本發(fā)明屬于光學(xué)與機電控制技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種四自由度XY振鏡掃描方法。

背景技術(shù)：

激光束掃描裝置是激光加工機床的核心部件，現(xiàn)有的激光束掃描裝置主要基于XY振鏡系統(tǒng)。XY振鏡系統(tǒng)包括兩個可做快速角度偏轉(zhuǎn)的反射鏡，它們在幾何上成正交布局并分別采用角度伺服機構(gòu)驅(qū)動；角度伺服機構(gòu)通過調(diào)節(jié)兩個反射鏡的偏轉(zhuǎn)角，可控制激光束按設(shè)定軌跡在XY平面上進行連續(xù)掃描。為了提升激光束掃描速度和效率，實踐中一方面將XY振鏡的反射鏡片輕量化以降低其轉(zhuǎn)動慣量，另一方面常采用具有快速響應(yīng)特性的音圈電機。由于音圈電機是通過電流控制元件且為非換流型電機，因此可實現(xiàn)很高的重復(fù)定位精度，但其高頻響應(yīng)特性卻受繞組強感性負載特性的影響難以進一步提升，目前傳統(tǒng)的XY振鏡系統(tǒng)雖能實現(xiàn)較高的直線掃描速度，但在處理復(fù)雜矢量圖案，特別是具有大量微小結(jié)構(gòu)、曲線、不規(guī)則轉(zhuǎn)彎圖形方面，其掃描效率仍較低。

為了提升激光束掃描效率，有文獻報道采用壓電偏轉(zhuǎn)機構(gòu)替代音圈電機實現(xiàn)XY振鏡系統(tǒng)反射鏡片的角度偏轉(zhuǎn)伺服驅(qū)動，但其反射鏡尺寸和角度偏轉(zhuǎn)范圍較小，限制了掃描范圍，在處理復(fù)雜掃描任務(wù)，特別是包含大量微結(jié)構(gòu)圖案方面，目前尚缺少一種能兼顧大尺寸掃描范圍、高效率掃描性能以及高精度微結(jié)構(gòu)掃描需求的XY振鏡掃描裝置及其控制方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種機械、光學(xué)結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，控制方案簡便易行的四自由度XY振鏡掃描裝置及控制方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種四自由度XY振鏡掃描裝置，該四自由度XY振鏡掃描裝置包括激光器、XY振鏡掃描系統(tǒng)、場鏡和掃描控制器，其中，XY振鏡掃描系統(tǒng)設(shè)在工作平臺上方，XY振鏡掃描系統(tǒng)包括X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡和角度驅(qū)動機構(gòu)，X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡采用幾何正交布局，角度驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡的偏轉(zhuǎn)，場境設(shè)在XY振鏡掃描系統(tǒng)的下方，被加工零件設(shè)在場境的下方并固定在工作平臺上，激光器發(fā)出的激光束射向X軸振鏡反射鏡的回轉(zhuǎn)中心，經(jīng)X軸振鏡反射鏡后射向Y軸振鏡反射鏡的回轉(zhuǎn)中心，經(jīng)Y軸振鏡反射鏡反射后的激光束射入場鏡聚焦，而后投射到放置于工作平臺上的被加工零件表面；掃描控制器分別與激光器、角度驅(qū)動機構(gòu)相連接實現(xiàn)控制；所述的X軸振鏡反射鏡包括框體、回轉(zhuǎn)軸和反射鏡本體，反射鏡本體內(nèi)設(shè)有依次疊加的第一導(dǎo)電背板、壓電層、第二導(dǎo)電背板和反射層，第一導(dǎo)電背板上設(shè)有引出端子一，第二導(dǎo)電背板上設(shè)有引出端子二；通過引出端子一、引出段子二在第一導(dǎo)電背板和第二導(dǎo)電背板間接入受控電壓信號，可調(diào)節(jié)反射鏡本體的厚度，反射層隨之移動，使得激光器發(fā)出的激光束射在X軸振鏡反射鏡上后反射的光斑發(fā)生移動，完成復(fù)雜掃描圖案中微結(jié)構(gòu)部分的激光掃描。

在所述的一種四自由度XY振鏡掃描裝置中，所述Y軸振鏡反射鏡的結(jié)構(gòu)與X軸振鏡反射鏡結(jié)構(gòu)相同。

在所述的一種四自由度XY振鏡掃描裝置中，所述的角度驅(qū)動機構(gòu)包括角度伺服驅(qū)動器一和角度伺服驅(qū)動器二，角度伺服驅(qū)動器一、角度伺服驅(qū)動器二分別與掃描控制器相連，X軸振鏡反射鏡由角度伺服驅(qū)動器一驅(qū)動偏轉(zhuǎn)，Y軸振鏡反射鏡由角度伺服驅(qū)動器二驅(qū)動偏轉(zhuǎn)，掃描控制器通過角度伺服驅(qū)動器一、角度伺服驅(qū)動器二控制X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡偏轉(zhuǎn)角度，完成復(fù)雜掃描圖案中的走勢平穩(wěn)部分的激光掃描。

在所述的一種四自由度XY振鏡掃描裝置中，所述的角度伺服驅(qū)動器一與角度伺服驅(qū)動器二均采用音圈電機，偏轉(zhuǎn)角度范圍大，滿足加工需要。

一種四自由度XY振鏡掃描控制方法，該四自由度XY振鏡掃描控制方法包括：

⑴開始激光束掃描前，掃描控制器先根據(jù)加工任務(wù)確定完整掃描路徑，并以給定掃描速度為前提，采用濾波器或頻譜分析算法將完整掃描路徑分解為：直流及低頻分量即完整掃描路徑中的走勢平穩(wěn)部分，高頻分量即反映完整掃描路徑中的微結(jié)構(gòu)部分及走勢急劇、反復(fù)變化部分；

⑵掃描控制器將分解所得直流及低頻分量、高頻分量與激光功率設(shè)定值、激光開啟超前時間、激光關(guān)閉滯后時間等參數(shù)一并載入加工程序；被加工零件固定放置于工作平臺上，調(diào)節(jié)工作臺高度使得XY振鏡掃描系統(tǒng)的場鏡焦平面與被加工零件表面重合；

⑶進行激光束掃描時，掃描控制器根據(jù)加工程序中的直流及低頻分量計算X軸振鏡反射鏡與Y軸振鏡反射鏡的偏轉(zhuǎn)角度坐標(biāo)值，并輸出至角度伺服驅(qū)動器控制X軸振鏡反射鏡與Y軸振鏡反射鏡的角度偏轉(zhuǎn)；掃描控制器根據(jù)加工程序中的高頻分量計算X軸振鏡反射鏡與Y軸振鏡反射鏡的厚度變化值，并輸出電壓信號至X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡，X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡的厚度跟隨電壓信號發(fā)生變化；X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡偏轉(zhuǎn)角度與厚度控制過程保持時域同步，激光器發(fā)出的激光束射向X軸振鏡反射鏡的回轉(zhuǎn)中心，反射后射向Y軸振鏡反射鏡的回轉(zhuǎn)中心，反射后的激光束射入場鏡聚焦，而后投射到放置于工作平臺上的被加工零件表面，通過X軸振鏡掃描鏡的偏轉(zhuǎn)角度與厚度、Y軸振鏡掃描鏡的偏轉(zhuǎn)角度與厚度四個自由度的調(diào)整，相互配合完成復(fù)雜圖案的激光掃描。

在所述的一種四自由度XY振鏡掃描控制方法中，所述的掃描控制器根據(jù)當(dāng)前所執(zhí)行完整掃描路徑的瞬時位置以及激光束開啟超前時間、激光束關(guān)閉滯后時間輸出開關(guān)信號至激光器，確保僅當(dāng)激光束光斑位于加工任務(wù)所限定的掃描區(qū)域內(nèi)時才開啟；掃描控制器根據(jù)加工程序中各掃描位置的激光功率設(shè)定數(shù)據(jù)輸出控制信號至激光器，以得到符合加工任務(wù)需求的激光束實時功率條件。

在所述的一種四自由度XY振鏡掃描控制方法中，所述X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡內(nèi)設(shè)有壓電材料組成的壓電層，壓電層的厚度可通過電氣信號實時調(diào)節(jié)，控制X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡的厚度。

本發(fā)明X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡的角度偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的激光束掃描運動，與X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡厚度變化所產(chǎn)生的激光束掃描運動在被加工零件表面同步疊加，得到最終的激光束掃描軌跡，這使得加工任務(wù)所定義完整掃描路徑中的直流及低頻分量通過X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡的角度偏轉(zhuǎn)得以執(zhí)行，控制激光束的宏觀掃描路徑；高頻分量則通過X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡的厚度變化得以執(zhí)行，控制激光束的微觀掃描路徑；本發(fā)明X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡的角度偏轉(zhuǎn)可采用音圈電機伺服機構(gòu)控制，反射鏡片的厚度變化可采用壓電材料控制，前者偏轉(zhuǎn)角度范圍大，后者高頻響應(yīng)特性好、分辨率高。

本發(fā)明X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡的厚度變化量，在任意偏轉(zhuǎn)角度位置上均與激光束光斑位移呈線性關(guān)系，因此反射鏡片厚度變化所產(chǎn)生的激光束微觀掃描運動不僅高頻響應(yīng)特性好，而且控制精度及分辨率高；本發(fā)明四自由度XY振鏡掃描裝置結(jié)構(gòu)緊湊、可控性好，能兼顧大掃描范圍、高掃描效率和高掃描精度的多重需求，在激光加工領(lǐng)域有良好應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種四自由度XY振鏡掃描裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明中X軸振鏡反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的剖面圖。

圖4為本發(fā)明中控制信號連接示意圖圖。

圖5為本發(fā)明中反射鏡的厚度變化導(dǎo)致激光束光斑移動示意圖。

在附圖1～5中，1表示激光器；2表示X軸振鏡反射鏡；3表示Y軸振鏡反射鏡；4表示場鏡；5表示被加工零件；6表示工作平臺；7表示角度伺服驅(qū)動器一；8表示角度伺服驅(qū)動器二；9表示框體；10表示回轉(zhuǎn)軸；11表示反射鏡本體；12表示第一導(dǎo)電背板；13表示壓電層；14表示第二導(dǎo)電背板；15表示反射層；16表示引出端子一；17表示引出端子二；18表示掃描控制器；H表示壓電層厚度變化；L表示反射后光斑位移。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例作詳細描述。

如圖1～5所示，一種四自由度XY振鏡掃描裝置，該四自由度XY振鏡掃描裝置包括激光器1、XY振鏡掃描系統(tǒng)、場鏡4和掃描控制器18，其中，XY振鏡掃描系統(tǒng)設(shè)在工作平臺6上方，XY振鏡掃描系統(tǒng)包括X軸振鏡反射鏡2、Y軸振鏡反射鏡3和角度驅(qū)動機構(gòu)，X軸振鏡反射鏡2、Y軸振鏡反射鏡3采用幾何正交布局，角度驅(qū)動機構(gòu)包括角度伺服驅(qū)動器一7和角度伺服驅(qū)動器二8，角度伺服驅(qū)動器一7、角度伺服驅(qū)動器二8分別與掃描控制器18相連，X軸振鏡反射鏡2由角度伺服驅(qū)動器一7驅(qū)動偏轉(zhuǎn)，Y軸振鏡反射鏡3由角度伺服驅(qū)動器二8驅(qū)動偏轉(zhuǎn)；角度伺服驅(qū)動器一7與角度伺服驅(qū)動器二8均采用音圈電機，偏轉(zhuǎn)角度范圍大，滿足加工需要；掃描控制器18通過角度伺服驅(qū)動器一7、角度伺服驅(qū)動器二8控制X軸振鏡反射鏡2、Y軸振鏡反射鏡3偏轉(zhuǎn)角度，完成復(fù)雜掃描圖案中的走勢平穩(wěn)部分的激光掃描；場境4設(shè)在XY振鏡掃描系統(tǒng)的下方，被加工零件5設(shè)在場境4的下方并固定在工作平臺6上，激光器1發(fā)出的激光束射向X軸振鏡反射鏡2的回轉(zhuǎn)中心，經(jīng)X軸振鏡反射鏡2后射向Y軸振鏡反射鏡3的回轉(zhuǎn)中心，經(jīng)Y軸振鏡反射鏡3反射后的激光束射入場鏡4聚焦，而后投射到放置于工作平臺6上的被加工零件表面5；掃描控制器18分別與激光器1、角度驅(qū)動機構(gòu)相連接實現(xiàn)控制；所述的X軸振鏡反射鏡2與Y軸振鏡反射鏡3的結(jié)構(gòu)相同，X軸振鏡反射鏡2包括框體9、回轉(zhuǎn)軸10和反射鏡本體11，反射鏡本體11固定在框體9內(nèi)，回轉(zhuǎn)軸10設(shè)在框體9一側(cè)并與角度伺服驅(qū)動器一7連接，反射鏡本體11內(nèi)設(shè)有依次疊加的第一導(dǎo)電背板12、壓電層13、第二導(dǎo)電背板14和反射層15，第一導(dǎo)電背板12上設(shè)有引出端子一16，第二導(dǎo)電背板14上設(shè)有引出端子二17；通過引出端子一16、引出段子二17在第一導(dǎo)電背板12和第二導(dǎo)電背板14間接入受控電壓信號，可調(diào)節(jié)反射鏡本體11的厚度，如圖4中所示，電壓信號變化導(dǎo)致壓電層13的厚度減小標(biāo)為H，使得激光器1發(fā)出的激光束射在X軸振鏡反射鏡2上后反射的光斑發(fā)生位移L，完成復(fù)雜掃描圖案中微結(jié)構(gòu)部分的激光掃描，反射鏡本體11的厚度變化H與反射后光斑位移L之間滿足基本的幾何規(guī)則與比例關(guān)系，因此采用壓電層13帶動反射層15前移、后退，可控制激光束光斑精確移動，且位移幅度與激光束投射距離無關(guān)。

一種四自由度XY振鏡掃描控制方法，該四自由度XY振鏡掃描控制方法包括：

⑴開始激光束掃描前，掃描控制器18先根據(jù)加工任務(wù)確定完整掃描路徑，并以給定掃描速度為前提，采用濾波器或頻譜分析算法將完整掃描路徑分解為：直流及低頻分量即完整掃描路徑中的走勢平穩(wěn)部分，高頻分量即反映完整掃描路徑中的微結(jié)構(gòu)部分及走勢急劇、反復(fù)變化部分；

⑵掃描控制器18將分解所得直流及低頻分量、高頻分量與激光功率設(shè)定值、激光開啟超前時間、激光關(guān)閉滯后時間等參數(shù)一并載入加工程序；被加工零件5固定放置于工作平臺6上，調(diào)節(jié)工作平臺6高度使得XY振鏡掃描系統(tǒng)的場鏡4焦平面與被加工零件5表面重合；

⑶進行激光束掃描時，掃描控制器18根據(jù)加工程序中的直流及低頻分量計算X軸振鏡反射鏡2與Y軸振鏡反射鏡3的偏轉(zhuǎn)角度坐標(biāo)值，并輸出至角度伺服驅(qū)動器一7、角度伺服驅(qū)動器二8中控制X軸振鏡反射鏡2與Y軸振鏡反射鏡3的角度偏轉(zhuǎn)；所述X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡內(nèi)設(shè)有壓電材料組成的壓電層，壓電層的厚度可通過電氣信號實時調(diào)節(jié)，掃描控制器18根據(jù)加工程序中的高頻分量計算X軸振鏡反射鏡2與Y軸振鏡反射鏡3的厚度變化值，并輸出電壓信號至X軸振鏡反射鏡2、Y軸振鏡反射鏡3，X軸振鏡反射鏡2、Y軸振鏡反射鏡3的厚度跟隨電壓信號發(fā)生變化；X軸振鏡反射鏡2、Y軸振鏡反射鏡3偏轉(zhuǎn)角度與厚度控制過程保持時域同步，激光器1發(fā)出的激光束射向X軸振鏡反射鏡2的回轉(zhuǎn)中心，反射后射向Y軸振鏡反射鏡3的回轉(zhuǎn)中心，反射后的激光束射入場鏡4聚焦，而后投射到放置于工作平臺6上的被加工零件5表面，通過X軸振鏡掃描鏡2的偏轉(zhuǎn)角度與厚度、Y軸振鏡掃描鏡3的偏轉(zhuǎn)角度與厚度四個自由度的調(diào)整，相互配合完成復(fù)雜圖案的激光掃描；如圖4所示，電壓信號變化導(dǎo)致壓電層13的厚度減小標(biāo)為H，使得激光器1發(fā)出的激光束射在X軸振鏡反射鏡2上后反射的光斑發(fā)生位移L，完成復(fù)雜掃描圖案中微結(jié)構(gòu)部分的激光掃描，反射鏡本體11的厚度變化H與反射后光斑位移L之間滿足基本的幾何規(guī)則與比例關(guān)系，因此采用壓電層13帶動反射層15前移、后退，可控制激光束光斑精確移動，且位移幅度與激光束投射距離無關(guān)；所述的掃描控制器18根據(jù)當(dāng)前所執(zhí)行完整掃描路徑的瞬時位置以及激光束開啟超前時間、激光束關(guān)閉滯后時間輸出開關(guān)信號至激光器1，確保僅當(dāng)激光束光斑位于加工任務(wù)所限定的掃描區(qū)域內(nèi)時才開啟；掃描控制器18根據(jù)加工程序中各掃描位置的激光功率設(shè)定數(shù)據(jù)輸出控制信號至激光器1，以得到符合加工任務(wù)需求的激光束實時功率條件。

本發(fā)明在兩個反射鏡的角度偏轉(zhuǎn)自由度基礎(chǔ)上，增加了反射鏡的厚度變化自由度，且增加的自由度采用壓電材料等高頻響應(yīng)特性好的材料和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)其輸出控制；本發(fā)明采用反射鏡的角度偏轉(zhuǎn)自由度執(zhí)行復(fù)雜掃描圖案中的走勢平穩(wěn)部分即直流和低頻分量，采用反射鏡的厚度變化自由度執(zhí)行復(fù)雜掃描圖案中的微結(jié)構(gòu)部分即高頻分量；本發(fā)明合理利用了反射鏡角度偏轉(zhuǎn)自由度掃描范圍大、反射鏡厚度變化自由度高頻特性好、分辨率高的優(yōu)點，兼顧了復(fù)雜激光束掃描任務(wù)對大掃描范圍、高掃描精度和高掃描效率的多重要求。

本發(fā)明中X軸振鏡反射鏡、Y軸振鏡反射鏡的厚度變化自由度能實現(xiàn)納米級控制精度和亞納米級分辨率，可用于在材料表面制作大規(guī)模的微結(jié)構(gòu)整列，在微納制造領(lǐng)域有良好應(yīng)用前景。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。