CN104999814A - 激光打标控制方法以及振镜式激光打标系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光打标控制方法，包括：获取第一对应关系；第一对应关系为基准打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；获取目标打标速度，并根据目标打标速度以及第一对应关系计算第二对应关系；第二对应关系为目标打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；获取空飞时间；空飞时间为振镜从启动点运动至打标线的打标起点的时间；根据空飞时间以及第二对应关系计算空飞距离；将振镜移动至启动点；开启电机以驱动振镜沿打标方向运动，并同时进行计时；当计时达到空飞时间时开启激光进行激光打标。上述激光打标控制方法具有较高精准度。本发明还提供一种振镜式激光打标系统。

Description

激光打标控制方法以及振镜式激光打标系统

技术领域

本发明涉及激光打标技术领域，特别是涉及一种激光打标控制方法，还涉及一种振镜式激光打标系统。

背景技术

激光打标是用激光束在各种不同的物质表面上打上永久标记。激光打标系统主要包括激光系统、激光扫描系统、聚焦系统和控制系统。控制系统用于控制激光扫描系统沿预设路径偏转激光束，经聚焦系统将激光光斑聚焦于加工件表面形成特定图形。

振镜式激光扫描系统以其高速、高精度等优点被广泛应用于激光打标系统中。由于驱动振镜的电机具有特定的加速特性，在高速打标的情况下不可能瞬间加速到特定速度。因此，在打标线的起始位置处，由于振镜处于加速阶段而未达到全速，激光光斑移动速度相对较慢，所以加工件表面接收到的激光能量会高于正常需求量，从而过度烧蚀形成“火柴头”现象，降低打标过程的精准度，使得打标形成的特定图形不能满足生产需求。

发明内容

基于此，有必要提供一种具有较高精准度的激光打标控制方法。

一种激光打标控制方法，包括：获取第一对应关系；所述第一对应关系为基准打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；获取目标打标速度，并根据所述目标打标速度以及所述第一对应关系计算第二对应关系；所述第二对应关系为目标打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；获取空飞时间；所述空飞时间为振镜从启动点运动至打标线的打标起点的时间；根据所述空飞时间以及所述第二对应关系计算空飞距离；将所述振镜移动至启动点；所述启动点与所述打标起点的距离为空飞距离；开启电机以驱动所述振镜沿打标方向运动，并同时进行计时；当所述计时达到所述空飞时间时开启激光进行激光打标。

在其中一个实施例中，所述获取第一对应关系的步骤包括：判断是否预存有第一对应关系；若是则读取所述第一对应关系。

在其中一个实施例中，所述判断是否预存有第一对应关系的步骤中，若没有预存有第一对应关系则执行计算所述第一对应关系的步骤；所述计算所述第一对应关系的步骤包括：在基准打标速度下进行打标测试，并获取振镜加速阶段中不同时间下的振镜运动距离，得到多组时间与振镜运动距离的离散值；根据所述多组时间与振镜运动距离的离散值确定第一对应关系的基本表达形式；根据所述第一对应关系的基本表达形式以及所述多组时间与振镜运动距离的离散值确定基本表达形式中的待定参数从而获得第一对应关系的表达式。

在其中一个实施例中，所述根据所述多组时间与振镜运动距离的离散值确定第一对应关系的基本表达形式的步骤包括：根据多组时间与振镜运动距离的离散值处理得到所述离散值的分布图像；获取多个函数表达式以及与所述函数表达式对应的图像；顺次判断所述分布图像与获取到的图像是否匹配，若是则将所述图像对应的函数表达式确定为所述第一对应关系的基本表达形式。

在其中一个实施例中，所述根据所述第一对应关系的基本表达形式以及所述多组时间与振镜运动距离的离散值确定基本表达形式中的待定参数从而获得第一对应关系的表达式的步骤，是通过最小二乘拟合方法确定基本表达形式中的待定参数。

在其中一个实施例中，所述加速阶段包括加加速阶段、减加速阶段以及稳定加速阶段；所述根据所述多组时间与振镜运动距离的离散值确定第一对应关系的基本表达形式的步骤中，所述第一对应关系的基本表达形式包括加加速阶段表达形式、减加速阶段表达形式以及稳定加速阶段表达形式。

在其中一个实施例中，所述加加速阶段表达形式为，S(t)＝a·exp{-[(t-b)/c]²}；所述减加速阶段表达形式为，S(t)＝dt³+et²+ft+g；所述稳定加速阶段表达形式为，S(t)＝ht²+it+j；其中，S表示振镜运动距离，t表示时间，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j均表示待定参数。

在其中一个实施例中，所述根据所述目标打标速度以及所述第一对应关系计算第二对应关系的计算公式为：其中，v₁表示基准打标速度，S₁(t)表示第一对应关系；v₂表示目标打标速度，S₂(t)表示第二对应关系，t表示时间。

一种激光打标控制方法，包括：获取第一对应关系；所述第一对应关系为基准打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；获取目标打标速度，并根据所述目标打标速度以及所述第一对应关系计算第二对应关系；所述第二对应关系为目标打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；获取空飞距离；所述空飞距离为振镜的启动点至打标线的打标起点的距离；根据所述空飞距离以及所述第二对应关系计算空飞时间；将所述振镜移动至启动点；开启电机以驱动所述振镜沿打标方向运动，并同时进行计时；当所述计时达到所述空飞时间时开启激光进行激光打标。

还提供一种振镜式激光打标系统。

一种振镜式激光打标系统，包括激光系统、振镜扫描系统以及控制系统，所述振镜扫描系统包括振镜以及驱动所述振镜运动的电机；所述控制系统用于：获取第一对应关系；所述第一对应关系为基准打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；获取目标打标速度，并根据所述目标打标速度以及所述第一对应关系计算第二对应关系；所述第二对应关系为目标打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；获取空飞时间；所述空飞时间为振镜从启动点运动至打标线的打标起点的时间；根据所述空飞时间以及所述第二对应关系计算空飞距离；控制所述振镜移动至启动点；所述启动点与所述打标起点的距离为空飞距离；开启电机以驱动所述振镜沿打标方向运动，并同时进行计时；当所述计时达到所述空飞时间时控制所述激光系统开启激光进行激光打标。

上述激光打标控制方法以及振镜式激光打标系统，在对打标线进行打标时，将振镜提前于打标起点一定的空飞距离后开始运动，并且通过计算可以对空飞距离、空飞时间进行严格控制，从而使得振镜运动至打标起点时其速度已经达到打标精度需求，降低了打标误差，提高了打标过程的精准度。

附图说明

图1为一实施例中的振镜式激光打标系统的结构框图；

图2为一实施例中的激光打标控制方法的流程图；

图3为图2中的激光打标控制方法中步骤S210的流程图；

图4为图3中的激光打标控制方法中步骤S320的流程图；

图5为一实施例中的激光打标控制方法中的振镜启动点以及打标起点的示意图；

图6为另一实施例中的激光打标控制方法中的流程图。

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。

一种激光打标控制方法，适用于振镜式激光打标系统100中。振镜式激光打标系统100包括激光系统110、振镜扫描系统120、聚焦系统130以及控制系统140，如图1所示。其中，激光系统110用于产生打标用的激光。振镜扫描系统120包括振镜以及驱动振镜运动的电机。振镜扫描系统120用于沿预定路径偏转激光系统110产生的激光束。聚焦系统130则用于对经振镜扫描系统120偏转后的激光束进行处理形成激光光斑并聚焦于加工件表面形成特定的图形。控制系统140用于对振镜式激光打标系统100进行控制，并用于执行本发明中的激光打标控制方法。控制系统140可以通过软件实现该控制方法，也可以通过单片机、FPGA等可编程技术来实现。

图2为一实施例中的激光打标控制方法的流程图。参见图2，该激光打标控制方法包括以下步骤：

S210，获取第一对应关系。

第一对应关系为基准打标速度下振镜处于加速阶段的振镜运动距离随时间变化的对应关系。振镜从开始运动到全速运动(即达到基准打标速度)的阶段即为加速阶段。基准打标速度可以任意设置。可以理解，为提高其可靠性，基准打标速度宜在常用的打标速度范围内进行选取设定。第一对应关系可以预先存储在振镜式激光打标系统100中，可以通过计算获得。因此，在进行步骤S210时，还需要先判断是否预存有第一对应关系，若是则直接读取该第一对应关系即可，若否则需要进行计算获得。具体地，计算第一对应关系的流程图如图3所示。

参见图3，计算第一对应关系具体包括以下步骤。

S310，在基准打标速度下进行打标测试，并获取振镜加速阶段中不同时间下的振镜运动距离，得到多组时间与振镜运动距离的离散值。

在设定的基准打标速度下进行打标测试，并获取加速阶段的不同时间t下的振镜运动距离S，从而得到多组时间t与振镜运动距离S的离散值，如(t₁、S₁)、(t₂、S₂)、(t₃、S₃)、(t₄、S₄)……(t_n、S_n)。

S320，根据多组时间与振镜运动距离的离散值确定第一对应关系的基本表达形式。

根据测得的多组离散值的分布情况拟合得出最能够表达振镜运动距离S和时间t二者的对应关系的基本表达式，即第一对应关系的基本表达式。具体地，确定第一对应关系的基本表达形式的步骤如图4所示，其包括以下步骤。

S410，根据获得的多组时间t与振镜运动距离S的离散值处理得到离散值的分布图像。

各离散值的分布图像可以通过计算机中的数据处理软件(如MATLAB等)处理得到。

S420，获取多个函数表达式以及与所述函数表达式对应的图像。

在本实施例中，在执行步骤二之前还会将用于表征振镜处于加速阶段时多组时间t与振镜运动距离S的对应关系的常用函数表达式以及其对应的图像进行预先存储。预先存储的函数表达式可以根据电机的加速特性进行确定。电机的加速特性(即反应了振镜的加速阶段的加速特性)可以通过单一函数(如一次函数、二次函数、对数函数、幂函数等)来进行表达，也可以根据其复杂程度由多个分段函数来拟合。例如，在一实施例中，电机的加速规律极为复杂，因此通过多个分段函数来拟合加速阶段的不同子阶段的振镜运动距离随时间的变化关系，从而可以得到加速阶段中任意时刻对应的振镜运动距离。具体地，振镜电机加速大体分为三个子阶段，包括加加速阶段、减加速阶段以及平稳加速阶段。通过对各个子阶段采用不同的函数表达形式予以拟合：在加速的初始阶段为加加速阶段，采用e指数函数拟合，其基本表达形式为，S(t)＝a·exp{-[(t-b)/c]²}；第二阶段为减加速驱动，采用三次函数拟合，其基本表达形式为第三阶段的速度已经较高，平稳加速，采用二次函数拟合，其基本表达形式为上述三个基本表达形式中，S表示振镜运动距离，t表示时间，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j则表示待定参数。因此，振镜式激光打标系统100会将上述表达形式以及其对应图像预存在存储器中以供后续匹配使用。步骤S420可以在步骤S410之前执行，也可以在其之后执行。

S430，顺次判断分布图像与获取到的图像是否匹配。

将得到的分布图像与获取到的图像的相似程度进行判断，从而确定二者是否匹配。当二者的相似度超过预设值时可以判断二者匹配，执行步骤S440，否则继续执行步骤S430，继续判断分布图像是否与获取到的其他图像相匹配，直到匹配成功。匹配过程可以由图像处理软件完成。

S440，将该图像对应的函数表达式确定为第一对应关系的基本表达形式。

S330，根据第一对应关系的基本表达形式以及多组时间与振镜运动距离的离散值确定基本表达形式中的待定参数从而获得第一对应关系的表达式。

利用最小二乘拟合法，用以上三个基本表达形式以及实验得到的多组振镜运动距离S与时间t的离散值，确定基本表达形式中的待定参数。各待定参数确定后即可获得第一对应关系的具体表达式，即计算得到了第一对应关系。步骤S330可以通过MATLAB、Mathematica、Maple等数学软件来实现。

S220，获取目标打标速度，并根据目标打标速度以及第一对应关系计算第二对应关系。

目标打标速度是指当前将要执行的打标任务中设定的打标速度。振镜需要从初始速度(通常为零)进入加速阶段加速后达到目标打标速度。目标打标速度可以由用户通过语音、键盘、鼠标、触控输入屏、扫描仪、摄像设备以及移动终端等输入设备进行输入，可以由系统根据默认设置从相应的存储文件中进行读取。

第二对应关系是指在设定的打标速度为目标打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离S随时间t变化的对应关系。经过研究分析以及实验验证，加速阶段振镜运动距离S与时间t的函数S＝S(t)，存在以下关系：

$\frac{S_2\left(t\right)}{S_1\left(t\right)}=\frac{v_2}{v_1}---\left(1\right);$

其中，v₁表示基准打标速度，S₁(t)表示第一对应关系；v₂表示目标打标速度，S₂(t)表示第二对应关系，t表示时间。即经过相等时间t加速运动后，不同打标速度v下，振镜运动距离S之比等于其设定的打标速度v之比。因此，在第一对应关系S₁(t)以及基准打标速度v₁、目标打标速度v₂已知时，可以通过公式(1)求得第二对应关系S₂(t)。

例如，当基准打标速度v₁为2000mm/s(即2m/s)时，振镜在加速阶段的时间t与振镜运动距离S的对应关系可以通过单一的二次函数进行表达。因此将该二次函数表达式与多次试验得到的离散值进行最小二乘拟合后得到第一对应关系的表达式。计算得到的第一对应关系的表达式为，S₁(t)＝t²+2t+2，单位为m。

因此，当目标打标速度v₂为4000mm/s(即4m/s)时，第二对应关系S₂(t)可以通过下列关系式计算得到：

$S_2\left(t\right)=\frac{v_2}{v_1}\·S_1\left(t\right)=\frac{4}{2}\×(t^2+2t+2)=2t^2+4t+4.$

S230，获取空飞时间。

空飞时间t′是指振镜从启动点运动至打标线的打标起点的时间。空飞距离S′是指振镜启动点到打标线的打标起点的距离。请参考图5，其中虚线段即为空飞距离S′，实线段则表示打标线。空飞时间t′由用户根据需要进行设定。如果需要较高的打标效率，则可以设置较小的空飞时间t′，即空飞距离S′较小；如果需要较好的“火柴头”抑制效果即具有较高的打标精度，则可以设置较大的空飞时间t′(即空飞距离S′较大)。

S240，根据空飞时间以及第二对应关系计算空飞距离。

由于空飞过程处于振镜的加速阶段，因此空飞时间t′和空飞距离S′满足第二对应关系S₂(t)。因此，根据空飞时间t′以及第二对应关系S₂(t)即可获得较为准确的空飞距离S′。

S250，将振镜移动至启动点。

参考图5，将振镜移动到启动点，启动点与打标起点的距离即为空飞距离S′。

S260，开启电机以驱动振镜沿打标方向运动，并同时进行计时。

电机转动从而驱动振镜沿打标方向运动。振镜会先进入加速阶段并在达到目标打标速度v₁后进入非加速阶段，即进入正常打标状态。在电机开启的同时进行计时，从而对空飞时间t′进行严格控制。

S270，当计时达到空飞时间时开启激光进行激光打标。

当计时达到空飞时间t′时，振镜运动距离S即为空飞距离S′，其恰好运动至打标起点处。因此，此时控制激光系统产生激光并开启激光。激光束通过聚焦系统聚焦于加工件表面进行激光打标。

在本实施例中，在开启激光后还会将计时进行清零处理，以便下一次的计时。并且，当前连续的打标线的打标工作完成后，会先关闭激光系统停止发出激光。当激光打标任务完成后，才会停止电机的工作以控制振镜停止运动。

上述激光打标控制方法，在对打标线进行打标时，将振镜提前于打标起点一定的空飞距离S′开始运动，并且通过计算可以对空飞距离S′、空飞时间t′进行严格控制，从而使得振镜运动至打标起点时其速度已经达到打标精度需求，能够较好地抑制“火柴头”现象，降低了打标误差，提高了打标过程的精准度。

图6为另一实施例中的激光打标控制方法的流程图。参见图6，该激光打标控制方法包括以下步骤。

S510，获取第一对应关系。

S520，获取目标打标速度，并根据目标打标速度以及第一对应关系计算第二对应关系。

S530，获取空飞距离。

在第二对应关系已知的前提下，通过对空飞距离或者空飞时间进行设定，均可以求得相对应的另外一个值，从而对振镜空飞阶段进行严格控制。

S540，根据空飞距离以及第二对应关系计算空飞时间。

S550，将振镜移动至启动点。

S560，开启电机以驱动振镜沿打标方向运动，并同时进行计时。

S570，当计时达到空飞时间时开启激光进行激光打标。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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)

1.一种激光打标控制方法，包括：

获取第一对应关系；所述第一对应关系为基准打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；

获取目标打标速度，并根据所述目标打标速度以及所述第一对应关系计算第二对应关系；所述第二对应关系为目标打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；

获取空飞时间；所述空飞时间为振镜从启动点运动至打标线的打标起点的时间；

根据所述空飞时间以及所述第二对应关系计算空飞距离；

将所述振镜移动至启动点；所述启动点与所述打标起点的距离为空飞距离；

开启电机以驱动所述振镜沿打标方向运动，并同时进行计时；

当所述计时达到所述空飞时间时开启激光进行激光打标。

2.根据权利要求1所述的激光打标控制方法，其特征在于，所述获取第一对应关系的步骤包括：判断是否预存有第一对应关系；若是则读取所述第一对应关系。

3.根据权利要求2所述的激光打标控制方法，其特征在于，所述判断是否预存有第一对应关系的步骤中，若没有预存有第一对应关系则执行计算所述第一对应关系的步骤；

所述计算所述第一对应关系的步骤包括：

在基准打标速度下进行打标测试，并获取振镜加速阶段中不同时间下的振镜运动距离，得到多组时间与振镜运动距离的离散值；

根据所述多组时间与振镜运动距离的离散值确定第一对应关系的基本表达形式；

根据所述第一对应关系的基本表达形式以及所述多组时间与振镜运动距离的离散值确定基本表达形式中的待定参数从而获得第一对应关系的表达式。

4.根据权利要求3所述的激光打标控制方法，其特征在于，所述根据所述多组时间与振镜运动距离的离散值确定第一对应关系的基本表达形式的步骤包括：

根据多组时间与振镜运动距离的离散值处理得到所述离散值的分布图像；

获取多个函数表达式以及与所述函数表达式对应的图像；

顺次判断所述分布图像与获取到的图像是否匹配，若是则将所述图像对应的函数表达式确定为所述第一对应关系的基本表达形式。

5.根据权利要求3所述的激光打标控制方法，其特征在于，所述根据所述第一对应关系的基本表达形式以及所述多组时间与振镜运动距离的离散值确定基本表达形式中的待定参数从而获得第一对应关系的表达式的步骤，是通过最小二乘拟合方法确定基本表达形式中的待定参数。

6.根据权利要求3所述的激光打标控制方法，其特征在于，所述加速阶段包括加加速阶段、减加速阶段以及稳定加速阶段；

所述根据所述多组时间与振镜运动距离的离散值确定第一对应关系的基本表达形式的步骤中，所述第一对应关系的基本表达形式包括加加速阶段表达形式、减加速阶段表达形式以及稳定加速阶段表达形式。

7.根据权利要求6所述的激光打标控制方法，其特征在于，

所述加加速阶段表达形式为，S(t)＝a·exp{-[(t-b)/c]²}；

所述减加速阶段表达形式为，S(t)＝dt³+et²+ft+g；

所述稳定加速阶段表达形式为，S(t)＝ht²+it+j；

其中，S表示振镜运动距离，t表示时间，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j均表示待定参数。

8.根据权利要求1所述的激光打标控制方法，其特征在于，所述根据所述目标打标速度以及所述第一对应关系计算第二对应关系的计算公式为：

其中，v₁表示基准打标速度，S₁(t)表示第一对应关系；v₂表示目标打标速度，S₂(t)表示第二对应关系，t表示时间。

9.一种激光打标控制方法，包括：

获取第一对应关系；所述第一对应关系为基准打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；

获取目标打标速度，并根据所述目标打标速度以及所述第一对应关系计算第二对应关系；所述第二对应关系为目标打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；

获取空飞距离；所述空飞距离为振镜的启动点至打标线的打标起点的距离；

根据所述空飞距离以及所述第二对应关系计算空飞时间；

将所述振镜移动至启动点；

开启电机以驱动所述振镜沿打标方向运动，并同时进行计时；

当所述计时达到所述空飞时间时开启激光进行激光打标。

10.一种振镜式激光打标系统，包括激光系统、振镜扫描系统以及控制系统，所述振镜扫描系统包括振镜以及驱动所述振镜运动的电机；其特征在于，所述控制系统用于：

获取第一对应关系；所述第一对应关系为基准打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；

获取目标打标速度，并根据所述目标打标速度以及所述第一对应关系计算第二对应关系；所述第二对应关系为目标打标速度下振镜处于加速阶段时振镜运动距离随时间变化的对应关系；

获取空飞时间；所述空飞时间为振镜从启动点运动至打标线的打标起点的时间；

根据所述空飞时间以及所述第二对应关系计算空飞距离；

控制所述振镜移动至启动点；所述启动点与所述打标起点的距离为空飞距离；

开启电机以驱动所述振镜沿打标方向运动，并同时进行计时；

当所述计时达到所述空飞时间时控制所述激光系统开启激光进行激光打标。