前/后双激光束扫描方案，前面的激光束负责熔融成形，后面的激光束用于二次熔融以增加强度、改善成形零件的表面质量，但从扫描路径形态上去分析，这些方案仍未改变扫描线规则排列的根本方式以及由其导致的诸多局限。在激光加工领域，目前还缺少一种能构建任意扫描截面、扫描面拼接强度高且易于实施的激光束扫描控制方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术不足，提供一种结构合理，简便易行的混合式激光束扫描装置及控制方法。

本发明的技术方案如下：一种混合式激光束扫描装置，该混合式激光束扫描装置包括激光器、XY轴振镜扫描系统、角度驱动机构、场镜、工作平台、压电驱动组件和扫描控制器，其中，XY轴振镜扫描系统包括X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜以及角度驱动机构，场镜设在被加工零件的上方，XY轴振镜扫描系统设在场镜的上方，X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜正交设置，角度驱动机构分别驱动X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜，被加工零件置于工作平台上，压电驱动组件设在工作平台的侧边，工作平台在压电驱动组件的驱动下可做微幅直线移动；工作平台与XY轴振镜扫描系统平面生成平行的高频二维平面振动；激光器发出的激光束经X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜反射后进入场镜聚焦，而后投射到被加工零件的表面；扫描控制器与激光器连接，以在扫描过程中实时控制激光束开关、激光束功率、激光脉冲的脉宽与间隔时间等；扫描控制器与角度驱动机构连接，以控制激光束扫描路径；扫描控制器与压电驱动组件连接以控制工作平台的高频二维平面振动轨迹；开始激光束扫描加工时，扫描控制器控制角度驱动机构按常规扫描方式运行，与此同时，扫描控制器根据实时扫描坐标确定激光束参数，并发送控制指令至激光器以实现激光束的开关控制和功率调节；角度驱动机构扫描期间，扫描控制器根据微结构类型数据如正六边形，输出联动控制信号至压电驱动组件，以控制工作平台在与XY轴扫描平面平行的方向上生成相应模式的高频二维平面振动轨迹；由于激光束扫描轨迹取决于激光光斑与加工零件之间的相对运动，因此XY轴振镜扫描系统的扫描运动与压电驱动组件的高频振动相叠加，合成了激光束扫描轨迹，其中XY轴振镜扫描系统负责宏观扫描路径，压电驱动组件负责扫描微结构；由于压电驱动组件的振动速度远大于XY轴振镜扫描系统的扫描运动速度，所合成的激光束扫描轨迹是由大量微结构密集排列而成的复杂阵列图案。

在所述的一种混合式激光束扫描装置中，所述的压电驱动组件包括呈正交设置的A轴压电驱动器和U轴压电驱动器，A轴压电驱动器、U轴压电驱动器分设在工作平台的侧边并与扫描控制器相连，A轴压电驱动器、U轴压电驱动器在扫描控制器的控制下移动。

在所述的一种混合式激光束扫描装置中，所述的角度驱动机构包括角度伺服机构一和角度伺服机构二，角度伺服机构一与角度伺服机构二均与扫描控制器相连，X轴振镜反射镜由角度伺服机构一驱动，Y轴振镜反射镜由角度伺服机构二驱动，完成宏观路径的扫描。

一种混合式激光束扫描控制方法中，该混合式激光束扫描控制方法包括以下步骤：

⑴开始激光束扫描加工前，扫描控制器根据待扫描截面形状计算扫描路径，并将其与扫描速度、激光功率以及用于填充扫描截面的微结构类型数据一并载入加工程序；

⑵启动加工程序，扫描控制器根据扫描路径数据输出偏转角度控制指令至XY轴振镜扫描系统的角度驱动机构，控制激光束按设定扫描速度依次执行各段扫描路径，并输出同步开关指令至激光器，使得X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜实时偏转角度坐标进入扫描截面形状所定义区域时，激光束开启，脱离时则激光束关闭；

⑶扫描控制器根据加工程序中的激光功率数据输出控制指令至激光器，以确定激光器平均输出功率；扫描控制器根据加工程序中的微结构类型数据输出高频振动控制信号至工作台两侧的A轴压电驱动器、U轴压电驱动器，以控制工作平台生成模式化的高频二维平面振动轨迹，如六角形、三角形、圆形等；XY轴振镜扫描系统连续扫描加工区域过程中，工作平台的模式化振动与X轴振镜反射镜、Y轴振镜反射镜的角度偏转运动共同作用，使得激光束在被加工零件表面形成的扫描轨迹，从一簇平行线转变为密集排列的微结构。

在所述的一种混合式激光束扫描控制方法中，所述工作平台的高频振动速度远高于XY轴振镜扫描系统的运动速度，通过对压电驱动组件的联动控制，工作平台可生成三角形、六角形、圆形等模式的高频振动轨迹；通过改变XY轴振镜扫描系统的运动速度与工作平台的高频振动速度的比值，可调整高频振动轨迹在被加工零件表面所形成微结构阵列的密集程度，比值越大微结构排列越稀疏，反之则越密集。

在所述的一种混合式激光束扫描控制方法中，A轴压电驱动器、U轴压电驱动器的振动控制信号为正交相位关系，通过同步偏移A轴压电驱动器、U轴压电驱动器振动控制信号的绝对相位角，可调整被加工零件表面所形成微结构阵列的排列方向。

本发明中激光束在被加工零件表面的实际扫描轨迹由XY轴振镜扫描系统的扫描运动与工作平台的高频振动叠加而成，通过在工作平台上设置一套高频二维平面振动装置，将激光束扫描轨迹从连续的长扫描线拼接状态变换为微结构阵列形态，高频振动轨迹为正六角形时，可生成类似蜂巢、石墨烯结构的扫描图案；本发明激光束扫描控制方法所生成的微结构阵列，其微结构间连接紧密且连接方式无明显方向性，因此可提升被加工零件结构强度、降低应力集中程度、减轻应力释放导致的变形；通过调整不同扫描层微结构阵列的排列方向，本发明在3D打印应用中还可避免相同扫描图案重复叠加造成的成型零件熔融纹理集中、强度差的情况；本发明无需对不同扫描层的XY轴振镜扫描系统的扫描方向进行额外规划，简化了XY轴振镜扫描系统扫描路径的计算。

本发明中工作平台的高频二维平面振动在粉末熔融3D打印应用中有利于排空粉末空隙、增加熔融固结后零件的密实程度和结构强度；此外，在加热环境下，工作平台的高频平面振动还具有释放零件内部应力的辅助作用，有助于减小被加工零件后期的变形；本发明的混合式激光束扫描控制方法采用XY轴振镜扫描系统与A轴压电驱动器、U轴压电驱动器驱动工作平台相结合的方式，其光学与机械结构合理，控制过程简便易行，在激光加工领域有良好应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构图。

图2为本发明实施例的控制信号连接图。

图3为本发明的典型扫描图案。

在附图1～3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表示角度伺服机构一；8表示角度伺服机构二；9表示A轴压电驱动器；10表示U轴压电驱动器；11表示扫描控制器。

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1～3所示，一种混合式激光束扫描装置，该混合式激光束扫描装置包括激光器1、XY轴振镜扫描系统、角度驱动机构、场镜4、工作平台6、压电驱动组件和扫描控制器11，其中，XY轴振镜扫描系统包括X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3以及角度驱动机构，X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3正交设置，角度驱动机构包括角度伺服机构一7和角度伺服机构二8，角度伺服机构一7与角度伺服机构二8均与扫描控制器11相连，X轴振镜反射镜2由角度伺服机构一7驱动，Y轴振镜反射镜3由角度伺服机构二8驱动，完成宏观路径的扫描；场镜4设在被加工零件5的上方，XY轴振镜扫描系统设在场镜4的上方，被加工零件5置于工作平台6上，压电驱动组件包括呈正交设置的A轴压电驱动器9和U轴压电驱动器10，A轴压电驱动器9、U轴压电驱动器10分设在工作平台6的相邻侧边并与扫描控制器11相连，A轴压电驱动器9、U轴压电驱动器10在扫描控制器11的控制下移动，工作平台6在压电驱动组件的驱动下可做微幅直线移动，工作平台与XY轴振镜扫描系统平面生成平行的高频二维平面振动；激光器1发出的激光束经X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3反射后进入场镜4聚焦，而后投射到被加工零件5的表面；扫描控制器11与激光器1连接，以在扫描过程中实时控制激光束开关、激光束功率、激光脉冲的脉宽与间隔时间等；扫描控制器11与角度驱动机构连接，以控制激光束扫描路径；扫描控制器11与压电驱动组件连接以控制工作平台的高频二维平面振动轨迹；开始激光束扫描加工时，扫描控制器11控制角度驱动机构按常规扫描方式运行，与此同时，扫描控制器11根据实时扫描坐标确定激光束参数，并发送控制指令至激光器1以实现激光束的开关控制和功率调节；角度驱动机构扫描期间，扫描控制器11根据微结构类型数据如正六边形，输出联动控制信号至压电驱动组件，以控制工作平台6在与XY轴扫描平面平行的方向上生成相应模式的高频二维平面振动轨迹；由于激光束扫描轨迹取决于激光光斑与加工零件5之间的相对运动，因此XY轴振镜扫描系统的扫描运动与压电驱动组件的高频振动相叠加，合成了激光束扫描轨迹，其中XY轴振镜扫描系统负责宏观扫描路径，压电驱动组件负责扫描微结构；由于压电驱动组件的振动速度远大于XY轴振镜扫描系统的扫描运动速度，所合成的激光束扫描轨迹是由大量微结构密集排列而成的复杂阵列图案。

一种混合式激光束扫描控制方法，该混合式激光束扫描控制方法包括以下步骤：

⑴开始激光束扫描加工前，扫描控制器11根据待扫描截面形状计算扫描路径，并将其与扫描速度、激光功率以及用于填充扫描截面的微结构类型数据一并载入加工程序；

⑵启动加工程序，扫描控制器11根据扫描路径数据输出偏转角度控制指令至XY轴振镜扫描系统的角度驱动机构，控制激光束按设定扫描速度依次执行各段扫描路径，并输出同步开关指令至激光器1，使得X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3实时偏转角度坐标进入扫描截面形状所定义区域时，激光束开启，脱离时则激光束关闭；扫描控制器11根据实时扫描坐标确定激光束参数，并发送控制指令至激光器1以实现激光束的开关控制和功率调节；

⑶扫描控制器11根据加工程序中的激光功率数据输出控制指令至激光器1，以确定激光器1平均输出功率；扫描控制器11根据加工程序中的微结构类型数据输出高频振动控制信号至工作台6两侧的A轴压电驱动器9、U轴压电驱动器10，以控制工作平台6生成模式化的高频二维平面振动轨迹，如六角形、三角形、圆形等；XY轴振镜扫描系统连续扫描加工区域过程中，工作平台6的模式化振动与X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3的角度偏转运动共同作用，使得激光束在被加工零件表面形成的扫描轨迹，从一簇平行线转变为密集排列的微结构，X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3负责宏观扫描路径，A轴压电驱动器9、U轴压电驱动器10负责扫描微结构；由于A轴压电驱动器9、U轴压电驱动器10的振动速度远大于X轴振镜反射镜2、Y轴振镜反射镜3的扫描运动速度，所合成的激光束扫描轨迹是由大量微结构密集排列而成的复杂阵列图案；

所述工作平台6的高频振动速度远高于XY轴振镜扫描系统的运动速度，通过对压电驱动组件的联动控制，工作平台可生成三角形、六角形、圆形等模式的高频振动轨迹；通过改变XY轴振镜扫描系统的运动速度与工作平台的高频振动速度的比值，可调整高频振动轨迹在被加工零件表面所形成微结构阵列的密集程度，比值越大微结构排列越稀疏，反之则越密集；A轴压电驱动器9、U轴压电驱动器10的振动控制信号为正交相位关系，通过同步偏移A轴压电驱动器9、U轴压电驱动器10振动控制信号的绝对相位角，可调整被加工零件5表面所形成微结构阵列的排列方向。

图3中为采用本发明混合式激光扫描控制方法制作的典型扫描图案，包括蜂巢阵列、圆阵列、三角阵列。

本发明采用XY轴振镜扫描系统控制激光束的宏观扫描过程，采用压电驱动组件驱动工作平台6生成高频二维平面振动，以控制激光束的微结构扫描过程，两者相结合生成由微结构阵列构成的扫描图案；与长扫描线拼接方式相比，微结构阵列的单元结构小、单元间连接紧密，特别是被加工零件整体强度没有明显的方向性差异，可避免被加工零件沿熔融肌理方向发生撕裂损伤；本发明的混合式激光束扫描控制方法，合理利用了XY轴振镜扫描系统行程大以及A轴压电驱动器9、U轴压电驱动器10高频振动速度快的优点，在实现复杂扫描图案的同时，不增加对XY轴振镜扫描系统中角度驱动机构的动态性能要求。

本发明的混合式激光束扫描控制方法，当XY轴振镜扫描系统的扫描运动速度与A轴压电驱动器9、U轴压电驱动器10高频振动速度的比值较大时，其产生扫描图案中的微结构排列较稀疏，反之则较密集；本发明的混合式激光束扫描控制方法还可用于在材料表面制作大规模微结构阵列，使之具备疏水、疏油等特性。

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。