（物理电子学专业论文）激光飞行打标技术研究.pdf

摘要 激光打标是激光应用技术的重要领域之一。 它以出 众的打标效果及打标速度 为特色， 今后将会逐渐的成为打标行业的主要方法之一。 如今激光打标已经是塑 料、纸张、石英、陶瓷、金属等多种材质的有效打标工具。 近年来，激光打标技 术有不少新的发展， 其中最为显著的就是激光飞行打标技术。 它可以在工业流水 线上在不影响生产的前提下进行动态打标， 从而极大的提高了生产效率， 同时也 起到一定的防伪目的。 激光飞行打标技术涉及光学、 机械、电子、 计算机以及传 感器等多门学科领域，是一项综合性的具有很大发展前景的新技术。 本论文研究的目的就是开发出适合于在香烟、啤酒、 药品、 饮料等生产线上 的产品上打出生产批号、 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， 介绍了该飞行打标系统的基本组成， 并且结 合实际的生产流水线 ( 如香烟生产线、啤酒生产线) ，对系统在动态打标过程中 的实时偏移补偿进行了深入的探究。 在该系统的研究中， 为适应实际生产线连续 可靠运行的特点， 采用了射频c o l 激光器作为加工光源， 省去了繁琐的水冷系统， 并且该激光器光束质量好， 连续运转可靠且寿命长。 为达到在生产线高速运转下 能正确打标的目的，除了在软件上进行优化外，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。目 前达到了每秒 5 0 0个字符的打标速度。激光 飞行打标软件是针对该飞行打标系统所编写的标签打标专用软件， 该标签软件采 用了友好的用户界面，通过对软件中激光束、扫描头、飞行参数的合理的输入， 即可让该系统良 好的运行。 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， 达到了课题研究的预期目的。 并且为该系统在 现场实际运行调试做出了充分的准备工作。 关键词:飞行打标、f 一0 透镜、位移补偿、射频c o , 激光器 abs t ract l a s e r m a r k i n g t e c h n o l o g y i s a n i m p o r t a n t d i v i s i o n i n l a s e r a p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y . i t h a s g r a d u a l l y b e c o m i n g i m p o r t a n t m a r k i n g m e t h o d s w it h it s c o n s p i c u o u s m a r k i n g e ff e c t a n d r a p i d l y m a r k i n g s p e e d . n o w a d a y s , l a s e r m a r k i n g t e c h n o l o g y h a s b e c a m e a e ff e c t i v e m a r k i n g m e t h o d o f m a n y s u b s t a n c e s s u c h a s p l a s t i c , q u a r t z , c h i n a , m e t a l a n d s o o n . r e c e n t l y , t h e re a r e m a n y n e w d e v e l o p m e n t s i n l a s e r m a r k i n g t e c h n o l o g y . l a s e r m a r k i n g - o n - t h e - fl i n g i s a re m a r k a b l e d o m a i n i n t h e s e d e v e l o p m e n t s . t h e t e c h n o l o g y o f l a s e r m a r k i n g - o f - t h e - fl i n g i s a d y n a m i c m a r k in g m e t h o d o n t h e p r o d u c t l i n e , n o t o n l y e n h a n c in g t h e p r o d u c t i v i t y r a p id l y , b u t a l s o h a v i n g t h e p u r p o s e o f p re v e n t i n g f o r g i n g . t h e t e c h n o l o g y o f m a r k i n g - o n - t h e - fl i n g s c o p e s s e v e r a l d i s c i p l i n e s s u c h a s o p t i c s , m a c h i n e ry , e l e c t r o n i c s , c o m p u t e r a n d s e n s i n g , w h i c h i s a r i s i n g t e c h n o l o g y wi t h a l l - r o u n d t h e t a r g e t o f o u r re s e a r c h i s t o d e v e l o p a s p e c i a l l a s e r m a r k i n g - o n - t h e - fl i n g s y s t e m u s i n g f o r t h e m a r k i n g o f t h e p r o d u c i n g b a t c h a n d t h e p r o d u c i n g d a t e s i n p r o d u c t l i n e o f c i g a r e tt e , b e e r , m e d i c i n e , d r i n k i n g a n d s o o n . i n t h i s t h e s i s , w e i n t r o d u c e t h e m a i n b u i l d u p o f t h e s y s t e m b a s e d o n a b r i e f i n t r o d u c t i o n t o t h e b a s i c t h e o ry o f l a s e r m a r k i n g , a n d w e re s e a r c h t h e c o m p e n s a t i n g f o r d i s p l a c e m e n t re a l t i m e in d y n a m i c m a r k i n g re l a t e d t o a c t u a l p r o d u c t l in e . d u r i n g th e r e s e a r c h , w e c h o s e t h e r f g e m- 3 0 a c 0 2 l a s e r t o l e a v e t h e w a t e r - c o o l in g o u t w h i c h h a v e a g o o d b e a m a n d l o n g li f e s p a n . f o r t h e p u r p o s e o f h i g h e r s p e e d , w e s e l e c t e d t h e r t c 3 b o a r d b a s e d o n t h e d s p t e c h n o l o g y a n d a s c a n n e r w i t h a h i g h e r s p e e d b e s i d e s o p t i m i z i n g t h e s o ft w a r e , a n d w e g o t a m a r k i n g s p e e d o f 5 0 0 l e tt e r s p e r s e c o n d . t h e s o ft w a r e o f la s e r m a r k i n g o n - t h e - fl i n g i s a s p e c i a l t a b l e f o r o u r s y s t e m . t h e s o ft w a re h a s a fr ie n d l y in t e r f a c e . t h e u s e r s c a n p u t t h e l a s e r p a r a m e t e r , s c a n n e r p a r a m e t e r a n d t h e御 p a r a m e t e r i n t o t h e s o f tw a r e i n o r d e r t o t h e s y s t e m w e l l r u n n i n g . w e a l s o s u m m a r i z e d t h e t e s t i n g a n d e x p e r i m e n t i n g a n d a n a l y z e d t h e a l l p a r a m e t e r s i n o u r p a p e r , f u l f i l l t h e p u r p o s e o f t h e re s e a r c h . a n d w e a l s o m a d e m u c h p r e a r r a n g e m e n t f o r t h e b u i l d i n g i n a n d a d j u s t in g o f t h e s y s t e m i n fi e l d . ke w wo r d s : m a r k i n g - o n - t h e - fl i n g , f - t h e t a l e n s , d i s p l a c e m e n t r f c 肠 l 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 - 玉主按乞或 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: 年月日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解一 孟 生人 一有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权天津大学 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: 导师签名: 签字日 期:年月日 签字日期:年月日 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 第一章 激光飞行打标技术的发展趋势和应用前景 1 . 1 激光打标技术综述 近年来， 随着激光技术的飞速发展， 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 许多优点是其它标刻技术所不能企及的。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 。 近年来， 激光打标技术的应用在我国 也 有了一定的发展， 但其有待进一步开发，并且激光打标的速度、 精细程度仍有待 提高。 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， 在国外得到了迅猛发展。 近年来， 激光飞行打 标技术在我国也有了一定的发展。 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的吸收该波长的激光 外， 没有任何特殊的要求， 而且对工件无损耗、 无扰动、 无变形，并且加工图样 也由于采用计算机控制而灵活多样。 采用激光打标的自 动化程度较高， 加工过程 对环境也没有污染。 由于激光打标技术的以上优点， 使得激光打标技术的应用日 趋广泛。 表 1 -1 列出了几种常用打标方法的主要特点比较: 表 1 一1 几种常用打标方法的比较 打标工艺名称打标速度打标效果打标灵活性 振镜激光打标快好好 掩膜激光打标快好差 化学腐蚀较快好差 照相腐蚀较快好差 喷墨打印快较差好 机械冲压快较差差 熔膜快好差 气动冲压慢较好 较好 激光打标是利用橄光束的高能量密度特性， 激光束作用于工件， 使工件表面 汽化或发生化学反应形成痕迹， 以此达到加工的目的。 一般的撇光打标系统由激 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 第一章 激光飞行打标技术的发展趋势和应用前景 1 . 1 激光打标技术综述 近年来， 随着激光技术的飞速发展， 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 许多优点是其它标刻技术所不能企及的。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 。 近年来， 激光打标技术的应用在我国 也 有了一定的发展， 但其有待进一步开发，并且激光打标的速度、 精细程度仍有待 提高。 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， 在国外得到了迅猛发展。 近年来， 激光飞行打 标技术在我国也有了一定的发展。 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的吸收该波长的激光 外， 没有任何特殊的要求， 而且对工件无损耗、 无扰动、 无变形，并且加工图样 也由于采用计算机控制而灵活多样。 采用激光打标的自 动化程度较高， 加工过程 对环境也没有污染。 由于激光打标技术的以上优点， 使得激光打标技术的应用日 趋广泛。 表 1 -1 列出了几种常用打标方法的主要特点比较: 表 1 一1 几种常用打标方法的比较 打标工艺名称打标速度打标效果打标灵活性 振镜激光打标快好好 掩膜激光打标快好差 化学腐蚀较快好差 照相腐蚀较快好差 喷墨打印快较差好 机械冲压快较差差 熔膜快好差 气动冲压慢较好 较好 激光打标是利用橄光束的高能量密度特性， 激光束作用于工件， 使工件表面 汽化或发生化学反应形成痕迹， 以此达到加工的目的。 一般的撇光打标系统由激 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 光器、电源、导光系统、冷却系统、 控制系统和工作台等组成。 对于激光飞行打 标系统， 还要考虑传送带移动带来的位移补偿因素，以及满足生产现场等特殊环 境问题。 1 . 2 激光打标系统的分类 一般来讲，根据所注重的侧重点的不同， 激光打标系统有不同的分类方法。 根据打标过程中激光束的运动与否， 可以分为定光式和动光式两大类; 根据所采 用激光器的不同， 又可分为y a g激光打标系统和c o z 激光打标系统; 根据打标 系统的打标可否实时性， 激光打标系统可以分为常用激光打标系统和激光飞行打 标系统。下面对常用激光打标系统和激光飞行打标系统进行简要介绍。 目 前市场上出现的常用激光打标系统的种类很多， 但是它的原理不外乎是利 用工件运动或者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相对较低， 但是成本也因为光路的固定不变而较 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， 它所标刻的工 件则要求是静止的， 利用计算机对扫描头中的两个振镜的控制来实现激光束的高 速扫描运动， 再通过可补偿偏转角的聚焦镜将光束聚焦到工件表面， 进而实现加 工目 的。 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 系统速度提高了不少， 效率也相对增加， 但是由于采用价格高昂的振镜系统， 成 本也相对上升。 以上常用的激光打标系统的明显的一个缺点就是激光束或者被加工工件必 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 - o n - t h e - fl y ) . 激光飞行打 标系统 采用了 高 速振 镜对 激光束焦点 进 行高 速振动， 同时对流水线的运动速度进行实时的检测， 计算机根据反馈回的信号计 算出流水线上被加工工件由于运动所产生的位移偏差，对振镜进行实时的修正， 进而实现完美的打标效果。本课题研究的目的就是研制上述激光飞行打标系统。 1 . 3 激光打标系统的发展趋势 由于激光打标技术所具有的种种优势， 因而成为现代化生产线上不可缺少的 加工设备。 激光打标技术目前主要有高 速、高 精细、 大加工面积、 彩色打标、 激 光飞行打标等几个发展方向。 激光打标通常为生产中的 最后一个环节， 因此激光打标的速度对整个生产的 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 光器、电源、导光系统、冷却系统、 控制系统和工作台等组成。 对于激光飞行打 标系统， 还要考虑传送带移动带来的位移补偿因素，以及满足生产现场等特殊环 境问题。 1 . 2 激光打标系统的分类 一般来讲，根据所注重的侧重点的不同， 激光打标系统有不同的分类方法。 根据打标过程中激光束的运动与否， 可以分为定光式和动光式两大类; 根据所采 用激光器的不同， 又可分为y a g激光打标系统和c o z 激光打标系统; 根据打标 系统的打标可否实时性， 激光打标系统可以分为常用激光打标系统和激光飞行打 标系统。下面对常用激光打标系统和激光飞行打标系统进行简要介绍。 目 前市场上出现的常用激光打标系统的种类很多， 但是它的原理不外乎是利 用工件运动或者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相对较低， 但是成本也因为光路的固定不变而较 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， 它所标刻的工 件则要求是静止的， 利用计算机对扫描头中的两个振镜的控制来实现激光束的高 速扫描运动， 再通过可补偿偏转角的聚焦镜将光束聚焦到工件表面， 进而实现加 工目 的。 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 系统速度提高了不少， 效率也相对增加， 但是由于采用价格高昂的振镜系统， 成 本也相对上升。 以上常用的激光打标系统的明显的一个缺点就是激光束或者被加工工件必 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 - o n - t h e - fl y ) . 激光飞行打 标系统 采用了 高 速振 镜对 激光束焦点 进 行高 速振动， 同时对流水线的运动速度进行实时的检测， 计算机根据反馈回的信号计 算出流水线上被加工工件由于运动所产生的位移偏差，对振镜进行实时的修正， 进而实现完美的打标效果。本课题研究的目的就是研制上述激光飞行打标系统。 1 . 3 激光打标系统的发展趋势 由于激光打标技术所具有的种种优势， 因而成为现代化生产线上不可缺少的 加工设备。 激光打标技术目前主要有高 速、高 精细、 大加工面积、 彩色打标、 激 光飞行打标等几个发展方向。 激光打标通常为生产中的 最后一个环节， 因此激光打标的速度对整个生产的 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 光器、电源、导光系统、冷却系统、 控制系统和工作台等组成。 对于激光飞行打 标系统， 还要考虑传送带移动带来的位移补偿因素，以及满足生产现场等特殊环 境问题。 1 . 2 激光打标系统的分类 一般来讲，根据所注重的侧重点的不同， 激光打标系统有不同的分类方法。 根据打标过程中激光束的运动与否， 可以分为定光式和动光式两大类; 根据所采 用激光器的不同， 又可分为y a g激光打标系统和c o z 激光打标系统; 根据打标 系统的打标可否实时性， 激光打标系统可以分为常用激光打标系统和激光飞行打 标系统。下面对常用激光打标系统和激光飞行打标系统进行简要介绍。 目 前市场上出现的常用激光打标系统的种类很多， 但是它的原理不外乎是利 用工件运动或者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相对较低， 但是成本也因为光路的固定不变而较 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， 它所标刻的工 件则要求是静止的， 利用计算机对扫描头中的两个振镜的控制来实现激光束的高 速扫描运动， 再通过可补偿偏转角的聚焦镜将光束聚焦到工件表面， 进而实现加 工目 的。 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 系统速度提高了不少， 效率也相对增加， 但是由于采用价格高昂的振镜系统， 成 本也相对上升。 以上常用的激光打标系统的明显的一个缺点就是激光束或者被加工工件必 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 - o n - t h e - fl y ) . 激光飞行打 标系统 采用了 高 速振 镜对 激光束焦点 进 行高 速振动， 同时对流水线的运动速度进行实时的检测， 计算机根据反馈回的信号计 算出流水线上被加工工件由于运动所产生的位移偏差，对振镜进行实时的修正， 进而实现完美的打标效果。本课题研究的目的就是研制上述激光飞行打标系统。 1 . 3 激光打标系统的发展趋势 由于激光打标技术所具有的种种优势， 因而成为现代化生产线上不可缺少的 加工设备。 激光打标技术目前主要有高 速、高 精细、 大加工面积、 彩色打标、 激 光飞行打标等几个发展方向。 激光打标通常为生产中的 最后一个环节， 因此激光打标的速度对整个生产的 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 效率有着很大的影响。 要提高激光打标的速度， 无非是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. 例如， 德国s c a n l a b 公司的系列振镜要比市场上普通类型反应速度快将近一倍。 高精细、 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， 而且雕刻图样清晰。 我国台湾某激光公司利用钦合金在不同功率的连续 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。 激光飞行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的补偿修正， 达到可靠的加工目 的。 这种加 工手段极大的提高了加工效率， 在国内 外都具有广阔的市场前景， 尤其在国内目 前仍具有巨大的发展潜力。 1 . 4 激光飞行打标技术的发展现状概况 目前国外拥有的激光飞行打标系统主要还是应用于非金属工件，如纸质烟 盒、 药品 盒、 塑 料包 装盒、 礼品 盒等。 由 于 这些材 料对1 0 .6 e u n 的 激 光吸收 较好， 所以 多采用c o z 激光器。 c o z 激光器以 封离式和射频c 仇激光器最为常见。 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 激光器的优点就显现的尤为突出， 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， 采用风冷式结 构，体积小、重量轻，结构紧凑，非常适合生产线上使用。 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标 刻， 可采用n d : y a g激光器， 可以达到很好的效果。 本实验室也采用半导体泵浦、 声光调q激光器进行了飞行打标的 研究工作。 1 . 5 激光飞行打标技术的应用前景 激光飞行打标系统采用计算机控制激光作为加工手段， 对生产线上的产品可 实时的进行可靠的动态标刻。 不但极大的 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化学腐蚀、 机械冲压、 喷墨标记 等方法不能比拟的。激光飞行打标系统的主要特点有: 1 .采用计算机控制技术， 不同的打标图样和效果操作灵活方便， 适应现代 化生产高效率的要求: 2 .采用激光作为加工手段，标记精细，耐久性好，但由于不同的材料对不 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 效率有着很大的影响。 要提高激光打标的速度， 无非是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. 例如， 德国s c a n l a b 公司的系列振镜要比市场上普通类型反应速度快将近一倍。 高精细、 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， 而且雕刻图样清晰。 我国台湾某激光公司利用钦合金在不同功率的连续 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。 激光飞行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的补偿修正， 达到可靠的加工目 的。 这种加 工手段极大的提高了加工效率， 在国内 外都具有广阔的市场前景， 尤其在国内目 前仍具有巨大的发展潜力。 1 . 4 激光飞行打标技术的发展现状概况 目前国外拥有的激光飞行打标系统主要还是应用于非金属工件，如纸质烟 盒、 药品 盒、 塑 料包 装盒、 礼品 盒等。 由 于 这些材 料对1 0 .6 e u n 的 激 光吸收 较好， 所以 多采用c o z 激光器。 c o z 激光器以 封离式和射频c 仇激光器最为常见。 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 激光器的优点就显现的尤为突出， 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， 采用风冷式结 构，体积小、重量轻，结构紧凑，非常适合生产线上使用。 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标 刻， 可采用n d : y a g激光器， 可以达到很好的效果。 本实验室也采用半导体泵浦、 声光调q激光器进行了飞行打标的 研究工作。 1 . 5 激光飞行打标技术的应用前景 激光飞行打标系统采用计算机控制激光作为加工手段， 对生产线上的产品可 实时的进行可靠的动态标刻。 不但极大的 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化学腐蚀、 机械冲压、 喷墨标记 等方法不能比拟的。激光飞行打标系统的主要特点有: 1 .采用计算机控制技术， 不同的打标图样和效果操作灵活方便， 适应现代 化生产高效率的要求: 2 .采用激光作为加工手段，标记精细，耐久性好，但由于不同的材料对不 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 效率有着很大的影响。 要提高激光打标的速度， 无非是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. 例如， 德国s c a n l a b 公司的系列振镜要比市场上普通类型反应速度快将近一倍。 高精细、 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， 而且雕刻图样清晰。 我国台湾某激光公司利用钦合金在不同功率的连续 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。 激光飞行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的补偿修正， 达到可靠的加工目 的。 这种加 工手段极大的提高了加工效率， 在国内 外都具有广阔的市场前景， 尤其在国内目 前仍具有巨大的发展潜力。 1 . 4 激光飞行打标技术的发展现状概况 目前国外拥有的激光飞行打标系统主要还是应用于非金属工件，如纸质烟 盒、 药品 盒、 塑 料包 装盒、 礼品 盒等。 由 于 这些材 料对1 0 .6 e u n 的 激 光吸收 较好， 所以 多采用c o z 激光器。 c o z 激光器以 封离式和射频c 仇激光器最为常见。 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 激光器的优点就显现的尤为突出， 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， 采用风冷式结 构，体积小、重量轻，结构紧凑，非常适合生产线上使用。 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标 刻， 可采用n d : y a g激光器， 可以达到很好的效果。 本实验室也采用半导体泵浦、 声光调q激光器进行了飞行打标的 研究工作。 1 . 5 激光飞行打标技术的应用前景 激光飞行打标系统采用计算机控制激光作为加工手段， 对生产线上的产品可 实时的进行可靠的动态标刻。 不但极大的 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化学腐蚀、 机械冲压、 喷墨标记 等方法不能比拟的。激光飞行打标系统的主要特点有: 1 .采用计算机控制技术， 不同的打标图样和效果操作灵活方便， 适应现代 化生产高效率的要求: 2 .采用激光作为加工手段，标记精细，耐久性好，但由于不同的材料对不 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 同波长的激光吸收率不同，根据不同打标的材料选择适用的光源; 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 .对环境没有污染，称的上是 “ 绿色加工” ，符合当今社会提倡的环保号 召; 5 对原有生 产线的正常运行没有任何影响，加工效率大大提高。 1 . 6 本论文研究的主要目 标 本论文研究的主要目 标是根据国内外激光飞行打标技术的发展现状， 紧紧结 合国内对这一技术需求， 开发出可以 对香烟、 啤酒、 药品、 饮料等进行飞行打标 的 激光飞行打标系统. 系 统中采用美国g e m的射频c o z 激光器、 德国s c a n l a b 的高 速振镜头及以 及基于d s p 技术的r t c 3 卡作为系统的主要组成部分， 提高 了系统的硬件可靠性. 采用便于界面编辑的vis u a l b 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， 对激光飞行打标的各个参数进行设置以 及对 飞行打标中的位移补偿量进行实时修正。 并对整个系统进行了大量的调试、 实验 工作， 对不同的激光飞行打标参数进行摸索， 为到现场调试做了前期的准备工作。 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 同波长的激光吸收率不同，根据不同打标的材料选择适用的光源; 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 .对环境没有污染，称的上是 “ 绿色加工” ，符合当今社会提倡的环保号 召; 5 对原有生 产线的正常运行没有任何影响，加工效率大大提高。 1 . 6 本论文研究的主要目 标 本论文研究的主要目 标是根据国内外激光飞行打标技术的发展现状， 紧紧结 合国内对这一技术需求， 开发出可以 对香烟、 啤酒、 药品、 饮料等进行飞行打标 的 激光飞行打标系统. 系 统中采用美国g e m的射频c o z 激光器、 德国s c a n l a b 的高 速振镜头及以 及基于d s p 技术的r t c 3 卡作为系统的主要组成部分， 提高 了系统的硬件可靠性. 采用便于界面编辑的vis u a l b 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， 对激光飞行打标的各个参数进行设置以 及对 飞行打标中的位移补偿量进行实时修正。 并对整个系统进行了大量的调试、 实验 工作， 对不同的激光飞行打标参数进行摸索， 为到现场调试做了前期的准备工作。 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 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。 用于激光打标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， 能达到最佳的光束聚焦效果。当光束半径为。 的激光束经过焦距为f 的 透 镜聚焦后，激光束在焦点处的光斑截面半径。 。 近似为: _a - i 山0局 尤 . m ( 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。 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 至可能引材料的开裂。 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。 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。 2 . 2 扫描头的控制 现有的激光打标方法主要有扫描式擞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， 即可达 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 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。 用于激光打标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， 能达到最佳的光束聚焦效果。当光束半径为。 的激光束经过焦距为f 的 透 镜聚焦后，激光束在焦点处的光斑截面半径。 。 近似为: _a - i 山0局 尤 . m ( 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。 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 至可能引材料的开裂。 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。 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。 2 . 2 扫描头的控制 现有的激光打标方法主要有扫描式擞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， 即可达 第二章 激光 匕 行打标技术的理论研究 到打标的目的。 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， 只要 材料对该波长的激光有较好的吸收， 就可以简单的使用打标和跳转两个命令实现 字符的标刻。 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。 由于本论文研究的目的是研制适合于生产线上产品批号、 生产日 期等的激光 飞行打标系统，要求具有极高的打标效率和打标速度，而且打标图样较为简单， 一般是数字和字母字符，所以采用了矢量式打标方案。 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 ( 0 , 0 ) a 跳转命令引起振镜的快速移动， 将激光束跳转到新的位置。在执行跳转命令 期间，激光束保持关闭，用户可以在激光飞行打标应用软件中设置跳转速度。 打标命令是使激光束沿着目 标矢量按用户设定的打标速度移动， 执行打标命 令时，激光束自动打开，在工件上产生直线标记。 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间隔 ( 输出周期 t )传输给扫 。每一个微步的长度 5 为: 5 =vt v 是当前的跳转速度 ( 或打标速度) 。输出 周期 t 通常固定在 l o ll s 并且 头中 描其 该 输出周期不能由用户修改。 矢量的微步分割如图2 -1 所示: 比 i x - i i t , i s -) 图2 - 1 矢量x分量的微步分割 图中x a 为扫描矢量前当前输出 位置的x坐标， x i 为矢量的终点x坐标，a t 为微步周期。 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 矢量在微 步分 割时， 微步 分割的 数目 最大 值限 制 在2 1 6 。 所以 ， 虽然分割 周 期固定在 l o g s ， 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 t s。 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 ( 诸如生产线起始阶段的加速过程、 停机阶段的减速过程以 及一些特殊生产线的高速运转等) ，高速的打标方案以及实时的打标修正技术自 然成为激光飞行打标技术中要解决的核心问题。 2 . 3 . 1 振镜式打标方案 振镜式打标技术是发展最快、 性能最好的、 典型的实现激光束移动的打标技 术。 其特点是速度快、 精度高、 能够实现各种图形、 文字和数字的打标， 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。图2 -2 振镜式 打标技术实现光束移动打标的原理; 又 一一一仁厂 梦 扮一 x s i h l 描 报 镜 图2 - 2振镜式打标技术原理示意图 图中入射光线照射到 x振镜上，x轴检流计根据所提供的电流大小控制 x 振镜的偏转角度。， ，在y 振镜静止的情况下，即可在像场中扫描出与x 轴平行 的矢量， 矢量的大小与偏转角度巾。 的正切成比 例。同 样， 在 x 振镜静止的情况 下，丫 振镜偏转角度中: 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， 从而实现矢里式或者扫描式的打标目的。 第三章 激光飞行打标系统的硬件组成及其设计 矢量在微 步分 割时， 微步 分割的 数目 最大 值限 制 在2 1 6 。 所以 ， 虽然分割 周 期固定在 l o g s ， 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 t s。 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 ( 诸如生产线起始阶段的加速过程、 停机阶段的减速过程以 及一些特殊生产线的高速运转等) ，高速的打标方案以及实时的打标修正技术自 然成为激光飞行打标技术中要解决的核心问题。 2 . 3 . 1 振镜式打标方案 振镜式打标技术是发展最快、 性能最好的、 典型的实现激光束移动的打标技 术。 其特点是速度快、 精度高、 能够实现各种图形、 文字和数字的