CN107745589A - 一种激光打标机及其打标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光打标机及其打标方法，所述激光打标机包括：打标软件、电气控制部、激光器、扩束镜、振镜系统、以及光学聚焦镜头，其中打标软件、电气控制部、激光器、扩束镜、振镜系统、以及光学聚焦镜头依序连接。本发明提相比普通大范围激光打标机有更高的能量密度、更高的打标精度、更精细打标效果、工作范围内更均匀的能量分布。对应的可以适应加工更多种材料、满足更精确的打标要求、保证更细腻的打标质量。可以应用在消费电子、工艺品、厨卫、模具五金等常用激光做金属表面雕刻、标识、喷码等打标处理的行业，替代掉传统的印染、拉丝、磨削等工艺，由于是不接触加工，操作安全简单，加工过程不产生污染，不使用化学物品，成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种激光打标机及其打标方法。
背景技术
现有大幅面激光打标加工设备，普遍都使用到振镜扫描系统和平面聚焦场镜。振镜扫描系统和平面聚焦场镜在增大工作幅面后存在能量密度下降、能量照度不均匀、聚焦光斑大小不一、打标精度下降、打标细腻程度变差等问题。这些问题的存在使得打标效果不佳，是大幅面打标应用的瓶颈，若不能改善或者解决则严重限制了大幅面激光打标的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现在大范围内激光能量均匀打标的方法及激光打标机。
本发明提供一种激光打标机的打标方法，包括如下步骤：
S1：调整扩束镜的倍数和松紧，用倍频片观察激光，保证激光经扩束镜后不缺光；
S2：调整激光器的底座，用倍频片观察激光，激光经扩束镜后，经扩束后的激光从振镜系统的入光孔中心位置进入振镜系统；
S3：调整X振镜和Y振镜相对位置，激光经后一个振镜中心反射后垂直进入F-theta透镜的中心；
S4：镜头能量追踪：打开打标软件中的功率校正功能，设定能量校正精度、能量校正范围、方块大小、以及打标参数，采用不同位置的方块用同样参数打标；
S5：镜头能量校正：改变各个位置方块的打标功率，并记录此时各个位置使用的功率；将此时功率除以能量追踪使用的功率，得到各个点功率校正系数，将系数填入校正表格，软件根据差值，平均、线性的生成出整个打标范围内的功率校正表。
优选地，步骤S2中，，固定振镜位置后在激光行程上取几个点用倍频片观察激光中心位置，重合即可。
优选地，步骤S2中，被扩束后激光打到振镜系统，振镜系统的振镜电机旋转带动激光偏转，振镜系统的振镜电机的大小和扩束镜扩束的倍数呈一定关系，激光被振镜系统全部接住反射。
优选地，步骤S3中，打标软件在校正范围内生成不同数量的阵列填充方块。
优选地，步骤S2中，方块为待打标的工件。
优选地，步骤S4中，不同的打标效果表现出在不同位置上镜头的能力差异。
优选地，步骤S5中还包括：保存功率校正表后即可导入导出使用。
优选地，激光光路为：光束从激光器的隔离头发出，先后经过扩束镜的扩束和X振镜和Y振镜反射进入F-theta透镜，在所述激光光路中，激光器的隔离头中心、扩束镜的中心、X振镜中心三点一线。
本发明还提供一种激光打标机，所述激光打标机包括：打标软件、电气控制部、激光器、扩束镜、振镜系统、以及光学聚焦镜头，其中打标软件、电气控制部、激光器、扩束镜、振镜系统、以及光学聚焦镜头依序连接。
优选地，所述振镜系统包括X振镜和Y振镜、由扫描电机和光学反射镜片。
本发明提供的一种实现在大范围内激光能量均匀打标的方法及激光打标机，相比普通大范围激光打标机有更高的能量密度、更高的打标精度、更精细打标效果、工作范围内更均匀的能量分布。对应的可以适应加工更多种材料、满足更精确的打标要求、保证更细腻的打标质量。可以应用在消费电子、工艺品、厨卫、模具五金等常用激光做金属表面雕刻、标识、喷码等打标处理的行业，替代掉传统的印染、拉丝、磨削等工艺，由于是不接触加工，操作安全简单，加工过程不产生污染，不使用化学物品，成本低廉。
附图说明
图1为本发明激光打标设备的结构示意图。
具体实施方式
本发明激光打标机，在增加打标范围的同时获得更高能量密度、较精细的打标效果和均匀的能量照度分布，解决许多行业应用中适用激光打标却因为工作范围无法满足要求而被迫放弃，或者为了弥补工作范围不够而需要使用移动平台进行拼接却造成在拼接处打标质量下降的问题，一定程度上拓宽了激光打标加工的应用空间。
本发明激光打标机用于大范围激光能量均匀打标设备，如图1所示，本激光打标机包括：打标软件1、电气控制部2、激光器3、扩束镜4、振镜系统5、以及光学聚焦镜头6，其中打标软件1、电气控制部2、激光器3、扩束镜4、振镜系统5、以及光学聚焦镜头6依序连接。
打标软件1用于控制振镜系统5的扫描速度和激光器3的输出参数，不同的打标效果要求由打标软件1控制使用不同的打标参数来实现。
电气控制部2为振镜系统5和激光器3提供电源，为打标软件1控制振镜系统5和激光器3提供信号传输和转换。
激光器3为激光加工材料表面的能量来源，本发明激光器3波长为1055nm-1075nm，平均功率20W，光束质量因子M2＜1.1，脉宽长度4-200ns。
扩束镜4用于将激光源发出的光扩大，提高激光的传输特性以使其更好地将激光汇聚到材料表面，所述扩束镜4的扩束倍数应为1-3倍。
振镜系统5包括X振镜和Y振镜、由扫描电机和光学反射镜片，利用扫描电机带动光学镜片进行偏转式运动使激光运动到打标软件给定的位置后开始打标，所述振镜系统5使用24位全数字振镜，X振镜、Y振镜为20mm振镜。
光学聚焦镜6为-theta透镜，用于使激光光束聚焦到同一平面，F-theta透镜6的焦距为625mm，实际工作范围400x400mm。
激光打标机还包括能量追踪校正系统，能量追踪校正系统由一种校正光路的方法和能量校正补偿软件组成。
本发明激光打标机增加打标范围的同时获得较精细的打标效果、更高的能量密度和均匀的能量照度分布，本发明激光打标机是通过配置合理的激光光学器件和能量追踪校正系统实现的。
F-theta透镜6决定了激光打标机的工作范围，F-theta透镜6镜头的焦距越长，工作范围就会越大，聚焦后的光斑也会越大，聚焦后工作范围内的能量分布均匀程度也会越差。一般激光打标机常用的F-theta透镜为F160(焦距160mm)、F254(焦距254mm)，相对的工作范围为100x100mm、160x160mm，本发明激光打标机的打标范围扩展到400x400mm，聚焦后光斑也会比F160和F254大。
振镜系统5为24位全数字振镜搭配F580镜头理论上打标位置精度可达到亚微米级(F580理论工作范围500x500mm，位置精度为500/224＝0.3um)，数字振镜抗干扰能力更强，相比普通打标机配备的模拟振镜有更高稳定性，将实际使用设备抖动影响考虑在内，实测打标位置精度可达到微米级，比普通打标机定位精度提高了10倍。
为了获得较精细打标效果，必须缩小聚焦后光斑大小，影响聚焦后光斑大小的因素有镜头焦距、激光光束质量、波长、聚焦前入射光斑大小，在镜头确定的情况下，通过选择激光器3和扩束镜4获取小光斑。波长越短、激光光束质量越好，聚焦前入射光斑越大，聚焦后光斑越小。对于低功率高斯型激光光束,用M光束质量因子定义光束能量，M2越小表示光束能量越集中，光束质量越好(M2＝1为理想光束质量极限)，同时为了兼容多种不同材料进行表面加工，选择功率20W、1064nm波长、多种脉冲宽度可调(4-200ns)的光源。波长1064nm的激光适合加工金属材料，因为金属材料对这个波长的激光吸收率较高，脉冲宽度越小峰值功率越高，激光瞬间能量越大，在实际应用中短脉冲红外光源可以部分替代紫外激光加工高分子材料的地位。
扩束镜4负责将光源射出后镜头聚焦前的激光直径放大，光源输出光斑直径通常为7.0-8.0mm，扩束倍数越大，聚焦前光斑越大，聚焦后光斑越小，打标效果越精细。被扩束后激光打到振镜镜片上由振镜电机旋转带动激光偏转，振镜大小为20mm，扩束倍数定为2倍左右保证激光被振镜全部接住反射，若扩束倍数太大振镜不能接住整个光斑会造成激光能量损失和光斑变形。扩束2倍后聚焦光斑缩小为原来1/2，同样的能量作用在1/4面积的光斑上，能量密度提高了4倍。按照波长1064nm，激光器输出光斑大小7.0mm，光束质量M2＝1.1，F580焦距625mm，计算出聚焦后光斑直径约为66um，能量密度354mj/mm2。
本发明激光打标方法，具体包括如下步骤：
S1：第一次调光路：调整扩束镜4的倍数和松紧，用倍频片(将波长1064nm倍频到532nm变为可见光)观察激光，保证激光经扩束镜4后不缺光；
S2：第二次调光路：调整激光器3的底座，用倍频片观察激光，保证激光经扩束镜后，经扩束后的激光从振镜系统5的入光孔中心位置进入振镜系统5；
S3：第三次调光路：调整X振镜和Y振镜相对位置，保证激光经后一个振镜中心反射后垂直进入F-theta透镜6的中心，固定振镜位置后在激光行程上取几个点用倍频片观察激光中心位置，重合即可；
S4：镜头能量追踪：打开打标软件中的功率校正功能，设定能量校正精度、能量校正范围、方块大小(待打标的工件)、打标参数，打标软件在校正范围内生成不同数量(校正精度越高，数量越多)的阵列填充方块；激光在方块上打标，此时不同位置的方块用同样参数打标，不同的打标效果表现出在不同位置上镜头的能力差异；
S5：镜头能量校正：改变各个位置方块的打标功率，使这些方块打标效果一致，并记录此时各个位置使用的功率；将此时功率除以能量追踪使用的功率，得到各个点功率校正系数，将系数填入校正表格，软件根据差值，平均、线性的生成出整个打标范围内的功率校正表；保存功率校正表后即可导入导出使用。
其中，步骤S3中，被扩束后激光打到振镜系统5，振镜系统5的振镜电机旋转带动激光偏转，振镜系统5的振镜电机的大小和扩束镜4扩束的倍数呈一定关系，激光被振镜系统5全部接住反射。
若扩束镜的扩束倍数太大而振镜系统5不能接住整个光斑会造成激光能量损失和光斑变形；扩束2倍后聚焦光斑缩小为原来1/2，同样的能量作用在1/4面积的光斑上，能量密度提高了4倍。
本发明激光打标机和市面上普通20W激光打标机配F254镜头在不锈钢钢板表面打白，测得本激光打标机打标形成的单线线宽0.06mm左右，与普通打标机F254镜头形成的单线线宽0.06-0.07mm相当，市面上普通20W打标机配F580镜头因为能量密度不够，不能在不锈钢钢板表面打白。
本发明能量追踪校正系统，在进行镜头能量校正之前必须调好激光入射镜头之前的光路。激光光路为：光束从激光器3的隔离头发出，先后经过扩束镜4的扩束和X振镜和Y振镜反射进入F-theta透镜6。在这条光路上需要保证以下几点：激光器的隔离头中心、扩束镜4的中心、X振镜中心三点一线；扩束倍数合适，扩束后X振镜和Y振镜能完全接住整个光斑，不缺光；Y振镜到F-theta透镜6的距离按照F-theta透镜6设计要求放置(若Y振镜到F-theta透镜6距离与设计值不同，会造成工作范围内光束不能聚焦到同一个平面，严重者Y振镜若与后透镜反射点重合会烧坏振镜涂层和镜片)；Y振镜的镜片中心与透镜中心连线垂直于镜头端面，否则镜头工作范围会缩小，且工作范围内光束不能聚焦到同一个平面。在聚焦透镜的工作焦平面上各个不同位置，因为入射角不同、镜片和机械尺寸上的误差造成的相差等因素，造成不同位置能量照度分布不均，镜头焦距越大，工作范围越大，能量分布不均匀范围越广，分布不均匀程度越严重。
打标软件的能量校正补偿软件是为了解决改善这个F-theta透镜通病而做的，通过追踪到透镜工作范围内各个位置的实际聚焦光斑情况，计算出在焦平面上这些点之间能量差值，然后利用软件控制在各个点位激光器输出的能量进行补偿，以此保证工作范围内各个位置的实际能量达到比较均衡的效果。
本发明提供的一种实现在大范围内激光能量均匀打标的方法及激光打标机，相比普通大范围激光打标机有更高的能量密度、更高的打标精度、更精细打标效果、工作范围内更均匀的能量分布。对应的可以适应加工更多种材料、满足更精确的打标要求、保证更细腻的打标质量。可以应用在消费电子、工艺品、厨卫、模具五金等常用激光做金属表面雕刻、标识、喷码等打标处理的行业，替代掉传统的印染、拉丝、磨削等工艺，由于是不接触加工，操作安全简单，加工过程不产生污染，不使用化学物品，成本低廉。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种激光打标机的打标方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：调整扩束镜的倍数和松紧，用倍频片观察激光，保证激光经扩束镜后不缺光；
S2：调整激光器的底座，用倍频片观察激光，激光经扩束镜后，经扩束后的激光从振镜系统的入光孔中心位置进入振镜系统；
S3：调整X振镜和Y振镜相对位置，激光经后一个振镜中心反射后垂直进入F-theta透镜的中心；
S4：镜头能量追踪：打开打标软件中的功率校正功能，设定能量校正精度、能量校正范围、方块大小、以及打标参数，采用不同位置的方块用同样参数打标；
S5：镜头能量校正：改变各个位置方块的打标功率，并记录此时各个位置使用的功率；将此时功率除以能量追踪使用的功率，得到各个点功率校正系数，将系数填入校正表格，软件根据差值，平均、线性的生成出整个打标范围内的功率校正表。
2.根据权利要求1所述的激光打标机的打标方法，其特征在于：步骤S2中，，固定振镜位置后在激光行程上取几个点用倍频片观察激光中心位置，重合即可。
3.根据权利要求1所述的激光打标机的打标方法，其特征在于：步骤S2中，被扩束后激光打到振镜系统，振镜系统的振镜电机旋转带动激光偏转，振镜系统的振镜电机的大小和扩束镜扩束的倍数呈一定关系，激光被振镜系统全部接住反射。
4.根据权利要求1所述的激光打标机的打标方法，其特征在于：步骤S3中，打标软件在校正范围内生成不同数量的阵列填充方块。
5.根据权利要求1所述的激光打标机的打标方法，其特征在于：步骤S2中，方块为待打标的工件。
6.根据权利要求1所述的激光打标机的打标方法，其特征在于：步骤S4中，不同的打标效果表现出在不同位置上镜头的能力差异。
7.根据权利要求1所述的激光打标机的打标方法，其特征在于：步骤S5中还包括：保存功率校正表后即可导入导出使用。
8.根据权利要求1所述的激光打标机的打标方法，其特征在于：激光光路为：光束从激光器的隔离头发出，先后经过扩束镜的扩束和X振镜和Y振镜反射进入F-theta透镜，在所述激光光路中，激光器的隔离头中心、扩束镜的中心、X振镜中心三点一线。
9.用于权利要求1-8任一所述的激光打标方法的激光打标机，其特征在于：所述激光打标机包括：打标软件、电气控制部、激光器、扩束镜、振镜系统、以及光学聚焦镜头，其中打标软件、电气控制部、激光器、扩束镜、振镜系统、以及光学聚焦镜头依序连接。
10.根据权利要求9所述的激光打标机，其特征在于：所述振镜系统包括X振镜和Y振镜、由扫描电机和光学反射镜片。
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