激光打標生產(chǎn)工藝是廣泛應用的新技術，它是利用適當能量密度的、會聚在工件表面的激光光束對目標表面掃描，使材料發(fā)生物理或化學變化，在表面上形成痕跡，從而形成標記的過程。它具有應用范圍廣、打標速度快、性能穩(wěn)定、質量高、運行成本低、環(huán)境污染小、易于用計算機控制等優(yōu)點，已經(jīng)成為激光重要的應用領域之一。
在各種打標方式中，振鏡式打標因其應用范圍廣，可進行矢量打標，也可以標記點陣字符，且標記范圍可調，標記速度也較快，因而成為目前的主流打標方式，并被認為代表了未來激光打標的發(fā)展方向。
振鏡式在線激光打標的原理如下：
激光器輸出的激光依次經(jīng)過X軸掃描振鏡、Y軸掃描振鏡、平場聚焦鏡會聚到生產(chǎn)線的工件表面上，通過控制X軸、Y軸掃描振鏡的轉動可以控制激光光束在材料表面的X軸方向（平行于生產(chǎn)線方向）和Y軸方向（垂直于生產(chǎn)線方向）上任意移動，從而打出相應的標記。
2 掃描方案的實現(xiàn)
由于在線打標的標記工作面是隨生產(chǎn)線運動的，所以在打標過程中垂直于生產(chǎn)線方向（Y軸方向）的標記線會因為生產(chǎn)線的運動發(fā)生一定角度的傾斜，生產(chǎn)線速度越快傾斜角度越大，所以要在生產(chǎn)線上的工件表面打出精美的標記，關鍵在于如何實現(xiàn)對生產(chǎn)線的速度進行補償，確保打標機的精確定位。
2.1掃描方案分析
生產(chǎn)線的運動方向與打標振鏡X軸的偏轉方向相同，那么在進行打標操作時，首先給X軸振鏡預置一個與生產(chǎn)線相同的速度分量，就可以實現(xiàn)對其速度的補償，這樣就可以像靜態(tài)打標一樣進行標記了。然而在實際操作中，上述補償校正方案操作起來非常困難，因為掃描振鏡的內(nèi)部是用一個精密步進電機控制的，并且步進電機的轉動角速度是固定的。我們對掃描振鏡只能控制其偏轉角度的大小，而不能控制其偏轉線速度，而對固定角速度的掃描振鏡來講，它在平行于生產(chǎn)線的X軸方向上的線速度是不穩(wěn)定的，要想實現(xiàn)對其偏轉線速度的控制，保證掃描振鏡速度與生產(chǎn)線同步，只能將掃描振鏡的整個偏轉過程分解為多步完成，通過調節(jié)步與步之間的延遲時間調節(jié)其偏轉線速度，從而使其偏轉線速度與生產(chǎn)線速度同步。這種補償方案軟件開發(fā)非常困難。
由于難以實現(xiàn)對生產(chǎn)線的速度進行直接補償。又因為激光打標首先把要利用控制軟件把需要標記的信息轉化為點陣信息，然后在相應位置進行打點操作，我們考慮不直接對生產(chǎn)線的速度進行補償，而是對所要標記的點進行位置補償。具體分析如下：
設生產(chǎn)線速度為V1振鏡掃描速度為V2，點陣字符每列中相鄰點間距為S1 ， 則Y軸振鏡由前一點掃描到下一點的時間為：
（1）而在這段時間內(nèi)由于生產(chǎn)線的運動而造成的位置偏移：
（2）由于點陣字符的點間距離較小，所以T1約等于振鏡的小角度響應時間。這樣在標記每個點時，按照該點原本的位置坐標加上由于生產(chǎn)線的運動造成的位置偏移，得到該點的實際位置坐標，而控制X軸及Y軸振鏡直接按該點的實際坐標偏轉到相應位置進行打點操作。這樣可以有效地實現(xiàn)在線打標，并且提高了標記速度。
2.2方案運行過程
按照點陣結構從第一列的第一點開始，首先將振鏡擺動到原點位置，然后取該點的點陣信息，判斷是否打點，是則控制激光器出光。標記完成后，控制Y軸振鏡擺動到該列第二點位置，同時X軸振鏡按與生產(chǎn)線相同的運動方向擺動一定距離進行點位置補償，使其在標記該點時，其位置處于上一點的正下方，振鏡穩(wěn)定后判斷是否標記第二點，以此類推，直到該列所有的點標記完成。然后Y軸振鏡回到初始位置，而X軸振鏡則繼續(xù)擺動一定距離，這個距離與前面的點補償距離不同，擺動完成后應使光束所處位置在上一列第一點的后面一定距離，所以稱它為列補償。然后開始標記第二列，方法與第一列相同，以此類推直到標記完所有字符。
3 方案的優(yōu)化
上述定位方案的特點是標記字符的精度高、字符美觀度好，對點陣字符的每一點的位置都進行了補償，完全克服了生產(chǎn)線運動對打標造成的影響。但是由于振鏡的小角度響應時間約為0.3ms，由公式得其標記速度只能達到100字符/秒，對于一些速度較高的生產(chǎn)線難以滿足要求，必須對上述方案進行改進：
進一步分析，速度慢的主要原因為Y軸振鏡在標記列的每一點時的穩(wěn)定時間，如果在標記每一列時，不是讓Y軸振鏡在每一點都停下來，而是由初始位置直接擺動到末點位置，然后在擺動過程中進行標記，這樣對位置補償只進行列位置補償，而不進行點位置補償，這樣就完全省去了在標記列的每一點時所耗費的穩(wěn)定時間，大大提高了標記的速度。這就是我們的快速掃描方案，采用這種方案進行標記，公式2修正為：
（3）式中V為標記字符速率，n為每個字符的列數(shù)，t為小角度響應時間。目前標記7×5點陣字符其速度可達到200字符/秒。
利用上述方案由于標記速度較快，加上只進行列定位而沒有對每一點進行定位，從而在快速打標過程中容易使打標字符發(fā)生微小傾斜，這可以通過把打標機與生產(chǎn)線以一定角度放置來解決，但是由于打標機傾斜放置后，打標機的坐標與生產(chǎn)線的坐標將不再重合，從而使標記的整列字符發(fā)生傾斜，所以每標記完一列點陣后，要對Y軸的振鏡“0”點位置進行補償，使其在生產(chǎn)線上的位置與前一列的“0”點位置相同，這樣就可以完全避免字符的傾斜現(xiàn)象。
另外，由于標記速度較快，要求激光器要有較高的開關頻率和功率較強的激光脈沖，射頻CO2激光器的開關頻率可達到25kHz，而Nd:YAG激光器的開關頻率可達到10kHz，均能滿足要求。
結論
我們的掃描方案完成實際的打標操作，標記效果字符美觀，精度較高，速度可以滿足生產(chǎn)線的要求，經(jīng)過我們在青島卷煙廠的和青島啤酒廠的實踐檢驗，完全可以實現(xiàn)在線打標。
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