吳成 羅云

（湖北工程學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院，孝感湖北 432000）

隨著激光技術(shù)的大力發(fā)展，激光掃描技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到激光打標(biāo)、條碼掃描、激光雕刻、激光加工等領(lǐng)域，然而這些領(lǐng)域的應(yīng)用均需要相應(yīng)的掃描系統(tǒng)作為硬件支撐。相比于其它激光掃描器，激光振鏡掃描式系統(tǒng)因具有高精度、高速度等特點(diǎn)而廣泛用于激光加工行業(yè)?；谏鲜龇治觯紤]實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀，采用擴(kuò)束鏡、聚焦鏡、物鏡、XY掃描反射鏡及其驅(qū)動(dòng)部件和下位機(jī)控制器等硬件設(shè)計(jì)了二維激光掃描演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了上位機(jī)用戶界面，進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

1 二維激光掃描演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

二維激光掃描演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由激光器、擴(kuò)束鏡、聚焦鏡、物鏡、XY軸掃描反射鏡及其驅(qū)動(dòng)部件、下位機(jī)控制器和PC機(jī)上控制界面組成。激光器發(fā)射的激光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡之后，得到均勻的平行光束，然后通過聚焦系統(tǒng)的聚焦以及物鏡組的光學(xué)放大后依次投射到X軸和Y軸振鏡上，最后經(jīng)過兩個(gè)振鏡，二次反射到工作臺(tái)面上，形成掃描平面上的掃描點(diǎn)。

在工作中，用戶可根據(jù)自身需要在嵌入式控制界面中輸入文字或者一定形狀的圖形，控制界面根本實(shí)際需要將輸入轉(zhuǎn)換為下位機(jī)控制器所能識(shí)別并能執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)直線段，并通過異步串口發(fā)送至下位機(jī)控制器。下位機(jī)控制器可以通過驅(qū)動(dòng)器控制XY軸步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)也能控制器激光器的開啟和關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)跳點(diǎn)或?qū)Φ稌r(shí)激光器的控制。

圖1 二維激光掃描演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.1 激光擴(kuò)束方法選擇

由于激光束具有一定發(fā)散角，為了得到合適的聚焦光斑以及掃描一定大小的工作面，通常在選擇合適的透鏡焦距的同時(shí)，需要將激光束進(jìn)行擴(kuò)束。此外，激光經(jīng)過擴(kuò)束后，激光光斑被擴(kuò)大，從而減少了激光束傳輸過程中的光學(xué)器件表面激光束的功率密度，減小了激光束通過時(shí)光學(xué)組件的熱應(yīng)力，有利于保護(hù)光路上的光學(xué)組件。擴(kuò)束后的激光束其發(fā)散角被壓縮，減小了激光的衍射，從而能夠獲得較小的聚焦光斑。

考慮到實(shí)際因素，本系統(tǒng)采用開普勒法擴(kuò)束法[8]，其原理如圖2所示，它由一個(gè)負(fù)透鏡和一個(gè)正透鏡組成，先經(jīng)前面的負(fù)透鏡聚焦后，再經(jīng)一個(gè)正透鏡準(zhǔn)直為平行光。負(fù)透鏡又對(duì)正透鏡的像差進(jìn)行補(bǔ)償，它們具有相同的虛焦點(diǎn)

圖2 開普勒擴(kuò)束法

1.2 系統(tǒng)精度分析

設(shè)計(jì)中要求掃描視場的范圍達(dá)到210mm×350mm，采用XY振鏡掃描系統(tǒng)，設(shè)X振鏡和Y振鏡之間的距離 30emm= ，工作距離 525dmm= 。系統(tǒng)要求控制誤差≤±0.01mm，則取系統(tǒng)最小精度為0.002mm。

如果電機(jī)選用一般的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.9°，細(xì)分驅(qū)動(dòng)采用512最大細(xì)分，而傳動(dòng)比選用180：1，則步進(jìn)電機(jī)最小步距為 ：(0.9 × 2π)/360/180/512 = 0.17urad

可見0.17urad<< 3 .6036urad，因此，僅僅選用普通步進(jìn)電機(jī)即可滿足系統(tǒng)精度要求。

1.3 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器接口

通過上述分析，系統(tǒng)選用一般的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)，同時(shí)選用DMD402A作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及控制器間的接口示意圖如圖3所示，驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)為：公共端、脈沖信號(hào)、方向信號(hào)和脫機(jī)信號(hào)。采用共陽極接線方式，控制信號(hào)低電平有效，當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行一步（為確保電機(jī)的可靠響應(yīng)，脈沖低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于10μs）；方向信號(hào)端子接收控制器輸出的高/低電平信號(hào)，分別代表電機(jī)的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向；脫機(jī)信號(hào)端子接收控制機(jī)輸出的高/低電平信號(hào)，低電平時(shí)電機(jī)相電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于脫機(jī)狀態(tài)（自由狀態(tài)），高電平或懸空時(shí)，轉(zhuǎn)子處于鎖定狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)為四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)A＋、A－、B＋、B－，用來驅(qū)動(dòng)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，將這個(gè)四路信號(hào)分別連接到步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的輸入端即可。

圖3 步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及控制器間的接口示意圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)執(zhí)行線段的插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)

二維振鏡激光掃描系統(tǒng)使用伺服電機(jī)控制X軸與y軸振鏡的運(yùn)動(dòng)，輸入數(shù)據(jù)寬度均為16位。也就是說，對(duì)于掃描平面上的X軸與Y軸坐標(biāo)，分辨率為1/65536。三維振鏡激光掃描系統(tǒng)掃描場最大為210mm x 350mm（掃描場高度為525mm時(shí)），因此可以對(duì)整個(gè)掃描場進(jìn)行坐標(biāo)化。

對(duì)于X軸，210/65536=3.21um,

對(duì)于Y軸，350/65536=5.34um

對(duì)掃描場進(jìn)行坐標(biāo)化，設(shè)掃描精度為0.1um（完全可以滿足XY所需的插補(bǔ)精度），即X軸或Y軸振鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的最小偏角為0.1um×10E-3/525mm=0.19urad,普通步進(jìn)電機(jī)也可以滿足該精度要求。

插補(bǔ)算法中最為常用的為直線插補(bǔ)，如圖9所示，設(shè)插補(bǔ)從O點(diǎn)開始，插補(bǔ)終點(diǎn)，單個(gè)插補(bǔ)周期插補(bǔ)距離為ΔL,在X軸的位移為ΔX，在Y軸的位移為ΔY，則可得

因此，第i+1點(diǎn)的插補(bǔ)公式為：

圓弧插補(bǔ)是多個(gè)直線段插補(bǔ)，原理類似。

圖4 直線插補(bǔ)算法

圖5 下位機(jī)控制器程序流程圖

2.2 下位機(jī)控制器程序流程

下位機(jī)控制器程序流程如圖5所示，首先系統(tǒng)上電初始化，之后下位機(jī)控制器進(jìn)入命令等待狀態(tài)，等待上位機(jī)PC用戶界面的相關(guān)命令。如果有命令即刻進(jìn)行判斷，如果是參數(shù)設(shè)置，則接收設(shè)置參數(shù)；如果是運(yùn)動(dòng)軌跡，則將軌跡轉(zhuǎn)換為可插補(bǔ)的線段，之后啟動(dòng)電機(jī)完成插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)；如果是其它事項(xiàng)，則進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。之后返回至等待狀態(tài)，等待上位機(jī)下一次命令。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

PC上位機(jī)軟件采用Java語言設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)的二維激分別進(jìn)行光掃描系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試，分別進(jìn)行直線段繪制、螺旋矩形掃描。最后進(jìn)行了普通漢字的掃描測(cè)試，分別在用戶界面在輸入“湖北工程學(xué)院”，在下位機(jī)的控制下，激光筆依次在繪制板上繪下相應(yīng)的文字。較好的完成了控制功能。

以下位機(jī)控制器、普通步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)、準(zhǔn)直鏡、擴(kuò)束鏡和聚焦鏡設(shè)計(jì)并制作了二維激光掃描演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)工作較為穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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