選擇性激光燒結(jié)快速成形中振鏡掃描與控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、振鏡激光掃描技術(shù)以其高速、精確掃描的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于快速成形技術(shù)中，成為其核心部件。選擇性激光燒結(jié)快速成形是快速成形技術(shù)的一個重要分支，以其用材廣泛及成形速度快等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用日益廣泛，其涉及計算機(jī)輔助設(shè)計與制造、計算機(jī)數(shù)字控制、激光、新材料和精密伺服等多項技術(shù)。本論文針對選擇性激光燒結(jié)裝備中掃描系統(tǒng)的整體設(shè)計、掃描控制卡的設(shè)計、圖形掃描校正以及整個裝備的自動化運(yùn)行與監(jiān)測等內(nèi)容進(jìn)行了論述。
　　 研究了適用于選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)的振鏡式激

2、光掃描相關(guān)理論，分析了激光性能對振鏡式激光掃描系統(tǒng)掃描質(zhì)量的影響，分析了不同工作范圍的選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)對掃描系統(tǒng)的要求。深入研究了采用F-Theta透鏡聚焦方式的振鏡式激光掃描系統(tǒng)和采用動態(tài)聚焦方式的振鏡式激光掃描系統(tǒng)的掃描模型，充分考慮性能與成本因素，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于PC的振鏡式激光掃描系統(tǒng)，其采用軟件芯片方式，在PC內(nèi)實(shí)現(xiàn)掃描系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)插補(bǔ)模塊、圖形校正模塊以及中斷數(shù)據(jù)處理模塊，在滿足掃描系統(tǒng)性能的同時，極大地簡化了

3、掃描系統(tǒng)對掃描控制卡的要求；同時基于此振鏡掃描系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)了低成本的采用F-Theta透鏡聚焦方式振鏡式激光掃描系統(tǒng)的小工作范圍選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)，以及采用動態(tài)聚焦方式振鏡式激光掃描系統(tǒng)的大工作范圍選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)。
　　 研究了振鏡式激光掃描系統(tǒng)掃描過程中圖形畸變產(chǎn)生的原因，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)振鏡式激光掃描系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了圖形畸變校正的算法。采用F-Theta透鏡聚焦的振鏡式激光掃描系統(tǒng)在應(yīng)用于選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)時，

4、隨著工作范圍的加大，工作面上的掃描圖形畸變會逐漸加大，甚至無法實(shí)現(xiàn)圖形的精確校正。因此，目前采用F-Theta透鏡聚焦方式的選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)一般工作范圍小于350mm×350mm，針對其掃描圖形的明顯畸變，設(shè)計了一套圖形整形、坐標(biāo)校正以及多點(diǎn)校正相結(jié)合的掃描圖形校正方案，實(shí)現(xiàn)了對圖形畸變的精確校正。采用動態(tài)聚焦方式的振鏡式激光掃描系統(tǒng)，其掃描模型為精確模型，針對其機(jī)械安裝以及光路調(diào)整過程中出現(xiàn)的誤差，設(shè)計了一套坐標(biāo)校正和多點(diǎn)校正相結(jié)合

5、的方案實(shí)現(xiàn)掃描圖形的精確校正。
　　 研究了振鏡式激光掃描系統(tǒng)掃描控制卡的體系結(jié)構(gòu)、硬件架構(gòu)和驅(qū)動軟件，提出了在PC內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有的掃描圖形模型轉(zhuǎn)換、路徑插補(bǔ)以及掃描校正等復(fù)雜算法，通過中斷I/O卡控制輸出的基于PC的掃描控制系統(tǒng)。中斷I/O卡的中斷周期在ns級，通過系統(tǒng)實(shí)時響應(yīng)中斷請求來實(shí)現(xiàn)對振鏡式激光掃描系統(tǒng)的實(shí)時控制。在采用中斷I/O控制卡的基礎(chǔ)上，設(shè)計了采用高性能的FPGA器件實(shí)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)處理功能的掃描控制卡，在實(shí)現(xiàn)振鏡控制

6、的同時，優(yōu)化了系統(tǒng)資源。
　　 研究了選擇性激光燒結(jié)裝備的運(yùn)動控制系統(tǒng)以及預(yù)熱溫度控制系統(tǒng)，提出了采用模糊控制、平滑濾波和閾值控制相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)預(yù)熱溫度場的均勻穩(wěn)定控制。設(shè)計了選擇性激光燒結(jié)裝備運(yùn)行的完備的自動化流程，充分考慮選擇性激光燒結(jié)裝備運(yùn)行過程中的故障及干擾因素，提出了完備的系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測方案，能夠保證整個選擇性激光燒結(jié)裝備在具有一定冗余控制的情況下長時間安全以及穩(wěn)定的運(yùn)行。
　　 本研究通過解決上述關(guān)鍵問題，