激光雕刻机的原理及使用.docx

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激光雕刻机的原理及使用

编号

本科生毕业设计（论文）

激光雕刻机的原理及使用

LaserEngravingMachinePrincipleandApplication

学生姓名

专业

学号

指导教师

分院

2012年6月

摘要

激光具有极高的发光强度，同时又具有方向性、相干性、单色性，激光通过激光器产生后由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上，使加工物品（表面）受到强大的热能而温度急剧增加，使该点因高温而迅速的融化或者汽化，配合激光头的运行轨迹从而达到加工的目的。

激光雕刻：

主要是在物体的表面进行，分为位图雕刻和矢量雕刻两种：

　位图雕刻：

我们先在PHOTOSHOP里将我们所需要雕刻的图形进行挂网处理并转化为单色BMP格式，而后在专用的激光雕刻切割软件中打开该图形文件。

根据我们所加工的材料我们进行合适的参数设置就可以了，而后点击运行，激光雕刻机就会根据图形文件产生的点阵效果进行雕刻。

　　矢量雕刻：

使用矢量软件如CoreIDRAW，AutoCad，Illustrator等排版设计，并将图形导出为PLT，DXF，AI格式，打标机，然后再用专用的激光切割雕刻软件打开该图形文件，传送到激光雕刻机里进行加工。

关键词：

激光雕刻位图雕刻矢量雕刻

ABSTRACT

Laserwithhighluminousintensity,butalsohasdirection,coherent,monochromatic.Laserbylasergeneratedafterreflectedbythemirrorandthroughtheassembledmirrorirradiatedtotransferprocessingarticles,Makegoodsprocessing（surface）isastrongheatandtemperatureincreasesharply,Thepointbecauseofhightemperatureandrapidmeltingorvaporizing,combinedwithlaserheadsoastoachievethepurposeofprocessingtherunningtrack.

Laserengraving:

mainlyinthesurfaceoftheobject,bitmapandvectorforcarvingsculpturetwo:

Bitmapcarving:

wefirstinPHOTOSHOPweneedtocarvethegraphicswerehangingnetprocessingandconversiontoamonochromeBMPformat,theninaspeciallaserengravingcuttingsoftwareopenthegraphicfile.Accordingtotheprocessingofthematerialweareappropriateparameterscanbe,andthenclickRun,laserengravingmachinewillbebasedongraphicsfilesgeneratedlatticeeffectcarving.

Vectorcarving:

usingvectorsoftwaresuchasCoreIDRAW,AutoCad,Illustratorlayoutdesign,andgraphicswillbeexportedasPLT,DXF,AIformat,markingmachine,thenthespeciallasercuttingengravingsoftwaretoopenthegraphicfile,transmitstothelaserengravingmachineforprocessing.

Keywords：

LaserCarvingBitmapcarvingVectorcarving

绪论

激光自1960年问世后,很快在生产中得到应用。

其后,随着对有关基本理论研究的不断深化。

各类激光器件不断地发展,使其应用领域也不断拓宽,应用规模逐渐扩大,所获得的社会效益和经济效益更加显著。

作为高科技之一的激光技术,是20世纪科学技术发展的重要标志和现代信息社会光电子技术重要支柱之一。

激光技术不仅受到技术先进国家的高度重视,而且也受到许多发展中国家的高度重视,并给与大量的投入。

20世纪80年代以来,在很多国家都把激光技术列为国家级发展计划。

例如,美国的“激光核聚变计划”[1]、英国“阿维尔计划”[2]等这些计划的实施使激光技术得到迅速发展,并且已经形成了一个生机勃勃的新兴产业。

与此同时,激光技术的发展大大促进了科技、医疗、技术等多方面的进步和提高。

国外的柔性版印刷使用激光雕刻的陶瓷网纹辊已经多年,其成功的关键是质量。

激光雕刻机能在印刷滚筒上刻出全无接缝的连续图案。

然而,对非连续图案的印件来说,激光雕刻的印版和滚筒的价格就显得高了一些。

尽管印版和滚筒的使用寿命长和印刷质量高等优点能补偿较高的制版费用,但成本高仍然可能延缓激光雕刻技术的发展。

目前,质量仍然是个重要因素,但重点已转到生产率上。

由于印刷厂要求高线数的网纹辊,而且雕刻质量要好,雕刻网纹辊就要花很长时间。

既要提高质量,又要降低成本,这就要求改进激光雕刻技术,提高激光雕刻的速度。

从而在这方面已取得了可喜的成就。

原则上说,用激光在包有陶瓷的辊子上雕刻网格图案是容易的。

就是把陶瓷辊放在车床上并使之旋转,把一束激光聚焦在辊子表面上,并使激光束沿辊子长度方向移动,同时使激光束不停地开和关。

这样,辊子上就会布满小孔，所形成的网格大小和图案取决于许多可变因素。

对上胶辊之类的粗网格雕刻来说,只要对上述工艺稍作改进就行了。

然而,对高质量的网纹辊雕刻来说,那就完全是另一回事了。

柔性版印刷厂需要的是给墨性能始终如一的网纹辊。

这意味着,网格形状要均匀一致,容积差要减至最小。

网格图案也一定要规则,以保证传墨均匀,特别是在印实版时。

在激光技术中激光雕刻技术是较常见的。

激光雕刻有三种方式:

CO2激光雕刻,Nd:

YAG激光雕刻及准分子激光雕刻。

这三种激光雕刻技术都在某些方面体现了它们各自的特性和优点,所以有不同的应用领域。

第一章激光雕刻机中激光产生的原理

1.1普通光源的发光——受激吸收和自发辐射

普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，处于低能级E1的原子受到一个外来光子（能量ε=hv=E2-E1）的激励作用，完全吸收该光子的能量而跃迁到高能级E2的过程，叫作受激吸收[3]。

在通常情况下，处在高能级E2的原子是不稳定的。

在没有外界影响时，它们会自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为hv的光子，有hv=E2-E1；这种与外界影响无关的，自发进行的辐射称为自发辐射[3]。

原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。

由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。

在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp（-E/kT），这是著名的波耳兹曼分布规律。

于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1∝exp{-（E2-E1）/kT}式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。

因为E2>E1，所以N2《N1。

例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则N2/N1∝exp（－400）≈0可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。

一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。

1.2受激辐射和光的放大

原子系统的两个能级E2和E1满足辐射跃迁选择定则，当受到外来能量hv=E2-E1的光照射时，处在E2能级的原子有可能受到外来的激励作用而跃迁到较低的能级E1上去，同时发射一个与外来光子完全相同的光子，这种原子的发光过程叫作受激辐射[3]。

受激辐射的特点是：

只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。

受激辐射所发出的光子与外来的特性完全相同，即频率相同、相位相同、偏振方向相同、传播方向相同。

受激辐射的结果使外来的光强得到放大，即光经过受激辐射后，特征完全相同的光子数增加了。

受激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程，因而各原子的受激辐射的相位不再是无规则分布，而应具有和外界辐射场相同的相位。

在量子电动力学的基础上可以证明：

受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；或者说，受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，因而是相干的。

光的受激辐射过程是产生激光的基本过程。

而在量子理论中，一个能级对应电子的一个能量状态。

电子能量由主量子数n（n=1,2,…）决定。

但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。

对轨道角动量，波尔曾给出了量子化公式Ln＝nh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。

严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。

量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l（角动量量子数）量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。

如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。

在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。

这种能级称为亚稳态能级。

但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。

这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射[4]。

受激辐射的概念世爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。

他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。

受激辐射的过程大致如下：

原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hv正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。

这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。

于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。

这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。

1.3粒子数反转

粒子数反转是激光产生的前提。

两能级间受激辐射几率与两能级粒子数差有关。

在通常情况下，处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数，这种情况得不到激光。

为了得到激光，就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目，因为E2上的原子多，发生受激辐射，使光增强（也叫做光放大）。

为了达到这个目的，必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2，处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数。

这样就在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。

第二章激光雕刻机的结构及雕刻原理

2.1激光雕刻机结构

激光雕刻机包括激光器和其输出光路上的气体喷头，其中气体喷头的一端是窗口，另一端是与激光器光路同轴的喷口；激光雕刻机气体喷头的侧面连接着气管，气管与空气或氧气源相连接，空气或氧气源的压力为0．1～0．3Mpa；激光雕刻机的氧气源中的氧气占其总体积的60％；此外，在激光雕刻机激光器和气体喷头中间的光路上安装有反射镜，从而提高雕刻的效率，使被雕刻处的表面光滑、圆润，迅速地降低被雕刻的非金属材料的温度，减少被雕刻物的形变和内应力[5]。

2.2激光雕刻原理

使用激光雕刻和切割，过程非常简单，如同使用电脑和打印机在纸张上打印。

您可以在win98/win2000/winxp环境下利用多种图形处理软件，如coreldraw等进行设计，扫描的图形，矢量化的图文及多种cad文件都可轻松地“打印”到雕刻机中。

唯一的不同之处是，打印将墨粉涂到纸张上，而激光雕刻是将激光射到木制品、亚克粒、塑料板、金属板、石材等几乎所有的材料之上。

点阵雕刻点阵雕刻酷似高清晰度的点阵打印。

激光头左右摆动，每次雕刻出一条由一系列点组成的一条线，然后激光头同时上下移动雕刻出多条线，最后构成整版的图象或文字。

扫描的图形，文字及矢量化图文都可使用点阵雕刻[6]。

矢量切割与点阵雕刻不同，矢量切割是在图文的外轮廓线上进行。

我们通常使用此模式在木材、亚克粒、纸张等材料上进行穿透切割，也可在多种材料表面进行打标操作。

雕刻速度雕刻速度指的是激光头移动的速度，通常用ips（英寸/秒）表示，高速度带来高的生产效率。

速度也用于控制切割的深度，对于特定的激光强度，速度越慢，切割或雕刻的深度就越大。

您可利用雕刻机面板调节速度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。

在1%到100%的范围内，调整幅度是1%。

悍马机先进的运动控制系统可以使您在高速雕刻时，仍然得到超精细的雕刻质量。

雕刻强度雕刻强度指射到于材料表面激光的强度。

对于特定的雕刻速度，强度越大，切割或雕刻的深度就越大。

您可利用雕刻机面板调节强度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。

在1%到100%的范围内，调整幅度是1%。

强度越大，相当于速度也越大，切割的深度也越深。

光斑大小激光束光斑大小可利用不同焦距的透镜进行调节。

小光斑的透镜用于高分辨率的雕刻。

大光斑的透镜用于较低分辨率的雕刻，但对于矢量切割，它是最佳的选择。

新设备的标准配置是2.0英寸的透镜。

其光斑大小处于中间，适用于各种场合。

可雕刻材料木制品、有机玻璃、金属板、玻璃、石材、水晶、可丽耐、纸张、双色板、氧化铝、皮革、树脂、喷塑金属。

加工技术参数

雕刻面积：

30*40,40*60,60*90,60*130,90*140125*1850CM等可选；　　

雕刻速度：

0~~72米/分钟；可以无级调速；　　

最小成型文字：

汉字2×2mm字母1×1mm　　

分辨率：

0.025mm　　定位精度：

<0.01mm　　

支持图形格式：

BMP、HPGL（PLT）、JPEG、GIF、TIFF、PCS、TGA、DST、DXP　　

2.3雕刻方法

激光雕刻：

主要是在物体的表面进行，分为位图雕刻和矢量雕刻两种：

　位图雕刻：

我们先在PHOTOSHOP里将我们所需要雕刻的图形进行挂网处理并转化为单色BMP格式，而后在专用的激光雕刻切割软件中打开该图形文件。

根据我们所加工的材料我们进行合适的参数设置就可以了，而后点击运行，激光雕刻机就会根据图形文件产生的点阵效果进行雕刻。

　　矢量雕刻：

使用矢量软件如CoreIDRAW，AutoCad，Illustrator等排版设计，并将图形导出为PLT，DXF，AI格式，打标机，然后再用专用的激光切割雕刻软件打开该图形文件，传送到激光雕刻机里进行加工[7]。

第三章激光雕刻机的使用及注意事项

3.1激光雕刻机的使用说明

操作面板说明

电源开关：

用来启动或关闭激光雕刻机。

电流指示：

用来指示雕刻机的电流大小。

电流调节：

用此电位器根据电流指示来调节雕刻时电流大小。

照明开关：

用来启动或关闭激光雕刻机内部的照明灯（若干机器无此开关）。

激光开关：

用来控制激光器是否发光，在雕刻印章时此开关为接通状态（即按下）

测试开关：

此开关按下时激光器则发光，此时根据电流表显示数据调节电位器用来调节雕刻时的电流大小。

此开关仅用于调试机器和查看雕刻时的电流大小，在机器正常工作时需要断开，计算机会自动控制进行雕刻。

使用时，应先启动冷却水泵，再启动激光雕刻机，并确保冷却水循环。

启动雕刻系统排版软件，设计好要雕刻的图像，定好雕刻位置，（具体步骤请参见软件说明书）将雕刻章料固定到夹具上，使料子平面与夹具平面在一个平面上，即可进行雕刻输出。

电流的调节应根据不同的材料和工艺要求来调节电流的大小。

3.2激光雕刻机的基本操作流程

首先，打开水泵，气泵，让激光管里的水循环3分钟。

并且依次打开主机电源，风机电源。

激光电源，用试光键检测是否出光。

打开控制软件，检测上下左右光头是否移动。

然后，放好工件，调好焦距，较厚材料切割用63.5mm=2.5“或73.5=3”长焦距透镜，精细雕刻用50mm=2短焦距透镜。

操作电脑传输文件，开始雕刻。

雕刻结束后，依次关闭激光电源、主机、风机、水泵、气泵。

3.3激光雕刻机的雕刻操作过程

一个完整的雕刻操作过程分为四步：

一在雕刻软件中计算好路径文件；二生成G代码目标文件；三把文件下载到DSP操作手柄中；四在雕刻机上完成雕刻加工。

首先在软件中按内容排好版面，导入雕刻软件中。

胸牌制作（常规大小：

2CM×7CM）

常用刀具：

20°×0.120°×0.230°×0.130°×0.2

首先用稍大点的刀（刀尖宽度大点）计算走刀路径，用“2D”计算时铣底刀具与勾边刀具要保证是同一把刀，重叠率一般在20%—30%左右，然后通过局部放大检查路径，看细笔画能否过刀，若能过，尽量采用大刀；若不能过，则改用稍小一点的刀具，再试，直致能过满意为止。

PVC字切割；

常用刀具：

12mm（切10MM及以下厚度）17mm（切15MM）22mm（切20MM）

因PVC材料熔点较底，一般在材料表面字边缘会有部分熔瘤现象，需要用美工刀修饰一下，这会影响字的美观效果，而紧临台板面则光滑平整，因此我们建议：

切PVC字时，先将加工对象作镜像处理，再算刀具路径，这样保证字面向下，即字边缘光滑整洁。

切割时要保持字的大小不变，需选择外轮廓切割；且计算双色板及PVC切割路径时，勾边要选择“顺时针”算路径。

水晶字的切割；

常用刀具：

同PVC，只是建议切割20MM厚的亚克力时，选用∮4×22的刀具，更耐用一些。

其他厚度选用∮3.175即可。

水晶字熔点高，不需要切割时做镜像处；勾边要选择“逆时针”算路径。

以G代码文件格式保存雕刻路径，以便传到DSP手柄控制软件。

在雕刻软件中算好路径后，最好先在软件中把雕刻路径保存一下。

再单击工具箱“雕”旁边的“G”图标，弹出“将雕刻结果存成文本文件”的窗口，单击“查找”定义文件名（强烈建议存为中文文件名），其中“保存类型”应改为“G-codeFiles（*.nc）”,单击“保存”返回上级窗口；再设定抬刀距离：

一般雕刻设为2mm即可；切割时稍大点，一般5mm-8mm左右；再单击“确认”存盘，当此窗口消失后，存盘完毕。

下载G代码文件到DSP手柄；

将手柄与电脑通过USB线连接，屏幕上显示为“是否回原点”，可以不理会；也可以直接按手柄上的（手柄最下面一排右边数第二个键）弹出XYZ坐标参数。

在桌面上启动“DSP下载控制软件”，单击“文件”，单击“打开”弹出“打开窗口”，将“文件类型”改为“所有文件（*.*）”，在第2步的存盘路径中找到保存有路径的文件，单击它出现“文件名”栏内，再单击“打开”调入版面。

单击“查看”可选择“显示全部”，或者用F3，F2键对文件内容放大，缩小。

在下载文件前，需确定加工参数，请单击“配置”，单击“自动加工配置”修改加工参数。

供参考：

自动加工速度：

雕刻可以选择2000-4000；切割PVC亚克力选择：

1000-2000；自动空运行速度：

2000-3000即可；落刀速度倍率：

0.5-1（视加工材料定）。

单击“操作”，单击“下载加工文件”弹出“请输入加工数据名称”加工数据名称：

强烈建议取中文文件名，最好跟雕刻内容有关系（方便以后查找）。

下载到哪个文件：

共有9个位置可选，在手柄用切换页面，一次显示3个文件。

是否分页：

暂时没有用处可以不选。

单击“确认”下载文件，完毕后，关闭软件，拔下USB手柄。

雕刻机上的操作；

将手柄连接到雕刻机控制线上，打开整机的控制电源，再打开主轴电源（在雕刻机上禁止带电拔插USB手柄）。

当手柄屏幕上提示“是否回原点”时必须按左下角键，回归机械原点，完成整机初始化工作。

这时通过手柄上的移动电机头左右运动；移动龙门前后运动；移动主轴电机上下运动，让刀具靠近加工材料表面。

一般做法是先移动XY两轴，大致到要定点的位置，再移动Z轴向下：

这时先通过键切换成低速状态，在手柄屏幕左下部有状态显示，通过键切换成连续方式，观察刀具快接近材料面时，再次通过切换成步进模式，在屏幕左下角一样有提示，通过按来启动主轴电机，让刀具高速运转起来，当速度稳定下来以后，把刀具定点在材料表面。

当刀具定好加工点以后，在雕刻工作之前，必须按键，将XY两轴坐标归零，再按将Z轴坐标归零，当屏幕XYZ轴坐标均显示为0时，系统会自动记忆本次操作的加工原点，供下次加工调用；这时再按屏幕将弹出3个待加工的数据文件（一共是9个文件，可通过翻页循环查找），当找到要加工的文件后，按其前面对应的数字键，先跳出加工文件名称，稍后跳出加工参数（自动加工速度，自动空运行速度，速度倍率），其中的“速度倍率”可通过进行增减，最小为0.1，最大为1；实际加工速度由自动加工速度跟速度倍率的相乘的积而定。

实际加工速度=自动加工速度×速度倍率速度倍率最大为1即全速、最小为0.1，即自动加工速度的1/10。

当雕刻双色板时，可先将倍率调为0.5，即一半左右，看实际加工效果如何，再确定增加多少速度（注：

雕刻加工时屏幕左下部显示）。

当切割亚克力时，速度不要超过1000，当定好速度倍率时，按手柄上的，开始输出加工。

3.4激光雕刻机高效使用方法

良好接地.激光电源，机床床体必须有良好的接地保护，地线应用小于4Ω的专用地线。

必要性在于：

可保证激光电源正常工作、可延长激光管使用寿命、可防止外界干扰造成机床跳动、防止高压放电偶然造成电路损伤.特别建议:

在网电不稳的地区（如电压起伏超过5%以上的），请用户安装一个容量至少在3000W以上的稳压电源，防止电压突然起伏烧毁电路或电脑。

清洁保养，良好排风，随时擦拭机床的清洁养护，是机床正常工作的必要条件。

机床导轨是高精密核心部件，每项工作完成后必须擦干净，保持光洁润滑，各轴承也要定期注油，这样才能使驱动灵活，加工精确，延长机床的使用寿命。

冷却水要畅通，无论是用自来水还是循环水泵，必须保持水流畅通。

冷却水是带走激光管产生的热量的，水温越高，光输出功率越低（以15-20℃水温为佳），断水时会因激光腔内积热而导致管端炸裂，甚至损坏激光电源。

所以随时检查冷却水是否畅通是十分必要的，当水管有硬折（死弯）或脱落，以至水泵失灵时，必须及时修复，以免功率下降甚至造成设备损坏。

环境温度应在5-35℃范围，特别注意的是：

若在冰点以下环境中使用必须做到：

防止激光管内循环水结冰，停机后必须