激光打標與激光打標機概述:1.3.2激光打標機系統組成

1.打標機激光器系統

目前,激光打標機的激光器波長范圍從紫外激光到中紅外激光都有成熟運用,圖1-32給 出了適用于打標應用的激光波長。

激光器波長
激光器波長

(1) Co2激光器:工作波長為10604 nm,廣泛用于標記紙張和木材等有機材料,同時也能標 記印刷電路板(PCB板)和玻璃。圖1-33顯示了 C02激光打標機在PCB電路板上打標的效果。

(2) 摻鐿光纖激光器:工作波長為1070 nm,適用金屬和塑料材料,使用壽命長,光電效 率高、維護需求簡單,使用成本低。圖1-34顯示了光纖激光打標機在玻璃纖維(glass-filled plastic)材料上打標的效果。

圖1-33 co2激光器在PCB電路板上的打標效果
圖1-33 co2激光器在PCB電路板上的打標效果
圖1-34光纖激光器在玻璃纖維材料上的打標效果
圖1-34光纖激光器在玻璃纖維材料上的打標效果

(3) Nd : YV04激光器:工作波長為1064 nm,激光峰值功率高、脈沖寬度窄,在高分辨 率精細打標中得到應用。

(4) 綠光激光器:工作波長為532 nm,適用在塑料、硅材料上的清晰打標,還能在金、銀 等反光性強的材料上實現高質量打標。

(5) 紫外激光器:工作波長為355 nm,幾乎能適用所有材料,特別適用在塑料上打標以 及在金屬材料上的低熱量打標。

綠光激光器和紫外激光器通常是將YV04激光器的輸出借助晶體元件倍頻,將輸出光的 波長從1064 nm分別變換到532 nm和355 nm。

(6) Nd : YAG激光器:用于大面積和深度雕刻金屬等要求較高激光功率(50?100 W)

的應用場合。 ?

上述每種激光器提供不同的輸出波長,并且具有不同的峰值功率和脈沖寬度等光學屬 性,要根據所要標記的材料,以及用戶對標記的清晰度、字符大小和輸人到零件的熱量等要 求,選用不同的激光器波長。

除了能夠實現打標加工外,激光打標機通常還具備一定的切割、鉆孔、拋光、劃線、刮削 等加工能力。

2.打標機導光及聚焦系統

振鏡式(galvanometer)激光打標機應用為普遍,我們以它來了解打標機各系統。

1)振鏡式激光打標機導光及聚焦系統主要光學器件

打開各類振鏡式激光打標機的光具座外罩,除了激光器不同以外,我們可以看到有指示 紅光、合束鏡、擴束鏡等光學器件安裝在光具座內部,有振鏡和平場透鏡等光學器件(又稱打 標頭)裝在光具座外部,如圖1-35所示。

圖1-35打標機導光及聚焦系統示意圖
圖1-35打標機導光及聚焦系統示意圖

上述器件構成振鏡式激光打標機的導光及聚焦系統,激光傳導路徑可以簡單表述為:激 光器—(合束鏡,如果有必要)—擴束鏡—振鏡—聚焦透鏡(場鏡)—工件。

2)振鏡式激光打標機導光及聚焦系統的聚焦方式

按聚焦鏡的位置不同,光路系統分為前聚焦和后聚焦兩種方式。

(1)后聚焦方式:在后聚焦方式中,聚焦鏡安裝在振鏡系統之后,是導光及聚焦系統后 一個器件,如圖1-36所示。

圖1-36后聚焦光路系統示意圖
圖1-36后聚焦光路系統示意圖

加工范圍與聚焦鏡焦距成正比,后聚焦方式聚焦后光斑直徑較細,但加工范圍比較小。 振鏡式激光打標機一般采用后聚焦方式,將聚焦透鏡安裝在振鏡的后面。

聚焦透鏡是/-0平場透鏡,不管光束如何移動.它的焦點位置始終大致保持在一個平面 上,保證了在加工區域內的激光光斑大小與能量密度一致,有效地提高了加工質量。

另外,后聚焦方式可以根據加工范圍的大小和加工狀況隨時更換聚焦鏡,為設備的維護 維修提供了極大的便利。

(2)前聚焦方式:在前聚焦方式中,聚焦鏡安裝在振鏡系統之前,如圖1-37所示。

圖1-37 前聚焦光路系統不意圖
圖1-37 前聚焦光路系統不意圖

由于前聚焦方式的光程較長,前聚焦方式聚焦后的光斑直徑比較粗,但加工范圍較大。 為了克服前聚焦方式聚焦后的光斑直徑比較粗的缺點,同時保留加工范圍較大的優點, 可以在固定聚焦鏡的前面加一個動態聚焦鏡,通過改變動態聚焦鏡的位置可以使得整個打 標幅面上離開原點的光斑直徑和位于振鏡原點的光斑直徑基本一致,實現小光斑、大幅面激 光打標,如圖1-38所不。

振鏡式大幅面激光加工設備的導光及聚焦系統基本上都是采用上述結構。

圖1-38(前聚焦+動態聚焦)示意圖
圖1-38 (前聚焦+動態聚焦)示意圖

3.打標機運動系統案例

經過適當組合,激光打標機運動系統可以實現 一維在線打標、二維大幅平面打標、三維曲面打標 等不同形式的打標。

1) 一維在線打標

一維在線打標又稱為飛行激光打標,主要用于 在各類產品表面或外包裝物表面進行在線式打標。 在打標過程中,產品在生產線上不停的一維流動, 極大地提高了打標的效率,如圖1-39所示。

打標機運動系統和激光器出光點陣的完美配合才能實現一維在線打標。

圖1-40表示了 5X7的點陣字符“N”和“C”標記的實現過程。

圖1-39 —維在線打標示意圖圖1-40	—維在線字符打標實現  的過程示意圖
圖1-39 —維在線打標示意圖 圖1-40 —維在線字符打標實現
的過程示意圖

當振鏡掃描到黑色位置時,激光器打標出光,物體被激光標記一個點,當振鏡掃描到白 色位置時,激光器閉光,物體不會被標記。7個字符完成后運動系統移動一個位置,循環往 復,直到打標完成。

2) 二維大幅平面打標

二維大幅平面打標又稱為拼接打標,在打標過程中,如果待加工圖形尺寸大于場鏡的加 工范圍時,可以讓工作臺在打標軟件的控制下實現X-Y二維范圍內的運動,極大地擴展了打 標范圍,圖1-41所示的是X-Y二維大幅平面打標系統。

3) 三維曲面打標

在非平面打標時需要用到三維曲面打標技術,通常有以下兩種實現方式。

(1) 規則圓柱體旋轉打標:規則的圓柱體工件,可以配置旋轉軸將工件裝夾起來進行旋 轉打標,如圖1-42所示。

(2) 不規則曲面打標:目前,實現不規則曲面打標的理想方案主要是在激光光路輸出端 的激光擴束鏡后安裝一個動態聚焦鏡,實現在圓柱體、球面、斜面和多層零件上打標,如圖 1-43所示。

4.激光打標機控制系統

1)振鏡式激光打標機的主要控制對象

振鏡式激光打標機控制系統的主要控制對象有兩個器件:一個是激光器;另一個是振鏡系

圖1-41二維大幅平面打標示意圖
圖1-41 二維大幅平面打標示意圖
圖1-42旋轉打標示意圖
圖1-42旋轉打標示意圖
圖1-43不規則曲面打標實現方案
圖1-43不規則曲面打標實現方案
注:“一”代表控制信號 “c?”代表激光光束 圖1-44振鏡式激光打標機控制系統主要對象
注:“一”代表控制信號 “c?”代表激光光束
圖1-44振鏡式激光打標機控制系統主要對象

2)振鏡式激光打標機控制系統

振鏡式激光打標機控制系統由硬件系統和軟件系統兩個部分組成。

硬件系統包括工控機、打標控制卡、振鏡、激光電源等器件,其中工控機通過打標控制卡 發出控制指令,激光器、振鏡和激光電源完成控制動作,其核心是工控機和打標控制卡。

軟件系統包括工控機操作系統、各類應用軟件和專業打標軟件等。

5.激光打標機傳感與檢測系統

目前,激光打標機傳感與檢測系統使用廣泛的是打標視覺定位系統,如圖1-45所示的

全自動視覺激光打標機,攝像機及光源構成視覺檢測系統,完成工件圖像的采集工作并給激 光器等主要器件發出控制指令。

6.激光打標機冷卻與輔助系統

1) 激光打標機冷卻系統類型及選型

打標機冷卻方式根據所選用激光器的冷卻方式確認,有水冷和風冷兩種方式,水冷系統 一般采用單獨制冷裝置。

2) 激光打標機煙霧凈化器類型及選型

與冷卻系統一樣,激光打標機煙霧凈化器一般也采用獨立凈化裝置。

圖1-45全自動視覺激光打標機
圖1-45全自動視覺激光打標機

 

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