УСТАНОВКА ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ
LASER LABELLING APPARATUS

Изобретение является лазерным технологическим оборудованием, предназначенным для маркировки промышленной продукции.
Известна установка лазерной маркировки, в состав которой входят лазер, коллиматор, два электромагнитных дефлектора, объектив, группа маркируемых изделий, расположенных на столе в пределах рабочей зоны, определяемой параметрами дефлекторов и объектива, а также компьютер, один из входов которого является входом установки, два другие соединены с выходами дефлекторов, а выходы соединены с входами последних [1].
Достоинство этой установки по отношению к нелазерному оборудованию - возможность создания хорошо различимого и сохраняемого изображения на изделиях любых размеров и из любых материалов. Это изображение может быть графическим, полутоновым, трехмерным (внутри прозрачных материалов) и нести любую индивидуальную информацию. Мировой объем производства таких установок составляет несколько тысяч штук в год, и они используются для маркировки наиболее элитной продукции.
Основной недостаток данных установок, который препятствует их использованию для маркировки продукции массового производства, - большое время нанесения изображения:
τ
Т≥N~10 с,
где N - число пикселей (точек изображения), которое определяет качество изображения, τ - постоянная времени электромеханических дефлекторов, которая измеряется сотнями микросекунд. За один час такая установка может отмаркировать только несколько сотен изделий.
Наиболее близкой к предложенной является лазерная установка, состоящая из последовательно расположенных по ходу лазерного луча и оптически связанных лазера, акустооптического и пьезокерамического дефлектора, объектива, группы маркируемых изделий, размещенных на двухкоординатном столе таким образом, что маркируемая поверхность одного изделия находится в пределах рабочей зоны объектива, а маркируемые поверхности других изделий могут быть введены в эту зону перемещением координатного стола, а также компьютер, один из входов которого является входом установки, три другие соединены с выходами датчиков положения дефлекторов и координатного стола, а выходы соединены с входами дефлекторов и координатного стола [2].
Данная установка отличается от аналога использованием акустооптического и пьезокерамического дефлекторов света, малый угол отклонения которых позволяет формировать рабочее поле, в котором помещается только одно изделие. Второе отличие - использование двухкоординатного стола, что усложняет установку, но обеспечивает возможность относительно оперативно менять изделия в рабочей зоне.
Достоинство данной установки по сравнению с аналогом - существенно меньшее время маркировки одного изделия - порядка одной секунды, что позволяет маркировать около 3 тысяч изделий в час и расширяет круг потенциальных потребителей.
Медленная смена маркируемых изделий в рабочей зоне с использованием двухкоординатного стола, на что затрачивается значительно большая часть времени, чем на нанесение маркируемого изображения с помощью акустооптического и пьезокерамического дефлекторов, кроме того, высокая стоимость двухкоординатного стола увеличивают стоимость установки. Производительность и стоимость такой установки не удовлетворяют потребителей и создают препятствие для организации ее массового производства.
Задача предлагаемого изобретения - приблизить производительность установки лазерной маркировки к энергетическому пределу, определяемому мощностью лазера, размером светового пучка в фокусе объектива и чувствительностью маркируемой поверхности, кардинально уменьшив время установки изделий в рабочую зону.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в установку лазерной маркировки, которая содержит последовательно расположенные по ходу луча и оптически связанные лазер, коллиматор, акустооптический и пьезокерамический дефлекторы, объектив, направленный на маркируемое изделие, координатный стол, состоящий из подвижной части и привода, компьютер, один из входов которого является входом установки, другие входы соединены с выходами пьезокерамического дефлектора и координатного стола, а выходы соединены с входами акустооптического и пьезокерамического дефлекторов и координатного стола, между пьезокерамическим дефлектором и объективом установлен электромагнитный дефлектор, вход и выход которого соединены с соответствующим входом и выходом компьютера, а на подвижной части координатного стола зафиксирована коробка с маркируемыми изделиями, расположенными в фокальной плоскости объектива, коробка содержит углубления, размер которых соответствует размерам маркируемых изделий. Кроме того, в установке использован однокоординатный привод стола.
Сущность предложенного технического решения в том, что операция перемещения рабочей зоны установки от одного изделия к другому, которая в прототипе выполняется с помощью двухкоординатного стола, в данной установке выполняется с помощью электромагнитного дефлектора и однокоординатного привода стола, что позволяет заменить примерно 90% перемещений стола на перемещения зеркала электромагнитного дефлектора и кардинально сократить затраты времени на смену положения рабочей зоны. Кроме того, предложенное изобретение позволяет сократить затраты времени на установку изделий в рабочей зоне благодаря использованию коробки, в которой фиксируются маркируемые изделия, так как это упрощает смену одной партии изделий другой. В результате решается задача приблизить производительность установки лазерной маркировки к пределу, определяемому энергетикой процесса лазерной записи.
Предложенное техническое решение позволяет разрабатывать установки лазерной маркировки практически с любой производительностью, необходимой конкретному пользователю (до нескольких изделий в секунду), варьируя мощность лазера и размер сфокусированного пучка.
На фиг.1 представлена компоновочная схема установки лазерной маркировки, где:
1 - лазер;
2 - коллиматор;
3 - акустооптический дефлектор;
4 - пьезокерамический дефлектор;
5 - электромагнитный дефлектор;
6 - объектив;
7 - маркируемое изделие;
8 - коробка;
9 - подвижная часть координатного стола;
10 - однокоординатный привод стола;
11 - компьютер.
Установка лазерной маркировки состоит из оптически связанных лазера 1, коллиматора 2, акустооптического дефлектора 3, пьезокерамического дефлектора 4 и электромагнитного дефлектора 5, объектива 6 и маркируемых изделий 7, размещенных в коробке 8, которая зафиксирована на подвижной части координатного стола 9, механически связанной с однокоординатным приводом стола 10, а также содержит компьютер 11, один из входов которого является входом установки, три другие соединены с выходами пьезокерамического дефлектора 4 и электромагнитного дефлектора 5 и однокоординатного привода стола 10, а выходы соединены с входами всех дефлекторов и однокоординатного привода стола.
Конструкция коробки 8 обеспечивает расположение маркируемых изделий 7 в фиксированных положениях, например, содержит углубления, размер которых соответствует размерам изделий. Конструкция подвижной части координатного стола 9 обеспечивает установку коробки 8 в фиксированном положении, например, содержит углубление, размер которого соответствует размеру коробки 8, причем размеры коробки и указанных углублений обеспечивают расположение маркируемых изделий 7 в фокальной плоскости объектива 6.
Плоскости сканирования пьезокерамического дефлектора 4 и электромагнитного дефлектора 5 перпендикулярны друг другу, а изображение плоскости сканирования акустооптического дефлектора 3, создаваемое зеркалом (позиция не указана) пьезокерамического дефлектора 4, совпадает с плоскостью сканирования электромагнитного дефлектора 5, то есть акустооптический дефлектор 3 и электромагнитный дефлектор 5 сканируют излучение в одной плоскости.
Конструкции акустооптического, пьезокерамического и электромагнитного дефлекторов описаны соответственно в работах [3-5].
Установка лазерной маркировки работает следующим образом.
Партию маркируемых изделий 7 загружают и фиксируют в коробке 8, устанавливают и фиксируют эту коробку на подвижной части координатного стола 9, через вход установки в компьютер 11 вводят программу записи изображения и подают команду начала маркировки. Все последующие процессы происходят под управлением указанного компьютера.
Излучение лазера 1 преобразуется коллиматором 2 в параллельный пучок, который проходит акустооптический дефлектор 3, пьезокерамический дефлектор 4, электромагнитный дефлектор 5 и фокусируется объективом 6 в поле маркировки одного из маркируемых изделий 7.
Акустооптический дефлектор 3 формирует фрагмент изображения, состоящий из точек на отрезке прямой, а пьезокерамический дефлектор 4 после этого перемещает лазерный пучок на один шаг координатной сетки в перпендикулярном направлении. Чередуя эти действия, акустооптический дефлектор 3 и пьезокерамический дефлектор 4 маркируют изделие 7.
Далее электромагнитный дефлектор 5 перемещает излучение лазера 1 в поле маркировки следующего изделия, и процесс повторяется. Чередование процессов формирования изображения и смены полей маркировки позволяет промаркировать ряд изделий, расположенных в плоскости сканирования электромагнитного дефлектора 5.
После нанесения изображений в пределах одного ряда маркируемых изделий 7 однокоординатный привод стола 10 перемещает подвижную часть координатного стола 9 на расстояние между рядами в коробке 8, что позволяет произвести маркировку всей партии изделий, размещенных в коробке. Последним этапом является снятие коробки с координатного стола.
Особенность данной установки лазерной маркировки в том, что затраты времени на процессы, не связанные с взаимодействием лазерного излучения с маркируемым изделием, составляют малую часть длительности ее работы. Поэтому ее максимальная производительность - несколько изделий в секунду, несколько тысяч изделий в час и около миллиона изделий в год.
Предлагаемая установка позволяет маркировать любые промышленные изделия, создавая высококачественные, хорошо сохраняемые графические, полутоновые, цветные и объемные изображения. Небольшое количество таких установок могут обеспечить маркировку всех изделий самого высокопроизводительного промышленного предприятия или нескольких предприятий.
Относительно низкая стоимость маркировки одного изделия, определяемая отношением стоимости данной установки и ее эксплуатации к числу маркируемых изделий за срок службы, позволяет расширить область применения данной установки.
Литература
1. Патент RU 2322334.
2. Патент BY 6103 (прототип).
3. Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение. М.: Техносфера. 2008. 440 с.
4. Леонов A.M. Пьезокерамический дефлектор света // Оптический журнал. 2010. Т.77. №10. - С.61-64.
5. Brosens P.J. Scanning speed and accuracy of moving magnet optical scanners // Opt. Eng. 1995. V.34. №1. P.200-206.