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如何管理精密扫描振镜系统中的热效应

来源:荣格 发布时间:2018-04-22 402
工业金属加工工业激光激光设备零部件光学材料与元件 技术前沿应用及案例
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扫描振镜可提高整体生产量。

图1. 扫描振镜可提供非常高的带宽,从而加快处理时间,提高激光微加工和增材制造应用的整体生产量。

扫描振镜(Galvanometer scanner)如今正被越来越多的用于激光微加工和增材制造等应用领域(图1)。与传统的伺服级配置(如:定点激光系统)相比,它们的高带宽特性可以加快处理时间,继而提高了整体的生产量。虽然一直以来人们都意识到在伺服驱动阶段,执行器,以及系统中管理系统加热和随之产生的扭曲现象的重要性,但在现代化高速振镜扫描应用中克服类似效应未必会从同样的关注程度中受益。然而,查找出扫描振镜系统加热的根源可以直接了解设计人员该如何采用最好的方式应对这个问题,并提高整体系统性能。

分段式系统内的热变形通常表现为阶段式增长。热源一般是级发动机,尽管是非线性的,其热效应也许能被测量并可能得到缓解。例如,温度传感器的巧妙放置可以使运动控制器通过改变指令运动曲线直接测量热变化并补偿该阶段的增长或收缩。适应扫描振镜系统的热变形并不是那么简单,因为热源(以及之后的缓解措施)不尽相同。在研究具体的热源及相应提出的补救措施之前,我们将回顾一下最易受热效应影响的扫描振镜系统组件。

扫描振镜系统组件

扫描振镜系统受热最明显的负面影响可能是导致振镜电机/振镜相互安装和校直的铝块/外壳的变形。然而,正如我们看到的那样,加热源并不总是很明显,因此缓解热效应的方式可能需要一些设计策略。在安装架上形成温度梯度会使振镜之间无法对准,并形成一些非线性的“漂移”误差,这些误差会破坏已建立的性能和校准。

电机加热是一个明显的问题。电机中的绕组在彻底失效之前仅维持限定的升温。此外,过热会导致振镜支架变软和失效,改变系统的刚度以及最低限度地回应,甚至可能导致振镜完全脱落而造成灾难性故障。

振镜电机内的位置传感器(通常是光学编码器或一些其他模拟光学设备)通常也会随着温度的变化而表现出非线性行为。这种性能下降表现为热漂移或基于时间的漂移,并且通常是整个系统误差的主要根源。

最后,镜面涂层本身的反射性表现出一种温度依存性。用户可能会发现,在室温下对于给定的激光波长的优化涂层在温度较高时可能会失去功效,因为反射峰趋向于更高的λ值。

正如您可能已经猜到的那样,上述问题的解决方案与效果本身一样呈现出多样性。

扫描振镜由于激光能量很容易直接受到过热的影响。尽管镜面涂层的设计极其有效(通常在有利的波长下反射率至少达到99.5%),但一部分入射激光能量被反射镜吸收为热量。 除了整个系统发生热变形,这种加热可能还会导致由于过多的功率吸收而造成的振镜固定支架安装失败,以及与电机发生松离。

对这种热源的补救措施包括使用较大的振镜(这样可以持续的吸收功率从而降低热量)或在振镜背面执行空气冷却手段,以驱散热量。 通过这种方式冷却可以将振镜的激光功率的处理能力提高3个因子,但是当空气撞击在振镜上时会引发一定程度的原位抖动。提供更高(至少99.8%)反射率的定制涂层也是一种可能性,但其代价是会产生大量非经常性费用以及延长交货期。

入射在振镜安装座上的激光功率也是扫描系统中的主要热源。大多数自由空间传输的激光束对其功率分布具有高斯形态,即具有一个与其“1 / e2”值相关联的限定光束直径。根据这个数值(约等于高斯峰值的13.6%)推断大约4.4%的光束能量不包含在公称直径内(事实上高斯分布的尾部无限衰减)。例如,如果直径为14mm的光束照射在带有14mm孔径的振镜外壳上,4.4%的光束能量实际上将被用于加热铝块。此外,光束不对齐可能会使更多的激光能量入射到外壳上,而不是通过安装架的入射孔径照射。

显然,将入射光束完美对准将会缓解这种加热效应。 使用具有艾里斑(或“顶帽”)的激光器,均匀的功率分布可以消除大部分此类效应,并且实施冷却回路也是一个好的解决方案 —— 尤其是如果水回路设计适当,可以将热量从光束入射孔径带走。

事实上,使用水冷却方法不仅可以从系统中消除热量,而且还可以用来建立一个稳定的工作温度,即便振镜本身没有加热的问题。 如果外部影响(例如相邻的电源或其他实验室设备)导致喷射出难以控制的热量,检流计中的水冷回路即使在其他破坏环境的设备存在的情况下,也可以为振镜扫描系统提供一定水平的热免疫性(图2)。

图2 显示了扫描系统水冷回路的一个例子。

实施水冷却可以获得更多有益的效果。在一些非常激进的应用中,例如通过钻孔,命令电机在极端占空比下进行高加速度运动。这会导致电机绕组中的电流非常大,所产生的I2R损耗是扫描振镜系统中的一种热源。这可以通过巧妙使用运动轨迹优化来进行管理,例如“天空文字”,倒圆角或高速压型。这些工具存在于某些先进的运动控制器中,可以减小运动曲线中的均方根加速度值,从而降低电机绕组中的电流指令。

或者,用于激光入射孔径的相同的冷却回路也可能使流体通过振镜电机上的水套,在发生热失控之前带走热量。 正确设计的水冷却回路在管理系统热稳定性方面非常有效(图3)。

图3. 设计合理的水冷回路在管理系统热稳定性方面非常有效。有该设计的系统(a)与没有该设计的系统(b)间的比较。

尽管没有多少应用程序具有足够的运动轨迹来绘制大流量值,用于确保电机冷却,但水冷似乎在高动态振镜扫描系统中相当普遍。其原因可能不是很直观。除了由振镜电机绕组中的电阻损耗引起的加热效应外,大量的热量(这确实通常要大于电机损耗)从振镜安装座内的功率放大器中喷出。现代化的开关模式电源是高效的,但并不理想,并且通常会由于热量,至少损失10-15%的生产量功率。如图3所示,振镜电机的实际功率损失远大于理论值,需要在冷却安装支架中实现显著的升温。由此我们得到一个有趣的结论,可以将扫描振镜的设计看作是彻底从安装架中移除电力电子设备。由此产生的环境可能甚至不再需要水冷,而且绝对会更加稳定。

未来的考量

高精度的激光扫描振镜系统的激增迫使人们对于环境的控制和考量进行批判性的审视。对热源的理性评估为温度问题提供了潜在的补救措施及解决方案。这些举措的最终结果将是得到扫描振镜系统更精确的振镜运动和生产出更精密的部件。

危害正是由于温度的缓慢变化所造成的影响。即使是一个相对小的热源也会对系统的稳定性产生戏剧性的影响,所以应该尽一切努力来维持最稳定的环境。

虽然这个讨论试着想要解决一些最常见的热能问题,但我们仍需要做更多的工作来彻底解决这类问题。 例如,一个系统或许可以用其热重复性(热诱导误差如何重现)来表征,并且就是根据这些效果进行校准的。 或者说,为了指引我们设计出最能抵抗热变形的安装支架,我们应该尝试吸取哪些经验教训呢? 最后,振镜反馈设备的设计选择会如何影响整个系统的热稳定性? 有些技术可能比其他技术更好。 扫描振镜控制器的数字化控制演算法是否可以根据不断变化的系统温度进行改良,最终克服热降解?不管怎样,未来的调查分析无疑将会提高这些动态系统的精确度和性能。


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