当前位置:首页 >> 电力/水利 >>

选区激光熔化成形系统的动态聚焦技术研究


第 28 卷第 2 期 2008 年 4 月









Vo l. 28, N o. 2 A pr il 2008

APPLIED LASER

选区激光熔化成形系统的动态聚焦技术研究*
章文献,
提要<

br />
史玉升,

贾和平

( 华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430074) 针对二维振镜存在的聚焦误差问题, 根据产生聚焦误差的原理, 采 用动态聚焦 技术补偿 聚焦误差。分 析振镜激光 扫描

过程中的图形失真机理, 采用坐标映射方式补偿图形畸变方法。基于 P CI 总线控制技术实 现动态聚焦 振镜扫描 的控制, 并将 该动态扫描系统应用于选区激光熔化成形设备, 通过选区激光熔化成形工艺实 验, 验证 了所开发的 动态聚焦 系统满足选 区激 光熔化成形工艺要求。 关键词 激光技术; 动态聚焦; P CI 总线控制技术; 文献标识码: 聚焦误差 中图分类号:

T H 164

Dynamic Focusing Technology for Laser Galvanometer Scanning of a Selective Laser Melting System
Zhang Wenx ian, Shi Yusheng , Jia H eping ( State K ey L abor atory of M ater ial P rocessing and D ie & M ould T echnology , S chool of M ater ial S cience and E ngineer ing, H uaz hong Univer sity of Science and T echnology , W uhan, H ubei 430074, China) Abstract A cco rding to the principle of focusing er ro r for tw o dimensio ns laser galvanometer scanning, a dynamic fo cusing opti cal model for cor recting this erro r was put for war d. Causes o f Imag e disto rtio n in the scanning pr ocess w ere analyzed, and map ping transfor mation fo r the focus posit ions was used. A dynamic focusing sy st em based on the P CI bus contr ol technique was dev elo ped. T hen it was insta lled in a select ive laser melting ( SLM ) machine. T he tests results show that the dev elo ped dynamic focusing system can adapt to the SL M pr ocessing . Key words L aser techno lo gy ; dynamic focusing ; PCI bus contro l technique; focusing er ro r

1

引言
在各种激光扫描技术中, 振镜式激光扫描是目前

广泛采用的一种激光扫描方式, 它具有高速、 高精度、 性能稳定等优势, 但存在光斑焦点不在加工面上的聚 焦误差问题。用安装在微机电系统的聚焦镜可获得 高的聚焦精度, 但不适宜于激光扫描系统 。可用 F theta 透镜对聚焦畸变进行校正, 这种方法只适合较 小的工作台面的激光扫描加工, 若在较大工作台面上 扫描时, F theta 透镜尺寸大, 成本高 。为此, 可用 动态聚焦技术补偿这种聚焦误差。动态聚焦技术是 近年来兴起的激光扫描聚焦误差补偿技术, 它广泛应 用于医疗、 摄影、 超声波成像和三维激光扫描技术[ 3] 。
图1 振镜扫描误差简图
[ 2] [ 1]

2

误差产生及其补偿机理
如图 1 所示, 激光器发出的光束经聚焦透镜后
*

再经 X、 轴振镜到达焦点工作平面。但经过振镜 Y 偏转后的光束焦点只有一点落在工作台面上, 其它 焦点都与工作面存在误差。

2. 1 聚焦误差及其补偿

基金项目: 国家科技型中小企业创新基金( 项目编号: 05C26214201059) 收稿日期: 2007 12 14 - -

99

为此, 在 X、 轴振镜前加上一套能够改变光路 Y 的装置, 实时保证焦点落在工作面上就能补偿聚焦 误差。一般来说, 在 X、 轴振镜前加上一个可作往 Y 复移动的聚焦透镜, 实时改变光路, 补偿聚焦误差, 从而实现动态聚焦。 这种聚焦方式不仅适合大视场的动态扫描, 而 且具有通用性, 设计简单, 维护方便。 2. 2 图形失真及其补偿 振镜式激光扫描时存在着 扫描图形的线性 失 真和非线性失真, 特别是当扫描区域较 大时, 严 重 影响了激光 扫描的 图形 精度及 加工质 量, 这给 进 一步的分析处理 带来困难。而 描述理想图和畸 变 图之间的地址映射 [ 4] 关系的平 面坐标变换方法 能 够很好地 解 决这 个 问 题。 如图 2 所 示的 坐 标 系 中, 激光束入射方向平行于 X 轴, X 轴振镜 以平行 于 Z 的轴转 动, 其 偏转角为 ; Y 轴振 镜以平行 于 X 的轴转动, 其偏转角为 。当激光束射到 工作面 上的任一点 ( x, y) 时, 可 以得出 光束在 XOY 平 面 上的扫描轨迹: y = - dt g2 x = et g2 + dt g2 sec2 台面的高度。 当 0 时, 令 tg 2 = , 有[ 5] (x- e ) 2 y2 - 2= 1 ( d a) 2 d ( 2) ( 1)

还受 到 控 制 装 置 和 扫 描 镜 安 装 偏 置 误 差 的 影 响 , 它们可以 造 成振 镜 激光 扫 描时 产 生的 非 线性误 差。 物体按照理想光学模型成像, 所得的图像为理 想图, 由于实际的光学模型与理想光学模型不完全 一致, 因此所成的图像有畸变, 称之为畸变图。假定 畸变图中的点( x , y ) 在理想图 中对应坐 标为( x , y ) , 那么( x , y ) 与( x, y ) 之间的映射关系为
k k= i [ 8] [ 6, 7 ]

x = s( x , y ) = y = t ( x , y) = 个点( x 1 , y 1 ) , ( x 2 , y 2 ) ,

i = 0j = 0 k k= i i= 0j = 0

u ij x i y j ( 3) v ij x i y j

为了确定坐标关系中的参数, 在理想图中 找 n , ( x n , y n ) , 这些点称为约 束点, 它 们在 畸 变 图 中 对应 的 坐 标 分 别 为 ( x 1 , y 1 ) , ( x 2 , y 2 ) , , ( x n , y n ) , 基于这 n 对约束点, 可用最小二乘法辨识出式( 3) 中的参数, 从而确定坐 标映射关系。其中 i、 越大, 精度就越高, 但计算量 j 也就越大, 可操作性也越差。

3

动态聚焦振镜扫描系统组成及其控制

3. 1 动态聚焦振镜扫描光学控制原理 3. 1. 1 动态聚焦光学模型 依据光学杠杆原理, 设计动态聚焦扫描系统光 学模型( 图 3) 。激光束经动态聚焦系统再经两次镜 面反射到达扫描场。在伺服电机的驱动下, 动态聚 焦镜在光路方向上做往复直线运动, 实时补偿聚焦 误差, 从而保证光斑焦点的扫描场与工作场误差得 到补偿。 在动态聚焦系统中, 为避免光束聚焦烧坏透镜, 提高校正效果, 动态聚焦镜和其它的凸透镜都选用 平凸镜。

其中 e 表示振镜 x 到 Z 轴的距离, d 表示工作

图2

激光扫描原理图

图3

三维动态聚焦光学模型

由此 可知 所 得轨 迹为 双 曲线, 且当 > 0 时 取双曲线左部 分, < 0 时取 右半 部分, 即所 谓的 枕形畸变。此外, 振镜 式激 光扫描 系统控 制精度 100

3. 1. 2 动态聚焦运动控制 动态聚焦系统中的 动态聚焦透镜 的往复移动 是通过伺服电机和直线转换器 来实现的。这套装

置包括一套光学 支架 ( 套筒) 、 伺服 电机、 流计、 电 以及将旋转 运动转 换为 直线运 动的直 线转 换器。 在光学支架上安 装动态聚焦透镜。当激光进行 扫 描时, 上层应用 程序和 下层驱 动程序 把聚 焦误 差 值的数字信号经过 PCI 板卡传到伺服电机的驱 动 器, 驱动伺服电机偏转, 电机的旋转运动经直线 转 换器转变 为透 镜支 架的 直线 运动, 从 而实 现了 Z 方向的动态聚焦。 3. 1. 3 振镜扫描控制 相对于其它方式的激光扫描来说, 振镜式激光 扫描的速度很快, 最高可以达 到 8000mm/ s。在激 光快速扫描过程中, 为实现激光等间距、 匀速扫描, 当插值的点与点之间的距离比较大时, 扫描出来的 只是两个端点, 中间部分完全不能达到加工效果 [ 9] 。 因此, 要求在扫描平面的线段插值形成振镜的偏转 角时, 插值点的距离要足够近, 这样就导致振镜控制 系统要处理的数据量增大。不过, 当前计算机的运 算能力已大大提高, 数据处理已不成问题。在振镜 扫描过程中, 振镜扫描有激光扫描( mark 指令控制) 和非激 光扫 描( jump 指令 控制) 两 种方 式。对 于 jum p 的线段可以以一个受限的高速空跳过去, 而对 于 mark 的线段则采用等间距匀速插补。 3. 1. 4 动态聚焦振镜扫描系统 动态聚焦振镜激光扫描系统一般采用上层应用 软件和下层驱动软件控制。由于采用开环控制, 所 以在运动过程中要求实现三轴同步。驱动振镜的伺 服电机是由模拟电压驱动的。其模拟电压是由基于 总线技术的接口卡控制。所采用的接口卡为 16 位 的 D/ A 板卡, 输出电压为 10 V。控制装置的最终 目的是要将工作平面上的数字化坐标值转化成振镜 的转角值与动态聚焦的位移值, 这就需要根据电机 的转动特性和接口卡的特性将数字量信号经过 D/ A 转化成驱动电压值。 3. 2 动态聚焦振镜扫描系统实施方案 动态聚焦振镜激光扫描系统( 图 4) 是基于 PCI 总线技术的基础实现的, 并成功地应用于选区激光 熔化成形机。其主体部分是计算机控制系统, 主要 由工控机、 激光器、 振镜、 激光控制器、 温度控制装 置、 板卡、 PCI 其它辅助装置, 以及与之适应的控制 软件等组成。如图 4 所示, 当计算机发出指令后, 其 数字信号通过 P CI 板卡、 三轴 D/ A 转换卡, 将模拟 电压信号送到伺服电机, 电机旋转带动 X、 轴振镜 Y 偏转和 Z 轴动态聚焦镜的往复移动, 从而实现计算

机对光路和动态聚焦模块的控制。其中, 激光控制 器可实现数字信号到电压大小的转换, 从而实现对 激光能量( 功率) 的实时控制。

图4

动态聚焦振镜式激光扫描实现方案图

4

具有动态聚焦的 SLM 成形系统
H RPM I 设备主要由 150W Nd YAG 激光器、 -

冷却器、 含扩束镜及动态聚焦扫描子系统的光学系 统、 铺粉系统、 工作缸运动系统、 氧含量及温度的检 测系统、 高气密性成形腔体以及控制电机运动的硬 件系统组成。 H RPM I 设备主要特征: 激光波长为 1. 064 m, 金属材料对该波长的激光吸 收率高, 减少了金属粉末完全熔化所需的激光功率; 激光器功率最大为 150W, 当激光束聚焦光斑 小于 0. 1mm 时, 其能量密度超过 5 10 W/ cm , 可 使金属粉末完全熔化, 同时也满足对成形精度等工 艺的要求; 铺粉层厚精度可达 0. 05mm; 激光束聚焦后光斑尺寸达 0. 05- 0. 1m m; 激光束最大扫描速度达 5m/ s, 扫描定位精度达 0. 02m m; 成形 腔 体 通 保 护 气 氛 下 氧 含 量 可 控 制 在 10ppm 以内; 双缸下送粉运动系统; 成形空间为 250m m 250mm 450mm ; 基于软件芯片的控制系统结构, 用软件实现由 硬件完成的许多功能, 既保证控制系统的可靠性和 技术指标, 又降低了 SL M 成形设备的成本。
6 2

5

试验结果及分析
本文主要研究了动态聚焦振镜式激光扫描的关 101

键技术, 开发出比较实用的动态聚焦系统, 并应用于 选区激光熔化成形系统。图 5 为在装有自行开发的 动态聚焦系统的选区激光熔化成形机上所加工的具 有复杂结构金属零件, 其加工精度可达 0. 1mm。 通过试验结果, 分析成形零件的综合性能, 可以得出 自主开发的动态聚焦系统具有以下特点: 此系统控制精度高、 响应时间短、 结构简单、 工 作稳定、 便于维护, 且具有很好的通用性。 采用全数字化控制, 实现三轴同步运动, 利于实 现高速扫描和聚焦误差的实时补偿, 便于扫描各种 复杂形状的二维平面轮廓。 扫描误差动态补偿, 适合大范围激光扫描, 并使 工件的组织性能、 表面质量得到提高。

参考文献
[ 1] Qi Bing, Himmer A Phillip, Gordon L M ag gie, et al. Dy namic focus control in high speed optical coherence to mo g raphy based on a micr oelectromechanical mirro r [ J] . Op tics Communications, 2004, 232 ( 1- 6) : 123- 128. [ 2] 王瑞敏, 卢秉恒, 李涤尘. 激光快速成型机中 的动态聚 焦系统分析[ J] . 激光杂志, 1997, 18( 5) : 35- 37. [ 3] M uth M ichael, Optimized X / Y scanning head for laser beam posit ioning [ J] . Pr oceeding s of the SPIE T he In t ernational So ciety for O pt ical Eng ineering , 1996, 2774: 535- 544. [ 4] 虞孝舜. 双 振镜 扫描几 何畸 变的 校正[ J] . 激 光与 红外, 1998, 28( 1) : 45- 47. [ 5] 赵毅, 卢秉 恒. 振镜 扫描系 统的 枕形畸 变校 正算 法[ J] . 中国激光, 2003, 30( 3) : 216- 218. [ 6] 孙会 来, 赵树 忠. 双振 镜 激 光 扫描 加 工 误 差原 因 分 析 [ J] . 激光与红外, 2005, 35( 3) : 161- 163. [ 7] M o nt agu Jean I, A chieving optimal high resolution in galvanometr ic scanning systems [ J] . Pro ceedings of the SPIE T he Internatio nal Society fo r Optical Eng ineering, 1986, 590: 47- 52. [ 8] 周海 林, 王立 琦. 光学 图 像 几 何畸 变 的 快 速校 正 算 法 [ J] . 中国图像图形学报, 2003, 8( 10) : 1131- 1135. [ 9] 汪会清, 史玉升, 黄 树槐. 三维动 态聚焦 激光 振镜扫 描

图 5 SL M 不锈钢 316L 粉末直接成形件

系统的研究与开发[ D] . 武汉 , 华中科技大学, 2003.

102


相关文章:
选区激光熔化技术发展现状及在民用飞机上的应用
选区激光熔化技术发展现状及在民用飞机上的应用_能源...最领先的激光粉末 熔化增材制造成形系统的制造商, ...连续模式光纤激光器,采 用二维振镜聚焦,激光定位...
选择性激光熔化
SLM 技术的研究主要针对以下几个方面:成型装备、 ...激光束经聚焦后的激光光斑在 30un~250um 之间。 ...金属粉末选区激光熔化成... 1页 免费 选择性激光熔化...
金属零件激光选区熔化3D打印装备与技术
金属零件激光选区熔化3D打印装备与技术_机械/仪表_...?聚 焦镜+ 扫描振 镜 三维振 镜动态 聚焦 F-?...选区激光熔化快速成形系统的关键技术[J].机械工程学...
激光快速成形技术介绍
通过激光扫描使树脂熔化将金属粉末固结 在一起; 也...1 图1 金属粉末激光快速成形原理 2 系统组成金属...使用焦距为6 英 寸的平凸透镜,将激光聚焦到加工...
2016年江苏省优秀硕士学位论文名单
问题研究 微流道中粒子黏弹性聚焦机理研究 多自由度力反馈技术研究 相变窗动态...选区激光熔化成形工艺、组织及 性能 抑制无刷直流电机转矩脉动的驱动技术研究 三相...
激光选区烧结成形材料的研究和应用现状[J]
激光选区烧结成形材料的研究和应用现状[J]_材料科学_工程科技_专业资料。激光选区烧结成形材料的研究和应用现状曾锡琴 朱小蓉 1.江苏电大武进学院,江苏 常州,213161...
计算机检测及应用作业
辅助切削、成型、粉末烧结制模和热处理机械制造领域中应用的现状,并探讨了 其...由激光器产生的激光束经导光系统传递到抛物面 镜反射聚焦,在焦点附近达 5000- ...
快速成形技术设计论文
5 1.2.1 1.2.2 1.2.3 选区激光烧结技术(...形激光烧结快速成形系统、北京隆 源自动成形有限公司...(PS) 聚苯乙烯受热后可熔化、粘结,冷却后可以固化...
激光熔覆技术研究进展
方式的激光工程化近成形(LENS) 、直接光制造技术(...(4)能进行选区熔覆,材料消耗少; (5)由于快速 ...[13]对激光 熔覆 NiCrBSi 合金粉末做了系统的研究...
电子束快速成形技术的研究进展
图1-1电子束熔化技术加工过程 2.研究进展相对于激光及等离子束快速成形,电子束...动态聚焦、能量密度均布等功能,电子枪需要重新设计,控制及偏转系统有待于 研制。...
更多相关标签:
激光选区熔化 | 选区激光熔化技术 | 激光选区熔化原理 | 电子束选区熔化 | 选择性激光熔化 | 激光小梁成形术 | 激光近净成形 | 激光立体成形 |