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iwishiwish

2007-03-11 15:47

中國激光標刻控制系統(tǒng)發(fā)展（轉(zhuǎn)載）

自激光在軍事和工業(yè)領域廣泛應用以來，各種控制手段伴隨著這種全新的加工工具在各行各業(yè)不斷的進步，如今，高頻高精度控制成為激光應用的一個必不可少的環(huán)節(jié)，隨著各種新型激光模式的出現(xiàn)，自動控制也正在激光加工的舞臺上以日益精密的技術(shù)展現(xiàn)著自己的風采。
80年代中期，激光在中國工業(yè)應用領域開始嶄露頭角，90年代初，由于工具行業(yè)出口量的增加，激光標刻開始成為必不可少的加工手段。激光標刻屬于一個比較特殊的行業(yè)，其原理是利用聚焦后的光束對作用物表面進行短時間淺層刻蝕或燒蝕，使其作用區(qū)異于未處理區(qū)以達到標記的目的。由于對加工效率和效果有著非常高的要求，因此，從一開始高速度和高精度的自動控制在這一領域就得到了長足的發(fā)展，從1995年到2002年短短的7年時間，控制在激光標刻領域就經(jīng)歷了大幅面時代、轉(zhuǎn)鏡時代和振鏡時代，控制方式也完成了從軟件直接控制到上下位機控制到實時處理、分時復用的一系列演變，如今，半導體激光器、光纖激光器、乃至紫外激光的出現(xiàn)和發(fā)展又對光學過程控制提出了新的挑戰(zhàn)。
以控制對象分類，標刻控制可以分為三種：光束控制、對象控制和飛行控制。其中，光束控制是應用最廣泛的，對象控制主要是針對特殊行業(yè)，而飛行控制將是激光標刻控制在未來的主要發(fā)展方向。顧名思義，光束控制指固定作用對象，直接控制光束在作用物表面的移動和停留，由于作用對象的尺寸和質(zhì)量不盡相同，直接控制對象的方式難以提高加工速度，因此這種控制手段從一開始就成為主要的控制方式；對象控制指固定光束，控制作用對象的移動和停留，這種控制手段主要應用在對象體積比較小、質(zhì)量比較輕，同時對控制精度要求比較高而控制過程不太復雜的行業(yè)，例如硅片、晶元和工業(yè)用陶瓷等材料的劃片行業(yè)；飛行控制指同時控制光束和對象的移動和停留，這種控制將成為激光在流水線應用的主要控制手段，優(yōu)點是速度快，自動化程度高，是后工業(yè)時代激光加工的主流控制模式。最主流的光束控制方式在中國共經(jīng)歷了三個時代的演變。
大幅面時代所謂大幅面，剛開始是直接將繪圖儀的控制部分直接用于激光設備上，將繪圖筆取下，在（0，0）點X軸基點、Y軸基點和原繪圖筆的位置上分別安裝45°折返鏡，在原繪圖筆位置下端安裝小型聚焦鏡，用以導通光路及使光束聚焦。直接用繪圖軟件輸出打印命令即可驅(qū)動光路的運行，這種方式最明顯的優(yōu)勢是幅面大，而且基本上能滿足精度比較低的標刻要求，不需要專用的標刻軟件，因此在早期還是有很不錯的市場。
但是這種方式有著幾個致命的缺陷：1.速度慢，不到100m/s的速度很難滿足客戶要求日益增加的產(chǎn)量；2.精度低，重復定位精度基本上局限于繪圖儀本身的精度，誤差有時非常大；3.無法按照激光輸出的特性定制自己所需要的控制參數(shù)，激光輸出和控制信號輸出之間是有時間差的，用通用型掃描儀驅(qū)動工具（如Autocad等）是無法按照激光器的特性定制控制參數(shù)的，因此容易產(chǎn)生一系列可笑的問題，如一個圖形前1cm左右的距離無激光輸出，因此出來的圖形總是少一截；4.由于光學器件和繪圖筆的質(zhì)量不同造成控制慣量的改變，由于總是過載驅(qū)動，使繪圖儀各元器件壽命縮短。
總之，在經(jīng)歷最初的嘗試后，繪圖儀式的大幅面激光標刻系統(tǒng)逐步退出標刻市場的，現(xiàn)在所應用的同類型的大幅面設備基本上都是模仿以前這種控制過程，用伺服電機驅(qū)動的高速大幅面系統(tǒng)，而隨著變焦振鏡式掃描系統(tǒng)的逐步完善，大幅面系統(tǒng)將逐步從激光標刻領域銷聲匿跡。
轉(zhuǎn)鏡時代由于看到大幅面系統(tǒng)的一系列缺點，在高速振鏡技術(shù)還沒有在中國廣泛普及的情況下，一些控制工程師自行開發(fā)了由步進電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上來說，轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)同現(xiàn)在的振鏡式掃描系統(tǒng)是沒有區(qū)別的，工作原理是將從諧振腔中導出的激光通過擴束，經(jīng)過成90°安裝的兩個步進電機驅(qū)動的金鏡的反射，由F-theta場鏡聚焦后輸出作用于處理對象上，金鏡的轉(zhuǎn)動使工作平面上的激光作用點分別在X、Y軸上移動，兩個鏡面協(xié)同動作使激光可以在工作平面上完成直線和各種曲線的移動。這種控制過程無論從速度還是定位精度來說都遠超過大幅面，因此在很大程度上能滿足工具行業(yè)對激光控制的要求，雖然同當時國際上流行的振鏡式掃描系統(tǒng)還有比較明顯的差距，但嚴格來說這種設計思路的出現(xiàn)和逐步完善代表著中國激光應用的一個里程碑，是中國完全能自行設計和生產(chǎn)激光應用設備的典型標志。直到振鏡在中國大規(guī)模應用的興起，這種控制方式才逐步退出中國激光應用的舞臺。
振鏡時代 1998年，振鏡式掃描系統(tǒng)在中國的大規(guī)模應用開始到來，所謂振鏡，又可以稱之為電流表計，它的設計思路完全沿襲電流表的設計方法，鏡片取代了表針，而探頭的信號由計算機控制的0—5V（或10V）的直流信號取代，以完成預定的動作。同轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)相同，這種典型的控制系統(tǒng)采用了一對折返鏡，不同的是，驅(qū)動這套鏡片的步進電機被伺服電機所取代，在這套控制系統(tǒng)中，位置傳感器的使用和負反饋回路的設計思路進一步保證了系統(tǒng)的精度，整個系統(tǒng)的掃描速度和重復定位精度達到一個新的水平。對中國自產(chǎn)振鏡影響最大的是美國Cambridge公司生產(chǎn)的6870和6230，前者采用電容傳感器，后者采用光電傳感器，在中國的應用表明，電容傳感器對環(huán)境的適應能力遠遠超過光電傳感器，無論在溫度變化大還是環(huán)境清潔度不高的情況下，電容傳感器都能比較穩(wěn)定的工作，因此，現(xiàn)有中國的幾家自行生產(chǎn)振鏡的公司，都把6870作為設計藍本，其中以上海通用（6000系列振鏡）和后來成立的北京世紀桑尼的振鏡最具代表性。與此同時，進口振鏡也開始大規(guī)模進入中國的市場，除香港科藝代理的Cambridge的振鏡外，美國General Scanner、德國Scanlab等也在中國占據(jù)了相當份額的市場。
振鏡時代的到來使中國激光標刻再一次迎來飛躍式的發(fā)展，由于速度和精度的大幅度提升，不僅再一次刺激了原有的工具行業(yè)市場，同時以前由于對精度要求較高而不能用激光處理的行業(yè)也被打開了，如今，隨著新型激光的出現(xiàn)，配合控制系統(tǒng)的再一次更新，中國激光應用即將邁入一個新的時代。

thliuwenfu	2007-03-15 08:35
真的很不錯~謝謝~

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