激光打標(biāo)生產(chǎn)工藝是廣泛應(yīng)用的新技術(shù)，它是利用適當(dāng)能量密度的、會聚在工件表面的激光光束對目標(biāo)表面掃描，使材料發(fā)生物理或化學(xué)變化，在表面上形成痕跡，從而形成標(biāo)記的過程。它具有應(yīng)用范圍廣、打標(biāo)速度快、性能穩(wěn)定、質(zhì)量高、運(yùn)行成本低、環(huán)境污染小、易于用計算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為激光重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。
在各種打標(biāo)方式中，振鏡式打標(biāo)因其應(yīng)用范圍廣，可進(jìn)行矢量打標(biāo)，也可以標(biāo)記點(diǎn)陣字符，且標(biāo)記范圍可調(diào)，標(biāo)記速度也較快，因而成為目前的主流打標(biāo)方式，并被認(rèn)為代表了未來激光打標(biāo)的發(fā)展方向。
振鏡式在線激光打標(biāo)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(zhuǎn)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(yīng)的標(biāo)記。
2 掃描方案的實(shí)現(xiàn)
由于在線打標(biāo)的標(biāo)記工作面是隨生產(chǎn)線運(yùn)動的，所以在打標(biāo)過程中垂直于生產(chǎn)線方向（Y軸方向）的標(biāo)記線會因?yàn)樯a(chǎn)線的運(yùn)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(biāo)記，關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線的速度進(jìn)行補(bǔ)償，確保打標(biāo)機(jī)的精確定位。
2.1掃描方案分析
生產(chǎn)線的運(yùn)動方向與打標(biāo)振鏡X軸的偏轉(zhuǎn)方向相同，那么在進(jìn)行打標(biāo)操作時，首先給X軸振鏡預(yù)置一個與生產(chǎn)線相同的速度分量，就可以實(shí)現(xiàn)對其速度的補(bǔ)償，這樣就可以像靜態(tài)打標(biāo)一樣進(jìn)行標(biāo)記了。然而在實(shí)際操作中，上述補(bǔ)償校正方案操作起來非常困難，因?yàn)閽呙枵耒R的內(nèi)部是用一個精密步進(jìn)電機(jī)控制的，并且步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角速度是固定的。我們對掃描振鏡只能控制其偏轉(zhuǎn)角度的大小，而不能控制其偏轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)對其偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程分解為多步完成，通過調(diào)節(jié)步與步之間的延遲時間調(diào)節(jié)其偏轉(zhuǎn)線速度，從而使其偏轉(zhuǎn)線速度與生產(chǎn)線速度同步。這種補(bǔ)償方案軟件開發(fā)非常困難。
由于難以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線的速度進(jìn)行直接補(bǔ)償。又因?yàn)榧す獯驑?biāo)首先把要利用控制軟件把需要標(biāo)記的信息轉(zhuǎn)化為點(diǎn)陣信息，然后在相應(yīng)位置進(jìn)行打點(diǎn)操作，我們考慮不直接對生產(chǎn)線的速度進(jìn)行補(bǔ)償，而是對所要標(biāo)記的點(diǎn)進(jìn)行位置補(bǔ)償。具體分析如下：
設(shè)生產(chǎn)線速度為V1振鏡掃描速度為V2，點(diǎn)陣字符每列中相鄰點(diǎn)間距為S1 ， 則Y軸振鏡由前一點(diǎn)掃描到下一點(diǎn)的時間為：
（1）而在這段時間內(nèi)由于生產(chǎn)線的運(yùn)動而造成的位置偏移：
（2）由于點(diǎn)陣字符的點(diǎn)間距離較小，所以T1約等于振鏡的小角度響應(yīng)時間。這樣在標(biāo)記每個點(diǎn)時，按照該點(diǎn)原本的位置坐標(biāo)加上由于生產(chǎn)線的運(yùn)動造成的位置偏移，得到該點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)，而控制X軸及Y軸振鏡直接按該點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)偏轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置進(jìn)行打點(diǎn)操作。這樣可以有效地實(shí)現(xiàn)在線打標(biāo)，并且提高了標(biāo)記速度。
2.2方案運(yùn)行過程
按照點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)從第一列的第一點(diǎn)開始，首先將振鏡擺動到原點(diǎn)位置，然后取該點(diǎn)的點(diǎn)陣信息，判斷是否打點(diǎn)，是則控制激光器出光。標(biāo)記完成后，控制Y軸振鏡擺動到該列第二點(diǎn)位置，同時X軸振鏡按與生產(chǎn)線相同的運(yùn)動方向擺動一定距離進(jìn)行點(diǎn)位置補(bǔ)償，使其在標(biāo)記該點(diǎn)時，其位置處于上一點(diǎn)的正下方，振鏡穩(wěn)定后判斷是否標(biāo)記第二點(diǎn)，以此類推，直到該列所有的點(diǎn)標(biāo)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(diǎn)補(bǔ)償距離不同，擺動完成后應(yīng)使光束所處位置在上一列第一點(diǎn)的后面一定距離，所以稱它為列補(bǔ)償。然后開始標(biāo)記第二列，方法與第一列相同，以此類推直到標(biāo)記完所有字符。
3 方案的優(yōu)化
上述定位方案的特點(diǎn)是標(biāo)記字符的精度高、字符美觀度好，對點(diǎn)陣字符的每一點(diǎn)的位置都進(jìn)行了補(bǔ)償，完全克服了生產(chǎn)線運(yùn)動對打標(biāo)造成的影響。但是由于振鏡的小角度響應(yīng)時間約為0.3ms，由公式得其標(biāo)記速度只能達(dá)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(jìn)行改進(jìn)：
進(jìn)一步分析，速度慢的主要原因?yàn)閅軸振鏡在標(biāo)記列的每一點(diǎn)時的穩(wěn)定時間，如果在標(biāo)記每一列時，不是讓Y軸振鏡在每一點(diǎn)都停下來，而是由初始位置直接擺動到末點(diǎn)位置，然后在擺動過程中進(jìn)行標(biāo)記，這樣對位置補(bǔ)償只進(jìn)行列位置補(bǔ)償，而不進(jìn)行點(diǎn)位置補(bǔ)償，這樣就完全省去了在標(biāo)記列的每一點(diǎn)時所耗費(fèi)的穩(wěn)定時間，大大提高了標(biāo)記的速度。這就是我們的快速掃描方案，采用這種方案進(jìn)行標(biāo)記，公式2修正為：
（3）式中V為標(biāo)記字符速率，n為每個字符的列數(shù)，t為小角度響應(yīng)時間。目前標(biāo)記7×5點(diǎn)陣字符其速度可達(dá)到200字符/秒。
利用上述方案由于標(biāo)記速度較快，加上只進(jìn)行列定位而沒有對每一點(diǎn)進(jìn)行定位，從而在快速打標(biāo)過程中容易使打標(biāo)字符發(fā)生微小傾斜，這可以通過把打標(biāo)機(jī)與生產(chǎn)線以一定角度放置來解決，但是由于打標(biāo)機(jī)傾斜放置后，打標(biāo)機(jī)的坐標(biāo)與生產(chǎn)線的坐標(biāo)將不再重合，從而使標(biāo)記的整列字符發(fā)生傾斜，所以每標(biāo)記完一列點(diǎn)陣后，要對Y軸的振鏡“0”點(diǎn)位置進(jìn)行補(bǔ)償，使其在生產(chǎn)線上的位置與前一列的“0”點(diǎn)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(biāo)記速度較快，要求激光器要有較高的開關(guān)頻率和功率較強(qiáng)的激光脈沖，射頻CO2激光器的開關(guān)頻率可達(dá)到25kHz，而Nd:YAG激光器的開關(guān)頻率可達(dá)到10kHz，均能滿足要求。
結(jié)論
我們的掃描方案完成實(shí)際的打標(biāo)操作，標(biāo)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(shí)踐檢驗(yàn)，完全可以實(shí)現(xiàn)在線打標(biāo)。
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