CN107457488B - 一种基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统和控制方法，包括激光器、激光打标控制卡、上位机、数据控制器以及设置于传送带上方的数字相机和扫描振镜；数据控制器分别与扫描振镜、激光打标控制卡、数字相机连接，激光打标控制卡还与上位机连接；数据控制器将激光打标控制卡与扫描振镜之间的数据拦截，将数字相机拍摄到的待打标工件图片处理以得到仿射变换参数后，数据控制器对拦截的加工数据进行修正并转换为数字方波信号发送至扫描振镜调整激光器进行打标。相对于现有技术，本发明技术方案具有具有更好通用性、速度更快且精度更高、降低生产成本和提高生产效率优点，且可降低生产成本、提高生产效率以及降低工人工作劳动强度。

Description

一种基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统和控制方法

技术领域

本发明涉及激光打标技术领域，特别涉及一种基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统和控制方法。

背景技术

激光打标是激光加工技术的重要应用，可应用于电子元器件、电工电器、手机通讯、五金制品、工具配件、精密器械等众多领域。随着激光振镜扫描技术的发展，振镜反射激光模式已成为激光打标领域的主流，其核心是激光标记控制系统。

飞行打标是指工件或物体在快速运动状态下，激光仍能打出与静止打标时一致的图案。激光打标设备主要有：(1)激光打标控制卡及上位机软件；(2)生产传送带；(3)扫描振镜及激光器。飞行打标则增加了光电触发系统和位移测量装置。

另外，在振镜的运动控制中，XY2-100协议作为数字化激光扫描振镜的接口定义及通信协议被广泛使用，XY2-100也是目前大多扫描振镜的通用协议。目前，业界大多激光打标系统的加工数据完全由软件产生，然后利用XY2-100协议发送给扫描振镜，控制扫描振镜运动，从而使激光器打标出正确的图案。

一般的激光打标中，工件是静止的，而飞行打标工件随着传送带运动进行打标，在打标过程中会发生形变，因此通常在飞行打标系统中加入编码器将传送带速度送入到激光打标控制卡，然后通过控制卡直接进行位移补偿，从而打标出正确图案。但是上述技术方案的缺点是系统实时性不高，因此系统精度不高，同时不能应用于速度不稳定的打标场合。而目前另一种新型补偿方案是利用硬件进行补偿，该技术方案精度高，但是对工件姿态要求较高，需要使用模板方式进入传送带，并且硬件成本较高。更重要的是该硬件补偿方案直接利用FPGA对扫描振镜本身进行操控，这种方案对于普通扫描振镜不可行，因为大多扫描振镜本身只有一个接口，无法对其内部进行操作。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种具有更好通用性、速度更快且精度更高、降低生产成本和提高生产效率的基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统，本发明还提出一种使用基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统的控制方法，旨在提高飞行打标系统的加工精度和通用性技术问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统，包括激光器、激光打标控制卡、上位机、数据控制器以及设置于传送带上方的数字相机和扫描振镜；所述数据控制器分别与所述扫描振镜、所述激光打标控制卡、所述数字相机连接，所述激光打标控制卡还与所述上位机连接；所述数据控制器将所述激光打标控制卡与所述扫描振镜之间的数据拦截，将所述数字相机拍摄到的待打标工件图片处理以得到仿射变换参数后，所述数据控制器对拦截的加工数据进行修正并转换为数字方波信号发送至所述扫描振镜调整所述激光器进行打标。

优选地，所述激光打标控制卡与所述上位机通过USB端口相连通信，所述激光打标控制卡和所述扫描振镜与所述数据控制器之间通过DB25接口相连且通过XY2-100协议通信。

优选地，所述仿射变换参数包括待打标工件相对标准模板位置的位置参量ΔX、ΔY和旋转参量θ以及传送带传送速度v。

优选地，所述传送带传送速度v为所述数字相机对运动的工件连续拍摄两张照片之间距离L1和所述数字相机拍摄两张照片的时间间隔t1之间比值。

本发明还提出一种使用所述基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统的控制方法，将加工数据拦截，利用通用振镜协议获取原始数据，然后采用数据补偿方式将传送带的位移转换成振镜移动数据并叠加到X方向进行反向补偿，将位置信息进行采集并得到仿射变换参数且同步换算成新数据，通过通用协议发送至扫描振镜调整激光器打标。

优选地，包括以下步骤：

S1获取数据：采集激光打标控制卡数据并得到X/Y加工数据、仿射变换参数、传送带传送速度v；

S2计算新数据：对X/Y数据利用仿射变换公式和数据反补偿算法进行计算，其中仿射变换参数包括θ、ΔX、ΔY，补偿当量包括补偿数值ΔN、通过传送带传送速度v换算为实际扫描振镜的移动当量、新坐标数据X′Y′，其中X′和Y′分别为：

X′＝X·cosθ+Y·sinθ+ΔX+ΔN

Y′＝Y·cosθ-X·sinθ+ΔY

S3发送新坐标数据：数据控制器模拟XY2-100协议，将新的数据发送至扫描振镜调整激光器打标。

优选地，所述仿射变换参数θ、ΔX、ΔY通过待打标工件的当前姿势和标准模板的位置坐标确定。

优选地，所述位置坐标为图像坐标系中的坐标，所述位置坐标的原点为图像原点。

优选地，所述补偿数值ΔN通过激光器开关控制时间Δt、实际物理长度与振镜数据跨度的比例因子s以及所述传送带传送速度v计算得到，其计算公式为：ΔN＝v·Δt/s。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

(1)更好通用性。由于大部分的激光打标控制卡和扫描振镜接口协议采用XY2-100的协议进行通信，因此本发明技术方案通过通用振镜协议对激光打标控制卡进行数据截断，重新计算后再发送至扫描振镜，无需对现有激光打标系统作出任何改动，通过即插即用，可适用于市面上大部分的激光打标系统，因此具有更为广泛的通用性。

(2)速度更快且精度更高。本发明技术方案采用数据反补偿方式，实现将传送带的位移换算成振镜移动的数据，并叠加到X方向进行反向补偿。由于本发明系统采用的是数据补偿，传送带速度的快慢仅会影响补偿数据的大小，因此本发明技术方案突破了传送带速度的瓶颈，理论上只要扫描振镜移动速度足够大，工件上在任何速度下均能打标出于静止打标时相一致的图案，另外，本发明技术方案可应用于速度不稳定的打标场合，因此相对于现有技术具有速度更快且精度更高。

(3)降低生产成本和提高生产效率。传统飞行打标系统中，传送带前方一般会设置有用于稳定和规范工件的夹具模具，并且该夹具模具一般为精密模具，因此价格比较昂贵。而本发明技术方案采用数字相机替代传统的光电触发系统和编码测速系统，不仅仅可以触发和测速，还能得到物体的位置信息，充分利用位置信息对图案进行修改，使得任意摆放的工件均能够打标出理想图案，因此不需要传统的夹具模块以纠正工件摆放姿态，可降低生产成本、提高生产效率以及降低工人工作劳动强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统的结构示意图；

图2为本发明基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统的连接关系图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	传送带	5	上位机
2	扫描振镜	6	激光器
				3	数据控制器	7	数字相机
4	激光打标控制卡	8	待打标工件

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统。

请参见图1和图2，本发明实施例的基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统，包括激光器6、激光打标控制卡4、上位机5、数据控制器3以及设置于传送带1上方的数字相机7和扫描振镜2；数据控制器3分别与扫描振镜2、激光打标控制卡4、数字相机7连接，激光打标控制卡4还与上位机5连接；数据控制器3将激光打标控制卡4与扫描振镜2之间的数据拦截，将数字相机7拍摄到的待打标工件8图片处理以得到仿射变换参数后，数据控制器3对拦截的加工数据进行修正并转换为数字方波信号发送至扫描振镜2调整激光器6进行打标。

优选地，本发明实施例中的激光打标控制卡4与上位机5通过USB端口相连通信，激光打标控制卡4和扫描振镜2与数据控制器3之间通过DB25接口相连且通过XY2-100协议通信。

优选地，本发明实施例中的仿射变换参数包括待打标工件8相对标准模板位置的位置参量ΔX、ΔY和旋转参量θ以及传送带传送速度v。

优选地，本发明实施例中的传送带传送速度v为数字相机7对运动的待打标工件8连续拍摄两张照片之间距离L1和数字相机7拍摄两张照片的时间间隔t1之间比值。

本发明还提出一种使用基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统的控制方法，其步骤包括：将加工数据拦截，利用通用振镜协议获取原始数据，然后采用数据补偿方式将传送带1的位移转换成扫描振镜2移动数据并叠加到X方向进行反向补偿，将位置信息进行采集并得到仿射变换参数且同步换算成新数据，通过通用协议发送至扫描振镜2调整激光器6打标。

具体地，本发明实施例的控制方法包括以下步骤：

S1获取数据：采集激光打标控制卡4数据并得到X/Y加工数据、仿射变换参数、传送带传送速度v；

S2计算新数据：对X/Y数据利用仿射变换公式和数据反补偿算法进行计算，其中仿射变换参数包括θ、ΔX、ΔY，补偿当量包括补偿数值ΔN、通过传送带传送速度v换算为实际扫描振镜2的移动当量、新坐标数据X′Y′，其中X′和Y′分别为：

X′＝X·cosθ+Y·sinθ+ΔX+ΔN

Y′＝Y·cosθ-X·sinθ+ΔY

S3发送新坐标数据：数据控制器3模拟XY2-100协议，将新的数据发送至扫描振镜2调整激光器6打标。

本发明实施例的仿射变换参数θ、ΔX、ΔY通过待打标工件8的当前姿势和标准模板的位置坐标确定。优选地，位置坐标为图像坐标系中的坐标，位置坐标的原点为图像原点。

本发明实施例的补偿数值ΔN通过激光器开关控制时间Δt、实际物理长度与扫描振镜2数据跨度的比例因子s以及传送带传送速度v计算得到，其计算公式为：ΔN＝v·Δt/s。

本发明实施例基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统的工作原理为：

首先启动打标系统，在上位机5的软件中设置打标图案并调整好图案的大小，将标准工件准确放置于传送带1上表面，而此时的传送带1处于静止状态，然后通过手动移动传送带1将物体移至扫描振镜2的下方以便进行静止打标。然后在上位机5中不断调整图案的大小以及位置，然后通过手动打标，直到所打标图案满意为止，并保存软件中的图案，而此时的激光打标控制卡4已经包括了该图案的加工数据。将工件通过手动移动至数字相机7的拍摄范围内，并且尽量使得标准工件的几何中心和数字相机7拍摄中心对准后，拍摄一副模板图像。

然后开启传送带1并随机将待打标工件8放入传送带1上表面，当工件进入数字相机7的拍摄范围时，数字相机7将对处于最前端的待打标工件8拍摄几张图片，并对图片进行分析处理，以计算出该待打标工件8的旋转参量ΔX、ΔY以及θ，同时根据数字相机7拍摄间隔时间计算出传送带1的传送带传送速度v，并发送至数据控制器3。与此同时，当图片满足一定的条件时，触发打标开关。当数据控制器3得到旋转参量ΔX、ΔY、θ以及传送带传送速度v后开始计时，数字相机7进入触发等待，直到下一个待打标工件再次到来。

当数据控制器3计时完成后，待打标工件8进入扫描振镜2视线范围内，同时激光打标控制卡4发送打标数据，数据控制器3通过XY2-100协议对激光打标控制卡4进行数据采集，得到实时的加工数据。然后对加工数据进行实时仿射变换计算，并将补偿的飞行数据加入到X轴方向，得到计算后的新加工数据。

最后利用XY2-100协议对新数据进行模拟，并利用DB25接口发送给扫描振镜2，此时的激光打标机的激光器6实时打标出理想图像，并且不会失真。

本发明技术方案的基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统利用数字相机7检测运动的待打标工件8，并对其进行软触发，以此代替光电触发系统，此时会触发激光打标控制卡4打标，然后对激光打标控制卡4发送给扫描振镜2的X/Y轴的加工数据进行截断，并根据通用振镜协议进行数据采集，将得到的加工数据发送给数据控制器3。利用视觉测速替代编码测速，以及可以得到更为准确的物体前进速度和位置信息，将位置信息和速度发送给数据控制器3。数据控制器3将位置信息通过仿射变换进行数据计算，得到新数据。然后对新数据中X方向的进行飞行计算，得出飞行打标时，X方向的新加工数据。将最终的加工数据重新按照通用振镜协议发送给扫描振镜2调整激光器6加工。

因此，本发明实施例的系统与现有技术的飞行打标系统相比，去除光电触发系统和编码器进行测速系统，以数字相机7方式进行触发和测速以得到相对于模板的位置信息。同时还加入了数据控制器3，以用于数据采集、计算、发送。数据采集和发送采用通用的振镜协议XY2-100，数据计算遵循了仿射变换原理和飞行数据反补偿原理，其中数据反补偿原理是由传送带速度、扫描振镜在单点打标中所对应的时间共同确定。

另外，本发明基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统具有更好的通用性。由于大部分的激光打标控制卡4和扫描振镜2接口协议采用XY2-100的协议进行通信，因此本发明技术方案通过通用的振镜协议对激光打标控制卡4进行数据截断，重新计算后再发送至扫描振镜2，无需对现有的激光打标系统作出任何改动，通过即插即用，可适用于市面上大部分的激光打标系统，因此具有更为广泛的通用性。

本发明基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统具有速度更快且精度更高。本发明技术方案采用数据反补偿方式，实现将传送带1的位移换算成扫描振镜2移动的数据，并叠加到X方向进行反向补偿。由于本发明系统采用的是数据补偿，传送带速度的快慢仅会影响补偿数据的大小，因此本发明技术方案突破了传送带1速度的瓶颈，理论上只要扫描振镜2移动速度足够大，待打标工件8上在任何速度下均能打标出于静止打标时相一致的图案，因此相对于现有技术具有速度更快且精度更高。

本发明基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统可提高生产效率。传统飞行打标系统中，传送带1前方一般会设置有用于稳定和规范待打标工件8的夹具模具，并且该夹具模具一般为精密模具，因此价格比较昂贵。而本发明技术方案采用数字相机7替代传统的光电触发系统和编码测速系统，不仅仅可以触发和测速，还能得到物体的位置信息，充分利用位置信息对图案进行修改，使得任意摆放的工件均能够打标出理想图案，因此不需要传统的夹具模块以纠正工件摆放姿态，可降低生产成本、提高生产效率以及降低工人工作劳动强度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统，其特征在于，包括激光器、激光打标控制卡、上位机、数据控制器以及设置于传送带上方的数字相机和扫描振镜；所述数据控制器分别与所述扫描振镜、所述激光打标控制卡、所述数字相机连接，所述激光打标控制卡还与所述上位机连接；所述数据控制器将所述激光打标控制卡与所述扫描振镜之间的数据拦截，采用数据反补偿方式，实现将传送带的位移换算成扫描振镜移动的数据，并叠加到X方向进行反向补偿；补偿数值ΔN通过激光器开关控制时间Δt、实际物理长度与振镜数据跨度的比例因子s以及所述传送带传送速度v计算得到，其计算公式为：ΔN＝v·Δt/s；将所述数字相机拍摄到的待打标工件图片处理以得到仿射变换参数后，所述数据控制器对拦截的加工数据进行修正并转换为数字方波信号发送至所述扫描振镜调整所述激光器进行打标；

所述飞行打标系统的控制方法，包括以下步骤：

S1获取数据：采集激光打标控制卡数据并得到X/Y加工数据、仿射变换参数、传送带传送速度v；

S2计算新数据：对X/Y数据利用仿射变换公式和数据反补偿算法进行计算，其中仿射变换参数包括θ、ΔX、ΔY，补偿当量包括补偿数值ΔN、通过传送带传送速度v换算为实际扫描振镜的移动当量、新坐标数据X′Y′，其中X′和Y′分别为：

X′＝X·cosθ+Y·sinθ+ΔX+ΔN

Y′＝Y·cosθ-X·sinθ+ΔY

所述补偿数值ΔN通过激光器开关控制时间Δt、实际物理长度与振镜数据跨度的比例因子s以及所述传送带传送速度v计算得到，其计算公式为：ΔN＝v·Δt/s；

S3发送新坐标数据：数据控制器模拟XY2-100协议，将新的数据发送至扫描振镜调整激光器打标。

2.如权利要求1所述基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统，其特征在于，所述激光打标控制卡与所述上位机通过USB端口相连通信，所述激光打标控制卡和所述扫描振镜与所述数据控制器之间通过DB25接口相连且通过XY2-100协议通信。

3.如权利要求1所述基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统，其特征在于，所述仿射变换参数包括待打标工件相对标准模板位置的位置参量ΔX、ΔY和旋转参量θ。

4.如权利要求3所述基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统，其特征在于，所述传送带传送速度v为所述数字相机对运动的工件连续拍摄两张照片之间距离L1和所述数字相机拍摄两张照片的时间间隔t1之间比值。

5.一种使用如权利要求1至4任一所述基于通用振镜与视觉测速的飞行打标系统的控制方法，其特征在于，将加工数据拦截，利用通用振镜协议获取加工数据，然后采用数据补偿方式将传送带的位移转换成振镜移动数据并叠加到X方向进行反向补偿，将位置信息进行采集并得到仿射变换参数且同步换算成新数据，通过通用协议发送至扫描振镜调整激光器打标；

所述飞行打标系统的控制方法，包括以下步骤：

S1获取数据：采集激光打标控制卡数据并得到X/Y加工数据、仿射变换参数、传送带传送速度v；

S2计算新数据：对X/Y数据利用仿射变换公式和数据反补偿算法进行计算，其中仿射变换参数包括θ、ΔX、ΔY，补偿当量包括补偿数值ΔN、通过传送带传送速度v换算为实际扫描振镜的移动当量、新坐标数据X′Y′，其中X′和Y′分别为：

X′＝X·cosθ+Y·sinθ+ΔX+ΔN

Y′＝Y·cosθ-X·sinθ+ΔY

所述补偿数值ΔN通过激光器开关控制时间Δt、实际物理长度与振镜数据跨度的比例因子s以及所述传送带传送速度v计算得到，其计算公式为：ΔN＝v·Δt/s；

S3发送新坐标数据：数据控制器模拟XY2-100协议，将新的数据发送至扫描振镜调整激光器打标。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述仿射变换参数θ、ΔX、ΔY通过待打标工件的当前姿势和标准模板的位置坐标确定。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述位置坐标为图像坐标系中的坐标，所述位置坐标的原点为图像原点。