信息工程系毕业论文

毕业设计（论文） 选 题 _激光打标工艺 _ _ 系 别 _信息工程系 _ 班级 _10电子信息工程 技术 1班 学生姓名 *_ 学号 _20101483_ 指导教师 _*_ 完成日期 2012 年 11 月 12 日 内容提要 可以肯定地说：本世纪最后的伟大 发明之一是激光技术。它自一九五八年问世以来，已经逐步地然而是坚定 地渗透到了科研、军事、工业等各个领域。 激光打标机可雕刻金属及多种非金属材料。更适合应用于一些要求更精细、精度更高的场合。应用于电子元器件、集成电路（ IC）、电工电器、手机通讯、五金制品、工具配件、精密器械、眼镜钟表、首饰饰品、汽车配件、塑胶按键、建材、 PVC管材。 但是由于成本较高，近年来在针对一些金属或非金属零件的标记领域，激光打标机逐渐被气动打标机所取代。 本文是对歌尔激光打标工艺的详细论述，其内容如下： 1、 激光打标机工作原理以及其优点 2、 激 光打标机种类 及其各种类型比较 3、 激光打标机 使用、 保养、维修以及故障排除方法 4、 激光打标机对人体危害以及防护方法 指导教师批语： 成绩： 签字： 年 月 日 摘 要 激光打标是用激光束在各种不同的物质表面打上永久的标记。打标的效应是通过表层物质的蒸发露出深层物质，或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而 刻 出痕迹，或者是通过光能烧掉部分物质，显出所需刻蚀的图案、文字。 关键词： 歌尔 激光打标 工艺 激光 打标机使用 目 录 内 容提要 I 摘要 II 第一章绪论 引言 .1 歌尔有限公司以及产品简介 .1 第二章本论 2.1激光打标机工作原理以及其优点 2 2.2 激光打标机种类及其各种类型比较 .5 2.3 激光打标机使用、保养、维修以及故障排除方法 7 2.4 激光打标机对人体危害以及防护方法 14 总结 .14 致 谢 . 15 参考文 献 . 16 附 录 . 17 第 1 页 共 22 页 第一章 绪论 1.1 引言 激光的原理早在 1916 年 被著名的美国物理学家 爱因斯坦 发现，但直到 1960 年 激光 才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和 光学技术 获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。 1.2 歌尔有限公司以 及产品简介 ： 歌尔声学自创立以来，始终专注于电声行业微型电声元器件和消费类电声产品的 研发和制造，主要产品包括微型麦克风、微型扬声器 /受话器、蓝牙系列产品和便携式音频产品，广泛应用在移动通讯设备及其周边产品、笔记本电脑、个人数码产品和汽车电子等领域。 公司赢得了包括三星、惠普、思科、 LG、松下、西门子、 NEC、富士康、伟创力、宏碁、华硕、联想、京瓷、中兴通讯、缤特力、哈曼、罗技等在内的优质客户资源，在电声行业取得了 歌尔声学股份有限公司有利的竞争地位。 歌尔声学属于省级高新技术企业，与中科院声学所、北京 邮电大学等国内外多家知名高校和科研机构建立了长期的战略合作伙伴关系，致力于电声领域前沿技术的基础研究和新技术、新产品的开发。歌尔声学设有中科 -歌尔通信声学联合实验室、北邮 -歌尔通信技术联合实验室等国内一流的研发机构。 歌尔声学坚持自主创新，专注声学科技；致力成为世界一流的声学整体解决方案提供商。 经营范围：开发、制造、销售：声学与多媒体技术及产品，短距离无线通信、网络化会议系统相关产品，电子产品自动化生产设备，精密电子产品模具，半导体类微机电产品，消费类电子产品、电脑周边产品；与以上产品相关的嵌入式软件 的开发、销售；与以上技术、产品相关的服务；货物进出口、技术进出口。 主营业务：微型电声元器件和消费类电声产品的研发、制造和销售，主要产品包括微型麦克风、微型扬声器 /受话器、蓝牙系列产品和便携式音频产品。 第 2 页 共 22 页 核心能力：歌尔已建立起多技术融合的产品研发平台，包括声信号处理技术平台、短距离无线通信技术平台、 MEMS 技术平台和产品测试技术平台。 蓝牙耳机 2、实验室 歌尔建成了包括声学实验室、可靠性实验室、无线实验室、环保实验室等多个产品测试和验证实验室。 3、研发团队 歌尔现有博士 4 名，硕士 55 名，各类研发技术人员 400 余名，具有多年的声学或电子相关领域的理论基础和实践经验，部分成员还拥有国际化知识背景。 公司分别在青岛、潍坊、北京、深圳等地设置了研发机构，并组 建了三个研发中心，包括基础研发中心、零件研发中心、整机研发中心 第二章 本论 2.1 激光打标机工作原理以及其优点 激光标记印刷也称激光打标、激光印标，近年来在印刷领域，如包装印刷、票据印刷、防伪标识印刷中的应用越来越多，有些已用于联机生产。 基本原理： 激光打标是用激光束在各种不同的物质表面打上永久的标记。打标的效应是通过表层物质的蒸发 露出深层物质，或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而 刻 出痕迹，或者是通过光能烧掉部分物质，显出所需刻蚀的图案、文字。 目前，公认的原理是两种： 热加工 具有较高能量密度的激光束 (它是集中的能量流 )，照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面 (或涂层 )温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。 冷加工 具有很高负荷能量的 (紫外 )光子，能够打断材料 (特别是有机材料 )或周围介质内的化学键，至使材料发生非热过程破坏。这种冷加工在激光标记加工中具有特殊 的意义，因为它不是热烧蚀，而是不产生 热损伤 副作用的、打断化学键的冷剥离，因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。例如，电子工业中使用准分子激光器在基底材料上沉积化学物质薄膜，在半导体基片上开出狭窄的槽。 激光标记印刷原理： 第 3 页 共 22 页 激光标记印刷是通过激光打标机实现图文印刷的，其基本原理是，由激光发生器生成高能量的连续激光光束，当激光作用于承印材料时，处于基态的原子跃迁到较高能量状态；处于较高能量状态的原子是不稳定的，会很快回到基态，当原子返回基态时，会以光子或量子的形式释放出额外的能量，并由 光能转换为热能，使表面材料瞬间熔融，甚至气化，从而形成图文标记。 1激光发生器 下文将以氪灯激光打标系统为例，说明激光发生器的原理。氪灯通电后，以 20kV 的高压击穿氪灯中的氪气后，电源自动转换输出电压为 100V(5A)，维持氪灯连续的弧光放电。在激光发生器中，氪灯位于椭圆形聚光腔的 1 个焦点上，氪灯产生的弧光经聚光腔反射后，再全部聚焦在另一个焦点 -晶体钇铝石榴石 (YAG)上， YAG 吸收泵浦光后，形成波长为 1060nm 的连续激光，连续激光在谐振腔中垂直于光轴的前镜和后镜间往返振荡，并从前镜输出。 2打标原理 射频驱动器 (RFDriver)控制 Q-开关的开关状态，连续激光在 Q-开关的作用下，变成峰值功率达 110kW 的脉冲光波，经过光孔的脉冲光达到阈值后，由谐振腔输出到达扩束镜，光束经扩束镜放大后传输到扫描镜，由伺服电机带动 X 轴、 Y 轴方向的扫描镜片旋转进行光扫描，最后经平面聚焦场将激光的功率进一步放大后，聚焦在工作平面上进行打标。整个过程由计算机按程序控制。 3激光打标的特点 激光打标机因其特殊的工作原理，与传统标记方式 (移印、喷码、电腐蚀等 )相比，具有许多优越性； 1)非接触加工 可在任何 规则或不规则表面打印标记，且打标后工件不会产生内应力； 2)材料适用面广 优点 ： 第 4 页 共 22 页 1） 可在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张、皮革等不同种类或不同硬度的材料上打印； 2)可与生产线上的其他设备集成，提高生产线的自动化程度； 3)标记清晰、持久、美观，并可有效防伪； 4)使用寿命长、无污染； 5)运行成本低 6） 打标速度快且标记一次成型，能耗小，因而运行成本低。 虽然激光打标机的设备投资比传统标记设备大，但从运行成本而言，使用激光打标机要低得多。 塑封三极管打标：打标机工作速度为 10 个 /秒，若设 备折旧以 5 年计算，打标费用为 0.00048 元 /个。如果使用移印机，其综合运行成本约为 0.002 元 /个，甚至更高。 轴承表面打标：若轴承三等分打字，总共 18 个 4 号字，采用振镜式打标机，以氪灯灯管的使用寿命为 700 小时计算，则每个轴承的打标综合成本为 0.00915 元。电腐蚀刻字的成本约为 0.015 元 /个。以年产量 400 万套轴承计算，仅打标一项， 1 年最少可以降低成本约 6.5 万元。 7)加工效率高 计算机控制下的激光光束可以高速移动 (速度达 5 7 米 /秒 )，打标过程可在数秒内完成。 1 个标准计算机键盘的印字可 在 12 秒内完成。激光打标系统均配有计算机控制系统，可以与高速流水线灵活配合。 8)开发速度快 由于激光技术和计算机技术的结合，用户只要在计算机上编程即可实现激光打印输出，并可随时变换打印设计，从根本上替代了传统的模具制作过程，为缩短产品升级换代周期和柔性生产提供了便利工具。 9)加工精度高 激光能以极细的光束作用于材料表面，最细线宽可达到 0.05mm。为精密加工和增加 第 5 页 共 22 页 防伪功能开创了宽广的应用空间。 激光印标能满足在极小的塑料制件上印制大量数据的需要。例如，可印制要求更精确，清晰度更高的二维条码，与 压印或喷射打标方式相比，有更强的市场竞争力。 10)维护成本低 激光打标是非接触式打标，不像模版印标工艺有使用寿命的限制，在批量加工中的维护成本极低。 11)具有环保性 激光打标为非接触式打标，节约能源，相对于腐蚀法，避免了化学污染；相对于机械式打标，也可减少噪声污染。 激光打标与其它标记技术的比较 打标工艺 速度 性能 图象文字变更 激光打标 快 好 不易变更 激光掩模打标 快 较好 不易变更 化学腐蚀 较快 好 不易变更 照相腐蚀 较快 好 不易变更 喷墨打印 快 较差 易于变更 机械压痕 快 较差 不易变更 熔模 快 好 不易变更 气动冲针 中速 较好 易于变更 2.2 激光打标机种类介绍及各种类型比较 激光打标机分类 ： 按照激光器不同分 ： 激光打标机按照激光器不同可分为： CO2 激光打标机，半导体激光打标机， YAG 第 6 页 共 22 页 激光打标机，光纤激光打标机。按照激光可见度不同分为：紫外激光打标机（不可见）、打标机（可见激光）、红外激光打标机（不可见激光）、 按照激光波长分类 按照激光波长的不同可分为：深紫外激光打标机（ 266 nm ）、绿激光打标机（ 532nm ）、 灯泵 YAG 激光打标机（ 1064nm）、半导体侧泵 YAG 激光打标机、半导体端泵 YAG 激光打标机（ 1064nm ）、光纤激光打标机（ 1064nm）、 CO2 激光打标机（ 10.64um）。 激光打标机的区分 1、激光波长不同 深紫外激光打标机： 266 nm 绿激光打标机： 532nm 灯泵 YAG 激光打标机： 1064nm 半导体侧泵 YAG 激光打标机、半导体端泵 YAG 激光打标机： 1064nm 光纤激光打标机： 1064nm CO2 激光打标机： 10.64um 2、工作原理不同 灯泵浦 YAG 激光打标机： 采用氪灯作为能量源（激励源）， ND： YAG 作为产生激光的介质，发出特定波长可以促使工作物质生产能级跃迁释放出激光，将激光能量放大后就形成对材料加工的激光束。 CO2 激光打标机： 采用 CO2 气体充入放电管作为产生激光的介质，当在电极上加高电压，放电管中产生辉光放电，就可使气体分子释放出激光，将激光能量放大后就形成对材料加工的激光束。 半导体侧泵 YAG 激光打标机：使用波长为 808nm 半导体激光二极管泵浦 Nd: YAG 介质，使介质产生大量的反转粒子在 Q 开关的作用下形成 波长 1064nm 的巨脉冲 第 7 页 共 22 页 激光输出，电光转换效率高。 半导体端泵 YAG 激光打标机：直接从激光晶体的端面将半导体泵浦光（ 808nm）泵入，经光学镜组输出产生激光。使行光转换效率大大提高。 光纤激光打标机：由光纤直接输出激光。 3、标记范围及价格不同 CO2 激光打标机：主要用于非金属（木头、亚克力、纸张 、皮革等），价格便宜。 绿激光打标机、紫外激光打标机：主要用于高端极精细 IC 等产品。价格较高，产品定制为主。 灯泵 YAG 激光打标机：主要用于金属、塑胶等低要求产品，激光打标机价格适中。 半导体侧泵激光打标机：与灯泵 YAG 激光打标机使用面相同，但较稳定，价格适中。 半导体端泵激光打标机：与灯泵 YAG 激光打标机使用面相同，稳定且省电，但用于高端产，价格较高。 光纤激光打标机：打标精细、省电、免维护，用于手机、按键等高端产品。价格高。 半导体激光打标机 特点： 其发光源采用的是半导体列阵，所以光光转换效率非常高，达到 40%以上；热耗损低 。 2.3 激光打标机 使用、 保养、维修以及故障排除方法 激光打标机的使用及维护注意事项 ： 严禁任意改动保护电路及激光器主要部件； 不允许声光电源 空载工作（即声光电源输出端悬空）； 第 8 页 共 22 页 出现异常现象，首先关闭急停开关，主电源后再行检查； 不允许在氪灯点燃前启动其它组件，以防高压串入损坏组件。 注意激光电源输出端（阳极）不能悬空 ,以防与其它电器间打火、击穿； 保持内循环水干净，定期清洗水箱并换干净去离子水或纯水。 保持室内及机器表面整洁干净。 定期检查各光学镜片是否有污垢 (期限视工作环境而定 )，如有污垢应急时擦洗。擦洗方法如下： 清洗镜片时，一定要非常小心，镜片清洗前，请看下面的注意事项： 1用工具来拿取镜片，例如镊子等。如有条件 拿镜片时一定要戴指套或橡胶手套。 2镜片要放在镜头纸上，以避免损伤。 3不要把镜片放在硬或粗糙的表面，镜片很容易被刮伤。 4纯金或纯铜的表面不要清洁和触摸。 第一步 用吹气球把镜片表面的浮物吹掉，如果吹不掉污染物，继续第二步 注意：不要用工厂的压缩空气，因为其中含有大量的油和水，油和水会在膜层表面形成有害的吸收薄膜。 第二步 用丙酮或乙醇（必需分析纯），擦镜纸叠成一小方块夹如四指之间沾湿擦镜纸，一手拿镜片一手拿纸以镜片镀膜纹路方向轻轻擦过，如不干净重复以上动作（擦一次换张纸）。 注意：如果这一步不能除 去污垢，建议换一镜片。 YAG 棒的清洗如一上 步。（操做此步之前必需受过光腔安装陪训方可进行此步操作）。 第 9 页 共 22 页 注意： 1在任何情况下，打开声光电源之前，务必使声光器件充分通水冷却，否则将烧坏声光器件； 2输出必须通过 50 同轴电缆连接到声光器件或 50/ 60 瓦的纯电阻负载上，否则因反射波使功放管发热，导致功放管烧坏。 3下限温度一般设定在 25 ,但为防止温差过大而结露，工作温度一般根据环境和湿度设置，如环境温度为 32 ，可将温度设定在 28 。如环境温度低于 20 下限温度就设定在 20 。一般不低于环境温 度 5 否则结露将导致激光器功率下降，并有可能带来破坏性损失。 4错误的操作顺序将导致激光器不能正常工作。 5打标机外壳一定要可靠接地，否则可能导致精密振镜头部分的损坏。 6电源输出正负极性与氪灯正负极性一致，错误的接法将导致氪灯严重损坏 ,并有可能引发棒和聚光器的损害。 7在无激光状态下，严禁随意调动反射镜架。否则，可能导致激光器不能输出激光。 8连接管两端连接处一定要严格检漏，否则冷却系统将无法制冷。 常见故障及处理措施 : 一 .异常现象原因排除方法 1.电源指示灯不亮。 1）交流 220V 未连好。 2）指示灯坏。 连接电源线更换。 2.保护指示灯亮且无射频输出。 1）内部过热，保护单元动作。 2）外保护接点断开。3） Q 元件与驱动器不匹配，或两者的连接不可靠，引起反射过大导致内部保护单元动作。 改善散热条件。检查外保护接点。测驻波比 3.运行指示灯亮，无射频输出。 1）出光控制信号恒有效。 2） RUN/T-on/T-off 选择开关位置不对。检查出光控制信号脉冲。把开关拨到正确位置。 4.加工图文错乱。出光有效电平设置错误。重新设置出光有效电平。 第 10 页 共 22 页 5.可关断激光功率偏小。 1） Q 开关元件有问题。 2）输出射频功率 偏小。检查 Q 开关。调节输出射频功率。 6.激光脉冲峰值功率偏小。 1）激光平均功率偏小。 2） Q 开关元件有问题。调节光路。检查 Q 开关元件。 一般常见故障及处理措施： 1使用时间不长的新设备，激光器激光输出功率较弱的原因： 出厂时测得的激光器输出功率是否达到技术指标； 谐振腔调整的准确性是否达到要求； 全反膜片是否有漏光现象； 声光开关插入损耗是否在规定范围内。 2. 使用一段时间以后，激光器激光输出功率下降的原因： 激光谐振腔是否变化：微调谐振腔镜片，使输出光斑最好； 全反及输出膜片 是否有污损现象； 声光晶体偏移或者声光电源输出能量偏低：调整声光晶体位置； 冷却水箱水温设置与环境温度温差是否超过 5 ； 氪灯使用寿命是否到期； 进入振镜的激光偏离中心：调节激光器； 若电流调到 20A 左右仍感光强不够：氪灯老化，更换新灯。 3激光输出功率正常，但激光光束不能起到标刻作用： 光路系统调整是否准确； 声光开关是否能够起到开关作用； D/A 卡控制声光输出信号是否达到 5V。 第 11 页 共 22 页 4声光开关不能起到开关激光作用的原因： 声光电源射频输出功率是否正常； 电源各开关 是否都在正确位置； 射频线连接是否可靠； Q 开关通光端面有无污损现象。 5不能达到预期的打标深度的原因： 激光输出功率是否达到要求； 声光开关关断功率是否满足要求； 光路调整是否准确； 扩束镜位置、方向调整是否准确； 透镜表面有无污染； 工件表面是否在焦平面上； 激光电源输出直流电压 28V 是否下降，导致激光输出功率下降。 6. 氪灯不能被点燃的原因： 氪灯是否达到使用寿命； 氪灯两端电极至激光电源连接线联结是否牢靠； 激光电源工作状态是否正常。 7. D/A 卡表现出的几种主要问题： 第 4 脚没有声光打开信号（ +5V） ,导致声光电源不能打开； 模拟信号输出不能准确反映设计内容，即出现乱码现象； AD 工作不正常，表现出来的现象为打印线条为虚线。 8. 振镜扫描头表现出的几种主要问题： 第 12 页 共 22 页 标准的正方形打印成梯形或菱形； 正方形边框发生枕形或桶形变形。 9. 振镜扫描头打印失真的解决方法： 产生枕形或桶形失真是振镜打标的一种固有现象 ,它是由振镜扫描方式所决定的。解决的方法是对失真进行信号校正； 校正的方法有两种，一种是硬件校正，目前用的较少。另 一种就是软件校正，这是目前我们用得较多的一种； 硬件校正的方法是将 D/A 卡输出的模拟信号通过一块校正卡按照一定的规律改变其电压值，再将信号传送到振镜头； 软件校正的方法是打标软件本身附带有校正功能，在打标过程中，先将数字信号按照一定的方法进行处理，然后再将信号传送给 D/A 卡。 10. 激光打印线条成虚线状： 信号线是否连接好，有没有虚焊； 振镜头驱动板至电机连接线是否有问题； D/A 卡插入 PCI 插槽时位置是否正确； AD 工作是否正常。 11. 电路方面的问题： 由于长时间的运行， 氪灯接线端头出现松动，导致氪灯点不燃或出现打火现象； 由于长时间运行，空调出现不制冷现象，首先应查明各连接部件是否紧固，其次应检查温控仪的上下限温度设定是否合理。温控仪的上下限设定应根据环境温度 4 左右取值。若存在氟里昂泄漏现象，应加固连接部件，并请专业人员添加氟里昂。 12. 光路方面的问题： 由于长时间的运行，氪灯出现老化，导致激光输出功率下降； 第 13 页 共 22 页 由于长时间运行，介质膜片出现不同程度的污损，导致全反镜漏光或输出功率下降； 由于人为因素，客户方在不了解具体情况下，调整谐振腔的位置或介质膜 片的位置，导致激光输出功率下降或激光发散角变大，导致输出激光位置发生较大变化。 13扩束镜调整问题： 扩束镜的调整要求：入射光要在扩束镜进光孔中心，出射光要在出光孔中心； 扩束镜调整的好坏对激光打标效果有很大影响。主要表现在： a.激光功率下降； b.打标幅面内激光强度不均匀； c.计算机软件设计中心偏离振镜头出光物理中心； d.不能起到扩束效果。 14 激光输出光斑有闪烁现象： 谐振腔调整是否精确； 膜片架是否固定牢靠； 聚光腔固定是否有问题； YAG 晶体固定是否松紧适度。 15软 件调用 PLT 文件时需注意的问题： dwg 文件转化为 plt 文件时要注意打印机的设置； 调用后的图形尺寸要从新进行调整； 放大、缩小要用固定比例，以免造成设计图形产生失真 2.4 激光打标机对人体危害以及防护方法： 第 14 页 共 22 页 激光打标机采用的激光器属于 4 类激光器，其输出激光为不可见红外光，即使在偏焦的情况下也可能造成三级烧伤。激光输出的光束包含有可见和不可见的辐射，对人眼有害。所以要注意避免眼睛或者皮肤暴露在直射的激光光束或散射的辐射之中。设备周围所有人员必须使用为其配备的专用安全防护装置。 另外激光打标机 在工作时会产生一定的废料，废气和烟雾等，需要配备专用的烟气净化器和废气吸收装置。 结论 通过这次毕业设计，让我学到 很多 ，使我知道了 一篇好的毕业设计 ，必须前期做大量的调研，但是又不能被调研所限制，在设计中，既要听取别人