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解決方案
我國激光打標(biāo)機的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景
2021-01-09
一．概述
激光打標(biāo)是在激光焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應(yīng)用技術(shù)之后發(fā)展起來的一門新型加工技術(shù)，是一種非接觸、無污染、無磨損的新標(biāo)記工藝。近年來，隨著激光器的可靠性和實用性的提高，加上計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和光學(xué)器件的改進，促進了激光打標(biāo)技術(shù)的發(fā)展。
激光打標(biāo)機是利用高能量密度的激光束對目標(biāo)作用,使目標(biāo)表面發(fā)生物理或化學(xué)的變化,從而獲得可見圖案的標(biāo)記方式。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。隨著激光束在材料表面有規(guī)律地移動同時控制激光的開斷，激光束也就在材料表面加工成了一個指定的圖案。激光打標(biāo)與傳統(tǒng)的標(biāo)記工藝相比有明顯的優(yōu)點：
(1) 標(biāo)記速度快，字跡清晰、永久。
(2) 非接觸式加工，污染小，無磨損。
(3) 操作方便，防偽功能強。
(4) 可以做到高速自動化運行，生產(chǎn)成本低
二．國內(nèi)激光打標(biāo)機的發(fā)展歷程
激光打標(biāo)機的核心是激光打標(biāo)控制系統(tǒng)，因此，激光打標(biāo)機的發(fā)展歷程就是打標(biāo)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程。從1995年到2003年短短的8年時間，控制系統(tǒng)在激光打標(biāo)機領(lǐng)域就經(jīng)歷了大幅面時代、轉(zhuǎn)鏡時代和振鏡時代，控制方式也完成了從軟件直接控制到上下位機控制到實時處理、分時復(fù)用的一系列演變，如今，半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、乃至紫外激光的出現(xiàn)和發(fā)展又對光學(xué)過程控制提出了新的挑戰(zhàn)。
1．大幅面時代
所謂大幅面，剛開始是將繪圖儀的控制部分直接用于激光設(shè)備上，將繪圖筆取下，在（0，0）點X軸基點、Y軸基點和原繪圖筆的位置上分別安裝45°折返鏡，在原繪圖筆位置下端安裝小型聚焦鏡，用以導(dǎo)通光路及使光束聚焦。直接用繪圖軟件輸出打印命令即可驅(qū)動光路的運行，這種方式最明顯的優(yōu)勢是幅面大，而且基本上能滿足精度比較低的標(biāo)刻要求，不需要專用的標(biāo)刻軟件；但是，這種方式存在著打標(biāo)速度慢、控制精度低、筆臂機械磨損大、可靠性差、體積大等缺點。因此，在經(jīng)歷最初的嘗試后，繪圖儀式的大幅面激光打標(biāo)系統(tǒng)逐步退出打標(biāo)市場的，現(xiàn)在所應(yīng)用的同類型的大幅面設(shè)備基本上都是模仿以前這種控制過程，用伺服電機驅(qū)動的高速大幅面系統(tǒng)，而隨著三維動態(tài)聚焦振鏡式掃描系統(tǒng)的逐步完善，大幅面系統(tǒng)將逐步從激光標(biāo)刻領(lǐng)域銷聲匿跡。
2．轉(zhuǎn)鏡時代
由于看到大幅面系統(tǒng)的一系列缺點，在高速振鏡技術(shù)還沒有在中國廣泛普及的情況下，一些控制工程師自行開發(fā)了由步進電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)，其工作原理是將從諧振腔中導(dǎo)出的激光通過擴束，經(jīng)過成90°安裝的兩個步進電機驅(qū)動的金鏡的反射，由F-theta場鏡聚焦后輸出作用于處理對象上，金鏡的轉(zhuǎn)動使工作平面上的激光作用點分別在X、Y軸上移動，兩個鏡面協(xié)同動作使激光可以在工作平面上完成直線和各種曲線的移動。這種控制過程無論從速度還是定位精度來說都遠(yuǎn)超過大幅面，因此在很大程度上能滿足工具行業(yè)對激光控制的要求，雖然同當(dāng)時國際上流行的振鏡式掃描系統(tǒng)還有比較明顯的差距，但嚴(yán)格來說這種設(shè)計思路的出現(xiàn)和逐步完善代表著中國激光應(yīng)用的一個里程碑，是中國完全能自行設(shè)計和生產(chǎn)激光應(yīng)用設(shè)備的典型標(biāo)志。直到振鏡在中國大規(guī)模應(yīng)用的興起，這種控制方式才逐步退出中國激光應(yīng)用的舞臺。
3．振鏡時代
1998年，振鏡式掃描系統(tǒng)在中國的大規(guī)模應(yīng)用開始到來。
[所謂振鏡，又可以稱之為電流表計，它的設(shè)計思路完全沿襲電流表的設(shè)計方法，鏡片取代了表針，而探頭的信號由計算機控制的-5V—5V的直流信號取代，以完成預(yù)定的動作。同轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)相同，這種典型的控制系統(tǒng)采用了一對折返鏡，不同的是，驅(qū)動這套鏡片的步進電機被伺服電機所取代，在這套控制系統(tǒng)中，位置傳感器的使用和負(fù)反饋回路的設(shè)計思路進一步保證了系統(tǒng)的精度，整個系統(tǒng)的掃描速度和重復(fù)定位精度達到一個新的水平。
三．國內(nèi)激光打標(biāo)機的技術(shù)現(xiàn)狀
目前國內(nèi)的激光打標(biāo)機按其工作方式可分為掩模式打標(biāo)、陣列式打標(biāo)和掃描式打標(biāo)。
1．掩模式打標(biāo)
掩模式打標(biāo)又叫投影式打標(biāo)。掩模式打標(biāo)系統(tǒng)由激光器、掩模板和成像透鏡組成，其工作原理，經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡擴束的激光，均勻的投射在事先做好的掩模板上，光從雕空部分透射。掩模板上的圖形通過透鏡成像到工件（焦面）上。通常每個脈沖即可形成一個標(biāo)記。受激光輻射的材料表面被迅速加熱汽化或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生顏色變化形成可分辨的清晰標(biāo)記。掩模式打標(biāo)一般采用CO2激光器和YAG激光器。掩模式打標(biāo)主要優(yōu)點是一個激光脈沖一次就能打出一個完整的、包括幾種符號的標(biāo)記，因此打標(biāo)速度快。對于大批量產(chǎn)品，可在生產(chǎn)線上直接打標(biāo)。缺點是打標(biāo)靈活性差，能量利用率低。
它是使用幾臺小型激光器同時發(fā)射脈沖，經(jīng)反射鏡和聚焦透鏡后，使幾個激光脈沖在被打標(biāo)材料表面上燒蝕（熔化）出大小及深度均勻的小凹坑，每個字符、圖案都是由這些小圓黑凹坑構(gòu)成的，一般是橫筆劃5個點，豎筆劃7個點，從而形成5×7的陣列。陣列式打標(biāo)一般采用小功率射頻激勵CO2激光器，其打標(biāo)速度最高可達6000字符／妙，因而成為高速在線打標(biāo)的理想選擇，其缺點是只能標(biāo)記點陣字符，且只能達到5×7的分辨率，對于漢字無能為力。
2．掃描式打標(biāo)
掃描式打標(biāo)系統(tǒng)由計算機、激光器和X-Y掃描機構(gòu)三部分組成，其工作原理是將需要打標(biāo)的信息輸入計算機，計算機按照事先設(shè)計好的程序控制激光器和X-Y掃描機構(gòu)，使經(jīng)過特殊光學(xué)系統(tǒng)變換的高能量激光點在被加工表面上掃描運動，形成標(biāo)記。
通常X-Y掃描機構(gòu)有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是機械掃描式，另一種是振鏡掃描式。
(1) 機械掃描式
機械掃描式打標(biāo)系統(tǒng)不是采用通過改變反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度去移動光束，而是通過機械的方法對反射鏡進行X-Y坐標(biāo)的平移，從而改變激光束到達工件的位置，這種打標(biāo)系統(tǒng)的X-Y掃描機構(gòu)通常是用繪圖儀改裝。其工作過程：激光束經(jīng)過反光鏡①、②轉(zhuǎn)折光路后，再經(jīng)過光筆（聚焦透鏡）③作用射到被加工工件上。其中繪圖儀筆臂④只能帶著反光鏡①和②沿X軸方向來回運動；光筆③連同它上端的反光鏡②（兩者固定在一起）只能沿Y軸方向運動。在計算機的控制下（一般通過并口輸出控制信號），光筆在Y方向上的運動與筆臂在X方向上的運動合成，可使輸出激光到達平面內(nèi)任意點，從而標(biāo)刻出任意圖形和文字。
?。?）振鏡掃描式
振鏡掃描式打標(biāo)系統(tǒng)主要由激光器、XY偏轉(zhuǎn)鏡、聚焦透鏡、計算機等構(gòu)成。其工作原理是將激光束入射到兩反射鏡（振鏡）上，用計算機控制反射鏡的反射角度，這兩個反射鏡可分別沿X、Y軸掃描，從而達到激光束的偏轉(zhuǎn)，使具有一定功率密度的激光聚焦點在打標(biāo)材料上按所需的要求運動，從而在材料表面上留下永久的標(biāo)記，聚焦的光斑可以是圓形或矩形。
在振鏡打標(biāo)系統(tǒng)中，可以采用矢量圖形及文字，這種方法采用了計算機中圖形軟件對圖形的處理方式，具有作圖效率高，圖形精度好，無失真等特點，極大的提高了激光打標(biāo)的質(zhì)量和速度。同時振鏡式打標(biāo)也可采用點陣式打標(biāo)方式，采用這種方式對于在線打標(biāo)很適用，根據(jù)于不同速度的生產(chǎn)線可以采用一個掃描振鏡或兩個掃描振鏡，與前面所述的陣列式打標(biāo)相比，可以標(biāo)記更多的點陣信息，對于標(biāo)記漢字字符具有更大的優(yōu)。
振鏡掃描式打標(biāo)系統(tǒng)一般使用連續(xù)光泵工作波長為1.06μm的Nd:YAG激光器，輸出功率為10～120W，激光輸出可以是連續(xù)的，也可以是Q開關(guān)調(diào)制的。近年發(fā)展的射頻激勵CO2激光器，也被用于振鏡掃描式激光打標(biāo)機。
振鏡掃描式打標(biāo)機因其應(yīng)用范圍廣，可進行矢量打標(biāo)和點陣打標(biāo)，標(biāo)記范圍可調(diào)，而且具有響應(yīng)速度快、打標(biāo)速度高（每秒鐘可打標(biāo)幾百個字符）、打標(biāo)質(zhì)量較高、光路密封性能好、對環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)勢已成為主流產(chǎn)品，并被認(rèn)為代表了未來激光打標(biāo)機的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前用于打標(biāo)的激光器主要有Nd:YAG激光器和CO2激光器。Nd:YAG激光器產(chǎn)生的激光能被金屬和絕大多數(shù)塑料很好地吸收，而且其波長短(為1.06μm)，聚焦的光斑小，因而最適合在金屬等材料上進行高清晰度的標(biāo)記。CO2激光器產(chǎn)生的激光波長為10.6μm，木制品、玻璃、聚合物和多數(shù)透明材料對其有很好的吸收效果，因而特別適合在非金屬表面上進行標(biāo)記。
Nd:YAG激光器和CO2激光器的缺點是對材料的熱損傷及熱擴散比較嚴(yán)重，產(chǎn)生的熱邊效應(yīng)常會使標(biāo)記模糊。相比之下，由準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的紫外光打標(biāo)時，不加熱物質(zhì)，只蒸發(fā)物質(zhì)的表面，在表面組織產(chǎn)生光化學(xué)效應(yīng)，而在物質(zhì)表層留下標(biāo)記。所以，用準(zhǔn)分子激光打標(biāo)機時，標(biāo)記邊緣十分清晰。由于材料對紫外光的吸收大，激光對材料的作用只發(fā)生在材料的最表層，對材料幾乎沒有燒損現(xiàn)象，因此準(zhǔn)分子激光器更適合于材料的標(biāo)記。
四．國內(nèi)激光打標(biāo)機的市場現(xiàn)狀
國家自“六.五”計劃起支持激光加工項目，“七.五”末至“八.五”初期開始出現(xiàn)激光加工系統(tǒng)的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)。國產(chǎn)激光加工系統(tǒng)的銷售額從1991年的1518萬元，增至2003年的9.8億元，13年增長64倍。激光打標(biāo)機是其中代表產(chǎn)品之一，其在激光加工設(shè)備中的比例最高而且正在逐年提高。
目前，國內(nèi)從事激光打標(biāo)機生產(chǎn)和銷售的企業(yè)大概有30多家，主要分布在武漢、北京、深圳、南京和廣州等地。
通過各地光電子、激光行業(yè)協(xié)會和激光設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)對近三年多來全國激光行業(yè)激光設(shè)備的銷售情況進行調(diào)查、統(tǒng)計和分析，2001年、2002年、2003年我國激光加工設(shè)備銷售統(tǒng)計與分析的各類數(shù)據(jù)簡要歸納如下：
2001年我國激光加工產(chǎn)品市場銷售總額為5.8億元；2002年為7.4億元；2003年銷售額為9.8億元。其中激光打標(biāo)機的銷售額2001年為1.9億元，2002年為2.48億元，2003年為3.33億元，分別占當(dāng)年激光加工銷售總額的32.7%、33.5%、34.0%。
在激光激光打標(biāo)機中，YAG激光打標(biāo)機2001年的銷售額為1.45億元，2002年為1.9億元，2003年為2.5億元；2001年YAG激光打標(biāo)機銷售總量為864臺，2002年為1142臺，2003年達1600臺。
從以上數(shù)據(jù)，我們可以看出：1. 激光打標(biāo)機的銷售額在逐年穩(wěn)步提高，其在激光加工銷售總額的比例也在不斷增加；2. YAG 激光打標(biāo)機在激光打標(biāo)機中占據(jù)著絕對統(tǒng)治地位。
五．國內(nèi)激光打標(biāo)機的發(fā)展前景
激光打標(biāo)機是綜合了激光技術(shù)和計算機技術(shù)的光、機電一體化系統(tǒng)，當(dāng)今激光技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展為激光打標(biāo)技術(shù)的發(fā)展帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。
目前，在振鏡式掃描激光打標(biāo)機中，硬件控制電路都是基于計算機ISA總線或者PCI總線而設(shè)計的，必須安裝在計算機主板的ISA總線或PCI總線擴展槽中。這種方式使得1臺計算機控制激光打標(biāo)機的臺數(shù)受到了限制（現(xiàn)在絕大部分情況是1臺計算機控制1臺激光打標(biāo)機）。另外，硬件安裝于計算機主板上，給整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來影響，降低了激光打標(biāo)機的穩(wěn)定性，同時也增加了激光打標(biāo)機的成本和體積。
USB的出現(xiàn)和發(fā)展使得激光打標(biāo)機的硬件控制電路脫離計算機ISA總線或者PCI總線成為可能。USB2.0的傳輸速率可達480Mbit／s，完全可以勝任激光打標(biāo)機對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，而且，它可以支持1臺計算機同時連接127臺設(shè)備，這樣就可以用1臺計算機同時控制幾臺激光打標(biāo)機而不必增加額外的費用，而且激光打標(biāo)機也可以不帶計算機進行銷售，從而降低了激光打標(biāo)機的價格。
現(xiàn)在激光打標(biāo)機使用的Nd：YAG激光器都是以氪燈或氙燈來泵浦的，其泵浦效率很低，致使激光器的總效率只能達到2％～5％，這意味著絕大部分所加于泵浦燈的電功率都轉(zhuǎn)化為熱量。因此，這種激光打標(biāo)機都配有龐大的冷卻系統(tǒng)，其體積可占整個系統(tǒng)體積的40％。
近幾年出現(xiàn)的半導(dǎo)體激光泵浦的固體激光器，其總體轉(zhuǎn)換效率可達20％以上，因而可以大大縮小激光器冷卻系統(tǒng)的體積，這就為激光打標(biāo)機向輕型化、小型化方向發(fā)展創(chuàng)造了條件。而近年來出現(xiàn)的大功率光纖激光器，其散熱性能好、轉(zhuǎn)換效率高（是半導(dǎo)體激光泵浦的固體激光器的2倍以上）、激光閾值低、可調(diào)諧范圍寬、光束質(zhì)量好、免維護和價格低廉、制作靈活等顯著優(yōu)勢，更加促進了激光打標(biāo)向輕型化、小型化方向發(fā)展。
激光打標(biāo)機目前在國內(nèi)外工業(yè)上的應(yīng)用正被人們逐漸重視，各種新型的打標(biāo)系統(tǒng)層出不窮，它以其獨特的優(yōu)點正在取代傳統(tǒng)的標(biāo)記方法，如：沖壓、印刷、化學(xué)腐蝕等,在各種機械零部件、電子元器件、集成電路模塊、儀器、儀表、電機銘牌、工具甚至食品包裝等物體表面上,標(biāo)記出漢字、英文字符、數(shù)字、圖形等，從而在這些領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。國際上一些發(fā)達國家已將該技術(shù)作為工業(yè)加工的工藝標(biāo)準(zhǔn)，我國也非常重視這一技術(shù)，國家科委已將該技術(shù)列為“八五火炬計劃”進行研制和推廣。現(xiàn)在它已經(jīng)引起了國內(nèi)越來越多生產(chǎn)廠家的重視，必將會代替?zhèn)鹘y(tǒng)的標(biāo)記工藝，給產(chǎn)品生產(chǎn)注入新的活力。因此，激光打標(biāo)機具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景。
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