（光学工程专业论文）数控激光模切系统研究.pdf

中文摘要 中文摘要 传统模切技术通常采用木制镶刀板，通过机械冲压将纸质包装盒制作出来， 工艺复杂、耗时很长，而且完成之后难于修改，在数量小、外形多变的情况下， 就显得尤为复杂。针对这种情况，我们设计了一种涉及光学、机械学、电子学、 计算机控制等多种学科的数控激光模切系统，使用计算机绘制模切图纸，然后控 制激光束直接聚焦到被加工板料表面，通过激光束的移动将包装盒切割下来。同 时通过控制激光束的移动速度和功率强弱，可以在包装盒表面进行划痕、打孔、 打标、加密等复杂动作。 本课题在激光加工过程的物理学基础上，对用于纸质包装盒数控激光模切系 统进行了研究。 论文首先从传统模切技术入手，介绍当前技术的现状和不足，然后引入激光 加工概念，将常用的激光加工手段进行分析。通过比较选出最适合模切的激光器 和外光路结构，并对比传统技术指出激光模切的优势。然后详细研究了激光模切 的原理、激光与物质相互作用的过程、振镜系统的原理、飞行光路的原理、激光 能量的数字控制以及如何通过p c i 总线结合d s p 控制激光束的移动和激光强弱 的变化。并针对不同尺寸的包装盒制定出振镜和飞行光路两种不同的加工系统。 振镜激光加工系统在原有基础上，将模拟控制方式升级为数字控制方式，提 高了控制精度，大大降低了传输中的信号干扰；增加了气体流动装置，对光学镜 头起到了很好的保护；更新了软件控制系统，使之使用起来更加方便快捷。飞行 光路系统则是一种全新的激光模切方式，针对大尺寸的包装盒展开图进行加工， 加工范围是振镜系统的几十倍，采用伺服控制系统带动二维精密激光头运动，时 时检测实际位置和设定位置之间是否存在差异并修正。 论文还提出了一种新的路径优化算法，通过对构建的数学模型进行分析，找 到该数学问题的最优解，并编写软件对模切图样进行分析，将绘制时的独立线段 自动连接成整体后，找出最短加工行程，这样不仅可以缩短加工时间，而且还可 以减少切口，提高加工质量。 最后通过实验数据验证了激光模切系统的可行性、稳定性和精度，达到设计 要求，找到了最适合加工的一些参数。并提出了现存的不足之处，以及需要进一 步解决的技术问题。 关键词：激光加工：模切：振镜系统；飞行光路；路径优化算法 英文摘要 a b s t r a c t t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ld i e c u t t i n gt e c h n o l o g yu s u a l l yu s e sw o o dd i et op r o d u c e p a p e rp a c k i n gb ym e c h a n i c a lp r e s s i n g i t c o s t st i m ea n di sa l s o c o m p l i c a t e d a f i n i s h e dd i ei sv e r yd i f f i c u l tt ob em o d i f i e d ，p a r t i c u l a r l yt op r o d u c eas m a l lq u a n t i t yo r d i f f e r e n ts h a p e s t os o l v et h i sp r o b l e m ，w ed e s i g n e dad i g i t a lc o n t r o l l e dl a s e r p r o c e s s i n gs y s t e mw h i c hi n v o l v e so p t i c s ，m e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e r s c i e n c e t h es y s t e mp r o c e s st h es u r f a c eo ft h em a t e r i a lb yl a s e rb a s e do nt h ed e s i g no f t h ep a c k i n gb yc o n t r o lo fc o m p u t e ra n dd i e c u tp a c k i n gb ym o v i n gt h eb e a m so fl a s e r a l s o ，i tc a nc r e a s e ，p e r f o r a t e ，m a r ka n de n c r y p to nt h ep a c ks u r f a c eb yc o n t r o l l i n gt h e l a s e rp o w e ra n ds p e e d t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h ep r o c e s s i n go fd i g i t a lc o n t r o l l e dl a s e ro n p a p e rp a c k i n gs y s t e mb a s eo nt h ea n a l y s i so ft h el a s e rd i e c u t t i n gp h y s i c st h e o r y t h e p a p e rb e g i n sf r o mt r a d i t i o n a ld i e c u t t i n gt e c h n o l o g y ，i n t r o d u c e st h es t a t u sq u o o fc u r r e n td i e c u t t i n gt e c h n o l o g ya n di t ss h o r t a g e ，t h e nf o l l o w e dw i t ht h ec o n c e p to f l a s e rp r o c e s s ，c o m p a r e sc o m m o nl a s e r p r o c e s s i n gm e t h o d s ，c h o o s e st h em o s t c o m p a t i b l el a s e ra n do p t i c a lc i r c u i t a f t e rs t u d y i n gt h ep r i n c i p l eo fl a s e rd i e c u t t i n g t e c h n o l o g y , t h ep r o c e s so fl a s e ra n ds u b s t a n c ew o r k i n go ne a c ho t h e r ，t h et h e o r yo f h i g hs p e e dg a l v a n o m e t e rs c a n n i n gs y s t e m ，t h ef l yo p t i c a lc i r c u i tp r i n c i p l e ，t h el a s e r p o w e rd i g i t a lc o n t r o l l e dc i r c u i ta n dh o w t oc o n t r o lt h el a s e rm o v i n ga n dp o w e rb yp c i b u sa n dd s pa r ee x p o u n d e d w ed e s i g n e dt h eg a l v a n o m e t e rs c a n n i n gs y s t e ma n df l y o p t i c a lc i r c u i tf o rd i f f e r e n tp a c k i n gs i z e g a l v a n o m e t e rs c a n n i n gs y s t e mi si m p r o v e df r o ma n a l o gc o n t r o lt od i g i t a lc o n t r o l ， m a k e sh i g h e rp r e c i s i o n ，r e d u c e ss i g n a ld i s t u r b a n c ed u r i n gt r a n s p o r t a t i o n a n dw e i n c r e a s e sa i rf l o we q u i p m e n tw h i c hg i v e so p t i c a ll e n sg o o dp r o t e c t i o n t h r o u g h u p d a t i n gt h es o f t w a r ec o n t r o ls y s t e m ，t h eg a l v a n o m e t e rs c a n n i n gs y s t e mb e c o m e s f a s t e ra n dm o r ec o n v e n i e n t f l yo p t i c a lc i r c u i t s y s t e mi s an e ww a yo fl a s e r d i e - c u t t i n g i tp r o c e s s e sp a c k i n gs i z ea st e n st i m eo fg a l v a n o m e t e rs c a n n i n gs y s t e m w h e nt h es e r v e rc o n t r o ls y s t e md r i v e st w od i m e n s i o np r e c i s i o nl a s e rh e a d ，i tc h e c k s t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef a c t u a lp o s i t i o na n ds e tp o s i t i o na n dc o r r e c t s t h ep a p e ra l s or a i s e st h ep o i n to fn e wo p t i m i z e dp a t ha r i t h m e t i c t h a ti st of i n do u t t h eb e s tr e s o l u t i o nt h r o u g ht h ea n a l y s i so fc o n s t r u c t e dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dt o d e s i g ns o f t w a r et oa n a l y z ed i e - c u t t i n gp a p e r a f t e rc o n n e c t i n gt h ei n d i v i d u a ll i n e s e g m e n t si n t oac o m b i n a t i o n ，f i n d i n go u tt h es h o r t e s tp r o c e s s i n gd i s t a n c e ，w ec a n 英文摘要 s h o r t e nt h et i m ec o s to fp r o c e s sa n dr e d u c ek e 击i m p r o v eq u a l i t y a tl a s tw ev a l i d a t et h es y s t e ms t a b i l i t ya n dp r e c i s i o nb ye x p e r i m e n t t h er e s u l ti s a c c o r dw i t ht h ed e s i g n s o m es u i t a b l ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，s o m e t h i n gt h a tc a nb e i m p r o v e d ，s o m et e c h n o l o g yp r o b l e m st ob es o l v e da r ea l lm e n t i o n e dh e r e k e yw o r d s ：l a s e rp r o c e s s i n g ，d i e c u t t i n g ，g a l v a n o m e t e rs c a n n i n gs y s t e m ，f l y i n g o p t i c a lc i r c u i t ，o p t i m i z e dp a t ha r i t h m e t i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另jj j n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得一天津大学一或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：劲矿 年月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一天津大学一有关保留、使用学位论文的规定。特 授权一天津大学一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：z 刃孑年 月叮日 聊虢移i 钒协 签字日期：z v ，驴年月z 尸日 第章模切技术分析 第一章模切技术分析 近年来，随着激光技术的迅猛发展，激光在工业、军事、医药业等领域的应 用越来越广泛，自动化的激光制造水平已经成为国家工业化形象的重要标志之一 【1 2 ，3 1 。激光模切是一项全新的包装材料加工技术，它拥有很多传统模切技术无法 企及的优越性，成为包装行业一次新的技术革新。 1 1 传统模切技术的概述 随着商品种类的日益繁多，因其性质特点和形 状各异，它们对包装的要求也各不相同，良好的包 装，不仅可以保护商品，而且还能起到宣传美化商 品，提高商品身价的作用h , 5 1 。传统的包装盒制作 工艺大部分采用模切压痕技术，其原理是在定型的 模具内，通过施加压力，使纸张受力部位产生压缩 变形( 压痕) 或断裂分离( 模切) 1 6 , 7 。模切压痕 设备的主要机件是模切版和压切机构，被力n - r _ 材料 处于这两者之间，在压力的作用下完成加工，其主 要工艺流程如图1 1 所示j 。其中最为关键和复杂 的就是模切板的制作，主要是通过以下四个环节进 行的0 0 , l l 】。 ( 1 ) 底板的制作。按产品的设计要求，采用 一定的方式，在底板上绘出或画出冲模轮廓，再经 不同的工艺处理，按轮廓线锯出窄槽。底版的制作 中，冲模轮廓图的绘制以及锯缝优劣是影响印版质 量的关键。底板的全部由人工完成，冲模的精确度 完全取决于个人的技术水平【1 2 】。 绘制模切图 切割模板 装模切刀和压痕线 开连接点 工 粘贴胶条 工 试切垫板 制作压痕底模版 试模切签样投产 图1 - 1 传统模切流程图 ( 2 ) 钢刀( 线) 的铡切及成型加工。按设计的规格与要求，将模切用钢刀、 钢线铡切成最大的成型线段，然后将其加工成所要求的几何形状。硬性钢刀机械 强度高、弹性差，用作直线排刀，不可弯曲过大；软性钢刀，弹性好，用作弯曲 度大的弧线t q t j l l 引。钢刀、钢线选择时，还应考虑被模切产品材质的厚度以及 压痕线的宽度等因素。一般规律是：模切产品材质的厚度不同，其钢线的高度及 厚度应有所区别，随纸张厚度的减少，钢线的高度增加，厚度降低【1 4 】。 ( 3 ) 排刀。根据产品设计规格和造型，画好规格图样并与印刷图文核对无 第章模切技术分析 误后，便可开始排刀操作。根据使用的衬空材 料不同，排刀操作略有区别，金属空铅排刀技 术要求及工艺难度一般稍高于胶合板村空材 料排刀。使用金属空铅排刀时，是按照一定的 工艺要求，用空铅直接将刀型固定在模压版的 指定位置，完成排刀操作，很类似活字印刷中 的排版操作| 1 “。 ( 4 ) 检查核对与固刀。固刀也有的称为 打版或卡版。就是将排好的印版装卡在版框 中。排刀完成后，再做一次全面检查，核对无 误后才能正式开始固刀。空铅作衬空材料的印 版固刀，要在版框四周加放木条后，用固版锁 直接固牢；用胶台板作衬空材料的模切版，应 圈1 - 2 模切板的局部放大圈 根据整个版面的具体情况，加放木条后，由固版锁夹紧固牢。 图l - 2 为镶刀模切板的局部放大图。通过以上环节将制作好的模切板装入模 切机( 图】3 ) ，通过机械按压将被加工材料切割、压痕，形成包装盒的平面展开 圈1 - 3 传统模切机照片 1 , 2 激光模切技术的综述 图。整个过程繁琐复杂，一个模切 板的制作往往需要几天的时间j 。 此外，当刀具磨损后还需要修复， 更是大大增加了模切成本及加工周 期。对于生产产品种类多、数量少 的时候，这种方法就显得十分不便， 对于一些形状复杂的异形包装盘往 往无法完成。因此，传统模切的种 种弊端制约了生产效率的提高，一 些设计上的新思路、新方案也变得 可望而不可及1 川。 世界上第一台激光器诞生于1 9 6 0 年，我国于1 9 6 1 年研制出第一台激光器。 4 0 多年来，激光技术与应用发展迅猛，己与多个学科相结合形成多个应用技术 领域。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发 展。 迁 第一章模切技术分析 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料( 包括金属与非金 属) 进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等，是涉及到光、机、电、材料 及检测等多门学科的一门综合技术。把激光器与计算机数控技术、先进的光学系 统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激 光加工发展的一个重要趋势l 】引。 激光具有的一些特性，使其在加工中具有许多传统工艺无法媲美的优势： ( 1 ) 由于它是无接触加工，并且高功率激光束的能量及其移动速度均可调， 因此可以实现多种加工用途。 ( 2 ) 它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、 及高熔点的材料。 ( 3 ) 激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件【2 0 1 。 ( 4 ) 激光力n - r 过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工， 对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小， 后续加工量小。 ( 5 ) 它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。 ( 6 ) 由于激光束易于导向、聚集，实现作各方向变换，极易与数控系统配 合对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。 ( 7 ) 使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。 基于上述的种种优点，我们决定采用激光这种先进的加工手段作为传统模切 的替代技术。首先通过c a d 等绘图软件将包装盒的展开图绘制好，同时可以通 过不同的图层区分出切割、划痕、打标等不同的图层；然后通过我们编写的模切 软件将图纸文件中的各点坐标读入系统，经过软件自身的优化算法将坐标依次排 序；最后通过控制激光焦点位置和被加工材料位置的相互改变以及激光能量强弱 的变化完成切割、划痕、打标等不同的动作。整个加工过程不需要模切板，属于 高速度、高精度的无接触加工，不仅节省了制作模切板的费用和周期，而且后期 生产不会存在刀具磨损等问题【2 1 1 。相对于传统模切技术，激光模切的更大优点 在于它的灵活多变，激光可沿任何方向移动，可以模切任何复杂的形状：每一个 模切单元的形状都可在运行中改变，这样包装的制作就可实现完全个性化。另外， 对于模切图样的修改工作也变得非常简便，只需在计算机中将绘图文件轻松修正 即可。传统模切中如果需要多台模切机同时工作，就必须要提供几个模切板才可 以实现，但是对于激光模切机来说，只需要使用同一个文件多机运行，或者只使 用一台上位机通过u s b 接口将数据传输至下位机，甚至通过网络同时控制多台 激光模切机即可实现。从精确性上看，数字控制电路的应用，使得激光模切的精 度更高，1 6 位的d a 芯片可以使加工精度达到加工范围的6 5 5 3 5 分之一，如果 第一章模切技术分析 采用更高位数的芯片还可以使得精度成指数倍数的方式增长。另外，将激光模切 的功能进一步扩大，还可具有防伪功能。例如产生浮雕效果，或把纸张的厚度烧 掉一半，这是用其他工艺难以实现的。消除机械震动也是激光模切技术很明显的 特点，工作环境得到了改善，甚至可以在办公室里进行。虽然激光模切会产生一 定的烟雾，但可以通过安装保护罩解决，而且产生的烟尘并非有毒气体。当然， 激光模切还具有比传统模切节省空间等的优点1 2 2 l 。 1 3 模切用激光器的选择 模切用激光器是在参考激光加工的其它方式所采用激光器的基础上，结合模 切所需激光参数的特殊要求而做出选择的。加工用激光器应满足一般工业生产要 求，如高度稳定可靠、结构紧凑占地少、造价较低、易于维修、运行费用较低等。 选用一种适合模切用的激光器，无疑会使后面的设计和生产工作事半功倍【2 3 1 。 现在用于加工的激光器主要有二氧化碳激光器和掺钕钇铝石榴石( y a g ) 激光器 两种。目前国际商用激光加工系统的产值中，c 0 2 激光加工系统约占三分之二， y a g 激光加工系统约占三分之一【2 4 l 。下面将对这两种激光器的特性和应用范围 分别加以介绍。 ( 1 ) y a g 激光器 激光波长1 0 6 9 r n ，以n d ：y a g 单晶为产生激光的工作物质，是固体激光器 中的性能姣姣者，既能连续工作，也能脉冲出光，重复频率可达4 0 0 h z ，平均功 率从几十瓦，几百瓦，可以高达4 k w 甚至6 k w ，还能用光导纤维传输，配合机 械人能够实现柔性加工，用途极为广泛。其最长用的泵浦方式有氙灯泵浦和半导 体泵浦等，图1 - 4 是典型的氙灯泵浦y a g 激光器的示意图。 全反射镜 e ： = = = ：兰霉 ：o ： 图1 - 4 氙灯泵浦y a g 激光器示意图 与传统的灯泵固体激光器相比，二极管泵浦的y a g 激光器的体积减小，重 量减轻，寿命也从原来的5 0 0 小时增加到1 0 0 0 0 小时。其次，由于半导体激光器 4 第一章模切技术分析 的线宽很窄，只有几个纳米，与增益 介质的吸收光谱可以很好匹配，所以 使得热荷载减少，总体效率由原来的 3 提高到1 0 以上，同时也降低了 对冷却系统的要求，在医疗、工业、 军事领域有广泛的用途。图1 5 是侧 面泵浦半导体模块的示意图。 y a g 激光器的波长较c 0 2 激光 波长短，金属对该波长的吸收率更 圈1 - 5 侧面泵浦半导体模块示意圈 高，固此y a g 激光器普遍的使用在金属的加工领域8 ”。 ( 2 ) c 0 2 激光器 二氧化碳激光器以高功率、高效率、高光束质量和长波长为特点，被广泛的 应用与工业加工领域。工业用檄光器太部分采用电激励，其最大连续输出功率达 百千瓦量级。二氧化碳激光器的量子效率高达4 0 ，工业器件总效率为1 0 左 右，比其他加工用激光器的效率高很多。c 0 2 辙光器以c 0 2 、n 2 、h e 等混合气 体为工作物质，其均匀性比固体工作物质好，故c 0 2 激光器的模式较好而且稳 定。 然而，c 0 2 激光器在应用上也存在着很大的局限性；由于波长的关系，它不 能很好地满足金属加工的要求。c 0 2 激光器输出1 06 1 a m 波长红外光，比其它加 工用激光的波长要长得多。对于如此波长的红外光，非金属材料一般能很好的吸 收，但金属材料则强烈反射，这是c o ：激光器对于金属材料加工的一个主要问 题。 c o ，激光器的技术关键在于气体流动换热、工作气体激励、谐振腔和输出窗 口等。c 0 2 激光器的电光效率一般在1 5 左右。气体放电的大部分能量用来加 热工作气体，而工作气体温度的升高将导致输出功率和光束质量的下降。因此， 如何排除热量、冷却工作气体是保证激光器在一定功率水平下稳定运行的一个重 要问题。c 0 2 激光器按热交换方法的不同分为：封离型激光器、慢速轴流激光器、 快速轴流激光器、横流檄光器。其工作气体的激励方式有：直流自持放电、预电 离与直流放电、高频激励。 封离型直管式c 0 2 激光器是早期经常使用的一种小功率激光器，其输出功 率与其自身长度成正比，一般输出功率在2 0 0 w 以下，如果需要更大的激光输出 一般则采用折叠腔的方式。图】6 是一个5 0 w 封离型直管式c 0 2 激光器的照片。 第一章模切技术分析 = a 函j 圈l 封商型直管式c 0 2 激光暑 射频c 0 2 激光器的工作寿命比直管式c 0 2 激光器寿命长，可达一万小时 而且光束质量好，接近t e m 0 0 模，能够加 工更糟细的零件。而且射频气体放电具有正 向伏安特性，可实现持续放电，电能利用效 率高；放电稳定，可实现太面积均匀放电； 注 功率密度高，器件体积大为缩小：工作 电压低有利于提高器件寿命，并且使用安 全；射频信号可以实现高频幅度谓制，输出 激光功率控制程度高；可阻实现真正的连续 和脉冲方式转换。并且射频c 0 2 激光器无需 水冷，只需要风冷即可工作。图】7 是射频 c 0 2 激光罂外形照片。 圈1 - 7 射频c o z 擞光器外形照片 1 06 p m 波长的c 0 2 激光束很容易被非金属材料吸收，导热性不好和低的蒸 发温度又使吸收的光束几乎整个输入材料内部，并在光斑照射处瞬间汽化，形成 起始孔洞进入切割过程的良性循环。因此作为纸质包装盒模切的光源，射频 c o ：激光器无疑是最好的选择。 1 4 几种激光模切方式的比较 激光切割、焊接、打标等一 些常见的激光加工方式都是通过 聚焦的澈光焦点在被加工物体表 面产生相对的位移，从而使其产 生熔化、气化等物理变化达到加 工的目的。综合其它的激光加工 手段，对于激光模切的方式，我 们提出以下的三种方案。 ( i ) 工作台移动方式 该方法将被加工材料放在工 名三厂两 m 冱啪x - y 图1 - 8 工作台移动方式结构圈 第一章模切技术分析 作台上，利用电机带动x y 工作台在平面内完成二维运动，并配合激光输出， 激光焦点位置不变，通过相对位移用以完成包装盒的模切。工作台可以采用滚珠 丝杠配合伺服电机等精密传动方式，因此这种加工方式的加工精度较高。但由于 工作台的移动范围就是最大的加工尺寸，这样往往只能对尺寸较小的包装盒进行 模切，并且加工速度也不能太快，基本上在每秒钟5 毫米以下进行加工。其结构 如图】8 所示。 ( 2 ) 飞行光路方式 飞行光路方式的激光模切和工 作台移动方式类似，都是通过机械 移动方式使被加工零件和激光产生 相对位移完成模切动作。但不同的 是飞行光路方式是通过激光焦点移 动，而被加工材料本身固定不动， 其结构如图1 9 所示。 激光器射出的激光通过3 个反 射镜改变其传播路线，最后通过聚 焦镜聚焦在加工表面。其中反射镜 2 和3 分别控制y 方向和x 方向的 激光位置。由于激光头仅仅是由一 反射镜1 图1 - 9 飞行光路式结构图 个反射镜和一个聚焦镜组成的，因此质量较轻、惯性较小，往往采用齿形带方式 进行移动。和工作台移动方式相比较，这样的方式速度更快，可达到每秒几十毫 米，加工范围更大可达几米的范围。 虽然齿形带精度比滚珠丝杠要差，但 也可以满足包装行业的需求。 ( 3 ) 振镜方式 比较传统的激光加工方式，振镜 则是一种较新的加工方法也是国内 外发展最快、性能最好的工作方式。 其结构如图l - 1 0 所示，该原理是激 光器发出的激光束通过两个振镜的 反射，并通过透镜聚焦在加工材料表 面完成模切工作。和前面两种激光加 工方式不同的地方在于这种方式的 激光束移动不是通过机械传动方式， 7 振镜1 图1 1 0 振镜方式结构图 镜 第一章模切技术分析 而是通过两个振镜角度的改变而完成的。因此这种加工方式的加工速度很快，在 激光能量足够的情况下可达每秒几米甚至十几米，同时采用了数字电路控制，加 工精度也很高。由于振镜转动角度的改变使得激光束入射透镜的角度和位置也不 同，单一的球面透镜无法将其聚焦在同一平面上，因此必须采用透镜组的方式加 以完成，称为f - o 透镜。但由于这种加工方式的加工范围和f - o 透镜的焦距成正 比，而激光束的聚焦光斑大小又和焦距成正比，如果采用较大的焦距，就无法将 激光束聚焦到需要的功率密度，所以这种加工方式的加工范围一般较小，一般在 几百毫米的范围内。 上述三种模切方式各自特点不同，针对的使用对象也不尽相同，通过比较， 我们选取第二种和第三种加工方式分别对大尺寸和小尺寸的材料进行模切，并通 过实验进行二者的对比。 1 5 课题的选择及论文的工作 本论文研究的主要目标是开发出用于包装行业的激光模切系统。该系统采用 二氧化碳激光器作为光源，利用振镜或伺服电机控制激光焦点移动完成模切，同 时在系统软硬件的开发以及控制技术方面，力求能够满足现场加工时遇到的多方 面的要求。同时该项目已经申请成为国家包装行业高新技术研发资金项目。为了 实现这些目标而确定了如下的研究内容： 1 通过对激光模切时激光与物质相互作用机理的研究与分析，提出了激光 焦点移动控制方案。 2 采用s c a n l a b 公司提供的动态链接库函数，实现振镜的控制系统研究； 采用基于p c i 总线的伺服电机控制卡，实现伺服电机的控制系统研究。 3 编写模切图案的自动读取和优化系统，实现系统自动无缝拼接。 4 通过实验检测整个系统的精确性和稳定性，并对其中的问题加以分析， 并提出改进方案。 8 第二章激光模切技术的理论研究 第二章激光模切技术的理论研究 普通光源的发光是以自发辐射为主，各个发光中心发出的光波无论方向、位 相或者偏振态均不相同。激光的发射则是以受激辐射为主，各个发光中心发出的 光波都具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相关系。其波长单一( 单色性 好) ，发散角小( 方向性好) ，具有相干、高能、高亮度等特性，经聚焦后可达到 很高的功率密度( 1 0 6 1 0 1 2 w c m 2 ) ，用它做热能源，对材料或者零件可以进行 高效率、高精度的加工。因此，在激光加工过程中，激光光束特性，材料对激光 的吸收作用和导热性等对加工过程均有很大影响 2 1 7 1 。 2 1 激光模切作用原理概述 激光模切利用聚焦形成的高功率密度激光束，将材料快速加热至气化温度， 同时使光束与材料相对移动，从而获得窄的连续切缝和压痕的过程。这个过程是 和激光与物质作用的机理以及物质对激光的吸收紧密相关1 2 8 。 2 1 1 激光与物质相互作用的物理基础 激光与物质的相互作用是激光加工的物理基础。因为激光首先必须被材料吸 收并转化为热能，才能用不同功率密度或能量密度的激光进行不同的加工。激光 与物质的相互作用涉及到激光物理、原子与分子物理、等离子体物理、固体与半 导体物理、材料科学等广泛的学科领域【2 引。 当激光作用到材料上时，电磁能先转化为电子激发能，然后再转化为热能、 化学能和机械能。因此，加工过程中，材料的被加工区域将发生各种变化。这些 变化主要体现在材料的升温、熔化、汽化和等离子体的产生等方面 3 0 l 。 激光作用到被加工材料上，光波的电磁场与材料要相互作用，这一相互作用 过程主要与激光的功率密度和激光的作用时间、材料的密度、材料的熔点、材料 的相变温度以及激光的波长和材料表面对该波长激光的吸收率、导热率等有关。 激光的作用使材料的温度不断上升，当作用区光吸收的能量与作用区输出的能量 相等时，达到能量平衡状态，作用区温度将保持不变，否则温度将继续上升。这 一过程中，激光作用时间相同时，光吸收的能量与输出的能量差越大，材料的温 度上升越快；激光作用条件相同时，材料的导热率越小，作用区与其周边的温度 梯度越大；能量差相同时，材料的比热越小，材料作用区的温度越高1 3 1 。 激光的功率密度、作用时间、作用波长不同，或材料本身的性质不同，材料 9 第二章激光模切技术的理论研究 作用区的温度变化就不同，使材料作用区内材料的物质状态会发生不同的变化。 对于有固态相变的材料来说，可以用激光加热来实现相变硬化。对于其他材料来 说，可以用激光加热使材料处于液态、气态或者等离子体等不同状态【3 2 】。 当激光的作用时间较短，功率密度较低，为1 0 3 1 0 4 w c m 2 时，大部分入射 光被吸收，材料由外向里温度逐渐升高。这种条件下，一般只能加热，不能气化 和熔化材料；当激光的功率密度为1 0 5 1 0 6 w c m 2 时，达到材料的熔点，材料开 始熔化，形成熔池；当激光的功率密度升高到10 7 w c m 2 以上时，达到材料的汽 化点，材料开始汽化和蒸发，形成等离子体。 光束引起固体光学性质的所有变化，可以归结为三种机理，按照辐照度增大 的顺序，它们是： ( 1 ) 热的产生，导致材料的密度或电子性质发生变化，有关的效应是透明介 质中的热自聚焦以及半导体和金属中的“热逃逸 现象； ( 2 ) 半导体和绝缘体中，由于带间跃迁或碰撞电离，导致吸收系数明显增大， 甚至可以引起爆炸性的材料损伤； ( 3 ) 强光束的电场使电子轨道或整个分子发生非线性畸变。许多非线性光学 现象，包括自聚焦和多光子吸收，都是由场效应引起的。图2 1 给出了随激光功 率密度的增加，材料在激光作用下的四种不同状态。 a ) n 态加热b ) 表层熔化c ) 表层熔化，形成增强吸收的等离子体云 d ) 形成小孔及阻碍激光的等离子体云 图2 1 材料在激光作用下的不同状态 激光功率较低、辐射时间较短时，被辐射材料由表及里温度升高，但维持固 态不变，如图2 1 a 。随着激光功率密度的提高和辐照时间的加长，材料表面逐渐 熔化，其液态固态分界面以一定速度向材料内部移动，如图2 1 b 。进一步提高 功率密度和加长辐射时间，材料表面不仅熔化，而且进一步气化，气化物聚集在 材料表面附近并以微弱的电离形成等离子体，这有助于材料对激光的吸收。在气 体膨胀压力下，液态表面变形，形成凹坑。如图2 1 c 。再进一步提高功率密度和 第二章激光模切技术的理论研究 加长辐射时间，材料表面强烈气化，形成较高电离度的等离子体，它阻碍激光对 材料的辐照；另一方面在较大的气化碰撞压力下，材料表面生成小孔，这有利于 增强材料对激光的吸收，如图2 1 d 3 3 1 。 2 1 2 物质对激光的吸收及其影响因素 光吸收是媒质的普遍性质，除 了真空，没有一种媒质能对任何波 长的光波都是完全透明的，只能对 某些波长范围内的光透明，而对另 一些波长范围的光不透明，即存在 强烈的吸收【3 4 】。 材料对激光的吸收率主要与激 光作用波长、材料温度、入射光偏 振态、激光入射角和材料表面状况 等有关，图2 - 2 反映了材料吸收率 与波长的关系。 激光照射到材料表面上时，由 于光波的电磁场与物质的相互作 图2 - 2 材料吸收率与波长的关系 用，将产生反射、折射和吸收，这一过程应当满足能量守恒定律，即： 风+ + 勺= 1 公式( 2 1 ) 式中，p r 为材料的反射率，a a 为材料的吸收率，t t 为材料的透射率。 吸收率是波长的函数，随波长的变化而变化，一般情况下，照射光的波长越 短，吸收率越大。 当激光沿x 方向传播，照射到材料上被吸收后，其强度满足关系式： i = 厶口吨公式( 2 2 ) 式中，i 为激光被材料吸收后的强度，i o 为入射光强度，位a 为材料的吸收率， 此式称为布格尔定律。由此可见，激光在材料内部传播时，强度按指数规律衰减， 其衰减程度由材料的吸收率a a 决定，即物质同激光的相互作用主要取决于材料 对该种波长激光的吸收率的大小【3 5 】。 当温度变化时，材料对激光的吸收率也随之变化：温度升高，材料的吸收增 大。激光功率越大，使材料的温度上升得越高，则材料的吸收率也越大。此外， 若入射的激光为垂直于入射面的线偏振光，反射率p r 随入射角增大而增大，而 第二章激光模切技术的理论研究 吸收率a a 随入射角的增大而减小；若入射激光为平行于入射面的线偏振光，则 反射率p r 随入射角的增大而减小，吸收率随入射角的增大而增大【3 6 1 。并且，一 般情况下，材料的表面越粗糙，反射率越低，材料对光的吸收率越大，而且在激 光力i - r - 过程中，由于激光对材料的加热，存在表面氧化和污染，材料对光的吸收 将进一步扩大。 不同的材料对不同波长的激光表现为不同的吸收率，下面就分别探讨金属和 非金属对激光吸收的不同。 1 金属对激光的吸收 金属为导电媒质，内部有很多未 被束缚的电子，当激光照射在金属表 面上，这些电子受到光频电磁波的强 迫振动而产生次波，这些次波形成了 强烈的反射波和较弱的透射波，透射 波部分在很薄的金属表层被吸收。几 种金属反射率随波长变化的规律如 图2 3 所示。入射光波长不同，反射 率不同。对于大多数金属而言，在可 图2 - 3 几种金属反射率随波长变化曲线 见光和红外波段范围内都有很高的反射率，可达7 8 - 9 8 ，而在紫外波段吸 收率较高。由于反射率和吸收率均随波长变化，因此在激光加工过程中，为了有 效地利用激光能量，应当根据不同的材料选用不同波段的激光。表2 1 为室温下 几种金属对特定波长激光的吸收率1 3 7 1 。 表2 - 1 室温下几种金属对特定波长的激光的吸收率 激光器氩离子红宝石 y a g c o ： 波长5 0 0 n m7 0 0 n m 1 , 0 6 p m 1 0 6 m n 铝o 0 90 1 lo 0 8 o 0 1 9 铜 o 5 6 0 1 7 0 1 00 0 1 5 金 o 5 80 0 7o 0 1 7 铁o 6 80 6 40 0 3 5 正因为金属表面的反射率随激光波长而变化，所以在激光加工中，为了有效 地利用激光能量，应当根据不同的材料选用不同波长的激光。对于红外波段的激 光，一般不能直接用于金属表面处理，需要在表面加吸收涂层或氧化膜层。材料 对紫外波段的准分子激光吸收率高。 2 非金属对激光的吸收 非金属材料的导热性很小，在激光作用下，不是依靠自由电子加热。非金属 1 2 第二章激光模切技术的理论研究 与金属不同，它对激光的反射率比较低，而吸收率比较高，同时非金属的结构特 征也决定了它对激光波长具有强烈的选择性。非金属材料的导热性很小，在激光 作用下，不是依靠自由电子加热。长波长( 低频率) 的激光照射时，激光能量可 以直接被材料晶格吸收而使热振荡加强。短波长( 高频率) 的激光照射时，激光 光子能量高，激励原子壳层上的电子，通过碰撞传播到晶格上，使激光能量转化 为热能被吸收【3 引。激光模切所针对的加工材料大都是非金属，因此会有很好的 吸收效果。 一般非金属材料表面的反射率比金属表面的反射率低得多，也就是进入非金 属中的能量比金属多。有机材料的熔点或软化点一般比较低，有的有机材料吸收 了光能后内部分子振荡加剧，使通过聚合作用形成的巨分子又解聚，部分材料迅 速气化，激光切割有机玻璃就是例子。木材、皮革、硬塑料等材料经过激光加工， 被加工部位边缘会碳化。玻璃和陶瓷等无机非金属材料的导热性很差，激光作用 时，因加工区很小，会沿着加工路线产生很高的热应力，使材料产生裂缝或破碎。 热膨胀系数小的材料不容易破碎，如石英等；热膨胀系数大的材料就容易破碎， 如玻璃等 3 9 a 0 。 2 1 3 激光模切作用原理 激光模切中需要用激光束完成三个动作：第一个是利用激光束聚焦形成的高 功率密度光斑，将材料快速加热至汽化温度，蒸发形成小孔洞后，再使光束与材 料相对移动，从而获得窄的连续切缝，这个动作相当于传统模切中的切割；第二 个是通过被加工物体表层物质蒸发，暴露出深层物质，即切割部分材料来实现的， 这相当于传统模切中的压痕；第三个是激光束于被加工材料表面短暂作用，使得 表面材料受热碳化，从而标记出需要的文字和图形。 由前面的研究可知，激光作用于材料表面，根据其波长以及材料物质的不同， 在被加工处会产生不同的变化，按照加工图纸不同位置通过计算机控制激光功率 的大小以及作用时间长短，即可完成所需的三个加工效果。 激光模切纸质加工材料时，聚焦到材料表面的激光功率密度非常高时，与热 传导相比，材料表面的温度上升极快，直接达到汽化温度，而没有熔化产生。 在进行激光模切的同时，需要通过辅助吹气，气流和聚焦的激光束是通过喷 嘴喷射到被加工料料处，从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的 气流量要大，速度要高，使得气化的材料在激光喷嘴吹出的气流的助推下被正向 吹出形成的等离子体，然后以一定速度移动光束此时等离子体进一步吸收的激光 能量将通过热传导把热能传递到材料基体，这相当于增大了材料对激光的吸收系 数，从而使加热熔化时间变短，热影响区域变小，切缝变窄并且割缝表面光滑。 第二章激光模切技术的理论研究 图2 - 4 为激光头吹气结构示意图，气 体的选择多为惰性气体，这样不仅可 以减小边缘氧化变黑的程度，而且还 可以防止切割时产生短暂的火焰。氮 气使用起来比较方便，无毒副作用、 价格便宜，为模切时的首选保护气 体。 一台理想激光器的输出光束应 当是单横模和单纵模的，但是通常情 况下，大多数激光器的输出都是多模 _ n 2 巴2 乙z 荭z z 乙刁 图2 - 4 带保护气体喷嘴的激光头 的。用于激光模切的激光光束最好为基模( t e m o o ) ，因为基模有轴对称的光强 分布，衍射损耗最低，能达到最佳的光束聚焦效果。采用t e m o o 模的激光可以 获得最小的光束直径，在加工中获得最小的切缝及更快的切割速度。 光束发散角用于表征激光束的空间传播特性，是激光束方向性的量度，发散 角越小，