侯尧华和王晶（中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室）的研究论文《振镜加工中的激光开关光延时轨迹补偿方法研究》发表于《机械科学与技术》（Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering），网络首发于2024年9月4日。该研究聚焦激光扫描振镜（galvanometer）加工中因光束偏转动态与激光开关状态不同步导致的能量累积不均匀问题，提出了一种基于开关光延时距离的轨迹补偿方法，为高精度激光加工提供了创新解决方案。
学术背景
激光扫描振镜作为高精度光束偏转核心器件，广泛应用于激光加工、增材制造等领域。然而，振镜反射镜的机械运动性能限制导致光束偏转动态与激光开关状态难以完全同步，尤其在非匀速运动阶段（如加速、减速或拐角加工），激光能量累积不均匀，造成轨迹起点、终点及拐角处的烧蚀一致性差。现有方法依赖工程经验设置开关光延时参数，缺乏普适性，且无法解决拐角轮廓偏差问题。本研究旨在通过建立振镜加减速运动学模型，量化延时参数与轨迹长度的关系，实现激光能量累积的精确调控。
研究流程与方法
问题建模与理论分析
- 延时机制解析：研究首先阐明了激光延时（开光延时top、关光延时tcl）和振镜延时（跳转延时、扫描延时、拐角延时）的作用机制。开光延时过小会导致起点能量累积过多（形成“重点”），过大则漏加工；关光延时异常同样影响终点烧蚀均匀性。拐角延时不足会形成圆弧轨迹，过长则产生能量堆积。
- 运动学模型构建：基于梯形速度曲线假设，建立振镜加速与减速阶段的运动方程（公式1-2），推导扫描速度v(t)与距离s(t)的数学关系，提出通过反求时间参数t确定最优延时，并补偿未烧蚀轨迹长度。
模型参数拟合与验证
- 实验设计：采用Scancube III 10振镜与脉冲激光器（参数见表1），在紫铜上进行直线与拐角加工实验。通过多组扫描速度（2000-1400 mm/s）与延时参数组合，测量实际烧蚀轨迹长度（图4、图6）。
- 最小二乘拟合：利用差分法计算未烧蚀轨迹长度的一阶导数（公式4-5），分阶段拟合加速起始时刻ts、终止时刻te及速度修正系数kv（图5、图7）。结果显示，开光延时拟合参数为ts=37.36 μs、te=153.64 μs、kv=0.97；关光延时反向拟合后减速区间为62.34-155.79 μs。
轨迹补偿实施
- 直线加工验证：对开光延时（90-200 μs）和关光延时（20-30 μs）分别补偿缺失轨迹长度（表2-3）。例如，2000 mm/s速度下，开光延时200 μs补偿202.7 μm，实测轨迹误差仅6.6 μm；关光延时30 μs补偿147.77 μm，误差2.21 μm。联合应用时，整体误差 μm（表4，图8）。
- 拐角加工优化：针对30°-150°尖角，通过关光延时（40 μs）控制拐角前减速，开光延时（200 μs）调控拐角后加速，补偿轨迹延长非烧蚀段（图9）。相比传统拐角延时法（30 μs形成圆弧，120 μs产生重点），新方法显著提升烧蚀一致性（图10-12）。
主要结果与结论
- 精度提升：直线加工中，补偿后轨迹长度误差 μm，满足高精度需求；拐角加工能量分布均匀性显著改善。
- 方法创新：首次将开关光延时参数与运动学模型结合，通过逆向计算实现延时量化，突破经验依赖。
- 应用价值：解决了振镜加工中非匀速区域的能量累积难题，为激光微加工、精密制造等领域提供普适性调控方案。
研究亮点
- 理论突破：建立振镜变速运动与激光时序的数学模型，填补了延时参数定量化研究的空白。
- 技术革新：提出的轨迹补偿方法可直接集成至现有振镜控制系统，无需硬件改造。
- 跨领域适用性：方法可扩展至增材制造、光学成像等需要高动态光束控制的场景。
其他价值
研究通过实验验证了模型对不同扫描速度（1200-2000 mm/s）的适应性，为工业参数优化提供数据支撑。此外，拐角补偿策略为复杂轮廓加工（如微流控芯片、精密模具）的精度提升开辟了新途径。参考文献中引用的多国学者成果（如Shin的飞秒激光锥角控制、Wang的振镜-机械联动方法）亦凸显了该研究的国际学术对话性。