Razvoj odklanjala za rastrsko vodenje žarka pri laserskem označevanju Aleš BABNIK, Aleš BIZJAK, Janez DIACI Izvleček: Prispevek predstavlja razvoj optomehatronskega sistema, ki omogoča izdelavo rastrskih vzorcev pri laserskem označevanju. Sistem deluje tako, da v eni osi odklanjamo obdelovalni laserski žarek s pomočjo poli-gonskega zrcala v obliki šesterokotne prizme, ki se vrti s konstantno kotno hitrostjo. Vsak laserski blisk povzroči na površini obdelovanca označbo v obliki točke. Z odklanjanjem žarka dosežemo, da so točkaste označbe razvrščene enakomerno v ravni črti - vrstici. Pomična miza, ki je pod odklanjalom, omogoča pomik obdelovanca pravokotno na vrstico. Rezultat obojega je dvorazsežna rastrska (matrična) označba z do dvesto točkami v smeri odklanjanja žarka. Razvili smo mikroprocesorski krmilnik sistema, ki omogoča usklajeno delovanje laserja, odklanjala ter pomične mize in s tem izdelavo točkovne oznake na obdelovancu na poljubnem mestu rastra. Sistem je bil preizkušen z označevanjem eno- in dvodimenzionalnih rastrskih označb. Testi so pokazali, da je rastrsko vodenje žarka izvedljivo in zelo primerno za hitro označevanje preprostih označb na obdelovance, ki so že vključeni v nek proces obdelave na tekočem traku. Ključne besede: lasersko označevanje, odklanjalo žarka, rastrsko vodenje žarka, optomehatronski sistem, ■ 1 Uvod Zaradi vedno ostrejših zahtev glede kvalitete izdelkov in polizdelkov na področju proizvodnega strojništva mora sodobni proizvodni proces zagotoviti zmožnost sledenja posameznega izdelka z ustreznim označevanjem. Lasersko označevanje je proces, ki zagotavlja neizbrisno oznako poljubne vsebine, oznaka pa ne vpliva na mehanske lastnosti označene komponente [1]. Zaradi tega se laserske označevalne naprave v proizvodnem strojništvu vse pogosteje uporabljajo, Dr. Aleš Babnik, univ. dipl. inž., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aleš Bizjak, univ. dipl. inž., I.H.S., d. o. o., Krško, izr. prof. dr. Janez Diaci, univ. dipl. inž., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo čeprav je začetna investicija praviloma višja kot pri alternativnih tehnologijah označevanja izdelkov. Lasersko označevanje se v praksi najpogosteje izvaja z vodenjem laserskega žarka po površini obdelovanca bodisi z dvodimenzionalnim odklanjanjem žarka ali pa s kombinacijo odklanjanja žarka v eni smeri in premikanjem obdelovanca v drugi smeri. S tem dosežemo hitrosti označevanja, primerljive hitrostim ostalih označevalnih tehnik. Dvoosno premikanje obdelovanca, ki je običajno pri drugih laserskih obdelovalnih procesih, se pri označevanju ne uporablja zaradi prenizkih hitrosti vodenja žarka [2]. Za odklanjanje žarka se pretežno uporabljajo mehanski sistemi, med njimi pa prevladujejo odklanjala z galvomotorji. V posebnih primerih, ko so zahtevane zelo visoke hitrosti označevanja, se uporabljajo tudi akustično-optični [3] in holografski odklonski sistemi [4]. V obstoječih industrijskih sistemih za lasersko označevanje prevladujejo odklanjala z dvema nihajočima zrcaloma, ki vodita žarek po obdelovancu v dveh medsebojno neodvisnih in pravokotnih oseh [5]. Izstopni laserski žarek se s pomočjo posebne zbiralne leče fokusira na površini obdelovanca. Ta način odklanjanja zagotavlja najvišjo stopnjo univerzalnosti na račun nekoliko nižje hitrosti vodenja ter velikosti delovnega območja. Obstajata dva osnovna načina vodenja laserskega žarka v dvorazsežnem prostoru: vektorski in rastrski [6]. Pri vektorskem načinu vodimo laserski žarek vzdolž vektorjev - daljic poljubnih smeri. Kontura in polnitev označbe sta tako sestavljeni iz množice vektorjev, ki jih izrisuje žarek. Vektorsko vodenje je možno izvajati le z dvoosnimi odklanjali. Osnovna ideja rastrskega načina vodenja pa je v tem, da žarek premikamo po obdelovancu po vzporednih ravnih črtah - vrsticah in pri tem prižigamo oziroma ugašamo laserski žarek glede na zahtevano označbo. Odklanjanje žarka v smeri vrstice je mogoče izvesti tudi z vrtljivim poligonskim zrcalom, medtem ko lahko pomik v smeri pravokotno na vrstico izvaja obdelovanec sam [7]. Ta način vodenja žarka je zanimiv zato, ker omogoča doseganje večje hitrosti označevanja v primeru enostavnih črkovnih oziroma številskih oznak in ne zahteva zapletenega krmilnega sistema. V prispevku predstavljamo zasnovo in razvoj mikroprocesorsko vodenega krmilnika, ki omogoča sinhrono izvajanje ključnih operacij: vrtenje poligonskega zrcala, pomikanje ob-delovanca in prižiganje laserskega žarka tako, da je možna izvedba enostavnih oznak. Delovanje krmilnika in sistema za rastrsko vodenje žarka smo preizkusili in okarakte-rizirali na laboratorijskem laserskem označevalnem sistemu [8]. ■ 2 Zasnova in razvoj sistema Vrteče se poligonsko zrcalo je uveljavljen način odklanjanja laserskega žarka, saj se množično uporablja v laserskih tiskalnikih [4, 7]. Delovanje odklanjala temelji na odboju laserskega žarka na ravni zrcalni površini rotirajoče prizme v smeri proti obdelovancu. Kot odboja je odvisen od trenutnega naklona zrcalne površine, zato z vrtenjem prizme odbiti žarek potuje po površini obdelovanca s hitrostjo, ki je odvisna od hitrosti vrtenja prizme. Ena izmed temeljnih odločitev pri snovanju odklanjala s poligonskim zrcalom je izbira poligonske prizme (števila stranic poligona in karakteristična dimenzija - npr. dolžina stranice) [7]. Ta izbira mora biti usklajena s premerom žarka in njegovim karakterističnim vpadnim kotom tako, da je območje odklonskega kota odbitega žarka čim večje (slika 2). V idealnem premeru (neskončno tanek žarek in geometrijsko pravilna prizma) je največje možno območje odklonskega kota žarka določeno s številom stranic N poligonske prizme: prikazom prizme v dveh položajih ilustriramo znano zakonitost, da zasuk prizme za kot A9 povzroči odklon (spremembo smeri) odbitega žarka za kot A9, pri čemer velja: -360°/N < (p < +360°/N (1) Ap = 2A0 (2) Zaradi končnih dimenzij realnih žarkov, izdelovalnih toleranc prizme in aberacij optičnega sistema za odklanjalom je dejansko dosegljivo območje odklonskega kota žarka vselej manjše od teoretičnega. Razliko med njima imenujemo mrtvi kot. V območju mrtvega kota odbiti žarek bodisi ne zadane obdelovanca ali pa je kot odbitega žarka glede na obdelovanec tolikšen, da povzroči prevelike optične napake. Analiza je pokazala, da je za naš primer šest odbojnih ploskev (šesterostrana prizma) optimalna rešitev, ko razpoložljivi kot zavzema skoraj celotno delovno širino na obdelovancu, hkrati pa je mrtvi kot ob straneh minimalen. Slika 1 prikazuje izbrano zasnovo kinematskega podsistema s šesterostrano prizmo v funkciji odklanjala žarka. Pomembno je opozoriti, da je pomik s žarka po obdelovancu povezan ne le z odklonom A9 žarka, temveč tudi s pomikom vpadne točke P vzdolž zrcalne stranice prizme med vrtenjem. Podrobna teoretična analiza pokaže [7], da je vsaj na prvi pogled funkcija s = s(9) močno nelinearna. Ob upoštevanju konkretnih geometrijskih parametrov našega sistema in predvidenih največjih odklonov pa se izkaže, da znašajo največji odstopki od linearnosti le nekaj odstotkov. Glede na to, da je bil v tej fazi raziskave predvsem cilj pokazati izvedljivost ideje rastrskega označevanja na podlagi delujočega prototipa, smo se odločili, da pri razvoju algoritmov vodenja žarka in programske opreme nelinearnost zanemarimo. S tem se algoritmi vodenja bistveno poenostavijo. Analiza vplivov neline-arnosti in na tej osnovi more- bitna nadgradnja algoritmov pa sta umestni v kasnejši fazi izpopolnitve prototipa. Slika 1. Zasnova kinematskega podsistema naprave za rastrsko lasersko označevanje. Prelet laserskega žarka vzdolž osi X predstavlja eno delovno vrstico, s pomikom mize vzdolž osi Y lahko realiziramo dvorazsežno polje delovnih vrstic. Z vidika zasnove odklanjala s prizmo je ključna povezava med kotom zasuka prizme in pomikom s laserskega žarka po površini obdelovanca. Slika 2 ilustrira geometrijska razmerja pri vrtenju odklonske prizme. Zaradi nazornosti je namesto celotne prizme prikazan le enakostranični trikotnik, ki predstavlja 1/6 celotne prizme. S Na podlagi navedene lineari-zacije lahko zapišemo zvezo med pomikom Aslaserskegažar-ka med dvema točkama na površini obdelovanca in ustreznim zasukom A9 prizme v obliki: As = kAd (3) kjer je k konstanta, ki je določena z geometrijskimi parametri sistema. Če zagotovimo, da se prizma vrti s konstantno kotno hitrostjo ra = dd/dt, potem velja: As = krnAt (4) iz česar sledi, da je želene pomike As žarka mogoče realizirati z zagotovitvijo primerne (konstantne) kotne hitrosti in časovnega intervala At med posameznimi bliski označevalnega laserja. Oboje je izvedljivo s pomočjo sodobnih mikrokrmil-nikov. površine (»fasete«) na prizmi. V tem položaju je obdelovalni žarek izklopljen, kazalni žarek pa vodimo preko dveh referenčnih zrcal na fotodiodo. V tem položaju ta odda referenčni pulzni signal, ki določa sistemskemu krmilniku časovni trenutek začetka vrstice v rastru, kar omogoča sinhronizacijo celotnega sistema. Naloga sistemskega krmilnika je, da glede na izbrano kotno hitrost in referenčni signal prižiga obdelovalni žarek skladno z zapisom posamezne seveda prične s tolikšno zakasnitvijo, da se žarek nahaja izven območja mrtvega kota 9^. F-theta leča je posebna vrsta lečja, ki se uporablja v sistemih vodenja žarka z gibljivimi zrcali, v katerih je leča za odklan-jalom [5]. F-theta leča omogoča, da je gorišče žarka na površini ob-delovanca ne glede na kot, pod katerim vpada žarek na lečo. Zrcalo na vstopu žarka v odklanjalo omogoča natančno nastavitev vpadnega kota žarka na faseto. Slika 2. Ilustracija geometrijskih razmer pri vrtenju odklonske prizme. Zasuk prizme za kot Ad = d2 - = 30° povzroči spremembo smeri odbitega žarka za kot A