УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ

Полезная модель относится с средствам маркировки/гравировки изделий из различных материалов с использованием лазера.
В основе лазерной маркировки изделий (точечной, прочерчиванием) лежит эффект взаимодействия материала изделия с оптическим излучением (импульсным или непрерывным), которое сопровождается деструкцией материала (карбонизацией, испарением) в заданных областях поверхности изделия на заданную глубину. В силу большого разнообразия используемых типов лазеров и обусловленных ими режимов обработки изделий основными задачами такой обработки являются точность нанесения маркеров (штрих-коды, изображения, графические символы и пр.) повторяемость изображения и стабильность во времени в течение производственного цикля, а также производительность оборудования, снижение материальных затрат, повышение ресурса оборудования.
Современные лазерные маркеры обеспечивают четкую и нестираемую маркировку продукции, легко встраиваются в производственные линии, допускают управление через удаленный персональный компьютер, в частности, лазерный маркер MACSA К-1000, маркер с лазерным диодом RF003 и с волоконным лазером RF004, лазерные маркеры JQ, прецизионный лазерный комплекс UNIVERSAL на базе волоконного лазера, и др. Улучшение эксплуатационных характеристик систем лазерной маркировки достигается выбором типа лазера и режима его работы, улучшением фокусировки лазерного излучения на обрабатываемой поверхности изделия, учетом свойств обрабатываемых материалов.
Известно устройство для лазерной маркировки, включающее, подвижную платформу для размещения маркируемых изделий, которая может перемещаться в горизонтальной плоскости, и лазерную головку, установленную на подвижном основании, которое может перемещаться в горизонтальной плоскости и по вертикальным направляющим, что позволяет регулировать положение лазерной головки над маркируемым изделием при его стационарном положении /CN 202225554 (U)/. При обработке снижаются трудозатраты на переустановку изделия, однако одновременно снижается и производительность обработки, т.к. для каждого изделия может требоваться механическая переустановка лазерной головки и фокусировка пучка лазерного излучения
Известно устройство для лазерной маркировки преимущественно пластиковых карт, которое включает камеру для облучения высокочастотным лазером маркируемого изделия, перемещаемого между двумя крайними положениями, устройство перемещения изделия в крайние положения, датчик положения каждого изделия при перемещении, блок лазерной маркировки со средствами генерации луча лазера и отклонения луча в направлении движущейся между крайними положениями маркирующей зоны по данным об ориентации, а также устройство транспортировки изделий в камеру и наружу /WO 2007104854 A3, B23K 26/08 DATACARD CORP (US) et al, FR 20060002209, 14.03.2006/. Известное устройство обладает высокой производительностью, однако инерционность механического перемещения изделия вблизи точек поворота в крайних положениях приводит к неконтролируемому повышению энергетического воздействия лазера, что снижает качество маркировки в таких областях изделия.
Известна установка для мягкой лазерной маркировки, преимущественно, полупроводниковых сборок, которое включает лазерную подсистему для получения одного или более лазерных импульсов и соединенный с ней контроллер, который задает ширину одного или нескольких лазерных импульсов для селективного получения на выходе одного и более импульсов с одной или разными заданными длительностями, которые определяют глубину формируемой метки. Контроллер также задает энергию одного или более импульсов на выходе для избирательного получения на выходе одного или нескольких импульсов с заданным значением полной выходной энергии в диапазоне приемлемых величин энергии для получения меток. Установка включает устройство подачи луча, имеющее оптическую подсистему для направления одного или более выходных импульсов с заданной шириной и энергией, которые модифицируют материал сборки на заданную глубину. /WO 2006053288 (KR 20070090180)/. Устройство характеризуется высоким качеством исполнения маркировки за счет подбора характеристик лазерных импульсов, однако при исполнении сложных элементов маркировки с пересечением контуров избыточное энергетическое воздействие импульсов в точках пересечения и наложения импульсов способно исказить маркируемое изображение за счет изменения глубины модификации обрабатываемого материала./
2
Известна лазерная система маркировки, обеспечивающая трехмерную лазерную обработку изделия по шаблону, в которой рабочую поверхность сканируют лазером в двух направлениях, по выбранному двумерному шаблону получают заданное изображение, причем скорость изменения размеров и перемещения луча могут меняться, а сканирование можно повторять несколько раз. Меняя фокусное расстояние комбинированной системы линз в коллиматоре, фокусируют луча лазера на требуемой глубине обрабатываемого изделия, что позволяет получить трехмерную обработку изделия (при нанесенном на поверхность изображении по шаблону). Система лазерной маркировки включает источник лазерного излучения, модулятор добротности, коллиматор, средства оптической фокусировки лазерного луча, гальванометрический сканатор в составе двух зеркал для двумерного сканирования изделия, блок управления на основе компьютера с программными средствами и микроконтроллером, дополнительный источник света, направленного под определенным углом к поверхности изделия,, в качестве целеуказателя, а также интерфейс оператора и основание для размещения изделия,. /US 2008067251/. В качестве источника лазерного излучения выбрана активная среда, генерирующая излучение требуемой длины волны, в качестве которой предложено использовать твердотельные лазеры с диодной накачкой, газовые лазеры (СО, He-Ne, Ar), оптоволоконные лазеры. Устройство обладает широкими возможностями по точной обработке изделий, вплоть до резания, в нем отсутствуют движущиеся детали, что влияет на точность прицеливания и соответствие шаблону.. Вместе с тем оно достаточно сложно, а генерируемые импульсы с высокой энергией могут не сохранять стабильность в процессе работы, что влияет на энерговыделение в зоне обработки и качество исполнения.
Известное устройство для лазерной маркировки, включающее источник лазерного излучения, коллиматор, средства оптической фокусировки лазерного луча, гальванометрический сканатор в составе двух зеркал для двумерного сканирования изделия, блок управления на основе компьютера с программными средствами и микроконтроллером, дополнительный источник света в качестве целеуказателя-датчика положения изделия, а также интерфейс оператора и основание для размещения изделия, выбрано в качестве наиболее близкого аналога заявляемой полезной модели.
Задача полезной модели состоит в упрощении устройства, облегчении управлением процесса маркировки в векторном режиме и расширении арсенала средств лазерной маркировки.
Задача решена тем, что в устройстве для лазерной маркировки, включающем источник лазерного излучения, коллиматор, средства оптической фокусировки лазерного луча, гальванометрический сканатор в составе двух зеркал для двумерного сканирования изделия, блок управления на основе компьютера с программными средствами и микроконтроллером, датчик положения изделия, а также интерфейс оператора и основание для размещения изделия,, в качестве источника лазерного излучения использован полупроводниковый лазерный диод непрерывного действия с регулятором напряжения на аноде диода.
Кроме того, в качестве источника излучения использована линейка полупроводниковых диодов непрерывного действия.
Кроме того, основание для размещения изделия выполнено подвижным.
Кроме того, устройство снабжено датчиком скорости перемещения изделия.
Технический результат полезной модели заключается в изменении интенсивности лазерного излучения и энерговыделения на заданных этапах обработки изделия в векторном режиме вблизи точек поворота линий сканирования. Дополнительным эффектом является снижение энергопотребления, безинерционность воздушное охлаждение.
Сущность полезной модели поясняет фиг, на которой представлена схема устройства.
Устройство содержит блок лазерной обработки изделия (1), подключенный к программно-ориентированному блоку управления (2), а также основание для размещения изделия (3), например, стол с механизмом подачи изделия на обработку или конвейерная лента. Блок лазерной обработки изделия (1) снабжен изолирующим корпусом и объединяет источник лазерного излучения - полупроводниковый лазерный диод (4) с регулятором напряжения на аноде. Для вывода лазерного излучения из резонатора использован оптический тракт (5) в виде оптического волокна,. В качестве опции может быть установлена линейка лазерных полупроводниковых диодов непрерывного действия для повышения общего энерговыделения. Оптический тракт (5) - оптоволокно - входит в коллиматор (6), который позволяет уменьшить расходимость многомодового лазерного пучка, что обеспечивает лучшую фокусировку собирающей линзой или системой линз.. и высокую плотность мощности в зоне воздействия лазерного излучения на поверхность маркируемого объекта Сфокусированный лазерный луч поступает на гальванометрический сканатор в составе двух зеркал (7) и (8) с взаимно ортогональными осями поворота, которые обеспечивают регулируемое отклонение лазерного луча в плоскости, параллельной основанию (3), для сканирования поверхности изделия лучом лазера. Оси поворота зеркал закреплены неподвижно, а диапазон углов поворота зеркал ограничен. Поворот каждого зеркала в заданных пределах определяет длину скана для производимой маркировки. Отклоняемый зеркалами (7) и (8) лазерный луч поступает в фокусирующий объектив (9), направляющий его на основание (3) для маркировки изделия. Блок управления (2) включает вычислительное устройство на базе компьютера с программным обеспечением под задачи маркировки, сигналы управления поступают на элементы устройства через контроллер (программируемый микропроцессор), который соединен с электронным устройством синхронизации (10), управляющим запуском генерации лазерного излучения от лазерного диода (4). Для включения установки, выбора программы работ, контроля, архивирования протокола работ предназначен интерфейс оператора (11) с сенсорным экраном, который включен в систему управления.. К блоку управления (2) подсоединен датчик положения изделия (12), в качестве которого используют, например, лазер-целеуказатель. Для режима конвейерной обработки изделий в устройство введен датчик скорости перемещения изделия (13), размещенного на основании (3), относительно блока лазерной обработки (1).
Устройство используют следующим образом. В компьютер блока управления (2) загружают программное обеспечение под цели лазерной обработки изделия (маркировка, гравирование). На основании (3) размещают одно или несколько изделий для обработки. По сигналу оператора включают датчики положения изделия (12) и скорости относительного перемещения изделия (13) (на столе или конвейере). На полупроводниковый лазерный диод (4), например, на основе арсенида галлия, подают рабочее напряжение, которое приводит к инжекции носителей заряда в соответствующие области полупроводникового кристалла, их рекомбинации с испусканием фотонов и генерации оптического излучения, характеристики которого (мощность излучения, поляризация) определяются параметрами полупроводникового кристалла. Приводят в движение основание (3) для подачи изделия на обработку, по сигналам датчиков (12) и (13) при появлении изделия в зоне обработки посредством блока управления устанавливает нужное напряжение (ток смещения) на лазерном диоде (4) для задания мощности лазерного излучения, выводимого в блок обработки изделия (1). Электронное устройство синхронизации (10) выдает сигнал для запуска генерации лазерного излучения, а также сигналы на установку зеркал (7) и (8) гальванометрического сканатора в нужное положение для направления лазерного луча, прошедшего коллиматор (6), на фокусирующий объектив (9).
В соответствии с программой обработки исходное изображение, которое должно быть перенесено на изделие, представлено в векторной форме. Обработку изделия проводят путем удаления верхнего слоя краски или удаления материала. Градации цвета определяются скоростью прожигания материала, которая задается программой.
Предусмотрено три программных режима выполнения лазерной маркировки.
1. Статический режим. Перед фокусирующим объективом (9) устанавливают маркируемый объект, маркировка начинается по команде оператора.
2. Динамический режим. Основание (3) движется в режиме конвейера, маркируемые объекты перемещаются относительно блока лазерной обработки (1), после срабатывания датчика положения изделия (12) по данным датчика скорости перемещения изделия (13) скорости движения конвейера (измеряется датчиком скорости) а так же других параметров задаваемых программой, рассчитывается момент времени включения лазера.
3. Старт-стоп режим. Движение основания (3) происходит дискретно, при приближении к области маркировки его останавливают, маркировку производят на неподвижном объекте.
Векторная форма изображения, наносимого на изделие, предусматривает смену направления движения лазерного луча, которое сопровождается торможением, остановкой и разгоном луча вблизи точек поворота. В зависимости от частоты лазерного излучения в этих областях может происходить значительный перегрев материала изделия, что наблюдается при использовании оптоволоконных лазеров, приводя к изменению геометрии векторного изображения при маркировке, и в случае малых его размеров существенно искажая изображение. Для исключения таких недостатков вблизи точек поворота изменяют ток смещения в прямом направлении на лазерном диоде (4) в соответствии с изменением скорости перемещения луча, для понижения мощности лазерного излучения, действующего на локальную область изделия. За счет такого регулирования мгновенного энерговыделения в локальной области маркируемого изделия возможно проводить также глубокую гравировку, обрабатывать изделия с различным сочетанием материалов.
Простота управления лазерным диодом позволяет предварительно устанавливать оптимальный режим обработки различных материалов для нанесения векторных изображений, что обеспечивает дополнительный экономический эффект при высоком качестве маркировки. При практическом использовании лазерного диода (потребляемая мощность 0,5 кВт, длина волны вблизи 0,94 мкм) наносили векторные изображения на бумагу, картон, фольгу, металл, упаковочные пленки, пластик, применяя понижение мощности излучения лазера в точках поворота луча, что позволило получить заданные толщины линий изображения от 0,1 мм до 0,5 мм. Предложенный способ обеспечил получение квазиобъемных (за счет градаций серого цвета) четких изображений на бумаге и пластике, используемых в частности, для документов, что позволяет удовлетворить потребность в высококачественном изготовлении маркировок при относительно низких затратах.