CN100341708C - 彩色激光标刻系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本彩色激光标刻系统有激光标刻硬件设施、计算机标刻软件和图形设计单元，还有图形矢量数据存贮单元、参数存贮单元。本彩色激光标刻系统的运行方式为设计的标刻图案图形分为标刻效果不同的多个图区，标刻效果相同的图区以色层为代码存贮为图形矢量数据组。对每一个图形矢量数据组设置一组相同代码的标刻参数。标刻软件自动调用各图形矢量数据组和相对应的标刻参数组陆续对各图区标刻，一次自动完成一个有多个不同标刻效果的图区的多层次图案标刻。参数组可预设存贮，无需每次设置。本系统控制激光器恒温，保证标刻色泽效果。本系统操作简便，标刻速度快，激光标刻图案线条精细，颜色多样，层次丰富，立体生动，激光标刻图案表现力更强。

Description

彩色激光标刻系统及其运行方法

(一)技术领域

本发明涉及一种彩色激光标刻系统及其运行方法。

(二)背景技术

采用激光束在金属、陶瓷、橡胶、塑料等材料表面雕刻出文字或图形的标记，已是普遍应用的技术。激光标刻的图文精细，不易磨蚀消退，而且标刻速度快、操作简单，使激光标刻受到欢迎，成为产品商标、说明、或美化图饰的首选。但目前的激光标记装置一次标刻后所得的图案为同一色泽，较为单调平淡，也使激光标刻图形的选择有限，只是采用简单的线条图案。实际上，当所用激光束的强度不同、激光脉冲频率不同，或者填充时扫描线条的密度不同，标刻点的步长不同时，激光标记出的图案可以呈现出不同的色泽，如白色、灰白、黑、黑灰、淡灰等不同深浅灰度；或者呈现出不同颜色，如红、绿、蓝、金等颜色。但是，激光标刻的速度很快，要在一个标刻图案中在不同区域内选用不同的参数配合以得到不同的效果，得要经过多次调节改变参数设置后，多次反复标刻才能完成，用现有的激光标刻装置，显然难以在大量快速的产品生产中实现多色泽或彩色效果的激光图形的标刻。

(三)发明内容

本发明的目的是设计一种彩色激光标刻系统，可以根据要求将需要标刻的图形分为多个区域，对各图形区域分别设置不同的激光束强度、激光脉冲频率、扫描填充线条密度、标刻点的步长等参数，自动对各个区域按不同配置参数标刻，得到在不同区域有不同色泽或彩色效果的图案。

本发明设计的彩色激光标刻系统包括激光发生器、冷却激光发生器的恒温水箱及与之相连接的制冷机、扫描装置、固定工件的工作台、聚焦镜头、激光电源和声光Q开关驱动器及起控制作用的计算机。计算机与激光电源、声光Q开关驱动器、二维扫描振镜连接。扫描装置为二维扫描振镜，按计算机指令转动改变激光发生器发出的激光束的方向、在工件表面进行二维图形和文字雕刻。激光发生器、聚焦镜头、扫描振镜固定于工作台上方，调节聚焦镜头与工作台上的工件加工面的距离，将激光束聚焦于要标刻的工件表面上下5毫米以内。与计算机相连接的声光Q开关驱动器与激光发生器连接，控制激光发生器的Q开关，使激光发生器产生不同的脉冲型激光，以对工件进行点状标刻。计算机内有图形设计单元、标刻软件，标刻软件包括操作界面和参数设置窗口。图形设计单元按设计要求生成需标刻图案的规定格式的图形文件并将其存储为图形矢量数据文件，每一个矢量具有起始点、终结点。标刻软件的操作界面在屏幕上提供参数设置窗口，进入参数设置窗口对参数设置单元内各参数进行设置，设置激光束的参数：激光电源的电流，声光Q开关驱动器的调制频率、首脉冲系数，释放时间、落笔延时，和扫描振镜装置的运动参数：有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时；在标刻软件操作界面点击“标刻开始”符号，标刻软件则自动调用图形矢量数据文件和参数设置单元预设的参数，将其中电流参数送入激光电源，调制频率F、首脉冲系数，Q释放时间、落笔延时各参数送入声光Q开关驱动器，标刻软件对有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时各参数与图形矢量数据进行处理形成运动数据，一一送入二维扫描振镜，自动完成标刻。

本激光标刻系统的计算机内还有图形矢量数据存贮单元、参数存贮单元。

本系统的图形设计单元设计的标刻图案分为标刻效果不同的多个图区，每个图区赋予一个色层代码，即色层相同的图区标刻效果相同；各图区图形数据文件存储为图形矢量数据文件，每一个图形矢量具有起始点、终结点，用作图或优化的方法，将色层代码相同的图形矢量顺序排列在同一图形矢量数据组内，以色层为该图形矢量数据组的代码。

图形矢量数据存贮单元存贮图形设计单元完成的各图形矢量数据组，以供自动标刻时调用；

参数设置单元对每一个图形矢量数据组设置一组参数，以对应的图形矢量数据组的色层代码为参数组代码，每一组参数包括激光束的参数：激光电源的电流、调制频率F、首脉冲系数，Q释放时间、落笔延时，和扫描振镜装置的运动参数：有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时；

参数存贮单元按色层代码存贮参数设置单元设置的各组参数，以供自动标刻时调用。

本发明设计的激光标刻系统的运行方法，包括图形处理和标刻系统自动控制两部分。

图形处理包括：图形设计、图形矢量数据存贮各步骤；

图形设计步骤设计标刻图案的图形文件，设计时图形分为标刻效果不同的多个图区，每个图区赋予一个色层代码，即色层代码相同的图区标刻效果相同；并将各图区图形数据文件存储为图形矢量数据文件，每一个图形矢量具有起始点、终结点，用作图或优化的方法，将标刻效果相同图区的图形矢量顺序排列在同一图形矢量数据组内，以色层代码为该图形矢量数据组的代码。

图形矢量存贮步骤存贮图形设计单元完成的各组图形矢量数据文件。

标刻系统自动控制部分包括：启动标刻软件，调入图形矢量数据组文件，设置参数，启动制冷机、激光电源、声光Q开关驱动器，固定工件、激光调焦和执行自动标刻各步骤；

启动标刻软件，调入图形矢量数据组文件后，进入参数设置步骤，在标刻软件操作界面打开参数设置窗口，对每一个图形矢量数据组设置一组参数，以对应的图形矢量数据组的色层代码为参数组代码，每组参数包括激光束的参数：激光电源的电流、调制频率F、首脉冲系数，Q释放时间、落笔延时，和扫描振镜装置的运动参数：有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时；

参数设置单元所设置的各参数组可按色层代码存入参数存贮单元；

启动激光电源、声光Q开关驱动器后，将工件在工作台上固定，并调整工作台将工件需标刻部位置于激光聚焦镜头输出方向；调节工件与聚焦镜头的距离，使激光束在工件加工面上下5毫米以内聚焦；

自动标刻步骤，在标刻软件操作界面，点击“标刻开始”符号；标刻软件自动调用代码相同的图形矢量数据组和参数组，将其中电流参数送入激光电源，调制频率F、首脉冲系数，Q释放时间、落笔延时各参数送入声光Q开关驱动器，标刻软件对有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时各参数，与该组内的图形矢量数据进行处理形成运动数据，逐个送入二维扫描振镜，自动进行标刻，至该组图形矢量标刻完成，即该图区标刻完成；一组图形矢量标刻完成后，标刻软件再次自动调用下一组代码相同的图形矢量数据组和参数组，将其中电流参数送入激光电源，调制频率F、首脉冲系数，Q释放时间、落笔延时各参数送入声光Q开关驱动器，标刻软件对其余参数和图形矢量数据进行处理形成运动数据，顺序送入二维扫描振镜，至该图区标刻完成；

标刻软件陆续将各组矢量数据执行完毕后，则一个图案的标刻完成。

本发明激光标刻系统及其运行方法的优点为：1、本系统自动调用不同的标刻参数，陆续对同一图案的各图区标刻，能够自动一次完成多种色泽或彩色的激光标刻图案，速度快，操作简便；2、本系统得到的彩色或多色泽的激光标刻图案线条精细，颜色多样，层次丰富，立体生动，使激光标刻图案表现力更强。

(四)附图说明

图1为本激光标刻系统硬件结构框图；

图2为本激光标刻系统计算机单元框图；

图3为本激光标刻系统运行程序流程；

图4为具体实施例标刻图案效果图。

(五)具体实施方式

本发明的激光标刻系统如图1所示，其中实线连接符表示信号线连接，点虚线连接符表示激光走向，短划虚线连接符表示水管连接。本系统包括激光发生器、冷却激光发生器的恒温水箱及与之相连接的制冷机、扫描装置、固定工件的工作台、聚焦镜头、激光电源和声光Q开关驱动器及起控制作用的计算机。计算机与激光电源、声光Q开关驱动器、二维扫描振镜连接。扫描装置为二维扫描振镜，按计算机指令转动改变激光发生器发出的激光束的方向、在工件表面进行二维图形和文字标刻。激光发生器、聚焦镜头、扫描振镜固定于工作台上方，调节聚焦镜头与工作台上的工件加工面的距离，将激光束聚焦于要标刻的工件表面上下5毫米以内。计算机内有图形设计单元、标刻软件，标刻软件包括操作界面和参数设置单元。图形设计单元与标刻软件可处于不同的计算机内。图形设计单元按设计要求生成需标刻图案的规定格式的图形文件并将其存储为图形矢量数据文件，每一个矢量具有起始点、终结点。标刻软件的操作界面在屏幕上提供参数设置窗口，进入参数设置窗口对参数设置单元内各参数进行设置，设置激光束的参数：激光电源的电流、声光Q开关驱动器的调制频率、首脉冲系数，释放时间、落笔延时，和扫描振镜装置的运动参数：有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时；在标刻软件操作界面点击“标刻开始”符号，标刻软件则自动调用图形矢量数据文件和参数设置单元预设的参数，将其中电流参数送入激光电源，调制频率F、首脉冲系数，Q释放时间、落笔延时各参数送入声光Q开关驱动器，标刻软件对有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时各参数与图形矢量数据进行处理形成运动数据，逐个送入二维扫描振镜，自动完成标刻。

如图2所示，本激光标刻系统的计算机内还有图形矢量数据存贮单元、参数存贮单元。

本系统的图形设计单元设计的标刻图案的图形文件分为标刻效果不同的多个图区，每个图区赋予一个色层代码；将各图区图形数据文件存储为图形矢量数据文件，每一个图形矢量具有起始点、终结点，用作图或优化的方法，将色层代码相同的图形矢量顺序排列在同一图形矢量数据组内，以色层代码为该图形矢量数据组的代码。为便于在屏幕直观显示，各色层代码以虚拟颜色来代表，如红、黄、蓝、橙、绿、紫、青、白等。

图形矢量数据存贮单元存贮图形设计单元完成的各图形矢量数据组，以供自动标刻时调用；

参数设置单元是在标刻软件操作界面打开参数设置窗口，对每一个图形矢量数据组设置一组参数，以对应的图形矢量数据组的色层代码为参数组代码，每一组参数包括激光束的参数：激光电源的电流、声光Q开关驱动器的调制频率F、首脉冲系数，Q释放时间、落笔延时，和扫描振镜装置的运动参数：有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时；

参数存贮单元按色层代码存贮参数设置单元设置的各组参数，以供标刻时调用；

为了便于操作，本系统的参数存贮单元内存贮参数设置窗口设置的参数组。对标刻色泽影响显著的参数主要是激光电源的电流I、声光Q开关驱动器的调制频率F和扫描的有效步长L、有效延时T，其它参数均按常规标刻设置。激光电源的电流大、调制频率F高时标刻色泽深，扫描的有效步长、有效延时偏大时标刻色泽转淡。经试验各种参数组合，将标刻色泽效果差异显著的不同参数组预先存贮于参数存贮单元，无需每次设置参数，可直接从参数存贮单元提取预定参数组。如预定参数组中主要影响标刻色泽的有：

序号	虚拟颜色代码	有效步长	有效延时	调制频率F	电源电流
						1	红	0.8～1	80～100	10～15KHZ	8～8.5A
2	黄	0.4～0.6	40～50	2.5～3.5KHZ	8.5～10A
						3	蓝	0.3～0.5	30～50	2～3KHZ	10～12A
4	绿	0.1～0.2	50～60	6～7.5KHZ	11～13A
						5	橙	0.1～0.2	80～90	20～30KHZ	13～14A

预定参数组的代码采用图形矢量数据组的代码，即色层代码，如红、黄、蓝、橙、绿、紫、青、白等虚拟颜色代码，便于图形设计时选择标刻色泽。

为保证标刻色泽稳定，激光发生器冷却水的温度保持为T±0.5摄氏度内恒定，T＝20～30摄氏度。为此，恒温水箱内设置有温度检测装置，制冷机的冷水出水管接入四通阀，四通阀再经供水管接入恒温水箱，恒温水箱经泵和进水管接入激光发生器；激光发生器的出水管进入四通阀，四通阀经回水管与制冷机入水口连接。制冷机制冷后的冷水经水管进入四通阀，再进入恒温水箱，恒温水箱的水被泵入激光发生器，激光发生器流出的热水经四通阀一部分进入制冷机冷却，另一部分返回恒温水箱；四通阀为电机带动的可调节阀，温度检测控制装置根据温度值控制电机的运行，即控制四通阀的开度，从而控制进入恒温水箱的经制冷机降温后的冷水和从激光发生器返回的热水的流量比例，使恒温水箱内的水温保持在T±0.5度内恒定，使激光发生器的温度保持稳定。

本发明设计的激光标刻系统的运行方法如图3所示，包括图形处理和标刻系统自动控制两部分，

图形处理包括：图形设计、图形矢量数据存贮各步骤；

图形设计步骤在所述图形设计单元设计标刻图案的图形文件。

图形矢量存贮步骤存贮图形设计单元完成的各图形矢量数据组文件。

标刻系统自动控制部分包括：启动标刻软件，调入图形矢量数据组文件，参数设置，启动激光电源、声光Q开关驱动器，固定工件，激光调焦和执行自动标刻各步骤；

启动标刻软件，调入图形矢量数据组文件后，进入参数设置步骤，在标刻软件界面打开参数设置窗口，在所述参数设置单元设置各相关参数。参数设置单元所设置的各组参数按色层代码存入参数存贮单元；当参数存贮单元已存有预定参数组时，标刻软件可直接从参数存贮单元为各图形矢量数据组调用参数组。

启动激光电源、声光Q开关驱动器后，进入工件固定步骤，将工件在工作台上固定，并调整工作台将工件需标刻部位置于激光聚焦镜头输出方向；调节工件与聚焦镜头的距离，使激光束在工件加工面上下5毫米以内聚焦；

自动标刻步骤，在标刻软件操作界面，点击“标刻开始”符号；标刻软件自动调用色层代码相同的一组图形矢量数据和一组参数，将其中电流参数送入激光电源，调制频率F、首脉冲系数，Q释放时间、落笔延时各参数送入声光Q开关驱动器，标刻软件对有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时各参数与该组图形矢量数据进行处理形成运动数据，一个个送入二维扫描振镜，自动进行标刻，至该组图形矢量标刻完成，即该图区标刻完成；

一组图形矢量标刻完成后，标刻软件再次自动调用下一色层代码相同的图形矢量数据组和参数组，将其中电流参数送入激光电源，调制频率F、首脉冲系数，Q释放时间、落笔延时各参数送入声光Q开关驱动器，标刻软件对其余参数和该组图形矢量数据进行处理形成运动数据，顺序送入二维扫描振镜进行标刻，至该图区标刻完成；

标刻软件陆续将各组矢量数据执行完毕后，则一个图案的标刻完成。

本标刻软件自动调用不同的标刻参数，陆续对各图区标刻，一次自动完成一个有多个不同标刻效果的图区的多层次图案标刻。

为保证标刻色泽效果，标刻时要调节激光发生器制冷水的温度，使其保持在T±0.5度内恒定，其中T＝20～30度。温度检测控制装置首先调节制冷机使其制冷，使流入的热水降温，同时调节阀电机控制四通阀开度，以使恒温水箱内的水温保持为T±0.5度内恒定，从而使激光发生器的温度保持稳定。

为了得到丰富的彩色效果，某些图区重复标刻2～10次。

图4所示为本系统完成的花卉图案标刻效果图，花瓣为黄色、花中心为红色、花心周围为灰色、叶为绿色、茎为蓝色，如图所示各图区效果与主要影响标刻效果的参数如下表，其它参数均按常规标刻设置。

序号	效果	有效步长	有效延时	频率Q	电源电流
						1(花瓣)	黄	0.3	200	3KHZ	12A
2(茎)	蓝	0.4	100	3KHZ	13A
						3(叶)	绿	0.1	90	4KHZ	12A
4(花心外围)	灰	0.3	200	5KHZ	11.5A
						5(花心)	红	0.3	300	3KHZ	12A

温度控制装置调节制冷机和四通阀，使恒温水箱内的水温保持为25±0.5度内恒定，从而使激光发生器的温度保持稳定。如图4所示，标刻图案色彩丰富、明显，生动活泼，为新一代激光标刻图案。

Claims (10)

1一种彩色激光标刻系统，包括激光发生器、冷却激光发生器的恒温水箱及与之相连接的制冷机、扫描装置、固定工件的工作台、聚焦镜头、激光电源和声光Q开关驱动器及起控制作用的计算机；计算机与激光电源、声光Q开关驱动器、二维扫描振镜连接；扫描装置为二维扫描振镜；激光发生器、聚焦镜头、扫描振镜安装在工作台上方；计算机内有图形设计单元、标刻软件；标刻软件包括操作界面单元及参数设置单元；图形设计单元按设计要求生成需标刻图案的规定格式的图形文件并将其存储为图形矢量数据文件，每一个矢量具有起始点、终结点；在标刻软件操作界面，调入要标刻的图形矢量数据文件；在操作界面还有参数设置窗口，设置激光束的参数：激光电源的电流、声光Q开关驱动器的调制频率F、首脉冲系数，释放时间、落笔延时，和扫描振镜装置的运动参数：有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时；在标刻软件操作界面，点击“标刻开始”符号，标刻软件则自动调用参数设置单元预设的参数和图形矢量数据组，将其中电流参数送入激光电源，调制频率F、首脉冲系数、Q释放时间、落笔延时各参数送入声光Q开关驱动器，标刻软件对有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时各参数与图形矢量数据进行处理形成运动数据，送入二维扫描振镜，自动完成标刻，其特征为：

系统的计算机内还有图形矢量数据存贮单元；

系统的图形设计单元设计的标刻图案的图形文件分为标刻效果不同的多个图区，每个图区赋予一个色层代码；将各图区图形数据存储为图形矢量数据文件，每一个图形矢量具有起始点、终结点；用作图或优化的方法，将色层代码相同的图形矢量顺序排列在同一图形矢量数据组内，以色层代码为该图形矢量数据组的代码；

图形矢量数据存贮单元存贮图形设计单元完成的各图形矢量数据组，以供自动标刻时调用；

参数设置单元是在标刻软件操作界面打开参数设置窗口，对每一个图形矢量数据组设置一组参数，以对应的图形矢量数据组的色层代码为参数组代码，每一组参数包括激光束的参数：激光电源的电流、声光Q开关驱动器的调制频率F、首脉冲系数，Q释放时间、落笔延时，和扫描振镜装置的运动参数：有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时。

2根据权利要求1所述的彩色激光标刻系统，其特征为：

系统还有参数存贮单元，其内存贮参数设置单元设置的参数组。

3根据权利要求1所述的彩色激光标刻系统，其特征为：

系统的图形设计单元设计的标刻图案的图形文件，分为标刻效果不同的多个图区，每种图区为一色层，各色层采用虚拟颜色作为代码。

4根据权利要求1所述的彩色激光标刻系统，其特征为：

参数设置单元设置的参数组的代码采用与图形矢量数据组相同的色层代码。

5根据权利要求1所述的彩色激光标刻系统，其特征为：

恒温水箱内设置有温度检测装置，制冷机的冷水出水管接入四通阀，四通阀再经供水管接入恒温水箱，恒温水箱经泵和进水管接入激光发生器；激光发生器的出水管接入四通阀，四通阀经回水管与制冷机入水口连接；制冷机制冷后的冷水经水管进入四通阀、再进入恒温水箱，恒温水箱的水被泵入激光发生器，激光发生器流出的热水，经四通阀一部分进入制冷机冷却，另一部分返回恒温水箱；四通阀为电机带动的可调节阀，温度检测控制装置根据温度值控制四通阀的开度，使恒温水箱内的水温保持在T±0.5摄氏度内恒定，T＝20～30摄氏度。

6如权利要求1至5中任一项所述的彩色激光标刻系统的运行方法，包括图形处理和标刻系统自动控制两部分，其特征为：

图形处理包括：图形设计、图形矢量数据存贮各步骤；

图形设计步骤在所述图形设计单元设计标刻图案的图形文件；

图形矢量存贮步骤存贮图形设计完成后所得的各组图形矢量数据；

标刻系统自动控制部分包括：打开总控开关，启动制冷机，启动标刻软件，调入图形矢量数据组文件，启动激光电源、声光Q开关驱动器，固定工件，激光调焦，参数设置和自动标刻各步骤；

启动标刻软件，调入图形矢量数据组文件后，进入参数设置步骤，在标刻软件操作界面打开参数设置窗口，在所述参数设置单元设置各相关参数；

启动激光电源、声光Q开关驱动器后，将工件在工作台上固定，并调整工作台将工件需标刻部位置于激光聚焦镜头输出方向；调节工件与聚焦镜头的距离，使激光束在工件加工面上下5毫米以内聚焦；

自动标刻步骤，在标刻软件操作界面，点击“标刻开始”符号；标刻软件自动调用色层代码相同的一组图形矢量数据和一组参数，将其中电流参数送入激光电源，调制频率F、首脉冲系数，Q释放时间、落笔延时各参数送入声光Q开关驱动器，标刻软件对有效步长、有效延时、拐笔延时、空笔步长、空笔延时、开前延时、关前延时各参数与该组内的图形矢量数据进行处理形成运动数据，一个个送入二维扫描振镜，自动进行标刻，至该组图形矢量标刻完成，即该图区标刻完成；一组图形矢量标刻完成后，标刻软件再次自动调用下一组色层代码相同的图形矢量数据组和参数组，将其中电流参数送入激光电源，调制频率F、首脉冲系数，Q释放时间、落笔延时各参数送入声光Q开关驱动器，标刻软件对其它参数与该组内的图形矢量数据进行处理形成运动数据，顺序送入二维扫描振镜进行标刻，至该图区标刻完成；标刻软件陆续将各组矢量数据执行完毕后，一个图案的标刻完成。

7根据权利要求6所述的彩色激光标刻系统的运行方法，其特征为：

参数设置单元所设置的各组参数按代码存入参数存贮单元；当参数存贮单元存有预定参数组时，标刻软件直接从参数存贮单元为各图形矢量数据组调用参数组。

8根据权利要求6所述的彩色激光标刻系统的运行方法，其特征为：

标刻时，调节激光发生器冷却水的温度，使其保持在T±0.5摄氏度内恒定，其中T＝20～30摄氏度。

9根据权利要求6所述的彩色激光标刻系统的运行方法，其特征为：

标刻时，先调节制冷机，使其制冷流入的热水，同时温度检测控制装置控制四通阀开度，以使恒温水箱内的水温保持为T±0.5摄氏度内恒定，其中T＝20～30摄氏度。

10根据权利要求6所述的彩色激光标刻系统的运行方法，其特征为：

某些图区重复标刻2～10次。

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