CN113649703A - 一种多显色的激光打标机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多显色的激光打标机，包括激光器，与激光器连接的PC机，以及设置在激光器作用端的标刻工件；激光器至标刻工件方向依次设置有光纤、光栅、凸透镜、二维高速振镜和F‑Theta物镜，所述的光栅和二维高速振镜与电机连接，通过电机可调整光栅和二维高速振镜的角度；所述的PC机分别通过激光器控制台和电机控制台与激光器和电机连接；在PC机上录入打印图形并在PC机上模拟打标，在模拟结束后保存激光控制台的设定参数和电机设定参数；激光控制台的设定参数主要涉及光束质量因子、远场发散角、偏振方向、偏振比、脉冲能量、脉冲宽度、光束指向性及功率；电机控制台的参数包括控制像素光栅转动的电机参数和控制二维高速振镜扫描的电机参数。
Description
技术领域
本发明涉及激光打标机技术领域，具体涉及一种多显色的激光打标机。
背景技术
激光打标技术作为激光加工领域的一个重要分支，是综合激光、光学、精密机械、电子和计算机等技术于一体的先进标记制作方法。它采用计算机控制激光束作为加工手段，其基本原理是通过计算机控制高能量密度的聚焦激光束按预定的轨迹对金属工件进行局部照射，使表层材料达到瞬间汽化或发生变化改变颜色，刻蚀出具有一定深度或颜色的文字、图案、条形码等，从而在金属工件表面留下永久性标记。
目前，金属的激光彩色打标技术通常是利用YAG固体激光器，YAG固体激光器具有波长短，产生的激光能量能被大部分金属很好的吸收，聚焦的光斑小等优点，比较适合在金属材料上进行高清晰度的标记。但是YAG固体激光器也存在着一些问题如：温度效益严重、发热量大和转换效率相对较低等问题。此外，现有的金属激光彩色打标工艺参数复杂，需要多个参数配合，因此调试难度高、调试周期长、加工效率低、色彩组合性差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种多显色的激光打标机；能有效的解决上述技术问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种多显色的激光打标机，包括激光器，与激光器连接的PC机，以及设置在激光器作用端的标刻工件；位于所述的激光器与标刻工件之间，从激光器至标刻工件方向依次设置有光纤、光栅、凸透镜、二维高速振镜和F-Theta物镜，所述的光栅和二维高速振镜与电机连接，通过电机可调整光栅和二维高速振镜的角度；所述的PC机分别通过激光器控制台和电机控制台与激光器和电机连接；在PC机上录入打印图形并在PC机上模拟打标，在模拟结束后保存激光控制台的设定参数和电机设定参数；激光控制台的设定参数主要涉及光束质量因子、远场发散角、偏振方向、偏振比、脉冲能量、脉冲宽度、光束指向性及功率；电机控制台的参数包括控制光栅转动方向的电机参数和控制二维高速振镜扫描方向的电机参数。
进一步的，所述的光栅安装在工作台上，由电机控制，转动到不同位置就有不同频率的光栅对准激光束，从而照射到工件上的光栅条纹也有不同的空频；同时光学头的转动使得拍摄出的光栅有不同光栅取向。
进一步的，所述的二维高速振镜是激光打标机运动的执行单元，是通过反射和衍射的物理效应来改变激光光束的传播方向来实现光扫描目的；激光光束经过二维高速振镜完成光扫描过程，接着二维高速振镜会将激光光束入射到F-Theta物镜上，F-Theta物镜在标刻工件上发生干涉并曝光。
进一步的，所述的二维高速振镜包括X轴振镜和Y轴振镜，所述的X轴振镜和Y轴振镜与电机的输出端连接，通过电机的正转或反转进行方向调整；二维振镜中X轴振镜和Y轴振镜的转动，使工件上个点曝光形成由不同光栅取向和空频的像素光栅构成光变图像，从而可以刻出颜色可变的图形或者文字，形成多显色图形。
进一步的，所述的多显色图形是由微小的像素光栅矩阵形成的，在不同的观察角度下，相同特性的像素光栅组会构成特定的图形，不同特性的像素光栅会呈现出不同效果的图形，描述光学可变图像的光学参数有：位置：X轴和Y轴的设定值，像素光栅的衍射方向：光栅角度的设定值，像素光栅的疏密分布：色彩的设定值，以及像素的发光效率：亮度的设定值。
进一步的，所述的电机在控制X轴振镜和Y轴振镜时，其响应时间是 1ms，是通过PC机发出的模拟信号控制；是将图形中各点对应的坐标值转化为相应的电压值，X轴振镜和Y轴振镜的转动角度与电压信号成线性关系，其比例为：每转动一度，电压变化 0.5V；振镜的控制电压信号为±10V，所以其转动角度为±20º。
进一步的，所述激光器的外侧设置有散热器。
有益效果
本发明提出的一种多显色的激光打标机，与传统的现有技术相比较，其具有以下有益效果：
（1）本技术方案中的激光器发出激光光束从，经过光纤在耦合作用下进一步提升激光光束本身的光学性质。经过光纤耦合的激光光束照射到光栅上，光栅有电机控制，光栅在调整到不同的角度就有不同频率所对应的光栅对准激光光束；再通过凸透镜将激光光束聚焦到二维高速振镜上；凸透镜的设置，使得从激光器发出的光成为一束相聚的光，激光光束经过二维高速振镜完成光扫描过程。接着二维高速振镜会将激光光束入射到F-Theta物镜上，F-Theta物镜在标刻工件17上发生干涉并曝光。
（2）本技术方案中F-Theta物镜的设置，能很好的解决理想像高和扫描角度不成线性关系，无法实现等速扫描，给激光打标的精度带来影响的问题；可以使等角速度偏转的入射光束在焦平面上实现线性扫描。
（3）本技术方案中的扇热器采用风扇散热器，风扇散热器用以解决激光器温度效益严重、发热量大的问题，来提高打标机整体的加工效率。
附图说明
图1是本发明中激光打标机的硬件结构示意图。
图2是本发明中激光光路路径示意图。
图3是本发明中激光打标机的工作系统流程图。
图4 光栅的局部放大图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1-2所示，一种多显色的激光打标机，包括PC机，所述的PC机信号连接有激光控制台和电机控制台，所述的PC机通过激光器控制台发出控制信号至激光器，控制激光器发出对应的激光光束。所述的PC机通过电机控制台与电机信号连接，通过发出的控制信号带动电机运作，带动光栅和二维高速振镜调整到对应的角度。
所述激光器的外侧设置有散热器，散热器采用的是风扇散热器。风扇散热器用以解决激光器温度效益严重、发热量大的问题，来提高打标机整体的加工效率。
位于激光器光速的末端，设置有标刻工件。位于所述的激光器与标刻工件之间，从激光器至标刻工件方向依次设置有光纤、光栅、凸透镜、二维高速振镜和F-Theta物镜，所述的光栅和二维高速振镜与电机连接，通过电机可调整光栅和二维高速振镜的角度。
所述的光纤可对激光光速进行耦合作用。激光光束从激光器发出，经过光纤在耦合作用下进一步提升激光光束本身的光学性质。经过光纤耦合的激光光束照射到光栅上。
所述的光栅安装在工作台上，由电机控制，转动到不同位置就有不同频率的光栅对准激光束，从而照射到工件上的光栅条纹也有不同的空频；同时光学头的转动使得拍摄出的光栅有不同光栅取向。
光栅将激光光束照射到凸透镜上，通过凸透镜将激光光束聚焦到二维高速振镜上，凸透镜的作用是：使从激光器发出的光为一束相聚的光。如果不加此透镜，则从激光器发出的可能是发散的光，这样光的能量将会降低。
所述的二维高速振镜包括X轴振镜和Y轴振镜，所述的X轴振镜和Y轴振镜与电机的输出端连接，通过电机的正转或反转进行方向调整X轴振镜和Y轴振镜的角度和方向。
二维高速振镜是激光打标机运动的执行单元，即采用一定的技术手段使激光光束的传播方向按照一定的规则产生偏转，一般而言是通过反射和衍射等物理效应来改变激光光束的传播方向来实现光扫描目的。激光光束经过二维高速振镜完成光扫描过程。二维高速振镜是激光打标的核心部件，在激光打标过程中，通过控制二维高速振镜的运动可以在标刻工件表面的二维方向上任意移动来实现激光打标。
接着二维高速振镜会将激光光束入射到F-Theta物镜上，F-Theta物镜在标刻工件上发生干涉并曝光。
由高速二维振镜的转动的转动配合不同光栅的频率选取可以在标刻工件表面刻出颜色可变的图形或者文字。激光频率λ为 532nm，k=±1,d为光栅常数。所谓光栅常数是指：当1mm 内光线的条数 n 时，每两条光线之间的距离为 d=1/n，单位是微米(μm)。经常使用的光栅为 300dpi，400dpi，500dpi，它们的光栅常数分别为 3.3μm，2.5μm，2μm。
光栅由电机控制，转动到不同位置就有不同频率所谓光栅对准激光束，从而照射到工件上的光栅条纹也有不同的空频；同时光学头的转动使得拍摄出的光栅有不同光栅取向。由二维振镜的转动使工件上个点曝光形成由不同光栅取向和空频的像素光栅构成光变图像，从而可以刻出颜色可变的图形或者文字等，形成多显色图形。
所述的多显色图形是由微小的像素光栅矩阵形成的，在不同的观察角度下，相同特性的像素光栅组会构成特定的图形，不同特性的像素光栅会呈现出不同效果的图形，描述光学可变图像的光学参数有：位置：X轴和Y轴的设定值，像素光栅的衍射方向：光栅角度的设定值，像素光栅的疏密分布：色彩的设定值，以及像素的发光效率：亮度的设定值。
随著光线的运动或者观察方位的变化，光变图像的色彩、形状均会发生改变，每个像素光栅上光线衍射满足光栅方程,即有：
也就是说打标图形会随着光线运动、观察者方位的变化，图形的色彩均会发生变化，具有非常好的显色效果，这会较好的解决了先前激光打标机打标色彩组合性差的情况。
变色激光打标系统是通过激光光束在材料表面发生干涉，系统中通过光栅的转动使得干涉光点的条纹取向发生改变，合理地安排图形中的各个光点的干涉条纹取向，使得记录的图形在白光下再现出美观文字或者图形。
如图3所示，一种多显色的激光打标机，具体的工作过程如下：首先在PC机上录入打印图形并在PC机上模拟打标，在模拟结束保存打标机参数，主要包括激光控制台的参数设定和电机的参数设定。
激光控制台的参数主要涉及光束质量因子、远场发散角、偏振方向、偏振比、脉冲能量、脉冲宽度、光束指向性及功率等。上述参数的确定需要在PC机上针对金属器件特性模拟得出。
电机控制台的参数包括控制光栅转动方向的电机参数和控制二维高速振镜扫描方向的电机参数。
通过电机控制像素光栅的转动，可以获得不同角度和方向的光栅取向，转到不同位置就有不同频率的像素光栅对准激光束，从而使照射到金属工件上的光栅条纹变得多样。
通过电机控制二维高速振镜，电机在控制二维高速振镜中的X轴振镜和Y轴振镜时，其响应时间是 1ms，是通过PC机发出的模拟信号控制；是将图形中各点对应的坐标值转化为相应的电压值，X轴振镜和Y轴振镜的转动角度与电压信号成线性关系，其比例为：每转动一度，电压变化 0.5V；振镜的控制电压信号为±10V，所以其转动角度为±20º
通过二维高速振镜的偏振转配合将激光光束再转移到F-Theta物镜，对于正常的聚焦透镜，无穷远处平行光会成像在焦平面，但是常常理想像高和扫描角度不成线性关系，无法实现等速扫描这就会给激光打标的精度带来影响。而F-Theta物镜能很好地解决上述问题，使等角速度偏转的入射光束在焦平面上实现线性扫描。
Claims (7)
1.一种多显色的激光打标机，包括激光器，与激光器连接的PC机，以及设置在激光器作用端的标刻工件；其特征在于：位于所述的激光器与标刻工件之间，从激光器至标刻工件方向依次设置有光纤、光栅、凸透镜、二维高速振镜和F-Theta物镜，所述的光栅和二维高速振镜与电机连接，通过电机可调整光栅和二维高速振镜的角度；所述的PC机分别通过激光器控制台和电机控制台与激光器和电机连接；在PC机上录入打印图形并在PC机上模拟打标，在模拟结束后保存激光控制台的设定参数和电机设定参数；激光控制台的设定参数主要涉及光束质量因子、远场发散角、偏振方向、偏振比、脉冲能量、脉冲宽度、光束指向性及功率；电机控制台的参数包括控制光栅转动方向的电机参数和控制二维高速振镜扫描方向的电机参数。
2.根据权利要求1所述的一种多显色的激光打标机，其特征在于：所述的光栅安装在工作台上，由电机控制，转动到不同位置就有不同频率的光栅对准激光束，从而照射到工件上的光栅条纹也有不同的空频；同时光学头的转动使得拍摄出的光栅有不同光栅取向。
3.根据权利要求1所述的一种多显色的激光打标机，其特征在于：所述的二维高速振镜是激光打标机运动的执行单元，是通过反射和衍射的物理效应来改变激光光束的传播方向来实现光扫描目的；激光光束经过二维高速振镜完成光扫描过程，接着二维高速振镜会将激光光束入射到F-Theta物镜上，F-Theta物镜在标刻工件上发生干涉并曝光。
4.根据权利要求1或3所述的一种多显色的激光打标机，其特征在于：所述的二维高速振镜包括X轴振镜和Y轴振镜，所述的X轴振镜和Y轴振镜与电机的输出端连接，通过电机的正转或反转进行方向调整；二维振镜中X轴振镜和Y轴振镜的转动，使工件上个点曝光形成由不同光栅取向和空频的像素光栅构成光变图像，从而可以刻出颜色可变的图形或者文字，形成多显色图形。
5.根据权利要求4所述的一种多显色的激光打标机，其特征在于：所述的多显色图形是由微小的像素光栅矩阵形成的，在不同的观察角度下，相同特性的像素光栅组会构成特定的图形，不同特性的像素光栅会呈现出不同效果的图形，描述光学可变图像的光学参数有：位置：X轴和Y轴的设定值，像素光栅的衍射方向：光栅角度的设定值，像素光栅的疏密分布：色彩的设定值，以及像素的发光效率：亮度的设定值。
6.根据权利要求4所述的一种多显色的激光打标机，其特征在于：所述的电机在控制X轴振镜和Y轴振镜时，其响应时间是 1ms，是通过PC机发出的模拟信号控制；是将图形中各点对应的坐标值转化为相应的电压值，X轴振镜和Y轴振镜的转动角度与电压信号成线性关系，其比例为：每转动一度，电压变化 0.5V；振镜的控制电压信号为±10V，所以其转动角度为±20º。
7.根据权利要求1所述的一种多显色的激光打标机，其特征在于：所述激光器的外侧设置有散热器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211116 |