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在不平坦表面或曲面上进行激光打标
作者:Joshua P. Jelonek    来源:Industrial Laser Solutions
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激光打标机展厅
半导体激光打标机, CO2激光打标机, 光纤激光打标机, ...
在扫描激光打标设备的世界里,振镜马达使得高度聚焦的激光束投向一个x/y平面。这些镜子以难以置信的速度移动,从而在生产线的部件上标刻出文字、条形码、二维码,以及其他各种图案。使用激光进行标刻的优点广为人知。高速、高质量和永久标刻取代了速度更慢且可靠性更差的技术,如撞针或喷墨方式。只要目标对象为二维且在激光的焦距范围内(一般在±2mm),那么激光打标机能带来经久耐用、一劳永逸的标刻效果。但是如果一旦需要使用激光在非平面上标刻呢?或者如果需要连续在所处高度不同的两个平面上完成标刻呢?

对于后一种情况来说,当在产品更换期间高度发生变化的情况下,传统的解决方案是把激光头安装于可移动的接头上。当产品即将发生更换时,操作员将使用工具调整接头至一个预定的高度水平。从某种程度来说,这是劳动密集型的步骤,因此可能出现不可靠的情况,因为结果依赖于操作人员的经验或技巧。

尤其是在一个打标周期中需要完成多层零件的标刻时,该方案变得相当复杂。通常来说,一个机械线性滑块被安装于一个固定的装置上。线性滑块能通过运行在工业PC上的外部软件包控制,或者在使用较为高级的激光头情况下,通过激光单元自身进行控制。

尽管这两种方案看似可行,但很容易发生问题。因为生产线在高速调整重达15磅激光头时必然会产生不精确的结果。除了精度的因素之外,日常维护,如更换轴承或齿轮,都将是耗费时间且繁重的工作。所有这些问题加起来,会加大成本及集成上的复杂程度。直到2007年底,这种情况才得以改变。

三轴控制

Keyence公司在其ML-Z CO2和MD-V YVO4系列的激光打标机上采用了三轴控制技术(见图1)。该技术采用了目前x/y振镜的配置,并将其应用于z轴,而通常被固定在激光光路输出端的激光扩束镜,被安装在一个滑动的电子振镜上,从而能使镜片更远或更近地相对激光输出端运动。随着扩束镜向激光输出端移动,激光束焦点也随之移动。实际上,这创造出z轴的场域,在其中激光能自由标刻任何表面,前提是该表面应位于原始聚焦位置的±21mm范围内。这一增加的柔性使得这些单元能够标刻许多之前无法对付的表面类型,例如圆柱体、球面、斜面和多层零件,并在精度和速度上无任何降低。

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这种突破技术的优点很快为一家生产多层界面电子设备的制造商带来好处。该公司的许多零件都要求对相距20~30mm的双层界面进行打标。该公司之前的方案是采用两只位于不同高度的墨水喷头进行标刻。在收到来自客户的抱怨——表示喷墨标记很容易磨损之后,这家公司决定采用更牢靠的打标手段。

起初使用标准二维激光打标系统的测试生成了不令人满意的结果(见图2a)。因为该产品面向终端用户推出,字体必须清晰可辨。另一出现的问题和速度有关。喷墨设备能在部件运动中完成打标,使得制造商能将生产能力保持在最优水平。传统的机械式Z-轴调节手段太慢,以至于无法配合生产线的速度,使用户不得不停止生产线来完成激光打标。结果降低了生产能力,难以证明其相对喷墨手段的优越性。

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三轴控制技术提供一种完美适合该特殊应用需求的方案。因为Keyence打标机能在高达12000 mm/s的速度下调节其焦点,双层界面都能在生产线速度下获得无变形的标刻效果。

在按钮的曲面上打标

对一家大型汽车零部件制造商来说,面临着同样的问题。我们中的许多人对平时每天在自己车上用到的按钮不以为然,加热、除霜、 A/C、调节音量和电台。这些按钮以前一直以喷墨方式标刻,使用不久后,最常用的按钮便会出现磨损的迹象。该汽车零部件供应商希望获得一种新的、更耐久的方法用于把各种不同的设计标刻于按钮上,而激光很自然地成为一种选择。

采用激光的想法对于平面按钮来说有效,但控制面板上的许多按钮带有微小弧度。为了完全实现激光的方案,该公司必须找到一种方法去除平面和多个曲面顶层的涂层,尤其是曲面正越来越多出现在工学设计的乘客舱中。初期的方案包括一个复杂的马达驱动台,以精确控制按钮支架的高度,使其在激光下方运动。然而,这一技术被证明为不可靠且昂贵。质量对于消费类产品来说是至关重要的;没有人希望在空调控制按钮上标刻的小人本应为圆形的脑袋变成矩形。

MD-V9900激光机配备的Marking Builder三维软件提供了在曲面按钮上实现接近无缝标刻的一种简单且精密的方法。为了完成打标,激光机操作员只需完成三个简单的步骤:

1、在二维布局中将dxf图形格式的文件排列开来。
2、选择“圆柱”并输入按钮的直径参数。实时的软件三维显示使用户能验证所有标记的位置。
3、上传设置数据给激光头。

随着三个步骤的完成,MD-V已经准备好打标了。图3显示出激光标刻的结果;一致的标刻质量等同甚至超越了喷墨标记。

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宽区域打标及切割

移动扩束镜所带来的另一项微小的优势可能是其免除了工业标准的F-Theta镜。对于F-Theta镜的技术定义是,“一种能压缩被多棱镜偏光处理过并投射于平坦表面的激光束的修正镜头。”通俗地说就是,F-Theta镜意味着在整个标刻区域保持一定的扫描速度并减少因凸透镜引起的焦点错误。不幸的是,F-Theta镜只能减少这种效果,而非彻底消除。

通过采用三轴控制技术,F-Theta镜就变得多余了。Z轴振镜的速度能基于光束在视野中不同的位置而变化。通过移向或离开激光管,光束被推上推下,从而保持焦点始终在标刻区域的同一平面上。保持焦平面的稳定具有一系列优点,在下列应用案例中显得格外突出。

F-Theta镜的效果在广阔的区域内表现得最为显著,使得采用激光标刻集成电力芯片和电子元件之类的部件变得困难。在一个大的标刻区域(如300mm×300mm)的边缘,字体可能发生模糊,并且较标刻中心区域的文字来说显得更大(见图4)。不一致的聚焦位置还会引起标刻发生多达1mm的偏移。这可能听上去并不是很大的偏差,但对于宽度仅为5mm的IC芯片来说,1mm的位置差异将带来巨大的问题。

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这一问题对于一家位于美国北加州地区的IC 生产商来说,是非常现实的问题。过去,该公司接受了字体变形作为激光打标机的自然产物。如果标刻需要出众的质量或零件特别小的话,该公司常使用一个机械平台来将托盘移到激光下方并以50mm×50mm的尺寸进行标刻,其结果被证实为耗时且费钱。这家公司联系Keyence公司以寻找一种提升其工艺的方法,由此获得测试结果是毫无争议的:在整个托盘区域内发生零变形。该客户目前正在替换其落后技术。

其他可能性

以上所描述的三轴控制技术可能应用于其他工业材料加工中,例如,裁剪注塑件的浇口,修剪橡胶包裹的粗线缆,以及精确在织物或薄塑料片上切割出大范围的图案。

三轴控制技术现在仍然是市场上的新产品,并刚刚开始激发人们富有想象力地找出能解决制造业问题的方案。生产能力的增加、精密标刻大范围区域、以及在不平坦表面标刻的能力,只是三轴激光在提升效率、降低成本上的几种体现。其潜在的应用机会实际是无限的。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (6/19/2009)
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