CN109454329A - 一种联动旋转打标控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联动旋转打标控制方法及装置，涉及激光加工技术领域，采用激光控制卡的进行CO2激光打标机的打标控制，通过控制纠偏算法实时控制CO2激光器打标过程中的漂移产生的误差，减少在在动态的联动旋转打标的过程中出现光路不直或者光路不受控制，打标路径出现的歪曲的现象，提升了打标精度，减小了漂移产生的基准圆误差，使得联动的动态打标的更高效与稳定。

Description

一种联动旋转打标控制方法及装置

技术领域

本公开涉及激光加工技术领域，具体涉及一种联动旋转打标控制方法及装置。

背景技术

在现有的方法中，旋转打标控制方法一般是激光打标与旋转轴旋转不同时工作的，会导致图形多次被分割而造成的旋转打标效率低下，而且存在偏焦及图形拼接造成的打标效果不理想的问题；而在激光打标与旋转轴同时旋转工作的方法中，一般都是采用拼接的方式，容易出现激光打标与旋转轴联动效果不佳的问题。

在CO2激光打标机(即二氧化碳激光打标机，是利用CO2气体为工作介质的激光扫描振镜打标机)中，CO2激光器以CO2气体为介质，将CO2和其他辅助气体充入放电管在电极上加高压，在(上位机)电脑和(激光控制卡)激光打标控制卡的控制下，可在工件上根据用户的要求进行图像、文字、数字、线条的标刻，在打标区宽的情况下，导致CO2激光打标机打出的图像中间容易有拼缝，各个振镜电机之间不可避免的会做出许多冗余的暂停和空笔问题(即在CO2激光打标机打标的过程中，从一个任务位置跳转到另一个任务位置的过程，期间不出光)，严重降低了打标的效率和导致打标的图像出现拼缝、打标精度差的问题，此外，由于旋转打标的CO2激光打标机的电子元件的参数在使用过程中漂移会产生基准圆误差大的现象，例如基准圆的打印尺寸和设置尺寸不一致、或基准圆的X轴与Y轴方向有误差，从而出现光路不直或者光路不受控制歪曲的现象导致打标精度不准确的问题，因此需要实时进行控制调整。

发明内容

本公开提供一种联动旋转打标控制方法及装置，采用激光控制卡的进行打标控制，通过控制纠偏算法实时控制打标过程中的漂移产生的误差，减少在在动态的联动旋转打标的过程中出现光路不直或者光路不受控制，打标路径出现的歪曲的现象，提升了打标精度，减小了漂移产生的基准圆误差。

为了实现上述目的，根据本公开的一方面，提供一种联动旋转打标控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，调整CO2激光器的发射头，使激光的光点进入振镜组件的聚焦镜头的聚焦镜头的入光孔中心；

步骤2，调整振镜组件的高度，使得振镜组件的聚焦镜头中心与CO2激光器的光斑重合；

步骤3，上位机读取待打标图形并通过判断待打标图形的形状规划运动轨迹，发送运动轨迹到激光控制卡；

步骤4，激光控制卡根据所述运动轨迹，在打标的过程中通过控制纠偏算法实时的控制振镜组件相对于旋转轴的运动，并控制CO2激光器发出激光进行打标；

进一步地，在步骤2中，调整振镜组件的高度，使得振镜组件的聚焦镜头中心与CO2激光器的光斑重合，即将振镜组件的第一反射镜片与水平面调整成60度，将振镜组件的第二反射镜片与光路入射角调整成30度。

进一步地，在步骤3中，导入待打标图形到上位机就是把CorelDRAW软件中输出的PLT文件导入上位机的打标软件中进行编辑或加工，导入文件类型包括HOGL(*.plt)、BMP(*.bmp)、autocad(*.dxf)、adobe illustrator(*.ai)、pc-mark(*.job)、pdf(*.pdf)、mcl(*.mcl)、pcx(*.pcx)和sjf(*.sjf)的任意一种格式文件，所述打标软件为激光控制软件。

进一步地，在步骤4中，激光控制卡根据所述运动轨迹进行打标方法为，所述激光控制卡根据所述运动轨迹通过振镜组件作用在工件上通过控制CO2激光器发出激光进行打标，同时旋转轴带动工件旋转，从而实现旋转打标。

进一步地，在步骤4中，所述控制纠偏算法为，假设振镜组件和旋转轴的角速度分别是ω_l，ω_r则得出，

式中，R为旋转轴的半径，D为振镜组件，控制振镜组件和旋转轴的间的距离(即控制纠偏算法实时的控制振镜组件的第一反射镜片和第二反射镜片相对于旋转轴的运动)，

假设振镜组件和旋转轴的转速比是k_p，则有，

当k_p＝1时，则有ω_l＝ω_r，此时CO2激光器发出的激光直线打标路径；

当k_p>1时，则有ω_l＜ω_r，此时CO2激光器发出的激光左转弯打标路径；

当k_p＜1时，则有ω_l>ω_r，此时CO2激光器发出的激光右转弯打标路径；

打标时，通过增量式旋转编码器中的计数脉冲来重建振镜组件的状态，即令振镜组件的第一反射镜片和第二反射镜片的计数脉冲在第k个采样周期中分别为m_k和n_k，控制纠偏的数学模型为，

式中，Δt是采样的时间，x_k,y_k和θ_k是第k周期的CO2激光器相对于旋转轴的位移与旋转轴的方向角度，x_k+1,y_k+1和θ_k+1是第k+1周期的CO2激光器相对于旋转轴的位移与旋转轴的方向角度，M_p是旋转轴转动一周的脉冲数，通过x_k+1,y_k+1与x_k,y_k的差值可以得出此时的路径的偏移值，当第k+1周期的偏移值大于偏移阈值则以第k周期的重新偏移值修正k+2周期的旋转轴转速为θ_k，CO2激光器发出的激光相对于旋转轴的位移为x_k,y_k。

进一步地，在步骤4中，所述控制纠偏算法的程序运行在上位机或激光控制卡任意一种中。

进一步地，所述偏移阈值的默认值的为100mm，可进行人工调整，人工调整的范围50－250mm，理论的范围数值可以更大，但是数值过大会对振镜有较大的损伤。

进一步地，所述一种联动旋转打标控制方法应用的CO2激光打标机包括上位机、激光控制卡、CO2激光器、振镜组件、旋转轴、增量式旋转编码器，振镜组件即扫描振镜；

上位机将控制信息传输给激光控制卡；

激光控制卡根据所述控制信息，将运动信号输出给振镜组件和旋转轴；激光控制卡还将控制信号输出给CO2激光器，控制其出光和关光；

CO2激光器根据所述控制信号发出激光，并将所述激光输出给振镜组件；

振镜组件根据所述运动信号，控制其采用的反射镜片的旋转；还将接收到的激光通过聚焦镜头作用在工件上；振镜组件包含两轴的直流伺服电机即振镜X轴电机和振镜Y轴电机，接收激光控制卡的运动信号后，分别控制其采用的两块反射镜片即第一反射镜片和第二反射镜片的旋转，构建笛卡尔坐标系；还将接收到的激光通过聚焦镜头控制激光出光的位置，即控制激光作用在工件上的位置。

增量式旋转编码器用于通过计数脉冲来重建振镜组件的状态，放置于设置于振镜组件的第一反射镜片和第二反射镜片的直流伺服电机位置，增量式旋转编码器与直流伺服电机的电机轴有两种的安装方式，一种是锥轴，另一种是直轴，锥轴配合靠螺栓轴向锁紧，直轴由径向锁定螺栓锁紧，不管是直轴还是锥轴，在与直流伺服电机的轴锁紧固定前，一定需调整好编码器的零位值，待编码器调零好后，就紧固锁紧螺栓，这时把编码器弹簧片与电机端盖用两颗螺栓固定好，再盖上编码器后罩，由此编码器安装即完成，用于进行角度测量和角速度测量。

旋转轴根据所述运动信号，控制工件的旋转，从而实现激光对工件进行圆周打标，所述旋转轴包括直流伺服电机、安装座、联轴器与三爪卡盘，其中直流伺服电机和三爪卡盘安装在安装座上，直流伺服电机通过联轴器与三爪卡盘相连，三爪卡盘用于夹持工件。

本发明还提供了一种联动旋转打标控制装置，所述装置包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下装置的单元中：

激光对焦单元，用于调整CO2激光器的发射头，使激光的光点进入振镜组件的聚焦镜头的聚焦镜头的入光孔中心；

振镜调整单元，用于调整振镜组件的高度，使得振镜组件的聚焦镜头中心与CO2激光器的光斑重合；

控制卡读取单元，用于上位机读取待打标图形并通过判断待打标图形的形状规划运动轨迹，发送运动轨迹到激光控制卡；

控制纠偏单元，用于激光控制卡根据所述运动轨迹，在打标的过程中通过控制纠偏算法实时的控制振镜组件相对于旋转轴的运动，并控制CO2激光器发出激光进行打标。

本公开的有益效果为：本发明提供一种联动旋转打标控制方法及装置，通过控制纠偏算法实时控制打标过程中的漂移产生的误差，减少在在动态的联动旋转打标的过程中出现光路不直或者光路不受控制，打标路径出现的歪曲的现象，提升了打标精度，减小了漂移产生的基准圆误差，使得联动的动态打标的更高效与稳定。

附图说明

通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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获得其他的附图，在附图中：

图1所示为一种联动旋转打标控制方法的流程图；

图2所示为一种联动旋转打标控制装置图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示为根据本公开的一种联动旋转打标控制方法的流程图，下面结合图1来阐述根据本公开的实施方式的一种联动旋转打标控制方法。

本公开提出一种联动旋转打标控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1，调整CO2激光器的发射头，使激光的光点进入振镜组件的聚焦镜头的聚焦镜头的入光孔中心；

步骤2，调整振镜组件的高度，使得振镜组件的聚焦镜头中心与CO2激光器的光斑重合，即将振镜组件的第一反射镜片与水平面调整成60度，将振镜组件的第二反射镜片与光路入射角调整成30度；

步骤3，上位机读取待打标图形并通过判断待打标图形的形状规划运动轨迹，发送运动轨迹到激光控制卡；

步骤4，激光控制卡根据所述运动轨迹，在打标的过程中通过控制纠偏算法实时的控制振镜组件相对于旋转轴的运动，并控制CO2激光器发出激光进行打标。

进一步地，在步骤2中，调整振镜组件的高度，使得振镜组件的聚焦镜头中心与CO2激光器的光斑重合，即将振镜组件的第一反射镜片与水平面调整成60度，将振镜组件的第二反射镜片与光路入射角调整成30度。

进一步地，在步骤3中，导入待打标图形到上位机就是把CorelDRAW软件中输出的PLT文件导入上位机的打标软件中进行编辑或加工，导入文件类型包括HOGL(*.plt)、BMP(*.bmp)、autocad(*.dxf)、adobe illustrator(*.ai)、pc-mark(*.job)、pdf(*.pdf)、mcl(*.mcl)、pcx(*.pcx)和sjf(*.sjf)的任意一种格式文件，所述打标软件为激光控制软件。

进一步地，在步骤4中，激光控制卡根据所述运动轨迹进行打标方法为，所述激光控制卡根据所述运动轨迹通过振镜组件作用在工件上通过控制CO2激光器发出激光进行打标，同时旋转轴带动工件旋转，从而实现旋转打标。

进一步地，在步骤4中，所述控制纠偏算法为，假设振镜组件和旋转轴的角速度分别是ω_l，ω_r则得出，

式中，R为旋转轴的半径，D为振镜组件，控制振镜组件和旋转轴的间的距离(即控制纠偏算法实时的控制振镜组件的第一反射镜片和第二反射镜片相对于旋转轴的运动)，

假设振镜组件和旋转轴的转速比是k_p，则有，

当k_p＝1时，则有ω_l＝ω_r，此时CO2激光器发出的激光直线打标路径；

当k_p>1时，则有ω_l＜ω_r，此时CO2激光器发出的激光左转弯打标路径；

当k_p＜1时，则有ω_l>ω_r，此时CO2激光器发出的激光右转弯打标路径；

打标时，通过增量式旋转编码器中的计数脉冲来重建振镜组件的状态，即令振镜组件的第一反射镜片和第二反射镜片的计数脉冲在第k个采样周期中分别为m_k和n_k，控制纠偏的数学模型为，

式中，Δt是采样的时间，x_k,y_k和θ_k是第k周期的CO2激光器相对于旋转轴的位移与旋转轴的方向角度，x_k+1,y_k+1和θ_k+1是第k+1周期的CO2激光器相对于旋转轴的位移与旋转轴的方向角度，M_p是旋转轴转动一周的脉冲数，通过x_k+1,y_k+1与x_k,y_k的差值可以得出此时的路径的偏移值，当第k+1周期的偏移值大于偏移阈值则以第k周期的重新偏移值修正k+2周期的旋转轴转速为θ_k，CO2激光器发出的激光相对于旋转轴的位移为x_k,y_k。

进一步地，所述偏移阈值的默认值的为100mm，可进行人工调整，人工调整的范围50－250mm，理论的范围数值可以更大，但是数值过大会对振镜有较大的损伤。

进一步地，调整CO2激光器的发射头通过直流伺服电机进行调整。

进一步地，调整振镜组件的高度通过直流伺服电机进行调整。

进一步地，所述直流伺服电机为步进电机。

进一步地，所述一种联动旋转打标控制方法应用的CO2激光打标机包括上位机、激光控制卡、CO2激光器、振镜组件、旋转轴、增量式旋转编码器，振镜组件即扫描振镜；

上位机将控制信息传输给激光控制卡；

激光控制卡根据所述控制信息，将运动信号输出给振镜组件和旋转轴；激光控制卡还将控制信号输出给CO2激光器，控制其出光和关光；

CO2激光器根据所述控制信号发出激光，并将所述激光输出给振镜组件；

振镜组件根据所述运动信号，控制其采用的反射镜片的旋转；还将接收到的激光通过聚焦镜头作用在工件上；

旋转轴根据所述运动信号，控制工件的旋转，从而实现激光对工件进行圆周打标，所述旋转轴包括直流伺服电机、安装座、联轴器与三爪卡盘，其中直流伺服电机和三爪卡盘安装在安装座上，直流伺服电机通过联轴器与三爪卡盘相连，三爪卡盘用于夹持工件。

上位机是用户的控制终端，输入待打标的图形到上位机后，上位机会自动规划待打标图形的打标轨迹，并以USB通信的方式将控制信息传输给激光控制卡。

激光控制卡采用FPGA和DSP芯片，根据接收到上位机的控制信息即打标轨迹后，控制振镜组件和旋转轴运动，即将运动信号输出给振镜组件和旋转轴；还将控制信号输出给CO2激光器，控制其出光和关光。

CO2激光器根据所述控制信号发出1064nm波长的激光，并将激光输出给振镜组件，实现对工件表面进行打标。

振镜组件包含两轴高性能直流伺服电机即振镜X轴电机和振镜Y轴电机，接收激光控制卡的运动信号后，分别控制其采用的两块反射镜片即第一反射镜片和第二反射镜片的旋转，构建笛卡尔坐标系；还将接收到的激光通过聚焦镜头控制激光出光的位置，即控制激光作用在工件上的位置。

增量式旋转编码器用于通过计数脉冲来重建振镜组件的状态，放置于设置于振镜组件的第一反射镜片和第二反射镜片的直流伺服电机位置，增量式旋转编码器与直流伺服电机的电机轴有两种的安装方式，一种是锥轴，另一种是直轴，锥轴配合靠螺栓轴向锁紧，直轴由径向锁定螺栓锁紧，不管是直轴还是锥轴，在与直流伺服电机的轴锁紧固定前，一定需调整好编码器的零位值，待编码器调零好后，就紧固锁紧螺栓，这时把编码器弹簧片与电机端盖用两颗螺栓固定好，再盖上编码器后罩，由此编码器安装即完成，用于进行角度测量和角速度测量。

旋转轴采用伺服系统，根据接收到的运动信号控制工件的旋转，从而实现激光对工件进行圆周打标。

本公开的实施例提供的一种联动旋转打标控制装置，如图2所示为本公开的一种联动旋转打标控制装置图，该实施例的一种联动旋转打标控制装置包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种联动旋转打标控制装置实施例中的步骤。

所述装置包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下装置的单元中：

激光对焦单元，用于调整CO2激光器的发射头，使激光的光点进入振镜组件的聚焦镜头的聚焦镜头的入光孔中心；

振镜调整单元，用于调整振镜组件的高度，使得振镜组件的聚焦镜头中心与CO2激光器的光斑重合，即将振镜组件的第一反射镜片与水平面调整成60度，将振镜组件的第二反射镜片与光路入射角调整成30度；

控制卡读取单元，用于上位机读取待打标图形并通过判断待打标图形的形状规划运动轨迹，发送运动轨迹到激光控制卡；

控制纠偏单元，用于激光控制卡根据所述运动轨迹，在打标的过程中通过控制纠偏算法实时的控制振镜组件相对于旋转轴的运动，并控制CO2激光器发出激光进行打标

所述一种联动旋转打标控制装置可以运行于桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备中。所述一种联动旋转打标控制装置，可运行的装置可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述例子仅仅是一种联动旋转打标控制装置的示例，并不构成对一种联动旋转打标控制装置的限定，可以包括比例子更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述一种联动旋转打标控制装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种联动旋转打标控制装置运行装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种联动旋转打标控制装置可运行装置的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种联动旋转打标控制装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

尽管本公开的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本公开的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本公开进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本公开的非实质性改动仍可代表本公开的等效改动。

Claims (7)

1.一种联动旋转打标控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，调整CO2激光器的发射头，使激光的光点进入振镜组件的聚焦镜头的聚焦镜头的入光孔中心；

步骤2，调整振镜组件的高度，使得振镜组件的聚焦镜头中心与CO2激光器的光斑重合；

步骤3，上位机读取待打标图形并通过判断待打标图形的形状规划运动轨迹，发送运动轨迹到激光控制卡；

步骤4，激光控制卡根据所述运动轨迹，在打标的过程中通过控制纠偏算法实时的控制振镜组件相对于旋转轴的运动，并控制CO2激光器发出激光进行打标。

2.根据权利要求1所述的一种联动旋转打标控制方法，其特征在于，在步骤3中，导入待打标图形到上位机就是把CorelDRAW软件中输出的PLT文件导入上位机的打标软件中进行编辑或加工，导入文件类型包括HOGL、BMP、autocad、adobe illustrator、pc-mark、pdf、mcl、pcx和sjf的任意一种格式文件。

3.根据权利要求1所述的一种联动旋转打标控制方法，其特征在于，在步骤4中，激光控制卡根据所述运动轨迹进行打标方法为，所述激光控制卡根据所述运动轨迹通过振镜组件作用在工件上通过控制CO2激光器发出激光进行打标，同时旋转轴带动工件旋转，从而实现旋转打标。

4.根据权利要求1所述的一种联动旋转打标控制方法，其特征在于，在步骤4中，所述控制纠偏算法为，假设振镜组件和旋转轴的角速度分别是ω_l，ω_r则得出，

式中，R为旋转轴的半径，D为振镜组件和旋转轴的间的距离，

假设振镜组件和旋转轴的转速比是k_p，则有，

当k_p＝1时，则有ω_l＝ω_r，此时CO2激光器发出的激光直线打标路径；

当k_p>1时，则有ω_l＜ω_r，此时CO2激光器发出的激光左转弯打标路径；

当k_p＜1时，则有ω_l>ω_r，此时CO2激光器发出的激光右转弯打标路径；

打标时，通过增量式旋转编码器中的计数脉冲来重建振镜组件的状态，即令振镜组件的第一反射镜片和第二反射镜片的计数脉冲在第k个采样周期中分别为m_k和n_k，控制纠偏的数学模型为，

式中，Δt是采样的时间，x_k,y_k和θ_k是第k周期的CO2激光器相对于旋转轴的位移与旋转轴的方向角度，x_k+1,y_k+1和θ_k+1是第k+1周期的CO2激光器相对于旋转轴的位移与旋转轴的方向角度，M_p是旋转轴转动一周的脉冲数，通过x_k+1,y_k+1与x_k,y_k的差值可以得出此时的路径的偏移值，当第k+1周期的偏移值大于偏移阈值则以第k周期的重新偏移值修正k+2周期的旋转轴转速为θ_k，CO2激光器发出的激光相对于旋转轴的位移为x_k,y_k。

5.根据权利要求4所述的一种联动旋转打标控制方法，其特征在于，所述偏移阈值的默认值的为100mm。

6.根据权利要求1所述的一种联动旋转打标控制方法，其特征在于，增量式旋转编码器用于通过计数脉冲来重建振镜组件的状态，设置于振镜组件的第一反射镜片和第二反射镜片的旋转位置，用于进行角度测量和角速度测量。

7.一种联动旋转打标控制装置，其特征在于，所述装置包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下装置的单元中：

激光对焦单元，用于调整CO2激光器的发射头，使激光的光点进入振镜组件的聚焦镜头的聚焦镜头的入光孔中心；

振镜调整单元，用于调整振镜组件的高度，使得振镜组件的聚焦镜头中心与CO2激光器的光斑重合；

控制卡读取单元，用于上位机读取待打标图形并通过判断待打标图形的形状规划运动轨迹，发送运动轨迹到激光控制卡；

控制纠偏单元，用于激光控制卡根据所述运动轨迹，在打标的过程中通过控制纠偏算法实时的控制振镜组件相对于旋转轴的运动，并控制CO2激光器发出激光进行打标。