华中科技大学 硕士学位论文 激光标刻中激光功率的适时控制算法研究 姓名：刘童玲 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：胡兵 20070205 I 摘 要 在激光加工领域，激光标刻的应用范围不断扩大，对激光标刻的精度要求也不断 提高。本文主要研究一种激光功率适时控制算法及其软件实现。 本文首先对激光标刻系统中的振镜特性以及一些常见的标刻误差如：开、关激光 延迟、跳转延迟和拐角延迟误差进行了深入研究。虽然通过设置合理的延迟时间可以 消除上述延迟误差，但在拐角区域内仍然存在有深度标刻现象。因此我们考虑采用一 种参数控制的方式，通过适时改变功率的大小来消除误差，并建立了以实现恒激光能 量累积为目标的参数匹配计算机控制模型。模型分析表明，要保证激光标刻的质量， 就必须保证激光功率与扫描速度之间的正比关系。在具体的算法实现中需要考虑系统 硬件是否具有速度反馈机制：有速度反馈系统中，通常反馈回的是振镜的角速度信号， 本文通过对双振镜扫描系统的光路进行研究，给出振镜角速度与扫描速度的换算方法； 而对一般系统的算法实现中，关键是要确定标刻矢量段中的变速区域，本文在仔细分 析振镜运转规律后，给出了矢量段中加减速区域内的插补点数量以及在这些点上对应 的扫描速度。 最后，对本激光控制系统的响应性能进行了理论分析，并采用MatLab软件对标 刻矢量上的能量分布进行了数值仿真，结果表明本算法能很好的解决深度标刻问 题。 关键词： 关键词：激光标刻 振镜 标刻误差 功率控制 II ABSTRACT In the laser processing, laser marking has been applied to many fields, the demand of markers precision is also increasing. In this thesis, the algorithm and realizing method of programming for timely control of laser power is presented. Characteristics of galvanometer and some kinds of marking error such as error of pline start and end delay、off vector delay and interseg delay are analyzed in this thesis. Although errors mentioned above can be corrected by setting delay time, overmark still appears at the corner between two connected polylines. In order to timely control of laser power, a parameter-matching computer-controlling model is established to obtain constant accumulative energy in the stuff. According to the analysis of the model, the proportional relationship between laser power and scanning velocity is the necessary qualification to get good quality of marking . Two imaginable situations must be considered: the hardware system has or not have the mechanism of velocity signal feedback. In the feedback system, generally, we only get the angular velocity of galvanometer, a transform method is given in the thesis which can be used to transform angular velocity into scan velocity. In the system without velocity signal, it is most important to make sure the segments at the marking polyline where the scan velocity is changing. The number of points and corresponding velocity in speedup/ speed-down segments can be obtained through the analysis in this thesis. At last, the performance of the laser controlling system is inspected by the theory analysis, and the distributing of energy on the marking polyline is simulated using Matlab software. The results show that the algorithm can solve the overmark problem quite well. Key Words: laser marking galvanometer marking error power control 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 激光标刻概况 90 年代初，由于材料加工需求的增加，激光标刻这一继激光焊接、激光切割、激 光打孔等应用技术之后发展起来的新技术，开始成为必不可少的加工手段。激光标刻 技术以其非接触、无污染、无磨损的新标刻工艺，成为目前激光加工领域应用中最广 泛、最成熟的一项技术1。 激光标刻是利用激光与物质相互作用的特殊效应通过表层物质蒸发，露出深 层物质，或通过光辐射导致表层物质的化学变化在材料表面加工出所需要的字符、 图案。对于不同的材料、不同的工艺参数，激光的作用效应不尽相同。总的说来，激 光标刻过程中主要有如下三种作用效应2： （1）汽化效应 当激光束照射材料表面时， 除一部分光被反射外， 被材料吸收的激光能量会迅速转 变为热能，使其表面层温度急剧上升，当达到材料的汽化温度时，材料表面因瞬时汽 化、蒸发而出现标记痕迹，此类标刻中将出现明显的蒸发物。 （2）熔蚀效应 当激光束照射到材料表层时， 材料吸收光能并向内层传导。 激光在材料表面热传导 使其产生热熔效应，如对透明玻璃和有机玻璃等脆性材料进行标刻时，其熔蚀效应十 分明显，无明显蒸发物。 （3）光化学效应 对于一些有机化合物材料，当其吸收激光能量后，材料的化学特性将发生变化。当 激光照射到有色的聚氯乙烯(PVC)表面时，由于消聚合化学效应，使其色彩减弱，与未 受激光照射的部分形成颜色差异， 从而得到标刻效果。 因此，激光标刻对工件没有热影响，不会引起变形；与机械冲击标刻相比，激光 标刻对工件没有作用力、无机械接触。激光标刻的速度快、精度高也是一大特点，它 不仅适合于大批量产品的标刻，而且对作为测量仪器的仪表刻度、卡尺都可以直接用 激光进行标刻。激光标刻通过计算机控制，可以自由设置所需标刻的各种图形、文字 2 和符号，除在工件上打出厂家图标和编号外，还可以打印出生产日期和时间。产品的 序列号还能够自动递增，实时跟踪改变这些数据不需要任何的手工操作。数码相机拍 摄出来的照片、电脑编辑或自动生成的图形文件，通过计算机上的图形软件稍加处理 后均可以很方便的通过激光直接标刻出来，各种图片曲线、防伪二维条形码甚至是人 物头像都可以在传统工艺难以处理的材料表面进行标刻。激光标刻与传统标刻工艺相 比有着如此显著的优势，这就是其广泛应用的重要原因345。 1.2 激光标刻系统 目前国内的激光标刻技术按其工作方式可分为掩模式标刻、阵列式标刻和扫描式 标刻三种。振镜扫描式标刻系统可进行矢量标刻和点阵标刻，标刻范围可调，而且具 有响应速度快、标刻速度高、标刻质量高、光路密封性能好、对环境适应性强等优势， 已经成为激光标刻的主流产品，并被认为是未来激光标刻系统发展方向的代表，具有 广阔的应用前景6。因此，本文主要介绍振镜扫描式标刻系统。 振镜扫描式激光标刻系统主要由计算机、控制系统、激光器、振镜扫描系统、f- 透镜等几部分组成，如图1-1所示78。 图1-1 振镜扫描式激光标刻系统结构示意图 （1）计算机：计算机主要完成标刻内容的输入与处理、将生成的标刻定位数据和 控制信号传送到控制系统等任务。 （2）控制系统：控制系统是整个标刻系统的核心，同时接收来自计算机和工件检 测的输入信号并加以处理，从而控制激光功率输出、控制激光开/关光、控制X、Y轴振 镜位置信号输出等。 电源系统 激光器光路 传输系统 振镜 扫描系统 计算机 控制系统 f- 透镜 控制信号 激光光束 3 （3）激光器：目前工业应用中使用最多的有声光调Q的Nd：YAG激光器和CO2气 体激光器，工作方式主要有脉冲出光和连续出光。Nd：YAG激光器主要适用于金属材 料的标刻，非金属材料标刻多用CO2激光器。 （4）光路传输系统：它是激光器和振镜扫描系统的连接部分，包括光束的直线传 输通道、光束的扩束、反射部分等，它由多种光学镜片组成，能将激光束精确的投射 到振镜的反射镜上9。 （5）振镜扫描系统：主要实现 X 轴和 Y 轴振镜的定位。通过位置传感器的使用 和伺服系统中负反馈回路的设计保证了系统的扫描速度和重复定位精度。 激光控制板是控制系统的实体，是计算机和激光标刻设备联系的枢纽，同时也实 现了计算机和干扰源（激光器）的光电隔离。激光控制板用来接收计算机生成的一系 列标刻数据和控制信号，并对它们进行数/模转换，利用转换后的模拟电压信号去控制 振镜 X 轴反射镜和 Y 轴反射镜的偏转、激光器的输出功率以及激光的开和关，从而完 成对加工工件的标刻。图 1-2 显示了相应控制信号的传输路径10。 图 1-2 控制信号传输图 1.3 激光标刻方式 振镜扫描式系统工作过程是将需要标刻的图文信息通过终端输入计算机，计算机 X/Y 数字信号 RS-232 8 位数字信号或 PWM 激光