УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к устройствам для маркировки объектов с использованием лазерного луча и может применяться в системах обработки материалов, непрерывно движущихся относительно источника лазерного излучения с высокой скоростью.
Известно устройство для лазерной маркировки (патент США №7915564, опубл. 29.03.2011, B23K 26/04), содержащее лазер, оптическую систему для фокусировки лазерного излучения, систему позиционирования маркируемого объекта относительно плоскости фокусировки, механизм перемещения маркируемого объекта в плоскости перпендикулярной лазерному лучу, а также систему освещения, фотоприемник и компьютерные средства обработки сигналов, поступающих с выхода фотоприемника.
Основным недостатком данного устройства является низкая скорость обработки, обусловленная конструктивными ограничениями механизма перемещения маркируемого объекта. Описанное устройство невозможно использовать для обработки обширных поверхностей материалов, непрерывно движущихся относительно источника лазерного излучения с высокой скоростью.
Известно устройство для лазерной маркировки (патент США №7947922, опубл. 24.05.2011, B23K 26/38), содержащее по меньшей мере один лазер, генерирующий множество лазерных пучков, по оси распространения каждого из которых последовательно установлен оптический фокусирующий модуль и отклоняющий модуль.
Недостатком данного устройства является сложность и высокая стоимость, обусловленная наличием систем фокусировки и сканирования для каждого из множества лазерных пучков, используемых при маркировке объектов.
Известно устройство для лазерной маркировки движущихся объектов (патент США №5021631, опубл. 04.06.1991, B23K 26/00), включающее импульсный лазер, акустооптический дефлектор, вход которого электрически соединен с выходом блока управления, включающего коммутатор, несколько высокочастотных генераторов, а также модуль определения скорости перемещения маркируемого объекта.
Известно устройство для лазерной маркировки движущихся объектов (патент США №8084712, опубл. 27.12.2011, B23K 26/00), включающее два лазерных источника, каждый из которых снабжен оптическим сканером, и процессор.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является устройство для лазерной маркировки движущихся объектов (патент США №6734392, опубл. 11.05.2004, B23K 26/00), содержащее импульсный лазер, двухкоординатный сканер, фокусирующий объектив, плоскость фокусировки которого совпадает с плоскостью маркируемого объекта, а также модуль определения положения маркируемого объекта, модуль определения скорости перемещения маркируемого объекта и блок управления, соединенный с модулем определения положения маркируемого объекта, модулем определения скорости перемещения маркируемого объекта, приводами двухкоординатного сканера и импульсным лазером.
Основным недостатком прототипа является низкая скорость лазерной обработки движущихся маркируемых объектов.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение скорости лазерной обработки движущихся маркируемых объектов.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройство для лазерной маркировки движущихся объектов, содержащее импульсный лазер, двухкоординатный сканер, фокусирующий объектив, плоскость фокусировки которого совпадает с плоскостью маркируемого объекта, а также модуль определения положения маркируемого объекта, модуль определения скорости перемещения маркируемого объекта и блок управления, соединенный с модулем определения положения маркируемого объекта, модулем определения скорости перемещения маркируемого объекта, приводами двухкоординатного сканера и импульсным лазером дополнительно включены по меньшей мере два дополнительных электрически соединенных с блоком управления импульсных лазера, оптические оси которых лежат в одной плоскости с оптической осью первого импульсного лазера и составляют с ней угол Δθ, удовлетворяющий условию:
.
где D - диаметр лазерного пучка на маркируемом объекте, R - частота повторения лазерных импульсов, V - линейная скорость перемещения маркируемого объекта в направлении перпендикулярном плоскости оптических осей импульсных лазеров, F - фокусное расстояние фокусирующего объектива.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства, на фиг.2 приведена схема лазерной обработки маркируемого объекта, а фиг.3 иллюстрирует особенность работы устройства при маркировке объектов, движущихся с большими скоростями.
На схеме заявляемого устройства изображены: импульсный лазер 1, двухкоординатный сканер 2, фокусирующий объектив 3, модуль определения положения маркируемого объекта 4, модуль определения скорости перемещения маркируемого объекта 5, блок управления 6, дополнительные импульсные лазеры 7 и 8.
На фиг.2, 3 следы маркировки объекта импульсным лазером 1 показаны сплошными линиями, а дополнительными импульсными лазерами 7 и 8 - штриховыми и пунктирными линиями, соответственно.
Для нанесения какого-либо рисунка на поверхности или в объеме материала необходимо обеспечить необратимое изменение структуры вещества, т.е. его разрушение. Как известно, процессы лазерной обработки при маркировке объектов носят пороговый характер, т.е. разрушение материала под действием лазерного излучения наступает лишь при условии превышения пороговых значений плотности энергии излучения за достаточно короткий промежуток времени. При лазерной маркировке важно, чтобы разрушение материала было локализовано в минимальном объеме, что обеспечивает максимальную плотность переносимой на объект информации.
Известно, что наиболее эффективным механизмом разрушения диэлектриков является абляция - процесс удаления материала за счет взрывного механизма испарения, в течение которого диссипация энергии лазерного импульса локализована, а кондуктивным теплообменом можно пренебречь. При лазерной обработке металлов ввиду их высокой теплопроводности абляционный механизм разрушения реализуется при использовании лазерных импульсов длительностью не более 100 нс.
Для лазерной обработки большинства материалов, как правило, используют импульсно-периодические лазеры с энергией излучения в импульсе 0.1-1 мДж в пучке диаметром 20-100 µm при длительности импульсов 20-100 нс. При маркировке материала в виде растрового поля скорость обработки равна произведению диаметра лазерного пучка в плоскости обработки D на частоту повторения импульсов R. Учитывая, что в настоящее время отсутствуют лазеры, генерирующие импульсы требуемой для обработки металлов энергии на высоких частотах повторения (порядка сотен килогерц - единиц мегагерц), получаемые скорости лазерной обработки применимы только к неподвижным или движущимся с малой скоростью объектам.
Определим условия, при которых достигается технический результат заявляемой полезной модели, а именно - повышение скорости лазерной обработки движущихся маркируемых объектов. Пусть маркируемый объект движется относительно неподвижной системы (импульсный лазер 1 - двухкоординатный сканер 2 - фокусирующий объектив 3) с постоянной скоростью V. На вход двухкоординатного сканера 2 подаются несколько пучков дополнительных импульсных лазеров, работающих с частотой повторения R. Пучки излучения располагаются в одной плоскости с одинаковым угловым интервалом Δθ. Принцип действия двухкоординатного сканера 2 может быть любым (оптикомеханический, акусто- или электрооптический). Выбор типа сканера определяется требованиями передачи потока лазерного излучения со средней мощностью в несколько сотен ватт. Будем условно считать, что в полезной модели сканер выполнен оптикомеханическим двухзеркальным и обеспечивает двухкоординатную развертку пучков за счет поворота зеркал вокруг перпендикулярных осей. С выхода двухкоординатного сканера 2 лазерные пучки поступают на фокусирующий объектив 3, в качестве которого может быть использован объектив с плоским полем. Этот объектив 3 имеет фокусное расстояние F и формирует на обрабатываемом объекте пучки диаметром D (см. фиг.2, 3), в пределах которых осуществляется лазерное разрушение материала объекта. При сканировании по координате перпендикулярной вектору скорости перемещения маркируемого объекта расстояние между центрами пучков, формируемых на нем импульсными лазерами 1, 7 и 8, оптические оси которых разделены угловым интервалом Δθ, не должно быть больше произведения Δθ·F. При нарушении этого условия качество маркировки будет низким, т.к. некоторые области объекта при этом не будут облучены.
В процессе лазерной маркировки объекта каждый из лазерных пучков производит обработку материала по линии. В предположении, что период нанесения точек равен диаметру точки D, длина L линии, сформированной за время t, равна
За это же время маркируемый объект будет перемещен на расстояние d
Выражение для Δθ можно найти, подставляя t из (2) в (1):
Для реализации условия сплошной растровой маркировки объекта необходимо выполнить условие d=D, и формула (3) в этом случае примет вид:
что совпадает с заявляемым соотношением.
V
Очевидно, что полученное выражение справедливо лишь тогда, когда выполнено основополагающее условие, а именно: каждый из лазерных пучков производит обработку материала по линии перпендикулярной вектору скорости перемещения маркируемого объекта. При больших скоростях перемещения объекта обеспечить это условие, используя сканирование по одной координате, сложно. Для определения параметров работы сканера по координате параллельной вектору скорости перемещения маркируемого объекта рассмотрим схему, показанную на фиг.3. Из логики получения формул (3, 4) следует, что величина смещения d конца линии длиной L за счет скорости движения маркируемого объекта V равна назначаемому нами расстоянию между линиями d. Приравнивая (1) и (2) получаем
Таким образом, если наносимые линии лазерной маркировки должны располагаться строго ортогонально вектору скорости перемещения маркируемого объекта сканирование по второй координате необходимо производить на угол
с угловой скоростью
Учитывая, что скорость перемещения маркируемого объекта может быть разной, заявляемая полезная модель включает модуль определения скорости перемещения маркируемого объекта 5. Блок управления устройства 6 служит для расчета параметров сканирования, вычисляемых на основе данных с выходов модулей определения положения 4 и скорости перемещения 5 маркируемого объекта и управления режимами работы импульсных лазеров 1, 7 и 8, а также двухкоординатного сканера 2.
Очевидно, что устройство может содержать более двух дополнительных импульсных лазеров при соблюдении условий пространственной ориентации их оптических осей.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом:
Пучки излучения с выходов нескольких импульсных лазеров 1, 7 и 8, частота повторения импульсов которых одинакова и задается блоком управления 6 одновременно направляют на вход двухкоординатного сканера 2, ориентируя их в пространстве таким образом, чтобы все они лежали в одной плоскости. Далее с выхода двухкоординатного сканера 2 пучки направляют на вход фокусирующего объектива 3, который в плоскости маркируемого объекта обеспечивает возможность формирования растрового поля световых пучков. Маркируемый объект перемещают в направлении перпендикулярном плоскости лазерных пучков. Модули определения положения 4 и скорости перемещения 5 маркируемого объекта передают данные о пространственном положении и скорости перемещения маркируемого объекта относительно плоскости лазерных пучков в блок управления 6. В блоке управления 6 формируют сигналы управления импульсными лазерами 1, 7 и 8, а также двухкоординатным сканером 2. Эти сигналы обеспечивают формирование растрового поля световых пучков в плоскости наилучшей фокусировки фокусирующего объектива 3 с приемлемым качеством и высокой скоростью обработки. Оптимизация параметров лазерной обработки материала достигается за счет применение дополнительных импульсных лазеров и ориентации их пучков в одной плоскости с одинаковым угловым интервалом, величина которого рассчитывается из конструктивных параметров заявляемого устройства. При изменениях скорости перемещения маркируемого объекта подстройку режима обработки производят за счет адаптивного изменения частоты повторения лазерных импульсов.