Установка лазерной маркировки

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Леонов Александр Михайлович Кравцов Аркадий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Установка лазерной маркировки, содержащая последовательно установленные по ходу лазерного луча и оптически связанные лазер, коллиматор, акустооптический блок,электромеханический дефлектор, объектив, направленный на маркируемый объект, процессор, один из входов которого является входом установки, второй вход соединен с выходом электромеханического дефлектора, а выход соединен с входом акустооптического блока дефлектора и ультразвуковой пьезопреобразователь, отличающаяся тем, что в качестве акустооптического блока использован акустооптический модулятор-дефлектор, содержащий цифроаналоговый преобразователь, вход которого является входом блока, и генератор, управляемый напряжением, вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход с входом ультразвукового пьезопреобразователя. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве электромеханического дефлектора использован пьезокерамический дефлектор. 61032010.04.30 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что объектив направлен на маркируемый объект, установленный на подвижной части координатного стола, вход которого соединен с соответствующим выходом процессора, а выход соединен с третьим входом процессора. 4. Установка по одному из пп. 1, 2 или 3, отличающаяся тем, что ультразвуковой пьезопреобразователь соединен с одной из плоскостей акустооптической ячейки, а поглотитель ультразвука соединен с противоположной плоскостью акустооптической ячейки.(56) 1. Патент 2236952, МПК В 44 3/00 / С.Г.Горный, А.М.Григорьев. Способ скоростной лазерной маркировки и установка для его реализации. - Опубл. 26. 08.2002. 2. А.с. СССР 1647611, МПК 06 15/00 / В.К.Ероховец, Леонов и Ю.В.Ларченко. Способ и устройство для записи изображений // Бюл.17. - 1991 (прототип). 3. Компоненты синтезаторов стабильной частоты. Генераторы, управляемые напряжением // ///// Полезная модель относится к лазерному технологическому оборудованию и может быть использована на промышленных предприятиях для маркировки выпускаемой ими продукции с целью контроля качества и идентификации товаров, при лазерной маркировке различных изделий, изготовленных практически из любых материалов (например, таких, как сверла, фрезы, подшипники, медицинский инструмент, мелкие радиодетали,ювелирные изделия из драгоценных металлов). Известна установка лазерной маркировки, состоящая из мощного импульсного лазера,маски, имеющей форму маркируемого изображения, установленной на пути лазерного излучения и микрообъектива, проецирующего изображение маски на маркируемое изделие 1. Достоинство этой лазерной установки по отношению к системам механической маркировки в том, что лазерное излучение не оказывает механического воздействия на маркируемое изделие и может маркировать любой материал. Однако по всем другим характеристикам масочная лазерная система является аналогом механических систем маркировки соответственно со всеми присущими им недостатками. Другим недостатком известной установки является то, что изменение маркируемого изображения требует разработки и изготовления нового образца элемента системы - маски. Кроме того, масочный способ маркировки позволяет создавать лишь простейшие, лишенные индивидуальных особенностей изображения. Наиболее близкой к предложенной является установка лазерной маркировки, основанная на использовании непрерывного или квазинепрерывного лазера (с модулированной добротностью и высокой частотой повторения генерируемых импульсов) и системы пространственно временного управления лазерным излучением. В состав известной установки входят лазер, акустооптический модулятор, коллиматор(в случае использования лазера с параллельным выходным пучком функцию коллиматора выполняет телескоп, согласующий диаметр пучка со следующими за ним оптическими элементами), электромеханический дефлектор, объектив, входное отверстие которого совмещено с зеркалом дефлектора, и маркируемый объект, маркируемая область которого совмещена с фокальной плоскостью объектива. Кроме того, в состав установки входит управляющий процессор, выходы которого соединены с входами модулятора и дефлектора, а входы с выходами датчиков положения дефлектора 2. Известная установка позволяет наносить на маркируемое изделие изображение любой сложности и оперативно изменять его, в том числе заводской номер, время маркировки. 2 61032010.04.30 Маркируемое изображение может быть полутоновым, цветным, трехмерным, создаваться на любой поверхности или внутри прозрачных материалов. Предоставляется возможность указать наименование изделия, производителя, заказчика, вес и состав продукта, использовать цифровую подпись, которая гарантирует подлинность изделия. Потенциально установка сканирующей лазерной маркировки, превосходящая по качеству изображений системы маркировки других типов, может найти применение на различных промышленных предприятиях, по стоимости она может сравняться с лазерными принтерами. Однако современные лазерные маркеры обладают двумя очень серьезными недостатками, которые принципиально ограничивают рынок их сбыта, такими как низкой производительностью и высокой стоимостью, в первую очередь за счет высокой стоимости мощных лазеров. Указанные недостатки известной установки имеют общую причину - низкую энергетическую эффективность процесса записи, поскольку в ней используют растровую развертку, и луч движется по строке с постоянной скоростью, а изображение формируется путем модуляции луча. Очевидно, что данный способ формирования изображения позволяет только частично использовать излучение. Разработчики и пользователи систем лазерной маркировки стоят перед выбором создавать (приобретать) дорогой маркер с мощным лазером и большой скоростью движения луча по строке или экономить на стоимости установки, но терять в производительности. Стоимость маркировки одного изделия и в том и в другом случае получается неприемлемо высокой для большинства потенциальных потребителей. Задачей предлагаемой полезной модели является существенное увеличение производительности до энергетического предела, определяемого мощностью лазера и чувствительностью маркируемого материала, путем обеспечения быстродействия маркировки и снижения себестоимости установки лазерной маркировки в целом за счет применения более дешевых комплектующих изделий. Поставленная задача достигается тем, что в известной установке лазерной маркировки, содержащей последовательно установленные по ходу лазерного луча и оптически связанные лазер, коллиматор, акустооптический блок, электромеханический дефлектор,объектив, направленный на маркируемый объект, процессор, один из входов которого является входом установки, второй вход соединен с выходом электромеханического дефлектора, а выход соединен с входом акустооптического блока дефлектора и ультразвуковой пьезопреобразователь, в качестве акустооптического блока использован акустооптический модулятор-дефлектор, содержащий цифроаналоговый преобразователь, вход которого является входом блока, и генератор, управляемый напряжением, вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход с входом ультразвукового пьезопреобразователя. В качестве электромеханического дефлектора использован пьезокерамический дефлектор. Объектив направлен на маркируемый объект, установленный на подвижной части координатного стола, вход которого соединен с соответствующим выходом процессора, а выход соединен с третьим входом процессора. Ультразвуковой пьезопреобразователь соединен с одной из плоскостей акустооптической ячейки, а поглотитель ультразвука соединен с противоположной плоскостью акустооптической ячейки. Сущность предлагаемой конструкции заключается в том, что в состав управления лазерным лучом введены самые скоростные базовые элементы, обеспечивающие быстродействие маркировки, а именно акустооптический модулятор-дефлектор и пьезокерамический дефлектор. Кроме того, предлагаемые элементы являются для предложенной установки относительно недорогими комплектующими, освоенными в производстве. 3 61032010.04.30 Акустооптический модулятор-дефлектор позволяет дискретно переключать излучение из одной точки изображения в другую, причем на этапе переключения происходит одновременная запись двух точек. Часть излучения отклоняется одним участком ультразвуковой волны, а вторая часть другим участком 3. Небольшой угол сканирования (несколько градусов) компенсируется путем использования относительно длиннофокусного объектива (200-300 мм) и пофрагментным формированием изображения. В случае, если угол сканирования излучения дефлекторами составляет 33 град. (5050 мрад.), а фокусное расстояние объектива 200 мм, размер сканируемого ими поля - 11 см 2. В связи с тем, что акустооптический модулятор-дефлектор не позволяет просканировать излучение вдоль всего изображения, на него возлагается задача сформировать фрагмент, имеющий вид отрезка прямой, ориентированного по оси 0, а переход излучения от фрагмента к фрагменту, реализуется с помощью электромеханического дефлектора, осуществляющего пошаговое перемещение излучения по оси 0 у, после чего сканируется следующий фрагмент и так далее, пока не будет записана полоса изображения. Далее объект маркировки смещается на ширину полосы (на размер фрагмента) по оси 0 х, аналогичным образом записывается следующая полоса, и так до завершения процесса маркировки. Функционирование акустооптического блока обеспечивает наличие акустооптической ячейки, в которой ультразвуковой пьезопреобразователь соединен с одной из ее плоскостей, а поглотитель ультразвука соединен с противоположной плоскостью. Оптическая часть акустооптического модулятора и акустооптического модуляторадефлектора полностью аналогичны, а система управления акустооптического модуляторадефлектора состоит из следующих последовательно соединенных узлов цифроаналогового преобразователя, генератора, управляемого напряжением, и ультразвукового пьезопреобразователя, причем вход цифроаналогового преобразователя соединен с выходом процессора, а выход ультразвукового пьезопреобразователя соединен с входом. Таким образом, совокупность предложенных признаков обеспечивает необходимый технический результат и позволяет решить поставленную задачу. Предложенная полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1. представлена компоновочная схема установки лазерной маркировки фиг. 2 - компоновочная схема акустооптического блока. Установка лазерной маркировки состоит из последовательно установленных по ходу лазерного луча и оптически связанных лазера 1, коллиматора 2, акустооптического модулятора-дефлектора 3, пьезокерамического дефлектора 4, объектива 5 и маркируемого объекта 6, установленного на подвижной части (не показано) двухкоординатного стола 7, а также содержит процессор 8, один из входов 9 которого является входом установки, второй 10 и третий 11 входы соединены с выходами 12 и 13 электромеханического дефлектора 4 и координатного стола 7, а выходы 14, 15, 16 соединены соответственно с входами 17,18, 19 акустооптического модулятора-дефлектора 3, электромеханического дефлектора 4 и координатного стола 7 (см. фиг. 1). В состав акустооптического модулятора-дефлектора 3 входят акустооптическая ячейка 20, ультразвуковой преобразователь 21, соединенный с одной из плоскостей акустооптической ячейки 20, и поглотитель ультразвука 22, соединенный с противоположной плоскостью ячейки 20, а также последовательно соединенные между собой цифроаналоговый преобразователь 23, генератор 24, управляемый напряжением, ускоритель мощности 25, причем вход цифроаналогового преобразователя 23 является входом 17 модулятора-дефлектора 3, его выход 26 соединен со входом 27, выход которого 28 соединен со входом 29 усилителя мощности 25, а выход 30 усилителя мощности соединен со входом 31 преобразователя 21. Установка лазерной маркировки работает следующим образом. 4 61032010.04.30 В память процессора 8 по входу установки поступает информация о маркируемом изображении и программе его записи (из компьютера, на котором это изображение и этот программа разрабатываются), а также команда начала маркировки. Процессор 8, переводит пьезокерамический дефлектор 4 и координатный стол 7 в исходное положение, а акустооптический модулятор-дефлектор 3 в состояние выключено. Лазер 1 включается, его излучение формируется коллиматором 2 в параллельный лазерный пучок, диаметр которого равен апертуре остальных оптических компонентов установки, и перекрывается акустооптическим модулятором-дефлектором 3. Управляемые процессором 8 акустооптический модулятор-дефлектор 3 и пьезокерамический дефлектор 4 дискретно изменяют мощность (включен/выключен) и угловое положение лазерного пучка. При этом сфокусированный объективом лазерный пучок дискретно перемещается от одной точки записи к другой, формируя фрагмент изображения на участке отрезка прямой по оси 0 х. После сформирования фрагмента на отрезке прямой пьезокерамический дефлектор 4 перемещает излучение на шаг координатной сетки в направлении, перпендикулярном указанному отрезку, и модулятор-дефлектор 3 формирует следующий фрагмент, и так далее до завершения записи полосы изображения. Ширина этой полосы определяется углом сканирования акустооптического модулятора-дефлектора 3, а длина - углом сканирования пьезокерамического дефлектора 4. Желательно, чтобы в пределах полосы сканирования был размещен один или несколько объектов маркировки. После записи полосы процессор 8 и координатный стол 7 перемещают объект маркировки 6 на ширину полосы и возвращают пьезокерамический дефлектор 4 в исходное положение, производят запись следующей полосы и так далее до завершения записи всего изображения. Заявляемая полезная модель Установка лазерной маркировки может быть осуществлена промышленным способом с использованием существующего оборудования, современных технологий, материалов и комплектующих изделий. Мощность используемых лазеров достаточна для маркировки с частотой перемещений до нескольких десятков кГц (частота генерации должна быть такой же или более высокой). Поэтому акустооптический дефлектор-модулятор, используемый в предлагаемой конструкции и перемещающий луч из одной точки изображения в другую с частотой до 100 кГц, позволяет реализовать энергетический предел производительности лазерной маркировки. Оценочный расчет показывает, что хотя перемещение луча пьезокерамическим дефлектором и маркируемого объекта системой перемещения снижают производительность предлагаемой конструкции, она все равно близка к энергетическому пределу. Средняя скорость записи точек изображения составляет десятки кГц, средняя скорость записи текста (основной частью маркируемого изображения являются буквы и цифры) несколько сотен знаков/с, среднее время маркировки - десятые доли секунды. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6