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中国激光标刻控制系统发展

2007-06-04 10:27
科技那回事
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        自激光在军事和工业领域广泛应用以来,各种控制手段伴随着这种全新的加工工具在各行各业不断的进步,如今,高频高精度控制成为激光应用的一个必不可少的环节,随着各种新型激光模式的出现,自动控制也正在激光加工的舞台上以日益精密的技术展现着自己的风采。80年代中期,激光在中国工业应用领域开始崭露头角,90年代初,由于工具行业出口量的增加,激光标刻开始成为必不可少的加工手段。激光标刻属于一个比较特殊的行业,其原理是利用聚焦后的光束对作用物表面进行短时间浅层刻蚀或烧蚀,使其作用区异于未处理区以达到标记的目的。由于对加工效率和效果有着非常高的要求,因此,从一开始高速度和高精度的自动控制在这一领域就得到了长足的发展,从1995年到2002年短短的7年时间,控制在激光标刻领域就经历了大幅面时代、转镜时代和振镜时代,控制方式也完成了从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列演变,如今,半导体激光器光纤激光器、乃至紫外激光的出现和发展又对光学过程控制提出了新的挑战。

        以控制对象分类,标刻控制可以分为三种:光束控制、对象控制和飞行控制。其中,光束控制是应用最广泛的,对象控制主要是针对特殊行业,而飞行控制将是激光标刻控制在未来的主要发展方向。顾名思义,光束控制指固定作用对象,直接控制光束在作用物表面的移动和停留,由于作用对象的尺寸和质量不尽相同,直接控制对象的方式难以提高加工速度,因此这种控制手段从一开始就成为主要的控制方式;对象控制指固定光束,控制作用对象的移动和停留,这种控制手段主要应用在对象体积比较小、质量比较轻,同时对控制精度要求比较高而控制过程不太复杂的行业,例如硅片、晶元和工业用陶瓷等材料的划片行业;飞行控制指同时控制光束和对象的移动和停留,这种控制将成为激光在流水线应用的主要控制手段,优点是速度快,自动化程度高,是后工业时代激光加工的主流控制模式。最主流的光束控制方式在中国共经历了三个时代的演变。

         大幅面时代  所谓大幅面,刚开始是直接将绘图仪的控制部分直接用于激光设备上,将绘图笔取下,在(0,0)点X轴基点、Y轴基点和原绘图笔的位置上分别安装45°折返镜,在原绘图笔位置下端安装小型聚焦镜,用以导通光路及使光束聚焦。直接用绘图软件输出打印命令即可驱动光路的运行,这种方式最明显的优势是幅面大,而且基本上能满足精度比较低的标刻要求,不需要专用的标刻软件,因此在早期还是有很不错的市场。

        但是这种方式有着几个致命的缺陷:1.速度慢,不到100m/s的速度很难满足客户要求日益增加的产量;2.精度低,重复定位精度基本上局限于绘图仪本身的精度,误差有时非常大;3.无法按照激光输出的特性定制自己所需要的控制参数,激光输出和控制信号输出之间是有时间差的,用通用型扫描仪驱动工具(如Autocad等)是无法按照激光器的特性定制控制参数的,因此容易产生一系列可笑的问题,如一个图形前1cm左右的距离无激光输出,因此出来的图形总是少一截;4.由于光学器件和绘图笔的质量不同造成控制惯量的改变,由于总是过载驱动,使绘图仪各元器件寿 。

        总之,在经历最初的尝试后,绘图仪式的大幅面激光标刻系统逐步退出标刻市场的,现在所应用的同类型的大幅面设备基本上都是模仿以前这种控制过程,用伺服电机驱动的高速大幅面系统,而随着变焦振镜式扫描系统的逐步完善,大幅面系统将逐步从激光标刻领域销声匿迹。 

        转镜时代  由于看到大幅面系统的一系列缺点,在高速振镜技术还没有在中国广泛普及的情况下,一些控制工程师自行开发了由步进电机驱动的转镜式扫描系统,从结构上来说,转镜式扫描系统同现在的振镜式扫描系统是没有区别的,工作原理是将从谐振腔中导出的激光通过扩束,经过成90°安装的两个步进电机驱动的金镜的反射,由F-theta场镜聚焦后输出作用于处理对象上,金镜的转动使工作平面上的激光作用点分别在X、Y轴上移动,两个镜面协同动作使激光可以在工作平面上完成直线和各种曲线的移动。这种控制过程无论从速度还是定位精度来说都远超过大幅面,因此在很大程度上能满足工具行业对激光控制的要求,虽然同当时国际上流行的振镜式扫描系统还有比较明显的差距,但严格来说这种设计思路的出现和逐步完善代表着中国激光应用的一个里程碑,是中国完全能自行设计和生产激光应用设备的典型标志。直到振镜在中国大规模应用的兴起,这种控制方式才逐步退出中国激光应用的舞台。

        振镜时代   1998年,振镜式扫描系统在中国的大规模应用开始到来,所谓振镜,又可以称之为电流表计,它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法,镜片取代了表针,而探头的信号由计算机控制的0—5V(或10V)的直流信号取代,以完成预定的动作。同转镜式扫描系统相同,这种典型的控制系统采用了一对折返镜,不同的是,驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代,在这套控制系统中,位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度,整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。对中国自产振镜影响最大的是美国Cambridge公司生产的6870和6230,前者采用电容传感器,后者采用光电传感器,在中国的应用表明,电容传感器对环境的适应能力远远超过光电传感器,无论在温度变化大还是环境清洁度不高的情况下,电容传感器都能比较稳定的工作,因此,现有中国的几家自行生产振镜的公司,都把6870作为设计蓝本,其中以上海通用(6000系列振镜)和后来成立的北京世纪桑尼的振镜最具代表性。与此同时,进口振镜也开始大规模进入中国的市场,除香港科艺代理的Cambridge的振镜外,美国General Scanner、德国Scanlab等也在中国占据了相当份额的市场。

        振镜时代的到来使中国激光标刻再一次迎来飞跃式的发展,由于速度和精度的大幅度提升,不仅再一次刺激了原有的工具行业市场,同时以前由于对精度要求较高而不能用激光处理的行业也被打开了,如今,随着新型激光的出现,配合控制系统的再一次更新,中国激光应用即将迈入一个新的时代。

        1.大幅面确切的说应该称为“十字扫描”,并不一定只用到大幅面上,小幅面同样可以用。“刚开始是直接将绘图仪的控制部分直接用于激光设备上”,这是国内图方便的做法,国外早就有专门的驱动和执行系统了。对于你说的这种方式的缺点,我们可以来详细看一下:

        (1)速度慢。国外现在的十字扫描系统多半用滚珠丝杆或同步带作为运动系统的主要结构,在改进了驱动能力的扫描系统中,速度已经得到了大大的提高。我见过的十字扫描系统中做到1m/s的速度已经不是问题了。

        (2)精度低,重复定位精度基本上局限于绘图仪本身的精度,误差有时非常大。滚珠丝杆或同步带加上高精度细分的驱动电机系统,精度满足普通的加工是绰绰有余的。但是这种精度还是没办法跟振镜的精度相比。

        (3)无法按照激光输出的特性定制自己所需要的控制参数。那是由于借用绘图仪的驱动系统造成的。国外早就有了专门的驱动系统和控制软件,所以调节这些控制参数已经不是问题。

        (4)由于光学器件和绘图笔的质量不同造成控制惯量的改变,由于总是过载驱动,使绘图仪各元器件寿命缩短。这个问题实际最简单,根据具体的数值重新设计光路、机械、控制系统就行了。<br />其实你说的这些问题大部分都是由于国内早期的激光生产厂商为图省事,简单地拿绘图仪改装造成的。我倒是觉得这种方式的关键问题在于,长期工作在一定的距离内,造成机械系统的磨损,影响系统精度。

         但是这种扫描方式的优点也是不可忽视的:

       (1)滚珠丝杆和同步带都是线性执行系统,可以轻易的做到1:1的精确输出。而振镜或转镜等扫描方式需要配合F-Theta场镜使用,经过角度变换后变成了非线性的关系,要做到1:1的精确输出不是简单的事。

       (2)由于改变导光系统的大小仅仅是改变了系统的惯量,可以通过加大驱动电机等方式弥补,对于功率较大的场合,特别是需要用铜镜等金属镜片时,是振镜和转镜扫描方式不可替代的。

       (3)由于光程的改变,造成扫描幅面内的各点光斑大小不均匀,这个问题在振镜或转镜扫描系统中同样存在。为了使光点保持均匀,可以采用动态聚焦的方法进行补偿。但是不管进不进行补偿,这种扫描方式的成本都是比其他的方式要低得多的。

      (4)振镜和转镜的光束都是斜着照射到工件表面的,而十字扫描是垂直照射。在某些小功率的切割场合,十字扫描方式得出来的工件切边相对于其他两种的要直,而不是很明显的斜边。大幅面在标刻控制系统中已经失去了主导地位,但是在其他的激光应用中还是占有很重要的地位,所以也不能轻言放弃。

       2.振镜应该是称为“检流计”,跟电流表的原理相近,不同的是电流表输出的是电流读数,振镜输出的是转动角度。

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