脈沖激光直線高速態(tài)標(biāo)刻性能研究

萬 輝,晏 強,余聯(lián)慶,李紅軍

(武漢紡織大學(xué)機械工程與自動化院,湖北 武漢 430070)

1 引 言

激光標(biāo)記是指利用高能量密度的激光束在物件表面作永久性標(biāo)記。由于激光標(biāo)記具有打標(biāo)速度快、性能穩(wěn)定、打標(biāo)質(zhì)量好等優(yōu)點,所以在雕刻、食品等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。直線作為一種基本圖元,有著廣泛的應(yīng)用。尤其是在區(qū)域填充的場合,直線的標(biāo)記效果和標(biāo)記速度對激光打標(biāo)的效率有著較大的影響。

2 實驗設(shè)備介紹

目前用于激光打標(biāo)的脈沖激光器主要是小功率的脈沖光纖激光器,其輸出功率一般小于50 W[4],其重復(fù)頻率范圍大多在20 kHz～200 kHz。由于重復(fù)頻率太大會導(dǎo)致每個激光脈沖所具有的能量降低,因此實際標(biāo)刻時,激光器的重復(fù)頻率通常設(shè)置較低。

實驗的主要設(shè)備有瑞科P20QE脈沖光纖激光器,平均輸出功率為20 W,重復(fù)頻率在30 kHz至60 kHz,脈沖寬度在115至140 ns；振鏡型號JD1403,10%全范圍的響應(yīng)時間為0.7 ms,1%全范圍響應(yīng)時間0.3 ms。場鏡的掃描范圍為110 mm×110 mm,焦平面上的彌散斑直徑18 μm。實驗使用嵌入式的激光標(biāo)記控制系統(tǒng),MCU為STM32F103單片機。

3 振鏡停留時間與激光脈沖數(shù)量

3．1 脈沖個數(shù)與脈沖周期

由于脈沖激光器發(fā)出的激光是具有一定的重復(fù)頻率,即每隔一段時間,激光器發(fā)出一個激光脈沖。則激光器發(fā)出激光的重復(fù)周期T可由式(1)計算出來:

(1)

其中，f為激光器設(shè)定的重復(fù)頻率。

因此激光器發(fā)出的脈沖個數(shù)并非隨著時間的增長而增加,而是每增加T時間,激光器發(fā)射出1個激光脈沖。因此可以得到圖1所示脈沖個數(shù)與時間的關(guān)系圖,其中T表示激光器的脈沖周期,T的值可由式(1)計算,N表示脈沖個數(shù)。

圖1 重復(fù)頻率與脈沖個數(shù)的時間關(guān)系

3.2 脈沖間隙時間

由于一個激光脈沖持續(xù)的時間并不等于激光器的重復(fù)周期,這會使相鄰兩個激光脈沖間出現(xiàn)一段空白時間,在這段時間內(nèi)激光器不發(fā)射激光。這段空白時間在本文中稱為脈沖間隙時間,根據(jù)間隙時間產(chǎn)生原理,間隙時間可由式(2)計算:

tg=T-tp

(2)

式(2)中,tg表示脈沖間隙時間,T表示脈沖周期,tp表示脈沖寬度。

由于用于脈沖激光器發(fā)出激光的脈沖寬度普遍較小,參考實驗所使用的脈沖光纖激光器的脈沖寬度115 ns至140 ns。而激光器的重復(fù)周期最短時間在重復(fù)頻率最大時獲得,即實驗所使用的激光器重復(fù)頻率設(shè)置在60 kHz,激光器的脈沖周期最小,T=16667 ns,遠大于140 ns,因此脈沖間隙時間與激光的脈沖周期非常接近,即脈沖間隙tg≈T。

3.3 振鏡最短等待時間

當(dāng)需要的標(biāo)記深度越大時,落在同一位置上的激光脈沖個數(shù)就要越多,因此振鏡在該位置的等待時間就越長。由于相鄰激光脈沖間是有間隙的,根據(jù)圖1可知,當(dāng)需要N個激光脈沖時,停留時間t在[N×T,N×T+tg)范圍內(nèi)時,激光器發(fā)出的脈沖個數(shù)始終是N個。因此振鏡等待N個激光脈沖的時間,可以根據(jù)圖1計算出來。

按照XY2-100協(xié)議,振鏡接受坐標(biāo)速度最快為2 Mbit/s,而每一個坐標(biāo)有20 bit數(shù)據(jù)組成,因此振鏡接受一個坐標(biāo)速度所需時間為10 μs。當(dāng)于脈沖激光器的重復(fù)頻率小于100 kHz時,即脈沖間隙時間大于10 μs,因此在脈沖間隙時間內(nèi)使振鏡掃描至下一個掃描點,可以有效提高激光標(biāo)記速度。因此等待N個激光脈沖的最短時間t可根據(jù)式(3)計算:

t=T×n-10

(3)

4 標(biāo)記點的劃分

根據(jù)實驗振鏡工作參數(shù),10%全范圍的響應(yīng)時間為0.7 ms,由于實驗使用的場鏡范圍為110 mm×110 mm,即振鏡掃描11 mm所需時間為0.7 ms,則振鏡的可達15 m/s。當(dāng)激光器的重復(fù)頻率在30 kHz,相鄰激光脈沖的間隙時間根據(jù)3.2節(jié)計算方法,為33.333 μs,在間隙時間振鏡繼續(xù)向前掃描0.5 mm,這就會使標(biāo)記的直線出現(xiàn)明顯的間隙。圖2所示為振鏡掃描速度較快時,標(biāo)記出的不連續(xù)直線。因此在脈沖間隙時,需控制振鏡的掃描距離。當(dāng)掃描距離太小會降低振鏡激光標(biāo)記速度；當(dāng)掃描距離太大時,會使標(biāo)記出的直線呈離散點狀。

圖2 振鏡掃描速度太快時標(biāo)記出的直線

由于直線實際上是由一系列點組成的,當(dāng)這些點的間距非常小時,人眼分辨不出其中的間隙,認為直線是連續(xù)的。而人眼在明視距離(250 mm)處的分辨率為100 μm,因此以人眼分辨率為相鄰待標(biāo)點的圓心距較為合適,即直線上相鄰標(biāo)記點的圓心距為100 μm。圖3所示為直線分解成點的示意圖。當(dāng)標(biāo)記直線時,使振鏡依次掃描過每一個待標(biāo)記點,并標(biāo)記該點,當(dāng)全部待標(biāo)記點被標(biāo)記出來后,標(biāo)記出的痕跡呈現(xiàn)連續(xù)的直線[5]。

圖3 直線上待標(biāo)點的劃分

數(shù)字振鏡使用XY2-100協(xié)議進行高精度的激光位置控制[6],XY2-100協(xié)議所使用的XY坐標(biāo)范圍為0～65535,而激光標(biāo)刻的幅面大小通常是由場鏡決定,常用場鏡的掃描范圍從50 mm×50 mm至500 mm×500 mm不等,因此在振鏡坐標(biāo)系中,每1個單位所代表的實際長度也不一樣。實驗中使用場鏡的掃描范圍為110 mm×110 mm,因此可由式(4)算出振鏡坐標(biāo)系中的長度單位與國際長度單位的轉(zhuǎn)換：

(4)

其中,S為國際單位長度,L為場鏡場鏡的掃描邊長,x為振鏡坐標(biāo)系中長度。實驗中使用場鏡幅面的邊長,因此L=110 mm,令x=1,即可計算出振鏡坐標(biāo)系中1個單位長度對應(yīng)的長度約為1.68 μm。

100 μm在振鏡坐標(biāo)系中的長度根據(jù)式(4)計算為59.52,由于XY2—100協(xié)議規(guī)定的坐標(biāo)值為整數(shù),因此取D=60,即直線上相鄰兩個標(biāo)記點的圓心距在振鏡坐標(biāo)系中的長度為60(約等于0.1 mm)。

5 直線的標(biāo)刻

由于直線被分解為一系列的標(biāo)記點,需要逐個點進行激光標(biāo)記,直線上點坐標(biāo)的計算效率越高,直線的標(biāo)記速度越快。振鏡逐個掃描過每個標(biāo)記點,這一過程與光柵顯示系統(tǒng)顯示直線的過程相似,因此實驗選用DDA算法(數(shù)值微分法)計算每個待標(biāo)點的坐標(biāo)[7-8]。

設(shè)直線的方程為(5)所示,直線上的一個待標(biāo)點坐標(biāo)為(xk,yk),下一個待標(biāo)點坐標(biāo)為(xk+1,yk+1)。

y=m×x+b

(5)

當(dāng)直線的斜率絕對值m<1時,取x作為自變量y作為因變量(當(dāng)m>1時,取y作為自變量,x作為因變量)。Δx和Δy表示直線上相鄰兩個標(biāo)記點的坐標(biāo)增量,如式(6)所示。由于兩個標(biāo)記點的圓心距為60,可以得到式(7)。由式(5)、式(6)和式(7),可推導(dǎo)出式(8)。

Δx=xk+1-xk

(6)

Δx2+Δy2=602

(7)

(8)

根據(jù)以上推導(dǎo)過程,即可計算出直線上相鄰兩個待標(biāo)點的坐標(biāo)增量,根據(jù)輸入的直線起點和終點坐標(biāo),即可依次計算出直線上每個標(biāo)記點的坐標(biāo),如式(9)和式(10)所示,由于計算出Δx和Δy可能為小數(shù),因此需要對計算的坐標(biāo)值取整。根據(jù)直線的起點坐標(biāo),即可計算出直線上每一個點的坐標(biāo)。

xk+1=[xk+Δx]

(9)

yk+1=[yk+Δy]

(10)

6 直線標(biāo)記效果與分析

6.1 標(biāo)記出的直線效果

圖4(a)所示使用上述原理,激光器的重復(fù)頻率在30 kHz時標(biāo)記出的直線效果圖,圖4(b)為圖4(a)所示直線的局部放大圖,從圖4(b)中的刻度可以看出,相鄰兩個激光脈沖打在物體表面留下標(biāo)記點圓心距約為0.1 mm,相鄰兩個標(biāo)記點之間有一小段的間隙。

圖4 重復(fù)頻率為3 kHz時標(biāo)記出的直線效果圖及局部放大圖

圖4(a)所示,使用0.1 mm掃描間距標(biāo)記出的直線是連續(xù)的,因此該直線算法對于脈沖激光標(biāo)記系統(tǒng)是有效的。

6.2 激光標(biāo)記點的直徑偏大原因

在圖4(b)所示的激光標(biāo)記出的痕跡可以看出,標(biāo)記點的直徑明顯大于場鏡焦平面彌散斑直徑的18 μm。圖5所示,為電子顯微鏡下拍攝到的一個激光脈沖打在物體表面留下的痕跡。圖中亮白區(qū)域為激光打出的痕跡,邊緣黑色部分是碳化物。

圖5 激光打在物體表面留下的痕跡放大1040倍圖像

使用30 kHz和60 kHz的重復(fù)頻率激光打在物體表面,在電子顯微鏡下測量痕跡的直徑,測量到的數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1可知,激光重復(fù)頻率越大,則一個激光脈沖打出的標(biāo)記點越小。由于激光器的輸出功率是一定的,重復(fù)頻率越大,則每個激光脈沖所具有的能量越?。活l率越大,則每個脈沖所具有的能量越小。激光脈沖打在物體表面時,能量會向邊緣擴散使打出的標(biāo)記點直徑大于18 μm。

同時,受到位置調(diào)節(jié)精度的影響,物體會在場鏡的焦平面附近,這會使激光投射在物體表面的光斑變大,從而使標(biāo)記出的標(biāo)記點變大。

表1 單個激光脈沖打在物體刻蝕出的圓形痕跡直徑

6.3 最大標(biāo)記速度

根據(jù)第2節(jié)和第3節(jié)中的分析可知,不考慮振鏡的掃描速度時,直線的標(biāo)記速度是由激光器的重復(fù)頻率決定的,由于每一個脈沖點對應(yīng)的長度為100 μm,單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)越多,則標(biāo)記速度越快。

因此當(dāng)激光器的重復(fù)頻率低于100 kHz時,直線的最大標(biāo)記速度即可根據(jù)式(11)確定,其中N表示直線上每個待標(biāo)點上需要的脈沖個數(shù),f為激光器的重復(fù)頻率。當(dāng)每個標(biāo)記點需要的脈沖個數(shù)為1時,激光器的重復(fù)頻率最大時,直線的標(biāo)記速度最快,因此實驗使用激光器的重復(fù)頻率設(shè)置為60 kHz時,速度達到最大,為6 m/s。

v=0.1mm×f÷N

(11)

7 結(jié)束語

實驗所使用的激光器重復(fù)頻率較低,由于XY2—100協(xié)議規(guī)定的坐標(biāo)最大發(fā)送速度為10 μs,而激光器重復(fù)頻率高于100 kHz時,相鄰激光脈沖的間距小于10 μs,小于坐標(biāo)發(fā)送速度,因此文中使用方法不適用于重復(fù)頻率高于100 kHz的脈沖激光器。同時激光標(biāo)記點的圓心距為0.1 mm是在人眼的明視距離處取得的,在標(biāo)刻要求較高的場合可以適當(dāng)減小標(biāo)記點的圓心距,使標(biāo)記出的線條連續(xù)性更好。目前該直線標(biāo)記算法已經(jīng)在作者所在課題組研發(fā)的焦距自適應(yīng)激光清洗系統(tǒng)中得到應(yīng)用,目前使用狀況良好。

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