一种基于二维激光打标机的三维打标设备及方法

摘要

本发明公开了一种基于二维激光打标机的三维打标设备，包括3D转换模块、二维激光打标机；3D转换模块放置在二维激光打标机的激光器与二维振镜头之间；本发明还公开了一种基于二维激光打标机的三维打标方法，通过在二维激光打标机中增加3D转换模块，得到与标刻图案的二维位置信息相对应的工件上待标刻曲面的三维位置信息，根据所得三维位置信息控制动态聚焦透镜的移动以及二维振镜头的旋转来进行三维曲面打标，这种基于二维激光打标机的三维打标方法打标效率较高，并且仅需要在二维激光打标机中增加3D转换模块即可进行三维打标，使用灵活，成本较低。

权利要求

1.一种基于二维激光打标机的三维打标设备，其特征在于，包括3D转换模块和二维激光打标机；所述3D转换模块放置在所述二维激光打标机的激光器与二维振镜头之间；

所述3D转换模块用于基于动态聚焦原理将标刻图案的二维位置信息转换成与其对应的工件待标刻的曲面区域的三维位置信息，并基于所得的三维信息来控制打标；

其中，3D转换模块包括2D/3D信息转换单元、电机控制单元和动态聚焦透镜；所述2D/3D信息转换单元与所述电机控制单元相连，所述电机控制单元与所述动态聚焦透镜相连；

所述2D/3D信息转换单元用于将标刻图案的二维位置信息转换成与其相对应的工件待标刻的曲面区域的三维位置信息，并控制打标；

所述电机控制单元用于基于2D/3D信息转换单元所得的三维信息控制动态聚焦透镜的移动；

所述动态聚焦透镜用于根据自身位置的移动来改变激光焦点位置，并控制打标；

2D/3D信息转换单元将标刻图案的二维位置信息转换成与其相对应的工件上待标刻的曲面区域的三维位置信息，得到X'、Y'、Z'坐标信息，将X'、Y'坐标信息输入到二维振镜头中以控制二维振镜头的偏转，将Z'坐标信息输入到电机控制单元中以控制电机，进而控制动态聚焦透镜的移动，改变激光焦点位置，从而实现三维打标。

2.根据权利要求1所述的基于二维激光打标机的三维打标设备，其特征在于，所述3D转换模块通过数据线分别与所述二维激光打标机的二维控制板卡输出端、激光器输入端以及二维振镜头输入端相连。

3.根据权利要求1所述的基于二维激光打标机的三维打标设备，其特征在于，所述基于二维激光打标机的三维打标设备应用于激光加工领域。

4.一种基于权利要求1所述的基于二维激光打标机的三维打标设备的三维打标方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、得到与标刻图案的二维位置信息相对应的工件待标刻曲面上的待标刻三维位置信息；

S2、根据所述待标刻三维位置信息移动动态聚焦透镜并旋转二维振镜头上的偏转镜在工件上待标刻位置处进行打标；

其中，步骤S1所述的方法包括以下步骤：

S11、采用FP-LSCM算法将工件展开为二维平面，得到其待标刻曲面区域的二维平面，以及曲面与平面之间的位置坐标转换关系；其中，在对工件进行展开前，对工件的曲面区域进行选择，得到优先区域和非优先区域，将优先区域作为待标刻区域进行打标；其中，优先区域的面积大于标刻图案，优先区域展开成二维平面后的畸变率小于非优先区域；

S12、得到待标刻曲面区域的二维平面上与标刻图案相对应的待标刻二维位置信息；

S13、基于所述的曲面与平面之间的位置坐标转换关系，通过逆运算将待标刻曲面区域的二维平面重新恢复为原始待标刻曲面，从而将所述待标刻二维位置信息转换成曲面上的待标刻三维位置信息。

说明书

一种基于二维激光打标机的三维打标设备及方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光加工领域，更具体地，涉及一种基于二维激光打标机的三维打标设备及方法。

背景技术

[0002] 近年来，激光加工技术在不同领域取得了巨大的进展和突破，它利用高能量密度的激光对工件进行照射，使其表面进行气化或颜色变化的的化学反应，从而留下永久标记。激光打标技术已被广泛的应用于各行各业,为优质,高效,无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。

[0003] 目前市场上，激光三维加工的方法主要有两种，一种是动态聚焦三维打标方法，另一种是旋转打标法。动态聚焦三维打标方法通过软件控制和移动动态聚焦透镜，在激光被聚焦前使用可变扩束，以此来改变激光束的焦距实现曲面打标。采用动态聚焦的方式的加工效率较高，但是对于图形的处理方法大多采用投影映射方式，当三维曲面的曲率很大的情况下，失真较为严重，对于条形码二维码等需要机器识别的图形而言，畸变情况会极大的影响它的识别效率，另外这种三维打标方法并不基于现有的二维激光打标机，但是现在市面上存在着大量的二维激光打标机设备和二维激光打标软件，若完全不借用现有的二维激光打标设备进行三维打标，技术的更新换代则需要更换大量的激光加工设备以及重新开发相应的软件系统，开发周期长、经济成本高。所以一种基于二维激光打标机的三维打标设备及方法是具有很高的研究价值的，它能够大大减小技术更新换代的成本。旋转打标法是一种基于现有二维激光打标机进行三维打标的方法，通过在二维激光打标机上加上旋转轴通过旋转要打标的工件，保证工件要打标位置始终处于焦点上，实现曲面工件的打标，但是这种打标方法需要通过机械旋转逐点对准打标，效率很低。

[0004] 这种综上所述，提供一种打标效率高的基于二维激光打标机的三维打标设备及方法是亟需解决的问题。

发明内容

[0005] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种基于二维激光打标机的三维打标设备及方法，旨在解决现有技术由于采用机械旋转来逐点对准打标而导致的打标效率较低的问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于二维激光打标机的三维打标设备，包括3D转换模块、二维激光打标机；3D转换模块放置在二维激光打标机的激光器与二维振镜头之间，除机械固定外采用数据线进行连接；

[0007] 3D转换模块用于基于动态聚焦原理将标刻图案的二维位置信息转换成与其对应的工件待标刻的曲面区域的三维位置信息，并基于所得的三维信息来控制打标。

[0008] 进一步优选地，3D转换模块包括2D/3D信息转换单元、电机控制单元、动态聚焦透镜；其中2D/3D信息转换单元与电机控制单元相连，电机控制单元与动态聚焦透镜相连；

[0009] 2D/3D信息转换单元用于将标刻图案的二维位置信息转换成与其相对应的工件待标刻的曲面区域的三维位置信息，并控制打标；

[0010] 电机控制单元用于基于2D/3D信息转换单元所得的三维信息控制动态聚焦透镜的移动；

[0011] 动态聚焦透镜用于根据自身位置的移动来改变激光焦点位置，并控制打标。

[0012] 进一步优选地，3D转换模块通过数据线分别与二维激光打标机的二维控制板卡输出端、激光器输入端、二维振镜头输入端相连；二维激光打标机的二维控制板卡将工件信息、标刻图案以及激光器开关控制信息发送到3D转换模块，3D转换模块将激光器开关控制信息发送到激光器端，控制激光器开关，并将标刻图案的二维位置信息转换成与其对应的工件待标刻曲面区域的三维位置信息，将所得的三维位置信息输出到二维振镜头控制二维振镜头中的偏转镜旋转。

[0013] 本发明另一方面提供了一种基于二维激光打标机的三维打标方法，包括以下步骤：

[0014] S1、得到与标刻图案的二维位置信息相对应的工件待标刻曲面上的待标刻三维位置信息；

[0015] S2、根据所得三维位置信息移动动态聚焦透镜并旋转二维振镜头上的偏转镜在工件上待标刻位置处进行打标。

[0016] 进一步优选地，步骤S1中得到待标刻三维位置信息的方法包括以下步骤：

[0017] S11、将工件展开为二维平面，得到其待标刻曲面区域的二维平面，以及曲面与平面之间的位置坐标转换关系；

[0018] S12、得到待标刻曲面区域的二维平面上与标刻图案相对应的待标刻二维位置信息；

[0019] S13、基于所得的曲面与平面之间的位置坐标转换关系，通过逆运算将待标刻曲面区域的二维平面重新恢复为原始待标刻曲面，从而将所得的待标刻二维位置信息转换成曲面上的待标刻三维位置信息。

[0020] 进一步优选地，可以采用FP-LSCM算法将工件展开为二维平面。

[0021] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得有益效果：

[0022] 1、本发明提供了一种基于二维激光打标机的三维打标方法，通过得到与标刻图案的二维位置信息相对应的工件上待标刻曲面的三维位置信息，根据所得三维位置信息控制动态聚焦透镜的移动以及二维振镜头中偏转镜的旋转来进行三维曲面打标，大大提高了打标的效率。

[0023] 2、本发明提供了一种基于二维激光打标机的三维打标设备，通过在二维激光打标机中增加3D转换模块，即可在现有的二维激光打标机的基础上完成三维打标，并且操作方法与现有二维激光打标机进行二维打标的操作方法无异，使用者无需二次学习软件操作和适应硬件改变，使用灵活，成本较低。

[0024] 3、本发明所提供的基于二维激光打标机的三维打标方法，在得到与标刻图案的二维位置信息相对应的工件上待标刻曲面的三维位置信息的过程中，通过选择FP-LSCM算法选择工件优先展开区域进行展开，大大减小了图像的畸变率，对于条形码等畸变要求较高的标刻图案失真率较低，提高了打标精度。

附图说明

[0025] 图1是本发明所提出一种基于二维激光打标机的三维打标设备；

[0026] 图2是本发明所提出的3D转换模块的结构示意图；

[0027] 图3是本发明实施例所提供的将工件展开成二维平面的结果示意图；

[0028] 图4是本发明实施例所提供的采用FP-LSCM算法、LSCM算法分别对不同形状的工件的进行展开后不同区域的畸变率对比图；

[0029] 图5是本发明所提供的动态聚焦打标示意图。

具体实施方式

[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0031] 为了实现上述目的，本发明提出了一种基于二维激光打标机的三维打标设备，如图1所示，包括3D转换模块2、二维激光打标机，3D转换模块2放置在二维激光打标机的激光器1与二维振镜头3之间；具体的，3D转换模块2通过数据线分别与所述二维激光打标机的二维控制板卡输出端、激光器输入端、二维振镜头输入端相连。

[0032] 3D转换模块2用于基于动态聚焦原理将标刻图案的二维位置信息转换成与其对应的工件待标刻的曲面区域的三维位置信息，并基于所得的三维信息来控制打标。

[0033] 具体的，如图2所示为本发明所提出的3D转换模块的结构示意图，其中，3D转换模块2包括2D/3D信息转换单元21、电机控制单元22、动态聚焦透镜23；其中2D/3D信息转换单元21与电机控制单元22相连，电机控制单元22与动态聚焦透镜23相连；具体的，2D/3D信息转换单元21用于将标刻图案的二维位置信息转换成与其相对应的工件待标刻的曲面区域的三维位置信息，并控制打标；电机控制单元22用于基于2D/3D信息转换单元所得的三维信息控制动态聚焦透镜23的移动；动态聚焦透镜23用于根据自身位置的移动来改变激光焦点位置，并控制打标。

[0034] 具体的，3D转换模块2通过数据线分别与二维激光打标机的二维控制板卡输出端、激光器输入端、二维振镜头输入端相连；二维激光打标机的二维控制板卡将工件信息、标刻图案以及激光器开关控制信息发送到3D转换模块，3D转换模块将激光器开关控制信息发送到激光器端，控制激光器开关，并将标刻图案的二维位置信息转换成与其对应的工件待标刻曲面区域上的三维位置信息，将所得的三维位置信息输出到二维振镜头控制二维振镜头中的偏转镜旋转。

[0035] 具体的，将标刻图案的XY位置信息输入到2D/3D信息转换单元21中，2D/3D信息转换单元21将将标刻图案的二维位置信息转换成与其相对应的工件上待标刻的曲面区域的三维位置信息，得到X'、Y'、Z'坐标信息，将X'、Y'坐标信息输入到二维振镜头3中以控制二维振镜头3的偏转，将Z'坐标信息输入到电机控制单元22中以控制电机，进而控制动态聚焦透镜23的移动，改变激光焦点位置，从而实现三维打标。

[0036] 本发明另一方面提供了一种基于二维激光打标机的三维打标方法，包括以下步骤：

[0037] S1、得到与标刻图案的二维位置信息相对应的工件待标刻曲面上的待标刻三维位置信息；

[0038] 具体的，得到待标刻三维位置信息的方法包括以下步骤：

[0039] S11、将工件展开为二维平面，得到其待标刻曲面区域的二维平面，以及曲面与平面之间的位置坐标转换关系；具体的，基于工件的形状对工件进行等比例建模，以工件底部中心为原点建立xyz三维坐标系。以球形工件为例，在对工件进行展开前，对工件的曲面区域进行选择，得到优先区域和非优先区域，优先区域的面积大小略大于标刻图案，采用FP-LSCM算法对工件进行展开，其中优先区域展开成二维平面后的畸变率小于非优先区域，更加适合打标，将优先区域作为待标刻区域进行打标。如图3所示为本发明采用FP-LSCM算法将工件展开成二维平面的结果示意图，其中1为展开后的非优先区域的二维平面示意图，2为展开后的优先区域的二维平面示意图，采用FP-LSCM算法对工件进行展开，优先区域的畸变率较小，对于条形码等畸变要求较高的标刻图案失真率较低。具体的，如图4所示为采用FP-LSCM算法、LSCM算法分别对不同形状的工件的进行展开后不同区域畸变率对比图，从图中可以看出FP-LSCM算法的优先区域的畸变率都是最小的。曲面展开为二维平面后，该二维平面处于工件模型三维坐标系中z＝0时的xy平面上，曲面上的点与二维平面上的点一一对应，得到曲面与平面之间的位置坐标转换关系。

[0040] S12、得到待标刻曲面区域的二维平面上与标刻图案相对应的待标刻二维位置信息；具体的，对标刻图案建立与待标刻曲面区域的二维平面相同的坐标系，根据标刻图案上每一个点的位置信息得到待标刻曲面区域的二维平面上与标刻图案相对应的二维位置信息。

[0041] S13、基于步骤S11所得的曲面与平面之间的位置坐标转换关系，通过逆运算将待标刻曲面区域的二维平面重新恢复为原始待标刻曲面，从而将平面上与标刻图案相对应的二维位置信息转换成曲面上的待标刻三维位置信息。

[0042] S2、根据所得三维位置信息移动动态聚焦透镜并旋转二维振镜头上的偏转镜在工件上待标刻位置处进行打标。具体的，如图5所示为本发明所提供的动态聚焦打标示意图，通过移动动态聚焦透镜，可以使聚焦范围不仅限于某一水平面内；根据所得三维位置信息中的Z'坐标信息，将动态聚焦透镜沿着光路方向进行移动调节激光光束的聚焦位置，从而实现焦点在z轴方向上的移动，与此同时，根据标刻图案的X'、Y'坐标信息旋转二维振镜头中的偏转镜，动态聚焦透镜和偏转镜同时作用从而实现在工件的待标刻位置处进行打标。

[0043] 本发明提出了一种基于二维激光打标机的三维打标设备及方法，通过在二维激光打标机中增加3D转换模块，得到与标刻图案的二维位置信息相对应的工件待标刻曲面上的三维位置信息，根据所得三维位置信息控制动态聚焦透镜的移动以及二维振镜头中偏转镜的旋转来进行三维曲面打标，这种基于二维激光打标机的三维打标方法打标效率较高，并且仅需要在二维激光打标机中增加3D转换模块在不改变原有二维激光打标机软硬件操作方法的情况下即可进行三维打标，使用灵活，成本较低。

[0044] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。