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如何管理精密扫描系统中的热效应

来源:荣格 发布时间:2018-10-10 375
工业激光激光设备零部件光学材料与元件 技术前沿
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精密工程在原理上要求注意许多重要的设计细节,以确保在各种运动控制应用中获得成功。例如,机械加工与装配方面的最佳实践为生产出高性能系统提供了最佳机会,并提供了稳定的工作环境。具体而言,管理并减轻热效应至关重要。

扫描振镜可实现更高的总通量

精密工程在原理上要求注意许多重要的设计细节,以确保在各种运动控制应用中获得成功。例如,机械加工与装配方面的最佳实践为生产出高性能系统提供了最佳机会,并提供了稳定的工作环境。具体而言,管理并减轻热效应至关重要。

扫描振镜在激光微加工与增材制造应用中的使用正在不断增加(图1)。与传统的伺服级构造(即“定点”激光系统)相比,其极高的带宽可缩短加工时间,这意味着更高的总通量。虽然在伺服驱动级、致动器和系统中对系统发热及由此产生的变形加以管理的重要性早已得到重视,不过,对于克服现代高速扫描应用中出现的类似效应则未必已经因获得同等程度的关注而受益。然而,对振镜系统发热的根源进行调查,将有助于设计者对于如何最好地管理这一问题并提高整个系统性能获得直观的了解。

图1:扫描振镜可提供极高的带宽,缩短处理时间,从而提高激光微加工和增材制造应用的整体通量。

多级系统中的热变形通常会随着级数的增加而表现出来。热源通常是多级电机,虽然通常是非线性的,但其效果仍可测量并可能被减轻。例如,巧妙地设置温度传感器可以让运动控制器直接测量热变化,并通过改变指令的运动轨迹来补偿级的增长或缩减。由于热源(及相应的减轻策略)不尽相同,在扫描系统中调节热变形并非轻而易举。在研究特定热源及其建议的补救措施之前,让我们先回顾最易受热效应影响的扫描系统组件。

扫描系统组件

发热对扫描系统最明显的负面影响是可能会造成铝块/壳的变形,galvo电机/镜片安装于其上并彼此对齐。然而,正如我们将看到的,发热源并不总是显而易见的,因此减轻热影响可能涉及许多设计策略。在安装块上形成的温度梯度足以使镜片彼此错位,并产生许多非线性“漂移”误差,从而会破坏已建立的性能和校准。

电机发热是一个明显的问题。电机的绕组在完全失效之前只能承受有限的温度上升。此外,过热还可能导致镜架软化和失效,将系统刚度和响应改变到最低限度,或者,如果镜片完全松脱甚至可能导致灾难性的失效。
galvo电机内的位置传感器(通常是光学编码器或其它一些模拟光学器件),通常也显示出随温度变化的非线性特性。这种性能退化表现为基于热或时间的“漂移”,并且通常是整个系统误差的主要来源。

最后,镜面涂层本身的反射率也与温度呈相关性。因为反射率峰值趋向于移向较高的λ值,用户可能会发现,在室温下针对给定激光波长优化的涂层可能会在较高的温度下失去效率。

正如您可能已经猜到的,上述问题的解决方案因这些影响本身的差异而不同。

扫描器镜片易因激光能量的影响而过热。尽管镜面涂层被设计为非常有效(通常反射率为99.5%,在有关波长下更高),但是,入射激光能量的一部分仍会被镜片作为热能吸收。除了整个系统的热变形,这种发热可能会因过多吸收能量而导致镜片安装失效,并从其电机上松脱。

图2:用于扫描系统的水冷回路示例。

图2:用于扫描系统的水冷回路示例。

对这种热源采取的补救措施包括使用较大的镜片(因恒定的功率吸收而使发热较小)或在镜片背面进行气冷以带走热量。以这种方式进行冷却,可以将镜片的激光能量处理能力提高3倍以上,但是当空气冲击镜片时可能引起轻微的在位抖动。利用定制涂层提供更高(99.8%或更高)的反射率也是可能的,但往往会以大量的非经常性费用和更长的交货周期为代价。

入射到galvo安装块本身的激光能量也是扫描系统中的主要热源。大多数自由空间传输激光束的功率都是呈高斯分布的,其定义光束直径与其“值关联”。由该值(约等于高斯峰值的13.6%)推断出大约4.4%的光束能量不包含在标称直径内(实际上,高斯分布的尾部无限衰减)。例如,如果一束标称直径为14毫米的光束照射在具有14毫米孔径的galvo外壳上,那么实际上只4.4%的光束能量用于加热铝块。此外,光束错位可能使更多的激光能量入射到外壳上,而非通过铝块上的输入孔照射到外壳上。

显然,使入射光束完美对准有助于减轻这种发热。使用带有艾里盘(或“大礼帽”)的激光器,所获得均匀功率分布可以消除大部分这种效应,而采用冷却回路也是一个很好的解决方案,特别是如果水循环回路设计得当,可将热量从光束输入孔中带走时,更是如此。事实上,使用水冷不仅能从系统中去除热量,而且,即使扫描振镜本身不存在发热问题,也可用于建立稳定的工作温度。如果外部影响(例如,相邻的电源或其它实验室设备)散发出难以管理的热量,则即使存在其它环境破坏装置(图2),振镜中的水冷回路仍可赋予扫描系统某种程度的热免疫性。

实施水冷还能产生更有益的效果。在一些极具挑战性的应用中,例如通过钻进,电机被指令在极端的工作周期内进行高加速度运动。这会导致非常大的电流进入电机绕组,由此产生的I2R损耗成为系统中的热源。通过巧妙地运用运动轨迹优化,可以对此加以管理,比如“sky-writing”、倒角或速度分析。在一些先进的运动控制器中可选用这些工具,能降低运动轨迹中的均方根加速度值,从而减少电机绕组中指令的电流。

图3:与无水冷回路的系统(b)相比,设计适当的水冷回路(a)在管理系统热稳定性方面极其有效。

或者,服务于激光输入孔的相同冷却回路也可能使流体通过振镜电机上的水套,从而在热失控发生之前带走热量。设计适当的水冷回路在管理系统热稳定性方面非常有效(图3)。

虽然在很多应用中并无严格的运动轨迹要求,以产生可保证电机冷却的大当前值,但在高动态扫描系统中水冷却似乎相当常见。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发热之外,由振镜安装块内的功率放大器中排出大量热量(实际上,常常比电机损耗更高)。现代开关模式供电是较为有效的,但仍不十分理想,并且经常会以发热的形式损失10-15%的通量。

如图3所示,引起冷却的安装块温度显著上升需要功率损耗远远大于应该由振镜电机所承受的功率损耗。从这里可以得出一个有趣的结论,就是考虑在扫描系统设计中将功率电子器件从安装块中完全移除。由此产生的环境甚至不再需要水冷,并且至少会更加稳定。

未来考虑

随着高精度激光扫描系统的普及,必须对其环境控制和注意事项进行严格审查。通过对热源进行冷静评估可以得出一个简短的清单,列出对温度问题根源的可能的补救办法。
这些练习的最终结果将是由扫描系统产生更精确的振镜运动和更精密的部件所形成的。

缓慢变化(“漂移”)的温度效应同样有害。即使是相对较小的热源也会对系统的稳定性产生显著的影响,因此,应该考虑尽一切努力保持最稳定的环境。

虽然本项讨论试图解决一些最常见的发热问题,但是要完全解决这类问题需要做更多的工作。例如,或许能以其热可再现性(因热引起的差错的可再现性有多高)作为系统的特征,并从本质上对这些效应进行校准。或者,应该尝试吸取什么样的教训,才能指导我们设计出一个最耐热变形的安装块?最后,振镜反馈装置的设计选择是如何影响整个系统的热抗扰度的?有些技术可能比其它技术更好。能否根据系统温度的变化对扫描系统控制器的数字控制算法进行修正,以克服热退化?未来的调查和分析无疑将提高这些动态系统的精度和性能。

SCOTT SCHMIDT(sschmidt@aerotech.com),www.aerotech.com。

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