CN104259669A - 一种精准的三维曲面激光标刻方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种精准的三维曲面激光标刻方法，将三维物体模型通过曲面展开算法展开生成二维展开图形，然后将二维图像映射至二维展开图形上，将映射有二维图像的二维展开图形转换生成映射有二维图像的三维物体模型；在该三维物体模型基础上，建立三维坐标系，以该坐标系原点为起始点，向三维物体模型表面方向，逐层计算获取二维图像在三维物体模型上的映射点坐标，并对获取的映射点坐标进行畸变误差校正，生成位置标刻参数存储于数据库中；标刻时，以一动态标刻系统读取数据库，根据位置标刻参数在物体表面上进行标刻。本发明的方法可实现在任意形状物体表面上的快速、精确标刻，且标刻于物体表面上的二维图像无失真现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种精准的三维曲面激光标刻方法，属于激光打标、雕刻等激光加工领域。
背景技术
与传统二维激光加工相比，三维激光标刻可实现在曲面工件上激光加工，标刻精度高，加工创意丰富。目前，包括激光打标、雕刻等在内的三维激光标刻技术蓬勃发展，未来几年内激光标刻应用必将由二维逐渐过渡到三维，深入到生活、工业的各个领域。
目前二维激光标刻技术可实现在产品的平面上进行打标，其技术发展已经相当成熟，但是对于三维激光标刻，如何在三维物体的表面实现精确、无失真的标刻成为业界的主要研究方向，具体存在的困难在于：二维图像如何在表面不平整的三维曲面工件上仿形贴合无失真，从二维标刻平面图形转化成三维图形后，其位置信息如何表征，在激光标刻过程中如何实时获取不规则表面的位置信息，同时相对于二维图形而言，系统处理三维图形的数据量大幅度增加，如何保证激光在标刻过程中快速响应，动态改变激光焦斑大小，保证加工无离焦现象，实现图案在三维曲面上精准展现。
现有的三维激光标刻方法一般是将二维图像直接投影于三维物体模型的表面，根据二维图像在三维物体模型表面形成的映射坐标，利用三维激光标刻机调整激光焦斑和激光束的位置完成在三维物体表面的标刻过程。这种方法的缺点是：一方面，映射坐标通常是在标刻过程中实时采用插值法计算得到的，容易出现不同高度位置的激光光斑偏离焦点，进而造成图像失真的问题；另一方面，对于曲率骤变、平整度偏差较大的三维曲面，标刻过程中容易产生严重的图像变形失真。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种精准的三维曲面激光标刻方法，利用该三维曲面激光标刻方法可实现在任意形状物体表面上的快速、精确标刻，且标刻于物体表面上的二维图像无失真现象。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种精准的三维曲面激光标刻方法，包括如下步骤：
获取映射有二维图像的三维物体模型；
建立该三维物体模型的三维坐标系，以该三维坐标系的原点为起始点，向该三维物体模型表面方向，逐层获取二维图像在该三维物体模型上的映射点坐标；
对该映射点坐标进行畸变误差校正处理，生成位置标刻参数；
将该位置标刻参数存储于一数据库中；
以一动态标刻系统在标刻过程中实时调取该数据库中的位置标刻参数，并根据该位置标刻参数在实物表面标刻。
进一步的，
对所述三维物体模型上的三维曲面进行分层处理，确定每层对应的平面坐标，对每层对应的平面坐标进行畸变误差校正处理，生成每层对应的位置标刻参数。
以所述三维坐标系的原点为起始点，向所述三维物体模型表面方向，以小于0.1mm的步长，逐层计算获取二维图像在所述三维物体模型上的映射点坐标。
所述建立三维坐标系的方法是：将所述三维物体模型与实物位置相重合，建立三维坐标系，且所述三维物体模型的底面或投影面位于该三维坐标系的XOY平面的第一象限内。
所述获取映射有二维图像的三维物体模型的方法是：
利用曲面展开算法将实物的三维物体模型展开生成二维展开图形；
将二维图像映射于该二维展开图形上，生成映射有二维图像的二维展开图形；
将该映射有二维图像的二维展开图形转换生成所述映射有二维图像的三维物体模型。
激光标刻过程中，所述动态标刻系统实时读取所述数据库中的位置标刻参数，自动调节激光焦斑和光束位置，实现精准标刻。
本发明的优点在于：
本发明的精准的三维曲面激光标刻方法，将三维物体模型展开成二维展开图形，完成贴图后再重构成三维物体模型，可保证物体表面的360°全方位标刻；逐层计算获取二维图像在三维物体模型上的映射点坐标，并对映射点坐标进行畸变误差校正处理，使得标刻位置更为精准，避免了标刻图像的失真现象；将位置标刻参数存储于数据库中，直接读取数据库中的位置标刻参数即可快速完成标刻。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明一具体实施例的二维图像标刻至球体表面的过程示意图。
图3是本发明一具体实施例的二维图像标刻至旋转体表面的过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
图1是本方法的方法流程图。结合图2及图3所示的具体实施例，本发明公开的一种精准的三维曲面激光标刻方法，包括如下步骤：
S1：获取映射有二维图像的三维物体模型
具体的说，利用曲面展开算法将三维物体模型展开生成二维展开图形；将二维图像映射于该二维展开图形上生成映射有二维图像的二维展开图形；将映射有二维图像的二维展开图形，转换生成映射有二维图像的三维物体模型。
其中，曲面展开算法可以是三角线法、放射线法等公知的曲面展开算法。
S2：建立该三维物体模型的三维坐标系
具体的说，将映射有二维图像的三维物体模型与实物位置相重合，建立三维坐标系，且，映射有二维图像的三维物体模型的底面(或投影面)位于该三维坐标系的XOY平面的第一象限内；
坐标系原点可以选取三维物体模型的投影图形中具有特征的点，如，若投影图形为多边形，则原点为多边形上的某个顶点在XOY平面上的投影；若投影图形为圆形或是椭圆形，以X、Y正半轴为其切线，两条切线的交点在XOY平面上的投影为原点；若投影图形为不规则图形，则原点可根据需要任意选取。
S3：以三维坐标系的原点为起始点，向映射有二维图像的三维物体模型表面方向，逐层获取二维图像在三维物体模型上的映射点坐标
在建立的三维坐标系基础上，以坐标系原点为起始点，向映射有二维图像的三维物体模型表面方向，以小于0.1mm的步长，利用分层算法，逐层计算获取二维图像在三维物体模型上的映射点坐标。
S4：对映射点坐标进行畸变误差校正处理，生成位置标刻参数，并将位置标刻参数存储于一数据库中
具体的说，对映射有二维图像的三维物体模型上的三维曲面进行分层处理，确定出每层对应的平面坐标(x，y)，针对每层对应的平面坐标(x，y)，进行畸变误差校正处理，生成每层对应的位置标刻参数，并将生成的位置标刻参数存储于一数据库中；标刻时，利用一动态标刻系统读取该数据库中的位置标刻参数完成快速标刻。
其中，分层算法属于三维物体模型的常用处理方法；畸变误差校正处理属于激光打标技术领域的常用技术手段；动态打标系统是指可根据位置标刻参数动态调整X、Y、Z轴振镜位置以实现激光在物体表面不同位置进行打印的系统，属于现有技术。
图2是本发明一具体实施例的二维图像标刻至球体表面的过程示意图。如图所示，将一二维图像标刻至球体表面，先利用三角线展开算法将球体展开为二维展开图形，然后将二维图像映射于二维展开图形上生成映射有二维图像的二维展开图形，之后将映射有二维图像的二维展开图形转换成映射有二维图像的球体模型；将映射有二维图像的球体模型与球体实物位置相重合，建立以该球体的投影图形(圆形)位于XOY平面的第一象限内，以X、Y正半轴为该圆形的切线，两条切线的交点为原点的三维坐标系；以该坐标系原点为起始点，向球体模型表面方向，以0.08mm的步长，分层获取二维图像在三维曲面上的平面坐标(x，y)，并对每一层上获取的平面坐标进行畸变误差校正处理，生成位置标刻参数，存储于一数据库中。标刻时，利用动态标刻系统根据数据库中的位置标刻参数，完成二维图像在球体上的标刻。
图3是本发明一具体实施例的二维图像标刻至旋转体表面的过程示意图。如图所示，将一二维图像标刻至球体表面，先利用放射线展开算法将旋转体展开为二维展开图形，然后将二维图像映射于二维展开图形上生成映射有二维图像的二维展开图形，之后将映射有二维图像的二维展开图形转换成映射有二维图像的旋转体模型；将映射有二维图像的旋转体模型与旋转体实物位置相重合，建立以旋转体底面圆形位于XOY平面的第一象限内，以X、Y正半轴为该底面圆形的切线，两条切线的交点为原点的三维坐标系；以该坐标系原点为起始点，向旋转体模型表面方向，以0.06mm的步长，分层获取二维图像在三维曲面上的平面坐标(x，y)，并对每一层上获取的平面坐标进行畸变误差校正处理，生成位置标刻参数，存储于一数据库中。
对于图3所示的旋转体实施例，为实现在旋转体上360°全方位贴图，在生成所述位置标刻参数后，还需要对该位置标刻参数进行分割处理，将该位置标刻参数分割成第一位置标刻参数和第二位置标刻参数；标刻时，利用一动态标刻系统根据第一位置标刻参数在旋转体的第一面完成标刻，然后，利用一旋转机构(现有技术)将旋转体旋转180°，再利用动态标刻系统根据第二位置标刻参数在旋转体的第二面完成标刻。
本发明提供的精准的三维曲面激光标刻方法，是将三维物体模型通过曲面展开算法展开生成二维展开图形，然后将二维图像映射至二维展开图形上，将映射有二维图像的二维展开图形转换生成映射有二维图像的三维物体模型；在该三维物体模型基础上，建立三维坐标系，以该坐标系原点为起始点，向三维物体模型表面方向，逐层计算获取二维图像在三维物体模型上的映射点坐标，并对获取的映射点坐标进行畸变误差校正，生成位置标刻参数存储于数据库中；标刻时，以一动态标刻系统读取数据库，根据位置标刻参数在物体表面上进行标刻。本发明的方法可实现在任意形状物体表面上的快速、精确标刻，且标刻于物体表面上的二维图像无失真现象。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种精准的三维曲面激光标刻方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取映射有二维图像的三维物体模型；
建立该三维物体模型的三维坐标系，以该三维坐标系的原点为起始点，向该三维物体模型表面方向，逐层获取二维图像在该三维物体模型上的映射点坐标；
对该映射点坐标进行畸变误差校正处理，生成位置标刻参数；
将该位置标刻参数存储于一数据库中；
以一动态标刻系统在标刻过程中实时调取该数据库中的位置标刻参数，并根据该位置标刻参数在实物表面标刻。
2.如权利要求1所述的精准的三维曲面激光标刻方法，其特征在于，对所述三维物体模型上的三维曲面进行分层处理，确定每层对应的平面坐标，对每层对应的平面坐标进行畸变误差校正处理，生成每层对应的位置标刻参数。
3.如权利要求2所述的精准的三维曲面激光标刻方法，其特征在于：以所述三维坐标系的原点为起始点，向所述三维物体模型表面方向，以小于0.1mm的步长，逐层计算获取二维图像在所述三维物体模型上的映射点坐标。
4.如权利要求3所述的精准的三维曲面激光标刻方法，其特征在于：所述建立三维坐标系的方法是：将所述三维物体模型与实物位置相重合，建立三维坐标系，且所述三维物体模型的底面或投影面位于该三维坐标系的XOY平面的第一象限内。
5.如权利要求1或4所述的精准的三维曲面激光标刻方法，其特征在于：所述获取映射有二维图像的三维物体模型的方法是：
利用曲面展开算法将实物的三维物体模型展开生成二维展开图形；
将二维图像映射于该二维展开图形上，生成映射有二维图像的二维展开图形；
将该映射有二维图像的二维展开图形转换生成所述映射有二维图像的三维物体模型。
6.如权利要求1所述的精准的三维曲面激光标刻方法，其特征在于：激光标刻过程中，所述动态标刻系统实时读取所述数据库中的位置标刻参数，自动调节激光焦斑和光束位置，实现精准标刻。
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