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解決方案
我國激光打標機的技術現狀及發展前景
2021-01-09
一．概述
激光打標是在激光焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應用技術之后發展起來的一門新型加工技術，是一種非接觸、無污染、無磨損的新標記工藝。近年來，隨著激光器的可靠性和實用性的提高，加上計算機技術的迅速發展和光學器件的改進，促進了激光打標技術的發展。
激光打標機是利用高能量密度的激光束對目標作用,使目標表面發生物理或化學的變化,從而獲得可見圖案的標記方式。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。激光打標與傳統的標記工藝相比有明顯的優點：
(1) 標記速度快，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，生產成本低
二．國內激光打標機的發展歷程
激光打標機的核心是激光打標控制系統，因此，激光打標機的發展歷程就是打標控制系統的發展過程。從1995年到2003年短短的8年時間，控制系統在激光打標機領域就經歷了大幅面時代、轉鏡時代和振鏡時代，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、分時復用的一系列演變，如今，半導體激光器、光纖激光器、乃至紫外激光的出現和發展又對光學過程控制提出了新的挑戰。
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動光路的運行，這種方式最明顯的優勢是幅面大，而且基本上能滿足精度比較低的標刻要求，不需要專用的標刻軟件；但是，這種方式存在著打標速度慢、控制精度低、筆臂機械磨損大、可靠性差、體積大等缺點。因此，在經歷最初的嘗試后，繪圖儀式的大幅面激光打標系統逐步退出打標市場的，現在所應用的同類型的大幅面設備基本上都是模仿以前這種控制過程，用伺服電機驅動的高速大幅面系統，而隨著三維動態聚焦振鏡式掃描系統的逐步完善，大幅面系統將逐步從激光標刻領域銷聲匿跡。
2．轉鏡時代
由于看到大幅面系統的一系列缺點，在高速振鏡技術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了由步進電機驅動的轉鏡式掃描系統，其工作原理是將從諧振腔中導出的激光通過擴束，經過成90°安裝的兩個步進電機驅動的金鏡的反射，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超過大幅面，因此在很大程度上能滿足工具行業對激光控制的要求，雖然同當時國際上流行的振鏡式掃描系統還有比較明顯的差距，但嚴格來說這種設計思路的出現和逐步完善代表著中國激光應用的一個里程碑，是中國完全能自行設計和生產激光應用設備的典型標志。直到振鏡在中國大規模應用的興起，這種控制方式才逐步退出中國激光應用的舞臺。
3．振鏡時代
1998年，振鏡式掃描系統在中國的大規模應用開始到來。
[所謂振鏡，又可以稱之為電流表計，它的設計思路完全沿襲電流表的設計方法，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，以完成預定的動作。同轉鏡式掃描系統相同，這種典型的控制系統采用了一對折返鏡，不同的是，驅動這套鏡片的步進電機被伺服電機所取代，在這套控制系統中，位置傳感器的使用和負反饋回路的設計思路進一步保證了系統的精度，整個系統的掃描速度和重復定位精度達到一個新的水平。
三．國內激光打標機的技術現狀
目前國內的激光打標機按其工作方式可分為掩模式打標、陣列式打標和掃描式打標。
1．掩模式打標
掩模式打標又叫投影式打標。掩模式打標系統由激光器、掩模板和成像透鏡組成，其工作原理，經過望遠鏡擴束的激光，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記。受激光輻射的材料表面被迅速加熱汽化或產生化學反應，發生顏色變化形成可分辨的清晰標記。掩模式打標一般采用CO2激光器和YAG激光器。掩模式打標主要優點是一個激光脈沖一次就能打出一個完整的、包括幾種符號的標記，因此打標速度快。對于大批量產品，可在生產線上直接打標。缺點是打標靈活性差，能量利用率低。
它是使用幾臺小型激光器同時發射脈沖，經反射鏡和聚焦透鏡后，使幾個激光脈沖在被打標材料表面上燒蝕（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。陣列式打標一般采用小功率射頻激勵CO2激光器，其打標速度最高可達6000字符／妙，因而成為高速在線打標的理想選擇，其缺點是只能標記點陣字符，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
掃描式打標系統由計算機、激光器和X-Y掃描機構三部分組成，其工作原理是將需要打標的信息輸入計算機，計算機按照事先設計好的程序控制激光器和X-Y掃描機構，使經過特殊光學系統變換的高能量激光點在被加工表面上掃描運動，形成標記。
通常X-Y掃描機構有兩種結構形式：一種是機械掃描式，另一種是振鏡掃描式。
(1) 機械掃描式
機械掃描式打標系統不是采用通過改變反射鏡的旋轉角度去移動光束，而是通過機械的方法對反射鏡進行X-Y坐標的平移，從而改變激光束到達工件的位置，這種打標系統的X-Y掃描機構通常是用繪圖儀改裝。其工作過程：激光束經過反光鏡①、②轉折光路后，再經過光筆（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任意點，從而標刻出任意圖形和文字。
（2）振鏡掃描式
振鏡掃描式打標系統主要由激光器、XY偏轉鏡、聚焦透鏡、計算機等構成。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，使具有一定功率密度的激光聚焦點在打標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記，聚焦的光斑可以是圓形或矩形。
在振鏡打標系統中，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的質量和速度。同時振鏡式打標也可采用點陣式打標方式，采用這種方式對于在線打標很適用，根據于不同速度的生產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相比，可以標記更多的點陣信息，對于標記漢字字符具有更大的優。
振鏡掃描式打標系統一般使用連續光泵工作波長為1.06μm的Nd:YAG激光器，輸出功率為10～120W，激光輸出可以是連續的，也可以是Q開關調制的。近年發展的射頻激勵CO2激光器，也被用于振鏡掃描式激光打標機。
振鏡掃描式打標機因其應用范圍廣，可進行矢量打標和點陣打標，標記范圍可調，而且具有響應速度快、打標速度高（每秒鐘可打標幾百個字符）、打標質量較高、光路密封性能好、對環境適應性強等優勢已成為主流產品，并被認為代表了未來激光打標機的發展方向，具有廣闊的應用前景。
目前用于打標的激光器主要有Nd:YAG激光器和CO2激光器。Nd:YAG激光器產生的激光能被金屬和絕大多數塑料很好地吸收，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記。CO2激光器產生的激光波長為10.6μm，木制品、玻璃、聚合物和多數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重，產生的熱邊效應常會使標記模糊。相比之下，由準分子激光器產生的紫外光打標時，不加熱物質，只蒸發物質的表面，在表面組織產生光化學效應，而在物質表層留下標記。所以，用準分子激光打標機時，標記邊緣十分清晰。由于材料對紫外光的吸收大，激光對材料的作用只發生在材料的最表層，對材料幾乎沒有燒損現象，因此準分子激光器更適合于材料的標記。
四．國內激光打標機的市場現狀
國家自“六.五”計劃起支持激光加工項目，“七.五”末至“八.五”初期開始出現激光加工系統的專業生產企業。國產激光加工系統的銷售額從1991年的1518萬元，增至2003年的9.8億元，13年增長64倍。激光打標機是其中代表產品之一，其在激光加工設備中的比例最高而且正在逐年提高。
目前，國內從事激光打標機生產和銷售的企業大概有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、激光行業協會和激光設備生產企業對近三年多來全國激光行業激光設備的銷售情況進行調查、統計和分析，2001年、2002年、2003年我國激光加工設備銷售統計與分析的各類數據簡要歸納如下：
2001年我國激光加工產品市場銷售總額為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，分別占當年激光加工銷售總額的32.7%、33.5%、34.0%。
在激光激光打標機中，YAG激光打標機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激光打標機銷售總量為864臺，2002年為1142臺，2003年達1600臺。
從以上數據，我們可以看出：1. 激光打標機的銷售額在逐年穩步提高，其在激光加工銷售總額的比例也在不斷增加；2. YAG 激光打標機在激光打標機中占據著絕對統治地位。
五．國內激光打標機的發展前景
激光打標機是綜合了激光技術和計算機技術的光、機電一體化系統，當今激光技術和計算機技術的發展為激光打標技術的發展帶來了前所未有的機遇和挑戰。
目前，在振鏡式掃描激光打標機中，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機的臺數受到了限制（現在絕大部分情況是1臺計算機控制1臺激光打標機）。另外，硬件安裝于計算機主板上，給整個系統的穩定運行帶來影響，降低了激光打標機的穩定性，同時也增加了激光打標機的成本和體積。
USB的出現和發展使得激光打標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機對數據傳輸速率的要求，而且，它可以支持1臺計算機同時連接127臺設備，這樣就可以用1臺計算機同時控制幾臺激光打標機而不必增加額外的費用，而且激光打標機也可以不帶計算機進行銷售，從而降低了激光打標機的價格。
現在激光打標機使用的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化為熱量。因此，這種激光打標機都配有龐大的冷卻系統，其體積可占整個系統體積的40％。
近幾年出現的半導體激光泵浦的固體激光器，其總體轉換效率可達20％以上，因而可以大大縮小激光器冷卻系統的體積，這就為激光打標機向輕型化、小型化方向發展創造了條件。而近年來出現的大功率光纖激光器，其散熱性能好、轉換效率高（是半導體激光泵浦的固體激光器的2倍以上）、激光閾值低、可調諧范圍寬、光束質量好、免維護和價格低廉、制作靈活等顯著優勢，更加促進了激光打標向輕型化、小型化方向發展。
激光打標機目前在國內外工業上的應用正被人們逐漸重視，各種新型的打標系統層出不窮，它以其獨特的優點正在取代傳統的標記方法，如：沖壓、印刷、化學腐蝕等,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,標記出漢字、英文字符、數字、圖形等，從而在這些領域取得了廣泛的應用。國際上一些發達國家已將該技術作為工業加工的工藝標準，我國也非常重視這一技術，國家科委已將該技術列為“八五火炬計劃”進行研制和推廣。現在它已經引起了國內越來越多生產廠家的重視，必將會代替傳統的標記工藝，給產品生產注入新的活力。因此，激光打標機具有巨大的發展潛力和廣闊的市場前景。
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