（凝聚态物理专业论文）阵列式在线激光打标机的研制.pdf

摘要 激光打标机是集激光、光学、枫械、电子和计瓣枧等技术于一体的机电体化设 备。它利用高能量密度的激光束程物件表丽制作永久性标记。已经在很多领域取代传 统魄打标方式j 成为常规的l j h _ - i ：方式，甚至形成掰盼工业标准。 目前在线激光打标有蓿很大的市场前景，国内外激光打标行业在此领域竞争十分 激烈。当静在中低速激光瓤“括领域圈内激光打标行业和因夕 同雩亍业不橱上。f ，丽速废 高于2 5 0 字s 的高速激光打标领域一直被圈外所垄断，国外采用的阵列式在线激光打 标枫标避速度最蠢可达2 0 0 0 字秒，能够瀵足速度强7 m s 以上的生产线蛇 丁拣需要。 为了打破简速激光在线打标机市场被国外垄断的岗面，我们在河南省高校杰出人爿呛0 毅工程“篱速在线c 啦激光打标极”项目经费的支拷下，开始磋制我们自邑靛具霉囊 主知识产权的阵列式在线激光打标机。 本文对阵列式在线激巍打标系统的磺制过程进行了全藤的讨论，着重会绥了打标 机系统的懿体设计以及字符采集模块和输出模块具体实现。主要内容如下： l 、分振了国内外激光加工业姆别是激必打标搬及其市场琨状、发展趋势和市场 前景。 2 、对阵列式激光打标机系统遴行了整体设诗。 ( 1 ) 控制系统的设计 ( 2 ) 集成化竞路传输福台系统豹设计 3 、针对阵列式激光打标机采用字符的点阵信息打标的特点，丌发从矢量字库提 墩字符款点| 毒信息躲较 牛系统。安现了对不同字髂、字号据掭字终点终售惑黪提取。 4 、解决了w i n d o w s 下微秒级的精确定时问题，实现了用微机遇过软件对激光器 蜂列的糖旗调制。傈涯了黪列式在线激_ 兜努标援竣凌稳定豹寒频率激党歇冲。 关键谒： 阵列式激光打标机：在线打标；c o ：激光器；精确定时；矢量字库 a b s t r a c t l a s e rm a r k e ri sa ne l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i n ge q u i p m e n t r e f e r r i n gt ol a s e r ，o p t i c s ，m e c h a n i s m ，e l e c t r i c i t y ，a n dc o m p u t e r ， w h i c hm a k e s p e r m a n e n t m a r ko nt h es u r f a c eo ft h ew o r k p i e c e b y h i g h d e n s i t yl a s e rb e a m n o wi th a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s o f i n d u s t r y m o r e o v e r ，l a s e rm a r k i n g i s r e q u i r e db y t h en e w i n d u s t r ys t a n d a r d a tp r e s e n t ，o n 一1 i n el a s e rm a r k i n gh a st h eb e s tp r o s p e c ti nt h e l a s e rm a r k i n gm a r k e ta n dt h er i v a l r yb e t w e e nt h ed o m e s t i ca n dt h e f o r e i g ni sd r a s t i c i nt h el a s e rm a r k i n gb u s i n e s s f o rt h em o m e n t ， t h ed o m e s t i ci sa 1 1 s q u a r ew i t ht h ef o r e i g ni nt h em i d d l ea n dl o w v e l o c i t yl a s e rm a r k i n gf i e l d ，b u tt h eh i g hv e l o c i t yf i e l dt h a tt h e v e l o c i t yi sh i g h e rt h a n2 5 0c h a r a c t e rp e rs e c o n di sm o n o p o l i z e d b yt h ef o r e i g n n o wa r r a y e dl a s e rm a r k e r ，t h en e wp r o d u c to ft h e f o r e i g n ，c a nm a r k2 0 0 0c h a r a c t e rp e rs e c o n d ，w h i c hc a ns a t i s f yt h e u s e rw h o s ev e l o c i t yo ft h ep r o d u c tl i n ei s h i g h e rt h a n7m e t e r s p e rs e c o n d i n o r d e rt ob r e a kt h es i t u a t i o nt h a tt h e f o r e i g n c o n t r o l st h e h i g hv e l o c i t yf i e l d ，w eb e g i nt or e s e a r c ho u ro w n h i g h v e l o c i t y l a s e rm a r k e ru n d e rt h e s u p p o r t o f t h # o u t l a yo f “i n n o v a t i o np r o j e c to ft h eo u t s t a n d i n gt a l e n t si n h i g ha c a d e m y i nh e n a np r o v i n c e ” t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ew h o l ep r o c e s so ft h er e s e a r c ho ft h e a r r a y e do n li n el a s e rm a r k e r i tm a i n l yi n t r o d u c e st h e d e s i g n o f t h ew h o l es y s t e m ，t h er e a l i z a t i o no ft h ec h a r a c t e rc o l l e e r i o nm o d u l e a n dt h eo u t p u tm o d u l e t h es u m m a r yo ft h i sa r t i c l ei sa sf o l l o w s ： 1 t h e d e v e l o p m e n t o fl a s e r i n d u s t r y ，t h ep r o s p e c ta n d t e c h n i c a l l ya d v a n t a g e so fl a s e rm a r k i n ga r er e v i e w e d 2 t h e d e s i g no ft h ew h o l es y s t e mo ft h ea r r a y e do n - i i n el a s e r m a k e r ( 1 ) t h ed e s i g no ft h ec o n t r o l s y s t e m ( 2 ) t h ed e s i g no ft h e i n t e g r a t i n go p t i c a lt r a n s p o r ta n d c o u p li n gs y s t e m 3 t h es 。f t w a r e w a sd e s i g n e d u s e dt og a i n t h el a t t i c e i n f o r m a t i o no fa n yc h a r a c t e rf r o m t h ew i n d o w sv e c t o rf o n t b a s e ， 4 r e a l i z e dt h eh i g h p r e c i s i o nt i m i n g u pt o1 2 2m i c r o s e c o n d a n d r e a li z e dt h ea c c u r a t ec o n t r o lt ot h el a s e r a r r a y ，e n s u r et h e l a s e rm 8 r k e r t o o u t p u t t h es t e a d y g o i n gh i g h f r e q u e n c y i m p u l s e s k e yw o r d s ： a r r a y e dl a s e r m a r k e r ，o n l i n em a r k i n g ，c o zl a s e r ，h i g h p r e c i s i o n t i m i n g ，v e c t o rf o n t b a s e l 第+ 章绪论 第一章绪论 1 1 概述 激光由于具有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度，四十多年来，以激 光器为基础的激光技术得到了迅速的发展，现已广泛应用于加工、医疗、军事、通讯、 检测、娱乐等各个领域，并形成了巨大的产业体系。激光具有巨大的技术和市场潜力， 1 9 8 5 年到1 9 9 5 年间，国外激光产业每年以1 0 的比例增长，1 9 9 8 年全球激光产业的 销售额达到9 7 0 亿美元，2 0 0 0 年全球激光产业的销售额则激增至1 0 0 0 亿美元，专家 预言到2 0 1 0 年世界激光产业的产值将达到4 0 0 0 亿美元。有人甚至认为，下一代将 是“光技术时代”。激光作为光技术应用的主角将会在未柬世界经济发展中起着至关 重要的作用。 激光加工、激光通讯、激光医疗是激光技术应用中最重要的三个方面。其中激光 加工是激光应用中发展最早且最有发展前途的领域，国外已开发出几十种激光加工技 术。并且由于激光具有良好的空问控制性和时问控制性，对加工对象的材质、形状、 尺寸和加工环境要求的自由度都很大，所以激光特别适用于自动化加工。 激光打标是激光加工领域的一项重要应用，它利用经过处理的激光光束照射在材 料表面，光能瞬问转换为热能，使工件表面材料瞬问融熔甚至汽化，从而形成相应的 图案和标记【2 】。激光打标技术是当代高科技激光技术和计算机技术的结晶，已被广泛 的应用于对几乎所有材料进行标记，包括塑料与橡胶、会属、硅晶片等。激光打标与 传统的机械雕刻、化学腐蚀、丝网印刷、油墨打印等方式相比，具有成本低、灵活性 高、可以 _ f 算机系统控制，标记牢固持久等特点 2 - 4 1 。利用激光打标系统可对大批量 生产的工件首先实行产品单个识别编号，然后以条形码或者二维码阵列方式标在产品 上，从而极为有效的帮助实施生产工序控制、质量控制以及防止假冒产品。激光打标 应用领域非常j “泛，包括电子工业、汽车工业、医疗产品、五金工具、家用电器、f = i 常用品、标签技术、航空工业、证件卡片、珠宝加工、仪器仪表以及广告标牌等。激 光打标机既可大批量的应用于自动化生产线，也可单台使用，可在平面、弧面、飞行 物及大幅面物件打印各种文字、符号、图案及条形码，其打标软件多采用w i n d o v s 界面和菜单结构，易学易用。激光打标自7 0 年代术期，丌始应用于工业加工，8 0 年 代在欧美：i ：业国家获得广泛应用，近年来由于其卓越的性能已经被世界各国广泛应用 于各个行业，在很多领域已经取代传统的打标方式而成为常规的加工方式，甚至形成 新的工业标准。i s 0 9 0 0 3 国际质量体系认证已经明确要求在食品、饮料、烟酒等行业 中使用激光防伪标记。 第一章绪论 1 2 激光打标机的发展背景 激光打标机的发展和兴起主要是源于传统打标技术的缺陷，得益于激光打标技术 的优势。瘁节主要从传统打标技术的缺陷、激光打标方式的优点两个方面进行阐述。 121 传统打标技术的缺陷 传统的打标方法有字模冲压、印刷、电腐蚀等，这些打标方法往往都有一些缺点。 这些缺点主要有： l 、字模冲压由于是接触式加工，加工后的零件容易产生内应力，字模的制作和 改变比较困难，且一般只能用于金属材料的打标。 2 、印刷的标记其附着强度往往有限，因此其标记的寿命往往不长( 特别是在会 属材料上) ，且其加工过程容易产生环境污染。 3 、电腐蚀加工方法只能对金属材料进行加工，加工过程容易造成环境污染，且 其加工速度较慢，不适于大批量和流水线加工方式。 1 2 2 激光打标的优点 激光打标机运用激光的特性，结合了计算机和控制技术，使其与传统标记方式相 比，具有无可比拟的优越性： 1 、非接触式打标，没有机械力，加工材料不变形，受损小。 2 、可靠性高，打标深度 = 8 m m ，激光标记具有抗磨损、不褪色的优点，标记清晰、 持久、永不磨灭。 3 、打标速度快，速度可达3 0 0 0 - - 7 0 0 0 m m s ，甚至达到9 0 0 0 m m s ，通常的打标 过程均可以在数秒内完成。一个标准计算机键盘的打标可以在1 2 秒内完成。 激光打标系统均配备计算机控制系统，可以与高速流水生产线灵活配合。 4 、打标精度高，激光打标的点直径可达0 0 2 m e ，最小打标字符0 5 m m 。 5 、适用范围广，激光打标可以在钢铁、铝、铜、钛、金银等不同会属与合会的 表面及陶瓷、玻璃、塑料、橡胶、木材等各种非金属的表面刻下永久标记。 6 、无污染，无噪音，无耗材，节省能源。 7 、采用激光打标技术制作出的标记仿制和更改都非常困难，在一定程度上具有 很好的防伪作用。 8 、标记灵活，由于激光和计算机技术的结合，用户只要在计算机上编程，即可 实现激光打标输出，并可随时变换打标设计，从根本上替代传统的模具制作 过程，为缩短产品升级换代周期及柔性生产提供了有力工具。 9 、加工产品精细、美观，激光标刻能在各种会属与非命属表面形成的具有立体 效果的字画。激光标刻的文字字形端f 工整，线条流畅大方，字体美观雅致， 第一章绪论 所刻图案不失真：能保持原图的创作风格及图形原有的神韵。采用激光标刻 的产鼎，美观、大方，具有很好的视觉效果。 1 0 、维护成本低，激光打撂是非接触式打标，不受通常模具手丁糠骢疲劳镬用海念 的簸澍，在批量施工使用中的维护成本极低。 1 l 、操作简单，使用微机数控技术能实现自动化加工，能用于，土产线上对零部件 进行商速度、高效率地加工，缝作为柔性加工系统中的一部分。 1 2 、傻弼精密工佟台熊避行穰爨徽翔工，使嗣显徽统或摄像系统，能对被藤王表 面状况进行观察威监控。 1 3 、可穿过透光物质( 如石英、玻璃) ，对其内部零部件进行加工。 1 4 、霹以霉l 遥棱镜、爱凳| 缓系统、毙绥系绞或波譬罄系统遮光寒凝集到工馋戆爨 表丽缄倾斜表面上进行加工。 由于以上特点，激光打标技术正逐步得到国内外企业界的重视和采用。特别魁九 十年代以蜃，髓着激光打据技术静只趋成熟、激光打撂没鍪的不鼗完善以及市场瓣这 新技术淡谈的目益加深，邂由于它所蕻有的明显优势，激光打标技术在国内外得到 越来越广泛的应用。著名的美国i n t e l 公司在推出耨代计算机c p u 芯片p e n t i u m m 、 p e n t i u mp r o 及p e n t i u mm m x 时，就采用了激光打标技术，在每一个芯片的表面制作 标避。 1 3 国内外激光加工业现状 1 3 。1 国癸激光绷王瑰技 根据激光集锦报导，世界激光器市场可以划分为兰大区域：美国( 包括北夔) 占5 5 ，欧洲 譬2 2 ，同本及太平洋地区占2 3 。5 0 0 瓦以下的中、小功率激光器焚图 占捷势，5 0 0 琵以上臻予材瓣鸯瑟工静毫功率激竞器德嚣占佬势，瑟小功率豹半导体激 光器则f 本占优势，占世界市场的7 0 毗上。美国、同本、德国三个豳家激光产烛的 技腱代表了当今世界激光产业发展的趋麴。同本在光电子技术方碰占首位，在激光医 疗及激光检测方嚣，美国占蓠位，嚣在激光橱料掘工设备方面则是德豳占首位。 ( 1 ) 美鬻建篷赛上最攀建立激先翮互漆豹霞家，许多加工蛄建立于2 0 世纪7 0 年代中期，1 9 9 5 年世界销售的激光加工系统为1 9 5 0 台，其中美国6 4 0 台，占3 4 。 荚翻在激光加工中主要使用c o ! 激光器和n d ：y a g 激光器；其中，旗2 光器5 8 月j 于 切裁，1 2 臻予簿接，t l 篱瘸子标淀，l 诱瓣予热处瑾，其它为1 8 ；n d ：y a g 激光器2 4 用于焊接，3 9 用于标汜，7 用于切割，1 8 用于微电子加工，3 用于t h l ，其它9 。 1 9 9 8 年的统计结果表明，荧因激光加工站的年收入己逾6 0 一8 0 亿美元，激光加工站 己筵遭1 7 6 5 家p j t 这对予在荚罄推广激光趣工按零蕊饕重要熬终臻。 第一章绪论 ( 2 ) 二卡嫠纪，卡年代翻，疆本产监爨稷缀采瑗激光热王，并逐多扩大到激光 焊接。统计表明，同本占当今世界上工业用激光设备的3 0 左右，激光加工是同本重 要的基础制造技术之。r 本现用予材料加工的激光器有大功率二氧化碳激光器和 n d ：y a g 激毙器，雄分子激光器也已使翊，款玎发匏气髂激光器有波长1 0 。6 微米二氧 化碳激光器、波长5 微米氧化碳激光器、波长1 3 微米的碘激光器及二极管泶浦的 全霞念激光器等。5 轴或6 辘三维激光锈害l 棍器入已在霜本汽车、枕械、奄枫蓬工中 大显身手。同时，激光焊接在同本电子、电帆、汽车、车辆零部件、办公自动化机器 等小件、大批量生产中得到迅遮发展，闩本产业界融经把激光焊接成功应用在生产线 上。残本以5 k w 及l o k w 二氧化碳激光烬代替了闲光慰焊进行刳钢业轧钢卷专才的连接， 在板材、铜管、高级薄型不锈钢制造时，与高频电焊、t i ( i 焊相结合，保证了质量的 稳定往 ”。并置，麓本氇致力予逶行激光超薄板簿绥的磺究，翔缀厚f1 0 0 徽米以下静 箔片无法熔焊，但通过有特殊输出功攀波形的y a g 激光焊接得以成功，显示了激光焊 接的广阔前途。 ( 3 ) 德国是欧洲熬送激光麴工产照发震最抉携国家，特别蹩激光辑$ ：4 ) j n 3 t 方露 处于世界领先的地位。根据德豳机械制造协会懒光材料加工工作联盟1 9 9 4 年的 统计，嗣予奉孝料加工的光源( c o ! 和y a g 激光嚣) 慧共生产了1 3 6 4 台，产值1 6 5 亿 马克，比1 9 9 3 年增长1 3 ，激光器件台数增长了3 9 。特别是用于标记和牙科方面的 小功率激光器即y a 6 激光器出现了超比例的增长率。因此，德国用于加工技术的激光 器毫予戳 ； f 任舞孵期。当瓣弱予秘秘攘工戆毙源，德嚣金娩几乎占了氆器枣弱敬4 0 ， 处予领先地位。谯激光光源方胤c o ：占4 2 ，n d ：、h g 占3 5 ，在激光系统方面c 0 1 激光 糯王系统占5 6 ，y a g 激光加工系统占4 0 。德国为了推广激光加工技术，除了建立9 个圜家级激光中心外，远大量建立激光加工站；同时在大、中、小型企业积极建立激 光加工生产线，例如：大众汽车厂的齿轮激光加工生产线；t h y s s e n 钢铁公司的轿车 底叛激竞砉箨焊生产：线；瑟f l 子公司建立了线瞧季| 线激光点焊璺三产线，接轻器铁芯、纭 铁激光焊接生产线，集成电路激光微调生产线及半蹲体硅片激光氇化及退火生产线等 1 5 1 。 1 3 2 我国激光加工韭发袋琨状 在1 9 6 0 年荚因贝尔实验室发明红宝石激光器一年后，我国第一台红宝石激光器 在长春光枫所诞生，从此以后，我国穗激光器和激光应用技术研究方面取得许多的成 果。激光技术豹礤究是我酱移学爨最涎跃豹领域之一，取终了 毒：多具毒羧赛影霸懿辩 研成果，在世界上具有一定的地位。假出于受我国工业基础的约束等，激光器件的光 梳宪一体纯程度慧，曼没有形成产妊化，直羁进入丸中年代激光产业彳。有较快的发展。 第一章缝论 国家“六五”至“九血”期f 刚对激光技术基础研究进行大力投入，目前北京、：海、 武汉三建已经形成孛霆激光磅究应翅熬三是鼹立之势 6 l 。握统计，我强激竞产业豹憩 销售额在“八弧”期问达到1 2 5 3 2 亿元，平均年增长率达2 3 3 ，其中擗在第一位 的是光存储，第二位是测距、准直，第三位怒激光医疗，第四位魁激光加工设备1 6 j 。 瓣藤我豳激光积工设备产_ 泣逐渐走离或熬。1 9 9 t 1 9 9 8 年销镰颤年均4 0 的速度 递增，1 9 9 5 年我国激光加工设备销售额为7 3 2 6 万元，1 9 9 6 年、1 9 9 7 年、1 9 9 8 年增 长率分别为秘s 、2 7 、2 1 ，2 0 0 0 年增长率为2 0 ，2 0 0 0 年魏激光撩工设冬销售额 为2 2 9 亿元。预计“十五”期0 | ，大功率激光切割、焊接设备在汽车业将会成倍增 长，激光熔敷将会在汽车、船舶、轨钢等行业肖一定的】燕用，专业从事激光切割切扳、 不锈镳板的趣工灞将会增自b 狰。8 1 。臻魏，高档次的激兔髓裁、霹谈设备主要游霞矫厂 商垄断，竞争十分激烈。 璇投撂翟步 激光秀l 王密场疆讨余题终的绞讨，耨避疆年懿产壤列举熟下： 表1 - 1 全球激光加i 系统睾肖售额( 卣万荧元) i 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 0 c o z 7 5 6l l o o1 2 7 5 ( 1 5 篙)1 3 7 0 ( 8 )1 5 0 0 ( 9 ) i y a g4 6 88 9 09 7 8 ( 1 0 )1 0 8 6 ( 1 1 )1 1 9 5 ( 1 0 ) 其它 7 39 蛰( 2 3 篱)1 3 i ( 5 溅)1 7 5 ( 3 0 ) 总计2 0 6 32 3 3 8 ( 1 3 )2 5 9 1 ( 1 3 )2 8 7 0 ( 1 1 ) 从表卜1 可簧出，激光加工系统的销售额以年均1 3 的增长率增长，露半导馋激 光器、半导体泵浦固体激光器、准分子激光器加工系统增长更快，这反映崮微电子工 业、通讯工业及微光机电一体化系统的发展需要崭新的加工手段柬满足制造上的需 求。我鏊激竞翻王系统枣珑也疆蔷鬻氏经济豹发震逐年增长，下嚣将9 2 9 8 年馥镶 售额列出( 见表1 - 2 ) ： 表卜2 我国激光加 ：系统销馋额( 万元入币) 1 9 9 21 9 9 31 9 9 4 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 8 l 总计 3 1 2 3 3 9 4 84 6 4 27 3 2 61 2 2 8 71 3 1 3 81 5 8 9 8 觚表l 一2 霹看爨我瓣激先翻王系统产鳘1 9 9 8 年终为1 6 0 0 0 万元，耱对1 9 9 7 年增 长2 1 ，可以说应用面发展很快。特别是y a g 激光加工系统比上一年增长了6 0 7 ( _ 0 t 达到9 0 9 4 万元，高速增长鑫句主要原因是￥a g 激光焊接钒酾激光毒蠡避系统得到飞速盛 用，其主要市场建电池激光封焊和电子元器件激光标记。从这罩可以看出，我国电予 工业的高速发展给我国激光d n 2 i ) i k 带来了巨大推动；同时，我国激光加工系统的闩益 完善、震量提毒氇绘我餮毫子工壁带寐了喜添，这样，霹鞋不需簧采赡价格舔贵躲避 口激光加工设备，给运行、保养、零配件更换、维修、服务带来诸多方便。 第一章绪论 我国激光加工的应用领域与国外有所不同，为便于比较，把1 9 9 8 年的应用情况 列在表1 3 t 弘 i 应躅领域销磬额( 万元)繇占毙搠- l 激光切割 3 0 2 98 9 i 激光热处理4 8 0 81 4 1 激光标记 1 7 5 4 55 1 5 l 激光焊接 5 6 3 91 6 8 l 激光打孔 3 3 0 1 f 其它3 0 0 l8 8 表1 3 2 0 0 0 平激光加i ：府h j 销售额表 觚表1 - 3 可戳看盘，激光标记( 打标) 所占的院饲最大，在激竞耱工领域静魂位 缀重要。从我国1 9 9 8 年销售总额l + 6 亿元人疑西番，与飚终1 9 9 8 年销售总额2 5 9 亿美元( 约合2 1 0 亿人民币) 比较，说明我国的重要工业领域采用激光加工系统对传 统工业进行彼术改造有稽当大的空阊。不采用先迸的激光铕造系统将穰难应j c 于我豳进 入w t o 带寒黥国终产晶黠孛爨泰场豹冲毒，曩慰麸枣埂发鼹瞧充分瀵明我国麴激光抽 工系统有相当大的发展空间。 。4 激光打标分类及其国内应用及研究现状 l ，4 1 激光打标的分类 一般激光打标是在计算机控制下，使工件与激光束发生相对运动：同时控制激光 柬在工件表面烧蚀出需溪的符号和潮案。理论上说只簧能实现激光与工件之问的鬣控 撩霹运动，裁霹实现激滗 丁糠睁”。瑟戳现在豹激光抒耘领域存在羞番式蚤群豹激光 打标机。 l 、根据激光柬运动与否 定光式：激党柬露定、工俘运动； 动光式：激光束运动、： 件固定； 2 、根拥光源来划分 e o ! 激光打标梳 主要是耀寒加工婺金属楗料。 y a g 激光打杯机 可以加工会属材料和大部分非金属树科。 踺分予激光争f 标橇 第一章绪论 主要用于电子工业和医疗器械方面。 近年来随着半导体激光器的成本的下降，出现了一种新的激光器即半导体激 光泵浦y a g 等激光晶体，产生1 0 6 4 n m 龅激光，其特点是1 0 0 0 0 小时免维护，体 积小，光束质量好，不需要冷却系统。 3 、根据打标方式分 a ) 掩模式激光打标机 掩模式激光打标机的原理是用大幅面的激光光束通过由特殊材料制成的镂 空的字模照射在材料表面形成相应的标记，这种打标机打标速度快，但打不同的 标记需要更换不同的字模，并且打标过程中大部分光被字模挡掉造成不必要的浪 费，目前这种打标机讵在逐渐被淘汰。 图卜1 掩模式激光打标机原理图 b ) 振镜式激光打标机 振镜式的原理是通过控制反射镜的转动控制激光光束在材料表面上移动从 而打出相应的标记。这种打标特点是既能打普通的点阵图案也可打精美的矢量图 案，是当前激光打标的主流。但这种打标机对器件的机械工艺要求很高，目前国 内的产品在精度和寿命上和国外还有很大差距。并且如果用于在线打标，其标记 速度会受到很大的限制，不能满足高速生产线的打标需要。当前这种打标机主要 用于静态打标、雕刻或低速的在线打标。 图l 一2 单维扫描振镜 图卜3 双维扫描振镜 第一颦缝论 * _ 一一 c ) 阵弼式激光打标枫 阵列式打标主要髑于在线羽杯，其原理是用多根并行排划的激光器闻时输 爨，聪会登三产线魏移动，在糖糕表蕊打密辐应鳃惠薄稼记。蕊褥点跫标记速度绦， 努标遮发爵达 2 0 0 0 字蒋s ，靛够满避怒速在跤抒标躲要求。强酋，薅模式鞠菝 镜式激光打标机国内已有自己的成熟的产品， i f i i 阵列式激光孝丁标机目前只有英圆 多米灌公司戆够叠三产，徐嵇暴奏。簿套嫠傍3 0 万元发右。 纂藏纯稽辕盼藜寝+ 幽1 - 4 阵列式激光打标机原理幽 t 4 2 应用聪状粒讲究现状 a ) 不瀚光源滋宠打栎税静主要皮褥镁域： 激巍器毒绥应露i 集残毫鼹( 1 e d 、彀夔、邀吝、熬投、彩蓉| r 龟予王渡 惫装工髓饮料、标签、药品、食晶 i r 电予工业i e 、键擞、玎关、控铡西板、用户专项i l 汽车工赃会缓穆、仪袭投、工其、臻其| i 匿疗器缀铸话、容器、注射瓣 i 航空工业显示、愈属件、电缆f l 漆分予龟予工业电容、飞辊电缆 | 送疗器泼插入替餐l 表t - 4 不瞒光源激光打标枫豹癍王封擞域袭 b ) 疆翦隧内激光 ，栎孛趸的主要生产厂窳耷： 武汉擎z 戳技产登载徐有藤公司、中耀大菹( 鬃隧) 有溪公蠲激必工程势公霉、 深圳市大族激光科技股份脊限公司、北京志恒达( 激光) 科技有限公司、武汉憋天激 毙( 集戮) 投谂霄隈公司、广髑安特激光技术有凝公司、涎毒会建斌鼙槛械有限爨 _ 薹 第露臻诧 _ _ * h “_ _ _ h _ _ _ _ h n _ _ _ _ _ m 一 _ h h _ ，_ _ _ * 一 公司、南京大恒毙惫按术有袋公蔼、二海激光总公弱、深绸泰穗激光辩按有袋公司、 深圳带星辰激光技术有限公司、上海激光技术研究所、广州瑞通干取激光设备有限公 司：南京中街激光设备有蔽公司、河南大学光电予技术褥究所、中国辩学院合瓣智怒 视械薅究氍；其巾滁了露隶辱 纛激竞设餐囊袋公霹、浮囊大学竞怒予技术繇究繇、中 幽科学院食肥智能机械研究所、河南金娥烟草机械商限责任公司掇供掩模式激光打标 辘之羚，冀蠡蠹厂1 家生产豹产潞都是c 0 2 域￥矗g 振镜式激毙蠡梅掇，缓至嚣翦嚣内还没 有薄剜式激光抒猿褪及类 羧产瑟瘩理。嚣1 ； 因内生产懿激毙努撂搴强主簧瘫矮予在线翔1 标和激光雕剿，其中静态的激光标记釉雕帮詹多。 当翦在线打栋是强魏激光打标的蔓撩方内，市场# 口景很大。聪缀观圈内所搿打标 枫生产| r + 家，其产晶采耀豹激毙器豹萋笈频率都在t k - - 5 0 k h z 之翊，毙源多暴髑蘩 频 c 0 2 激光器或n d ：y a g 激光器，采霹鹣搦籀辍镜大酃为毯岁 逶霜藏瀵扫攒摄镳，打轹 速度最快线速度7 0 0 0 m m s ，般都在2 0 0 0 m m 3 0 0 0 m m s 左右，售价在2 0 到4 0 万人 民币之阐。幽予国内生产厂家采躅的核心豁佟，激搬器秘振镜大都楚慕溺餮外产瑟， 所竣当裁戮外厂家迮哭楚崧轲耘耩度、戏宽、定寝精菠、持续工俸对闽、产蒹奄余等 指标上优予嘲内同档次产晶，在打标速度上和国内产品不相上下。 遮羞工照鸶魂琵按零豹撬麓，_ i 驻溅程中生产线翡迷菠越来越挟，警翦激党打栋 辍豹蛰拣逡发墨纛法滚蹩蘩整离速浚拳绞兹 睾鲎嚣娶。繇眭舞餐德鬻激竞露椽毒趸淤在 线打标速度，融经成为当前激光打标梳研究的焦点。戮前西外解决打标速度的方法楚： 1 、撼离振镱蠡冬扫撼速鬟。2 、袋翅撬摸妓激光打振搬。3 、采曩糖溅熬媾刭式激光打 标凝。嚣围内燃鬟要采臻| i 疆耱方法寒黪决。瞧曩# 絮建熟援镜麴季簟攥逮痉受精密撬 城撩工精疼鞠榜粉本身骥艨程瓣密度鹣隈鞭，并不缝够大禚度静旋离抒栎穰抟在线达 栎速度。掩模式尽管打榕滤度缎快，但熟工佟原理决定了该方式会造成大量的能源浪 费，而这对予大撤量流承线俘渡敬公司众娩寒说浪费楚爱大兹。潮此，鹾割我们鑫己 黪魏有鑫主翔谈产毅懿簿戮式激走打标瓤势在痊符。 。5 本硬爨意义、来源疑袋究的嚣标爽容 1 5 i 埂霾纛义 阵列式猩线激光打栎机是熊光、机、电于一体的黼科技产品，猩在线打标方馘特 期怒离遮在绒打标方瑟毒糖其它舞标襁不蜀蛰我懿俘鞭，嚣蘸翟鹨交予技术秘浚会懿 辍裁还没袁类 甄声晶窭凌，鬻癸篷只蠢茨澄稳多寒塔公司簌够生产，文予生产秘链整 的垄断，阵列式激光舞杯枫价格昂贵，避遴裔于其生产成本。在滔前高遂在线打标杭 的帝场纛求与麓剧增的情潋下，生产我豳鑫己的具鸯彝主熟识产权敬赡剐式激光打抹 樵，聿3 破因辨公司的垄凝餍愆，对我溺的经滂发震撼蠢十分重要懿懑义。 。肇- 第一章绪沦 1 ，5 2 项豳来源 在线激光打标系统悬出河南省激光皮糟重点实验室研制开发的一个项目。该项目 由河南省高校杰燃入爿剖新工程鏊念支持，主要蹙为了实现高速在线激光打标，改变 目前国内高速在线激光打标被困外产品蘩断的局筒。同时也是为了满足市场上不同的 打标要求翁开发的翅诗箕极控制的激光打挺系统。 1 5 3 研究目标 l 、打标橇系统设诗蠢稼 a ) 选取合适的激光器以保证系统达到打标要求的光荣质量和脉冲频率，且能够 稳定工作。 b ) 研制合适的光路传输及聚焦系统将激光束从激光器输出窗口引导至加工工件 袭谣，并在被夯瓣工部位获得所需形狡、尺寸及功率密度的加工光斑。 c ) 研制合适的控制系统满足对激光器阵列的精确控制，确保检测系统能对生产 线中的打标工件准确裣测，不掇豌漏捡现象。 d ) 设计合适的电路系统及冷却系统能够保i i e 打标机能够稳定工作，且能适应复 杂的工娩 乍监环境。 2 、打标软件设计目标 a ) 实现灵溺提取字符点阵僚崽的功挠。 b ) 实现高速在线点阵字符的打标功能，且标泡字符奖观。 c ) 实现输岛仿真功麓，方矮现场调试。 d ) 界面友好，操作方便。 1 6 该项目技术重点和难点 i 、激光器f 强源阵列的快速、精确调制 如何保证控制系统输出稳定的高频脉冲控制信号，以实现对激光器阵列豹 精确调制怒决定项蟊成败的关键技术之一。 2 、打标字符点阵信息的提取及打标字符字体和字号的变换 阵列式激光打标祝打标采用的是打标字符的点阵信息，传统的点阵字库 都很有限，不能满足打标字符灵活变化的嚣要。如何快速提取不问字体字号 的打标字符鲍点阵信怠，是实现丰t 标的又一关键戮素。 3 、光路传输耦合系绞的研制 如诃傈证从激光器阵列输出的激光能够最终会聚到起，输出精度为 0 0 2 m m 的字符点阵。是决定该项目成败的男一个关键因素。 1 0 第二章阵列式在线激光打标机的系统殴计 第二章阵列式在线激光打标机的系统设计 2 1 阵列式在线激光打标机的打标原理 熏藏纯光传赫褥套系统一 鹜2 一l 薄秘式激毙努耘橇静濠理鞫l 上图为阵列式激光打标枫的打标原理图，激光器阵列输出的激光经过集成化光传 输耦合系统靥成一列照在工件的表面( 如下图所示) ： 生产线移动方囱 仲 表 嚣 楚2 - 2 黪捌式激毙打拯辍熬黎理鹜2 激光器阵列沿蠖直方向打点，生产线沿水平方向移动，这样通过控制激光器胯列 在需要优标配的地方打点，不需要的地方忽略，从而可以在工件上打出相应的标记。 2 2 阵列式激光打标的系统组成及其工作原理 阵列式激光打标机怒光、机、电一体化的产品，由激光器酪列、激光电源阵列、 光路祸禽系统、控潮系统、冷静系统、来件检瓣系统、紧急箭动系统几部分组成。由 于在陈列式在线激毙打捧规中，冷龆系绞、寒俘检测系统、紧急肇l 动系统耀露来键毖 激光器阵戮方向 煞二章簿到式在线激燹 标枧娓暴绞没计 较简单，我们就从广义上嘏他f f f ： 归入了擦镶系统。逡榉，从总体束讲，簿裂式在线激 光打标机幽光学系统和控制系统两大部分组成，其中光学系统包撼激光器和光路传输 镬合系统。 洼：辍篱擎头”焱豢激竞萝零 鬃箭头”控制售号羲冷帮逮路 图2 - 3 阵列式在线激光打标系统椴幽 謦2 - 3 掰示为薄弼式在绫激竞打橛系统琢理禚搿，冀中耱蕊头代表激光巍寨，缀 簿头我表投翻信号或冷警遴鼹。生产线上瀚籍辍工静遮凌裂蠡搽王终嚣霹，梭溅系统 将向微处理控制器发送一个信号，微她瑗控制器接收到信号后，向激光电源阵列发送 羟到信号。浚鞠激毙器黪裂按照撂耘簧求羧密激光。激光瓣菱爨瓣激光经出光鼹辐合 秘簧浚系统入麓鬟聚焦遴凌并聚焦到狂拣王佟主，麸掰在蠡糠工 孛主栎汪鑫鞠应爨字 符或胬案。在激光器工彳鬻：i 建程中，霞英会产生大量的热鬣，为了谦诫箕币常工作要逮 过打梃机冷湖系线对其避行冷蝴。 2 ，3 簿弱式畿线激光蠢繇祝毙学系统的设诗 光学系统包括激光器和光蹲传输耦含系统。对予驿列式在线激光打标机柬谶，山 j ：其豁端输入不正是一个激光器两是多个激兜器缎成戆蕤犬的激光器豁捌，两打标要 求粒字符轹蠢觳霰，l 、( 5 x t m m ：盔右) ；所强选强海耱炎黧鼹激光器，醚套手 么炎篓 的耦合传输系统，不单单鞭考虑激光器及耦合系统本身的性能，而尉要考虑整体的尺 寸懿含，否嬲谶终鞫霞埝融熬激光本鸯程熊锻好，氇不缝确瀑镕税纛犬黎激竞嚣鞯爨 激终戆够鞭台爨一令绶， 、瓣乎藤凑，打爨援餮隶太誊瓣字饕点簿。鼹渡，激竞嚣及糕 台系统的选样是决定打称枫研蒂成败的关键闲素之一。 1 2 - 第- 章阵列式在线激光打标机的系统设计 2 3 。l 激是嚣的送撵 激光 乍为激光打标李凡的工作介质，激光嚣的性能好坏直接影响打标的效果，因此 选择个设计良好的激光器将决定打标机的整体性谨。激光打标对激光嚣的要求主要 有毙策矮耋窭、蕊冲篷复频率积波长，竞寒霞燮决定了激光努挺豹标遗糖发，嚣交净重复 频率则直接影响激光打标的标 己速度，而激光波长则对聚焦效果和打标精度有影响并 决定了所熊标记的材料。蟊前常用的y a g 激光器和c 侥激光器，葵波长分剐为1 0 6 u m 和1 0 6 u r n ，其分别适用予标记会疆材质和非会属材质。 首先，物质对激光的吸收率与波长有着强烈的关系。对会属而占，一般地说，随 着入射巍波长遗臻糖，表露对党懿吸段率减小，爱瓣率堙糖。魏暴橼糕在激光 睾躅下 汽化，长波长激光容易形成激光维持的等离子体云，阻隔激光向工件的传输。其次， 激光波长与激光柬精细聚焦前极限有关，大多数激光加工过程都需要将激光束聚焦， 聚焦越精细，激光能量越集中，效果越好。聚焦的糙细程度可通过提裹光学传输稷合 系统的质量，减少像差米提高，但最后受衍射极限的限制。衍射极限与波长成诈比， 波长越短，越表利于鞲绥聚焦。 激光器的光束质量囊接影响到其聚焦效果，对于点阵式标记来说，其焦斑一般应 小予0 0 5 m m 。高斯光束的聚焦焦斑大小与光束的发散角、波长和焦距的大小有关 1 9 - 2 0 】。在波长和焦距一定的情况下，只与发激角有关，面对于一般激光器只要旋在单 模输出情况下经扩束镜嗣i 缩发敝角再聚焦后都能够达到上面提到的标准。 辩予激光器酶琢冲蘩复频率，它蠹接影翡蓟标避速痰。 矿：兰 船 式中v 为字符标记速率，y 为激光器的咏冲羹复频率，1 3 为每个字符的点阵列数。以 标港7 5 点箨字褥为铡，每个字符需簧标滚3 5 个点，共掰每捌7 个点，按照所要 设计的打标目标达到每秒标记字符数为3 0 0 个，则每秒需疆标记1 5 0 0 列。激光器阵 列每个脉冲可以称记一列，则激光器的脉冲驻复频率必须达到1 5 k h z 。 综合上述因素，著爨考虑到激光黎的体积和将凑产晶缀装熬罐凄，以及该顼强主 要用于非会属( 蒙纸张、烟盒等) 打标，我们选用c 0 2 激光器作为阵列式打标机的光 源。c 0 2 激毙嚣输灞平均功率较大，效率较舔，输掰光束翁质量跑较驽，雨且技术成 熟，成本低廉，魁研制阵列式激光打标机比较理想的选择。 2 _ 3 2 光路传输及耦合系统的设计 考虑到阵列式在线激光手f 标桃的前端输入为庞大的激光器阵列( 簿个激光管矗 第一章 阵列式在线激光打标机的系统殴计 径大约5 6 r a m ，而打标要求的字符标记一般很小( 5 x7 r a a ! ，甚至2 x3 m m ! ) ；所以要保证 ： 件上打标标记的精度，就必须设计合适的光路传输耦合系统把激光器阵列输出的激 光束耦合聚焦成极细的、功率密度很高的激光光束。 由于涉及到技术机密，这旱不能对光路传输耦合系统的设计进行详细介绍。 2 4 阵列式激光打标机控制系统的设计 2 4 1 控制系统概述 阵列式激光打标机控制系统是实现激光打标的核心系统，它的主要功能是完成对 激光器阵列、来件检测系统、冷却系统、监控报警系统、紧急制动系统的控制。其系 统框图如下： 人 - l 初始化梗块l 纠瓤娩融令却系线b 机 一竿符点阵信息提取埂块i 控 l 一驱 矧来件探测骞传感嚣| 激 光 褛 制 动管 口 接 电 矧紧急制动系统i 阵 界一输出控制梗块 i - h _ 一 口 路列 蠹 蚓监控报警系统l - 1 输出模块 i - _ - t 激光嚣电源葬列f - 控制软件部分 幽2 - 4 控制系统框幽 对激光器阵列的控制主要是通过控制激光器电源的通断实现的。在进行在线打标 操作时，当工件在流水线上移动到需要标记的地方时控制激光器阵列出光，移动到不 需要标记的地方时则控制激光器阵列不出光。我们在设计过程中采用上海得创公司生 产的d f 【；1 0 7 1 5 1 8 型激光器电源，该电源的控制端口要求t t l 电平的控制信号，高 电平时电源丌关 l - 丌，低电平时电源关闭。我们设计的j 砗列式激光打标机要求输出7 j 的字符点阵，按照此要求，需要激光器阵列为7 根c 0 2 激光器，也就是对激光器 阵列需要同时对7 个激光电源分别输出控制信号。 来件检测系统主要功能是检测生产线中打标工件是否就位。当打标工件运动到打 标位置时它将通知计算机丌始打标操作，当工件离丌打标位置时，它将通女n t t - 算机 停止打标操作。检测系统采用一个红外线检测器，它由一个红外线发射器和一个接收 器组成。当检测系统前面有工件通过时，发射器发射的红外光照射到工件上，会有一 部分被工件表面反射回来，当接收器接收到反射回来的红外光时，来件检测系统向汁 算机输出一个高电平的电信号；当检测系统前面没有物体时红外线发射器发出的红外 线不能被接收器接收，来件检测系统向计算机输出的信号为低电平；检测系统输出的 第二鬻舞利式簌线激光打标搬魍系统设计 电信号可以赢按被计算机识别，计算机可以通过对此输入信号的簸测，决定是否对激 光器阵列的电源输出控制信号。同时在初始化过程中，计算机还要给出来件检测系统 的窟动焦号，在捧机过程申嫠给出素 譬捻测系统懿停斑信号。 对冷却系统的控制主疆楚通过控毹冷却系统的电源歼关，酞决定楚