三维层叠造型方法、装置、电子装置和存储介质与流程

[0001]
本申请涉及光机电扫描技术领域，特别是涉及三维层叠造型方法、装置、电子装置和存储介质。


背景技术：

[0002]
激光扫描装置是指利用激光测距和角度自动记录装置真实再现被测物体色彩和三维立体景观的测量装置，在现代制造业中具有重要的地位，被广泛用于多种高性能数控加工装备中，如激光切割机、激光焊接机等传统加工机械，以及激光选区熔融(slm)、激光选区烧结(sls)、激光选区光固化(sla)、激光直接熔覆成形(ldm)等新兴增材制造装备。随着制造业对高性能激光加工装备需求的不断增长，如何有效提升扫描幅面与加工范围，已成为激光加工领域面临的共性难题之一。相关技术中的低速激光扫描装置，能够简单的扩大线性伺服装置有效行程，得到更大的扫描范围，但由于音圈电机的有效偏转角度已无法大幅提升，扩大中高速振镜扫描装置扫描范围的难度较高。现有的两种解决方案包括：增大激光束焦距、采用更大投射距离的光路设计方案，以及多个振镜扫描装置多区域并发、拼接扫描。前者在获得更大扫描范围的同时，牺牲了扫描分辨率，后者虽然可以得到更大的扫描幅面，且不损失扫描分辨率，但多个振镜及与之配套的光学元件、激光器，其延时特性、透射率、折射率、反射率、光衰等参数很难调整一致，进而影响不同振镜个体扫描区域的工艺一致性，并给激光加工质量带来不良影响。此外，多振镜扫描区域的边缘拼接需求，还会导致路径规划算法复杂，导致无法按与零件轮廓最优匹配的连续路径扫描的情形。
[0003]
目前针对相关技术中激光扫描路径规划复杂、扫描连贯性差的问题，尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

[0004]
本申请实施例提供了一种三维层叠造型方法、装置、电子装置和存储介质，以至少解决相关技术中激光扫描路径规划复杂、扫描连贯性差的问题。
[0005]
第一方面，本申请实施例提供了一种三维层叠造型方法，应用于三维层叠造型装置，所述三维层叠造型装置包括刚性框架、成像平台、激光扫描单元、二自由度承载平台和控制器，其中，所述成像平台设置于所述刚性框架内，所述二自由度承载平台设置于所述刚性框架的顶部，所述激光扫描单元设置在所述二自由度承载平台上；所述激光扫描单元包括振镜扫描器；所述控制器分别与所述振镜扫描器和所述二自由度承载平台电连接，所述三维层叠造型方法包括：所述控制器获取扫描路径；所述控制器将所述扫描路径分解为所述二自由度承载平台的第一扫描运动和所述振镜扫描器的第二扫描运动；所述控制器控制所述激光扫描单元的输出功率，同时根据所述第一扫描运动控制所述二自由度承载平台的运动，以及根据所述第二扫描运动控制所述振镜扫描器的运动。
[0006]
在其中一些实施例中，所述控制器将所述扫描路径分解为所述二自由度承载平台的第一扫描运动和所述振镜扫描器的第二扫描运动包括：所述控制器在所述成像平台的成
像面上选取参考点，并以所述参考点为坐标原点建立平面直角坐标系；所述控制器将沿着所述扫描路径的匀速扫描运动分别分解到所述平面直角坐标系的x轴和y轴上，得到x轴运动曲线和y轴运动曲线；所述控制器对所述x轴运动曲线进行傅里叶级数分解，得到x轴低频运动曲线和x轴高频运动曲线；以及对所述y轴运动曲线进行傅里叶级数分解，得到y轴低频运动曲线和y轴高频运动曲线；所述控制器根据所述x轴低频运动曲线和所述y轴低频运动曲线，确定所述第一扫描运动；以及根据所述x轴高频运动曲线和所述y轴高频运动曲线，确定所述第二扫描运动。
[0007]
在其中一些实施例中，所述参考点位于所述成像面的几何中心。
[0008]
在其中一些实施例中，所述控制器将沿着所述扫描路径的匀速扫描运动分别分解到所述平面直角坐标系的x轴和y轴上，得到x轴运动曲线和y轴运动曲线包括：在所述扫描路径为封闭曲线的情况下，所述控制器将所述封闭曲线从扫描起点位置切断后，将沿着所述封闭曲线的匀速扫描运动分别分解到所述平面直角坐标系的x轴和y轴上，得到x轴运动曲线和y轴运动曲线。
[0009]
在其中一些实施例中，所述控制器将沿着所述扫描路径的匀速扫描运动分别分解到所述平面直角坐标系的x轴和y轴上，得到x轴运动曲线和y轴运动曲线包括：在所述扫描路径为非封闭曲线的情况下，所述控制器将沿着所述非封闭曲线的匀速扫描运动分别分解到所述平面直角坐标系的x轴和y轴上，得到所述x轴运动曲线和所述y轴运动曲线。
[0010]
在其中一些实施例中，所述x轴低频运动曲线的波动范围和所述y轴低频运动曲线的波动范围均不超过所述二自由度承载平台的有效行程；所述x轴高频运动曲线的波动范围和所述y轴高频运动曲线的波动范围均不超过所述振镜扫描器的有效扫描范围。
[0011]
在其中一些实施例中，所述控制器将所述扫描路径分解为所述二自由度承载平台的第一扫描运动和所述振镜扫描器的第二扫描运动包括：所述控制器将所述扫描路径按照扫描类型分解为多个子扫描路径，并分别将每个所述子扫描路径分解为与所述子扫描路径对应的所述二自由度承载平台的第一扫描运动和所述振镜扫描器的第二扫描运动。
[0012]
第二方面，本申请实施例提供了一种三维层叠造型装置，所述三维层叠造型装置包括刚性框架、成像平台、激光扫描单元、二自由度承载平台和控制器，其中，所述成像平台设置于所述刚性框架内，所述二自由度承载平台设置于所述刚性框架的顶部，所述激光扫描单元设置在所述二自由度承载平台上；所述激光扫描单元包括振镜扫描器；所述控制器分别与所述振镜扫描器和所述二自由度承载平台电连接，所述控制器用于执行如上述第一方面所述的三维层叠造型方法。
[0013]
第三方面，本申请实施例提供了一种电子装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的三维层叠造型方法。
[0014]
第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的三维层叠造型方法。
[0015]
相比于相关技术，本申请实施例提供的三维层叠造型方法、装置、电子装置和存储介质，其中，三维层叠造型方法应用于三维层叠造型装置，三维层叠造型装置包括刚性框架、成像平台、激光扫描单元、二自由度承载平台和控制器，其中，成像平台设置于刚性框架内，二自由度承载平台设置于刚性框架的顶部，激光扫描单元设置在二自由度承载平台上；
激光扫描单元包括振镜扫描器；控制器分别与振镜扫描器和二自由度承载平台电连接，三维层叠造型方法通过控制器获取扫描路径；控制器将扫描路径分解为二自由度承载平台的第一扫描运动和振镜扫描器的第二扫描运动；控制器控制激光扫描单元的输出功率，同时根据第一扫描运动控制二自由度承载平台的运动，以及根据第二扫描运动控制振镜扫描器的运动，解决了相关技术中激光扫描路径规划复杂、扫描连贯性差的问题，简化了激光扫描路径规划复杂和提升了扫描连贯性。
[0016]
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
[0017]
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0018]
图1是根据本申请实施例的三维层叠造型方法的流程图；
[0019]
图2是根据本申请实施例的封闭曲线的示意图；
[0020]
图3是根据本申请实施例的封闭曲线的x轴的运动函数xc(t)的示意图；
[0021]
图4是根据本申请实施例的封闭曲线的x轴的低频分函数xcl(t)的示意图；
[0022]
图5是根据本申请实施例的封闭曲线的x轴的高频分函数xch(t)的示意图；
[0023]
图6是根据本申请实施例的封闭曲线的y轴的运动函数yc(t)的示意图；
[0024]
图7是根据本申请实施例的封闭曲线的y轴的低频分函数ycl(t)的示意图；
[0025]
图8是根据本申请实施例的封闭曲线的y轴的高频分函数ych(t)的示意图；
[0026]
图9是根据本申请实施例的非封闭曲线的示意图；
[0027]
图10是根据本申请实施例的非封闭曲线的x轴的运动函数xs(t)的示意图；
[0028]
图11是根据本申请实施例的非封闭曲线的x轴的低频分函数xsl(t)的示意图；
[0029]
图12是根据本申请实施例的非封闭曲线的x轴的高频分函数xsh(t)的示意图；
[0030]
图13是根据本申请实施例的非封闭曲线的y轴的运动函数ys(t)的示意图；
[0031]
图14是根据本申请实施例的非封闭曲线的y轴的低频分函数ysl(t)的示意图；
[0032]
图15是根据本申请实施例的非封闭曲线的y轴的高频分函数ysh(t)的示意图；
[0033]
图16是根据本申请实施例的三维层叠造型装置的结构示意图一；
[0034]
图17是根据本申请实施例的控制信号的连接示意图；
[0035]
图18是根据本申请实施例的三维层叠造型装置的结构示意图二；
[0036]
图19是根据本申请实施例电子装置的结构示意图。
[0037]
附图标记：
[0038]
201、封闭轮廓曲线；202、x轴运动函数xc(t)；203、y轴运动函数yc(t)；212、x轴运动函数的低频分量xcl(t)；222、x轴运动函数的高频分量xch(t)；213、y轴运动函数的低频分量ycl(t)；223、y轴运动函数的高频分量ych(t)；
[0039]
301、短线段密集填充线；302、x轴运动函数xs(t)；303、y轴运动函数ys(t)；312、x轴运动函数的低频分量xsl(t)；322、x轴运动函数的高频分量xsh(t)；313、y轴运动函数的低频分量ysl(t)；323、y轴运动函数的高频分量ysh(t)；
[0040]
401、刚性框架；402、成像平台；403、二自由度承载平台；404、控制器；405、振镜扫
描器；406、准直器；407、激光器；408、场镜；
[0041]
501、存储器；502、处理器；503、传输设备；504、输入输出设备。
具体实施方式
[0042]
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0043]
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
[0044]
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
[0045]
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
[0046]
本实施例提供了一种三维层叠造型方法，应用于三维层叠造型装置，三维层叠造型装置包括刚性框架、成像平台、激光扫描单元、二自由度承载平台和控制器，其中，成像平台设置于刚性框架内，二自由度承载平台设置于刚性框架的顶部，激光扫描单元设置在二自由度承载平台上；激光扫描单元包括振镜扫描器；控制器分别与振镜扫描器和二自由度承载平台电连接。图1是根据本申请实施例的三维层叠造型方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：
[0047]
步骤s101，控制器获取扫描路径。
[0048]
在本实施例中，控制器根据激光矢量扫描成像的几何原理，规划待成像图案的扫
描路径。待成像图案是指需要通过激光扫描技术扫描后获得扫描图像的图案。扫描路径是指预先规划的激光扫描的图案轮廓。扫描路径包括首尾封闭的外轮廓曲线、首尾封闭的内轮廓曲线，以及短线段密集填充线三类。根据图案内容的不同，上述三类路径可为单组或多组，为多组时，组与组之间还包括从上一组矢量路径终点定位至下一组矢量路径起点的高速跳转运动。预先确定待成像图案后规划扫描路径能够提高激光扫描的效率和准确程度。
[0049]
步骤s102，控制器将扫描路径分解为二自由度承载平台的第一扫描运动和振镜扫描器的第二扫描运动。
[0050]
在本实施例中，二自由度承载平台包括能够在两个方向进行运动的线性伺服平台，例如相互垂直的x轴方向和y轴方向。控制器通过计算机算法将扫描路径按设定线速度从起点至终点在时间轴上展开，分别得到沿x轴方向的运动函数和沿y轴方向的运动函数，再通过转换函数得到驱动二自由度承载平台的第一扫描运动和驱动振镜扫描器的第二扫描运动，为控制相关部件进行激光扫描构造路径规划。
[0051]
步骤s103，控制器控制激光扫描单元的输出功率，同时根据第一扫描运动控制二自由度承载平台的运动，以及根据第二扫描运动控制振镜扫描器的运动。
[0052]
在本实施例中，控制器能够根据第一扫描运动和第二扫描运动，控制二自由度承载平台和振镜扫描器同步运动，达到合成激光束的混合扫描运动的效果，提升扫了描效率。
[0053]
通过上述步骤s101至步骤s103，实现了二自由度承载平台和振镜扫描器同步运动的基础上按照预先设置的扫描路径进行激光混合扫描，同时在统一的坐标系下实现了对待成像图案的混合激光扫描，解决了相关技术中激光扫描路径规划复杂、扫描连贯性差的问题，简化了激光扫描路径规划复杂和提升了扫描连贯性。
[0054]
下面通过优选实施例对本申请实施例进行描述和说明。
[0055]
在上述步骤s102中，控制器将扫描路径分解为二自由度承载平台的第一扫描运动和振镜扫描器的第二扫描运动包括如下步骤：
[0056]
控制器在成像平台的成像面上选取参考点，并以参考点为坐标原点建立平面直角坐标系；控制器将沿着扫描路径的匀速扫描运动分别分解到平面直角坐标系的x轴和y轴上，得到x轴运动曲线和y轴运动曲线；控制器对x轴运动曲线进行傅里叶级数分解，得到x轴低频运动曲线和x轴高频运动曲线；以及对y轴运动曲线进行傅里叶级数分解，得到y轴低频运动曲线和y轴高频运动曲线；控制器根据x轴低频运动曲线和y轴低频运动曲线，确定第一扫描运动；以及根据x轴高频运动曲线和y轴高频运动曲线，确定第二扫描运动。
[0057]
在本实施例中，可以将成像面的几何中心od作为参考点，控制器建立平面直角坐标系odxy，x轴正方向与二自由度承载平台x轴移动正方向一致，y轴正方向与二自由度承载平台的y轴移动正方向一致，通过建立该统一的坐标系，能够将大部分待成像图案适配进此坐标系，提高了激光混合扫描的连贯性。
[0058]
控制器将扫描路径按设定线速度在时间轴上展开，得到扫描路径的x轴运动函数x(t)和y轴运动函数y(t)；由于x(0)＝x(t)即为切断点x坐标、y(0)＝y(t)即为切断点y坐标，可将函数x(t)、y(t)的有效域从0≤t≤t复制、扩展至-n*t≤t≤n*t，进而得到周期为t的运动函数x(t)、y(t)；对周期运动函数x(t)、y(t)进行傅里叶级数分解，可得到低频分函数xl(t)、yl(t)，以及高频分函数xh(t)、yh(t)；则低频分函数xl(t)、yl(t)可作为二自由度承载平台的第一扫描运动，高频分函数xh(t)、yh(t)可作为振镜扫描器的第二扫描运动，二自由
度承载平台与振镜扫描器同步运动，可合成激光束的混合扫描运动，并在成像平台上得到激光聚焦光斑移动所产生的轮廓曲线和/或细节曲线。
[0059]
通过上述步骤，先将扫描路径分解成x轴运动函数和y轴运动函数，接着进一步将x轴运动函数和y轴运动函数进行傅里叶级数分解，获得x轴运动函数的低频分函数和高频分函数、y轴运动函数的低频分函数和高频分函数，将激光扫描分成低频和高频两部分，提高了混合激光扫描的精确程度。
[0060]
在上述步骤中，控制器将沿着扫描路径的匀速扫描运动分别分解到平面直角坐标系的x轴和y轴上，得到x轴运动曲线和y轴运动曲线包括：
[0061]
在扫描路径为封闭曲线的情况下，控制器将封闭曲线从扫描起点位置切断后，将沿着封闭曲线的匀速扫描运动分别分解到平面直角坐标系的x轴和y轴上，得到x轴运动曲线和y轴运动曲线。
[0062]
在本实施例中，在设定起点将封闭曲线切断，按设定线速度在时间轴上展开，可得由封闭曲线构成的扫描路径的x轴运动函数xc(t)和y轴运动函数yc(t)，其中0≤t≤tc，封闭曲线包括首尾封闭的外轮廓曲线和内轮廓曲线。由于xc(0)＝xc(tc)即为切断点x坐标、yc(0)＝yc(tc)即为切断点y坐标，可将函数xc(t)、yc(t)的有效域从0≤t≤tc复制、扩展至-n*tc≤t≤n*tc，进而得到周期为tc的运动函数xc(t)、yc(t)；对周期运动函数xc(t)、yc(t)进行傅里叶级数分解，可得到低频分函数xcl(t)、ycl(t)，以及高频分函数xch(t)、ych(t)；则低频分函数xcl(t)、ycl(t)可作为线性伺服平台的轮廓运动指令，高频分函数xch(t)、ych(t)可作为振镜扫描器的轮廓运动指令，二自由度承载平台与振镜扫描器同步运动，可合成激光束的混合扫描运动，并在成像平台上得到激光聚焦光斑移动所产生的外轮廓曲线与内轮廓曲线。
[0063]
图2是根据本申请实施例的封闭曲线的示意图。
[0064]
图3是根据本申请实施例的封闭曲线的x轴的运动函数xc(t)的示意图。
[0065]
图4是根据本申请实施例的封闭曲线的x轴的低频分函数xcl(t)的示意图。
[0066]
图5是根据本申请实施例的封闭曲线的x轴的高频分函数xch(t)的示意图。
[0067]
图6是根据本申请实施例的封闭曲线的y轴的运动函数yc(t)的示意图。
[0068]
图7是根据本申请实施例的封闭曲线的y轴的低频分函数ycl(t)的示意图。
[0069]
图8是根据本申请实施例的封闭曲线的y轴的高频分函数ych(t)的示意图。
[0070]
参考图3至图8，纵坐标的参数d代表运动距离，mm代表毫米，横坐标t代表运动时间，s代表秒。
[0071]
坐标系odxy内有封闭轮廓曲线201，封闭轮廓曲线201沿x轴方向和y轴方向的最大值均为250mm；在坐标(250，0)处切断并沿逆时针方向，按线速度50mm/s展开封闭轮廓曲线201，得到x轴运动函数xc(t)-202、y轴运动函数yc(t)-203；对x轴运动函数xc(t)-202进行傅里叶级数展开，得到x轴运动函数的低频分量xcl(t)-212、x轴运动函数的高频分量xch(t)-222，x轴运动函数的高频分量与低频分量最大值均为250mm；对y轴运动函数yc(t)-203进行傅里叶级数展开，得到y轴运动函数的低频分量ycl(t)-213、y轴运动函数的高频分量ych(t)-223，y轴运动函数的高频分量与低频分量最大值亦为250mm；则xcl(t)、ycl(t)可作为有效行程范围
±
250mm线性伺服平台的运动指令，xch(t)、ych(t)可作为有效扫描范围
±
250mm振镜扫描器的运动指令，线性伺服平台与振镜扫描器同步运动，可在成像平台上合成
如封闭轮廓曲线201所示的封闭轮廓扫描路径。
[0072]
在上述步骤中，控制器将沿着扫描路径的匀速扫描运动分别分解到平面直角坐标系的x轴和y轴上，得到x轴运动曲线和y轴运动曲线包括：
[0073]
在扫描路径为非封闭曲线的情况下，控制器将沿着非封闭曲线的匀速扫描运动分别分解到平面直角坐标系的x轴和y轴上，得到x轴运动曲线和y轴运动曲线。
[0074]
在本实施例中，按设定线速度从起点至终点在时间轴上展开非封闭曲线，可得x轴运动函数xs(t)，以及y轴运动函数ys(t)，其中0≤t≤ts，非封闭曲线包括短线段密集填充线。对函数xs(t)、ys(t)进行傅里叶级数分解，可得高频分函数xsh(t)、ysh(t)，与低频分函数xsl(t)、ysl(t)；其中高频分函数xsh(t)、ysh(t)的周期等比于短线段长度，可作为振镜扫描器的填充运动指令；相应的，低频分函数xsl(t)、ysl(t)，亦即函数xs(t)与xsh(t)的差、ys(t)与ysh(t)的差，可作为二自由度承载平台的填充运动指令；由于短线段密集填充线的几何特征清晰，函数xsh(t)、ysh(t)描述了光斑在成像平台上的密集往复运动，而函数xsl(t)、ysl(t)则描述了短线段密集填充线的包络中心线。
[0075]
图9是根据本申请实施例的非封闭曲线的示意图。
[0076]
图10是根据本申请实施例的非封闭曲线的x轴的运动函数xs(t)的示意图。
[0077]
图11是根据本申请实施例的非封闭曲线的x轴的低频分函数xsl(t)的示意图。
[0078]
图12是根据本申请实施例的非封闭曲线的x轴的高频分函数xsh(t)的示意图。
[0079]
图13是根据本申请实施例的非封闭曲线的y轴的运动函数ys(t)的示意图。
[0080]
图14是根据本申请实施例的非封闭曲线的y轴的低频分函数ysl(t)的示意图。
[0081]
图15是根据本申请实施例的非封闭曲线的y轴的高频分函数ysh(t)的示意图。
[0082]
参考图9至图15，坐标系odxy内有短线段密集填充线301，其沿y轴方向的最大值为60mm，沿x轴方向的最大值为250mm；自左向右按线速度100mm/s展开短线段密集填充线301，得到x轴运动函数xs(t)-302、y轴运动函数ys(t)-303；对x轴运动函数xs(t)-302进行傅里叶级数展开，得到x轴运动函数的低频分量xsl(t)-312、x轴运动函数的高频分量xsh(t)-322，x轴运动函数的低频分量最大值为249mm，x轴运动函数的高频分量最大值为1mm；对y轴运动函数ys(t)-303进行傅里叶级数展开，得到y轴运动函数的低频分量ysl(t)-313、y轴运动函数的高频分量ysh(t)-323，y轴运动函数的低频分量最大值为5mm，y轴运动函数的高频分量最大值为55mm；则xsl(t)、ysl(t)可作为有效行程范围
±
250线性伺服平台的运动指令，xsh(t)、ysh(t)可作为有效扫描范围
±
250振镜扫描器的运动指令，线性伺服平台与振镜扫描器同步运动，可在成像平台上合成如短线段密集填充线301所示的短线段密集填充路径。
[0083]
在一些优选实施例中，x轴低频运动曲线的波动范围和y轴低频运动曲线的波动范围均不超过二自由度承载平台的有效行程；x轴高频运动曲线的波动范围和y轴高频运动曲线的波动范围均不超过振镜扫描器的有效扫描范围。
[0084]
在本实施例中，设二自由度承载平台xy轴的有效行程为
±
da，振镜扫描器xy轴的有效扫描范围为
±
db，则待成像图案的最大长宽为2(da+db)；以成像面的几何中心od作为参考点，控制器建立平面直角坐标系odxy，x轴正方向与二自由度承载平台x轴移动正方向一致，y轴正方向与二自由度承载平台的y轴移动正方向一致；控制器在对x轴运动函数和y轴运动函数进行傅里叶级数分解，获得x轴运动函数的低频分函数和高频分函数、y轴运动
函数的低频分函数和高频分函数之后，设置高频分函数在0至t区间的极值不超过
±
db，低频分函数的极值不超过
±
da，能够使得任意长宽不大于2(da+db)的图案均可适配进坐标系odxy。
[0085]
在其中一些优选实施例中，控制器将扫描路径分解为二自由度承载平台的第一扫描运动和振镜扫描器的第二扫描运动包括：
[0086]
控制器将扫描路径按照扫描类型分解为多个子扫描路径，并分别将每个子扫描路径分解为与子扫描路径对应的二自由度承载平台的第一扫描运动和振镜扫描器的第二扫描运动。
[0087]
在本实施例中，控制器将扫描类型分解为第一子扫描路径和第二子扫描路径。控制器先根据第一子扫描路径分解得到低频分函数和高频分函数，根据低频分函数和高频分函数计算第一子扫描路径的起点坐标，并将该起点坐标对应发送至二自由度承载平台和振镜扫描器，控制两者以最大运行速度定位至第一子扫描路径的起点；控制器发出启动指令至激光器，控制激光器开始输出激光束并将当前时间设为零，控制器开始根据时间增量实时计算低频分函数、高频分函数的瞬时值，并将计算所得瞬时值作为位移指令，即刻发送至二自由度承载平台和振镜扫描器，以控制两者跟随瞬时值对应的坐标位置，直至时间增量达到当前运动函数的最大有效范围，控制器发出关闭指令至激光器，第一子扫描路径执行结束。
[0088]
基于和第一子扫描路径相近的原理，进行第二子扫描路径之前，控制器先计算第二子扫描路径的低频分函数与高频分函数的起点坐标，并对应发送至二自由度承载平台和振镜扫描器，控制两者以最大运行速度定位至待扫描路径起点，而后重复前述启动激光、实时计算瞬时函数值、发送位移指令、关闭激光的操作。
[0089]
上述高速定位至起点、控制二自由度承载平台、振镜扫描器以及激光器执行混合扫描的步骤反复执行，直至所规划扫描路径的多个子扫描路径全部执行完成。
[0090]
在一些优选实施例中，本申请中的控制器分解xy轴运动函数的方式，除本实施例中采用傅里叶级数展开方式外，亦可采用离散傅里叶变换、数字滤波器等方式；本申请得到xy轴低频运动分函数、高频运动分函数的方式，亦可采用先获取低频分函数，再以xy轴运动函数与低频分函数相减的方式得到高频运动分函数；本申请高频运动分函数最大值小于振镜扫描器有效扫描范围时，亦可分配部分低频运动分函数至振镜扫描器的运动指令，只需确保所分配部分与高频运动分函数总和的最大值，不超出振镜扫描器有效扫描范围；本申请控制器获取高频运动分函数的方式，亦可采用xy轴运动函数与线性伺服平台实测运动函数相减的方式，以补偿线性伺服平台的动态位置偏差、提升大幅面激光混合扫描精度。
[0091]
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
[0092]
本实施例提供的三维层叠造型方法，控制器在规划扫描路径的过程中，可优选采用成像平台中心为原点，以其横纵方向为xy轴所构建的全局直角坐标系，控制器根据待成像图案规划为外轮廓曲线、内轮廓曲线以及短线段密集填充线，其可均采用绝对坐标值定义；控制器将扫描路径在时域展开得到x轴、y轴运动函数，通过傅里叶级数将x轴、y轴运动函数分解为低频分函数与高频分函数，并在拆分时确保低频分函数极值不超过线性伺服平台有效行程，高频分函数极值不超过振镜扫描器的有效扫描范围；二自由度承载平台执行
激光扫描路径的低频分量，振镜扫描器执行激光扫描路径的高频分量。该方法包括以下优势：
[0093]
(1)无需根据扫描元件有限范围进行多区域分割，亦无需处理多区域的边缘拼接，仅需参照单一、大范围扫描元件的工作方式。
[0094]
(2)，既可利用二自由度承载平台低成本得到大扫描范围，亦可大幅面范围内得到振镜扫描器的局部高速扫描性能。
[0095]
(3)无需采用多个光学扫描装置精密拼接，亦无需采用复杂的分区路径规划算法，并且扫描路径连贯、无集中拼接区域。
[0096]
(4)光路简单，激光器、准直器、振镜扫描器以及场镜等关键光学部件唯一，无需校准多组光学元件的输出偏差。
[0097]
(5)本申请用于激光切割、激光热成形、激光固化成形时，无集中、大尺寸拼接部位，不仅加工外观连续，而且力学性能更好。
[0098]
(6)本申请方案合理，可在激光切割、激光3d打印等多种激光加工设备中推广应用。
[0099]
结合上述实施例的三维层叠造型方法，本实施里提供了一种三维层叠造型装置。图16是根据本申请实施例的三维层叠造型装置的结构示意图一，图17是根据本申请实施例的控制信号的连接示意图，如图16和图17所示，三维层叠造型装置包括：
[0100]
刚性框架401、成像平台402、激光扫描单元、二自由度承载平台403和控制器404，其中，成像平台402设置于刚性框架401内，二自由度承载平台403设置于刚性框架401的顶部，激光扫描单元设置在二自由度承载平台403上；激光扫描单元包括振镜扫描器405；控制器404分别与二自由度承载平台403和振镜扫描器405电连接，控制器404用于执行上述实施例中的三维层叠造型方法。
[0101]
在本实施例中，控制器404获取扫描路径；控制器404将扫描路径分解为二自由度承载平台403的第一扫描运动和振镜扫描器405的第二扫描运动；控制器404控制激光扫描单元的输出功率，同时根据第一扫描运动控制二自由度承载平台403的运动，以及根据第二扫描运动控制振镜扫描器405的运动。
[0102]
通过本实施例，实现了二自由度承载平台403和振镜扫描器405同步运动的基础上按照预先设置的扫描路径进行激光混合扫描，同时在统一的坐标系下实现了对待成像图案的混合激光扫描，解决了相关技术中激光扫描路径规划复杂、扫描连贯性差的问题，简化了激光扫描路径规划复杂和提升了扫描连贯性。
[0103]
在本实施例中，成像平台402的形状可为正方形、长方形、圆形或者其他多边形，本实施例并不限定。
[0104]
在本实施例中，二自由度承载平台403包括线性伺服平台。
[0105]
参考图16，在其中一些实施例中，三维层叠造型装置还包括准直器406和激光器407。参考图17，控制器404分别和二自由度承载平台403、振镜扫描器405以及激光器407电连接。
[0106]
在本实施例中，控制器404发出电信号至二自由度承载平台403，控制二自由度承载平台403带动振镜扫描器405、准直器406沿成像平台横向、纵向整体移动，以执行大幅面扫描路径的低频运动分量；控制器404发出电信号至振镜扫描器405，控制振镜扫描器405中
x轴偏转电机与y轴偏转电机偏转，进而通过x轴偏转电机与y轴偏转电机的反射镜，控制出光口光束的x轴与y轴扫描运动，以执行大幅面扫描路径的高频运动分量；控制器404发出电信号至激光器407，以控制激光器407在扫描内外轮廓路径、短线段密集填充路径时，调节相应的激光束功率，并在非扫描路径运动期间关闭激光束。
[0107]
图18是根据本申请实施例的三维层叠造型装置的结构示意图二，如图18所示，在其中一些实施例中，三维层叠造型装置还包括：场镜408。
[0108]
以下将根据介绍三维层叠造型装置的优选实施方式。
[0109]
参考图16至图18，刚性框架401中有正方形成像平台402，成像平台402与刚性框架401横断面平行；刚性框架401顶部有二自由度承载平台403，二自由度承载平台403的位移平面与成像平台402平行，并且x轴移动方向与成像平台402横向一致，y轴移动方向与成像平台3纵向一致，二自由度承载平台403位于零位时，其中心与成像平台402中心投影重叠；二自由度承载平台403上有振镜扫描器405、准直器406，振镜扫描器405的x轴扫描方向与二自由度承载平台403的x轴方向一致，振镜扫描器405的y轴扫描方向与二自由度承载平台403的y轴方向一致，振镜扫描器40位于零位时，其出光口光轴中心与二自由度承载平台403中心投影重叠，准直器406出光口指向振镜扫描器405入光口，且其光轴中心与振镜扫描器405入光口光轴中心重合；振镜扫描器405出光口有场镜408，场镜408中心与振镜扫描器405出光口中心对齐，并确保出关口光束照射到成像平台402时处于聚焦状态；刚性框架401中有激光器407，激光器407出光口通过柔性光纤与准直器406入光口连接。
[0110]
控制器404发出电信号至二自由度承载平台403，控制二自由度承载平台403带动振镜扫描器405、准直器406沿成像平台横向、纵向整体移动，以执行大幅面扫描路径的低频运动分量；控制器404发出电信号至振镜扫描器405，控制振镜扫描器405中x轴偏转电机与y轴偏转电机偏转，进而通过x轴偏转电机与y轴偏转电机的反射镜，控制出光口光束的x轴与y轴扫描运动，以执行大幅面扫描路径的高频运动分量；控制器404发出电信号至激光器407，以控制激光器407在扫描内外轮廓路径、短线段密集填充路径时，调节相应的激光束功率，并在非扫描路径运动期间关闭激光束。
[0111]
需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
[0112]
本实施例还提供了一种电子装置，图19是根据本申请实施例电子装置的结构示意图，如图19所示，该装置包括存储器501、处理器502以及存储在存储器501上并可在处理器502上运行的计算机程序，处理器502执行计算机程序时实现上述实施例中的三维层叠造型方法。
[0113]
参考图19，电子装置可以包括一个或多个(图19中仅示出一个)处理器502(处理器502可以包括但不限于微处理器mcu或可编程逻辑器件fpga等的处理装置)和用于存储数据的处理存储器501，可选地，上述电子装置还可以包括用于通信功能的传输设备503以及输入输出设备504。本领域普通技术人员可以理解，图19所示的结构仅为示意，其并不对上述电子装置的结构造成限定。例如，电子装置还可包括比图19中所示更多或者更少的组件，或者具有与图19所示不同的配置。
[0114]
处理存储器501可用于存储计算机程序，例如，应用软件的软件程序以及模块，如本申请实施例中的三维层叠造型方法对应的计算机程序，处理器502通过运行存储在处理
存储器501内的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。处理存储器501可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，处理存储器501可进一步包括相对于处理器502远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至电子装置。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。
[0115]
传输设备503用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括电子装置的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输设备503包括一个网络适配器(network interface controller，简称为nic)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备503可以为射频(radio frequency，简称为rf)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。
[0116]
另外，结合上述实施例中的三维层叠造型方法，本申请实施例可提供一种存储介质来实现。该存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种三维层叠造型方法。
[0117]
综上，通过本申请提供的上述实施例或者优选实施方式，有如下有益效果：
[0118]
1.本申请无需采用多个光学扫描装置精密拼接和复杂的分区路径规划算法，扫描路径连贯、无集中拼接区域。
[0119]
2.本申请光路简单、激光器、准直器、振镜扫描器以及场镜等关键光学部件唯一，无需校准多组光学元件的输出偏差。
[0120]
3.本申请用于激光切割、激光热成形、激光固化成形时，无集中、大尺寸拼接部位，不仅加工外观连续，而且力学性能更好。
[0121]
4.本申请普适性强，可在激光切割、激光3d打印等多种激光加工设备中推广应用。
[0122]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0123]
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。