激光內(nèi)雕機(jī)的應(yīng)用、技術(shù)及發(fā)展趨勢

馬秀琛，孟凡召

(山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州253034；德州市工業(yè)機(jī)器人控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 德州253034)

光電一體化產(chǎn)品是集光學(xué)、機(jī)械、微電子、自動控制和計算機(jī)技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，在產(chǎn)品功能和利用率方面具有很大潛力[1]。激光技術(shù)作為一種可持續(xù)發(fā)展技術(shù)，可以助力國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。激光內(nèi)雕機(jī)通過有線連接，將各部分系統(tǒng)特點(diǎn)和優(yōu)勢結(jié)合在一起，解決了子系統(tǒng)無法單獨(dú)運(yùn)行的問題，達(dá)到了優(yōu)化系統(tǒng)功能的目的。

1 激光內(nèi)雕機(jī)的應(yīng)用

水晶雕飾件逐漸走入生活，如水晶鑰匙扣、水晶汽車掛件、水晶衣服吊墜等。激光內(nèi)雕機(jī)主要用于水晶工藝品的制作，其既可生產(chǎn)大型水晶內(nèi)雕工藝品，亦可批量化生產(chǎn)小型水晶飾品。

激光內(nèi)雕機(jī)已廣泛應(yīng)用于內(nèi)雕行業(yè)，生產(chǎn)出的內(nèi)雕飾品種類越來越多。相對于水晶內(nèi)雕產(chǎn)品來說，采用大型激光內(nèi)雕機(jī)生產(chǎn)單件小型水晶內(nèi)雕飾品存在設(shè)備運(yùn)維成本高、生產(chǎn)成本高、設(shè)備生產(chǎn)效率低等問題，影響了用戶的個性化定制體驗(yàn)。既能批量化生產(chǎn)小型水晶內(nèi)雕飾品，又能利用迷你激光內(nèi)雕機(jī)為客戶完成個性化產(chǎn)品定制，將有效提高企業(yè)競爭力，形成新的利潤點(diǎn)。

激光內(nèi)雕機(jī)是工藝品內(nèi)雕加工最簡便快捷的方法，能夠在不損傷玻璃工藝品表面的情況下對內(nèi)部任何位置進(jìn)行設(shè)定激光打點(diǎn)加工[2]。激光對玻璃制品的聚焦需要點(diǎn)位，使激光對焦處的激光能量溫度剛好達(dá)到水晶爆炸溫度。由于激光焦點(diǎn)之外的位置能量沒有達(dá)到玻璃的爆炸溫度，因此不會產(chǎn)生變化。通過對計算機(jī)精確方位控制，在玻璃制品內(nèi)部位置產(chǎn)出設(shè)定圖案，該圖案可以是平面圖案也可以是三維圖案。

早期水晶手工藝品制作方法主要有工位機(jī)和振鏡機(jī)[3]。工位機(jī)是水晶工藝品被粘在工作臺平面上、由X、Y、Z三個軸向運(yùn)動電機(jī)分別帶動絲杠工作，絲杠將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為工作平臺沿X、Y、Z三個軸向平移運(yùn)動，這種雕刻模式通過移動工作臺來進(jìn)行雕刻，電機(jī)運(yùn)行時的負(fù)載不僅有工作臺重量，還需要加上工件重量，若工件質(zhì)量太輕或太重、工作臺移動速度太快都會造成工件因慣性因素產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致雕刻不精確，出現(xiàn)重雕等現(xiàn)象，因此工位機(jī)的工作速度不能過快，移動速度提不上去，導(dǎo)致這種雕刻機(jī)的雕刻速度不能達(dá)到理論設(shè)計速度，無法進(jìn)行高速內(nèi)雕。振鏡機(jī)是將振鏡放在燈泵機(jī)上工作，主要以光掃描方式控制光方向，進(jìn)行控制打點(diǎn)。這種內(nèi)雕方法不必移動工件，因此速度可以達(dá)到設(shè)計的理論最大工作速度，可滿足3 000 Hz及以上的頻率要求。但因?yàn)榫劢圭R調(diào)焦能力的限制，導(dǎo)致其工作范圍很小。使用F=100 mm的聚焦鏡調(diào)焦，工作范圍大約是φ60 mm。使用長焦距的聚焦鏡調(diào)焦雖然能使雕刻范圍有所增加，如使用F=160 m的聚焦鏡調(diào)焦，工作范圍大約是φ110 mm，但這又會造成焦距太長，焦深長，導(dǎo)致雕出的點(diǎn)比較細(xì)長，從正面看雕刻圖案沒有問題，但從側(cè)面看圖案就顯得不夠清晰，甚至變形，因此振鏡機(jī)也無法完全取代工位機(jī)。

2 激光內(nèi)雕機(jī)類型

對市場上各公司推出的激光內(nèi)雕機(jī)型號參數(shù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，對不同產(chǎn)品之間差異影響較大的因素是激光器類型。激光內(nèi)雕機(jī)組成元件有很多，最關(guān)鍵的元件為激光器。其分類方法較多，一般是按照激光工作介質(zhì)分類，主要分為氣體激光器、光纖激光器和半導(dǎo)體激光器等幾種類型[4]。

2.1 氣體激光器

氣體激光器是利用氣體作為工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的器件，一般包括放電管內(nèi)的激活氣體、一對反射鏡構(gòu)成的諧振腔和激勵源等三個部分。這種激光器的激勵方式主要是電激勵、氣動激勵、光激勵和化學(xué)激勵等，最常用的是電激勵，在放電條件下，利用電子碰撞激發(fā)氣體粒子產(chǎn)生激光。這種激光器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低，工作介質(zhì)均勻，輸出的激光單色性好且能長時間穩(wěn)定連續(xù)的工作[5]，目前廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、精密測量、全息技術(shù)等領(lǐng)域，市場占有率很高。

2.2 光纖激光器

光纖激光器是用摻稀土元素的玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，在泵浦光作用下，光纖內(nèi)很容易形成功率密度升高，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，適當(dāng)加入正反饋回路(構(gòu)成諧振腔)，便可形成激光振蕩輸出[6]，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊簡單，小巧靈活，可借助光纖的良好柔韌性，轉(zhuǎn)換效率高，激光閾值低，能在不施加強(qiáng)制冷的情況下連續(xù)工作，耦合作用效率高，因?yàn)樗鼈兯褂玫募す饨橘|(zhì)本身就是一種導(dǎo)波介質(zhì)。光纖激光器可廣泛應(yīng)用于激光光纖網(wǎng)絡(luò)通信、激光空間遠(yuǎn)距通信、激光雕塑和精密打孔等技術(shù)設(shè)備及各種激光醫(yī)用器械整機(jī)的小型化和重量化乃至便攜式靈巧系統(tǒng)，還可用于金屬雕塑。

2.3 半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器又稱為激光二極管，以半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)，激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種。半導(dǎo)體激光器件可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫時多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，這類激光器具有體積小、使用壽命長、結(jié)構(gòu)重量輕、輸入功率低等特點(diǎn)，可以直接調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡單。半導(dǎo)體激光器已廣泛應(yīng)用于激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測量距離及雷達(dá)等工作。激光內(nèi)雕行業(yè)的半導(dǎo)體激光器主要分為電光調(diào)激光器和聲光調(diào)激光器兩種。

電光調(diào)：因?yàn)槊}寬較短，功率穩(wěn)定，所需峰值功率不高，所以每個爆炸點(diǎn)都比較精細(xì)，每個脈沖所產(chǎn)生能量都能達(dá)到水晶的爆炸臨界值，因此一般玻璃都能打進(jìn)去，主要應(yīng)用于水晶內(nèi)雕行業(yè)，通常工作頻率在1 000 Hz以下的激光內(nèi)雕機(jī)采用電光調(diào)激光器。

聲光調(diào)：脈寬較長，所需峰值功率較高，當(dāng)峰值功率不高或水晶有雜質(zhì)都可能造成峰值功率達(dá)不到爆炸點(diǎn)而漏點(diǎn)，通常3 000 Hz以上的激光內(nèi)雕機(jī)采用聲光調(diào)激光器。

隨著激光雕刻技術(shù)的不斷改進(jìn)，激光應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，雕刻設(shè)備制造和銷售處于上升趨勢。國內(nèi)從事激光技術(shù)設(shè)備開發(fā)、制造、銷售的公司，市場競爭日益激烈。

水晶內(nèi)雕工藝品廠商利用現(xiàn)有激光內(nèi)雕設(shè)備，能夠生產(chǎn)大型水晶內(nèi)雕工藝品和批量化小型水晶飾品，但是人們的個性化需求越來越高，更加追求個性，希望自己的物品是獨(dú)一無二的，是自己的理想化追求，如果店鋪無法滿足客戶的樣式需求，將無法為客戶提供個性產(chǎn)品，如有特殊需要，只能向工廠申請設(shè)計，價格較為昂貴。

3 激光內(nèi)雕技術(shù)及結(jié)構(gòu)原理

3.1 激光內(nèi)雕技術(shù)

激光內(nèi)雕技術(shù)主要是將激光器中發(fā)射出來的激光聚焦在無色透明體內(nèi)部，產(chǎn)生微米尺寸單位的激光點(diǎn)，激光點(diǎn)在玻璃體內(nèi)部的位置由計算機(jī)程序控制，使激光點(diǎn)呈設(shè)定好的圖像進(jìn)行打點(diǎn)，從而構(gòu)成立體圖像。玻璃激光內(nèi)雕技術(shù)的發(fā)展可以分為兩個時期，即白色激光內(nèi)雕技術(shù)和著色激光內(nèi)雕技術(shù)。

白色激光內(nèi)雕主要通過激光器在玻璃內(nèi)部工作時所產(chǎn)生的一種激光，聚焦點(diǎn)的照射溫度超過玻璃爆炸的溫度，使玻璃產(chǎn)生爆裂，從而形成微裂紋，利用這種設(shè)計使微裂紋按照排序規(guī)則，實(shí)現(xiàn)一種白色激光內(nèi)雕[7]。白色激光內(nèi)雕利用激光器，將激光聚焦點(diǎn)在玻璃內(nèi)部，產(chǎn)生炸裂點(diǎn)，通過分層次炸裂點(diǎn)實(shí)現(xiàn)三維內(nèi)雕。

著色內(nèi)雕技術(shù)是使用激光速度為納秒至飛秒的激光，由于激光聚焦位置周圍的電場強(qiáng)度很高，通過激光誘導(dǎo)的多光子吸收、多光子離子化等反應(yīng)，在空間實(shí)現(xiàn)高度選擇性的微結(jié)構(gòu)改性，給予材料特殊的光功能，通過選擇性空間的色心控制、離子價態(tài)操控及納米粒子析出實(shí)現(xiàn)激光玻璃的著色內(nèi)雕。

3.2 激光內(nèi)雕機(jī)結(jié)構(gòu)原理

激光內(nèi)雕機(jī)是利用激光內(nèi)雕技術(shù)，結(jié)合傳動系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，其傳動系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、平面工作臺、限位開關(guān)組成。步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)將工件通過三軸傳動進(jìn)行移動，使工件位于工作臺的中心，能夠讓激光器進(jìn)行掃描并工作，伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器接收到信號后，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使用彈性聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠進(jìn)行運(yùn)動和轉(zhuǎn)動，從而帶動激光頭上下、左右、前后運(yùn)動。其中，限位開關(guān)控制激光頭運(yùn)行距離是否超出工作區(qū)域，如果超出距離，將會觸碰到限位開關(guān)，則伺服系統(tǒng)接收到信號并發(fā)出回原點(diǎn)指令，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，絲杠帶動激光頭回原點(diǎn)，防止設(shè)備損壞。利用方向信號器控制三軸的正反轉(zhuǎn)，完成三軸對點(diǎn)確定的位置控制。三維坐標(biāo)原點(diǎn)的設(shè)定是通過限位開關(guān)的極限位置而設(shè)定的，也可以通過計算機(jī)對原點(diǎn)位置進(jìn)行偏移。

4 激光內(nèi)雕機(jī)的發(fā)展趨勢

4.1 小型化

激光內(nèi)雕機(jī)的缺點(diǎn)是體積大，整體構(gòu)造龐大，機(jī)器運(yùn)作復(fù)雜度高，加上其他一些輔助裝置，使得內(nèi)雕機(jī)無法在店鋪內(nèi)放置，無法滿足客戶的個性化需要，這促使激光內(nèi)雕機(jī)向小型化方向發(fā)展。

4.2 高性價比

目前，市場上應(yīng)用的大多數(shù)激光內(nèi)雕機(jī)雕刻技術(shù)精密，故而激光內(nèi)雕機(jī)的價格較高，相關(guān)保護(hù)措施要求也高，整體造價成本昂貴，性價比較低，阻礙了其推廣應(yīng)用。迷你內(nèi)雕機(jī)在最初設(shè)計時，考慮了雕刻技術(shù)精密度，因此造價成本也很高。相對于低中配激光內(nèi)雕機(jī)，采用高精度電機(jī)和絲杠傳動裝置，應(yīng)用了高分辨率的控制系統(tǒng)。未來，企業(yè)應(yīng)向著推動迷你內(nèi)雕機(jī)的高性價比方向發(fā)展。

4.3 安全、節(jié)能

迷你內(nèi)雕機(jī)采用質(zhì)量較輕的鋁合金及PLA件框架，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕。此類作業(yè)機(jī)械設(shè)計不同于激光內(nèi)雕機(jī)設(shè)備，需要重點(diǎn)設(shè)計安全技術(shù)保障裝置，因此設(shè)計要求更加嚴(yán)格，既要安全可靠，又要盡量降低經(jīng)濟(jì)成本。但是，設(shè)計要求的首位都是安全設(shè)計，應(yīng)加強(qiáng)安全生產(chǎn)。此外，要講求節(jié)能環(huán)保傳統(tǒng)的激光內(nèi)雕機(jī)最大的特點(diǎn)是能耗高，當(dāng)出現(xiàn)故障時維修費(fèi)用較高。能耗過高會影響內(nèi)雕機(jī)的性價比，大大降低機(jī)器的市場價值。為了促進(jìn)迷你內(nèi)雕機(jī)的長遠(yuǎn)發(fā)展，應(yīng)重視降耗節(jié)能。

5 結(jié)語

激光雕刻設(shè)備發(fā)展至今其應(yīng)用越來越廣泛，雕刻技術(shù)水平也越來越高。目前，激光內(nèi)雕機(jī)存在高能、高耗、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，應(yīng)不斷進(jìn)行優(yōu)化。未來，應(yīng)進(jìn)一步研究激光內(nèi)雕機(jī)的體積縮小及便攜性，按照綠色工業(yè)發(fā)展要求，將低能耗作為今后制造工業(yè)發(fā)展的重要指標(biāo)，不久的將來，迷你內(nèi)雕機(jī)將實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展。