CN101318263A - 激光雕刻系统及采用其进行激光雕刻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光雕刻系统及采用其进行激光雕刻的方法，该一种激光雕刻系统用以对待雕刻产品进行雕刻，其包括一图像编辑处理器、一雕刻控制单元、一机械手及一激光发射装置，该图像编辑处理器用以建立待雕刻产品的模型并对该模型分区，生成各分区雕刻的2D图案及确定各分区的位置参数，并将该2D图案信号及该位置参数信号输出到该雕刻控制单元，该雕刻控制单元与该图像编辑处理器电连接，其根据接收的该2D图案信号控制该激光发射装置及根据该位置参数信号控制该机械手，该机械手与该雕刻控制单元电连接，其用于对该待雕刻产品的位置定位，该激光发射装置与该雕刻控制单元电连接，其用于发射激光以对该待雕刻产品进行雕刻。

Description

激光雕刻系统及采用其进行激光雕刻的方法
技术领域
本发明涉及一种激光雕刻系统及采用其进行激光雕刻的方法。
背景技术
激光雕刻系统是利用数控技术为基础，激光为加工媒介，被加工材料在激光照射下瞬间熔化和气化的物理变性，从而达到雕刻目的的系统。
激光雕刻有如下优点：
(1)与被加工材料不直接接触，不受机械运动的影响，表面不会变形，一般无需固定。
(2)不受材料的弹性、柔性的影响，方便对软质材料的加工。
(3)加工精度高、速度快，应用领域广泛。
由于激光雕刻有上述等优点，激光雕刻技术的应用已经非常广泛，但主要应用于2D面的雕刻。而目前所应用的3D激光雕刻技术主要是对于面结构比较规则的工件，比如：圆柱面，球面等。对于非规则的3D面结构，由于简单的3D面激光雕刻系统与工件之间无法实现有效的配合，因而雕刻的精度不高。而一些复杂的、功能完备的3D激光雕刻系统，一般都需配备复杂的通信和信息处理系统，对运动机构的技术要求很高，因而不但设备昂贵，且不易操作。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种能够有效提高生产精度、价格便宜及易操作的激光雕刻系统。
还有必要提供一种采用上述激光雕刻系统进行激光雕刻的方法。
一种激光雕刻系统用以对待雕刻产品进行雕刻，包括一图像编辑处理器、一雕刻控制单元、一机械手及一激光发射装置，该图像编辑处理器用以建立待雕刻产品的模型并对该模型分区，生成各分区雕刻的2D图案及确定各分区的位置参数，并将该2D图案信号及该位置参数信号输出到该雕刻控制单元，该雕刻控制单元与该图像编辑处理器电连接，其根据接收的该2D图案信号控制该激光发射装置及根据该位置参数信号控制该机械手，该机械手与该雕刻控制单元电连接，其用于对该待雕刻产品的位置定位，该激光发射装置与该雕刻控制单元电连接，其用于发射激光以对该待雕刻产品进行雕刻。
一种采用激光雕刻系统进行激光雕刻的方法包括以下步骤：
将该待雕刻产品固定在该机械手上；
通过该图像编辑处理器建立该待雕刻产品的模型并对该模型分区，以生成各分区雕刻的2D图案及确定各分区的位置参数的步骤；
该图像编辑处理器将该2D图案信号及该位置参数信号输出到该雕刻控制单元的步骤；
该雕刻控制单元根据该图像编辑处理器输出的各分区的该位置参数信号控制该机械手而对该待雕刻产品的各分区进行定位的步骤；
该雕刻控制单元根据该图像编辑处理器输出的该2D图案信号控制该激光发射装置而对该待雕刻产品的各分区进行激光雕刻的步骤。
相较现有技术，所述激光雕刻系统通过机械手实现对待雕刻产品的各分区准确定位，然后通过雕刻控制单元启动激光发射装置对准确定位的待雕刻产品的分区进行激光雕刻，如此实现对待雕刻产品的精准雕刻。同时，所述的激光雕刻系统由2D激光雕刻系统与机械手组合而成，而2D激光雕刻系统与机械手都易于得到，因此该激光雕刻系统价格便宜。此外，所述激光雕刻系统在雕刻过程中一个分区雕刻完成后再进行下一个分区的雕刻，直到所有的结构面雕刻完成，如此，激光发射装置与机械手的配合仅需简单的通信和信息处理系统连接，且易于操作。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的激光雕刻系统的结构示意图；
图2是本发明较佳实施例的采用激光雕刻系统进行激光雕刻的方法建立工件坐标系的示意图；
图3是本发明较佳实施例的采用激光雕刻系统进行激光雕刻的方法建立模型的示意图；
图4是本发明较佳实施例的采用激光雕刻系统进行激光雕刻的方法对图3建立的模型进行分区及取基准面的示意图；
图5是本发明较佳实施例的采用激光雕刻系统进行激光雕刻的方法建立工具坐标系的示意图；
图6是本发明较佳实施例的采用激光雕刻系统进行激光雕刻的方法对模型确定位置参数的示意图；
图7是图6的VI位置的局部放大图；
图8是将图7分区面的图案投影到其对应基准面的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明较佳实施例的激光雕刻系统10以对一待雕刻产品20进行3D面图案雕刻为例加以说明，该激光雕刻系统10包括一图像编辑处理器12、一雕刻控制单元13、一机械手14和一激光发射装置15。该雕刻控制单元13分别与该图像编辑处理器12、该机械手14及该激光发射装置15电连接。该待雕刻产品20固定于该机械手14上。请参阅图2，对该待雕刻产品20建立一笛卡尔工件坐标系XYZ，且该工件坐标系XYZ的原点0设置在该待雕刻产品20上，该待雕刻产品20上的每一点相对于该工件坐标系XYZ的位置是恒定的。
该图像编辑处理器12包括一图形编辑软件，该图形编辑软件可以为PROE或3D MAX。请参阅图3所示，该图像编辑处理器12通过该图形编辑软件建立一笛卡尔虚拟工件坐标系X1Y1Z1，该虚拟工件坐标系X1Y1Z1是依据该工件坐标系XYZ的取向而建立的坐标系。
该图形编辑软件以该虚拟工件坐标系X1Y1Z1为坐标系，根据待雕刻产品20的形状特征而建立待雕刻产品20的模型22，并对该模型22进行分区及对各分区取基准面，如图4所示，对分区224取基准面A。该虚拟工件坐标系X1Y1Z1的原点01设置于该模型22上的一点，且该点对应于该待雕刻产品20上设置该工件坐标系XYZ原点0的点。
该图像编辑处理器12对该模型22的面结构进行分区的原则为：各分区的雕刻区域不能超过激光雕刻系统的雕刻区域，同时，所分区要包括该模型22面结构的任何一点。而对各分区取基准面的原则为：要保证其对应分区面的每一点到该基准面的距离之和为最小，并保证其对应分区面的每一点到该基准面的距离的最大值不大于1毫米。
请参阅图5所示，以该激光发射装置15发射的激光γ的焦平面为X2Y2坐标平面建立一笛卡尔工具坐标系X2Y2Z2，该工具坐标系X2Y2Z2的Z2轴与该激光γ的方向一致。该X2Y2坐标平面包含该激光雕刻系统10的雕刻区域30，且该工具坐标系X2Y2Z2是以该雕刻区域30的一点为原点，该激光雕刻系统10的雕刻区域30的每一点相对于该工具坐标系X2Y2Z2的位置是恒定的。
请参阅图6所示，该图像编辑处理器12通过该图形编辑软件建立一虚拟工具坐标系X3Y3Z3，该虚拟工具坐标系X3Y3Z3是依据该工具坐标系X2Y2Z2的取向而建立的坐标系，该虚拟工具坐标系X3Y3Z3的X3Y3坐标平面与该激光雕刻系统10的雕刻区域30对应。该图形编辑软件以该虚拟工具坐标系X3Y3Z3为坐标系，使分区224的基准面A的法向α与该虚拟工具坐标系X3Y3Z3的Z3轴方向一致，即使基准面A与该X3Y3坐标平面平行，此时，虚拟工件坐标系X1Y1Z1的原点相对于虚拟工具坐标系X3Y3Z3的原点的位置参数为(X3＝100，Y3＝100，Z3＝300，RX3＝0°，RY3＝40°，RZ3＝0)，其中，该X3、Y3及Z3分别为虚拟工件坐标系X1Y1Z1的原点相对于虚拟工具坐标系X3Y3Z3的原点的X3轴向、Y3轴向及Z3轴向的偏移量，该RX3、RY3及RZ3分别为虚拟工件坐标系X1Y1Z1的原点相对于虚拟工具坐标系X3Y3Z3的X3轴、Y3轴及Z3轴的旋转角度。
可以理解，该模型22上的每一分区按照上述方法都可确定一虚拟工件坐标系X1Y1Z1的原点相对于虚拟工具坐标系X3Y3Z3的原点的位置参数，从而对确定各分区对应的该虚拟工件坐标系X1Y1Z1的原点相对于该虚拟工具坐标系X3Y3Z3的原点的位置参数。由于该虚拟工件坐标系X1Y1Z1与该虚拟工具坐标系X3Y3Z3分别对应于该工件坐标系XYZ与该工具坐标系X2Y2Z2，同时，该雕刻产品20上的每一点相对于该工件坐标系XYZ的位置是恒定的，该激光雕刻系统10的雕刻区域30的每一点相对于该工具坐标系X2Y2Z2的位置也是恒定的，如此，在用该激光雕刻系统10对该待雕刻产品20进行雕刻时，可通过求解出该虚拟工件坐标系X1Y1Z1的原点相对于虚拟工具坐标系X3Y3Z3的原点的位置参数来确定该待雕刻产品20在该激光雕刻系统10的雕刻区域上的位置参数。
该图像编辑处理器12将按照上述方法确定的位置参数信号输出到该雕刻控制单元13。
该图像编辑处理器12根据该模型22的面结构分区对所要雕刻的3D图案222进行分区并使分区后的图案投影到各基准面上形成2D图案，并将该2D图案信号输出到该雕刻控制单元13的激光控制单元132。请参阅图7及图8所示，如将该分区224上的3D图案222投影到其对应的基准面A上生成2D图案223，并将该2D图案223信号输出到该雕刻控制单元13。
该雕刻控制单元13包括一激光控制单元132和一机械手控制单元134。该激光控制单元132和该机械手控制单元134分别与该图像编辑处理器12电连接，该激光控制单元132接收该图像编辑处理器12输出的图案信号，该机械手控制单元134接收该图像编辑处理器12输出的各分区的位置参数信号。
该机械手14与该机械手控制单元134电连接，其用于对该待雕刻产品20的位置定位。该机械手14的运行轨迹通过该机械手控制单元134接收的该图像编辑处理器12输出的各分区的位置参数信号进行限定，从而对该待雕刻产品20的各分区进行定位。如该机械手14按该分区224的位置参数为(X1＝100，Y1＝100，Z1＝300，RX＝0°，RY＝40°，RZ＝0°)运行并定位。
该激光发射装置15与该激光控制单元132电连接，其用于发射激光以对该待雕刻产品20进行雕刻。该激光发射装置15的雕刻频率、强度、速度及雕刻轨迹通过该激光控制单元132接收的该图像编辑处理器12输出的2D图案信号进行控制，从而对各分区进行雕刻，如该激光发射装置15按投影到该基准面A上的2D图案223对该分区224进行雕刻。
该激光控制单元132与该机械手控制单元134还通过一组I/O接口(图未示)连接来实现该机械手14与该激光发射装置15之间的通信。当该机械手控制单元134控制该机械手14运行至使该待雕刻产品20被雕刻的某一分区时，该组I/O接口向该机械手控制单元134输出暂停运行该机械手14的命令，同时向该激光控制单元132输出雕刻信号，该激光控制单元132控制该激光发射装置15对该分区进行雕刻。当对该激光发射装置15对该分区雕刻完毕时，该组I/O接口向该机械手控制单元134输出继续运行该机械手14的命令，该机械手控制单元134控制该机械手14运行至使该待雕刻产品20被雕刻的下一分区，如此往复，直到所有区域雕刻完毕。

Claims (16)

1.一种激光雕刻系统，用以对待雕刻产品进行雕刻，其特征在于：其包括一图像编辑处理器、一雕刻控制单元、一机械手及一激光发射装置，该图像编辑处理器用以建立待雕刻产品的模型并对该模型分区，生成各分区雕刻的2D图案及确定各分区的位置参数，并将该2D图案信号及该位置参数信号输出到该雕刻控制单元，该雕刻控制单元与该图像编辑处理器电连接，其根据接收的该2D图案信号控制该激光发射装置及根据该位置参数信号控制该机械手，该机械手与该雕刻控制单元电连接，其用于对该待雕刻产品的位置定位，该激光发射装置与该雕刻控制单元电连接，其用于发射激光以对该待雕刻产品进行雕刻。
2.如权利要求1所述的激光雕刻系统，其特征在于：该图像编辑处理器包括一图形编辑软件，该图像编辑处理器通过该图形编辑软件建立一虚拟工件坐标系。
3.如权利要求2所述的激光雕刻系统，其特征在于：该图形编辑软件依据工件坐标系的取向而建立该虚拟工件坐标系，该工件坐标系是以该雕刻产品的一点为原点而建立的笛卡尔坐标系。
4.如权利要求2所述的激光雕刻系统，其特征在于：该图形编辑软件以该虚拟工件坐标系为坐标系，根据该待雕刻产品的形状特征建立该待雕刻产品的所述模型，以将所要雕刻的图案呈现在该模型上并分别对各分区取基准面，将各分区的3D图案投影到其对应的基准面上而生成2D图案。
5.如权利要求4所述的激光雕刻系统，其特征在于：该图形编辑软件依据工具坐标系的取向而建立一虚拟工具坐标系，该工具坐标系是以激光发射装置发射的激光的焦平面为坐标平面建立的笛卡尔坐标系。
6.如权利要求5所述的激光雕刻系统，其特征在于：该图形编辑软件通过确定该虚拟工件坐标系的原点相对于该虚拟工具坐标系的原点的位置参数来确定各分区的位置参数。
7.如权利要求6所述的激光雕刻系统，其特征在于：该图形编辑软件分别使每一该基准面和该虚拟工具坐标系中与该激光雕刻系统的雕刻区域对应的坐标平面平行，从而对确定各分区对应的该虚拟工件坐标系的原点相对于该虚拟工具坐标系的原点的位置参数。
8.如权利要求1所述的激光雕刻系统，其特征在于：该雕刻控制单元包括一激光控制单元和一机械手控制单元，该激光控制单元和该机械手控制单元分别与该图像编辑处理器电连接，该激光控制单元接收该2D图案信号，该机械手控制单元接收该位置参数信号。
9.如权利要求8所述的激光雕刻系统，其特征在于：该激光控制单元与该激光发射装置电连接，该激光控制单元根据该2D图案信号控制该激光发射装置的雕刻频率、强度、速度及雕刻轨迹。
10.如权利要求8所述的激光雕刻系统，其特征在于：该机械手控制单元与该机械手电连接，该机械手控制单元根据该位置参数信号控制该机械手的运行轨迹。
11.如权利要求8所述的激光雕刻系统，其特征在于：该激光控制单元和该机械手控制单元通过一I/O接口连接来实现该机械手与该激光发射装置之间的通信。
12.一种采用如权利要求1所述的激光雕刻系统的激光雕刻方法，其特征在于包括以下步骤：
将该待雕刻产品固定在该机械手上；
通过该图像编辑处理器建立该待雕刻产品的模型并对该模型分区，以生成各分区雕刻的2D图案及确定各分区的位置参数的步骤；
该图像编辑处理器将该2D图案信号及该位置参数信号输出到该雕刻控制单元的步骤；
该雕刻控制单元根据该图像编辑处理器输出的各分区的该位置参数信号控制该机械手而对该待雕刻产品的各分区进行定位的步骤；
该雕刻控制单元根据该图像编辑处理器输出的该2D图案信号控制该激光发射装置而对该待雕刻产品的各分区进行激光雕刻的步骤。
13.一种如权利要求12所述的激光雕刻方法，其特征在于：该图像编辑处理器建立该模型之前，还包括该图像编辑处理器依据工件坐标系的取向而建立一虚拟工件坐标系的步骤，该工件坐标系是以该雕刻产品的一点为原点而建立的笛卡尔坐标系。
14.一种如权利要求13所述的激光雕刻方法，其特征在于：该图像编辑处理器以该虚拟工件坐标系为坐标系，根据该待雕刻产品的形状特征建立该待雕刻产品的所述模型，以将所要雕刻的图案呈现在该模型上并分别对各分区取基准面，并将各分区的3D图案投影到其对应的基准面上，从而实现生成2D图案。
15.一种如权利要求14所述的激光雕刻方法，其特征在于：该图像编辑处理器于确定个分区的位置参数之前，还包括该图像编辑处理器依据工具坐标系的取向而建立一虚拟工具坐标系的步骤，该工具坐标系是以激光发射装置发射的激光的焦平面为坐标平面建立的笛卡尔坐标系。
16.一种如权利要求15所述的激光雕刻方法，其特征在于：该位置参数的确定是通过该图像编辑处理器分别使每一该基准面和该虚拟工具坐标系中与该激光雕刻系统的雕刻区域对应的坐标平面平行，从而对确定各分区对应的该虚拟工件坐标系的原点相对于该虚拟工具坐标系的原点的位置参数，从而通过确定该虚拟工件坐标系的原点相对于该虚拟工具坐标系的原点的位置参数来确定各分区的该位置参数。
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