自(zì)激光(guāng)在軍事(shì)和工(gōng)業(yè)領域廣泛應用以來，各種控制手段伴随著(zhe)這種全新的加工(gōng)工(gōng)具在各行各業(yè)不斷的進步，如今，高(gāo)頻高(gāo)精度控制成為(wèi)激光(guāng)應用的一(yī)個(gè)必不可少的環節，随著(zhe)各種新型激光(guāng)模式的出現，自(zì)動控制也正在激光(guāng)加工(gōng)的舞台上(shàng)以日益精密的技(jì)術(shù)展現著(zhe)自(zì)己的風采。

  80年(nián)代中期，激光(guāng)在中國(guó)工(gōng)業(yè)應用領域開(kāi)始嶄露頭角，90年(nián)代初，由于工(gōng)具行業(yè)出口量的增加，激光(guāng)标刻開(kāi)始成為(wèi)必不可少的加工(gōng)手段。

  激光(guāng)标刻屬于一(yī)個(gè)比較特殊的行業(yè)，其原理是利用聚焦後的光(guāng)束對作用物(wù)表面進行短時間淺層刻蝕或燒蝕，使其作用區異于未處理區以達到(dào)标記的目的。由于對加工(gōng)效率和效果有著(zhe)非常高(gāo)的要求，因此，從(cóng)一(yī)開(kāi)始高(gāo)速度和高(gāo)精度的自(zì)動控制在這一(yī)領域就(jiù)得到(dào)了長(cháng)足的發展，從(cóng)1995年(nián)到(dào)2002年(nián)短短的7年(nián)時間，控制在激光(guāng)标刻領域就(jiù)經曆了大幅面時代、轉鏡時代和振鏡時代，控制方式也完成了從(cóng)軟件(jiàn)直接控制到(dào)上(shàng)下(xià)位機(jī)控制到(dào)實時處理、分時複用的一(yī)系列演變，如今，半導體激光(guāng)器(qì)、光(guāng)纖激光(guāng)器(qì)、乃至紫外激光(guāng)的出現和發展又(yòu)對光(guāng)學過程控制提出了新的挑戰。

  以控制對象分類，标刻控制可以分為(wèi)三種：光(guāng)束控制、對象控制和飛(fēi)行控制。其中，光(guāng)束控制是應用最廣泛的，對象控制主要是針對特殊行業(yè)，而飛(fēi)行控制将是激光(guāng)标刻控制在未來的主要發展方向。顧名思義，光(guāng)束控制指固定作用對象，直接控制光(guāng)束在作用物(wù)表面的移動和停留，由于作用對象的尺寸和質量不盡相(xiàng)同，直接控制對象的方式難以提高(gāo)加工(gōng)速度，因此這種控制手段從(cóng)一(yī)開(kāi)始就(jiù)成為(wèi)主要的控制方式;對象控制指固定光(guāng)束，控制作用對象的移動和停留，這種控制手段主要應用在對象體積比較小(xiǎo)、質量比較輕，同時對控制精度要求比較高(gāo)而控制過程不太複雜(zá)的行業(yè)，例如矽片、晶元和工(gōng)業(yè)用陶瓷等材料的劃片行業(yè);飛(fēi)行控制指同時控制光(guāng)束和對象的移動和停留，這種控制将成為(wèi)激光(guāng)在流水(shuǐ)線應用的主要控制手段，優點是速度快，自(zì)動化程度高(gāo)，是後工(gōng)業(yè)時代激光(guāng)加工(gōng)的主流控制模式。最主流的光(guāng)束控制方式在中國(guó)共經曆了三個(gè)時代的演變。

  大幅面時代 所謂大幅面，剛開(kāi)始是直接将繪圖儀的控制部分直接用于激光(guāng)設備上(shàng)，将繪圖筆取下(xià)，在(0，0)點X軸基點、Y軸基點和原繪圖筆的位置上(shàng)分别安裝45°折返鏡，在原繪圖筆位置下(xià)端安裝小(xiǎo)型聚焦鏡，用以導通(tōng)光(guāng)路(lù)及使光(guāng)束聚焦。直接用繪圖軟件(jiàn)輸出打印命令即可驅動光(guāng)路(lù)的運行，這種方式最明顯的優勢是幅面大，而且基本上(shàng)能(néng)滿足精度比較低(dī)的标刻要求，不需要專用的标刻軟件(jiàn)，因此在早期還(hái)是有很不錯(cuò)的市(shì)場。

  但是這種方式有著(zhe)幾個(gè)緻命的缺陷：1.速度慢(màn)，不到(dào)100m/s的速度很難滿足客戶要求日益增加的産量;2.精度低(dī)，重複定位精度基本上(shàng)局限于繪圖儀本身的精度，誤差有時非常大;3.無法按照(zhào)激光(guāng)輸出的特性定制自(zì)己所需要的控制參數，激光(guāng)輸出和控制信号輸出之間是有時間差的，用通(tōng)用型掃描儀驅動工(gōng)具(如Autocad等)是無法按照(zhào)激光(guāng)器(qì)的特性定制控制參數的，因此容易産生(shēng)一(yī)系列可笑(xiào)的問題，如一(yī)個(gè)圖形前1cm左右的距離無激光(guāng)輸出，因此出來的圖形總是少一(yī)截;4.由于光(guāng)學器(qì)件(jiàn)和繪圖筆的質量不同造成控制慣量的改變，由于總是過載驅動，使繪圖儀各元器(qì)件(jiàn)壽命縮短。

  總之，在經曆最初的嘗試後，繪圖儀式的大幅面激光(guāng)标刻系統逐步退出标刻市(shì)場的，現在所應用的同類型的大幅面設備基本上(shàng)都是模仿以前這種控制過程，用伺服電(diàn)機(jī)驅動的高(gāo)速大幅面系統，而随著(zhe)變焦振鏡式掃描系統的逐步完善，大幅面系統将逐步從(cóng)激光(guāng)标刻領域銷聲匿迹。

  轉鏡時代 由于看(kàn)到(dào)大幅面系統的一(yī)系列缺點，在高(gāo)速振鏡技(jì)術(shù)還(hái)沒有在中國(guó)廣泛普及的情況下(xià)，一(yī)些控制工(gōng)程師(shī)自(zì)行開(kāi)發了由步進電(diàn)機(jī)驅動的轉鏡式掃描系統，從(cóng)結構上(shàng)來說，轉鏡式掃描系統同現在的振鏡式掃描系統是沒有區别的，工(gōng)作原理是将從(cóng)諧振腔中導出的激光(guāng)通(tōng)過擴束，經過成90°安裝的兩個(gè)步進電(diàn)機(jī)驅動的金鏡的反射，由F-theta場鏡聚焦後輸出作用于處理對象上(shàng)，金鏡的轉動使工(gōng)作平面上(shàng)的激光(guāng)作用點分别在X、Y軸上(shàng)移動，兩個(gè)鏡面協同動作使激光(guāng)可以在工(gōng)作平面上(shàng)完成直線和各種曲線的移動。這種控制過程無論從(cóng)速度還(hái)是定位精度來說都遠(yuǎn)超過大幅面，因此在很大程度上(shàng)能(néng)滿足工(gōng)具行業(yè)對激光(guāng)控制的要求，雖然同當時國(guó)際上(shàng)流行的振鏡式掃描系統還(hái)有比較明顯的差距，但嚴格來說這種設計思路(lù)的出現和逐步完善代表著(zhe)中國(guó)激光(guāng)應用的一(yī)個(gè)裡(lǐ)程碑，是中國(guó)完全能(néng)自(zì)行設計和生(shēng)産激光(guāng)應用設備的典型标志(zhì)。直到(dào)振鏡在中國(guó)大規模應用的興起，這種控制方式才逐步退出中國(guó)激光(guāng)應用的舞台。

  振鏡時代 1998年(nián)，振鏡式掃描系統在中國(guó)的大規模應用開(kāi)始到(dào)來，所謂振鏡，又(yòu)可以稱之為(wèi)電(diàn)流表計，它的設計思路(lù)完全沿襲電(diàn)流表的設計方法，鏡片取代了表針，而探頭的信号由計算(suàn)機(jī)控制的0—5V(或10V)的直流信号取代，以完成預定的動作。同轉鏡式掃描系統相(xiàng)同，這種典型的控制系統采用了一(yī)對折返鏡，不同的是，驅動這套鏡片的步進電(diàn)機(jī)被伺服電(diàn)機(jī)所取代，在這套控制系統中，位置傳感器(qì)的使用和負反饋回路(lù)的設計思路(lù)進一(yī)步保證了系統的精度，整個(gè)系統的掃描速度和重複定位精度達到(dào)一(yī)個(gè)新的水(shuǐ)平。對中國(guó)自(zì)産振鏡影響最大的是美國(guó)Cambridge公司生(shēng)産的6870和6230，前者采用電(diàn)容傳感器(qì)，後者采用光(guāng)電(diàn)傳感器(qì)，在中國(guó)的應用表明，電(diàn)容傳感器(qì)對環境的适應能(néng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光(guāng)電(diàn)傳感器(qì)，無論在溫度變化大還(hái)是環境清潔度不高(gāo)的情況下(xià)，電(diàn)容傳感器(qì)都能(néng)比較穩定的工(gōng)作，因此，現有中國(guó)的幾家自(zì)行生(shēng)産振鏡的公司，都把6870作為(wèi)設計藍本，其中以上(shàng)海通(tōng)用(6000系列振鏡)和後來成立的北(běi)京世紀桑尼的振鏡最具代表性。與此同時，進口振鏡也開(kāi)始大規模進入中國(guó)的市(shì)場，除香港科藝代理的Cambridge的振鏡外，美國(guó)General Scanner、德國(guó)Scanlab等也在中國(guó)占據了相(xiàng)當份額的市(shì)場。

  振鏡時代的到(dào)來使中國(guó)激光(guāng)标刻再一(yī)次迎來飛(fēi)躍式的發展，由于速度和精度的大幅度提升，不僅再一(yī)次刺激了原有的工(gōng)具行業(yè)市(shì)場，同時以前由于對精度要求較高(gāo)而不能(néng)用激光(guāng)處理的行業(yè)也被打開(kāi)了，如今，随著(zhe)新型激光(guāng)的出現，配合控制系統的再一(yī)次更新，中國(guó)激光(guāng)應用即将邁入一(yī)個(gè)新的時代。

  1.大幅面确切的說應該稱為(wèi)“十字掃描”，并不一(yī)定隻用到(dào)大幅面上(shàng)，小(xiǎo)幅面同樣可以用。“剛開(kāi)始是直接将繪圖儀的控制部分直接用于激光(guāng)設備上(shàng)”，這是國(guó)内圖方便的做法，國(guó)外早就(jiù)有專門(mén)的驅動和執行系統了。對于你說的這種方式的缺點，我們可以來詳細看(kàn)一(yī)下(xià)：

  (1)速度慢(màn)。國(guó)外現在的十字掃描系統多(duō)半用滾珠絲杆或同步帶作為(wèi)運動系統的主要結構，在改進了驅動能(néng)力的掃描系統中，速度已經得到(dào)了大大的提高(gāo)。我見(jiàn)過的十字掃描系統中做到(dào)1m/s的速度已經不是問題了。

  (2)精度低(dī)，重複定位精度基本上(shàng)局限于繪圖儀本身的精度，誤差有時非常大。滾珠絲杆或同步帶加上(shàng)高(gāo)精度細分的驅動電(diàn)機(jī)系統，精度滿足普通(tōng)的加工(gōng)是綽綽有餘的。但是這種精度還(hái)是沒辦法跟振鏡的精度相(xiàng)比。

  (3)無法按照(zhào)激光(guāng)輸出的特性定制自(zì)己所需要的控制參數。那是由于借用繪圖儀的驅動系統造成的。國(guó)外早就(jiù)有了專門(mén)的驅動系統和控制軟件(jiàn)，所以調節這些控制參數已經不是問題。

  (4)由于光(guāng)學器(qì)件(jiàn)和繪圖筆的質量不同造成控制慣量的改變，由于總是過載驅動，使繪圖儀各元器(qì)件(jiàn)壽命縮短。這個(gè)問題實際最簡單，根據具體的數值重新設計光(guāng)路(lù)、機(jī)械、控制系統就(jiù)行了。

  其實你說的這些問題大部分都是由于國(guó)内早期的激光(guāng)生(shēng)産廠商為(wèi)圖省事(shì)，簡單地拿繪圖儀改裝造成的。我倒是覺得這種方式的關鍵問題在于，長(cháng)期工(gōng)作在一(yī)定的距離内，造成機(jī)械系統的磨損，影響系統精度。但是這種掃描方式的優點也是不可忽視的。

  (1)滾珠絲杆和同步帶都是線性執行系統，可以輕易的做到(dào)1：1的精确輸出。而振鏡或轉鏡等掃描方式需要配合F-Theta場鏡使用，經過角度變換後變成了非線性的關系，要做到(dào)1：1的精确輸出不是簡單的事(shì)。

  (2)由于改變導光(guāng)系統的大小(xiǎo)僅僅是改變了系統的慣量，可以通(tōng)過加大驅動電(diàn)機(jī)等方式彌補，對于功率較大的場合，特别是需要用銅鏡等金屬鏡片時，是振鏡和轉鏡掃描方式不可替代的。

  (3)由于光(guāng)程的改變，造成掃描幅面内的各點光(guāng)斑大小(xiǎo)不均勻，這個(gè)問題在振鏡或轉鏡掃描系統中同樣存在。為(wèi)了使光(guāng)點保持均勻，可以采用動态聚焦的方法進行補償。但是不管進不進行補償，這種掃描方式的成本都是比其他的方式要低(dī)得多(duō)的。

  (4)振鏡和轉鏡的光(guāng)束都是斜著(zhe)照(zhào)射到(dào)工(gōng)件(jiàn)表面的，而十字掃描是垂直照(zhào)射。在某些小(xiǎo)功率的切割場合，十字掃描方式得出來的工(gōng)件(jiàn)切邊相(xiàng)對于其他兩種的要直，而不是很明顯的斜邊。

  大幅面在标刻控制系統中已經失去了主導地位，但是在其他的激光(guāng)應用中還(hái)是占有很重要的地位，所以也不能(néng)輕言放(fàng)棄。

  2.振鏡應該是稱為(wèi)“檢流計”，跟電(diàn)流表的原理相(xiàng)近，不同的是電(diàn)流表輸出的是電(diàn)流讀(dú)數，振鏡輸出的是轉動角度。