脈沖激光直線高速態標刻性能研究

萬 輝,晏 強,余聯慶,李紅軍

(武漢紡織大學機械工程與自動化院,湖北 武漢 430070)

1 引 言

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

2 實驗設備介紹

目前用于激光打標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],其重復頻率范圍大多在20 kHz～200 kHz。由于重復頻率太大會導致每個激光脈沖所具有的能量降低,因此實際標刻時,激光器的重復頻率通常設置較低。

實驗的主要設備有瑞科P20QE脈沖光纖激光器,平均輸出功率為20 W,重復頻率在30 kHz至60 kHz,脈沖寬度在115至140 ns；振鏡型號JD1403,10%全范圍的響應時間為0.7 ms,1%全范圍響應時間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記控制系統,MCU為STM32F103單片機。

3 振鏡停留時間與激光脈沖數量

3．1 脈沖個數與脈沖周期

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

(1)

其中，f為激光器設定的重復頻率。

因此激光器發出的脈沖個數并非隨著時間的增長而增加,而是每增加T時間,激光器發射出1個激光脈沖。因此可以得到圖1所示脈沖個數與時間的關系圖,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。

圖1 重復頻率與脈沖個數的時間關系

3.2 脈沖間隙時間

由于一個激光脈沖持續的時間并不等于激光器的重復周期,這會使相鄰兩個激光脈沖間出現一段空白時間,在這段時間內激光器不發射激光。這段空白時間在本文中稱為脈沖間隙時間,根據間隙時間產生原理,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。而激光器的重復周期最短時間在重復頻率最大時獲得,即實驗所使用的激光器重復頻率設置在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

當需要的標記深度越大時,落在同一位置上的激光脈沖個數就要越多,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,根據圖1可知,當需要N個激光脈沖時,停留時間t在[N×T,N×T+tg)范圍內時,激光器發出的脈沖個數始終是N個。因此振鏡等待N個激光脈沖的時間,可以根據圖1計算出來。

按照XY2-100協議,振鏡接受坐標速度最快為2 Mbit/s,而每一個坐標有20 bit數據組成,因此振鏡接受一個坐標速度所需時間為10 μs。當于脈沖激光器的重復頻率小于100 kHz時,即脈沖間隙時間大于10 μs,因此在脈沖間隙時間內使振鏡掃描至下一個掃描點,可以有效提高激光標記速度。因此等待N個激光脈沖的最短時間t可根據式(3)計算:

t=T×n-10

(3)

4 標記點的劃分

根據實驗振鏡工作參數,10%全范圍的響應時間為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。當激光器的重復頻率在30 kHz,相鄰激光脈沖的間隙時間根據3.2節計算方法,為33.333 μs,在間隙時間振鏡繼續向前掃描0.5 mm,這就會使標記的直線出現明顯的間隙。圖2所示為振鏡掃描速度較快時,標記出的不連續直線。因此在脈沖間隙時,需控制振鏡的掃描距離。當掃描距離太小會降低振鏡激光標記速度；當掃描距離太大時,會使標記出的直線呈離散點狀。

圖2 振鏡掃描速度太快時標記出的直線

由于直線實際上是由一系列點組成的,當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點的圓心距較為合適,即直線上相鄰標記點的圓心距為100 μm。圖3所示為直線分解成點的示意圖。當標記直線時,使振鏡依次掃描過每一個待標記點,并標記該點,當全部待標記點被標記出來后,標記出的痕跡呈現連續的直線[5]。

圖3 直線上待標點的劃分

數字振鏡使用XY2-100協議進行高精度的激光位置控制[6],XY2-100協議所使用的XY坐標范圍為0～65535,而激光標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)算出振鏡坐標系中的長度單位與國際長度單位的轉換：

(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系中1個單位長度對應的長度約為1.68 μm。

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

5 直線的標刻

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

設直線的方程為(5)所示,直線上的一個待標點坐標為(xk,yk),下一個待標點坐標為(xk+1,yk+1)。

y=m×x+b

(5)

當直線的斜率絕對值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記點的坐標增量,如式(6)所示。由于兩個標記點的圓心距為60,可以得到式(7)。由式(5)、式(6)和式(7),可推導出式(8)。

Δx=xk+1-xk

(6)

Δx2+Δy2=602

(7)

(8)

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

xk+1=[xk+Δx]

(9)

yk+1=[yk+Δy]

(10)

6 直線標記效果與分析

6.1 標記出的直線效果

圖4(a)所示使用上述原理,激光器的重復頻率在30 kHz時標記出的直線效果圖,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記點圓心距約為0.1 mm,相鄰兩個標記點之間有一小段的間隙。

圖4 重復頻率為3 kHz時標記出的直線效果圖及局部放大圖

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

6.2 激光標記點的直徑偏大原因

在圖4(b)所示的激光標記出的痕跡可以看出,標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,測量到的數據如表1所示。

根據表1可知,激光重復頻率越大,則一個激光脈沖打出的標記點越小。由于激光器的輸出功率是一定的,重復頻率越大,則每個激光脈沖所具有的能量越小；頻率越大,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記點直徑大于18 μm。

同時,受到位置調節精度的影響,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,從而使標記出的標記點變大。

表1 單個激光脈沖打在物體刻蝕出的圓形痕跡直徑

6.3 最大標記速度

根據第2節和第3節中的分析可知,不考慮振鏡的掃描速度時,直線的標記速度是由激光器的重復頻率決定的,由于每一個脈沖點對應的長度為100 μm,單位時間內的脈沖個數越多,則標記速度越快。

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

v=0.1mm×f÷N

(11)

7 結束語

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

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