萬(wàn) 輝,晏 強(qiáng),余聯(lián)慶,李紅軍

(武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化院,湖北 武漢 430070)

1 引 言

激光標(biāo)記是指利用高能量密度的激光束在物件表面作永久性標(biāo)記。由于激光標(biāo)記具有打標(biāo)速度快、性能穩(wěn)定、打標(biāo)質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),所以在雕刻、食品等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。直線(xiàn)作為一種基本圖元,有著廣泛的應(yīng)用。尤其是在區(qū)域填充的場(chǎng)合,直線(xiàn)的標(biāo)記效果和標(biāo)記速度對(duì)激光打標(biāo)的效率有著較大的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹

目前用于激光打標(biāo)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(fù)頻率范圍大多在20 kHz～200 kHz。由于重復(fù)頻率太大會(huì)導(dǎo)致每個(gè)激光脈沖所具有的能量降低,因此實(shí)際標(biāo)刻時(shí),激光器的重復(fù)頻率通常設(shè)置較低。

實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備有瑞科P20QE脈沖光纖激光器,平均輸出功率為20 W,重復(fù)頻率在30 kHz至60 kHz,脈沖寬度在115至140 ns；振鏡型號(hào)JD1403,10%全范圍的響應(yīng)時(shí)間為0.7 ms,1%全范圍響應(yīng)時(shí)間0.3 ms。場(chǎng)鏡的掃描范圍為110 mm×110 mm,焦平面上的彌散斑直徑18 μm。實(shí)驗(yàn)使用嵌入式的激光標(biāo)記控制系統(tǒng),MCU為STM32F103單片機(jī)。

3 振鏡停留時(shí)間與激光脈沖數(shù)量

3．1 脈沖個(gè)數(shù)與脈沖周期

由于脈沖激光器發(fā)出的激光是具有一定的重復(fù)頻率,即每隔一段時(shí)間,激光器發(fā)出一個(gè)激光脈沖。則激光器發(fā)出激光的重復(fù)周期T可由式(1)計(jì)算出來(lái):

(1)

其中，f為激光器設(shè)定的重復(fù)頻率。

因此激光器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)并非隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增加,而是每增加T時(shí)間,激光器發(fā)射出1個(gè)激光脈沖。因此可以得到圖1所示脈沖個(gè)數(shù)與時(shí)間的關(guān)系圖,其中T表示激光器的脈沖周期,T的值可由式(1)計(jì)算,N表示脈沖個(gè)數(shù)。

圖1 重復(fù)頻率與脈沖個(gè)數(shù)的時(shí)間關(guān)系

3.2 脈沖間隙時(shí)間

由于一個(gè)激光脈沖持續(xù)的時(shí)間并不等于激光器的重復(fù)周期,這會(huì)使相鄰兩個(gè)激光脈沖間出現(xiàn)一段空白時(shí)間,在這段時(shí)間內(nèi)激光器不發(fā)射激光。這段空白時(shí)間在本文中稱(chēng)為脈沖間隙時(shí)間,根據(jù)間隙時(shí)間產(chǎn)生原理,間隙時(shí)間可由式(2)計(jì)算:

tg=T-tp

(2)

式(2)中,tg表示脈沖間隙時(shí)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(fā)出激光的脈沖寬度普遍較小,參考實(shí)驗(yàn)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(fù)周期最短時(shí)間在重復(fù)頻率最大時(shí)獲得,即實(shí)驗(yàn)所使用的激光器重復(fù)頻率設(shè)置在60 kHz,激光器的脈沖周期最小,T=16667 ns,遠(yuǎn)大于140 ns,因此脈沖間隙時(shí)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(shí)間

當(dāng)需要的標(biāo)記深度越大時(shí),落在同一位置上的激光脈沖個(gè)數(shù)就要越多,因此振鏡在該位置的等待時(shí)間就越長(zhǎng)。由于相鄰激光脈沖間是有間隙的,根據(jù)圖1可知,當(dāng)需要N個(gè)激光脈沖時(shí),停留時(shí)間t在[N×T,N×T+tg)范圍內(nèi)時(shí),激光器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)始終是N個(gè)。因此振鏡等待N個(gè)激光脈沖的時(shí)間,可以根據(jù)圖1計(jì)算出來(lái)。

按照XY2-100協(xié)議,振鏡接受坐標(biāo)速度最快為2 Mbit/s,而每一個(gè)坐標(biāo)有20 bit數(shù)據(jù)組成,因此振鏡接受一個(gè)坐標(biāo)速度所需時(shí)間為10 μs。當(dāng)于脈沖激光器的重復(fù)頻率小于100 kHz時(shí),即脈沖間隙時(shí)間大于10 μs,因此在脈沖間隙時(shí)間內(nèi)使振鏡掃描至下一個(gè)掃描點(diǎn),可以有效提高激光標(biāo)記速度。因此等待N個(gè)激光脈沖的最短時(shí)間t可根據(jù)式(3)計(jì)算:

t=T×n-10

(3)

4 標(biāo)記點(diǎn)的劃分

根據(jù)實(shí)驗(yàn)振鏡工作參數(shù),10%全范圍的響應(yīng)時(shí)間為0.7 ms,由于實(shí)驗(yàn)使用的場(chǎng)鏡范圍為110 mm×110 mm,即振鏡掃描11 mm所需時(shí)間為0.7 ms,則振鏡的可達(dá)15 m/s。當(dāng)激光器的重復(fù)頻率在30 kHz,相鄰激光脈沖的間隙時(shí)間根據(jù)3.2節(jié)計(jì)算方法,為33.333 μs,在間隙時(shí)間振鏡繼續(xù)向前掃描0.5 mm,這就會(huì)使標(biāo)記的直線(xiàn)出現(xiàn)明顯的間隙。圖2所示為振鏡掃描速度較快時(shí),標(biāo)記出的不連續(xù)直線(xiàn)。因此在脈沖間隙時(shí),需控制振鏡的掃描距離。當(dāng)掃描距離太小會(huì)降低振鏡激光標(biāo)記速度；當(dāng)掃描距離太大時(shí),會(huì)使標(biāo)記出的直線(xiàn)呈離散點(diǎn)狀。

圖2 振鏡掃描速度太快時(shí)標(biāo)記出的直線(xiàn)

由于直線(xiàn)實(shí)際上是由一系列點(diǎn)組成的,當(dāng)這些點(diǎn)的間距非常小時(shí),人眼分辨不出其中的間隙,認(rèn)為直線(xiàn)是連續(xù)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(biāo)點(diǎn)的圓心距較為合適,即直線(xiàn)上相鄰標(biāo)記點(diǎn)的圓心距為100 μm。圖3所示為直線(xiàn)分解成點(diǎn)的示意圖。當(dāng)標(biāo)記直線(xiàn)時(shí),使振鏡依次掃描過(guò)每一個(gè)待標(biāo)記點(diǎn),并標(biāo)記該點(diǎn),當(dāng)全部待標(biāo)記點(diǎn)被標(biāo)記出來(lái)后,標(biāo)記出的痕跡呈現(xiàn)連續(xù)的直線(xiàn)[5]。

圖3 直線(xiàn)上待標(biāo)點(diǎn)的劃分

數(shù)字振鏡使用XY2-100協(xié)議進(jìn)行高精度的激光位置控制[6],XY2-100協(xié)議所使用的XY坐標(biāo)范圍為0～65535,而激光標(biāo)刻的幅面大小通常是由場(chǎng)鏡決定,常用場(chǎng)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(biāo)系中,每1個(gè)單位所代表的實(shí)際長(zhǎng)度也不一樣。實(shí)驗(yàn)中使用場(chǎng)鏡的掃描范圍為110 mm×110 mm,因此可由式(4)算出振鏡坐標(biāo)系中的長(zhǎng)度單位與國(guó)際長(zhǎng)度單位的轉(zhuǎn)換：

(4)

其中,S為國(guó)際單位長(zhǎng)度,L為場(chǎng)鏡場(chǎng)鏡的掃描邊長(zhǎng),x為振鏡坐標(biāo)系中長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)中使用場(chǎng)鏡幅面的邊長(zhǎng),因此L=110 mm,令x=1,即可計(jì)算出振鏡坐標(biāo)系中1個(gè)單位長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度約為1.68 μm。

100 μm在振鏡坐標(biāo)系中的長(zhǎng)度根據(jù)式(4)計(jì)算為59.52,由于XY2—100協(xié)議規(guī)定的坐標(biāo)值為整數(shù),因此取D=60,即直線(xiàn)上相鄰兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的圓心距在振鏡坐標(biāo)系中的長(zhǎng)度為60(約等于0.1 mm)。

5 直線(xiàn)的標(biāo)刻

由于直線(xiàn)被分解為一系列的標(biāo)記點(diǎn),需要逐個(gè)點(diǎn)進(jìn)行激光標(biāo)記,直線(xiàn)上點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算效率越高,直線(xiàn)的標(biāo)記速度越快。振鏡逐個(gè)掃描過(guò)每個(gè)標(biāo)記點(diǎn),這一過(guò)程與光柵顯示系統(tǒng)顯示直線(xiàn)的過(guò)程相似,因此實(shí)驗(yàn)選用DDA算法(數(shù)值微分法)計(jì)算每個(gè)待標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)[7-8]。

設(shè)直線(xiàn)的方程為(5)所示,直線(xiàn)上的一個(gè)待標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為(xk,yk),下一個(gè)待標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為(xk+1,yk+1)。

y=m×x+b

(5)

當(dāng)直線(xiàn)的斜率絕對(duì)值m<1時(shí),取x作為自變量y作為因變量(當(dāng)m>1時(shí),取y作為自變量,x作為因變量)。Δx和Δy表示直線(xiàn)上相鄰兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)增量,如式(6)所示。由于兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的圓心距為60,可以得到式(7)。由式(5)、式(6)和式(7),可推導(dǎo)出式(8)。

Δx=xk+1-xk

(6)

Δx2+Δy2=602

(7)

(8)

根據(jù)以上推導(dǎo)過(guò)程,即可計(jì)算出直線(xiàn)上相鄰兩個(gè)待標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)增量,根據(jù)輸入的直線(xiàn)起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo),即可依次計(jì)算出直線(xiàn)上每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo),如式(9)和式(10)所示,由于計(jì)算出Δx和Δy可能為小數(shù),因此需要對(duì)計(jì)算的坐標(biāo)值取整。根據(jù)直線(xiàn)的起點(diǎn)坐標(biāo),即可計(jì)算出直線(xiàn)上每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

xk+1=[xk+Δx]

(9)

yk+1=[yk+Δy]

(10)

6 直線(xiàn)標(biāo)記效果與分析

6.1 標(biāo)記出的直線(xiàn)效果

圖4(a)所示使用上述原理,激光器的重復(fù)頻率在30 kHz時(shí)標(biāo)記出的直線(xiàn)效果圖,圖4(b)為圖4(a)所示直線(xiàn)的局部放大圖,從圖4(b)中的刻度可以看出,相鄰兩個(gè)激光脈沖打在物體表面留下標(biāo)記點(diǎn)圓心距約為0.1 mm,相鄰兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)之間有一小段的間隙。

圖4 重復(fù)頻率為3 kHz時(shí)標(biāo)記出的直線(xiàn)效果圖及局部放大圖

圖4(a)所示,使用0.1 mm掃描間距標(biāo)記出的直線(xiàn)是連續(xù)的,因此該直線(xiàn)算法對(duì)于脈沖激光標(biāo)記系統(tǒng)是有效的。

6.2 激光標(biāo)記點(diǎn)的直徑偏大原因

在圖4(b)所示的激光標(biāo)記出的痕跡可以看出,標(biāo)記點(diǎn)的直徑明顯大于場(chǎng)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(gè)激光脈沖打在物體表面留下的痕跡。圖中亮白區(qū)域?yàn)榧す獯虺龅暮圹E,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(fù)頻率激光打在物體表面,在電子顯微鏡下測(cè)量痕跡的直徑,測(cè)量到的數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1可知,激光重復(fù)頻率越大,則一個(gè)激光脈沖打出的標(biāo)記點(diǎn)越小。由于激光器的輸出功率是一定的,重復(fù)頻率越大,則每個(gè)激光脈沖所具有的能量越??；頻率越大,則每個(gè)脈沖所具有的能量越小。激光脈沖打在物體表面時(shí),能量會(huì)向邊緣擴(kuò)散使打出的標(biāo)記點(diǎn)直徑大于18 μm。

同時(shí),受到位置調(diào)節(jié)精度的影響,物體會(huì)在場(chǎng)鏡的焦平面附近,這會(huì)使激光投射在物體表面的光斑變大,從而使標(biāo)記出的標(biāo)記點(diǎn)變大。

表1 單個(gè)激光脈沖打在物體刻蝕出的圓形痕跡直徑

6.3 最大標(biāo)記速度

根據(jù)第2節(jié)和第3節(jié)中的分析可知,不考慮振鏡的掃描速度時(shí),直線(xiàn)的標(biāo)記速度是由激光器的重復(fù)頻率決定的,由于每一個(gè)脈沖點(diǎn)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為100 μm,單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)越多,則標(biāo)記速度越快。

因此當(dāng)激光器的重復(fù)頻率低于100 kHz時(shí),直線(xiàn)的最大標(biāo)記速度即可根據(jù)式(11)確定,其中N表示直線(xiàn)上每個(gè)待標(biāo)點(diǎn)上需要的脈沖個(gè)數(shù),f為激光器的重復(fù)頻率。當(dāng)每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)需要的脈沖個(gè)數(shù)為1時(shí),激光器的重復(fù)頻率最大時(shí),直線(xiàn)的標(biāo)記速度最快,因此實(shí)驗(yàn)使用激光器的重復(fù)頻率設(shè)置為60 kHz時(shí),速度達(dá)到最大,為6 m/s。

v=0.1mm×f÷N

(11)

7 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)所使用的激光器重復(fù)頻率較低,由于XY2—100協(xié)議規(guī)定的坐標(biāo)最大發(fā)送速度為10 μs,而激光器重復(fù)頻率高于100 kHz時(shí),相鄰激光脈沖的間距小于10 μs,小于坐標(biāo)發(fā)送速度,因此文中使用方法不適用于重復(fù)頻率高于100 kHz的脈沖激光器。同時(shí)激光標(biāo)記點(diǎn)的圓心距為0.1 mm是在人眼的明視距離處取得的,在標(biāo)刻要求較高的場(chǎng)合可以適當(dāng)減小標(biāo)記點(diǎn)的圓心距,使標(biāo)記出的線(xiàn)條連續(xù)性更好。目前該直線(xiàn)標(biāo)記算法已經(jīng)在作者所在課題組研發(fā)的焦距自適應(yīng)激光清洗系統(tǒng)中得到應(yīng)用,目前使用狀況良好。

[1] ZHOU Yefei.Research on High-speed and High-precision laser marking control system[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2013.(in Chinese)

周葉飛.高速高精度激光標(biāo)記控制系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2013.

[2] YAN Jiujiang,WAN Hui,SHI Fujun,et al.research on network laser marking control system of based on embedded[J].Laser & Infrared,2016,46(3):275-278.(in Chinese)

閆久江,萬(wàn)輝,史富君,等.基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)激光標(biāo)刻控制系統(tǒng)研究[J].激光與紅外,2016,46(3):275-278.

[3] Astarita A,Genna S,Leone C,et al.Study of the laser marking process of cold sprayed titanium coatings on aluminium substrates[J].Optics & Laser Technology,2016,83:168-176.

[4] LOU Qihong.New development of laser technology and its application in photovoltaic industry[J].Infrared and laser engineering,2012,41(12):3187-3192.(in Chinese)

樓祺洪.激光技術(shù)新進(jìn)展及其在光伏產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用[J].紅外與激光工程,2012,41(12):3187-3192.

[5] PAN Jiawen,ZHU Dehai,YAN Tailai,et al.Study on the relationship between spatial resolution and mapping scale of remote sensing image[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2005,21(9):124-128.(in Chinese)

潘家文,朱德海,嚴(yán)泰來(lái),等.遙感影像空間分辨率與成圖比例尺的關(guān)系應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(9):124-128.

[6] LIAO Ping,CHEN Yongkun.Design of control system of laser marking machine based on STM32[J].Laser & Infrared,2016,46(12):1447-1451.(in Chinese)

廖平,陳永坤.基于STM32的激光打標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].激光與紅外,2016,46(12):1447- 1451.

[7] ZHANG Weizhong,ZHANG Liyan,PAN Zhenkuan,et al.Curve extraction of B-snake model based on DDA algorithm[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2009,30(3):509-514.(in Chinese)

張維忠,張麗艷,潘振寬,等.基于DDA算法改進(jìn)B-snake模型的曲線(xiàn)提取[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2009,30(3):509-514.

[8] Song Y,Huang D,Zeng B.GPU-based parallel computation for discontinuous deformation analysis(DDA) method and its application to modelling earthquake-induced landslide[J].Computers & Geotechnics,2017,86:80-94.