（物理电子学专业论文）高速激光打标技术研究.pdf

摘要 论文首先分析了激光打标技术发展趋势及应用前景。激光打标技术目前主要 有高速、高精细、大加工面积、彩色打标等几个发展方向。本课题主要的研究目 标是尽可能提高打标速度，针对这一研究方向，提出了高速激光打标技术匝待解 决的技术难题，并对这些技术难题提出了解决思路。 激光打标机根据激光束运动与否，可以分为定光式和动光式两大类。在众多 的激光打标机中，振镜式激光打标机因为它所具有的各种优势已经成为了主流产 品。根据光源来划分，激光打标机又可分为y a g 激光打标和c o ：激光打标机，返 两种光源适用于不同的材料。y a g 光源可以加工金属材料和大部分非金属材料： 而c o ：激光光源主要是用来加工非金属材料。在众多的激光打标机中，y a g 振镜 ，激光打标机因为它所具有的各种优势已经成为了主流产品。本论文研制的y a g 振镜式激光打标机采用了声光调制激光器，针对这一需要论文简要分析了适用于 高速激光打标机的声光调制激光器的主要技术特点。 声光q 丌光和振镜是高速激光打标机的重要器件，目前市场上声光q 外光和 振镜的控制信号并不统一，通常需要针对不同厂家的器件设训专用的计算机扩展 卡。当选用的器件改变时，这种方式大幅度提高了开发成本。本论文针对目前国 内外市场上常见的主要器件设计了通用性很强的计算机扩展卡，可以适用于国内 外绝大多数器件。 数控软件是高速激光打标机的核心技术之一，也是本论文研究的重点。目前 提高打标速度的途径主要有两种：l 、提高硬件速度( 主要是振镜反应速度) 。2 、 提高软件运行速度。提高硬件速度主要是尽可能提高振镜的反应速度( 例如： 德国s c a n l a b 公司的r t c 系列) ，这要采用比较昂贵的进口器件( 目前国内厂家 还未研制出低成本的国产高速振镜) 。奉论文采用了提高软件运行速度的方法， 提出了利用链标存储图像数据的新方法。目前w in d o w s2 0 0 0 是主流的p c 机操作 系统，本论文通过将加工过程中主要的软件运算语句移植到核心态的设备驱动程 序提高了软件运行速度。实践证明，通过软件技术的改进较大幅度提高了加工速 度。 论文最后对研制过程中取得的创新性成果进行了总结。 关键词：声光调制、计算机扩展卡、驱动程序、数控软件 l i i a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，f i r s tw ea n a l y z et h et e n d e n c ya n df u t u r eo fh i g h - s p e e dl a s e r m a r k i n gt e c h n i q u e ，n o w ，t h i st e c h n i q u eh a ss e v e r a ld e v e l o p m e n tt a r g e t s ，s u c h a sh i g hs p e e d ，h i g hs u b t l e ，b i ga r e aa n dm u l t i c o l o r e dm a r k i n g o u ro r d e ri s r a i s i n gt h ew o r k i n ge f f i c i e n c y t ot h e s ep r o b l e m s ，w ep u tf o r w a r ds o m eg o o d i d e ao fh i g h s p e e d a s e rm a r k i n gt e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h em o v e m e n to fl a s e rb e a m ，l a s e rm a r k i n gm a c h i n ec a nb e d i v i d e di n t ot w ok i n d s m o v i n gb e a ma n df i x e db e a m a c c o r d i n gt ot h ek i n do f l a s e rb e a m ，1 a s e rm a r k i n gm a c h i n ec a nb ed i v i d e di n t ot w ok i n d s n d ：y a g1 a s e r a n dc 0 ：1 a s e r i nt h e s ek i n d so fl a s e rm a r k i n gm a c h i n e ，n d ：y a gl a s e rm a r k i n g m a c h i n eo fm o v i n gb e a mi st h em a i nk i n dm a c h i b e ( ) 一s w i t c ha n ds c a n n e ra r et w op a r t so fh i g h s p e e dl a s e rm a r k i n gs y s t e m n o w ，t h ei n p u ts i g n a o fq s w i t c ha n ds c a n n e ra r en o ta l i k ew i t he a c ho t h e r w h e nt h eq s w it c ha n ds c a n n e rw e r ec h a n g e d ，t h ei n t e r f a c ec a r ds h o u ld b e d e s i g na g a i n t h i ss t y l ew o u l di n c r e a s ed i r e c tc o s to ft h em a c h i b e w ed e s ig n ag e n e r a li n t e t r a c ec a r df o rm o s to s w i t c ha n ds c a n n e ro nt h em a r k e t d i g i t a lc o n t r o ls o f t w a r ei st h ec o r et e c h n i q u eo fl a s e rm a r k i n gm a c h i d e a n di ti so n eo ft h em a i ni t e m so ft h i sp a p e r n o wi th a st w ow a y st o i n p u t t h e s p e e do f1 a s e rm a r k i n gm a c h i n e ：i ：s i n go fh i g h s p e e dh a r d w a r e 2 u p r a i s i n gt h ew o r k i n gs p e e do fs o f t w a r e u s i n go fh i g h s p e e dh a r d w a r ew i l l i n c r e a s et h ec o s tn o t a b l y i nt h i sp a p e r ，w ep u tt 0u s es e v e r a lm e t h o d so f s o f t w a r ea n dt h i s u p r a i s i n gw o r k i n gs p e e dn o t a b l v a t1 a s t ，w es a m m a r i z e dt h ew o r ko ft h i sp a p e r k e yw o r d s a c o u s t i c o p t i cm o d u l a t i o n ，c o m p u t e ri n t e r f a c ec a r d ，d r i v e r p r o g r a m ，d i g i t a lc o n t r o l s o f t w a r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：了芘嬉 签字日期：加2 年6 月2 _ t - n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘兰有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：。疑缮导师签名 灏爱 签字日期：沙z 年6 月z f 日 签字日期：夕毋喀年彳月听 天津大学硕士学位论文高速激光打标技术研究 1 高速激光打标机发展趋势及应用前景 1 1 激光打标技术综述 近年来，随着激光技术的迅猛发展，激光在工业、军事、商业、医药业等 领域的应用越来越广泛。激光打标技术是激光加工技术的重要组成部分，激光打 标的许多独特优点是其它标记技术所不能企及的。在国外，激光打标技术由于应 用广泛、市场容量巨大，已发展成为独立的工业项目。近年来，激光打标技术在 我国虽然应用越来越广泛，但由于在加工速度、精细程度等方面和国外仍有一定 差距，妨碍了该项技术的进一步发展。 激光打标利用激光束在材料表面产生的三种作用：熔融、汽化及光化学反 应，使材料表面烧蚀几微米到几十微米的深度，融蚀区内材料的表面质地、颜色 及反射率均发生变化，从而造成可识别的符号。 激光打标由于在工作过程中不接触工件而优于机械冲压、电刻、腐蚀等传 统方法。激光打标对材料无特殊要求，而且对工件无损伤、无扰动、无变形，所 加工图形灵活多样。设备自动化程度高，生产过程对环境无污染。因此激光打标 技术越来越多广泛的被应用。 以下列出几种常用标刻方法的比较参考： 标刻工艺速度性能灵活性 激光振镜打标快好好 激光掩膜打标快较好差 化学腐蚀较快好差 照相腐蚀较快好差 喷墨打印快较差好 机械冲压快较差差 熔模快好差 气动冲压一般较好较好 表1 一l 常用标记方法比较 激光打标是利用高能激光脉冲作用于工件，使工件表面汽化形成烧蚀痕迹， 达到加工目的。它主要由激光器、电源、导光系统、致冷系统、控制系统和工作 台组成。目前，我国的激光器件已经基本定型，形成系列化，在这种情况下，控 制系统的性能对整机的影响尤为显著。 在打标过程中，需要考虑图像的点数、工作面大小和形状、调q 开关的工 作频率、振镜的响应时间等诸多因素。要求软、硬件设计上有一定的抗干扰能力， 并具有一定的兼容性和互换性，以满足不同情况的具体要求。 激光打标技术的发展是随着工业界的大量采用而逐步发展起来的。它的应 用开始于八十年代，据有关资料统计，1 9 9 8 1 9 9 9 年期间，全球已安装了2 0 0 0 0 多台各种类型的激光打标机。由此可见，大力发展激光打标技术是我国工业化进 程的迫切需要。 1 2 激光打标机的分类 天津大学硕士学位论文高速激光打标技术研究 激光打标机根据激光束运动与否，可以分为定光式和动光式两大类。定光式 结构的激光打标机在工作过程中光路固定，依靠工作台的运动实现对工件的加 工。以灯泵n d ：y a g 定光式结构激光打标机为例，其结构框图如下： 全反射镜 聚光腔 y a g 晶体 连续k r 灯 声光q 开关 输出镜 扩束镜 4 j 度反射镜 聚焦镜 工件 十字工作台 控制用计算机 图1 1 定光式激光打标机结构框图 这种定光式结构打标速度主要取决于工作台的运动速度，由于工作台本身的 运动速度限制，其加工速度不可能太高。例如：英国控制激光仪器公司生产的定 光式结构激光雕刻机采用5 0 w 的n d ：y a g 激光器，速度最快达到2 0 m m s 。这种定 光式结构主要优点是成本较低，适用于小批量、零散加工，对速度要求不高的情 况下。 动光式结构依靠受计算机控制的两个振镜实现光速的高速扫描，再通过可补 偿偏转角的聚焦镜将光速聚焦到工件表面，实现加工过程的自动化。由于振镜的 振动速度相对于工作台的移动速度快得多，所以这种方式的加工效率比动光式高 得多。而且，这种方式不需要将工件安放在工作台上，非常适合在流水线上在线 生产，其应用范围远大于动光式。主要缺点是，成本相对较高。以灯泵n d ：y a g 动光式结构激光打标机为例，其结构框图如下： k及文乱虱吼孔趴叭m n 挖 天津大学硕士学位论文 高速激光打标技术研究 反射镜 聚光腔 y a g 晶体 连续k r 灯 声光q 开关 输出镜 扩束镜 y 方向振镜 x 方向振镜 f 一0 透镜 工件 控制用计算机 图卜2 动光式激光打标机结构框图 根据光源来划分，激光打标机又可分为y a g 激光打标和c o ：激光打标机，这 两种光源适用于不同的材料。y a g 光源可以n t 金属材料和大部分非金属材料； 而c o ? 激光光源主要是用来加工非金属材料。在众多的激光打标机中，y a g 振镜 式激光打标机因为它所具有的各种优势已经成为了主流产品。 1 3 激光打标机发展趋势 由于激光打标技术所具有的种种优点，因而成为现代化生产线上不可或缺的 a n t 设备。激光打标技术目前主要有高速、高精细、大加工面积、彩色打标等几 个发展方向。 激光打标通常作为生产中的最后一道工序，打标速度的提高意味着生产效率 的提高，所以尽可能的提高打标速度成为激光打标技术的主要发展方向之一。目 前，提高打标速度主要有两种方法： 1 、提高硬件反应速度( 主要是提高振镜的反应速度) 。例如：德国 s c a n l a b 公司的r t c 系列振镜比市场上普通类型反应速度快将近 一倍。目前国内厂家还未研制出低成本的国产高速振镜，所以这种方 法需要采用昂贵的进口器件，大幅度提高了整机成本。 2 、提高软件运行速度。以一副8 0 0 6 0 0 的2 4 位b m p 图像为例，整幅 图像共有4 8 0 0 0 0 个像素，每个像素在加工过程中都要进行运算，这 k厶文乱虱民卜二吼叭m他 天津大学硕士学位论文 高速激光打标技术研究 占用了相当比例的加工时间，所以从软件方面着手有较大的改进空 间，这也是本论文研究过程中采用的方法。通过软件算法的改进显著 提高了加工效率，而且并未增加硬件采购成本。 高精细、大加工面积、彩色打标等方式主要面向一些特殊目的的加工过程。 例如：日本某激光技术公司研制的高精细激光打标机可在1 0 微米见方的区域内 进行加工，而且标记清晰。台湾某激光技术公司利用钛合金在不同功率连续光照 射下产生不同颜色变化的现象成功实现了激光彩色打标。 1 4 高速激光打标机应用前景 激光打标技术采用受计算机控制的激光做加工手段，在机械零部件、电子元 器件、仪器等需要做标记的物体表面制作由文字、图案等组成的标记。它具有传 统方法( 腐蚀、电火花加工、机械刻划、印刷等) 难以比拟的优点。与腐蚀、电 火花加工、机械刻划相比，激光打标速度提高一倍以上，同时加工过程无污染， 与被加工工件无接触，不产生内应力。与印刷技术相比，具有加工范围广( 金属、 非金属材料均可加工) ，对工件表面平整度要求低，工作噪音低等特点。主要特 点如下： 1 采用计算机控制，更改标记内容非常容易，适应现代化生产高效率的要求。 2 采用激光做3 n q - 手段，刻划精细，对材料的适应性较广，可以在多种材料的 表面制作出非常精细的标记且耐久性非常好。 3 与工件之间没有加工力的作用，保证了工件的原有精度。 4 对环境没有污染。 由于激光打标技术具有传统方法难以比拟的优点，因而高速激光打标机成为 自动化生产线上主要的标i 己手段。2 0 0 0 年国内激光打标机总销售量在2 0 0 0 台以 上，有着广阔的应用前景。 4 天津大学硕士学位论文高速激光打标技术研究 2 适用予篱速激党打标枫静声光调裁激光器研究 2 1 激光打标的作用原理 激光瘸工大多数蕊予竞对j 黻夔骥分屡豹热 挈翅，帮嗷枝巍缝斡热效巍。灏魏， 在激光打标过程中，激光光衷姆瞧、橱辩对巍豹吸收 乍雳和葶热毪等对翅工过程 有很大影响。 2 1 。1 激光鸯露工过程串戆物瑷纯学变纯薹 辑 瘸予激光打标鹃激光光束最好为基模( 罩酬) 。戮为，它有轴对称的光强分 布，能达到最佳的光束聚焦效果。渴高斯光束入射到焦距为f 的透镜面，光束半 径为，则由短焦距透镜聚焦簸，焦点处的光斑截面半径u0 近似为： 街。笪 黝 从而可以算出经透镜浆焦后焦平筒上的功率密度。如采激光怒商阶模，光荣具有 非轴对称的光强分布，光斑尺寸比熬模显著增大，在激光功率相同的情况下，焦 点处的功率密度将减小。 当竞渡照懿在不遴臻秘狻抟袭瓣辩，一帮分悫渡技反辩簿，嚣一部分竣嘏羧。 对多数金援采说，在悫学渡段上眷爨携反射章( 一7 0 - - 9 5 ) 。一般认为光凌金瘸 表层曼，簸羹就被吸收掉了，并把暇缎的光能转换为热能，使枣才料局部温腋升高， 然后以热传导方式把热能传导到盒属内部。此外，金属的反射率与金属的袭蕊状 况有关，糨糙的表露鞠鸯氧化媵朦躺表面较之光滑的表面鸯燹小的反射率。非 金藩材料躺反射率农墩牧系数列强缀太麓莛麓瘤变纯。 因为金属表层吸收的光能转化为热能，而热能又以热传导的方式继续向材料 深处传递，所以金属的导热牲对加热效果影响很大。根据热传导理论可以计算激 光照鸯| 下被加工材料袭瑟戆溢发秘内部的温度分奄。 激光被糖精豹一定垂域( 邋露怒褒层) 啜竣并转德为热爱，热量邋避热健等 在材料内商深处扩散，形成一定豹潞度场，导数在一定蕊国内毒季辩形状静变亿。 因而热传导分析计算对于把握激光孑标效果舆商十分重要的意义。 光束引起固体光学性质的所有变化，可以归结为三种机理，按照辐射发增大 翡灏廖，宅饲是：( 1 热茨产囊，放褥晕致辫鹣黪密度或奄子羧覆发生焚纯，有 关的效应是透疆分蒺中静热聚焦叛教拳导髂鞠龛羁中熬“熟遴逸现象”；( 2 ) 半导体和绝缘体中，渤于带闻跃迸袋碰撞电离，母致吸收系数明显增大，旗楚可 能引起爆炸性的材料损伤；( 3 ) 强光束的电场使电子轨道或整个分子发生非线性 畸变。许多非线性光学现象，包括巍聚焦或多光子吸收都是由场效波引起的。 銎2 - 1 绘窭隧着激光凌率密度懿溪熬，耱辩在激爨雩挈弼下懿熬耱不弱状悫： 天津丈学磺士举爱论文蠢速激党打标技术磷突 ( 2 ) ( 3 ) 强2 - t 材料痊激光 筝弱下豹不磷状态 ( 4 ) 、激竞功率羧谯，辐射薅闯短，技照辩榜辩由表及g i 滠凄舞寒，餐缍薄弱态不变。 2 、随着激光功率密度的提高和照射时问的加长， 十辩褒面逐渐熔化，英液态一固 态分界线以定速度向材料源部移动。 3 、进一步撮黼功率密度并加长作用时间，材料表面 i 仪熔化，而且汽化。汽化物 聚集在材料表面附近并阻微弱的电离形成等高于体，有助于材料对激光的吸 菠。 、在较大蔚汽讫膨骚压力下，滚态衰蠢变琵；藉藉表露生疆枣琵，它毒蕊予港强秘 辩黠激巍静踱牧。 就材料的吸收而言，材料的汽化是一个分界线。激埘没有汽化，不论材料处 于固态还是液态，其对激光的吸收仪随表面温度的升黼而有缓慢的变化；筒一旦 材料汽化劳形成等离子体和小孔，树料对激光的吸收会发生突变，其吸收零决定 子等饔予髂秘耀嚣俸廷夔毒藐效应簿嚣素。 2 1 ，2 黼热过程孛盼湿度势瘫 对于各向同性的均匀材料，热传导偏微分方程的般形式为： 警= 壶( 五警) + 杀( 世詈) + 兰( k 誓) + q ( x , y , z , t ) ( 2 式孛。受材精密疫，c 鸯定压比熬，t 秀温度，t 为对瓣，k 受撵鹣罨燕系数， 奄为糖辩攀髓对褥单位落积静茨热餐。逶鬻试惫k 、p 、e 为霉数，不隧滋癯变 化。贝哇方稳( 2 - i ) 可简纯为： v 2 r 一上塑：一室! ! ：羔! 盟( 2 2 ) 88 tx 式中= k pc ，为耪料兹热扩散攀。 交解局部秘热露嚣露采愆熟滚法。载裙始对阕为t = o ，褪始溢瘦孓，骧璐 对集中斡点热滚q 豹传播方程内t ( 2 - 3 ) 蔓啦 寿。 天津大学硕士攀经论文离速擞毙打标接隶磷究 其孛r 岛x 2 + y 2 + z 2 ，表示葳愿点0 至g 耱薅上坐标为x ，y ，z ) 懿袁静距离酌平方。 瓣时线热源船酌传播方稷菇： np 2 r ( r ，) ? 暑_ _ e x p ( 一? ) ( 2 - 4 ) p c ( 4 ，r 3 t ) 4 p t 萁孛，r e = x 螺表示蕊漳0 戮黪体上费点( x ，y ) 艇褰靛平疼。瓣l 孪露热漂 霍鼹蒋疆方稔为： nv 2 联五n 。淼e x p ( 一参( 2 - 5 ) 以上为热传导方程( 2 一t ) 的特解。对于有一定尺寸、经历一定时间的热源 豹热传搏，可投整加原理进行积分求得。叠加原溅是攒幽一系翔热源共阍作用时， 热费萼适穗中点戆瀵囊可视为蕻个热源荤鎏搏鬻的漆发蒽箨。 窆，2 激毙舞漂戆选撵 用于激党加工的激光器主要肖：裁纯碾激党秣嗣掺镀铠锱丽格石( n d ：y a g ) 激光器两种。前者主要用于机械制滤领域的加工，尉糟主要用于功率较低，如激 光打撼、眩予工业领域豹微细加工。 热工建激光嚣魏输凌竞寨瘦程番方嚣渍是獒体缘凝懿簧要。蘧终，激巍嚣述 应灌是对一黢工监设番箍窭豹簧求。翔较离弱稳定掰熬淫，络簿紧凑舂邀少，迄 赞较蘸，餐予绦护，运行费震惩簿。下瑟露二襞德穰激巍器、漆分子激光嚣、一 性然c 0 2 激光器y a g 激光器c o 激兜器准分子( k r f ) 激光释 波长( m ) 1 0 。61 0 65 40 2 4 9 光予& 爨( e v ) 0 。i 2l ，1 60 2 34 、9 最鑫( 乎懿秘5 0 k w 4 0 0 c 船1 0 0 0 0 w2 5 0 w 搴) 输出方式连续或脒_ 7 孛涟续或脉冲 漶壤或敞滓脉冲 调制方忒气体放电电光或声光调 气体放电气体放电 o 7 天津大学硕士学位论文高速激光打标技术研究 脉冲功率10103 2 1 0 4 ( k w ) 脉冲频率 5 1 1 ( 闪光灯) ( k h z ) i r f i t ( d a d r i v e r d l l t y p e l ”d a d r i v e r d l l ”) ； i f ( ! n t _ s u c c e s s ( s t a t u s ) ) d e b u g d u m p ( d b q e r r o r s ，( ”c o u l d n o tc r e a t et h e d e v i c e ( s t a t u s 0 x x ) 、l n ”，s t a t u s ) ) ； ) k d d a d r i v e r d l l d e v i c e ：k d d a d r i v e r d l l d e v i c e ( ) m d a d r i v e r d l l h a n d l e 2 n u l l ； ) b o o lk d d a d r i v e r d l l d e v i c e ：v a l i d a t e b u f f e r ( k d k pi i p ，d w o r dd w l n s i z e ， d w o r d d w o u t s i z e ，b o o lf n e e d h a n d l e ) i f ( f n e e d h a n d l e & & m _ d a d r i v e r d l l h a n d l e n u l l ) d e b u g d u m p ( d b g _ e r r o r s ，( ”e r r o r - 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