CN101497279A - 一种测量加工一体化的激光三维打标方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光三维打标方法及装置，该方法具体步骤为：在指向激光内雕机工作台的位置安装固定一摄像头；标定摄像头结构参数；将目标零件置于工作台上，测得目标零件待加工面上光斑点的空间三维坐标的点云数据；将点云数据拓扑重建，构成STL三角面片；导入零件模型STL文件，将待打标图像作为纹理贴在由STL提供的三角面片网格上；遍历三角面片网格，判断网格上点的灰度值，再根据灰度值判断是否需要打标；记录下各需要打标的点所在的坐标，构成打标点点集列表；对打标点点集按照z值大小进行排序，生成打标点点集数据；CNC软件根据打标点点集数据控制激光器的加工功率进行打标。本发明所用装置是在激光内雕机的基础上，安装了一个光学摄像头而成。

Description

一种测量加工一体化的激光三维打标方法及装置

技术领域

本发明涉及一种测量加工一体化的激光三维打标方法和所用装置，该激光三维打标方法为一种三维表面打标工艺，属于激光加工领域。

背景技术

近年来，激光加工技术在无数工业应用领域的获得成功应用，它是利用高功率密度的激光束照射工件，使材料熔化或气化而进行的一种非接触式特种加工手段。与传统方案相比，由于其使用振镜、透镜等光学扫描系统带来了许多的优势：高水平的动力学性能以及加工速度；消除了机械工具磨损；非接触加工；小且精确限定的热影响区域；特有的柔性，无须精加工等等。激光打标加工是激光加工最重要的工程应用方向之一，仅在国内平面打标系统即已形成了数十亿元的市场规模。

目前三维激光加工研究主要涉及透明材料内部的目标零件加工，典型的应用包括工艺品的激光内雕方法及作为一种快速原型技术的激光内割方法两种，二者均借鉴伽马刀的加工原理将激光扩束、准直后聚焦到透明材料内部，在目标零件的表面进行扫描加工，二者区别在于内割关心的是目标零件的物理存在，需要将目标零件与包裹的透明材料分离，而内雕关心的是目标的视觉存在，目标零件不需分离。

在三维表面进行的激光加工包括三维激光焊接、材料表面热处理等方面的研究等，它们注重的是激光加工后的物理效应，与前述的内割方法类似；但对于注重加工后的视觉效应的三维表面激光打标工艺，目前无论是国内还是国外，均无这方面的研究报道。

发明内容

为拓展三维表面激光加工的应用，本发明提供了一种测量加工一体化的激光三维打标方法及所用装置，该方法以激光内雕机为实现平台，通过三维测量不仅建立了目标零件的三维模型，同时也获得了零件与工作台及激光器的位置关系数据，测量完成的同时也完成了加工装备的定位(相当于传统加工的对刀过程)。这种方法是典型“手眼”加工方式，无需零件几何模型也能进行加工。且本发明提供的打标装置在激光内雕机基础上除摄像头外不需要立体相机等其它三维测量设备，极大地降低了成本；这种测量与加工一体化装置还具有一次装夹、自动对刀的优点。

本发明提供的测量加工一体化的激光三维打标方法，包括如下具体步骤：

1)在指向激光内雕机工作台的位置安装固定一摄像头；

2)以激光器测量功率打光，通过内雕机振镜控制测量光斑的平面位置，然后按照三角激光测量法进行摄像头结构参数标定，获得摄像头与工作台的位置关系数据；

3)将目标零件放置在工作台上，用激光器对目标零件进行定点扫描，得到一系列的采集图像，再通过图像处理算法从采集图像中寻找到光斑中心，根据光斑在图像中的位移结合标定得到的摄像头结构参数计算得到光斑点的高度值，依次得到目标零件待加工面上光斑点的空间三维坐标的点云数据；

4)将所有光斑点的空间坐标的点云数据进行点云重构，生成点云的拓扑连接，构成STL三角面片；

5)导入零件模型STL文件，将待打标图像作为纹理贴在三角面片网格上；

6)遍历三角面片网格，根据纹理坐标变换获得网格上点的灰度值，再根据灰度值与阈值的关系判断是否需要打标；

7)记录下各需要打标的点所在的x，y，z坐标，构成一个打标点集列表；

8)对打标点集列表中的点按z轴排序并进行路径规划，生成排序的打标点点集数据；

9)内雕机的CNC软件根据打标点点集数据，控制激光器按照加工进行三维打标。

本发明还提供了实现这种激光三维打标方法所用的装置，该装置至少包括一激光内雕机，在指向激光内雕机工作台的位置上安装固定有一摄像头，摄像头应能拍摄到量程内所有坐标的激光光斑，且摄像头光轴与激光器光轴夹角为30-60度。

由上述技术方案可知，采用该激光三维打标方法加工时直接在三维零件表面进行打标；分时复用激光器，激光器即用于三维测量也用于三维表面加工；一次装夹、自动对刀，测量完成的同时也完成了加工装备的定位；“手眼“加工方式，无需零件几何模型也进行加工。因此本发明提供的三维打标工艺对激光打标行业具有重大意义，其应用前景无可限量。

附图说明

图1为本发明提供的激光三维打标方法的工艺流程框图；

图2为本发明提供的装置的原理示意图；

图3为激光位移测距原理图；

图4是鼠标测量的点云数据；

图5为Delaunay算法原理；

图6是OpenGL纹理贴图及鼠标测量数据；

图7是鼠标测量后的加工效果；

图8是铝合金三维样本加工正面效果图；

图9是铝合金三维样本加工侧面效果图；

具体实施方式

一、总体工艺流程

下面将结合图1对本发明的总体工艺流程进行说明，在安装固定好光学摄像头后，必须进行相机标定，以获取摄像头与内雕机工作台的位置关系数据，本发明可采用单点激光位移计的标定算法，该算法是经典的三角激光测量法。

标定完成后，将目标零件固定在工作台上后，进入三维测量步骤，控制此时激光器按照较小功率进行定点扫描，得到一系列的采集图像，从采集图像中通过图像处理算法，自动寻找到光斑中心，根据光斑发生的位移结合标定得到的相机结构参数可以测得光斑点的深度信息。

将所有光斑点的空间坐标构成数据点云进入点云重构步骤，该步骤生成点云的拓扑连接，构成STL三角面片。

用户选择待打标图像后，将其作为纹理贴在由STL文件提供的三角面片上，用户可以通过OpenGL纹理贴图进行旋转、缩放及平移等编辑操作，进行设计与编辑。

当用户选择打标点计算后，系统遍历STL曲面，并通过纹理映射查找曲面上点对应的灰度值，如果需要打标，则将该点的空间坐标记录生成打标点数据。

打标点数据经排序等轨迹规划处理后，内雕机的CNC软件根据打标点点集数据控制激光器的加工功率进行打标，即从CNC进行数控加工。由于本方法可在有摄像头的条件下，直接在激光内雕机上实现，所以从CNC以下的后续工艺与激光内雕机的本质内容相同。

二、装置结构

本发明提供的装置是在激光内雕机的基础上，在指向激光内雕机工作台的位置上安装固定了一个光学摄像头6而组成的，摄像头应能拍摄到量程内所有坐标的激光光斑，且摄像头光轴与激光器光轴夹角为30-60度为宜，摄像头光轴与激光器光轴夹角角度太小光斑位移太小测量不准确，角度太大会减小量程，且易出现漏采光斑的问题；且该位置安装摄像头后不会与工作台运动发生干涉。另外摄像头分辨率大小与测量精度有关，本法名中使用的是30万像素定焦摄像头，标定后测量精度为0.5mm。图2为该装置的原理示意图，所用激光内雕机应至少包括激光器1、X轴振镜2、Y轴振镜3、平场透镜4和工作台5，以及装有各种必须程序软件的控制装置、加工设备，因激光内雕机为可购商品，本发明在此不再赘述。

三、测量部分

图3是激光位移测距原理图，半导体激光器7、被测物体表面8、位敏接收器9、成像物镜10的相对位置如图3所示，激光位移测距过程依次为驱动及前处理11、信号处理12和位移量计算13。

相机的结构参数包括：物距L、像距L’、相机轴向与激光器轴向的夹角α，由于被测目标的深度值X造成像X’的移动满足下列公式：

$X=\frac{X\′\·L}{L\′\·\sin \mathrm{\α}-X\′\·\cos \mathrm{\α}}$                式(1)

相机标定过程就是根据一系列已知的X及X’，求解参数L、L’与α的过程，对相机的镜头畸变的可用最简单的二次畸变校正即可。通过控制振镜以固定间隔在平面工作台上打点，对每个点按照以式(1)为中的L、L’与α为待定参数进行最小二乘拟合进行标定完成后，得到结构参数L、L’和α。

测量时，通过控制振镜在目标零件上打点，即可根据改点处的X’套用式(1)得到目标零件在改点的深度值X。将每个点的坐标保存构成数据点云文件，图4即为实验中鼠标的实测点云数据。

四、点云拓扑重建与CAD/CAM

对空间数据点云，使用Delaunay算法进行拓扑重建，Delaunay生成的三角形网格中，各三角形的最小内角和最大，Delaunay是应用最广的三角剖分算法，本发明采用经典的Bowyer-Waston算法进行Delaunay三角化，图5是9个点的Delaunay三角网格及其对偶的Voronoi图。

构造出三角面片后，可以调用OpenGL执行图6所示的纹理贴图操作，用户可以对图像进行旋转、平移及缩放进行编辑。

用CAD/CAM进行加工计算时，遍历三角面片网格，通过纹理坐标变换找到纹理坐标，纹理坐标变换即是由空间点(x，y，z)查找该点纹理(u，v)坐标的过程，该技术为现有的成熟技术，这里不作详细说明，再根据纹理坐标查询待打标图像，根据灰度值与阈值的关系判断该点是否需要打印，如果需要则记录该点坐标形成打标点点集。

所有三角面片都处理完成后，对打标点点集按照Z值大小进行排序，对每层的Z值，从最小的X，Y开始，按照最近邻原则依次将该层打标点加入，这样的路径规划算法可以避免振镜的大幅振动而降低精度。

五、CNC部分

本发明提供的装置为测量与加工一体化装置，具有一次装夹、自动对刀的优点：三维测量不仅建立了目标零件的三维模型，同时也建立了零件与工作台及激光器的位置关系，测量完成的同时也完成了加工装备的定位(相当与传统加工的对刀过程)，上述打标点的坐标就是机床坐标。

因此如果测量后，保持零件的装夹状态，在CAD/CAM计算后，可以直接根据打标点坐标，激光器按照加工功率进行蚀刻加工。

六、实际应用结果

图7-图9分别是加工后的实际效果图，可以看到

1.本发明提供的方法完成了在三维目标零件表面上的激光打标，而目前的平面打标机是无法做到的；

2.实现本发明方法所用的装置仅在现有激光内雕机上增加了一摄像头，无须三维内雕需要的立体相机，实现了激光器的一物两用，微不足道的成本即换来了强大的加工能力；

3.本发明方法实现了一次装夹、自动对刀，测量得到零件的坐标后可直接进行加工，实用性强、生产效率极高。

Claims (6)

1、一种测量加工一体化的激光三维打标方法，包括如下具体步骤：

1)在指向激光内雕机工作台的位置安装固定一摄像头；

2)以激光器定位功率打光，通过内雕机振镜控制测量光斑的平面位置，然后按照三角激光测量法进行摄像头结构参数标定，获得摄像头与工作台的位置关系数据；

3)将目标零件放置在工作台上，用激光器对目标零件进行定点扫描，得到一系列的采集图像，再通过图像处理算法从采集图像中寻找到光斑中心，根据光斑在图像中的位移结合标定得到的摄像头结构参数计算得到光斑点的高度值，依次得到目标零件待加工面上光斑点的空间三维坐标的点云数据；

4)将所有光斑点的空间坐标的点云数据进行点云拓扑重建，生成点云的拓扑连接，构成STL三角面片；

5)导入零件模型STL文件，将待打标图像作为纹理贴在由STL提供的三角面片网格上；

6)遍历三角面片网格，根据纹理坐标变换获得网格上点的灰度值，再根据灰度值与阈值的关系判断是否需要打标；

7)记录下各需要打标的点所在的x，y，z坐标，构成一个打标点点集列表；

8)对打标点点集按照z值大小进行排序，对每层的z值，从最小的x，y开始，按照最近邻原则依次将该层打标点加入，生成打标点点集数据；

9)内雕机的CNC软件根据打标点点集数据，控制激光器按照加工功率进行三维打标。

2、根据权利要求1所述的测量加工一体化的激光三维打标方法，其特征在于：摄像头应位于能拍摄到量程内所有坐标的激光光斑的位置，且摄像头光轴与激光器光轴夹角为30-60度。

3、根据权利要求1所述的测量加工一体化的激光三维打标方法，其特征在于：步骤4)中的用Delaunay算法对点云数据进行拓扑重建。

4、根据权利要求1所述的测量加工一体化的激光三维打标方法，其特征在于：步骤5)中用OpenGL将待打标图像作为纹理贴在三角面片网格上。

5、一种权利要求1所述测量加工一体化的激光三维打标方法所用的装置，至少包括一激光内雕机，其特征在于：在指向激光内雕机工作台的位置上安装固定有一摄像头，摄像头应能拍摄到量程内所有坐标的激光光斑，且摄像头光轴与激光器光轴夹角为30-60度。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所用摄像头为光学摄像头。

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