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振镜式在线激光打标扫描方案的设计

振镜式在线激光打标扫描方案的设计  

    摘要：本文论述了振镜式激光打标扫描方案的设计和实现过程，通过对振镜扫描速度的补偿解决了由于生产线的运动而造成的打标字符倾斜问题，并且有效提高了打标的速度，实现了在不同速度生产线对不同材质进行打标。  

    1 引言  

    激光打标生产工艺是广泛应用的新技术，它是利用适当能量密度的、会聚在工件表面的激光光束对目标表面扫描，使材料发生物理或化学变化，在表面上形成痕迹，从而形成标记的过程。它具有应用范围广、打标速度快、性能稳定、质量高、运行成本低、环境污染小、易于用计算机控制等优点，已经成为激光重要的应用领域之一。 

    在各种打标方式中，振镜式打标因其应用范围广，可进行矢量打标，也可以标记点阵字符，且标记范围可调，标记速度也较快，因而成为目前的主流打标方式，并被认为代表了未来激光打标的发展方向。  

    振镜式在线激光打标的原理如下： 

    激光器输出的激光依次经过X轴扫描振镜、Y轴扫描振镜、平场聚焦镜会聚到生产线的工件表面上，通过控制X轴、Y轴扫描振镜的转动可以控制激光光束在材料表面的X轴方向（平行于生产线方向）和Y轴方向（垂直于生产线方向）上任意移动，从而打出相应的标记。  

    2 扫描方案的实现  

    由于在线打标的标记工作面是随生产线运动的，所以在打标过程中垂直于生产线方向（Y轴方向）的标记线会因为生产线的运动发生一定角度的倾斜，生产线速度越快倾斜角度越大，所以要在生产线上的工件表面打出精美的标记，关键在于如何实现对生产线的速度进行补偿，确保打标机的定位。 

    2.1扫描方案分析  

    生产线的运动方向与打标振镜X轴的偏转方向相同，那么在进行打标操作时，给X轴振镜预置一个与生产线相同的速度分量，就可以实现对其速度的补偿，这样就可以像静态打标一样进行标记了。然而在实际操作中，上述补偿校正方案操作起来非常困难，因为扫描振镜的内部是用一个精密步进电机控制的，并且步进电机的转动角速度是固定的。我们对扫描振镜只能控制其偏转角度的大小，而不能控制其偏转线速度，而对固定角速度的扫描振镜来讲，它在平行于生产线的X轴方向上的线速度是不稳定的，要想实现对其偏转线速度的控制，扫描振镜速度与生产线同步，只能将扫描振镜的整个偏转过程分解为多步完成，通过调节步与步之间的延迟时间调节其偏转线速度，从而使其偏转线速度与生产线速度同步。这种补偿方案软件开发非常困难。 

    由于难以实现对生产线的速度进行直接补偿。又因为激光打标把要利用控制软件把需要标记的信息转化为点阵信息，然后在相应位置进行打点操作，我们考虑不直接对生产线的速度进行补偿，而是对所要标记的点进行位置补偿。具体分析如下： 

    设生产线速度为V1振镜扫描速度为V2，点阵字符每列中相邻点间距为S1 ， 则Y轴振镜由点扫描到下一点的时间为：

    （1）而在这段时间内由于生产线的运动而造成的位置偏移： 

    （2）由于点阵字符的点间距离较小，所以T1约等于振镜的小角度响应时间。这样在标记每个点时，按照该点原本的位置坐标加上由于生产线的运动造成的位置偏移，得到该点的实际位置坐标，而控制X轴及Y轴振镜直接按该点的实际坐标偏转到相应位置进行打点操作。这样可以有效地实现在线打标，并且提高了标记速度。 

    2.2方案运行过程  

    按照点阵结构从列的点开始，将振镜摆动到原点位置，然后取该点的点阵信息，判断是否打点，是则控制激光器出光。标记完成后，控制Y轴振镜摆动到该列第二点位置，同时X轴振镜按与生产线相同的运动方向摆动一定距离进行点位置补偿，使其在标记该点时，其位置处于上一点的正下方，振镜稳定后判断是否标记第二点，以此类推，直到该列所有的点标记完成。然后Y轴振镜回到初始位置，而X轴振镜则继续摆动一定距离，这个距离与前面的点补偿距离不同，摆动完成后应使光束所处位置在上一列点的后面一定距离，所以称它为列补偿。然后开始标记第二列，方法与列相同，以此类推直到标记完所有字符。  

    3 方案的优化  

    上述定位方案的特点是标记字符的精度高、字符美观度好，对点阵字符的每一点的位置都进行了补偿，完全克服了生产线运动对打标造成的影响。但是由于振镜的小角度响应时间约为0.3ms，由公式得其标记速度只能达到100字符/秒，对于一些速度较高的生产线难以满足要求，对上述方案进行改进：  

    进一步分析，速度慢的主要原因为Y轴振镜在标记列的每一点时的稳定时间，如果在标记每一列时，不是让Y轴振镜在每一点都停下来，而是由初始位置直接摆动到末点位置，然后在摆动过程中进行标记，这样对位置补偿只进行列位置补偿，而不进行点位置补偿，这样就完全省去了在标记列的每一点时所耗费的稳定时间，大大提高了标记的速度。这就是我们的快速扫描方案，采用这种方案进行标记，公式2修正为：  

    （3）式中V为标记字符速率，n为每个字符的列数，t为小角度响应时间。目前标记7×5点阵字符其速度可达到200字符/秒。 

    利用上述方案由于标记速度较快，加上只进行列定位而没有对每一点进行定位，从而在快速打标过程中容易使打标字符发生微小倾斜，这可以通过把打标机与生产线以一定角度放置来解决，但是由于打标机倾斜放置后，打标机的坐标与生产线的坐标将不再重合，从而使标记的整列字符发生倾斜，所以每标记完一列点阵后，要对Y轴的振镜“0”点位置进行补偿，使其在生产线上的位置与列的“0”点位置相同，这样就可以完全避免字符的倾斜现象。另外，由于标记速度较快，要求激光器要有较高的开关频率和功率较强的激光脉冲，射频CO2激光器的开关频率可达到25kHz，而Nd:YAG激光器的开关频率可达到10kHz，均能满足要求。 

    结论  

    我们的扫描方案完成实际的打标操作，标记效果字符美观，精度较高，速度可以满足生产线的要求，经过我们在青岛卷烟厂的和青岛啤酒厂的实践检验，完全可以实现在线打标。

27.常用工业激光器的应用领域和市场分析

一、国内外工业激光市场分析 

    激光具有高相干性、方向性、高强度的特质，很容易获得很高的光通量密度，将强的激光束聚焦到介质上，利用激光束与物质相互作用的过程来改变物质的性质，这就是激光加工。激光加工技术随着光、机电、材料、计算机、控制技术的发展已经逐步发展成为一项新的加工技术。激光加工具有加工对象广、变形小、精度高、节省能源、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优点，对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等的作用愈来愈重要。激光加工主要应用在电子、汽车、机械制造、钢铁冶金、石油、轻工、医疗器械、包装、礼品工业、钟表、民爆、服装、化妆品、烟草、航空航天等行业，而且应用范围越来越扩大，在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标、激光雕刻等方面已得到广泛应用。1999年世界激光产品销售约49亿美元, 约合人民币400亿元。 1996年至2000年，激光加工系统的销售额以年均13%的增长率增长，而半导体激光器、全固化固体激光器、准分子激光器加工系统增长更快，达23％，这反映出微电子工业、通讯工业及微光机电一体化系统的发展需要非常崭新的加工手段来满足制造上的需求。从激光加工系统应用来看，以1999年的应用为例：销售额的30％用于激光切割、29％用于激光标记、15％用于激光微加工，13％用于激光焊接、其它应用占9%。 

    由于各个国家工业的发展情况不同，应用激光加工系统的工业领域也不尽相同。美国、日本是加工应用很普遍的国家；韩国是微电子工业发展很快的国家之一，1996年工业企业购买的YAG激光加工系统共426台套，其中用作激光标记的占121台；我国台湾的工业企业在1996年购入的YAG激光加工系统共169台套，其中113台是激光标记机；亚洲其它地区（主要是新加坡）的工业企业购入的80台套YAG激光加工系统中有60台用于激光标记。激光标记的应用是同这些地区电子工业的发展密不可分的。 我国激光加工系统市场也随着国民经济的发展逐年增长，1998年约为19亿元，特别是YAG激光加工系统比上一年增长了60.7%，高速增长的主要原因是YAG激光焊接机和激光标记系统得到飞速应用，其主要市场是电池激光封焊和电子元器件激光标记。我国电子工业的高速发展给我国激光加工业带来了推动。 

1998年我国激光加工应用情况表

应用领域

所占比例

激光切割

11.2%

激光热处理

6.4%

激光标记

30.7%

激光焊接

18.7%

激光打孔

0.8%

其它方面

32.2%

    从我国1998年销售总额19亿元人民币看，与国外1998年销售总额43亿美元(约合352亿人民币)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技术改造有相当大的空间。但是，不采用的激光制造系统，就很难应对我国进入WTO带来的国外产品对中国市场的冲击。从市场发展也充分说明我国的激光加工系统有相当大的发展空间，值得业内人士给予重视。 

    目前，国内从事生产激光器及激光应用设备的单位约有100多家，主要集中在湖北、上海、江苏、北京和西安等地区。在激光加工设备中以产值计，CO2激光加工器至今在激光加工设备占大市场份额，其次是YAG固体激光器，激光切割/焊接设备主要靠引进。进口主要为大功率CO2切割/焊接系统 。到1999年6月，我国拥有快速轴流千瓦级CO2激光器238台，数控加工机222台，总金额2 亿美元，其中进口的激光器有181台占总量的76%，进口加工机占219台占总量的58%。在引进、消化、吸收国外技术的同时，我们也开发了自己的产品。1991～1998年销售额以年均40%的速度递增，预计2002年的激光加工设备金额为40亿元。目前我国激光加工设备产业逐渐走向成熟。 

    二极管泵浦固体激光器技术的出现和逐渐成熟，是固体激光器的一场革命，也是固体激光器的发展方向，使得激光技术和产业正向着全固化、超短波长、微加工和高可靠性等方向发展。世界的激光公司Rofin-Sinar所销售的激光加工设备，60％已是二极管泵浦固体激光器。开发二极管泵浦的固体激光器和固体激光加工设备，适合市场需要和技术发展的趋势。  

    2001年4月由湖北光通光电系统有限公司研发的我国首台大功率全固化固体激光器在武汉通过新产品新技术鉴定。随后，该公司又颁布了相关大功率全固化固体激光器的企业标准，并投入规模生产，表明我国所拥有的大功率二极管泵浦固体激光噪皆制造及其应用技术达到了国际水平。 

    二、主要工业激光产品概况 

    目前，我国经攻关已开发出拥有自主知识产权的系列工业激光产品，如激光焊接机、打标机、切割机、雕刻机等，使用的激光类型为二氧化炳或YAG固体激光器，基本满足市场需要。武汉中国光谷约有30家企业工业激光产品的生产，其产品品种，技术在全国，是中国工业激光产品重要的生产基地。 

    （一）激光打标机 

    激光打标是目前工业产品标记的技术。激光打标时与工件不接触，对工件表面不产生任何机械形变，高速打标可在生产线上实现在线实时打标。具有打标精度高，加工速度快等特优点，可在平面、弧面及飞行物上打印各种文字、符号、图案、序列号、条形码及二维码，特别适用于硬、脆、软产品。已广泛应用于电子工业、汽车工业、医疗产品、五金工具、家用电器、日常用品、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。典型应用包括各类金属和非金属材料及产品表面的打标，如不锈钢、铝合金、有机玻璃、陶瓷、塑料、合成材料、木材、橡胶皮革、纸品、电容、电感、印制电路板、集成电路、电器接插卡、各类仪表和控制面板、钮扣、化妆品包装、食品包装、文具、工艺品、、、轴承、齿轮、活塞环等。

    在激光打标机中，目前主要使用二氧化碳激光器、灯泵Nd:YAG激光器和二极管泵浦固体激光器。我国自己可以生产上述激光器，但国产的二氧化碳激光器和激光二极管达不到工业化的要求，基本依赖进口。打标机中的有些关键元器件，如Q开关和扫描电机也以进口为主，但国产的激光打标机基本能满足工业化使用要求，可以替代进口。如湖北光通光电系统有限公司生产的YAG激光打标机就被应用于中港合资福建长兴电子有限公司，替代了该公司从德国进口的激光打标机，使用效果优于进口的激光打标机。估计国内激光打标机市场容量每年约2000台，币值约3～5亿元。 

    （二）激光焊接机 

    激光具有良好的单色性、方向性、相干性和聚集性能，非常适合焊接加工，由激光电源控制和泵浦脉冲氙灯，使谐振腔产生一定功率和能量的脉冲激光束，经过扩束聚焦等光学系统照射被焊工件，使其熔融而达到焊接目的。激光焊接工艺能够向工件传输10KW/MM2的能量密度，因此能够形成深宽比较大的、小孔状的熔深。激光焊接通过辐射吸收产生液态熔池，并使之长到理想尺寸，然后沿固体界面移动熔池，消除被焊机构件间的初始缝隙，形成焊缝。目前，激光焊接机主要使用大功率二氧化碳激光器和脉冲Nd:YAG激光器，利用光纤耦合或光学镜片聚焦，使用方便，激光头可以远离焊接区，激光器性能稳定可靠，寿命长，已广泛应用于激光加工车间和自动化生产线，行业包括电子、航空航天、化工、五金等，被焊接的材料和产品有不锈钢、铝合金、压力容器、钽电容、电子枪、锂离子电池、压力传感器、光纤耦合器件、航空航天用的各类金属密封盒或容器等。 估计容量约每年800台，币值约2～3亿元。 

    （三）激光切割机 

    激光切割是用聚焦而成的高能量激光束将工件熔化或汽化，并用辅助气体将熔化或氧化物吹出而形成切口。激光切割是激光加工中发展成熟、应用广泛的激光加工技术之一。激光切割具有以下优点：切缝窄，节省切割材料，还可以切不穿透的盲槽；能方便地切割易碎、脆、软、硬材料和合成材料；切割速度高；无工具磨损；易于数控或计算机控制；噪音低，。目前激光切割机中主要使用大功率二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器，使用计算机CNC软件控制工件或激光束运动，辅以高压气体。在国外主要使用大功率轴流二氧化碳激光器，而国内轴流二氧化碳激光功率一般低于2000瓦，因而大多使用大功率横流二氧化碳激光器加上选模技术。激光切割技术已广泛应用于汽车摩托车、钢铁冶金、礼品制造和航空航天等行业，适合于切割碳钢和不锈钢等金属和塑料、有机玻璃、木头、印制电路板等非金属材料。估计市场容量约每年80台，币值约1.5～2亿元。 

    （四）激光雕刻机 

    激光雕刻机通常是由二氧化碳激光器、激光雕刻软件、自动控制系统和精密机械组成，属于位的高科技激光产品，电脑排版、激光雕刻、字体丰富，自动化程度高，具有雕刻速度快、操作方便等特优点。广泛应用于印章、奖牌奖杯制作、礼品及广告等行业，如在牛角、塑料、有机、木头、储墨垫、原子印章、橡胶等材料上方便地刻制各类印章；雕刻、切割各类标牌；在竹板或木头上雕刻各类文字、图形等。国产的封离式二氧化碳激光器虽然寿命较短，但价格仅为国外同类产品的10％左右，产品性能基本上能满足市场要求，因此该类激光雕刻机仍然得到了广泛的应用，特别是在印章行业。估计市场容量约每年4500台，币值约1亿元。

    除了以上四个基本工业激光产品外，还有激光热处理机、激光打孔机等。根据激光设备的使用对象，还有许多相应的机型，如钮扣激光打标机，激光编码机，轴承激光编码机、晶振激光打标机、缸套激光热处理机等。 

    虽然我国工业激光产品和市场得到了长足的发展，但存在一些问题。如一窝蜂地生产某类或某个产品，致使产品价格偏离其价值，市场混乱；投入研发资金不足；技术进步不如其它国家；部分元器件依赖进口；缺乏保护知识产权的有效措施等。然而，激光产品和应用已深入到各行各业，千家万户，成为新世纪热门、具发展前途的技术和工业。