文档介绍：华中科技大学硕士学位论文
1 绪论
振镜扫描系统简介
随着激光技术的大力发展,激光扫描技术也已经广泛地应用到激光打标、条码
扫描、激光雕刻、激光加工等领域[1]。市场上有各种各样的激光扫描器,但适用于激
光加工行业的主要是激光振镜扫描式系统,振镜的偏转类似于电流计的偏转,偏转
角与电流成正比,因而激光振镜扫描式系统具有高精度、高速度等特点[2]。
振镜式扫描系统不同于一般的传统式的机械扫描,一般的机械式扫描系统采用
的是机械装置带动扫描头在平面上来回运动完成扫描,所以扫描系统的精度低、惯
性大,响应速度慢,而振镜是通过线圈通以一定的电流而使转子发生偏转,所以精
度高、惯性小,响应速度快,光束照射在振镜上面后,通过振镜的偏转带动光束的
偏转,从而能够在扫描视场上扫描出激光轨迹[3]。振镜式扫描系统由 XY 两轴扫描振
镜、聚焦透镜以及计算机控制系统组成。扫描振镜采用的是高速往复伺服电机带动
的 XY 两个振镜扫描头,通过向 XY 两轴的伺服系统发出指令信号,XY 两轴的伺服
电机就能带动 XY 两轴扫描振镜分别沿 X 轴和 Y 轴做出偏转,从而,可以根据所需
图形的要求,通过计算机控制系统,向 XY 两轴的伺服系统发出偏转信号,通过 XY
两轴振镜镜片的配合运动,使具有一定功率密度的激光聚焦点在工件平面上按所需
的要求快速运动,形成扫描轨迹[4]。
为了获得效果较好的扫描图形,就要综合考虑多方面的因素,比如,扫描的线
性度,惯性的大小,激光聚焦光斑的大小,聚焦的宽度和深度等[5]。为了在扫描面上
形成一个聚焦面,就需要在此系统中采用一个聚焦透镜来对激光光束进行聚焦,由
于激光束的偏转形成的聚焦面是一个球形,如果不进行聚焦的补偿,在扫描面是平
面的工件上扫描,就会有离焦误差,达不到很好的效果。聚焦透镜的位置既可以放
在振镜扫描系统前面,也可以放在振镜扫描系统后面,所以可以把振镜扫描系统分
为两种类型,一种是从激光器发出的激光光束被扩束、准直后,先通过 XY 振镜扫
描系统,根据所需的图形对 X、Y 两个振镜偏转一定的角度,然后再通过聚焦透镜
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聚焦,一般是采用平面聚焦 F-θ透镜将光束均匀聚焦在扫描视场上,这种扫描方式称
为物镜前振镜扫描(如图 1-1 所示);另一种是从激光器发出的激光光束被扩束、准
直后,先经聚焦透镜聚焦,一般都采用动态聚焦系统聚焦,这也是本论文研究的重
点,再通过 XY 振镜扫描系统,将激光束聚焦在扫描视场上,形成所需的图像轨迹,
这种扫描方式称为物镜后振镜扫描(如图 1-2 所示)[6]。
图 1-1 物镜前振镜扫描
图 1-2 物镜后振镜扫描
对于只需要获得较小范围扫描面积的物件,而且振镜扫描系统的离焦误差在聚
焦点的焦深范围内,则可以采用物镜前的静态聚焦扫描方式,其聚焦系统采用的是
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一块 F-θ透镜,就可以很好地进行离焦误差的补偿,这种方式主要是使用在激光精密
标刻、打标、钻孔等领域;而对于大范围扫描面积的物件,由于光束在扫描中有较
大的离焦误差,通常采用的是动态聚焦系统进行离焦误差的补偿,在激光光束首先
经过动态聚焦系统进行聚焦后,再经过 XY 两轴扫描振镜,通过计算机控制系统控
制,使激光的聚焦点均匀地在工件表面上进行聚焦和扫描,只要通过控制两个扫描
振镜的协调偏转,就可以在平面上进行任意图形的扫描[7]。
大面积扫描领域,物镜前的静态聚焦扫描方式已经不被企业所接受,主要原因
是随着扫描面积的增大,F-θ透镜的口径也要随着增大,由于技术和材料工艺的限制,
大口径的 F-θ透镜的价格非常高,所以该方案都不被接受[1]。聚焦系统采用动态聚焦
方式的物镜后扫描系统就具有很高的性价比,使得设备成本大大降低,而且也具有
很高的精度,在激光焊接、激光快速成形中应用得十分广泛[4]。
振镜扫描式激光焊接简介
振镜扫描式激光焊接机(Scanner Welding)也被称之为远距离焊接机(Remote
Welding),它采用的是振镜扫描镜组来对工件进行动态焊接的一项技术[8]。振镜扫描
式激光焊接技术是国际上近几年才出现的新技术,并迅速成为各国研究的热点。振
镜镜片在扫描镜头内将激光光束快速在焊点之间切换,焊点之间的距离越大,工件
上的焊点数量越多,优势越明显[9]。在大多数工业激光焊接应用中,平均焊接时间相
对于装载和配置整个系统的时间是很小的,大部分焊接时间只占到一个处理周期的
20%~50%之间。而采用这种最新的激光焊接技术大大减少了非生产性时间,焊接时
间可以增加到 90%