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解決方案
我國(guó)激光打標(biāo)機(jī)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(lái)的一門新型加工技術(shù)，是一種非接觸、無(wú)污染、無(wú)磨損的新標(biāo)記工藝。近年來(lái)，隨著激光器的可靠性和實(shí)用性的提高，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和光學(xué)器件的改進(jìn)，促進(jìn)了激光打標(biāo)技術(shù)的發(fā)展。
激光打標(biāo)機(jī)是利用高能量密度的激光束對(duì)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(jiàn)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(dòng)同時(shí)控制激光的開(kāi)斷，激光束也就在材料表面加工成了一個(gè)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(diǎn)：
(1) 標(biāo)記速度快，字跡清晰、永久。
(2) 非接觸式加工，污染小，無(wú)磨損。
(3) 操作方便，防偽功能強(qiáng)。
(4) 可以做到高速自動(dòng)化運(yùn)行，生產(chǎn)成本低
二．國(guó)內(nèi)激光打標(biāo)機(jī)的發(fā)展歷程
激光打標(biāo)機(jī)的核心是激光打標(biāo)控制系統(tǒng)，因此，激光打標(biāo)機(jī)的發(fā)展歷程就是打標(biāo)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。從1995年到2003年短短的8年時(shí)間，控制系統(tǒng)在激光打標(biāo)機(jī)領(lǐng)域就經(jīng)歷了大幅面時(shí)代、轉(zhuǎn)鏡時(shí)代和振鏡時(shí)代，控制方式也完成了從軟件直接控制到上下位機(jī)控制到實(shí)時(shí)處理、分時(shí)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(duì)光學(xué)過(guò)程控制提出了新的挑戰(zhàn)。
1．大幅面時(shí)代
所謂大幅面，剛開(kāi)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(diǎn)X軸基點(diǎn)、Y軸基點(diǎn)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(dòng)光路的運(yùn)行，這種方式最明顯的優(yōu)勢(shì)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(jī)械磨損大、可靠性差、體積大等缺點(diǎn)。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(chǎng)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(guò)程，用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速大幅面系統(tǒng)，而隨著三維動(dòng)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(shí)代
由于看到大幅面系統(tǒng)的一系列缺點(diǎn)，在高速振鏡技術(shù)還沒(méi)有在中國(guó)廣泛普及的情況下，一些控制工程師自行開(kāi)發(fā)了由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)擴(kuò)束，經(jīng)過(guò)成90°安裝的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的金鏡的反射，由F-theta場(chǎng)鏡聚焦后輸出作用于處理對(duì)象上，金鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)使工作平面上的激光作用點(diǎn)分別在X、Y軸上移動(dòng)，兩個(gè)鏡面協(xié)同動(dòng)作使激光可以在工作平面上完成直線和各種曲線的移動(dòng)。這種控制過(guò)程無(wú)論從速度還是定位精度來(lái)說(shuō)都遠(yuǎn)超過(guò)大幅面，因此在很大程度上能滿足工具行業(yè)對(duì)激光控制的要求，雖然同當(dāng)時(shí)國(guó)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(lái)說(shuō)這種設(shè)計(jì)思路的出現(xiàn)和逐步完善代表著中國(guó)激光應(yīng)用的一個(gè)里程碑，是中國(guó)完全能自行設(shè)計(jì)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(guó)大規(guī)模應(yīng)用的興起，這種控制方式才逐步退出中國(guó)激光應(yīng)用的舞臺(tái)。
3．振鏡時(shí)代
1998年，振鏡式掃描系統(tǒng)在中國(guó)的大規(guī)模應(yīng)用開(kāi)始到來(lái)。
[所謂振鏡，又可以稱之為電流表計(jì)，它的設(shè)計(jì)思路完全沿襲電流表的設(shè)計(jì)方法，鏡片取代了表針，而探頭的信號(hào)由計(jì)算機(jī)控制的-5V—5V的直流信號(hào)取代，以完成預(yù)定的動(dòng)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(duì)折返鏡，不同的是，驅(qū)動(dòng)這套鏡片的步進(jìn)電機(jī)被伺服電機(jī)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(jì)思路進(jìn)一步保證了系統(tǒng)的精度，整個(gè)系統(tǒng)的掃描速度和重復(fù)定位精度達(dá)到一個(gè)新的水平。
三．國(guó)內(nèi)激光打標(biāo)機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)的激光打標(biāo)機(jī)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(guò)望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)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(guò)透鏡成像到工件（焦面）上。通常每個(gè)脈沖即可形成一個(gè)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(diǎn)是一個(gè)激光脈沖一次就能打出一個(gè)完整的、包括幾種符號(hào)的標(biāo)記，因此打標(biāo)速度快。對(duì)于大批量產(chǎn)品，可在生產(chǎn)線上直接打標(biāo)。缺點(diǎn)是打標(biāo)靈活性差，能量利用率低。
它是使用幾臺(tái)小型激光器同時(shí)發(fā)射脈沖，經(jīng)反射鏡和聚焦透鏡后，使幾個(gè)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(gè)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(gè)點(diǎn)，豎筆劃7個(gè)點(diǎn)，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(lì)CO2激光器，其打標(biāo)速度最高可達(dá)6000字符／妙，因而成為高速在線打標(biāo)的理想選擇，其缺點(diǎn)是只能標(biāo)記點(diǎn)陣字符，且只能達(dá)到5×7的分辨率，對(duì)于漢字無(wú)能為力。
2．掃描式打標(biāo)
掃描式打標(biāo)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、激光器和X-Y掃描機(jī)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(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照事先設(shè)計(jì)好的程序控制激光器和X-Y掃描機(jī)構(gòu)，使經(jīng)過(guò)特殊光學(xué)系統(tǒng)變換的高能量激光點(diǎn)在被加工表面上掃描運(yùn)動(dòng)，形成標(biāo)記。
通常X-Y掃描機(jī)構(gòu)有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是機(jī)械掃描式，另一種是振鏡掃描式。
(1) 機(jī)械掃描式
機(jī)械掃描式打標(biāo)系統(tǒng)不是采用通過(guò)改變反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度去移動(dòng)光束，而是通過(guò)機(jī)械的方法對(duì)反射鏡進(jìn)行X-Y坐標(biāo)的平移，從而改變激光束到達(dá)工件的位置，這種打標(biāo)系統(tǒng)的X-Y掃描機(jī)構(gòu)通常是用繪圖儀改裝。其工作過(guò)程：激光束經(jīng)過(guò)反光鏡①、②轉(zhuǎn)折光路后，再經(jīng)過(guò)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(lái)回運(yùn)動(dòng)；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(yùn)動(dòng)。在計(jì)算機(jī)的控制下（一般通過(guò)并口輸出控制信號(hào)），光筆在Y方向上的運(yùn)動(dòng)與筆臂在X方向上的運(yùn)動(dòng)合成，可使輸出激光到達(dá)平面內(nèi)任意點(diǎn)，從而標(biāo)刻出任意圖形和文字。
（2）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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制反射鏡的反射角度，這兩個(gè)反射鏡可分別沿X、Y軸掃描，從而達(dá)到激光束的偏轉(zhuǎn)，使具有一定功率密度的激光聚焦點(diǎn)在打標(biāo)材料上按所需的要求運(yùn)動(dòng)，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(jì)算機(jī)中圖形軟件對(duì)圖形的處理方式，具有作圖效率高，圖形精度好，無(wú)失真等特點(diǎn)，極大的提高了激光打標(biāo)的質(zhì)量和速度。同時(shí)振鏡式打標(biāo)也可采用點(diǎn)陣式打標(biāo)方式，采用這種方式對(duì)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(gè)掃描振鏡或兩個(gè)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(diǎn)陣信息，對(duì)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(zhǎng)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(kāi)關(guān)調(diào)制的。近年發(fā)展的射頻激勵(lì)CO2激光器，也被用于振鏡掃描式激光打標(biāo)機(jī)。
振鏡掃描式打標(biāo)機(jī)因其應(yīng)用范圍廣，可進(jìn)行矢量打標(biāo)和點(diǎn)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(gè)字符）、打標(biāo)質(zhì)量較高、光路密封性能好、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)已成為主流產(chǎn)品，并被認(rèn)為代表了未來(lái)激光打標(biāo)機(jī)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(zhǎng)短(為1.06μm)，聚焦的光斑小，因而最適合在金屬等材料上進(jìn)行高清晰度的標(biāo)記。CO2激光器產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)為10.6μm，木制品、玻璃、聚合物和多數(shù)透明材料對(duì)其有很好的吸收效果，因而特別適合在非金屬表面上進(jìn)行標(biāo)記。
Nd:YAG激光器和CO2激光器的缺點(diǎn)是對(duì)材料的熱損傷及熱擴(kuò)散比較嚴(yán)重，產(chǎn)生的熱邊效應(yīng)常會(huì)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(shí)，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(jī)時(shí)，標(biāo)記邊緣十分清晰。由于材料對(duì)紫外光的吸收大，激光對(duì)材料的作用只發(fā)生在材料的最表層，對(duì)材料幾乎沒(méi)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(guó)內(nèi)激光打標(biāo)機(jī)的市場(chǎng)現(xiàn)狀
國(guó)家自“六.五”計(jì)劃起支持激光加工項(xiàng)目，“七.五”末至“八.五”初期開(kāi)始出現(xiàn)激光加工系統(tǒng)的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)。國(guó)產(chǎn)激光加工系統(tǒng)的銷售額從1991年的1518萬(wàn)元，增至2003年的9.8億元，13年增長(zhǎng)64倍。激光打標(biāo)機(jī)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(guó)內(nèi)從事激光打標(biāo)機(jī)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(guò)各地光電子、激光行業(yè)協(xié)會(huì)和激光設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)對(duì)近三年多來(lái)全國(guó)激光行業(yè)激光設(shè)備的銷售情況進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析，2001年、2002年、2003年我國(guó)激光加工設(shè)備銷售統(tǒng)計(jì)與分析的各類數(shù)據(jù)簡(jiǎn)要?dú)w納如下：
2001年我國(guó)激光加工產(chǎn)品市場(chǎng)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(jī)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(jī)中，YAG激光打標(biāo)機(jī)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(jī)銷售總量為864臺(tái)，2002年為1142臺(tái)，2003年達(dá)1600臺(tái)。
從以上數(shù)據(jù)，我們可以看出：1. 激光打標(biāo)機(jī)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(jī)在激光打標(biāo)機(jī)中占據(jù)著絕對(duì)統(tǒng)治地位。
五．國(guó)內(nèi)激光打標(biāo)機(jī)的發(fā)展前景
激光打標(biāo)機(jī)是綜合了激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的光、機(jī)電一體化系統(tǒng)，當(dāng)今激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為激光打標(biāo)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
目前，在振鏡式掃描激光打標(biāo)機(jī)中，硬件控制電路都是基于計(jì)算機(jī)ISA總線或者PCI總線而設(shè)計(jì)的，必須安裝在計(jì)算機(jī)主板的ISA總線或PCI總線擴(kuò)展槽中。這種方式使得1臺(tái)計(jì)算機(jī)控制激光打標(biāo)機(jī)的臺(tái)數(shù)受到了限制（現(xiàn)在絕大部分情況是1臺(tái)計(jì)算機(jī)控制1臺(tái)激光打標(biāo)機(jī)）。另外，硬件安裝于計(jì)算機(jī)主板上，給整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)影響，降低了激光打標(biāo)機(jī)的穩(wěn)定性，同時(shí)也增加了激光打標(biāo)機(jī)的成本和體積。
USB的出現(xiàn)和發(fā)展使得激光打標(biāo)機(jī)的硬件控制電路脫離計(jì)算機(jī)ISA總線或者PCI總線成為可能。USB2.0的傳輸速率可達(dá)480Mbit／s，完全可以勝任激光打標(biāo)機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，而且，它可以支持1臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)連接127臺(tái)設(shè)備，這樣就可以用1臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制幾臺(tái)激光打標(biāo)機(jī)而不必增加額外的費(fèi)用，而且激光打標(biāo)機(jī)也可以不帶計(jì)算機(jī)進(jìn)行銷售，從而降低了激光打標(biāo)機(jī)的價(jià)格。
現(xiàn)在激光打標(biāo)機(jī)使用的Nd：YAG激光器都是以氪燈或氙燈來(lái)泵浦的，其泵浦效率很低，致使激光器的總效率只能達(dá)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(jī)都配有龐大的冷卻系統(tǒng)，其體積可占整個(gè)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(dá)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(jī)向輕型化、小型化方向發(fā)展創(chuàng)造了條件。而近年來(lái)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(hù)和價(jià)格低廉、制作靈活等顯著優(yōu)勢(shì)，更加促進(jìn)了激光打標(biāo)向輕型化、小型化方向發(fā)展。
激光打標(biāo)機(jī)目前在國(guó)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)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(jī)械零部件、電子元器件、集成電路模塊、儀器、儀表、電機(jī)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(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家已將該技術(shù)作為工業(yè)加工的工藝標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也非常重視這一技術(shù)，國(guó)家科委已將該技術(shù)列為“八五火炬計(jì)劃”進(jìn)行研制和推廣。現(xiàn)在它已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)越來(lái)越多生產(chǎn)廠家的重視，必將會(huì)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(jī)具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場(chǎng)前景。
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