丁朝俊

摘?要：激光振鏡掃描技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域及產(chǎn)業(yè)內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用，如激光打標(biāo)、激光舞臺(tái)、激光快速成型等，具備高精度、速度快、方便控制的優(yōu)點(diǎn)。然而在激光振鏡掃描過(guò)程中，由于在驗(yàn)算方法上的簡(jiǎn)化，導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)，這是一種幾何算法上的誤差。針對(duì)這種誤差，可以采取硬件或是軟件校正的方法。硬件校正較軟件校正而言成本較高，因此普遍軟件算法的方式進(jìn)行校正，有效節(jié)約了經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。針對(duì)激光振鏡掃描的誤差，采取有效的校正算法，可以減少掃描誤差，有效保證掃描圖形的準(zhǔn)確性。本文在這一基礎(chǔ)上，就激光振鏡掃描誤差的原因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并提出了相應(yīng)的校正算法。

關(guān)鍵詞：激光振鏡;掃描誤差;校正算法

激光能量密度較高，具有方向性、相干性及單色性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科研等領(lǐng)域及產(chǎn)業(yè)，受到普遍的青睞與認(rèn)可[1]。在工業(yè)生產(chǎn)及制造領(lǐng)域應(yīng)用激光加工技術(shù)，能夠以較低的成本帶來(lái)較高的生產(chǎn)效率，受到各個(gè)工業(yè)國(guó)家的關(guān)注與重視。美國(guó)、日本、德國(guó)等光學(xué)發(fā)達(dá)國(guó)家在激光工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)居于全球領(lǐng)先地位，尤其是精密激光加工，已經(jīng)日趨完善，在現(xiàn)代制造業(yè)中處于領(lǐng)先的地位。激光振鏡系統(tǒng)主要涵蓋了掃描控制及圖形校正兩個(gè)層面，在激光加工業(yè)中具有重要的作用和地位，在激光加工業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，也催生了一系列的激光振鏡產(chǎn)品。受多方面因素的影響，激光振鏡在實(shí)際的掃描時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定誤差，存在圖形失真的情況。針對(duì)誤差的情況，需要采取硬件校正或軟件校正，由于硬件校正需要付出較高的成本，因此軟件校正算法是目前最為有效、最節(jié)約成本的方法。

1?激光振鏡掃描誤差產(chǎn)生的原因

掃描振鏡在激光加工時(shí)高速掃描，掃描點(diǎn)同x軸振鏡、y軸振鏡偏轉(zhuǎn)角保持對(duì)應(yīng)的關(guān)系，掃描平面中的點(diǎn)坐標(biāo)和x軸振鏡、y軸振鏡偏轉(zhuǎn)角存在函數(shù)關(guān)系。當(dāng)x軸振鏡、y軸振鏡保持相應(yīng)偏轉(zhuǎn)角，就能夠?qū)ζ矫嬷心骋稽c(diǎn)進(jìn)行掃描，對(duì)x軸振鏡、y軸振鏡偏轉(zhuǎn)的控制伺服電機(jī)給予一定的輸入電壓，就可以得到對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角。

當(dāng)激光振鏡在掃描過(guò)程中，針對(duì)平面中掃描點(diǎn)的坐標(biāo)將振鏡偏轉(zhuǎn)角計(jì)算出來(lái)，伺服電機(jī)輸入電壓決定了振鏡偏轉(zhuǎn)角，16位二進(jìn)制運(yùn)動(dòng)控制卡數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的輸入電壓。因此從這個(gè)角度上講，掃描點(diǎn)是由16位二進(jìn)制運(yùn)動(dòng)控制卡x軸、y軸數(shù)字信號(hào)所決定。

x軸振鏡、y軸振鏡偏轉(zhuǎn)角和掃描點(diǎn)坐標(biāo)之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)，通過(guò)相應(yīng)的公式進(jìn)行精確轉(zhuǎn)化需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，這就對(duì)控制單元處理器提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，同時(shí)也使得高速掃描實(shí)時(shí)性受到影響。為了簡(jiǎn)化這一過(guò)程，把x軸振鏡、y軸振鏡偏轉(zhuǎn)角和掃描點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性關(guān)系，雖然通過(guò)這種轉(zhuǎn)化會(huì)簡(jiǎn)化整個(gè)演算過(guò)程，但是也不可避免地會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)誤差，導(dǎo)致掃描的圖形存在畸變失真的情況，這是一種幾何上的畸變。

激光振鏡掃描的誤差本質(zhì)上是算法導(dǎo)致的畸變，同光學(xué)元件所導(dǎo)致的誤差存在差異，是一種由于近似、簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制所引發(fā)的誤差[2]。激光振鏡在掃描中產(chǎn)生的畸變是一種典型的圖形畸變，即掃描點(diǎn)坐標(biāo)同實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)之間存在的誤差。針對(duì)這種誤差，一般應(yīng)當(dāng)采取硬件校正或是軟件校正進(jìn)行處理，大多數(shù)都會(huì)采取軟件算法予以校正。同硬件校正相比，軟件校正更加節(jié)約成本，同時(shí)還有有效解決由于近似、簡(jiǎn)化而導(dǎo)致的幾何畸變，能夠有效校正振鏡系統(tǒng)存在的誤差。軟件校正著眼于整個(gè)振鏡系統(tǒng)存在的誤差，立足于精確度的相關(guān)要求，這對(duì)各種影響因素引發(fā)的誤差予以適當(dāng)修正[3]。

2?激光振鏡掃描誤差校正的算法

2.1?二次曲線模型校正

針對(duì)激光振鏡掃描的誤差，可以采取以下兩種校正方法：（1）預(yù)畸變;（2）后驗(yàn)校正[4]。在第一種方法中，需要提前知曉產(chǎn)生誤差之后的函數(shù)，在這一基礎(chǔ)上獲取校正函數(shù)，但是在具體操作過(guò)程中往往無(wú)法獲取準(zhǔn)確的誤差畸變函數(shù)，就需要針對(duì)每條畸變直線進(jìn)行擬合，進(jìn)而獲取相應(yīng)的畸變函數(shù)，之后針對(duì)這一函數(shù)予以校正。在后驗(yàn)校正的基礎(chǔ)上，對(duì)掃描振鏡所產(chǎn)生的誤差予以校正。依照振鏡掃描后存在誤差圖形的實(shí)際形狀，使用二次曲線對(duì)振鏡圖形中每條豎直或是水平直線的畸變形狀實(shí)施近似擬合。針對(duì)原直線中各點(diǎn)產(chǎn)生誤差之后的變量，運(yùn)用二次曲線對(duì)每條產(chǎn)生誤差之后的直線進(jìn)行擬合，并以此計(jì)算出相應(yīng)的變量，之后通過(guò)施加在原直線中反向畸變量進(jìn)而獲取校正函數(shù)，并對(duì)x軸振鏡、y軸振鏡偏轉(zhuǎn)角度予以控制，從而有效校正掃描誤差。

在以下假設(shè)上構(gòu)建相應(yīng)的算法模型：第一，掃描圖形豎直及水平直線依據(jù)二次曲線出現(xiàn)誤差，直線保持了二次曲線的畸變;第二，校正中心為坐標(biāo)的原點(diǎn);第三，在方形幅面四個(gè)頂點(diǎn)處沒(méi)有誤差存在;第四，豎直與水平直線的誤差量和直線距中心距離存在正相關(guān)性。

在這一算法之下，通過(guò)二次曲線兩個(gè)端點(diǎn)及弧頂點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)確定其表達(dá)式。首先對(duì)最大誤差二次曲線的擬合表達(dá)式予以確定后，通過(guò)反向畸變獲取校正曲線的表達(dá)式。假定x軸與y軸誤差量均存在線性變化，能夠明確其他各條直線的誤差無(wú)線及反向校正曲線。在具體的操作過(guò)程中，誤差曲線弧頂點(diǎn)和假設(shè)模型位置存在一定偏差，往往會(huì)沿畸變方向進(jìn)行平移?；№旤c(diǎn)決定了誤差曲線，所以在具體實(shí)施過(guò)程中需要確保誤差曲線的表達(dá)式更加簡(jiǎn)化，或者可以選取中心點(diǎn)定作弧頂點(diǎn)，這種算法得到的誤差量要比實(shí)際誤差量大，所以需要引入校正系數(shù)予以調(diào)整。經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試之后以確定合適的系數(shù)，之后再向校正之后的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行掃描輸入，以初步整形振鏡掃描圖形，有效校正誤差。

通過(guò)以上算法可以有效解決激光振鏡掃描誤差的問(wèn)題，既節(jié)約成本，又有效縮短了計(jì)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了最終的校正目標(biāo)。這種算法在多個(gè)高校中已經(jīng)得到了應(yīng)用，并收獲了顯著效果。

2.2?快速校正表模型

在實(shí)際操作過(guò)程中，導(dǎo)致激光振鏡掃描誤差的產(chǎn)生存在多方面因素，由于隨機(jī)性因素所導(dǎo)致的非線性誤差，難以做到有效把控[5]。想要精確校正誤差，就需要準(zhǔn)確策略實(shí)際圖形和預(yù)期目標(biāo)之間存在的誤差，反向補(bǔ)償實(shí)際測(cè)量得到的差值，通過(guò)補(bǔ)償能夠使得測(cè)量結(jié)果同目標(biāo)值更加接近，通過(guò)多次反復(fù)補(bǔ)充以獲取精確度較高的數(shù)值。立足于原理的角度，主要是對(duì)角度偏轉(zhuǎn)及坐標(biāo)精確映射予以解決，掃描精準(zhǔn)度和掃描速度是最終的判斷指標(biāo)[6]。