基于532nm绿色激光内雕加工工艺设计

I基于 532nm绿色激光内雕加工工艺设计摘要：目前研究的激光内雕机的重点都放在了工艺研究上，它也是目前制约内雕技术进一步发展的关键因素。本论文根据目前雕刻技术的现状，在现有的内雕工艺的基础上，通过进一步了解激光雕刻原理，设计新的加工工艺。本文以国产 ZT-532B 设备为例，在现有的设备水平和工艺方案下，分析影响因素，通过实验总结各个参数对水晶玻璃的雕刻质量和效率的影响规律，主要研究了以下几个方面：1 根据激光内雕原理，分析雕刻的形成过程；2 系统分析激光雕刻影响因素，包括功率、焦距、图形点数、雕刻次数；3 在 Coreldraw 制作所要雕刻图形的矢量图；4 通过实验总结，重点分析了激光雕刻速度、点距离、图形点数及雕刻次数对激光内雕的影响，总结得出了工艺参数优化方案；本篇文章通过对各种参数设置进行试验比对和分析，根据影响雕刻质量的因素隔 出了自己的加工工艺方案，达到了课题研究的目的。关键词：激光雕刻，工艺设计IIDesign of green laser internal carvings based on 532nmAbstract：At present, the focus of the research laser is on the process, and it is also the key factor that restricts the further development of the inner carving technology. Based on the present situation of engraving technology, this paper, based on the existing internal carving technology, designs new processing technology by further understanding laser engraving principle. This article in domestic ZT-532B equipment, for example, under the existing equipment levels and technology of the scheme, the analysis of influence factors, through the experiments of various parameters on the crystal glass carving the influence law of quality and efficiency, mainly studied the following aspects:1. Analyze the forming process of engraving according to the principle of laser engraving;2. The system analyzes the influencing factors of laser engraving, including power, focal length, graphics points and engraving times;3. The vector drawing of the engraving figure to be made in Coreldraw;Through the experiment summary, the influence of laser engraving speed, point distance, figure points and number of engravings on the laser engraving is emphatically analyzed, and the optimization scheme of process parameters is summarized.This article, through the comparison and analysis of various parameter Settings, according to the factors that affect the quality of carving, the process plan is separated, and the purpose of the research is achieved.Keywords: laser engraving, Process design目录III摘要： .I1 绪论 .11.1 引言 .11.2 课题背景及目的和意义 .11.3 激光内雕机的国内外发展现状 .22 激光雕刻原理 .32.1 ZT-523B 雕刻机介绍 .32.1.1设备结构分析 .32.2.2激光内雕机操作流程 .42.2 激光雕刻原理 .52.3 原理分析 .62.4 制作内雕机矢量图 .62.4.1位图与矢量图 .62.4.2位图与矢量图的区别 .62.4.3制做内雕机矢量图的方法 .72.5 内雕实例 .82.6 使用激光内雕机注意事项 .93 激光雕刻 .103.1 功率大小的确定 .103.2 焦距对雕刻质量的影响 .103.3 雕刻次数对雕刻质量的影响 .103.4 雕刻点数对雕刻质量的影响 .123.5 研究雕刻速度对激光内雕效率的影响 .123.6 实验结果分析 .144 工艺设计及作品展示 .154.1 工序卡片设计 .154.2 加工工艺设计 .164.3 作品展示 .175 结论和展望 .185.1 结论 .185.2 展望 .18参考文献 .20致 谢 .21附件 A 外文文献及翻译 .2211 绪论1.1引言随着激光技术的发展，激光雕刻技术成为一门崭新的工业加工技术。计算机图形学、计算机辅助技术、信息技术、工业控制等学科在激光加工领域的交叉渗透，使得激光雕刻的应用范围大大扩展。目前激光雕刻可对多种材料(如玻璃、大理石、 塑料、橡胶等)进行精密雕刻，通过光能导致材料表层发生物理化学变化，最终显示图像或文字。激光玻璃内雕加工技术属于激光雕刻技术的一种，是将脉冲强激光在玻璃内部聚焦，产生微米级大小的汽化爆裂点，通过计算机控制爆裂点在玻璃体内的空间位置，构成绚丽多姿的立体图像，将玻璃工件加工成惹人喜爱的工艺品。本课题拟在现有雕刻工艺的基础上，以国产 ZT-532B 雕刻机为例分析研究各种影响因素，通过实验研究的方式，测试各种加工参数对水晶玻璃雕刻质量以及雕刻效率的影响，制定出参数标准和工艺规程,提升雕刻的质量和效率。1.2课题背景及目的和意义随着社会的发展，人们的鉴赏水平有了很大的提高，水晶内雕工艺品不再是超出人们经济能力范围的奢侈品，在发达国家已走进寻常百姓家。这为激光器在内雕行业中的应用带来了强大的动力。目前，水晶内雕机已经完成了由白光机向绿光机、灯泵机向半导体泵普及；工位机向振镜机的转变，内雕的效果越来越好，内雕机的工作效率也越来越高 1。中国礼品市场目前虽然种类繁多，但是能达到永久收藏和独特个性的作品很少很少。激光水晶内雕设备提供的水晶内雕个性化立体人像定制服务能将一张普通的平面照片转成 3D 立体人像，雕刻在透明的水晶玻璃体内，外部无任何损坏，这种表现方式填补了数码照片和艺术雕像的空白。这项技术，给平静的中国礼品盒数码照片市场带来了新的发展机遇 2。本课题就影响激光内雕机工作的效率和质量问题展开研究，探讨焦距、雕刻点数、雕刻次数对激光内雕机的影响，从而寻找出最佳的2工艺路线。1.3激光内雕机的国内外发展现状世界激光产业的发展按区可划分为美国、欧洲、日本及太平洋地区。市场份额美国约占 55%，欧洲约占 22%,日本及太平洋地区约占23%，500 瓦以下的中、小功率激光器是美国占优势，500 瓦以上用于材料加工的高功率激光器是德国占优势，而小功率的半导体激光器则是日本占优势，占世界市场的 70%以上 2。美国、日本、德国三个国家激光产业的发展代表了当今世界激光产业发展的趋势。德国在激光材料加工设备方面占明显优势，美国在激光医疗及激光检测方面领先在前，日本则在光电子技术方面占首位。这表明各个国家的发展都与他们的自己的工业基础有关。美国之所以在光电子技术方面落后于日本，主要原因是美国的半导体工业落后于日本，因此，美国光电子工业发展协会提出要在光电子工业方面迎头赶上，使美国在光电子世界市场上占有较大的份额。 目前,我国共有 5 个国家级的激光技术研究中心,10 多个研究机构;有21 个省、市生产和销售激光产品,主要分布在湖北、上海、江苏和北京;常年有定型产品生产和销售、并形成一定规模的单位有 170 家,从业人员万余人。据统计, 2015 年全国激光市场销售总额累计达到19.11 亿元,其中创汇 4045.5 万元,主要为光通信器件、晶体激光加工设备、激光器、激光医疗设备等。32 激光雕刻原理2.1 ZT-523B 雕刻机介绍 ZT-532B 雕刻机时正大激光雕刻机里较为低端的一类雕刻机，采用的激光器是半导体泵浦固体绿光激光器，这种激光器波长为 532nm，雕刻速度为 800-2000 点/秒，激光频率是 2500Hz，最大功率 500W。最大加工端面为 1200*1200mm 7。2.1.1设备结构分析图 2.1 激光内雕机结构原理图图 2.1 所示的是整个激光雕刻机结构原理图，主要包括了升降工作台、激光镜头、激光器、冷却系统、控制系统等模块构成，外接 PC机及相应软件构成一个雕刻机系统，可将其模块划分为三类:工作模块、保护模块、其他辅助设施， 前两者是整个设备核心所在，工作模块如激光镜头、激光器、升降台等是直接参与加工，保护模块例如急停控制、冷却系统，作为设备的保护，在开启设备时一定要确保这部分要启动，否则将造成设备损坏，甚至可能对人造成伤害。4图 2.2 激光内雕机主视图 图 2.3 软件界面展示 图 2.2 为正天 ZT-523B 激光内雕机主视图，2.3 为激光内雕软件打开界面。其中 A 为模型位置与尺寸设定栏，B 参数设定栏，C 栏主要包含点、线、面模式，由章节 3.4 可知，基本选择面模式，D 为优化与加工选项，E 为调整工件选项。2.2.2激光内雕机操作流程1 开机1 确认电压是否为 220V，确认机器连接线是否连接，确认无误后将设备外供电电源闸闭合；2 将急停开关EMERGENCY顺时针旋转使之处于释放状态；3 打开设备电源，将钥匙插入开关LOCK顺时针旋转至 180至按键START按键，启动系统；4 将钥匙从顺时针旋转 180的START按键处逆时针旋转 90；5 打开显示器，打开激光内雕软件；6 按下激光器电源开关LASER ON电流表显示当前的电流；7 将电流表缓慢、匀速调至可以雕刻的电流值，报警指示灯没有报警即可；8 选择所要雕刻的图片，并在内雕软件中打开，然后调整位置；9 使用千分尺测量工件的长宽高，和试雕工件的长宽高并记录；且设置参数。例如工件大小、物料高度、点距离、频率、雕刻次数并5生成点云；2 试打10 在工作台上放置有机玻璃试件，并且固定位置；11 点击内雕选项，调整工作台位置，使其处于初始位置之后再开始内雕，此次目的是试雕，且找到电脑屏幕的位置与工作台工件的位置关系；3 精雕12 重新设置电脑上的参数,所需要雕刻的工件的大小为 25，物料高度为 8，点距离为 0.05mm，点数为 20 万，雕刻次数为 1 次；并点击参数设为默认；13 点击生成点云，电脑显示屏中图像的颜色变为白色即为已经生成了点云；14 点击内雕选项，其后调整工作台位置，使其处于初始位置之后再开始内雕；4 关机15 雕刻完成以后取出工件，关闭电脑，关闭激光器电源开关LASER ON，电流表显示初始值电流；16 将钥匙从开关LOCK按键处逆时针旋转 90，关闭设备电源；17 将设备外供电电源闸打开。2.2激光雕刻原理激光要能雕刻水晶玻璃，其能量密度须大于使玻璃破坏的某一临界值，或称阈值激光在某处的能量密度与它在该点光斑的大小有关。同一束激光，光斑越小的地方产生的能量密度越大 4。这样，通过适当聚焦，就可以使激光的能量密度在进入玻璃之前就到达加工区低于玻璃的破坏的临界值，但在希望被加工的区域则要超过这一临界值。激光在极短的时间内会产生脉冲，其能量能够在瞬间使水晶受热破裂，从而产生极小的白点，在玻璃内部雕出预定的形状，而玻璃或水晶的其余部分则保持了完好无损。62.3原理分析激光内雕的原理是光的干涉现象。将两束激光从不同的角度射入透明物体（如玻璃、水晶等）准确地交汇在一个点上。由于两束激光在交点上发生了干涉，其能量由光能转换为内能，释放出大量的热量，将该点融化，形成微小的空洞。由机器准确地控制两束激光，在不同位置上交汇，制造出大量微小的空洞，最后由这些大量的空洞就形成了所需要的图像，这就是激光内雕的原理 4。在激光雕刻时，就不用担心射入的激光会融掉一直线上的物质，因为激光在穿过透明物体时维持光能形式，不会产生多余热量，只有在两束光汇合产生干涉的地方才会转化为内能并融化物质。2.4制作内雕机矢量图2.4.1位图与矢量图（1）位图图像称为点阵