CN104097402A - 激光打标机及其打标方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光打标机，在对工件进行加工前，先通过三维移动平台带动探测仪位于三维坐标系中的不同位置点，并使音圈电机移动，以使激光束分别聚焦于探测仪上。因此，通过记录不同位置点的坐标信息及音圈电机对应的位移量，便可得到激光束聚焦于不同位置时，对应音圈电机的位移量的校正表。对工件打标时，将三维移动平台拆除，并将工件置于承载台上。控制器根据校正表及激光束的光斑在三维坐标系中的坐标信息，控制音圈电机移动，以使激光束聚焦于工件的表面。因此，上述激光打标机及其打标方法可减小失真，从而有效提高加工精度。此外，本发明还提供一种激光打标方法。

Description

激光打标机及其打标方法

技术领域

本发明涉及激光应用技术，特别是涉及一种激光打标机及其打标方法。

背景技术

激光扫描技术的应用范围越来越广，其应用行业涉及到光电医疗、激光加工、激光切割、激光焊接等。在各种激光扫描技术的应用中，要求激光束能准确聚焦在视场上的任意位置，且光点的移动按照确定的关系进行。各种激光扫描技术中，振镜式扫描是广泛采用的一种扫描方式。振镜是用于控制激光束方向的反射镜。一般在激光打标机中，在X轴和Y轴方向上各设置一块振镜，通过转动振镜达到移动光点的目的。

但是，在激光打标过程中，由于振镜的线性度不可能达到百分百，且振镜在不同的范围内的线性度可能也不同。因此，振镜式激光打标机存在着打标图形的线性失真或者非线性失真，从而使得在实际使用过程中，出现加工的尺寸与预定的尺寸不符的情况。特别是当扫描区域较大时，会严重影响激光打标的加工精度。

发明内容

基于此，有必要提供一种能有效提高加工精度的激光打标机及其打标方法。

一种激光打标机，用于在工件表面形成预设图案，所述激光打标机包括：

底座，其上设有用于承载所述工件的承载台；

激光器，安装于所述底座上，所述激光器用于发出激光束；

调焦装置，固定于所述底座上，所述调焦装置包括镜片组件及用于驱动所述镜片组件沿其轴向运动的音圈电机；

二维扫描振镜，固定于所述底座上并与所述调焦装置相对设置，所述二维扫描振镜与所述承载台相对设置，所述激光束经所述调焦装置进入所述二维扫描振镜，并经所述二维扫描振镜反射后可射向所述承载台；

与所述音圈电机及所述二维扫描振镜通讯连接的控制器，所述控制器用于控制所述二维扫描振镜转动，以使所述激光束的光斑在所述工件上沿预设路线移动，所述控制器还用于控制所述音圈电机移动，以使所述激光束聚焦于所述工件的表面；

三维移动平台，可拆卸地安装于所述承载台上；

探测仪，安装于所述三维移动平台上，所述探测仪用于接收所述激光束，且所述三维移动平台可带动所述探测仪在预设的三维坐标系中移动；及

位移采集器，与所述控制器通讯连接，所述位移采集器用于采集当所述激光束聚焦于所述探测仪时，所述音圈电机的位移量；

其中，所述控制器还用于获取所述探测仪在所述三维坐标系中的多个坐标信息及每个所述坐标信息对应的所述音圈电机的位移量，并将所述音圈电机的位移量与所述探测仪的坐标信息对应存储，以形成矫正表，所述控制器还用于根据所述校正表及所述激光束的光斑在所述三维坐标系中的坐标，控制所述音圈电机的移动，以使所述激光束聚焦于所述工件的表面。

在其中一个实施例中，所述三维移动平台包括两两相互垂直的第一移动轴、第二移动轴及第三移动轴，所述第一移动轴可拆卸地安装于所述承载台，所述第二移动轴可滑动地设于所述第一移动轴上，所述第三移动轴可滑动地设于所述第二移动轴上，所述三维坐标系分别以所述第一移动轴、所述第二移动轴及所述第三移动轴为X轴、Y轴及Z轴。

在其中一个实施例中，所述探测仪为电荷耦合图像传感器。

在其中一个实施例中，所述电荷耦合图像传感器的表面设有滤光片。

在其中一个实施例中，所述控制器根据所述校正表所述激光束的光斑在所述三维坐标系中的坐标，通过插值法获取所述音圈电机的所需位移量，以控制所述音圈电机移动。

一种激光打标方法，包括以下步骤：

提供如上述优选实施例中任一项所述的激光打标机；

所述三维移动平台带动所述探测仪在所述三维坐标系中移动，以使所述探测仪依次位于多个位置点；

所述二维扫描振镜转动且所述音圈电机移动，以使所述激光束依次聚焦于位于所述多个位置点的所述探测仪上，所述位移采集器依次采集所述音圈电机的位移量；

所述控制器获取所述多个位置点的坐标信息及每个所述位置点对应的所述音圈电机的位移量并对应存储，以形成校正表；

拆卸所述三维移动平台，并将所述工件置于所述承载台上；

所述控制器控制所述二维扫描振镜转动，以使所述激光束的光斑在所述工件上沿预设路线移动，所述控制器还根据所述校正表及所述激光束的光斑在所述三维坐标系中的坐标信息，控制所述音圈电机移动，以使所述激光束聚焦于所述工件的表面。

在其中一个实施例中，所述控制器还根据所述校正表及所述激光束的光斑在所述三维坐标系中的坐标信息，控制所述音圈电机移动，以使所述激光束聚焦于所述工件的表面的步骤具体为：

所述控制器根据所述校正表所述激光束的光斑在所述三维坐标系中的坐标，通过插值法获取所述音圈电机的所需位移量，以控制所述音圈电机移动。

在其中一个实施例中，所述所述三维移动平台带动所述探测仪在所述三维坐标系中移动，以使所述探测仪依次位于多个位置点的步骤为：

以所述三维坐标系的原点为起点，依次带动所述探测仪沿X轴方向及Y轴方向移动；

带动所述探测仪沿Z方向移动预设距离，再依次带动所述探测仪沿X轴方向及Y轴方向移动并依次类推。

在其中一个实施例中，所述预设距离为1毫米。

在其中一个实施例中，所述所述控制器获取所述多个位置点的坐标信息及每个所述位置点对应的所述音圈电机的位移量并对应存储，以形成校正表的步骤为：

将Z轴坐标相同的所述位置点的坐标信息及其对应的所述音圈电机的位移量存储于一个表中，以得到多个校正表。

上述激光打标机及其打标方法，在对工件进行加工前，先通过三维移动平台带动探测仪位于三维坐标系中的不同位置点，并使音圈电机移动，以使激光束分别聚焦于探测仪上。因此，通过记录不同位置点的坐标信息及音圈电机对应的位移量，便可得到激光束聚焦于不同位置时，对应音圈电机的位移量的校正表。对工件打标时，将三维移动平台拆除，并将工件置于承载台上。控制器根据校正表及激光束的光斑在三维坐标系中的坐标信息，控制音圈电机移动，以使激光束聚焦于工件的表面。因此，上述激光打标机及其打标方法可减小失真，从而有效提高加工精度。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中激光打标机的结构示意图；

图2为一个实施例中激光打标方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明较佳实施例中的激光打标机100包括底座110、激光器120、调焦装置130、二维扫描振镜140、控制器150、三维移动平台160、探测仪170及位移采集器(图未示)。其中，激光打标机100用于在工件表面形成预设图案。

底座110起制成作用，一般由金属制成。底座110上设有用于承载工件的承载台112。承载台112的表面为平面，可使工件保持稳定。

激光器120安装于底座110上。激光器120用于发出激光束。。激光器120可以为半导体激光器、气体激光器等。

调焦装置130固定于底座110上。调焦装置130包括镜片组件及用于驱动镜片组件轴向运动的音圈电机(图未示)。音圈电机驱动镜片组移动，从而调整激光束的聚焦位置。

二维扫描振镜140固定于底座110上并与调焦装置130相对设置。二维扫描振镜140与承载台112相对设置，激光束经调焦装置130进入二维扫描振镜140，并经二维扫描振镜140反射后可射向承载台112。二维扫描振镜140包括分别设于两个垂直方向的反射镜，通过转动反射镜，可使激光束的光斑沿预设的路线移动。

控制器150与音圈电机及二维扫描振镜140通讯连接的，控制器150用于控制二维扫描振镜140转动，以使激光束的光斑在工件上沿预设路线移动。控制器150还用于控制音圈电机移动，以使激光束聚焦于工件的表面。具体在本实施例中，控制器150与音圈电机及二维扫描振镜140通过取电器连接。可以理解，驱动器的驱动作用也可集成于控制器150中。

三维移动平台160可拆卸地安装于承载台112上。在对待加工的工件进行打标时，需先将三维移动平台160从承载台112上拆除，并再将工件置于承载台112上。

探测仪170安装于三维移动平台160上，探测仪170用于接收激光束，且三维移动平台160可带动探测仪170在预设的三维坐标系中移动。探测仪170位于三维坐标系中不同位置点时，通过转动二维扫描振镜140，便可使激光束射向探测仪170。

具体在本实施例中，探测仪170为电荷耦合图像传感器。进一步的，电荷耦合图像传感器的表面设有滤光片(图未示)。滤光片可对电荷耦合图像传感器起到保护作用，防止激光功率较大时烧坏电荷耦合图像传感器。

在本实施例中，三维移动平台160包括两两相互垂直的第一移动轴161、第二移动轴163及第三移动轴165。第一移动轴161可拆卸地安装于承载台112，第二移动轴163可滑动地设于第一移动轴161上，第三移动轴165可滑动地设于第二移动轴163上。三维坐标系分别以第一移动轴161、第二移动轴163及第三移动轴165为X轴、Y轴及Z轴。

可以理解，在其他实施例中，三维移动平台160可以为机械爪等其他结构，能使探测仪170在三维坐标系中自由移动即可。

位移采集器用于采集当激光束聚焦于探测仪170时，音圈电机的位移量。具体的，三维移动平台160带动探测仪170在三维坐标系中移动，可使探测仪170三维坐标系中不同位置点。由于激光束的聚焦面为以二维扫描振镜140为中心的球面。因此，探测仪170在不同位置点时，激光束的焦点可能不在探测仪170上。通过控制音圈电机驱使镜片组件移动，可改变激光束焦点的位置，直至激光束聚焦于探测仪170上。位移采集器分别采集探测仪170在不同位置点时，可使激光束聚焦于探测仪170上的音圈电机的位移量。

其中，控制器150还用于获取探测仪170在三维坐标系中的多个坐标信息及每个坐标信息对应的音圈电机的位移量，并将音圈电机的位移量与探测仪170的坐标信息对应存储，以形成矫正表。

具体在本实施例中，获得校正表的过程如下：

以三维坐标系中的原点为起点，音圈电机驱使镜片组件移动，直使激光束聚焦于探测仪170上，记录此时音圈电机的移动量d_(0,0,0)；通过三维移动平台160使探测仪170运动到三维坐标系中(1,0,0)的位置，音圈电机驱使镜片组件移动，直使激光束聚焦于探测仪170上，记录此时音圈电机的移动量d_(1,0,0)；以此类推，记录二维平面上所有位置坐标所对应的音圈电机的移动量d_(x,y,0),获得第一张校正表：

表1

三维移动平台160带动探测仪170沿Z轴方向移动预设距离。并且，按照上面的步骤，以此类推。当z＝Z时，得到第Z张校正表如下表：

表2

由Z张单独的校正表就得到整个三维打标范围的校正表，从而找到整个打标范围内调教装置130中音圈电机移动量与打标位置的坐标之间的校正表。

通过上述方式或得的校正表比较精确。可以理解，在其他实施例中，可在三维坐标系中任意选取多个位置点，并分别获取探测仪170位于多个该位置点时，可使激光束聚焦于探测仪170上的音圈电机的位移量，从而得到校正表。

在对工件进行打标时，先将三维移动平台160拆除，并将工件置于承载台112上。控制器150还用于根据校正表及激光束的光斑在三维坐标系中的坐标，控制音圈电机的移动，以使激光束聚焦于工件的表面。

具体在本实施例中，控制器150根据校正表激光束的光斑在三维坐标系中的坐标，通过插值法获取音圈电机的所需位移量，以控制音圈电机移动。

插值法即可采用直线插值法，也可采用拉格朗日插值法。由于需在工件表面形成预设图案，激光束的光斑需按预设路线移动。因此，便可得到激光束的光斑在三维坐标系中的坐标变化关系。进一步的，通过插值运算，可得到光斑坐标变化时，音圈电机使激光束聚焦于工件表面所需的移动量。控制器150控制音圈电机按照所需的移动量驱动镜片组件移动，从而使得激光束始终聚焦于工件表面。

通过插值法获取音圈电机的移动量更为精确。可以理解，在其他实施例中，也可先根据校正表中的对应关系得到一个函数关系，再根据函数关系以及光斑的坐标变化关系，实时获取音圈电机所需的移动量。

激光打标机100，在对工件进行加工前，先通过三维移动平台160带动探测仪170位于三维坐标系中的不同位置点，并使音圈电机移动，以使激光束分别聚焦于探测仪170上。因此，通过记录不同位置点的坐标信息及音圈电机对应的位移量，便可得到激光束聚焦于不同位置时，对应音圈电机的位移量的校正表。对工件打标时，将三维移动平台160拆除，并将工件置于承载台112上。控制器150根据校正表及激光束的光斑在三维坐标系中的坐标信息，控制音圈电机移动，以使激光束聚焦于工件的表面。因此，激光打标机100可减小失真，从而有效提高加工精度。

此外，本发明还提供了一种激光打标方法。为实现该激光打标方法，需提供激光打标机100。

请参阅图2，本发明一个实施例中的激光打标方法，包括步骤S101～S105。

步骤S101，三维移动平台160带动探测仪170在三维坐标系中移动，以使探测仪170依次位于多个位置点。

具体的，所选取的位置点为位于三维坐标系中的任意点。位置点可以是随机选取的，也可按照三维坐标系中的坐标顺序，依次选取。

步骤S102，二维扫描振镜140转动且音圈电机移动，以使激光束依次聚焦于位于多个位置点的探测仪170上，位移采集器依次采集音圈电机的位移量。

探测仪170移动至下一个位置点时，由于位置变化，激光束的焦点位置也会随之发生改变。通过音圈电机驱动镜片组件，以调整激光束的焦点位置，从而使得激光束重新聚焦于探测仪170上。此时，由位移采集器依次采集音圈电机的位移量。其中，探测仪170每移动一次，音圈电机驱动镜片组件移动一次，位移采集器采集一次音圈电机的位移量。

步骤S103，控制器150获取多个位置点的坐标信息及每个位置点对应的音圈电机的位移量并对应存储，以形成校正表。

具体在本实施例中，上述步骤S103为：以三维坐标系的原点为起点，依次带动探测仪170沿X轴方向及Y轴方向移动；带动探测仪170沿Z方向移动预设距离，再依次带动探测仪170沿X轴方向及Y轴方向移动并依次类推。

进一步的，在本实施例中，预设距离为1毫米。预设距离越近，得到的校正表越精确，从而使得最终校正效果最佳。

进一步的，上述步骤S103具体为：将Z轴坐标相同的位置点的坐标信息及其对应的音圈电机的位移量存储于一个表中，以得到多个校正表。

具体获取校正表的方式如下：

以三维坐标系中的原点为起点，音圈电机驱使镜片组件移动，直使激光束聚焦于探测仪170上，记录此时音圈电机的移动量d_(0,0,0)；通过三维移动平台160使探测仪170运动到三维坐标系中(1,0,0)的位置，音圈电机驱使镜片组件移动，直使激光束聚焦于探测仪170上，记录此时音圈电机的移动量d_(1,0,0)；以此类推，记录二维平面上所有位置坐标所对应的音圈电机的移动量d_(x,y,0),获得第一张校正表如表1；

三维移动平台160带动探测仪170沿Z轴方向移动预设距离。并且，按照上面的步骤，以此类推。当z＝Z时，得到第Z张校正表如表2。

由Z张单独的校正表就得到整个三维打标范围的校正表，从而找到整个打标范围内调教装置130中音圈电机移动量与打标位置的坐标之间的校正表。

通过上述方式或得的校正表比较精确。可以理解，在其他实施例中，可在三维坐标系中任意选取多个位置点，并分别获取探测仪170位于多个该位置点时，可使激光束聚焦于探测仪170上的音圈电机的位移量，从而得到校正表。

步骤S104，拆卸三维移动平台160，并将工件置于承载台112上。

三维移动平台160用于获取校正表时，带动探测仪170移动。因此，当获取到校正表后，需要将其拆除，以使待加工的工件可承载于承载台112上。

步骤S105，控制器150控制二维扫描振镜140转动，以使激光束的光斑在工件上沿预设路线移动，控制器150还根据校正表及激光束的光斑在三维坐标系中的坐标信息，控制音圈电机移动，以使激光束聚焦于工件的表面。

具体在本实施例中，控制器150还根据校正表及激光束的光斑在三维坐标系中的坐标信息，控制所述音圈电机移动，以使激光束聚焦于工件的表面的步骤具体为：控制器150根据校正表激光束的光斑在所述三维坐标系中的坐标，通过插值法获取音圈电机的所需位移量，以控制所述音圈电机移动。

插值法即可采用直线插值法，也可采用拉格朗日插值法。由于需在工件表面形成预设图案，激光束的光斑需按预设路线移动。因此，便可得到激光束的光斑在三维坐标系中的坐标变化关系。进一步的，通过插值运算，可得到光斑坐标变化时，音圈电机使激光束聚焦于工件表面所需的移动量。控制器150控制音圈电机按照所需的移动量驱动镜片组件移动，从而使得激光束始终聚焦于工件表面。

通过插值法获取音圈电机的移动量更为精确。可以理解，在其他实施例中，也可先根据校正表中的对应关系得到一个函数关系，再根据函数关系以及光斑的坐标变化关系，实时获取音圈电机所需的移动量。

上述激光打标方法，在对工件进行加工前，先通过三维移动平台160带动探测仪170位于三维坐标系中的不同位置点，并使音圈电机移动，以使激光束分别聚焦于探测仪170上。因此，通过记录不同位置点的坐标信息及音圈电机对应的位移量，便可得到激光束聚焦于不同位置时，对应音圈电机的位移量的校正表。对工件打标时，将三维移动平台160拆除，并将工件置于承载台112上。控制器150根据校正表及激光束的光斑在三维坐标系中的坐标信息，控制音圈电机移动，以使激光束聚焦于工件的表面。因此，上述激光打标方法可有效的减小失真，从而有效提高加工精度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光打标机，用于在工件表面形成预设图案，其特征在于，所述激光打标机包括：

底座，其上设有用于承载所述工件的承载台；

激光器，安装于所述底座上，所述激光器用于发出激光束；

调焦装置，固定于所述底座上，所述调焦装置包括镜片组件及用于驱动所述镜片组件沿其轴向运动的音圈电机；

二维扫描振镜，固定于所述底座上并与所述调焦装置相对设置，所述二维扫描振镜与所述承载台相对设置，所述激光束经所述调焦装置进入所述二维扫描振镜，并经所述二维扫描振镜反射后可射向所述承载台；

与所述音圈电机及所述二维扫描振镜通讯连接的控制器，所述控制器用于控制所述二维扫描振镜转动，以使所述激光束的光斑在所述工件上沿预设路线移动，所述控制器还用于控制所述音圈电机移动，以使所述激光束聚焦于所述工件的表面；

三维移动平台，可拆卸地安装于所述承载台上；

探测仪，安装于所述三维移动平台上，所述探测仪用于接收所述激光束，且所述三维移动平台可带动所述探测仪在预设的三维坐标系中移动；及

位移采集器，与所述控制器通讯连接，所述位移采集器用于采集当所述激光束聚焦于所述探测仪时，所述音圈电机的位移量；

其中，所述控制器还用于获取所述探测仪在所述三维坐标系中的多个坐标信息及每个所述坐标信息对应的所述音圈电机的位移量，并将所述音圈电机的位移量与所述探测仪的坐标信息对应存储，以形成矫正表，所述控制器还用于根据所述校正表及所述激光束的光斑在所述三维坐标系中的坐标，控制所述音圈电机的移动，以使所述激光束聚焦于所述工件的表面。

2.根据权利要求1所述的激光打标机，其特征在于，所述三维移动平台包括两两相互垂直的第一移动轴、第二移动轴及第三移动轴，所述第一移动轴可拆卸地安装于所述承载台，所述第二移动轴可滑动地设于所述第一移动轴上，所述第三移动轴可滑动地设于所述第二移动轴上，所述三维坐标系分别以所述第一移动轴、所述第二移动轴及所述第三移动轴为X轴、Y轴及Z轴。

3.根据权利要求1所述的激光打标机，其特征在于，所述探测仪为电荷耦合图像传感器。

4.根据权利要求3所述的激光打标机，其特征在于，所述电荷耦合图像传感器的表面设有滤光片。

5.根据权利要求1所述的激光打标机，其特征在于，所述控制器根据所述校正表所述激光束的光斑在所述三维坐标系中的坐标，通过插值法获取所述音圈电机的所需位移量，以控制所述音圈电机移动。

6.一种激光打标方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供如上述权利要求1～5任一项所述的激光打标机；

所述三维移动平台带动所述探测仪在所述三维坐标系中移动，以使所述探测仪依次位于多个位置点；

所述二维扫描振镜转动且所述音圈电机移动，以使所述激光束依次聚焦于位于所述多个位置点的所述探测仪上，所述位移采集器依次采集所述音圈电机的位移量；

所述控制器获取所述多个位置点的坐标信息及每个所述位置点对应的所述音圈电机的位移量并对应存储，以形成校正表；

拆卸所述三维移动平台，并将所述工件置于所述承载台上；

所述控制器控制所述二维扫描振镜转动，以使所述激光束的光斑在所述工件上沿预设路线移动，所述控制器还根据所述校正表及所述激光束的光斑在所述三维坐标系中的坐标信息，控制所述音圈电机移动，以使所述激光束聚焦于所述工件的表面。

7.根据权利要求6所述的激光打标方法，其特征在于，所述控制器还根据所述校正表及所述激光束的光斑在所述三维坐标系中的坐标信息，控制所述音圈电机移动，以使所述激光束聚焦于所述工件的表面的步骤具体为：

所述控制器根据所述校正表所述激光束的光斑在所述三维坐标系中的坐标，通过插值法获取所述音圈电机的所需位移量，以控制所述音圈电机移动。

8.根据权利要求6所述的激光打标方法，其特征在于，所述所述三维移动平台带动所述探测仪在所述三维坐标系中移动，以使所述探测仪依次位于多个位置点的步骤为：

以所述三维坐标系的原点为起点，依次带动所述探测仪沿X轴方向及Y轴方向移动；

带动所述探测仪沿Z方向移动预设距离，再依次带动所述探测仪沿X轴方向及Y轴方向移动并依次类推。

9.根据权利要求8所述的激光打标方法，其特征在于，所述预设距离为1毫米。

10.根据权利要求8所述的激光打标方法，其特征在于，所述所述控制器获取所述多个位置点的坐标信息及每个所述位置点对应的所述音圈电机的位移量并对应存储，以形成校正表的步骤为：

将Z轴坐标相同的所述位置点的坐标信息及其对应的所述音圈电机的位移量存储于一个表中，以得到多个校正表。