CN104439709B - 一种三维激光打标方法、装置及三维激光加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于激光加工领域，提供了一种三维激光打标方法、装置及三维激光加工设备，所述方法包括：获取被加工物体的曲面模型，所述被加工物体安装在数控回转工作台上；将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型；将所述曲面模型从所述映射曲面模型中抽取后，得到三维纹理数学模型；对所述三维纹理数学模型进行分割处理，得到多个纹理模型块；控制所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块向同一方向旋转相同的角度，使所述多个纹理模型块中的纹理模型块依次处于三维振镜系统的激光加工区域之内，对与处于激光加工区域之内的纹理模型块匹配的曲面依次进行加工。本发明，可以达到曲面任意角度的区域都能被激光加工的目的。

Description

一种三维激光打标方法、装置及三维激光加工设备
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种三维激光打标方法、装置及三维激光加工设备。
背景技术
激光标识设备固有的高速、高效的清洁加工方式，得到各行各业的青睐，因此广泛应用于电子信息、轻工、家电、模具、高低压电器、珠宝等众多行业。以物体平面为打标对象的二维激光加工设备，其加工技术已日臻成熟。
然而，以物体任意曲面为激光加工对象的三维激光加工(打标、蚀刻、雕刻等，下同)方法，目前还存在许多的局限性和缺陷。如依托二维打标技术配置数控旋转工作台的“三维”激光打标机，实际上只能加工旋转的三维圆柱曲面，对其他曲面则束手无策。基于三维振镜系统的三维激光加工设备，能对任意曲面进行三维激光加工，但却存在加工区域受限的致命缺陷，这是因为三维振镜系统的激光输出存在一定的夹角，在曲面的曲率变化较大时，激光无法接触部分曲面区域，使之成为激光加工的盲区。比如，在图1所示的三维振镜系统中，被加工物体的曲面，只有AB段能被加工，而BC段和AD段，则是激光加工的盲区。
当前，利用五轴数控机床原理进行三维任意曲面的激光加工，能有效解决三维曲面激光加工的盲区问题，但这类设备昂贵，导致加工成本过高。如何利用比较经济的加工方法，消除曲面三维激光打标的盲区，使曲面任意角度的区域都能被激光加工，已成为三维激光加工设备急需解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种三维激光打标方法、装置及三维激光加工设备，旨在解决现有技术提供的三维激光加工设备，设备昂贵，导致加工成本过高的问题。
一方面，提供一种三维激光打标方法，所述方法包括：
获取被加工物体的曲面模型，所述被加工物体安装在数控回转工作台上；
将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型；
将所述曲面模型从所述映射曲面模型中抽取后，得到三维纹理数学模型；
对所述三维纹理数学模型进行分割处理，得到多个纹理模型块；
控制所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块向同一方向旋转相同的角度，使所述多个纹理模型块中的纹理模型块依次处于三维振镜系统的激光加工区域之内，对与处于激光加工区域之内的纹理模型块匹配的曲面依次进行加工。
进一步地，通过纹理映射算法将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型。
进一步地，根据被加工物体的曲面模型确定所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块的旋转方向与旋转角度。
进一步地，根据被加工物体的曲面模型确定对所述三维纹理数学模型进行分割处理后，得到的纹理模型块的数量。
另一方面，提供一种三维激光打标装置，所述装置包括：
获取单元，用于获取被加工物体的曲面模型，所述被加工物体安装在数控回转工作台上；
映射单元，用于将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型；
抽取单元，用于将所述曲面模型从所述映射曲面模型中抽取后，得到三维纹理数学模型；
分割单元，用于对所述三维纹理数学模型进行分割处理，得到多个纹理模型块；
打标单元，用于控制所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块向同一方向旋转相同的角度，使所述多个纹理模型块中的纹理模型块依次处于三维振镜系统的激光加工区域之内，对与处于激光加工区域之内的纹理模型块匹配的曲面依次进行加工。
进一步地，所述映射单元通过纹理映射算法将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型。
进一步地，所述打标单元根据被加工物体的曲面模型确定所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块的旋转方向与旋转角度。
进一步地，所述分割单元根据被加工物体的曲面模型确定对所述三维纹理数学模型进行分割处理后，得到的纹理模型块的数量。
再一方面，提供一种三维激光加工设备，所述三维激光加工设备包括如上所述的三维激光打标装置。
在本发明实施例中，结合纹理映射算法及纹理分割技术，将生成的三维纹理数学模型分割成多个纹理模型块，通过旋转数控回转平台和多个纹理模型块，可以旋转各个纹理模型块和与各个纹理模型块对应的曲面至激光的加工区域内，最终由三维振镜系统加工各个纹理模型块至与各个纹理模型块对应的曲面上，从而达到被加工物体曲面的任意角度的区域都能被激光加工，消除了曲面三维激光打标的盲区。
附图说明
图1是现有的三维激光加工设备的结构示意图；
图2本发明实施例一提供的三维激光打标方法的流程框图；
图3是本发明实施例一提供的三维激光加工设备的结构示意图；
图4a是本发明实施例一提供的被加工物体的曲面模型示意图；
图4b是本发明实施例一提供的映射曲面模型示意图；
图4c是本发明实施例一提供的三维纹理数学模型示意图；
图4d是本发明实施例一提供的三维纹理数学模型被分割成编号为①、②、③、④的4个纹理模型块示意图；
图5是本发明实施例提供的图4d所示的编号为②的纹理模型块旋转后的效果示意图；
图6是本发明实施例二提供的三维激光打标装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明实施例中，先获取被加工物体的曲面模型，所述被加工物体安装在数控回转工作台上；再将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型；然后将所述曲面模型从所述映射曲面模型中抽取后，得到三维纹理数学模型；再对所述三维纹理数学模型进行分割处理，得到多个纹理模型块；最后控制所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块向同一方向旋转相同的角度，使所述多个纹理模型块中的纹理模型块依次处于三维振镜系统的激光加工区域之内，对与处于激光加工区域之内的纹理模型块匹配的曲面依次进行加工。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：
实施例一
图2示出了本发明实施例一提供的三维激光打标方法的流程框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下。
在步骤S201中、获取被加工物体的曲面模型，所述被加工物体安装在数控回转工作台上。
在本发明实施例中，三维激光加工设备上安装通用的能进行三个数控移动轴的三维振镜系统，如图1所示，该三维振镜系统包括激光腔、Z轴移动镜头、聚焦镜头、X轴振镜、Y轴振镜和镜片组。该三维振镜系统输出的激光具有一定的夹角，激光作用区域在图1所示的椎体内，只有被加工物体的曲面处于所述椎体内，才能被加工。
三维激光加工设备上还安装有二轴的数控回转工作台，由三维振镜系统和二轴数控回转工作台组成的三维激光加工设备是一个五轴数控三维激光加工设备。该五轴数控三维激光加工设备如图3所示。
具体的，二轴数控回转工作台的二轴分别是：，或，或，。具体实际应用采用何种二轴数控回转工作台，本发明实施例中不做限制。为了描述方便，本发明实施例中，以二轴为的二轴数控回转工作台为例来进行说明。
图3所示的二轴数控回转工作台的二轴是，该二轴数控回转工作台可安装被加工物体(图示样例为模具型腔，型腔曲面的纹理由激光加工)。
其中，本发明实施例中选取的被加工物体的曲面模型如图4a所示。至于如何根据被加工物体获取被加工物体的曲面模型，是现有技术，在此不再赘述。
在步骤S202中、将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型。
在本发明实施例中，可以预先指定要加工至被加工物体曲面上的二维平面纹理，然后将该指定的二维平面纹理映射至被加工物体的曲面模型上，得到映射曲面模型。
其中，指定的二维平面纹理由用户根据需要确定。
对图4a所示的曲面模型，将指定的二维平面纹理映射至该曲面模型后，会生成一个如图4b所示的映射曲面模型。
在步骤S203中、将所述曲面模型从所述映射曲面模型中抽取后，得到三维纹理数学模型。
在本发明实施例中，从图4b所示的映射曲面模型抽取掉图4a所示的曲面模型后，得到一个如图4c所示的三维纹理数学模型。
在步骤S204中、对所述三维纹理数学模型进行分割处理，得到多个纹理模型块。
在本发明实施例中，根据被加工物体的曲面模型可以得到被加工物体的具体形状，因此，可以根据被加工物体的曲面模型来确定对所述三维纹理数学模型进行分割处理后，得到的纹理模型块的数量。
比如，根据图4a所示的曲面模型，可以对图4c所示的三维纹理数学模型进行分割处理，得到多个纹理模型块。如图4d所示，三维纹理数学模型被分割成编号为①、②、③、④的4个纹理模型块。
在步骤S205中、控制所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块向同一方向旋转相同的角度，使所述多个纹理模型块中的纹理模型块依次处于三维振镜系统的激光加工区域之内，对与处于激光加工区域之内的纹理模型块匹配的曲面依次进行加工。
在本发明实施例中，控制数控回转工作台和步骤S204得到的4个纹理模型块向同一方向旋转相同的角度，被加工物体的曲面也以相同的旋转方向和旋转角度旋转，使这4个纹理模型块和与这4个纹理模型块匹配的曲面依次处于三维振镜系统的激光加工区域之内，可以依次根据这4个纹理模型块对被加工物体的曲面的相应部分进行加工，得到标记有指定二维平面纹理的被加工物体。
图5是编号为②的纹理模型块旋转后的效果示意图。图4d所示的编号为②的纹理模型块，通过与对应曲面旋转相同角度后，能以图5所示方式被三维振镜系统加工。
具体的，先旋转数控回转工作台和多个纹理模型块，当与第一个纹理模型块旋转至三维振镜系统的激光加工区域之内时，控制数控回转工作台和多个纹理模型块静止不动，三维振镜系统开始加工第一个纹理模型块，将第一个纹理模型块打标至被加工物体的曲面上的相应位置。然后再旋转数控回转工作台和多个纹理模型块，当第二个纹理模型块旋转至三维振镜系统的激光加工区域之内时，控制数控回转工作台和多个纹理模型块静止不动，三维振镜系统开始加工第二个纹理模型块，将第二个纹理模型块打标至被加工物体的曲面上的相应位置，依次类推，直至所有纹理模型块全部加工完毕。
在本实施例中，基于五轴数控的三维激光加工设备，通过三维振镜系统的数控三轴和安装在工作台面的数控回转工作台，在硬件上构成了五轴激光加工系统；安装在数控回转工作台上的被加工物体曲面的激光加工盲区，通过数控回转平台，可以旋转到激光的加工区域，通过将被加工物体对应的三维纹理数学模型进行分割，然后以已旋转的被加工曲面相同的角度，旋转与该被加工曲面对应的纹理模型块，并最终由三维振镜系统加工该纹理模型块至相应曲面上，从而达到曲面任意角度的区域都能被激光加工的目的。
本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。
实施例二
图6示出了本发明实施例二提供的三维激光打标装置的结构框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。该三维激光打标装置6可以是内置于三维激光加工设备中的软件单元、硬件单元或者软硬件结合的单元。在本实施例中，该三维激光打标装置包括：获取单元61、映射单元62、抽取单元63、分割单元64和打标单元65。
其中，获取单元61，用于获取被加工物体的曲面模型，所述被加工物体安装在数控回转工作台上；
映射单元62，用于将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型；
抽取单元63，用于将所述曲面模型从所述映射曲面模型中抽取后，得到三维纹理数学模型；
分割单元64，用于对所述三维纹理数学模型进行分割处理，得到多个纹理模型块；
打标单元65，用于控制所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块向同一方向旋转相同的角度，使所述多个纹理模型块中的纹理模型块依次处于三维振镜系统的激光加工区域之内，对与处于激光加工区域之内的纹理模型块匹配的曲面依次进行加工。
具体的，所述映射单元62通过纹理映射算法将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型。
具体的，所述打标单元65根据被加工物体的曲面模型确定所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块的旋转方向与旋转角度。
具体的，所述分割单元64根据被加工物体的曲面模型确定对所述三维纹理数学模型进行分割处理后，得到的纹理模型块的数量。
本发明实施例提供的三维激光打标装置可以应用在前述对应的方法实施例一中，详情参见上述实施例一的描述，在此不再赘述。
值得注意的是，上述装置实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三维激光打标方法，其特征在于，所述方法包括：
获取被加工物体的曲面模型，所述被加工物体安装在数控回转工作台上；
将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型；
将所述曲面模型从所述映射曲面模型中抽取后，得到三维纹理数学模型；
对所述三维纹理数学模型进行分割处理，得到多个纹理模型块；
控制所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块向同一方向旋转相同的角度，使所述多个纹理模型块中的纹理模型块依次处于三维振镜系统的激光加工区域之内，对与处于激光加工区域之内的纹理模型块匹配的曲面依次进行加工。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过纹理映射算法将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据被加工物体的曲面模型确定所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块的旋转方向与旋转角度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据被加工物体的曲面模型确定对所述三维纹理数学模型进行分割处理后，得到的纹理模型块的数量。
5.一种三维激光打标装置，其特征在于，所述装置包括：
获取单元，用于获取被加工物体的曲面模型，所述被加工物体安装在数控回转工作台上；
映射单元，用于将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型；
抽取单元，用于将所述曲面模型从所述映射曲面模型中抽取后，得到三维纹理数学模型；
分割单元，用于对所述三维纹理数学模型进行分割处理，得到多个纹理模型块；
打标单元，用于控制所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块向同一方向旋转相同的角度，使所述多个纹理模型块中的纹理模型块依次处于三维振镜系统的激光加工区域之内，对与处于激光加工区域之内的纹理模型块匹配的曲面依次进行加工。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述映射单元通过纹理映射算法将指定的二维平面纹理映射至所述曲面模型上，得到映射曲面模型。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述打标单元根据被加工物体的曲面模型确定所述数控回转工作台和所述多个纹理模型块的旋转方向与旋转角度。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述分割单元根据被加工物体的曲面模型确定对所述三维纹理数学模型进行分割处理后，得到的纹理模型块的数量。
9.一种三维激光加工设备，其特征在于，所述三维激光加工设备包括如权利要求5至8任一项所述的三维激光打标装置。
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