专利名称：在线激光打标机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光打标设备，尤其涉及用于高速生产流水线上物体的打标。
背景技术：
目前，现有的激光打标机根据激光光源主要可分为以下几类CO2激光打标机、Nd:YAG(或Nd:YLF、Nd:YVO4)及其倍频激光打标机、准分子激光打标机和半导体激光打标机等。因CO2激光的独特性能，CO2激光打标机被广泛地应用到饮料、烟酒、食品、标签、药品等包装工业。根据激光打标方式可划分为扫描式激光打标机(例如美国专利USA-5734412、USA-5754328；申请号为00817220.X和02134972.X的中国专利，专利号为95205487.6、97243236.1、01262293.1、02266125.5、02228747.7和02228748.5中国专利)、掩模式激光打标机(例如中国专利，申请号和专利号分别为97109296.6和99213232.0的中国专利)、阵列式激光打标机。掩模式激光打标机和阵列式激光打标机打标速度最快。而掩模式激光打标机由于存在着需更换模板等不便之处，目前应用更多是扫描式激光打标机和阵列式激光打标机。
对于扫描式(振镜)CO2激光打标机，由于诸如振镜或扫描器件速度的限制，要实现对高速生产线上物体的打标，只能采用重复频率很高的射频CO2激光器。对于阵列式激光打标机，由于CO2激光光束传输和控制器件的限制，而且与射频CO2激光器同功率的脉冲或连续CO2激光器存在着体积大的缺点，目前阵列式CO2激光打标机只能采用体积小的射频CO2激光器。而射频CO2激光器生产工艺复杂，目前此类激光器国内只能靠进口，价格昂贵，从而极大地增加了阵列式CO2激光打标机的生产成本。
发明内容为了解决脉冲CO2激光器在阵列式CO2激光打标机中的应用和在诸如平面、曲面各类物体上都能打出高质量的字符等问题，本实用新型的目的是提供一种使用普通脉冲CO2激光器的阵列式在线激光打标机。
本实用新型的目的是通过以下方案来实现的一种在线激光打标机，它包括激光器系统、集成化激光传输系统、光学成像透镜组(7)、光电检测器(9)、控制器(1)、对激光器系统及集成化激光传输系统实施冷却的的冷却系统。激光器系统主要由脉冲激光器组(3)及其电源组(2)组成；集成化激光传输系统主要由光波导或光纤(6)及其冷却套(5)和位于激光器与光波导或光纤之间的光学耦合透镜组(4)组成；冷却系统包括恒温循环器(12)、与激光器组和集成化激光传输系统中的光波导或光纤冷却套管相连接的出液管(10)和进液管(11)。
利用光波导或光纤的柔韧性和弯曲特性，集成化激光传输系统组的各输入端彼此之间可以有足够的空间分离。以保证脉冲CO2激光器组的灵活放置。但是集成化激光传输系统的各相邻输入端的最小间隔可达到所使用脉冲CO2激光器的直径。
利用光波导或光纤的外径很小及柔韧性和易弯曲等特性，集成化激光传输系统的输出端在垂直于生产流水线的运动方向紧密地排成很短的一列。
利用光波导或光纤的柔韧性和弯曲特性，集成化激光传输系统可以根据CO2激光器的尺寸和打标机外壳空间等要求弯曲，其弯曲度最小等于所使用的光波导或光纤的光纤曲度。因此，集成化激光传输系统很容易地把大距离的多路激光束进行紧密聚集。
根据打标字符的要求，在线激光打标机的激光系统至少由5个脉冲CO2激光器构成。由于集成化激光传输系统组的各输入端可以彼此有足够的空间分离，因此，脉冲CO2激光器组可以视激光打标机的外壳空间而灵活放置。例如，根据CO2激光器的尺寸和打标机外壳空间，脉冲CO2激光器组可以分为几层放置，集成化激光传输系统的输入端与之作相应的空间布置，从而最大限度地减小激光打标机的外形尺寸。
脉冲CO2激光器重复频率f′的选取由生产流水线所要求的打标字符速度n、字符阵列的列数b和打标占空比p参数所确定，即f′=nbp----(1)]]>光学耦合透镜组的焦距等参数由光波导或光纤的芯径和数值孔径等参数确定。具体条件是(1)光学耦合透镜组把CO2激光光斑聚焦在光波导或光纤的输入端处；(2)经光学耦合透镜组聚焦的CO2激光光斑直径d1小于或等于光波导或光纤芯径dc，即dl≤dc；(3)CO2激光入射到光波导或光纤的入射角θ满足sinθ＝NA，其中NA为光波导或光纤的数值孔径。
光学成像透镜组的口径D由光波导或光纤的外径d0参数确定，假定光波导或光纤的数目为q，则D≈(2~3)qdo.]]>光学成像透镜组和集成化激光传输系统组的输出端用具有可调节机构的套筒连接在一起，组成一个激光打标头。通过调节集成化激光传输系统的各输出端相对于光学成像透镜组的距离ui(i表示第i个脉冲CO2激光器)，使集成化激光传输系统组的各路激光保持恒定的景深到达被打标的物体上(像距为vi)，即保证满足下列条件1ui+1vi=1f]]>(f为光学成像透镜组的焦距)，从而能在诸如平面、曲面等各类形状的物体上打出高质量的字符。
本实用新型的最突出的技术发明点在于1.光波导或光纤和光学耦合透镜组成的集成化激光传输系统组。其输出端垂直于生产流水线的运动方向排成一列，能够对大距离多路激光束进行紧密聚集。
2.光波导或光纤和光学耦合透镜组成的集成化激光传输系统和光学成像透镜组构成一个可调节景深的光学成像系统。通过调整各路光波导或光纤输出端相对于光学成像透镜组的距离，保障光学成像透镜组对各路激光维持恒定的景深到达被打标物体，从而在诸如平面、曲面等各类物体上打出高质量的字符。
3.激光器系统由脉冲CO2激光器组代替价格昂贵的射频CO2激光器组，并且脉冲CO2激光器组可以视激光打标机的外壳空间而灵活放置。
本实用新型的积极效果是1.本实用新型涉及的激光打标机打标速度快，适合于饮料、烟酒、食品、标签、药品等包装工业生产流水线的产品打标。
2.本实用新型涉及的激光打标机能在诸如平面、曲面等各类物体上打出高质量的字符。
集成化激光传输系统与光学成像透镜组成可调节景深的光学成像系统，可以根据物体相对应曲率半径与需标记尺寸和光学成像透镜焦平面等参数，通过调节集成化激光传输系统的输出端相对于光学成像透镜之间的距离，保障各路激光点高质量地成像在运动物体的平面或弯曲面上，实现对各种形状物体的字符打标。而对扫描式激光打标机或掩模式激光打标机，当目标的运动或目标的曲率使目标表面移进且移出光学成像透镜组的焦平面时，导致字符在高度、间距及/或模糊等的变化，使字符难以或无法辨认。必须采取复杂的措施才能解决(见美国专利USA-5734412、USA-5754328；中国专利，申请号00817220.X、02134972.X)。
3.本实用新型涉及的激光打标机生产成本低。7个脉冲CO2激光器的价格不到1个同功率射频CO2激光器价格的二分之一，从而大大降低了激光打标机的生产成本。
本实用新型工作原理如下(1)彼此较大空间分离的大尺寸脉冲CO2激光器组输出的激光经光学耦合透镜进入光波导或光纤，由于光波导或光纤具有良好的柔韧性、弯曲特性和很小的外径，集成化激光传输系统的输出端可以在垂直于生产流水线运动方向上紧密地排成很短的一列。例如，假定激光器组由7个脉冲激光器组成，那么相对应7行1列的点阵(7×1)。在控制器的控制下，多路激光可在此列按字符程序打出相应的行阵。在生产流水线的运动方向上，每个脉冲激光器按字符程序规定的顺序，不断地产生激光，随着流水线的运动，每路激光都在相应的打标阵列的行上打出相应的列阵。从而与行阵组成打标字符点阵(行×列)。如果脉冲激光器的重复频率为1500Hz，每个字符由7×5点阵(即每行5个点，每列7个点)组成，考虑到物体的间隔，即打标字符的间隔，也即字符占空比，假定占空比范围为1∶2～1∶8，那么，根据公式(1)可以计算出，本实用新型涉及的在线激光打标机的打标字符速度约为200～280字符/秒。因此，本实用新型涉及的激光打标机能够实现对高速生产流水线上物体的打标，并且具有生产成本低的优势，非常适合于饮料、烟酒、食品、标签、药品等包装工业生产流水线的产品打标。
图1为本实用新型涉及的在线激光打标机的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述，但并不是限制于本实用新型。
如图1所示采用7个脉冲CO2激光器组成的激光器系统。7个CO2激光管(3)和7个与之配套的激光电源(2)。每个CO2激光器的重复频率为1500Hz，激光管的尺寸为Φ50×800mm，功率为30W。光波导或光纤(6)为GeO2材料做成的光波导，其芯内径为0.5mm，芯外径为0.8mm，外包层内径和外径分别为1.8mm和2.7mm。7根GeO2光波导的长度分别为2.5m～3m。7根GeO2光波导垂直于生产流水线的运动方向排成18.9mm长的1列。光学耦合透镜(4)采用GaAs材料做成，焦距为112mm，口径为20mm。光学成像透镜组(7)和集成化激光传输系统的输出端用具有可调节机构的套筒连接在一起，组成一个激光打标头。通过调节机构可以调节集成化激光传输系统的各输出端与光成像透镜组间的距离，保障光学成像透镜组对各路激光维持恒定的景深到达被打标物体。恒温循环器采用去离子水作冷却液，冷却水的容量为4kg，水压为0.7MPa，流量为1.2kg/分钟。控制器(1)为计算机。
权利要求1.一种在线激光打标机，包括激光器系统、集成化激光传输系统、光学成像透镜组(7)、光电检测器(9)、控制器(1)，以及对激光器系统和集成化激光传输系统实施冷却的冷却系统，其特征在于a.光波导或光纤和光学耦合透镜组成的集成化激光传输系统；b.集成化光学传输系统和光学成像透镜组构成一个可调节景深的光学成像系统；c.采用脉冲CO2激光器组构成激光器系统。
2.根据权利要求1所述的一种在线激光打标机，其特征在于a.集成化激光传输系统的相邻输入端之间至少以所使用脉冲CO2激光器的直径为间隔进行空间分离；b.集成化激光传输系统组的各输出端在垂直于生产流水线运动方向紧密地排成一列；c.集成化激光传输系统根据CO2激光器的尺寸和打标机外壳空间等要求弯曲，其弯曲度至少等于光波导或光纤的最小弯曲特性参数。
3.根据权利要求1所述的一种在线激光打标机，其特征在于集成化激光传输系统的各输出端相对于光学成像透镜组的距离为ui、光学成像透镜组到被打标物体表面的距离为vi、两者之间的关系满足下列公式1ui+1vi=1f;]]>公式中f为光学成像透镜组的焦距。
4.根据权利要求1所述的一种在线激光打标机，其特征在于脉冲CO2激光器组至少由5个脉冲CO2激光器构成。
5.根据权利要求1、4所述的一种在线激光打标机，其特征在于脉冲CO2激光器重复频率f′的选取由生产流水线所要求的打标字符速度n、字符阵列的列数b和打标占空比p等参数所确定，即f′=nbp.]]>
6.根据权利要求1、2所述的一种在线激光打标机，其特征在于a.光学耦合透镜组把CO2激光光斑聚焦在光波导或光纤的输入端处。b.经光学耦合透镜组聚焦的CO2激光光斑直径d1小于或等于光波导或光纤芯径dc，即d1≤dc。c.CO2激光入射到光波导或光纤的入射角θ满足sinθ＝NA，其中NA为光波导或光纤的数值孔径。
7.根据权利要求1、2所述的一种在线激光打标机，其特征在于光学成像透镜组的口径D由光波导或光纤的外径do参数确定，假定光波导或光纤的数目为q，则D≈(2～3)qdo。
专利摘要本实用新型涉及一种激光打标机，它包括激光器系统、集成化激光传输系统、光学成像透镜组(7)、光电检测器(9)、控制器(1)、以及对激光器系统和集成化激光传输系统实施冷却的冷却系统。激光器系统主要由脉冲激光器组(3)及其电源组(2)组成；集成化激光传输系统主要由光波导或光纤(6)和位于激光器与光波导或光纤之间的光学耦合透镜组(4)组成。本实用新型涉及的激光打标机能够对高速生产流水线上的物体打标，并且能在诸如平面、曲面等各类物体上打出高质量的字符。另外，激光打标机的生产成本低。适合于饮料、烟酒、食品、标签、药品等包装工业生产流水线的产品打标。
文档编号B23K26/00GK2680400SQ0328429
公开日2005年2月23日 申请日期2003年9月18日 优先权日2003年9月18日
发明者郑义, 姚建铨, 谭庆全, 刘群, 梁兰菊, 张玉萍 申请人:郑州大学