（物理电子学专业论文）用于动态在线激光加工的飞行打标系统的研究.pdf

摘要 激光打标技术是激光应用技术的重要组成部分。它以打标效果好和打标速度 快为特点，将逐渐成为打标行业的主要手段。激光打标机已成为塑料、石英、陶 瓷、金属等多种材料的打标工具。近年来，激光飞行打标技术有了很大的发展， 它可以在工业流水线上进行动态打标，从而极大地提高了生产效率，同时也起到 一定的防伪作用。激光飞行打标技术涉及光学、机械、电子、计算机以及传感器 等多门学科，是一项综合性的具有很大发展前景的新技术。 本文研究了一种新型的用于动态在线加工的激光打标系统，它可在生产线的 产品上打标出生产批号、生产日期以及防伪码等专用的激光飞行打标系统。论文 在介绍激光打标基本原理的基础上，说明了飞行打标系统的基本组成，重点解释 了飞行打标字体产生变形的原因，深入研究了如何对产品移动产生的位移实时 补偿的技术，提出了通过编码器对飞行打标进行修正的方法。 在系统中，我们采用了射频c 0 2 激光器作为加工光源，省去了繁琐的水冷系 统。该激光器光束质量好，运转可靠性高且寿命长。为了使系统在生产线高速动 态打标，除了在软件上进行优化，我们还采用了基于d s p 的p c 机控制卡r t c 3 ， 以及高速振镜头，已经达到了每秒可打出5 0 0 个字符的高速打标目的。激光飞行 打标软件是针对该飞行打标系统所编写的激光打标应用软件。在软件编写中，设 计了友好的用户界面，可在软件提示下，对激光束、扫描头、飞行校正等参数项 进行科学的设置，让该系统良好的运行。应用软件不仅可以对字符和各种符号的 组合实现“即输即打”，而且在深入研究矢量图和位图图形格式的基础上，实现了 对导入图形显示并打标的功能，充分发挥了激光打标卡的功能。论文中还对整机 测试、试验的情况进行了总结，并对各种参数的设置进行了试验分析，通过非金 属实验样品的打标效果对比，总结出了最佳的参数组合，为该系统在现场运行调 试作了充分的准备工作。整套激光飞行打标系统己获得中华人民共和国国家知识 产权局颁发的专利证书。 关键词：飞行打标：f e 透镜：实时校正：射频c 0 2 激光器 a bs t r a c t l a s e rm a r k i n gt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n td i v i s i o ni nl a s e ra p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y ni sg r a d u a l l yb e c o m i n ga ni m p o r t a n tm a r k i n gm e t h o db e c a u s eo f i t s c o n s p i c u o u sm a r k i n ge f f e c t a n dh i g hm a r k i n gs p e e d n o w a d a y s ，l a s e rm a r k i n g t e c h n o l o g yh a sb e c o m eae f f e c t i v em a r k i n gm e t h o df o rm a n ys u b s t a n c e ss u c ha s p l a s t i c ，q u a r t z ，c e r a m i c ，m e t a la n ds oo n r e c e n t l y , t h et e c h n o l o g yo fl a s e r - m a r k i n g o n - t h e f l yh a sd e v e l o p e dal o t ，i ti sad y n a m i cm a r k i n gm e t h o do nt h ep r o d u c t i o n l i n e ，n o to n l ye n h a n c i n gt h ep r o d u c t i v i t y , b u ta l s oh a v i n gt h ep u r p o s eo fp r e v e n t i n g f o r g i n g t h et e c h n o l o g yo fm a r k i n g - o n - t h e f l ys c o p e ss e v e r a ld i s c i p l i n e ss u c h a s o p t i c s ，m a c h i n e r y , e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e ra n ds e n s i n g ，f o r m i n g ar i s i n gt e c h n o l o g y w i t ha 1 1 r o u n dc a p a b i l i t y i nt h i sp a p e ran e wd y n a m i ca n dh i g hs p e e dl a s e rm a r k i n gs y s t e me q u i p p e do n p r o d u c t i o nl i n ei sp r e s e n t e d t h i ss y s t e mi su s e df o rm a r k i n gt h ep r o d u c t i o nb a t c h a n d t h ep r o d u c t i o nd a t e so np r o d u c t si np r o d u c t i o nl i n e i nt h i st h e s i s ，t h em a i nb u i l d - u p o ft h es y s t e mi si n t r o d u c e db a s e do nb r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eb a s i ct h e o r yo fl a s e r m a r k i n g t h ec a u s eo fe r r o ro ft h em a r k i n go nt h ef l yi ss p e c i f i c a l l ye x p l a i n e di nt h i s t h e s i s t h ec o m p e n s a t i o nf o rd i s p l a c e m e n ti nt e a lt i m ei nd y n a m i cm a r k i n gi s i n v e s t i g a t e d ac o r r e c t i o nm e t h o do ft h em a r k i n go nt h ef l yi sd e v e l o p e di nw h i c ha n e n c o d e ri su s e df o rs y n c h r o n i z a t i o n d u r i n gt h er e s e a r c h t h er fg e m 3 0c 0 2 l a s e ri sc h o s e nt ow e a v et h e w a t e r - c o o l i n g ，i ts t i l lh a sag o o db e a ma n dl o n gl i f es p a n f o rt h ep u r p o s eo fh i g h e r s p e e d ，t h er t c 3b o a r db a s e do nt h ed s pt e c h n o l o g ya n das c a n n e rw i t hah i g h e r s p e e da r es e l e c t e db e s i d e so p t i m i z i n gt h es o f t w a r e ，a n dam a r k i n gs p e e d o f5 0 0l e r e r s p e rs e c o n di sa c h i e v e d t h es o f t w a r eo fl a s e rm a r k i n go n t l l e - f l yi sas p e c i a lt a b l ef o r o u rs y s t e m t h es o f t w a r eh a saf r i e n d l yi n t e r f a c e t h eu s e r sc a ni n p u tt h el a s e r p a r a m e t e r , s c a n n e rp a r a m e t e ra n dt h ef l yp a r a m e t e ri n t ot h es o t t w a r eu n d e r t h eg u i d e o ft h es o f t w a r es ot h a tt h es y s t e mc a l lr u ns m o o t h l y a l p h a b e t sa n da l lk i n d so fs p e c i a l p u n c t u a t i o n sc a nb ei m m e d i a t e l ym a r k e dw h e nt h e ya r ei n p u to nt h ei n t e r f a c e a n d m a r k i n gv e c t o rb a s e di m a g ea n db i tm a p p e di m a g ec a nb e f u l f i l l e do nt h eb a s eo f r e s e a r c ho nt h ef o r m a t so ft h e s et w ok i n d so fi m a g e s t h et e s ta n de x p e d m e n tr e s u l t s a r es u m m a r i z e da n da l lt h ep a r a m e t e r si no u rt h e s i sa r ca n a l y z e d t h eb e s tp a r a m e t e r s c o m b i n a t i o n sa r ei m p l e m e n t e db yc o m p a r i n gt h em a r k i n ge f f e c to fs a m p l e s t h e p u r p o s eo ft h er e s e a r c h i sf u l f i l l e d m u c hp r e a r r a n g e m e n tf o rt h eb u i l d i n ga n d a d j u s t m e n to ft h es y s t e mi nf i e l di sm a d e ap a t e n tc e r t i f i c a t eh a sb e e ni s s u e db yt h e s t a t ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yo f f i c eo fe r c k e yw o r d s ：m a r k i n go nt h ef l y ，f t h e t al e n s ，s y n c h r o n i z a t i o nc o r r e c t i o n ， r fc 0 2l a s e r 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，除了文中特别加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，也不包含为获得苤垄盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我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：孝式 签字日期：歹卵7 年月1 ；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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：李 导师签名： 签字日期：加7 r 年 月2 x 日 签字日期：力晰1 月沙日 第一章绪论 1 1 激光打标技术综述 第一章绪论 近年来，随着激光技术的迅猛发展，激光在工业、军事、商业、医疗等领域 的应用越来越广泛。激光打标技术是激光加工技术的重要组成部分，激光打标 的许多优点是其它打标技术所无法比拟的。在国外，激光打标技术由于应用广泛、 市场容量大，已经成为独立的工业项目。当今世界激光器市场可以划分为三大区 域：美国( 包括北美) 占5 5 ，欧洲占2 2 ，日本及太平洋地区占2 3 。5 0 0 瓦以下的中、小功率激光器是美国占优势，5 0 0 瓦以上用于材料加工的高功率激 光器是德国占优势，而小功率的半导体激光器则是日本占优势。 激光打标技术的应用在我国虽然越来越广泛，但是由于在加工速度、精细程 度等方面和国外仍有一定差距。特别是，目前国外新兴的激光飞行打标技术，由 于加工效率高、适应现代化大生产的需要、使用灵活方便，在国外获得了较大的 发展。但由于该系统技术较为复杂，核心技术被国外少有的几家大公司垄断，激 光飞行打标技术在我国也仅仅是在近几年来才进入探索研究阶段。 激光打标由于在打标过程中不接触工件而优于化学腐蚀、机械冲压、电火花 刻写等传统的方法。激光打标对被加工的材料除了能够有效吸收该波长的激光 外，没有任何特殊的要求，而且对工件无损耗、无扰动、无变形，加工图样也由 于采用计算机控制而灵活多样。激光打标自动化程度高，加工过程对环境无污染。 激光打标技术具备以上优点，使得激光打标技术的应用日趋广泛口1 。 表1 1 激光打标技术与其它打标技术的特点比较 能否打标在 打标工艺种类 速度 性能图形属性图像文字变更 运动物体上 激光振镜打标很快好矢量或点阵易于变更能 激光掩模打标快较好点阵不易变更否 化学腐蚀 较快好点阵不易变更否 照相腐蚀较快好点阵不易变更否 喷墨打印快 较差 点阵 易于变更 能 机械冲压快较差矢量不易变更否 熔模快好点阵 不易变更 否 气动冲针中速较好点阵较易变更否 激光打标是利用激光束的高能量特性，激光束作用于工件，使工件表面气化 形成痕迹，以此达到加工的目的。一般的激光打标系统由激光器、电源、导光系 统、冷却系统、计算机及控制系统和工作台等组成。对于激光飞行打标系统，还 第一章绪论 要考虑传送带移动带来的位移补偿问题，以及满足生产现场等特殊场合抗干扰问 题。表l 一1 为几种常用打标技术的特点比较。 1 2 激光打标技术分类 一般来讲，激光打标系统有不同的分类方法。根据激光打标系统在工作中激 光束运动与否，可分为定光式和动光式两类；根据所采用的激光器不同，激光打 标系统又可分为n d ：y a g 激光打标系统和c 0 2 激光打标系统：根据打标系统的打 标速度的快慢和实时性，激光打标系统可以分为一般激光打标系统和激光飞行打 标系统。目前市场上出现的激光打标系统种类很多，它们都是利用工件运动或激 光束运动来实现打标。利用工件运动的打标系统，它的激光束一般是固定不变的， 依靠工作台的运动来实现对工件的打标。由于工作台速度的限制，这种打标系统 的打标效率较低，但因为光路固定，所以成本也较低，适合于零散作业和小批量 作业。利用激光束运动的打标系统，它所打标的工件是静止的，可以使用计算机 控制扫描头中的两个反射振镜来实现激光束的高速扫描运动，再通过聚焦镜将光 束聚焦到工件表面，进行加工。相对于激光束固定的打标系统，这种用振镜实现 激光束扫描运动的打标系统速度大大提高，效率也相对增加，但是由于采用了价 格昂贵的振镜和平场聚焦镜使系统的成本也增加了。 以上两种常用的激光打标系统的一个缺点就是激光束或被加工工件必须有 一方是固定不变的，否则会引起打标错误和失真。如果要达到很高的打标速度， 同时又要适合流水作业，这就必须采用激光飞行打标系统( m a r k i n g 0 1 1 t h e f l y ) 。 激光飞行打标系统采用高速振镜反射激光束，使激光束在工件表面高速移动，同 时对流水线上工件的移动速度进行实时的检测，计算机根据反馈回的速度，计算 出流水线上被加工工件由于运动所产生的位移偏差，对振镜进行实时的校正，从 而得到正确的打标位置。课题就是要研制性能可靠的激光飞行打标系统。 1 3 激光打标系统的发展方向 激光打标技术目前主要有高速、高精度、大加工面积、彩色打标、动态在线 打标等几个发展方向”1 。 激光打标一般为生产线中的最后一个环节，因此激光打标的速度对整体生产 的效率有很大的影响。要提高激光打标的速度，可以从提高硬件的反应速度( 主 要是振镜的反应速度) 和优化控制软件的算法两方面考虑。我们采用的德国 s c a n l a b 公司的系列振镜比市场上普通类型振镜的反应速度快将近一倍。 高精度、大加工面积、彩色打标等方向主要是面向一些特殊目的的加工过程。 例如，日本某激光公司研制的高精细激光打标系统可在1 0 微米见方的区域内进 行加工，而且打标图样清晰。我国台湾某激光公司利用钛合金在不同功率的连续 第一章绪论 激光照射下产生不同的颜色变化的现象实现了激光彩色打标。还有近年来采用 n d ：y a g 激光对玻璃进行内雕1 4 1 ，即采用y a g 激光加工玻璃内部结构。由于玻璃 能吸收8 0 9 5 的红色光，而k = l i t m 左右时玻璃对激光的吸收可忽略不计，因 此认为y a g 激光不能加工玻璃。但由于激光强度大于1 g w e m 。2 时的y a g 激光具 有非线性效应，入射到玻璃的激光也能被材料吸收。通过适当的光束形状可确定 玻璃的表面辐射强度处于破坏阈值以下多少。首先在玻璃内部将光束内部聚焦强 度调到破坏阈值以上，相互作用引起局部熔化，产生裂纹，在宏观上可看出“小 白斑”。p j 这就是所谓的“激光内雕”。 激光动态在线打标是近年来国外新发展起来的一种加工手段。这种激光打标 方法是在不影响生产线正常运转的前提下，动态监测生产线传输带情况，并对因 传输带运转而引起工件位移变化进行实时地补偿修正，做到准确高效加工。这种 加工手段极大的提高了加工效率，在国内具有广阔的市场。 1 4 激光飞行打标技术的发展现状 现在用于激光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。后者主要用于较低功率如激光 打标、电子工业等领域的微细加工，前者则主要用于机械制造领域的激光加工。 目前国外拥有的激光飞行打标系统主要应用于非金属工件，如纸质烟盒、药 品盒、塑料包装袋、礼品盒等。由于这些材料对1 0 6 9 m 的激光吸收较好，所以 多采用c 0 2 激光器。c 0 2 激光器以分离式和射频c 0 2 激光器最为常见。分离式结 构简单、成本低，但寿命短。对于生产线上长时间连续运转的特殊环境，射频 c 0 2 极光器的优点就显现得尤为突出，这种激光器可以连续稳定运行，寿命长， 光束质量也很好。目前国外已有成熟的射频c 0 2 激光器模块，采用风冷式结构， 体积小、重量轻，结构紧凑，适合生产线上使用。如果要将激光飞行打标技术拓 展到更广的生产领域，如对金属工件的动态打标，可采用n d ：y a g 激光器。 激光飞行打标技术采用受控的激光作为加工手段，对生产线上任何的产品可 实时地进行动态打标和校正，这不但极大地提高了加工效率，而且由于激光打标 具有不接触工件、效果清晰、无污染等多种优点，是其它诸如化学腐蚀、机械冲 压、喷墨标记所不可比拟的。激光飞行打标系统的主要特点有： 1 采用计算机控制技术，可打标出不同的打标图样和效果，操作灵活方便， 适应现代化生产对效率的要求； 2 采用激光作为加工手段，标记精细，对材料的适应性较强，可以在多种 材料的表面制作出非常精细的标记，而且耐久性好； 第一章绪论 3 在加工过程中与工件没有接触，因此不会产生应力，保证了工件原有的 精度； 4 对环境无污染，属于是“绿色加工”的范畴，响应了“环保”号召； 5 对原有生产线的正常运行无任何影响，加工效率大大提高。 1 5 本论文的主要工作 本课题内容是以国外激光飞行打标技术的发展现状和国内的这一技术刚刚 起步为契机，结合国内对这一技术的需求，开发可以对生产线上的产品如香烟、 啤酒、药品，电子元件等进行动态打标的激光飞行打标系统，被标记材料可以为 皮革、布料、纸张、木材、陶瓷、有机玻璃、塑料制品等。打标内容可以为中西 文产品信息、图标、生产日期、有效期、批号、加密码、条形码、二维码、自动 递增的序列号等内容，使得打标的标记具有永不可檫涂的特点，具有较强的防伪 特性。 系统中采用美国相干公司的射频c 0 2 激光器、德国s c a n l a b 的高速振镜头 及基于d s p 技术的r t c 3 卡作为系统的主要硬件组成部分，采用适合于现场调试 的v i s u a lb a s i c 语言，开发出具有自主知识产权的激光飞行打标专用软件1 6 j ，可兼 容a u t o c a d 、c o r e l d r a w 、p h o t o s h o p 等多种软件输出，支持p l t 、b m p 文件格 式。在实验中对激光飞行打标的各个参数进行设置以及对飞行打标中的位置移动 带来的动态形变进行实时校正。并对整个系统进行了大量的调试和实验工作，对 软件中各项参数进行摸索，为到现场调试做了前期的准备工作。整套激光飞行打 标系统已获得中华人民共和国国家知识产权局颁发的专利证书。 第二章激光飞行打标技术的理论研究 第二章激光飞行打标技术的理论研究 2 1 激光打标的作用原理 激光打标是基于光对非透明介质的热作用，即吸收光能的热效应。因此，在 激光打标过程中，激光光束特性、材料对光的吸收作用和导热性能等对加工过程 有很大影响。 2 1 1 激光加工过程中的物理化学变化分析 用于激光打标的激光光束模式最好为基模( t e m o o ) 。因为基模有轴对称的 光强分布，能达到最佳的光束聚焦效果。当高斯光束入射到焦距为珀勺透镜面， 光束半径为c o ，则由短焦距透镜聚焦后，焦点处的光斑截面半径咖近似为： 九f c o o 二一 刀功 公式( 2 1 ) 从而可以算出经透镜聚焦后焦平面上的功率密度。如果激光是高阶模，光束具有 非轴对称的光强分布，光斑尺寸比基模显著增大，在激光功率相同的情况下，焦 点处的功率密度将减小。 当光波照射在不透明的物体表面时，一部分光波被反射掉，另一部分被物体 吸收。对于非金属材料，其反射率和吸收系数在较大的范围内变化。对多数金属 来说，在光学波段上有高的反射率( 7 0 - - 9 5 ) 。一般认为光在金属表层里， 能量就被吸收掉了，并把吸收的光能转化为热能，使材料局部温度升高，然后以 热传导的方式把热能传导到金属内部。此外，金属的反射率与金属的表面状况也 有关系，粗糙和有氧化膜层的表面比光滑亮泽的表面有更小的反射率。 光束作用于物质引起物质材料的所有变化，总结起来分为三种机理。按照辐 射度增大的顺序依次为： 1 热的产生，从而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，导致吸收明显增大，甚 至可能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，包括自聚焦或多光子吸收，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。 第二章激光飞行打标技术的理论研究 b )c)d) a ) 固态加热b ) 表层熔化c ) 表层熔化，形成增强d ) 形成小孔及阻碍激 吸收的等离子体云光的等离子体云 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，其液态一固态分界面以一定速度向材料深部移动，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 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 。 就材料的吸收而言，固态的气化是一个分界线。若表面没有气化，不论材料 处于固态还是液态，其对激光的吸收仅随表面温度的升高而有较慢的变化；而一 旦材料气化并且形成等离子体和小孔，材料对激光的吸收会发生突变，其吸收率 决定于等离子体与激光的相互作用和小孔效应等因素。当光波照射在不透明物体 表面时，一部分光被反射，另一部分光进入材料内部。对于不透明材料，透射光 被吸收。 激光打标就是在不同的物质表面，用激光加工出永久性的标记。打标结果或 者通过被加工工件表层物质的蒸发，暴露出深层物质，或者通过光辐射导致物质 发生化学变化产生。 2 1 2 加热过程中的温度分布 对于各向同性的均匀材料，热传导偏微分方程的一般形式为： 百o t = 昙( 瑶) + 昙( k 等) + 昙( 髟o 昆t ，+ 0 ( x ，y ，z ，t ) 公式( 2 - 2 ) 第二章激光飞行打标技术的理论研究 式子中p 为材料密度，c 为定压比热， r 为温度，t 为时间，k 为材料导热 系数，秒为材料单位时间单位体积的发热量。通常认为k 、p 、c 为常数，不 随温度变化。则方程( 2 1 ) 可简化为： v 2 丁上塑；翌堡：芝：三：垒 8a t k 公式( 2 - 3 ) 式子中：竺，为材料的热扩散率。 p c 求解局部加热问题常采用热源法。取初始时间为t = 0 ，初始温度r = 0 ，则瞬 时集中的点热源秒的传播方程为： 丁 ( r t ) = 万t 了詈矿e x p ( 。苦) 公式 ( 2 - 4 ) 其c r 2 = x 2 + y 2 它，表示从原点0 到物体上坐标为( x ，y ，z ) 的点的距离的平 方。瞬时线热源目的传播方程为： t t ) = pc ( 4 万夕t )唧c - 杀， 其中，r 2 _ - x 2 审， 表示热源0 到物体上的点( x ， 热源秒的传播方程为： 丁= 万击r 唧c 一告， 公式( 2 5 ) y ) 距离的平方。瞬时面 公式( 2 6 ) 以上为热传导公式( 2 1 ) 的特解。对于有一定尺寸、经历一定时间的热源 的热传导，可按叠加原理进行积分求得。叠加原理是指当一系列热源共同作用时， 热传导过程中各点的温度可视为各个热源单独作用的温度总合。 2 2 扫描头的控制 现有的激光打标方法主要有扫描式激光打标和矢量式激光打标两种。扫描式 激光打标是激光束在整个像场中按照一定的顺序( 如行或列) 进行扫描，这种打 标适合于对复杂图形的加工。而矢量打标则适合于对简单的字符图形进行快速的 打标，它是激光束沿着打标字符的坐标快速的移动，只需要打标和跳转两个命令 即可。这种矢量打标技术虽然简单，但是它要求用户事先将目标字符的跳转和打 标命令坐标输入到计算机。 课题的研究目的是研制对生产线上产品的批号、生产日期进行打标的激光飞 行打标系统，要求具有极高的打标效率。一般生产线上实际要求的打标图样较为 第二章激光飞行打标技术的理论研究 简单，大多是数字和字母、字符，这时进行的是矢量式打标( 在第四章也将介绍 扫描式打标) 。 在矢量式打标技术中，最基本的命令是跳转命令和打标命令。这些命令都 要求相应矢量的x 、y 坐标参数，每一矢量都从当前的输出位置开始( 也就是前 一矢量的终点) 。第一个执行矢量的起点是像场的中心，即坐标点为( o ，o ) 。 跳转命令引起振镜的快速移动，将激光焦点跳转到新的位置。在执行跳转命 令期间，激光束保持关闭，跳转的速度可在激光飞行打标应用软件中进行设置。 打标命令是激光焦点沿着目标矢量按用户设定的打标速度移动，在工面上产 生直线标记。在执行打标命令时，激光束自动打开。 由跳转命令和打标命令定义的每一个矢量，在执行时将被软件自动分割成 一定数量的微步来执行，这些微步以固定的时间速率( 输出周期a t ) 传输给扫 描头。每一个微步的长度s 为： a s = v a t 公式( 2 - 7 ) 其中v 是当前的跳转速度( 或打标速度) 。输出周期t 通常固定在1 0 9 s ，并且该 输出周期不能由用户修改。 矢量的微步分割如图2 2 所示： 图2 2 矢量x 分量的微步分割 图中) 【o 为扫描矢量当前输出位置的x 轴坐标，x 1 为矢量的终点x 轴坐标，t 为微步周期。 矢量在微步分割时，微步分割的数目最大值限制在2 1 6 以内。所以，虽然分 割周期固定在1 0 舻，但当矢量很长或者打标速度( 或者跳转速度) 很慢时，激 光飞行打标系统应用软件会自动的调整分割周期，将分割周期自动增加为2 0 i _ t s 第二章激光飞行打标技术的理论研究 2 3 激光飞行打标的实现 激光飞行打标是激光打标技术发展的一个新兴的发展方向。为了适应不同生 产线运转的实际情况( 诸如生产线起时阶段的加速过程、停线时的减速过程以及 一些特殊生产线的高速运转等) ，高速的打标技术以及实时的打标校正技术成为 激光飞行打标系统中要达到的核心技术。另外当我们采用适合于高速打标的振镜 方案时，又要考虑到由于光束在平面像场中扫描导致的激光束焦距的变化。 2 3 1 用以实现激光束移动打标的振镜式技术方案 振镜式打标技术是国外发展最快、性能最好的典型的用于实现激光束移动打 标的技术。其特点是速度快、精度高、能适应多种形状工件打标，特别是通过计 算机可以很方便地设计打标图形并进行各项参数的调整。其缺点是标刻的范围与 焦距成正比、与焦距能量密度的平方成反比，因此限制了打标的范围( 即为下文 中提到的像场) 不可能很大，一般不大于l o o m m 1 0 0 m m 。但就此范围来说，对 于一般的工件标刻尺寸的要求已经足够1 7 1 。 图2 3 简要的说明了振镜式打标技术实现光束移动打标的方案： x 图2 3 振镜式打标技术示意图 图中入射光线照射n x 振镜上，x 轴检流计根据所检测到的电流大小控制x 振镜的偏转角度q 。，在y 振镜静止的情况下，即可在像场中扫描出与x 轴上且与 偏转角度大小有关的矢量，矢量的大小与偏转角度q 。的正切成比例。同样，在 x 振镜静止的情况下，y 振镜偏转角度机可以扫描出y 轴上的一定大小的矢量。正 确地控制x 、y 两个振镜各自一定角度的偏转，即可实现在像场中扫描出任意方 向、大小的矢量，从而实现矢量式或者扫描式的打标目的。 第二章激光飞行打标技术的理论研究 2 3 2 采用振镜和f t h e t a 透镜聚焦产生“枕一桶型”失真及其校正 在上一小节中我们谈到了用振镜实现激光扫描的技术方案，但是我们发现在 该方案中由于使用了这种双振镜扫描模块存在两种缺陷： a 当扫描方形图形时，将在x 轴向出现“枕形”畸变，扫描范围越大，上述 现象越严重，对扫描质量的影响也越大； b 焦斑扫描轨迹构成球面像场，与工作平面不重合，称为系统的聚焦误差 或z 轴误差【8 j 9 1 。 以下详细说明这两种缺陷，参见图2 - 3 ，设x 轴振镜和y 轴振镜间的距离为a ， y 轴振镜到像场的距离为b ，当x 轴和y 轴振镜的偏转角分别为q 。和时，扫描到像 场平面上相应光点的坐标为a 亿y ) ，且当x = y = 0 时，叩x 卧，= o 。则： p 盛毗 公式( 2 8 ) 振镜摆动实际是通过控制9 。和叩y 的大小来实现二维平面内的扫描，扫描角度 与振镜到像场的距离有关，但是该距离并不是与扫描角本身成正比，而是与其正 切值成正比，如公式( 2 - 8 ) 。通过对其进行变换得到： 陆一口卜甜 公式( 2 9 ) 公式( 2 - 9 ) 表示的是双曲线。可见，x - y 双振镜的二维平场扫描在原理上存在 着畸变。原本一个正方形的扫描区域经过这样的双曲线映射后，区域畸变为如图 2 4 中左图所示的形状，这种畸变在光学上称为单轴枕形畸变，由双曲线的弦高 来定义枕形误差，即当9 。不变( 设为伽) ，叽从0 变化到一嘶时，x n 变化值称为， 则： 卞( 碍一厮) t a n t a n 面1 - 1 ) 娥2 1 0 ) 由上式可以看出，当b 一定时，枕形误差和偏转角度9 x 、嘶有关，当鼽、q y 越 大时，越大，枕形畸变越严重，在扫描像场中心附近畸变较小，而边缘部分畸 变较大。 扫描系统的焦距误差参见图2 3 ，x 轴振镜到像场中心的光程为： s = a + b 而到像场上任意点a 伍y ) 的光程： s ：= 府币 公式( 2 11 ) 公式( 2 12 ) 第二章激光飞行打标技术的理论研究 二者光程差： s ：是一s ：( 7 云i 面一口一6 公式( 2 - 13 ) k s 即为像场平面上的聚焦误差，随着x 、y 值的增大而增大，产生这种误 差的原因是由于光斑扫描的轨迹构成的像场为曲面，同实际的加工平面仅在中心 重合，在中心以外分离，且在像场的边沿处分离最大。 如果使用普通聚焦镜对激光束进行聚焦，焦点应该是处于一个球面上，而在 一个平面的像场，将会产生不同的光斑直径。所以一般采用平场聚焦镜f t h e t a 透镜对激光束进行聚焦而避免聚焦误差的产生，使得激光束焦点会聚在一个平面 的像场，同时对像场也进行了一定的修正，使得扫描矢量的长度和振镜偏转角度 成正比关系，但却导致了“桶形失真”的产生，具体产生原因如下： 由式( 2 - 8 ) 可知，在不加入f t h e t a 透镜时，像场上矢量的坐标值和相应的偏 转角度的正切成比例，即： j ，= f t a n 9公式( 2 1 4 ) 其中y 为矢量坐标，f 为焦距，9 为偏转角度。为了保证等角速度扫描的光 束，在像场上也能够等速扫描，即扫描矢量大小同偏转角度本身成比例关系，引 入了f t h e t a 透镜，使其产生符合下式的畸变量： 8 y = 厂( t a n 9 9 ) 公式( 2 1 5 ) 由此便引入了“桶形失真”， 如图2 - 4 中图所示，其相对畸变量为： 孝：坐：f ( t _ - a n l p - q o ：1 一上 公式( 2 1 6 ) y e，t a n9t a n 9 图2 4 右图表示了由f t h e t a 透镜和振镜作用，最终共同产生了“枕一桶形 失真”。 l l f l 厂 lj l 、 j 、 一 - 由振镜产生的枕型火真 由f 的糯0 i 霎笋生 最终导致枕型一捕型火粪 图2 - 4 像场中“枕一桶型”畸变 第二章激光飞行打标技术的理论研究 针对这种新产生的“枕一桶型”畸变我们采用校正算法进行补偿修正l l0 | 。这 种算法是基于一个校正表格。校正表格存储在r t c 3 卡的内存中。实际上，它是 将一个由6 5 6 5 个网格点组成的直角正方形输出到一个理想的正方形像场中，将 修正过的这些网格点的正确的x 、y 轴的坐标存储在一个校正表中。当激光束焦 点移动到像场中的任何一个网格点时，r t c 3 卡将插入校正表中的网格点来计算 出相应点的正确的坐标。图2 5 为间隔为5 m m 的网格图形。 图2 5 间隔为5 m m 的网格图形 2 3 3 激光飞行打标的动态实时校正技术 激光振镜打标系统在很早就已经出现了，而激光飞行打标系统却是在近年来 才发展起来，就是因为飞行校正部分始终是一个难题，要在运动的工件上用激光 打出和静止时一样的正确文字图案，必须经过一个实时的修正。这个难题解决了， 才能使激光打标技术被广泛地应用于工业生产之中。 当我们要在物体表面打出一道与x 轴方向垂直( 即y 方向) 的竖线。当物 体静止时，只要给控制y 方向的振镜驱动器一个信号，使其偏转一定的角度， 就可在y 方向上打出一条线段，如图2 - 6 中的a 。当物体水平向右移动时，如还 按照静止情况打标的话，变形就产生了。若物体运动速度很高，而打标速度并不 很高的时候，变形就会极为明显。这时打出一道向左边偏移的线，如图2 - 6 中的 b 。为了修正这一变形，我们要将x 方向的振镜转动一定角度来弥补物体运动造 成的变形。如果物体静止不动，只将传送带的速度信号输入系统，打出图形如图 2 6 c 所示，其倾斜方向与图2 6 b 中直线相反。最后我们将物体放在运动的传送 带上，通过实时修正，打出与图a 相同的直线段，即图2 6 d 。 1 2 第二章激光飞行打标技术的理论研究 i _ b 物体向右 移动，无修正 c 物体静 止，有修正 图2 - 6 物体静止和移动时的飞行打标效果 d 物体向右 移动，有修正 要对工件的移动带来的变形进行修正，首先还是要对这一移动进行检测 ( 比如将光电编码器耦合到传输带上的方法) 。这里我们以x 轴方向的移动为例， 在r t c 3 卡内设置了一个有符号的3 2 位计数器接收由x 轴方向的编码器产生的 编码脉冲。当启动飞行打标时，该计数器复位到0 ，开始对x 轴方向的编码器的 编码脉冲进行计数，而激光束在像场中输出的x 轴的坐标将以1 0 b s 为间隔根据 计数器中的参数值对x 坐标进行补偿修正。而且该计数器并不会因为计数的溢 出而对坐标的补偿修正产生中断。 理论上，我们编写的激光飞行打标软件对传输带上工件的位移坐标的补偿是 以比特脉冲( b i t s c o u n t ) 定义的。而我们知道当编码器和某一特定的传输带耦 合时，编码器每输出一个脉冲，传输带移过的位移是一定的，即r t c 3 卡中计数 器的单位应该是毫米脉冲( r a m c o u n t ) ，因此我们还必须在软件中输入一个校正因 子，其单位是比特毫米( b i t m m ) 。这样，我们将编码器增加的脉冲数与软件中 输入的校正因子相乘就得到了坐标的补偿量。 由于补偿位移是由两部分组成，即编码器的输出脉冲和软件中由用户输入的 比例因子，这样使得系统更加灵活方便，适应性强。当采用不同型号的编码器、 或者因编码器与生产线耦合的位置不同而导致每一脉冲代表的位移量不同时，及 时修正软件中的比例因子即可。但在该系统安装完毕以后，软件中设置的该比例 因子不能随便改动，系统对坐标补偿的大小变化与传输带运动的速度成正比，但 这也只是根据编码器发出脉冲的多少来决定的。 另外，为了达到正确地打标目的，我们的软件系统、激光器的启动出光以及 响应编码器的计数输入这三者之间还必须同步。为此，在r t c 3 卡中设立了一个 单独的计数器。我们可以在软件中对激光打标的延时进行设置。当软件启动时， 该计数器复位到0 ，而后对编码器的输入脉冲数进行计数，当达到用户在软件中 设定的延时参数时，软件自动启动打标命令，开始进行打标。 在传统的静止打标系统中，打标幅面大小受到了像场大小的限制，当打标内 容长度和像场长度相差不多时，就更容易超出打标像场。我们可以这样改进：在 飞行打标系统中，在编写打标软件程序时，可使打标方向与传送带的移动方向相 修无止i静体物钆 第二章激光飞行打标技术的理论研究 反，即要打出“天津大学”四个字，当传送带从左向右( 即沿x 正方向) 移动时，可 以使扫描头按“学大津天”的顺序从右向左打标，把原有的“追着目标打”的方法 改为“迎着目标打”，由于物体在传送带上具有一定的移动速度，每一个字被打出 的时候都比静止打标时离像场中心的距离缩短了，这样就可以尽可能地 保证打标范围不超过打标像场的限制要求，从而相当于扩大了打标范围，使大幅面 激光打标成为可能。 第三章激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 第三章激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 在对激光飞行打标技术进行总体的理论分析后，在这一章我们对激光飞行打 标系统的各个硬件组成及其设计进行详细地介绍。 3 1 激光飞行打标系统的基本组成 激光飞行打标系统作为激光打标机的一种典型应用产品，除了包含普通激光 打标机的基本组件外，还包括为了达到动态飞行打标所具有的特殊部分。论文完 成的激光飞行打标系统结构示意图如图3 1 所示： 2 图3 1 激光飞行打标系统组成示意图 1 、 激光器电源 2 、 激光器 3 、 振镜头 4 、 f t h e t a 透镜 5 、 触发装置光接收电路 6 、 传输带上的工件 7 、 传输带 8 、 触发装置光发射管 9 、 光电编码测速电路 1 0 、控制系统计算机 在选择硬件构件时，我们从可靠性、稳定性、连续性等适应现代化生产角度 以及结构的紧凑性方面进行了考虑，以求达到较好的现场使用效果。 第三章激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 3 2 选择c 0 2 激光器 3 2 1 常用激光器简介 c 0 2 激光器、y a g 激光器是比较常见的两种激光器。c 0 2 激光器以高功率、 高效率、高光束质量和长波长为特点。由于c 0 2 激光器的量子效率高达4 0 ，工 业器件总效率为1 0 左右，比其它加工用激光器的效率高很多。c 0 2 激光器以 c 0 2 、n 2 、h 2 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。c 0 2 激光器输出1 0 6 9 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