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振镜式在线激光打标扫描方案的设计

2008-06-23 10:31
铁马老言
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    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,确保打标机的精确定位。
  
    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,首先给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,保证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。又因为激光打标首先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轴振镜由前一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  

    按照点阵结构从第一列的第一点开始,首先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第一点的后面一定距离,所以称它为列补偿。然后开始标记第二列,方法与第一列相同,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,必须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前一列的“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。(wenjing)

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