CN116560070A - 将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法及装置，所述方法包括：将包括转镜与转镜支撑架的转子机构固定连接在摆动机构的上部；设转镜的转轴的偏摆角度为α，且转轴的转动角度为β角，将入射光经转镜形成的扫描曲线采用函数进行参数化；利用转子机构的自然振动频率或振动产生器与转镜转子的转动产生相对摆动。本发明以转镜为激光扫描的频率产生机构，通过将转镜的整个支撑架放置在摆动机构上，由摆动机构提供转镜的垂直上下方向的摆动，除左右扫描方向以外还有垂直方向的摆动，能够将转镜与转镜支撑架相对摆动使得入射激光形成二维扫描光路，实现了高速大面积的二维扫描曲线。
Description
技术领域
本发明涉及二维激光扫描技术领域，具体而言，涉及将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法及装置。
背景技术
激光技术是一门跨学科、跨行业的高新技术，随着激光技术的发展，激光扫描技术在制造领域的应用越来越广泛。振镜激光扫描作为激光扫描技术的主要应用，以其高精度、高速度等特点被广泛应用于激光清洗、激光焊接、激光打标等领域。振镜激光扫描技术的实质是利用高密度、高功率激光源作为加工主体，通过一维或二维振镜的反射或折射，以振镜的运动实现静止的激光的运动，最终实现激光在工件上按指定的规律扫描加工。
将激光在平面上扫描各种图案或曲线的方法，通常以两个振镜反射光线为操作原理，就是将光线打在第一振镜来产生某轴（如x轴）的摆动，再将光打在另一振镜上产生另一轴（如y轴）的作动，经由操控在扫描平面上形成不同的激光扫描曲线，所述激光扫描曲线在扫描平面上会显现从而产生加工或制作效果（例如激光焊接、激光打标等）。
振镜是一种优良的矢量扫描器件，它是一种特殊的摆动电机，基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，但与旋转电机不同，摆动电机的转子上通过机械扭簧或电子的方法施加有复位力矩，大小与转子偏离平衡位置的角度成正比，当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定角度时，电磁力矩与复位力矩的大小相等，因而振镜不能像普通电机一样旋转，只能偏转，偏转角与电流成正比，与电流计一样，故振镜又叫电流计扫描器（Galvanometric Scanner）。
但是，两轴的振镜在产生曲面时会有振频的差异，在很多状况下两轴振频的差异会达到好几倍（有时在其中一轴需要往复多次使得振频的差异达到上百倍），因而高速大面积扫描时在电机控制上很难执行（例如控制器指令周期不够、发热、结构疲劳等）。并且，在某些只要求高速扫描而不需要多种曲线种类的应用场景，可能只需要一种曲线即可，现有的两轴振镜的使用在一定程度上是一种资源浪费。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于在以现有的转镜为激光左右扫描的频率产生机构的基础上，将转镜的整个支撑架放置在摆动机构上，由摆动机构提供转镜的垂直方向的摆动，使入射转镜的激光产生左右摆动和上下摆动，从而产生二维扫描曲线，并且使转镜扫描的面积相比现有技术的没有增加摆动机构的更大，以增加扫描的效率。
本发明提供一种将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，较佳案例包括以下步骤：
S1、构建摆动机构，将包括转镜与转镜支撑架的转子机构固定连接在所述摆动机构的上部；
S2、设转镜的转轴的偏摆角度为α，且转轴的转动角度为β，将入射光经转镜形成的扫描曲线采用函数进行参数化；
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
所述扫描曲线的参数化表达式为：
（7）
（8）
其中，参数的含义如下：
θ为激光入射线与转镜入射点垂直反射面之间的夹角；
β：转镜在t时间内R从初始的与平面成45°角的起始点，逆时针旋转的旋转角度；
：转镜转速；
R：转镜中心到边的垂直距离；
:为转轴至转镜与激光入射点的距离；
H1：激光和扫描面的垂直距离；
为转镜未偏摆时激光反射点与目标点的距离；
为因转镜摆动所造成的目标点偏移的距离；
H为转镜摆动中心与激光入射点之间的距离；
为因摆动在射入线的摆动距离；
为转镜未摆动时与目标面的距离；
S3、利用所述转子机构的自然振动频率或振动产生器与转镜转子的转动产生相对摆动；
所述扭力弹簧的常数为γ，转子机构的转动惯量为I，转子机构的自然振动角频率为：
（9）
（10）
为让能被转镜转子的转动频率相对摆动出来，将/>和/>的关系列成
（11）
式（11）中，为在转镜转动一个角度时设计的激光扫描次数（可为非整数）；在组装摆动机构时调整γ使自然振动角频率/>符合式（11）的条件。
进一步地，所述S3步骤的产生相对摆动的方法还包括：
利用外界振动源的振动产生符合式（11）的角频率。
进一步地，所述扭力弹簧给所述转镜与转镜支撑架提供垂直方向的摆动：所述转镜在转轴的垂直方向有一偏摆角α，造成激光产生2α的偏摆，因摆动是往复的，所以转轴以±2α的角度摆动，造成原本是直线的激光变成摆动的光线；在扫描面上的摆动幅度与扫描面与转镜的反射点距离有关。
进一步地，所述S1步骤的将包括转镜与转镜支撑架的转子机构固定连接在所述摆动机构的上部的方法包括：
将所述转镜支撑架与所述摆动机构的上部通过焊接固定、螺接固定、粘接固定中的一种或多种的组合连接在一起。
进一步地，所述S2步骤的入射到转镜的所述入射光包括：
平行光、非平行光中的一种或两种的组合。
经由本发明运动产生的任何二维扫描均属于本发明技术方案的范围。
本发明还提供将转镜与转镜支撑架摆动机构形成二维扫描光路的装置，应用如上述所述的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，包括：
转镜：用于将入射光经过反射面的发射形成来回摆动的扫描曲线；
转轴：与转镜同心，用于转镜与转镜支撑架之间的转动连接；
摆动机构：可采用扭力弹簧构建，所述摆动机构的上部与所述转子机构固定连接。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述所述将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法的步骤。
本发明还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明以转镜为激光左右扫描的频率产生机构，通过将转镜的整个支撑架放置在摆动机构上，由摆动机构提供转镜的垂直上下方向的摆动，除左右扫描方向以外还有垂直方向的摆动，能够将转镜与转镜支撑架相对摆动使得入射激光形成二维扫描光路，实现了高速大面积的二维扫描曲线。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明一种将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法的流程图；
图2为本发明实施例计算机设备的构成示意图；
图3为本发明实施例的摆动机构的示意图；
图4为本发明实施例的转镜侧视光路简图；
图5为本发明实施例的转镜上视光路简图；
图6为本发明实施例激光经增加摆动机构的转镜反射后的扫描曲线的实例图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和产品的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。
本发明实施例提供将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，参见图1所示，包括如下步骤：
S1、构建摆动机构，将包括转镜与转镜支撑架的转子机构固定连接在所述摆动机构的上部；
所述扭力弹簧给所述转镜与转镜支撑架提供垂直上下方向的摆动：所述转镜在转轴的垂直方向有一偏摆角α，造成激光（参见图4所示的激光入射和反射光线）产生2α的偏摆，因摆动是往复的，所以转轴以±2α的角度摆动，造成原本是直线的激光变成摆动的光线；在扫描面上的摆动幅度与扫描面与转镜的反射点距离有关；
本实施例中，将包括转镜与转镜支撑架的转子机构固定连接在所述摆动机构的上部的方法为：
将转镜支撑架与扭力弹簧的上部通过焊接固定连接在一起；
S2、设转镜的转轴的偏摆角度为α，且转轴的转动角度为β，将入射光经转镜形成的扫描曲线采用函数进行参数化；
下列公式推导为一致性案例，如图4及图5所示；
入射到转镜的所述入射光包括：平行光、非平行光中的一种或两种的组合；
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
本实施例的扫描曲线参见图6所示，扫描曲线的参数化表达式为：
（7）
（8）
参见图6为上两式（7）（8）的扫描曲线的例子；
其中，参数的含义如下：
θ为激光入射线与转镜入射点垂直反射面之间的夹角；
β：转镜在t时间内R从初始的与平面成45°角的起始点，逆时针旋转的旋转角度；
：转镜转速；
R：转镜中心到边的垂直距离；
:为转轴至转镜与激光入射点的距离；
H1：激光和扫描面的垂直距离；
为转镜未偏摆时激光反射点与目标点的距离；
为因转镜摆动所造成的目标点偏移的距离；
H为转镜摆动中心与激光入射点之间的距离；
为因摆动在射入线的摆动距离；
为转镜未摆动时与目标面的距离；
S3、利用所述转子机构的自然振动频率或振动产生器与转镜转子的转动产生相对摆动；
所述扭力弹簧的常数为γ，转子机构的转动惯量为I，转子机构的自然振动角频率为：
（9）
（10）
为让能被转镜转子的转动频率相对摆动出来，将/>和/>的关系列成
（11）
式（11）中，为在转镜转动一个角度时设计的激光扫描次数（可为非整数）；在组装摆动机构时调整γ使自然振动角频率/>符合式（11）的条件。
所述产生相对摆动的方法还包括：
利用外界振动源的振动产生符合式（11）的角频率/>。
所述扭力弹簧给所述转镜与转镜支撑架提供垂直方向的摆动：所述转镜在转轴的垂直方向有一偏摆角α，造成激光产生2α的偏摆，因摆动是往复的，所以转轴以±2α的角度摆动，造成原本是直线的激光变成摆动的光线。
本发明实施例还提供将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的装置，应用如上述所述的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，参见图3所示，包括：
转镜：用于将入射光经过反射面的发射形成来回摆动的扫描曲线；
转轴：与转镜同心，用于转镜与转镜支撑架之间的转动连接；
摆动机构：采用扭力弹簧构建，所述摆动机构的上部与所述转子机构固定连接。
本发明实施例以转镜为激光左右扫描的频率产生机构，通过将转镜的整个支撑架放置在摆动机构上，由摆动机构提供转镜的垂直上下方向的摆动，除左右扫描方向以外还有垂直方向的摆动，能够将转镜与转镜支撑架相对摆动使得入射激光形成二维扫描光路，实现了高速大面积的二维扫描曲线。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，图2是本发明实施例提供的一种计算机设备的结构示意图；参见附图图2所示，该计算机设备包括：输入装置23、输出装置24、存储器22和处理器21；所述存储器22，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器21执行，使得所述一个或多个处理器21实现如上述实施例提供的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法；其中输入装置23、输出装置24、存储器22和处理器21可以通过总线或者其他方式连接，图2中以通过总线连接为例。
存储器22作为一种计算设备可读写存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序，如本发明实施例所述的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法对应的程序指令；存储器22可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据设备的使用所创建的数据等；此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件；在一些实例中，存储器22可进一步包括相对于处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置23可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入；输出装置24可包括显示屏等显示设备。
处理器21通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法。
上述提供的计算机设备可用于执行上述实施例提供的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，具备相应的功能和有益效果。
本发明实施例还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如上述实施例提供的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，存储介质是任何的各种类型的存储器设备或存储设备，存储介质包括：安装介质，例如CD-ROM、软盘或磁带装置；计算机***存储器或随机存取存储器，诸如DRAM、DDR RAM、SRAM、EDO RAM，兰巴斯(Rambus)RAM等；非易失性存储器，诸如闪存、磁介质(例如硬盘或光存储)；寄存器或其它相似类型的存储器元件等；存储介质可以还包括其它类型的存储器或其组合；另外，存储介质可以位于程序在其中被执行的第一计算机***中，或者可以位于不同的第二计算机***中，第二计算机***通过网络(诸如因特网)连接到第一计算机***；第二计算机***可以提供程序指令给第一计算机用于执行。存储介质包括可以驻留在不同位置中(例如在通过网络连接的不同计算机***中)的两个或更多存储介质。存储介质可以存储可由一个或多个处理器执行的程序指令(例如具体实现为计算机程序)。
当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上实施例所述的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，还可以执行本发明任意实施例所提供的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法中的相关操作。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建摆动机构，将包括转镜与转镜支撑架的转子机构固定连接在所述摆动机构的上部；
S2、设转镜的转轴的偏摆角度为α，且转轴的转动角度为β，将入射光经转镜形成的扫描曲线采用函数进行参数化；
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
所述扫描曲线的参数化表达式为：
（7）
（8）
其中，参数的含义如下：
θ为激光入射线与转镜入射点垂直反射面之间的夹角；
β：转镜在t时间内R从初始的与平面成45°角的起始点，逆时针旋转的旋转角度；
：转镜转速；
R：转镜中心到边的垂直距离；
:为转轴至转镜与激光入射点的距离；
H1：激光和扫描面的垂直距离；
为转镜未偏摆时激光反射点与目标点的距离；
为因转镜摆动所造成的目标点偏移的距离；
H为转镜摆动中心与激光入射点之间的距离；
为因摆动在射入线的摆动距离；
为转镜未摆动时与目标面的距离；
S3、利用所述转子机构的自然振动频率或振动产生器与转镜转子的转动产生相对摆动；
所述扭力弹簧的常数为γ，转子机构的转动惯量为I，转子机构的自然振动角频率为：
（9）
（10）
为让能被转镜转子的转动频率相对摆动出来，将/>和/>的关系列成
（11）
式（11）中，为在转镜转动一个角度时设计的激光扫描次数（可为非整数）；在组装摆动机构时调整γ使自然振动角频率/>符合式（11）的条件。
2.根据权利要求1所述的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，其特征在于，所述S3步骤的产生相对摆动的方法还包括：
利用外界振动源的振动产生符合式（11）的角频率/>。
3.根据权利要求1所述的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，其特征在于，所述扭力弹簧给所述转镜与转镜支撑架提供垂直上下方向的摆动：所述转镜在转轴的垂直方向有一偏摆角α，造成激光产生2α的偏摆，造成原本是直线的激光变成摆动的光线。
4.根据权利要求1所述的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，其特征在于，所述S1步骤的将包括转镜与转镜支撑架的转子机构固定连接在所述摆动机构的上部的方法包括：
将所述转镜支撑架与所述扭力弹簧的上部通过焊接固定、螺接固定、粘接固定中的一种或多种的组合连接在一起。
5.根据权利要求1所述的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，其特征在于，所述S2步骤的入射到转镜的所述入射光包括：
平行光、非平行光中的一种或两种的组合。
6.将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的装置，其特征在于，应用如权利要求1-5任一项所述的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，包括：
转镜：用于将入射光经过反射面的发射形成来回摆动的扫描曲线；
转轴：与转镜同心，用于转镜与转镜支撑架之间的转动连接；
摆动机构：采用可摆动机构构建，所述摆动机构的上部与所述转子机构固定连接。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求1-5任一项所述的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法的步骤。
8.一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5任一项所述的将转镜与转镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法的步骤。
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