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大民激光介绍动态聚焦激光打标机聚焦性能的优化设计

振镜式激光打标是激光技术应用领域发展的一个重点方向。动态聚焦激光打标机由于打标面积大、标记范围可调、对环境适应性强等优势已成为打标行业的主流产品。目前国内大部分动态聚焦激光打标机都是采用前聚焦方式,在聚焦镜前面加一-组准直扩束系统,根据扫描位置的变化同步控制准直扩束系统的运动,达到动态聚焦。但是随着打标面积的增大,激光传输距离变长,光束聚焦性能将大幅下降,同时还要考虑焦深、工作距离和扫描线性度等因素,普通的动态聚焦系统在更大幅面时效果不够理想。如何保证光斑远离打标中心时束径不变是动态聚焦中考虑的主要问题,需要对动态聚焦系统进行优化改进。大民激光设计了一套动态准直扩束聚焦系统、输人镜与输出镜的距离动态可调,聚焦性能得到进一步提高,解决了大幅打标时的边缘聚焦问题。


一、动态聚焦系统

对振镜式扫描打标,激光器发射的光束经过扩束镜之后,再经过聚焦镜聚焦,依次投射到X,Y轴振镜上,形成扫描平面上的扫描点。如果聚焦镜为静态聚焦,则激光束的聚焦面为一个球面,如图1所示。

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由于激光束聚焦有一定的焦深,当扫描面积较小时,聚焦误差在可以接受的范围内,而当扫描幅面较大时,必须通过动态聚焦的方式来补偿聚焦误差。

1、动态聚焦分析

假设聚焦点位于中心点,当扫描线离开中心点时,聚焦点不在平面上,该处的聚焦光斑就会变大。以Y轴反射镜的中心为光程计算起点,则扫描平面上的任意点P(r,0)的聚焦误差Oω = f(do 十Od)十Odw2/do一f(d,),Od =√d:+r2-do,其中ω2为在Y振镜平面的束径,d。为Y振镜到打标平面的距离,f(do)为光斑随do变化的函数。

为了解决大面积打标的聚焦问题,需要在聚焦系统前加上准直扩束系统,如图1所示。采用这种聚焦方式的激光会聚系统由准直扩束系统和聚焦系统组成,准直扩束系统的作用是在准直会聚系统的基础上对激光束进一步准直扩束。一般采用离焦倒置伽利略望远镜系统,通常包括一个输人负透镜和一个输出正透镜。输人镜将一个虚焦点光束传送给输出镜,两个透镜是虚共焦结构,如图2所示。

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wo为聚焦前激光束的束腰半径,输人镜将人射的激光束聚焦在前焦平面上的束腰w1和发散角0r,输出镜出射的激光束聚焦在焦平面上的束腰w2和发散角0z,fi是输人镜的焦距,f2是输出镜的焦距。在激光标记过程中,激光光束特性、材料对光的吸收作用和导热性能等对加工过程有很大影响。当波长为入、半径为oo的高斯光束经过焦距为fi的透镜聚焦后,在透镜的焦点处光斑截面半径w1近似为1]

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式中w(l)为人射激光束在人射镜上的光東半径,l是人射激光束腰位置与入射镜之间的距离。因为w1落在输出镜的后焦平面上,并且输出镜的焦距f2大于输人镜的焦距f,高斯光束被扩束镜准直,准直倍率为

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从(4)式可以看出,准直倍率不仅与扩束镜的参数有关,还与激光束参数和扩束镜的位置有关。原来的动态聚焦激光打标系统根据扫描振镜的转动来同步移动扩束镜的位置,改变l值,得到所需要的准直倍率,使激光束在从中心到边缘的扫描过程中,焦点始终在打标平面上,达到动态聚焦效果。在幅面不大时,如600 mmX600 mm幅面,可以满足打标要求,但还有提高空间;而对于大幅面,如1000 mmX1000 mm幅面,受到焦深、工作距离等因素的影响,聚焦效果就不够理想,边缘部分比较模糊。为了进一步提高激光束的聚焦性能,使得工件表面始终处在聚焦点的焦深范围内,对扩束镜进行优化改造,在使扩束镜随X,Y扫描振镜而移动的基础上,调整输入透镜和输出透镜的距离,利用单片机同时控制这两组透镜运动并与扫描振镜同步,通过反复优化两组扩束镜的运动轨迹,使得打标机的聚焦性能大为改善。对扩束镜进行改造后,输入透镜到输出透镜的距离不再是固定不变,前面的输人透镜可以在一定范围内移动,形成一套动态准直扩束聚焦系统。假设l'为输人镜与输出镜之间的距离,系统的等效焦距为[2]

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由于聚焦镜单元不是单一曲率的凸透镜,另外受扫描模型、机械安装以及控制系统的影响,因此理论计算值存在一定误差,需要根据实测值进行校正[3]。通过反复测量与校正,得到Y振镜到打标点的距离L与输出镜2到聚焦透镜的距离D2之间的对应关系,如图3所示。 利用同样的办法可以得到L与D1之间的对应关系。

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2、边缘部分的枕形失真

振镜式激光打标机的打标面积增大后,X,Y扫描振镜将不可避免地产生边缘部分的枕形失真中。同时,如何保证光斑在远离打标中心时束径不变是前聚焦考虑的主要问题。在扫描平面的中心附近枕形误差较小,而边缘的畸变较大。在大幅面打标时,必须对枕形失真进行处理。本系统利用分段线性插值查找表的方法进行校正中。另外,也可以通过硬件进行补偿[6。


二、扩束镜运动控制

激光打标控制系统是激光打标系统的核心部分,计算机完成对所需打标的图形图像文件进行数据处理,由生成的打标数据传输到控制器,然后再把这些打标点的打标参数按给定的顺序和时间间隔逐点进行数/模转换输出,控制X,Y扫描振镜的偏转和激光的功率以及激光器出光、关光的动作兼容和联动。本系统利用打标机现行的数据处理程序,利用X,Y扫描振镜的偏转信号作为同步信号,由L与D1,D2之间的对应关系,通过单片机控制扩束镜的移动。控制信号经驱动电路放大后驱动扩束镜的伺服电机旋转,控制扩束镜随着扫描镜头偏转角度而快速移动,从而使得光点在打标平面上都能得到良好的聚焦效果功。激光的束径随着传输距离的增加而线性增加,因此需尽可能缩短激光束的传输距离,但受到振镜偏转角度的限制,从图1的几何关系可以看出,要大幅改变打标面积,只有改变打标距离do。对于不同的扫描幅度(振镜的偏转角度为士20°),如400mmX400mm时,do=200/tan20°≈550mm,而在500mmX500mm时,do=250/tan20°≈687mm,距离do变化很大,激光束径变化也很大。为了使光束准确地聚焦在打标平面上,扩束镜位置D就必须随L的变化而大范围地调整,不利于快速而精确地对伺服电机进行控制。因此在实际打标时,需根据最大的扫描幅度,利用图1的几何关系计算do,然后再通过图3计算D值,手动调整打标平台的高度及扩束镜单元的起始位置。这样激光束从中心到边缘扫描时,do不变,D的变化也不大,如扫描幅度为1000mmX1000mm,激光束从中心扫描到边缘时,扩束镜单元位置D1从99.60mm移动到100.33mm,距离只有0.73mm,有利于对伺服电机快速而精确的控制。对X,Y方向不同点计算出扩束镜与聚焦透镜的相对距离,通过单片机控制伺服电机的运动,实现快速打标[8]


为了提高打标速度,对图3进行多项式拟合,不需要:查表法,而是直接通过多项式计算D值,通过单片机同步调整扩束镜单元位置,从而快速、精确地控制扩束镜单元的移动,使激光束始终聚焦在打标平面上[9]从激光器 出来的激光束直径为9mm,张角θ为0.5mrad,从出光口到聚焦透镜的距离为507mm,聚焦透镜与X振镜的距离为200mm,X,Y振镜之间的距离为25mm,振镜的扫描角度为士20°,在1000mmX1000mmn平面上不同位置的线宽如图4所示。

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三、测试结果

通过对聚焦系统进行优化设计,有效控制两组透镜的运动,使得聚焦性能达到最佳,在边缘部分的线宽满足激光打标的要求,打标的面积从600mmX600mm扩大到1000mmX1000mm。表1是选用100W的CO2激光器时的实际测量值。图5为300mmX300mm幅面下优化前后打标线宽的对比。优化前只采用普通扩束镜系统,而在采用动态扩束镜系统优化后,聚焦性能明显得到改善。线宽测量使用JXB-D读数80倍显微镜(测量精度0.015mm)。速度测量使用标记计时测试运行程序,绘制一个圆心在原点、半径为.250mm的圆(或其他图形),将标记速度设为2000mm/s,空移速度设为5000mm/s,设置标记次数为10次,测量标记用时,打标速度达到1998mm/s,满足设计要求。

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由图5可见,优化后打标的线宽明显比未优化的精细。从表1可以看出,优化后的动态聚焦激光打标机的线宽指标性能提高了20%,接近进口的三维动态聚.焦打标机水平,而且该打标机操作简单、控制性能良好、具有较高的精度及性价比。


四、结论

目前动态聚焦已成为大面积打标行业的主流。打标面积增大后,边缘部分的聚焦效果是打标面临的主要问题。本文通过对动态准直扩束系统的优化,提高了聚焦性能,对进一步提高动态聚焦激光打标机性能具有一定的理论价值和实用意义。



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