[发明专利]一种四自由度XY振镜扫描装置及控制方法

说明书

本发明是一种机械、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：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；进行激光束扫描时，扫描控制器根据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，并输出驱动X轴振镜反射镜与Y轴振镜反射镜的角度偏转；扫描控制器根据高频分量计算X轴振镜反射镜与Y轴振镜反射镜厚度变化值，并输出电压信号控制反射镜厚度变化。

技术领域

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。

发明内容

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。