模具激光蝕刻工藝與設(shè)備研究

肖永山，吳憶峰，周泳全，趙盛宇

(1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學院 廣東 深圳 518029；2.深圳市海目星激光科技有限公司，廣東 深圳 518101)

生活當中常見的塑橡膠制品一般是使用射出或是押出制程，將塑料射入或擠入金屬模具后塑造出我們要的形狀，因此如果能夠在模具金屬表面產(chǎn)生凹凸紋路的話，就可以將這些紋路轉(zhuǎn)寫到塑橡膠成品上，使其也產(chǎn)生凹凸紋路。這樣的作法就是模具蝕刻。

常見的蝕刻紋路主要區(qū)分為梨地花紋(Satin Pattern)、皮革紋與幾何圖樣等幾種形式(見圖1)。梨地花紋指的是一般塑膠上常見如毛玻璃般的均勻粗糙面，由于其質(zhì)感有如梨子皮般具有細小顆粒，因而得名。皮革紋則是模擬皮革表面的肌理，常搭配PU等軟質(zhì)塑料，應用于汽車方向盤與內(nèi)裝飾板。至于幾何圖案則是利用簡單形狀的重復排列，以產(chǎn)生視覺上的韻律。近來由于對塑膠表面裝飾性的需求以及伴隨而來蝕刻技術(shù)的進步，蝕刻廠商已經(jīng)能夠開發(fā)出模擬金屬發(fā)絲或是碳纖維紋理的蝕刻，再搭配上噴漆或是其他表面處理制程，蝕刻所能呈現(xiàn)的效果與質(zhì)感超乎過去的想象。

圖1 PDA蝕刻效果

傳統(tǒng)的模具蝕刻程序如下：先進行模具清潔，接著對于不需要蝕刻的區(qū)域做貼封保護，之后將花紋轉(zhuǎn)印至模具表面，然后將模具浸入化學藥劑進行蝕刻(有轉(zhuǎn)印花紋的部份不會被蝕刻)，最后再以噴砂的方式去除殘留化學物質(zhì)并進行光澤調(diào)整。

化學蝕刻目前存在兩個問題：(1)化學藥水如不能及時回收，將對環(huán)境造成極大的污染；(2)周期長。一般的模具廠因為污染問題，必須到第三方蝕刻廠進行加工，這個周期至少一個禮拜，同時由于蝕刻最關(guān)鍵的技術(shù)之一就是花紋如何轉(zhuǎn)印至模具表面。這個過程很大程度決定了花紋的樣子與細致程度。事實上由于單次蝕刻理論上只能產(chǎn)生一種深度的紋路，所以花紋轉(zhuǎn)印與蝕刻這個程序在一般的皮革紋路蝕刻過程中，可能得重復七八次以上，才能得到細致而多層次的花紋。

因此，本文把目前最新的三軸動態(tài)激光加工工藝引入模具蝕刻中來，能有效提高模具廠家的效率，縮短交貨周期，同時符合國家目前的環(huán)保要求。

1 模具蝕刻激光加工工藝

1.1 三軸激光動態(tài)技術(shù)

三軸技術(shù)適用于針對移動目標的動態(tài)應用，因為在三維應用中，相應的激光設(shè)備能夠加工非平面部件或不光滑表面以及高功率產(chǎn)品。

如圖2所示，在三軸掃描振鏡工作時，激光束首先進入移動鏡頭。透過移動鏡頭之后，光束快速分散，直到進入一個或兩個聚焦鏡頭?，F(xiàn)在會聚的光束穿過鏡頭，并由一組x和y鏡片（這些鏡片由振鏡式掃描器移動）引導。x和y鏡片呈直角排列，向下引導光束，覆蓋工作范圍的長和寬。

圖2 三軸激光加工原理圖

圖3 三軸動態(tài)聚焦振鏡掃描示意圖

在沒有焦點校正的掃描振鏡中，向任一軸向移動工作范圍中心聚焦的激光光斑時，都會劃出一個弧形，在工作范圍上方產(chǎn)生一個聚焦點的球面。在遠離工作范圍中心的位置，激光光束沒有聚焦。這是因為當掃描器將光束向遠離工作范圍中心的方向引導時，從鏡頭到工件的距離增加了。

在三軸掃描振鏡中，通過微調(diào)移動鏡頭和聚集鏡頭之間的距離來實現(xiàn)聚焦補償，由于掃描器通過第三個移動軸—“z”軸在整個工作范圍內(nèi)引導光束，故而得名“三軸掃描振鏡”。z軸即直線模塊，它是用來將激光光斑沿光軸向下移動的光學機械組件。因此，激光束子系統(tǒng)能夠裝入不同的掃描振鏡。激光束子系統(tǒng)的聚焦屬性由直線模塊決定。

激光動態(tài)調(diào)焦及在目標面的掃描情況如圖3所示，激光束從動態(tài)聚焦鏡過來，經(jīng)過x軸振鏡，反射到y(tǒng)軸振鏡，經(jīng)過y軸振鏡反射后到工作平面上的某一點p(x,y)。設(shè)θx為x軸振鏡的偏轉(zhuǎn)角，θy為y軸振鏡的偏轉(zhuǎn)角，當θx,θy均為0時，光斑會打在工作平面的原點位置O(0,0)，也是動態(tài)聚焦鏡處在行程中心平衡點時的聚焦位置。

光程(以聚焦鏡為計算光程的起始點,以掃描平面上的光斑點為計算光程的終點)：

L=d+e(e-x軸振鏡到y(tǒng)軸振鏡的垂直距離；d-x軸振鏡到掃描平面的垂直距離)

光斑打到工作平面上的任意一點p(x,y)時對應的x,y軸轉(zhuǎn)角分別如圖3所示。

三軸動態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)的數(shù)學模型：

1.2 模具激光蝕刻加工工藝

圖4 模具激光蝕刻工藝流程圖

模具激光蝕刻工藝流程圖如圖4所示。工作過程原理描述如下：系統(tǒng)啟動以后，首先裝載激光蝕刻卡底層運行文件，之后用戶方可在系統(tǒng)的硬件參數(shù)設(shè)置模塊內(nèi)對激光束、振鏡延時等參數(shù)進行詳細設(shè)置，并且導入圖形文件進行顯示和調(diào)整。

由于掃描頭的有效像場范圍有限，因此蝕刻目標必須限制在該有效像場內(nèi)，否則會引起掃描頭的嚴重受損。在選用自動蝕刻功能時，系統(tǒng)將依靠外觸發(fā)電路來實施蝕刻操作，并且系統(tǒng)將隨時對激光的運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行檢測，只要激光器發(fā)生故障，系統(tǒng)將自動停止一切激光蝕刻操作。

2 模具激光蝕刻設(shè)備研發(fā)

2.1 光學設(shè)計

模具激光蝕刻機的設(shè)計主要是為了滿足金屬模具表面紋路的加工需求，本文選用光纖激光器作為光源。為了提高整機的穩(wěn)定性，外光路系統(tǒng)做成一個整體，放置在豎直工作臺上，通過豎直工作臺的升降，可以很方便地調(diào)整激光的焦點，為了提高加工的效率同時又能滿足模具加工曲面的特殊要求，采用z軸可調(diào)的三軸掃描振鏡?？紤]到整機結(jié)構(gòu)的緊湊與美觀，整機的光路部分做成全封閉主梁結(jié)構(gòu)。

2.2 機械設(shè)計

為了提高整機的可靠性、穩(wěn)定性、可維護性，本文采用平面可調(diào)工作臺、整體光路升降系統(tǒng)等模塊化設(shè)計，外部鈑金設(shè)計盡量美觀、結(jié)構(gòu)盡量緊湊，符合人機工程學，標識清晰明了，整機的機械結(jié)構(gòu)示意見圖5。

2.3 電氣系統(tǒng)設(shè)計

電氣系統(tǒng)采用工控機+控制板的控制方式，主要包括以下幾個部分：

(1)計算機與集成專用板卡和專用軟件。蝕刻操作通過計算機以及集成專用板卡和專用軟件來實現(xiàn)，計算機采用研華或研祥的高可靠工控機。軟件自主開發(fā)，支持多任務位的操作。專用板卡用來接收控制輸入以及軟件命令到數(shù)字振鏡。

圖5 整機結(jié)構(gòu)示意圖

(2)整機控制板?？刂瓢逵脕斫邮杖藱C操作界面的操作輸入，進行模式轉(zhuǎn)換和蝕刻操作，并控制運動的時序和蝕刻的時序和調(diào)焦的操作。

(3)人機操作界面。用來實現(xiàn)客戶的命令輸入，包括開關(guān)機，時序輸入，調(diào)焦等。

(4)運動部件。運動部件主要包括調(diào)焦升降臺與三軸掃描振鏡的直線運動部分。調(diào)焦升降臺用伺服電機通過手輪來控制其運動。

(5)電源模塊。電源部分包括斷路器、空氣開關(guān)和各個開關(guān)電源模塊，用來給光學部分以及整機供電。

(6)光學部分。光學部分包括主控箱、激光器等，是一個成熟的整體，可以直接接收專用板卡輸出的控制信息，輸出光脈沖。

激光器和振鏡系統(tǒng)是由工控機控制，這部分通過軟件來完成。電氣的核心部分采用自制控制板完成，主要是控制升降臺調(diào)整焦點的動作及其它輸入輸出點的處理。該方式的好處是成本比較低和不容易被抄襲，并且在設(shè)備過了保質(zhì)期以后可以作為模塊配件出售。

2.4 激光蝕刻軟件設(shè)計

模具激光蝕刻軟件中的兩大核心技術(shù)是：圖形文件的讀取與分解、激光蝕刻過程控制。見圖6。

圖6 系統(tǒng)軟件功能模塊圖

2.4.1 軟件功能需求

作為專門針對模具激光蝕刻機設(shè)計的軟件，結(jié)合本系統(tǒng)各部分的特點，控制軟件具有以下功能：

(1)圖形編輯與保存功能。圖形編輯功能是實現(xiàn)人機交互的窗口，通過圖形編輯功能，操作工人可以按自己的生產(chǎn)要求，自行設(shè)計所需要的圖形。軟件對圖形的操作借用了專業(yè)的矢量圖形編輯軟件CorelDraw的部分內(nèi)容，CorelDraw的PLT文件格式保存的圖形數(shù)據(jù)，比較符合直線插補算法，因此軟件中對圖形的操作主要指把PLT文件打開，把得到的圖形分解。

(2)直線插補與振鏡控制功能。在得到圖形數(shù)據(jù)后，把圖形分解成直線段，使之符合直線插補算法對數(shù)據(jù)的要求。通過直線插補得到圖形坐標數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為振鏡驅(qū)動器所需的控制指令信號，使圖形與振鏡電機的角位置相對應，使振鏡電機的運動軌跡和圖形相對應。

(3)激光器控制與參數(shù)設(shè)置功能。激光器控制包括激光開關(guān)控制和能量控制。激光開關(guān)控制通過電平信號來實現(xiàn)，激光能量控制通過頻率和占空比可調(diào)的PWM信號進行調(diào)節(jié)。根據(jù)激光蝕刻對象的不同PMW信號的參數(shù)可由程序設(shè)置。

(4)機器報警功能。對機器出現(xiàn)的異常情況，通過蜂鳴器進行提示。由于報警蜂鳴器是24 V的直流供電，軟件通過控制卡給出了TTL信號的電平變化，其電平的變化通過驅(qū)動放大后，控制報警蜂鳴器產(chǎn)生相應的效果。

2.4.2 軟件模塊劃分

根據(jù)激光蝕刻軟件的上述功能需求及通用軟件設(shè)計理念，按照軟件工程理論中結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想和自頂向下、逐步細分的設(shè)計原則，將軟件功能劃分為若干模塊，各模塊再細分為子模塊。

圖5中字符數(shù)據(jù)庫用于編輯和存儲字符顯示碼；激光蝕刻卡指令系統(tǒng)用于編輯和管理激光蝕刻指令，實現(xiàn)底層硬件和應用軟件之間的無縫連接；圖形文件讀取與分解包括圖形分解與顯示、坐標平移、圖形大小調(diào)整等。

3 結(jié)論

本文基于目前模具紋路加工出現(xiàn)的問題，采用當今最新的三軸激光掃描技術(shù)，探討模具激光蝕刻機的工藝流程，并對模具激光蝕刻機的光學、機械、電路與軟件部分進行研究，為激光加工技術(shù)在模具行業(yè)的廣泛應用奠定了基礎(chǔ)。

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