RU34428U1 - Система лазерной маркировки прозрачных или полупрозрачных, преимущественно тонкостенных криволинейных изделий в конвейерном производстве - Google Patents

Description

i.: : || т : : : |||llllllllllll«lllll|iiipp МПК 7 B23K 26/00 Си(стема лазерной маркировки ирозрачных или полупрозрачных, преимущественно тонкостенных криволинейных, изделий конвейерном производстве. Полезная модель относится к пищевой и/или легкой промышленности, а именно к технологии обработки изделий и формирования изображения внутри прозрачных или полупрозрачных материалов, способных воспринимать управляемое лазерное воздействие, - i напрщ1ер таких как: стеклянные емкости (бутылки, банки, флаконы, графцйы и т.д.) в процессе их конвейерного наполнения или изготовления, предметы широкого потребления (стекла очков, защитные стекла часов, всевозможные панели различных приборов и т.п.) и многое другое и может найти применение при маркировке изделий для определения их принадлежности конкретным производителям или иными словами идентификации этих изделий, а также при изготовлении декоративных изделий и сувениров в конвейерном производстве. Известен способ формирования заданного изображения внутри прозрачного твердого материала и устройство для его реализации. Указанный способ относится к области художественной обработки стекла посредством импульсного лазерного луча и включает формирование заданного изображения путем фокусировки лазерного луча на точках и выполнения в выбранных точках микроразрушений одного размера сферической формы с помощью луча лазера (патент России 2177881, кл. В44С5/00, 10.01.2002г.). Недостатком известного способа и устройства является ограниченная область использования, что связано с тем, что след пробоя единичного: воздействия (точка) имеет по своей форме случайный вид разру рения, близкий к шарообразной или эллипсоидной форме, причем i--- МПК7 В44С 5/00

аналогичная (близкая no внешнему виду) форма оптического лазерного пробоя может быть получена на другом аналогичном оборудовании (с использованием иного лазера и формирующей оптики).

|Также известны системы получения с помощью лазерной установки и оптического блока изображения внутри прозрачного материала, установленного на выполненном с возможностью, например, автом;атического перемещения столе. Такие системы описаны в патентах US 5637244, кл. В23К 26/02, 10.06.1997 и US 6087617, кл. В23К 26/00, 11.07.2000.

Недостаток указанных систем состоит в том, что в них не предусмотрена возможность формирования изображения в виде маркировочных меток внутри тонкостенных изделий в условиях высокоскоростного конвейерного производства.

;Технический результат полезной модели состоит в устранении выщеназванного недостатка известных систем, а также в случае введения в оптический блок дополнительных усовершенствований, повьпрении надежности маркировки, практически не воспроизводимой в других условиях.

Сущность полезной модели состоит в том, что предложенная для конвейерного производства система маркировки прозрачных или полупрозрачных изделий широкого ассортимента, преимущественно разнообразных по форме, в том числе криволинейных тонкостенных

емкос|гей для жидких наполнителей, например, напитков, включает блок

1|.. L

автоматической подачи указанных изделии в зону маркировки, который

связан с оптическим блоком формирования лазерных пробоев в толще материала изделия, совокупность которых составляет ряд символов маркировочного изображения, включающим импульсную лазерную установку с, по меньшей мере, одним оптическим каналом и соединенную с блоком управления, питания и охлаждения указанной установки. Система также содержит блок обеспечения сканирования и/или

позиционирования изделий относительно фокусирующего объектива лазерной установки и блок управления технологическим процессом, включающий средство временной синхронизации начала маркировки с положением зоны маркировки изделия.

Блок позиционирования может быть снабжен акустооптическим дефлектором, а также средством временной синхронизации начала маркировки / с положением зоны маркировки изделия (тары, емкости, сосуда).

Толщина стенок изделия в виде сосуда или емкости находится в интервале значений 1 -3 мм, а его стенки

разнообразную по конфигурации криволинейную поверхность.

Для обеспечения связи между работой лазерной установки и проходящим по конвейеру с определенной скоростью изделием (тарой), а также с целью обеспечения в наносимом на него (нее) изображении требуемого объема информативности установлена связь между показателем Информативности рабочей частоты излучения лазера (частоты следО|Вания его импульсов), производительностью конвейера и количеством каналов маркиратора. Эта связь выражена математическим

соотнощением: ц - частота следования импульсов лазера (гц); V - производительность конвейера (в единицах тары за час); а - количество точек дискретизации в символе (цифре или букве) (ед.); в - необходимое количество символов в маркировочном изображении

(ед.);:

Пс - количество каналов в лазерном маркираторе (ед.); т - время перенастройки лазерного маркиратора, т. е. время, необходимое для перехода при нанесении изображений с одной единицы тары на другую (с).

так и

a-B-V

3600-п, -T-V могут иметь как плоскую. При определении вышеназванного

время, нанесения изображения в одном канале на одну единицу тары равно

Iа в ,:

:t,(с);

i .

Или с учетом многоканальности t, - (с);

Время цикла t, t, +-- (с);

п„

т „ 3600, , Требуемое по производительности конвейера время цикла (с);

; Приравнивая tj.p к 1з получаем:

.:, 3600 а-в

.

11.:

ИЗ этфго равенства получаем вышеназванную формулу для нахождения частоты излучения лазера (JLI).

Система характеризуется тем, что оптический блок может включать вспомогательные средства светоделения и развертки лазерного пучка, выполненные с возможностью одновременного формирования нескольких лазерных пробоев в одном изделии за каждый импульс лазера. Средство развертки лазерного пучка выполнено с возможностью оперативного

,j, , ;,

изменения от одного лазерного импульса к другому конфигурации СОВ01ФПНОСТИ лазерных пробоев. Фокусирующий объектив лазерной

установки с полем изображения заданной кривизны, соответствует кривизне той части выполненной криволинейной поверхности , в которой помещается маркировочное изображение. Оптический блок может содержать механическое или оптико-электронно-механическое средство отработки постоянства расстояния от фокусирующего объектива лазерной установки до точки пересечения его оптической оси с поверхностью изделия.

п, п,-м соотношения было принято, что ,i Пример 1. Количество точек дискретизации в символе (а) равно 20; -количество символов в маркировочном изображении (в) равно 12; - : - : j...ij- -йроизводительность конвейера (V) равна 18000 ед/час; -койичество каналов в лазерном маркираторе (Пс) равно 1; -время перенастройки лазерного маркиратора (т) равно 0,05 с. 20-12.18000 ,,.,,.,„ . 1600(Гц) 3600-0,05-18000 В результате математических действий установлено, что для вышеназванных данных и системы с лазерным маркиратором, имеющим один оптический канал, частота излучения лазера должна соответствовать 1600 Гц или 1,6 кГц. Пример 2. t .Количество точек дискретизации в символе (а) равно 20; -количество символов в маркировочном изображении (в) равно 10; -производительность конвейера (V) равна 7200 ед/час; -количество каналов в лазерном маркираторе (Пс) равно 8; -время перенастройки лазерного маркиратора (т) равно 0,8 с. 20-10-7200,„,„ , )1 62,5(Гц) 3600-8-0,8-7200 te этом примере для выше приведенных исходных данных частота излучения лазера должна соответствовать 62,5 Гц или приблизительно 0,06 кГц. Маркировочная лазерная установка имеет фокусируюш;ую оптическую систему, включаюш;ую объектив, в котором связь 1|лежду фокусным расстоянием и относительным отверстием объектива и размером лазерного пробоя определяется соотношением: R l,2197v-f/D, где 1 .6p f- фокусное расстояние объектива (мм); D - диаметр входного зрачка объектива (мм). Предложенная система в преимущественном варианте выполнения поясняется изображенной на чертеже блок-схемой, в которую входит выделенный штриховой линией оптический блок, состоящий из лазера 1 с блоком 2 ; его управления, питания и охлаждения, структурного оптического корректора 3, размещенного между лазером и объективом, вспо1 |огательных телескопических систем 4, оптического блока формирования маркировочного изображения 5 (позиции 1-5 явлйются оптической системой получения управляемого следа лазерного пробоя в виде структурно регулируемых точек). Система также содержит блок обеспечения сканирования и/или позиционирования 6, связанный с блоком 5 и зоной маркировки изделия, блок 7 подачи изделия в зону маркировки 8 и компьютер 9 с программным обеспечением, управляющим техно.1огическим процессом, и поэтому связанный со всеми блоками системы, а-именно: блоком 2 управления, питания и охлаждения лазера; структурным оптическим корректором 3; блоком 5 формирования маркировочного изображения, блоком 6 сканирования и/или позиционирования и блоком 7 подачи изделия в зону маркировки. Оптическая система может включать в себя различные объективы, в том числе и с требуемой аберрационной коррекцией, и/или структурные оптические корректоры. Структурный оптический корректор может быть самостоятельным оптическим узлом, например, в виде группы цилиндрических линз, деталью с оптической неоднородностью, фильтрами со спецэффектами или .|го функции выполняют другие оптические элементы системь, например, объективы и/или телескопы с требуемой аберрационной коррекцией. Оптическая система может включать в себя, по меньшей мере, один светоделительный элемент. ™.J.« : ; ; ; и || Жлок подачи изделия 7 в зону маркировки 8 может быть выполнен в I виде конвейерного механизма и осуществлять конвейерную подачу изделия (маркируемой емкости) в зону обработки. Также он обеспечивает требуемое позиционирование этого изделия относительно оптической системы формирования изображения и синхронизацию начала маркировки со временем прихода изделия в требуемое положение. Блок 7 может обеспечивать требуемое перемещение изделия в процессе обработки (например, вращения). Позиционирующие и/или сканирующие функции может выполнять и отдельный блок 6 позиционирования и/или сканирования, работающий как с оптическим блоком, так и с блоком 7 подач(|и и установки изделия в зоне маркировки 8, например, для синхронизации, конкретного положения изделия с импульсами пробоев и/или с перемещением элементов структурного оптического корректора. Основной электронно-оптико-механический узел системы состоит из связанных между собой блока подачи изделия и оптического блока формирования маркировочного изображения. Этот узел обеспечивает захват, необходимую фиксацию, синхронное перемещение или повороты тары и возврат тары на основную линию конвейера. , ЦВозможны следующие перемещения: /L -луч лазера перемещается по двум координатам (это или чисто линейные перемещения зеркал по координатам X и У, а также угловые повороты луча скоростными гальваническими поворотами зеркал или повороты с использованием электронно-оптических, как-то: акусто-оптических, отклоняющих устройств с последующим переводом угловых перемещений в линейные за счет телецентрических фокусирующих объективов), а необходимые смещения по координате Z ос ществляются смещениями самой тары;

обеспечивается поворотом тары (к примеру, цилиндрической) вокруг ка1 ой-либо оси;

-BCQ смещения осуществляются перемещениями тары;

-вс| смещения осуществляются перемещениями луча (в том числе и

) перемещение плоскости фокусировки за счет использования объектива

с неплоским полем изображения или объектива с изменяющимся

фокусным расстоянием).

Предлагается два различных алгоритма осуществления маркировки по неподвижной таре или по таре, которая во время маркировки двигается с постоянной линейной скоростью, поворачивается или поворачивается и двигается (иными словами находится в движении). Тогда вышеуказанный

: .

узел Ьопряжен)ия должен обеспечивать фиксацию (пребывание тары в

положении со смещениями и вибрациями, находящимися в пределах, не

j портящих результат маркировки) на время маркировки для маркировки по

неподвижной таре. Или вышеуказанный узел сопряжения должен обеспечивать маркировку тары непосредственно при движении тары на конвейере или на дополнительной врезке в конвейер. То есть этот узел должен создать эти перемещения, синхронизировать их с работой маркировщика, и при этом перемещение тары по конвейеру должно компенсироваться, например, дополнительными смещениями позиционера (устройства; смещения луча) в обратном направлении. Это касается как однофнальных, так и многоканальных маркираторов. При работе по непофижной таре также предлагается метод попеременной установки и фиксации тары (группы из нескольких тар для многоканального способа), то есть во время маркировки одной тары происходит параллельная по времени замена предыдущей промаркированной тары на последующую, подлежащую маркировке.

Заблаговременно или непосредственно в процессе нанесения марки|ровочного изображения составляется 3-х мерная модель части тары, в которую будет производится внутренняя маркировка, а также

определяется оптимальная поверхность расположения центров следов оптических лазерных пробоев.

Под оптимальной поверхностью расположения совокупности центров следов лазерных пробоев понимается срединная поверхность внутри стенки стеклянной тары или, иными словами, поверхность,

j ;

равноудаленная от наружной и внутренней поверхностей стенки тары.

.{Возможны два алгоритма работы маркиратора:

А). Заранее любым известным способом (по чертежам тар|ы от изготовителя, ручными измерениями, с использованием контактного или бесконтактного профилометра) формируют трехмерную модель необходимых частей тары, вычисляют срединные поверхности (или поверхности, удаленные от наружной на одинаковое расстояние, например 1-1,5 мм). В эту поверхность последовательно в соответствии с изображением фокусируется (позиционируется сфокусированное) лазерное излучение с использованием взаимных перемещений луча и самой тары

(вклк

ая линейные и угловые смещения как луча, так и тары, а также 1 : Р

.

-.m включая использование специально разработанной фокусирующей о|птики с необходимой поверхностью изображения); Б). Взаимное позиционирование луча и тары производится индивидуально и оперативно в процессе нанесения изображения с использованием прижимов, контактных штырей и пружин, электронно-оптических дальномеров и т. д. ; Разрушение стенок маркировочного изделия происходит при выходе на его поверхность хотя бы одного края одного оптического пробоя. Сам оптифский пробой представляет собой звездочку с множест:вом трещинообразных лучей, расходящихся от центра. За размер оптического пробоя обычно принимают какой-либо средний видимый диаметр, а т.к. для разрушения стекла достаточно выхода на поверхность одной трещинки-лучика, то необходимо иметь достаточный (порядка 0,2-0,5 мм) зазор между краями пробоев и поверхностью стекла. L Шо избежание разрушения тонких минимизируется осевой размер следа : i j i i-j- , ||,

счет оптимизации модового состава и уменьшения длины волны лазерного излучения, а также оптимизации параметров формируюш,ей оптической системы (минимизация аберраций всей системы и фокусного расстояния фокусируюп ;его объектива при увеличении относительного отверстия этого объектива). Формула, R 1,2197v-f/D связывает размер аберрационного пятна с фоку(|нъ1м расстоянием и относительным отверстием фокусирую1цего объектива. А, так как размер следа оптического лазерного пробоя пропорционален этому аберрационному пятну, то, следовательно, эта формула связывает фокус и относительное отверстие с параметрами пробоя. Чем больше светосила объектива, тем меньше дифракционный размер точки. Кроме этого, каустика распределения сферической аберрации в более светосильных системах более благоприятна для i , . образования меньшего по величине лазерного оптического пробоя в более I... свето|ильных оптических системах.I При помош;и высокоскоростного дополнительного узла автоматической подачи изделий в зону маркировки, осуш1ествляющего требуемую взаимную ориентацию положений блока формирования изображения с маркируемой деталью, а также временную синхронизацию начала маркировки с положением зоны маркировки изделия, имеется возможность осуш,ествлять маркировку при конвейерной подаче изделий в зону маркировки, а также осуш;ествлять маркировку изделий в составе фасовочного конвейера или конвейера по изготовлению и декорированию стеклйнной тары или тары из полимерного материала.i стенок стеклянной тары оптического пробоя за (

Claims (5)

1. Система лазерной маркировки прозрачных или полупрозрачных изделий в конвейерном производстве, включающая оптический блок формирования в изделии состоящего из символов маркировочного изображения, включающий импульсную лазерную установку с, по меньшей мере, одним оптическим каналом, связанный с блоком сканирования и/или позиционирования изделия относительно объектива лазерной установки, и блок подачи изделия в зону маркировки, при этом показатель частоты импульсов лазерной установки определяется из соотношения:

где μ - частота следования импульсов лазера (Гц);

V - производительность конвейера (ед./ч);

а - количество точек дискретизации в символе (ед.);

b - необходимое количество символов в маркировочном изображении (ед.);

n_с - количество каналов (ед.);

τ - время перенастройки лазерной установки (с).

2. Система по п.1, в которой оптический блок включает вспомогательные средства светоделения и развертки лазерного пучка, выполненные с возможностью одновременного формирования нескольких лазерных пробоев в одном изделии за каждый импульс лазера.

3. Система по п.2, в которой средство развертки лазерного пучка выполнено с возможностью оперативного изменения от одного лазерного импульса к другому конфигурации совокупности лазерных пробоев.

4. Система по любому из пп.1-3, в которой фокусирующий объектив лазерной установки с полем изображения заданной кривизны, соответствующей кривизне той части выполненной криволинейной поверхности изделия, в которой помещается маркировочное изображение.

5. Система по любому из пп.1-4, в которой оптический блок содержит механическое или оптико-электронно-механическое средство отработки постоянства расстояния от фокусирующего объектива лазерной установки до точки пересечения его оптической оси с поверхностью изделия.