CN106964904B - 一种多角度视觉定位的激光打标机及其激光打标的方法 - Google Patents

Abstract

一种多角度视觉定位的激光打标机及其激光打标的方法，包括激光振镜扫描光路模块、红光预览模块、激光外同轴机器视觉定位模块、Z轴自动调焦升降台模块、θ1多角度旋转工作台模块。激光打标的方法分为三个阶段：机器调试阶段、产品待加工位定位学习阶段、激光打标阶段。在高良品率的要求下，快速实现单件产品多个工作面高精度自动化激光打标处理。

Description

一种多角度视觉定位的激光打标机及其激光打标的方法

技术领域

本发明涉及激光打标机技术领域，尤其是一种集成了激光振镜扫描雕刻、红光预览、机器视觉定位、运动控制的激光打标机，以及这种激光打标机自动化打标的方法。

背景技术

随着我国的快速发展，数控激光加工技术以其柔韧性和灵活性在非金属加工领域逐步取代了传统加工手段。随着近代电子产品加工技术的迅猛发展，对不同种类产品加工的快速切换，加工速度，精度外观一致性和自动化集成要求越来越高。一种多角度视觉定位的激光打标机能很好满足这种需求。

已公开的专利申请“带检测的激光打标机”(申请号：201410190865.9)公布了一种装有“vision检测组件”的激光打标机，可以在打标前检测打标的位置。其主要缺点是自动化程度相对较低，不能实现智能定位，打标的精度也不够。

发明内容

为了提高激光打标机的自动化程度以及激光打标的精度，本发明采用了以下的技术方案。

一种多角度视觉定位的激光打标机包括激光振镜扫描光路模块、红光预览模块、激光外同轴机器视觉定位模块、Z轴自动调焦升降台模块和θ1多角度旋转工作台模块。

θ1多角度旋转工作台模块安装在Z轴自动调焦升降台模块上。

激光振镜扫描光路模块包括激光器和合束镜，激光器发出的激光光束和红光预览模块发出的红光光束在经过合束镜后光束路径相同，并照射至待加工产品的表面。

激光外同轴机器视觉定位模块检测和对比产品待加工位的视觉特征点，辅助Z轴自动调焦升降台模块与θ1多角度旋转工作台模块记忆和调整产品待加工位的θ1角度和Z轴坐标。

激光振镜扫描光路模块还包括扩束镜、合束镜片、45°反射镜片、X扫描振镜、Y扫描振镜、聚焦镜、透反镜。

激光光束从激光器中发出，经过扩束镜、合束镜后到达45°反射镜，然后经X扫描振镜和Y扫描振镜的偏摆到达聚焦镜，聚焦后照射到透反镜上，经反射后到达产品的待加工位表面，对产品进行激光打标。

红光预览模块还包括红光笔和红光笔固定座。

激光外同轴机器视觉定位模块主要由工业相机构成。

Z轴自动调焦升降台模块主要由Z轴自动调焦升降台构成。

θ1多角度旋转工作台模块包括θ1多角度旋转工作台和产品固定夹具。

产品固定夹具装配在θ1多角度旋转工作台上，可360度自由旋转。

产品固定夹具用于固定待加工产品。

激光打标的方法为：

步骤S1：将待加工产品安装在θ1多角度旋转工作台模块上；

步骤S2：开启红光预览模块和激光外同轴机器视觉定位模块，红光预览模块产生的红光光束照射到待加工产品的表面，激光外同轴机器视觉定位模块抓取待加工产品表面的视觉特征，系统自动比对红光出光中心、工业相机视野中心、产品激光打标位置三者是否重合，若重合执行步骤S4，否则执行步骤S3；

步骤S3：当红光出光中心、工业相机视野中心、产品激光打标位置这三者有偏差时，可以调整激光外同轴机器视觉定位模块和激光振镜扫描光路模块，直到这三者重合；

步骤S4：在人工的配合下，激光外同轴机器视觉定位模块、Z轴自动调焦升降台模块、θ1多角度旋转工作台模块根据红光预览模块指示的激光出光中心进行产品待加工位定位学习，形成加工文档；

步骤S5：关停红光预览模块，启动激光振镜扫描光路模块，对待加工产品进行激光打标。

步骤S5进一步包括：

步骤S51：进行人工上下料；

步骤S52：判断加工文档是否启用定位，若是执行步骤S53，否则执行步骤S55；

步骤S53：Z轴自动调焦升降台模块和θ1多角度旋转工作台模块根据加工文档中的视觉定位信息调整待加工产品的Z轴坐标和θ1角度并执行步骤S54；

步骤S54：激光外同轴机器视觉定位模块对待加工产品进行加工位定位，若定位成功执行步骤S55，否则输出报警信息；

步骤S55：激光器出激光打标；

步骤S56：判断所有加工文档是否运行完，若是返回步骤S51，否则工作台运行下一个加工文档并执行步骤S52。

与现有技术相比，本发明有以下优点：该多角度视觉定位的激光打标机，在高良品率的要求下，能快速实现单个产品多个工作面高精度自动化加工处理。它具有模块化结构、集成度高、产品加工兼容性强、调节快速方便，可一次性处理完产品多个角度的打标雕刻工序。在没有出激光的情况下完成相机和产品的对位调试以及产品待加工位的定位学习，提高了调试和学习的安全性，降低产品在调试和学习过程中的损耗，具有快速、直接、高效、安全等优点。

附图说明

图1为本发明的多角度智能定位激光打标机的整体视图。

图2为本发明的多角度智能定位激光打标机的工作原理图。

图3为本发明的红光预览模块的工作原理图。

图4为本发明的激光外同轴机器视觉定位模块的工作原理图。

图5为本发明的Z轴自动调焦升降台的整体视图。

图6为本发明的θ1多角度旋转工作台的整体视图。

图7为本发明的产品固定夹具和待加工产品的整体视图。

附图标记说明：1—激光振镜扫描光路模块、101—激光器、102—扩束镜、103—合束镜片、104—45°反射镜片、105—X扫描振镜、106—Y扫描振镜、107—聚焦镜、108—透反镜、109—激光光束、110—合束镜架、2—红光预览模块、201—红光笔、202—红光笔固定座、203—红光光束、3—激光外同轴机器视觉定位模块、301—工业相机、4—Z轴自动调焦升降台模块、401—Z轴自动调焦升降台、5—θ1多角度旋转工作台模块、501—θ1多角度旋转工作台、502—产品固定夹具、6—待加工产品、601—第一加工位、602—第二加工位、603—第三加工位、604—第四加工位、7—合束光束。

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全面的描述。但是，本发明也可以采用其他多种不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。

除非另有定义，本文使用的技术术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。

参考图1，一种多角度智能定位激光打标机，包括激光振镜扫描光路模块1、红光预览模块2、激光外同轴机器视觉定位模块3、Z轴自动调焦升降台模块4、θ1多角度旋转工作台模块5。

激光振镜扫描光路模块1用于激光打标；红光预览模块2在机台的安装和调试阶段用于判断激光出光中心，在产品待加工位定位学习阶段辅助创建对应的视觉定位信息；激光外同轴机器视觉定位模块3用于检测待加工产品6不同加工位的特征点，配合Z轴自动调焦升降台模块4和θ1多角度旋转工作台模块5定位并记忆待加工产品6不同加工位的Z轴坐标和θ1角度(Z轴坐标指待加工产品加工位在竖直方向上的坐标点，θ1角度指同一待加工产品从一个加工位切换到另一加工位需旋转的角度)；Z轴自动调焦升降台模块4和θ1多角度旋转工作台模块5根据记忆的待加工位的Z轴坐标和θ1角度切换待加工产品6的位置。

参考图2，激光振镜扫描光路模块1包括激光器101、扩束镜102、合束镜片103、45°反射镜片104、X扫描振镜105、Y扫描振镜106、聚焦镜107、透反镜108。激光光束109从激光器101中发出，首先经过扩束镜102，通过合束镜103后到达45°反射镜104，然后经X扫描振镜105和Y扫描振镜106的偏摆到达聚焦镜107，聚焦后照射到透反镜108上，经反射到达待加工产品6的表面对产品进行激光打标。

参考图3，红光预览模块2包括红光笔201、红光笔固定座202。红光笔201产生的红光光束203从侧面照射到合束镜片103上。经合束镜片103反射的红光光束203和透射的激光光束109重合可形成合束光束7，即红光光束203与激光光束109经过合束镜片103以后所走的光束路径一致。因此红光光束203可以在不开启激光光束109的情况下指示激光的出光中心。合束镜架110用于安装和固定合束镜片103。

参考图4，激光外同轴机器视觉定位模块3的核心部件是工业相机301。

参考图5，Z轴自动调焦升降台模块4的核心部件是Z轴自动调焦升降台401。

参考图6和图7，θ1多角度旋转工作台模块5的核心部件是θ1多角度旋转工作台501，安装在Z轴自动调焦升降台401上，可以在竖直方向上下移动。θ1多角度旋转工作台501装有产品固定夹具502，并且可以让产品固定夹具502做360度的旋转。待加工产品6紧固在产品固定夹具502上。在本实施例中待加工产品6有四个加工位，即第一加工位601、第二加工位602、第三加工位603、第四加工位604。产品固定夹具502连同紧固在其上的待加工产品6进行360度的旋转，可一次性加工完待加工产品6的四个加工位，且这一过程是自动切换完成的。

参考图1、图2和图3，在机台的安装和调试阶段，红光预览模块2用于判断激光出光中心(激光光束到达产品待加工部位的中心点)，以便调整工业相机301和Z轴自动调焦升降台401的相对位置，使得激光出光中心、工业相机视野中心、产品激光打标位置三者重合。在产品待加工位定位学习阶段，不需要开启激光，红光预览模块2可配合激光外同轴机器视觉定位模块3、Z轴自动调焦升降台模块4、θ1多角度旋转工作台模块5创建对应的视觉定位信息(待加工产品某一加工位的视觉信息、Z轴坐标和θ1角度)。在机器自主激光打标时，可以关停红光预览模块2，机器根据存储的视觉定位信息文档进行自主激光打标。

参考图1、图2和图4，激光外同轴机器视觉定位模块3的工业相机301安装在透反镜108的正上方，待加工产品6表面的光线(包括红光和环境光)穿过透反镜108进入工业相机301的镜头内获得成像，形成视觉信息(视觉特征点)。该模块与其他模块配合工作的过程是，通过Z轴自动调焦升降台模块4和θ1多角度旋转工作台模块5将产品各个加工位切换到激光打标区域和工业相机301的视野内，工业相机301检测产品不同加工位的视觉特征点，设备自动记录示教产品待加工位的视觉定位信息，产品激光打标时直接调用，自动定位完成后即可出激光打标。

下面将详述这种多角度视觉定位的激光打标机进行激光打标的步骤。

步骤S1：将待加工产品6安装在θ1多角度旋转工作台模块5上；

步骤S2：开启红光预览模块2和激光外同轴机器视觉定位模块3，红光预览模块2产生的红光光束照射到待加工产品的表面，激光外同轴机器视觉定位模块3抓取待加工产品6表面的视觉特征，系统自动比对红光出光中心、工业相机视野中心、产品激光打标位置三者是否重合，若重合执行步骤S4，否则执行步骤S3；

步骤S3：当红光出光中心、工业相机视野中心、产品激光打标位置这三者有偏差时，可以调整激光外同轴机器视觉定位模块3和激光振镜扫描光路模块1，直到这三者重合；

步骤S4：在人工的配合下，激光外同轴机器视觉定位模块3、Z轴自动调焦升降台模块4、θ1多角度旋转工作台模块5根据红光预览模块2指示的激光出光中心进行产品待加工位定位学习，形成加工文档；

步骤S5：关停红光预览模块2，启动激光振镜扫描光路模块1，对待加工产品6进行激光打标。

步骤S5进一步包括：

步骤S51：进行人工上下料；

步骤S52：判断加工文档是否启用定位，若是执行步骤S53，否则执行步骤S55；

步骤S53：Z轴自动调焦升降台模块4和θ1多角度旋转工作台模块5根据加工文档中的视觉定位信息调整待加工产品6的Z轴坐标和θ1角度并执行步骤S54；

步骤S54：激光外同轴机器视觉定位模块3对待加工产品进行加工位定位，若定位成功执行步骤S55，否则输出报警信息；

步骤S55：激光器101出激光打标；

步骤S56：判断所有加工文档是否运行完，若是返回步骤S51，否则工作台运行下一个加工文档并执行步骤S52。

对上述步骤的一些解释和说明：

首先进行的是机器的调试，主要是为了确保激光出光中心、工业相机视野中心、产品激光打标位置三者重合。由于红光光束203与激光光束109最后的出光中心是一致的，所以在机器调试时我们可以用红光来替代激光，如此可以避免激光给人带来的意外伤害。开启红光笔201和工业相机301，在产品固定夹具502上安装一件待加工产品6，控制系统自动比对激光出光中心、工业相机视野中心、产品激光打标位置三者是否重合。当这三者的位置有偏差时，可以通过工业相机301和激光振镜扫描光路模块1来调整。

机器可以通过一个学习阶段来存储产品待加工位的视觉定位信息，即产品待加工位定位学习阶段。在批量生产时系统调用产品待加工位的视觉定位信息文档执行自动化的激光打标。这一阶段仍然用红光代替激光。启用系统的学习功能，在人工的辅助下，Z轴自动调焦升降台401和θ1多角度旋转工作台501将产品各个待加工位切换到激光打标区域和工业相机301的视野内。系统自动记录工业相机301拍摄到的待加工位的视觉特征点以及相应的Z轴坐标和θ1角度，形成这一待加工位的视觉定位信息。如此机器可在不使用激光的情况下完成产品待加工位的定位学习，降低了在这一阶段产品的损耗，提高了机器使用的安全性。

完成产品待加工位定位学习后就可以对待加工产品进行激光打标。在激光打标阶段，关停红光预览模块2，启动激光器101，让系统执行存储的产品待加工位视觉定位信息文档。

本发明主要有以下的有益效果：

1、该多角度视觉定位的激光打标机，在高良品率的要求下，能快速实现单个产品多个工作面高精度自动化加工处理。它具有模块化结构、集成度高、产品加工兼容性强、调节快速方便，可一次性处理完产品多个角度的打标雕刻工序。

2、该多角度视觉定位的激光打标机，在没有出光的情况下完成相机和产品的对位调试以及产品待加工位的定位学习，提高了调试和学习的安全性，降低产品在调试和学习过程中的损耗，具有快速、直接、高效、安全等优点。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多角度视觉定位的激光打标方法，其特征在于激光打标的方法为：

步骤S1：将待加工产品(6)安装在θ1多角度旋转工作台模块(5)上；

步骤S2：开启红光预览模块( 2)和激光外同轴机器视觉定位模块( 3 )，红光预览模块( 2)产生的红光光束照射到待加工产品(6)的表面，激光外同轴机器视觉定位模块(3)抓取待加工产品( 6 )表面的视觉特征，系统自动比对红光出光中心、工业相机视野中心、产品激光打标位置三者是否重合，若重合执行步骤S4，否则执行步骤S3；

步骤S3：当红光出光中心、工业相机视野中心、产品激光打标位置这三者有偏差时，可以调整激光外同轴机器视觉定位模块(3)和激光振镜扫描光路模块(1)，直到这三者重合；

步骤S4：在人工的配合下，激光外同轴机器视觉定位模块( 3 )、Z轴自动调焦升降台模块( 4 )、θ1多角度旋转工作台模块( 5 )根据红光预览模块( 2 )指示的激光出光中心进行产品待加工位定位，形成加工文档；

步骤S5：关停红光预览模块( 2 )，启动激光振镜扫描光路模块( 1 )，对待加工产品(6 )进行激光打标；

其中步骤S5进一步包括：

步骤S51：进行人工上下料；

步骤S52：判断加工文档是否启用定位，若是执行步骤S53，否则执行步骤S55；

步骤S53：Z轴自动调焦升降台模块(4 )和θ1多角度旋转工作台模块( 5 )根据加工文档中的视觉定位信息调整待加工产品(6)的Z轴坐标和θ1角度并执行步骤S54；

步骤S54：激光外同轴机器视觉定位模块( 3 )对待加工产品进行加工位定位，若定位成功执行步骤S55，否则输出报警信息；

步骤S55：激光器(101)出激光打标；

步骤S56：判断所有加工文档是否运行完，若是返回步骤S51，否则工作台运行下一个加工文档并执行步骤S52。

2.一种多角度视觉定位的激光打标机，用于权利要求1所述的一种多角度视觉定位的激光打标方法，包括激光振镜扫描光路模块( 1 )、红光预览模块( 2 )、激光外同轴机器视觉定位模块( 3 )、Z轴自动调焦升降台模块( 4 )和θ1多角度旋转工作台模块(5)；

其特征在于：θ1多角度旋转工作台模块(5)安装在Z轴自动调焦升降台模块(4)上；激光振镜扫描光路模块(1 )包括激光器(101 )和合束镜(103 )，激光器(101 )发出的激光光束(109)和红光预览模块(2)发出的红光光束(203)在经过合束镜(103)后光束路径相同，并照射至待加工产品(6)的表面；

激光外同轴机器视觉定位模块( 3 )检测和对比产品待加工位的视觉特征点，辅助Z轴自动调焦升降台模块( 4 )与θ1多角度旋转工作台模块( 5 )记忆和调整产品待加工位的θ1角度和Z轴坐标；

Z轴自动调焦升降台模块（4）和θ1多角度旋转工作台模块(5)根据记忆的待加工位的Z轴坐标和θ1角度切换待加工产品（6）的位置；

激光振镜扫描光路模块(1 )还包括扩束镜(102)、合束镜片(103 )、45°反射镜片(104)、X扫描振镜(105)、Y扫描振镜(106)、聚焦镜(107)、透反镜(108)；

激光光束(109)从激光器(101 )中发出，经过扩束镜(102)、合束镜(103 )后到达45°反射镜片(104 )，然后经X扫描振镜(105 )和Y扫描振镜(106 )的偏摆到达聚焦镜(107 )，聚焦后照射到透反镜(108)上，经反射后到达产品的待加工位表面，对产品进行激光打标。

3. 如权利要求1所述的多角度视觉定位的激光打标机，其特征在于：红光预览模块(2)还包括红光笔(201)和红光笔固定座(202)。

4.如权利要求1所述的多角度视觉定位的激光打标机，其特征在于：激光外同轴机器视觉定位模块(3)主要由工业相机(301)构成。

5.如权利要求1所述的多角度视觉定位的激光打标机，其特征在于：Z轴自动调焦升降台模块(4)主要由Z轴自动调焦升降台(401)构成。

6.如权利要求1所述的多角度视觉定位的激光打标机，其特征在于：θ1多角度旋转工作台模块(5)包括θ1多角度旋转工作台(501)和产品固定夹具(502)；产品固定夹具(502)装配在θ1多角度旋转工作台(501)上，可360度自由旋转；产品固定夹具(502)用于固定待加工产品(6)。

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