二維激光掃描演示實驗系統(tǒng)設(shè)計

吳成 羅云

（湖北工程學院物理與電子信息工程學院，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、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、高速度等特點而廣泛用于激光加工行業(yè)?；谏鲜龇治?，考慮實驗室現(xiàn)狀，采用擴束鏡、聚焦鏡、物鏡、XY掃描反射鏡及其驅(qū)動部件和下位機控制器等硬件設(shè)計了二維激光掃描演示實驗系統(tǒng)，并設(shè)計了上位機用戶界面，進行了相關(guān)的測試實驗。

1 二維激光掃描演示實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計

二維激光掃描演示實驗系統(tǒng)如圖1所示，整個系統(tǒng)由激光器、擴束鏡、聚焦鏡、物鏡、XY軸掃描反射鏡及其驅(qū)動部件、下位機控制器和PC機上控制界面組成。激光器發(fā)射的激光束經(jīng)過擴束鏡之后，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放大后依次投射到X軸和Y軸振鏡上，最后經(jīng)過兩個振鏡，二次反射到工作臺面上，形成掃描平面上的掃描點。

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，控制界面根本實際需要將輸入轉(zhuǎn)換為下位機控制器所能識別并能執(zhí)行的運動直線段，并通過異步串口發(fā)送至下位機控制器。下位機控制器可以通過驅(qū)動器控制XY軸步進電機，同時也能控制器激光器的開啟和關(guān)閉，以實現(xiàn)跳點或?qū)Φ稌r激光器的控制。

圖1 二維激光掃描演示實驗系統(tǒng)示意圖

1.1 激光擴束方法選擇

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，需要將激光束進行擴束。此外，激光經(jīng)過擴束后，激光光斑被擴大，從而減少了激光束傳輸過程中的光學器件表面激光束的功率密度，減小了激光束通過時光學組件的熱應(yīng)力，有利于保護光路上的光學組件。擴束后的激光束其發(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。

考慮到實際因素，本系統(tǒng)采用開普勒法擴束法[8]，其原理如圖2所示，它由一個負透鏡和一個正透鏡組成，先經(jīng)前面的負透鏡聚焦后，再經(jīng)一個正透鏡準直為平行光。負透鏡又對正透鏡的像差進行補償，它們具有相同的虛焦點

圖2 開普勒擴束法

1.2 系統(tǒng)精度分析

設(shè)計中要求掃描視場的范圍達到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。

如果電機選用一般的步進電機，其步距角為0.9°，細分驅(qū)動采用512最大細分，而傳動比選用180：1，則步進電機最小步距為 ：(0.9 × 2π)/360/180/512 = 0.17urad

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

1.3 步進電機及其驅(qū)動器接口

通過上述分析，系統(tǒng)選用一般的兩相混合式步進電機作為執(zhí)行電機，同時選用DMD402A作為電機驅(qū)動器，步進電機、驅(qū)動器及控制器間的接口示意圖如圖3所示，驅(qū)動器的輸入信號為：公共端、脈沖信號、方向信號和脫機信號。采用共陽極接線方式，控制信號低電平有效，當輸入脈沖的下降沿到來時，驅(qū)動電機運行一步（為確保電機的可靠響應(yīng)，脈沖低電平持續(xù)時間應(yīng)不小于10μs）；方向信號端子接收控制器輸出的高/低電平信號，分別代表電機的兩個旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向；脫機信號端子接收控制機輸出的高/低電平信號，低電平時電機相電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于脫機狀態(tài)（自由狀態(tài)），高電平或懸空時，轉(zhuǎn)子處于鎖定狀態(tài)。驅(qū)動器的輸出信號為四個電機驅(qū)動信號A＋、A－、B＋、B－，用來驅(qū)動兩相混合式步進電機，將這個四路信號分別連接到步進電機相應(yīng)的輸入端即可。

圖3 步進電機、驅(qū)動器及控制器間的接口示意圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)執(zhí)行線段的插補實現(xiàn)

二維振鏡激光掃描系統(tǒng)使用伺服電機控制X軸與y軸振鏡的運動，輸入數(shù)據(jù)寬度均為16位。也就是說，對于掃描平面上的X軸與Y軸坐標，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），因此可以對整個掃描場進行坐標化。

對于X軸，210/65536=3.21um,

對于Y軸，350/65536=5.34um

對掃描場進行坐標化，設(shè)掃描精度為0.1um（完全可以滿足XY所需的插補精度），即X軸或Y軸振鏡轉(zhuǎn)動的最小偏角為0.1um×10E-3/525mm=0.19urad,普通步進電機也可以滿足該精度要求。

插補算法中最為常用的為直線插補，如圖9所示，設(shè)插補從O點開始，插補終點，單個插補周期插補距離為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點的插補公式為：

圓弧插補是多個直線段插補，原理類似。

圖4 直線插補算法

圖5 下位機控制器程序流程圖

2.2 下位機控制器程序流程

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

3 實驗及結(jié)論

PC上位機軟件采用Java語言設(shè)計，并對設(shè)計的二維激分別進行光掃描系統(tǒng)進行聯(lián)合測試，分別進行直線段繪制、螺旋矩形掃描。最后進行了普通漢字的掃描測試，分別在用戶界面在輸入“湖北工程學院”，在下位機的控制下，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。

以下位機控制器、普通步進電機及其驅(qū)動、準直鏡、擴束鏡和聚焦鏡設(shè)計并制作了二維激光掃描演示實驗系統(tǒng)，經(jīng)過反復測試，系統(tǒng)工作較為穩(wěn)定，達到了設(shè)計要求。

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