CN109773343A - 一种三轴动态激光打标系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴动态激光打标系统的控制方法，涉及激光打标领域，包括：首先，获取待激光打标的第一图案信息；然后，求解X轴反射镜片的第一翻转角，控制所述X轴反射镜片翻转；然后，求解Y轴反射镜片的第二翻转角，控制Y轴反射镜片翻转；然后，求解与所述第一位置信息相匹配的第一光路长度；最后，根据所述第一光路长度与所述Z轴调控透镜的位置的预设对应关系，调整所述Z轴调控透镜的位置。本发明解决现有激光打标体型较大的问题，通过光学反射及聚焦技术，使得设备无需直线模组驱动，设备体积小巧。

Description

一种三轴动态激光打标系统的控制方法

技术领域

本发明涉及激光打标领域，特别涉及一种三轴动态打标系统的控制方法。

背景技术

激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级。

在现有技术中，激光打标一般采用直线模组作为激光打标的X轴、Y轴、Z 轴的控制构件，其不足之处在于基于该技术的激光打标设备体型较大，不便于设备小巧化。

发明内容

有鉴于现有技术的一部分缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种三轴动态打标系统的控制方法，旨在解决现有激光打标体型较大的问题，通过光学反射及聚焦技术，使得设备无需直线模组驱动，以便使得设备小巧化。

为实现上述目的，本发明提供一种三轴动态激光打标系统的控制方法，所述系统包括：

激光发生模组、Z轴调控透镜、聚焦透镜组、X轴反射镜片、Y轴反射镜片、打标台面；所述系统的坐标系包括原点、X轴、Y轴、Z轴，所述原点为所述打标台面的中心，所述Z轴为所述打标台面的法向，所述X轴、所述Y轴位于所述打标台面上；所述激光发生模组用于生成所述第一激光，所述Z轴调控透镜用于调整所述系统的聚焦距离，所述聚焦透镜组用于对所述第一激光进行聚焦，所述X轴反射镜片用于绕第一旋转轴旋转并调控所述第一激光照射在所述打标台面上的第一位置的X坐标值，所述Y轴反射镜片用于绕第二旋转轴旋转并调控所述第一激光照射在所述打标台面上的第一位置的Y坐标值；

所述X轴反射镜片的第一旋转轴与所述Y轴坐标相平行；所述第二旋转轴在所述打标台面上的投影与所述X轴坐标相平行；所述方法包括：

获取待激光打标的第一图案信息；所述第一图案信息包括待打标的第一位置信息，所述第一位置信息包括横坐标值X以及纵坐标值Y；

根据所述横坐标值X，获取所述X轴反射镜片的第一翻转角Δθ_X；根据所述第一翻转角Δθ_X，控制所述X轴反射镜片翻转；所述Δθ_X满足：所述PK₁为第一投影点P与所述打标台面的坐标原点K₁的连线，所述第一投影点P为所述第一激光与所述X轴反射镜片的交点在由所述Y 轴反射镜形成的第一镜像点；

根据所述横坐标值X以及所述纵坐标值Y，获取所述Y轴反射镜片的第二翻转角Δθ_Y；根据所述第二翻转角Δθ_Y，控制所述Y轴反射镜片翻转；所述Δθ_Y满足：

根据所述横坐标值X、所述纵坐标值Y、所述第一翻转角Δθ_X以及所述第二翻转角Δθ_Y，求解与所述第一位置信息相匹配的第一光路长度L；所述第一光路长度满足：

启动所述激光发生模块产生所述第一激光，根据所述第一光路长度及所述第一光路长度与所述Z轴调控透镜的位置的预设对应关系，调整所述Z轴调控透镜的位置以使所述第一激光聚焦于所述打标台面；

其中，所述MN₂满足：

所述θ_X为所述X轴反射镜片的第一法线与所述X轴所成的第一夹角，所述θ_X满足：θ_X＝θ_{X_base}+Δθ_X；所述θ_{X_base}为当所述第一激光照射在所述打标台面的原点时的所述第一夹角的大小；所述θ_{Y_X}为所述Y轴反射镜片的所述第二旋转轴与所述X轴所成的第二夹角；所述AM为所述第一激光从所述激光发生模组的出光口到所述X轴反射镜片的距离；所述OM为交点O与所述X轴反射镜片的第一旋转轴点M的距离，所述第一旋转轴点M为所述出光口的轴向与所述 X轴反射镜片的交点；所述ON₁为所述交点O与所述Y轴反射镜片的第二旋转轴点N₁的距离；所述交点O为所述出光口轴向和Y-Z面交点，所述第二旋转轴点N₁为所述第二旋转轴与所述Z轴的交点。

在一具体实施例中，所述方法还包括：

在实验状态下，变化所述Z轴调控透镜的移动位置，采集与所述移动位置相对应的聚焦距离；其中，所述聚焦距离为所述激光发生模组的出光口到所述第一激光的聚焦点之间的光路长度；

根据所述聚焦距离以及所述移动距离，预设所述光路长度与所述移动位置的预设关系。

在一具体实施例中，所述方法还包括：

移开所述X轴反射镜片、所述Y轴反射镜片以使所述第一激光沿所述激光发生模组的轴向出射；

获取所述移动位置与所述聚焦距离的对应关系。

在一具体实施例中，所述系统还包括直线模组；所述Z轴调控透镜安装于所述直线模组上，所述直线模组用于控制所述Z轴调控透镜直线运动，所述直线模组的轴向与所述打标台面的X轴相平行。

在一具体实施例中，所述系统还包括用于控制所述X轴反射镜片翻转的第一电机、用于控制所述Y轴反射镜片翻转的第二电机；所述第一电机的驱动轴与所述X轴反射镜片的所述第一翻转轴同轴连接，所述第二电机的驱动轴与所述Y轴反射镜片的所述第二翻转轴同轴连接。

在一具体实施例中，采集用户输入的待打标部件厚度值，对所述打标台面进行微调。

本发明的有益效果是：1)、本发明通过光学反射及聚焦技术，使得设备无需直线模组驱动，便于设备小巧化；2)、本发明通过对X轴反射镜片、Y轴反射镜片翻转驱动，便于调控激光照射的二维坐标值；通过 提高激光打标二维坐标的精度；3)、通过公式求解激光打标的光路长度，便于调整Z 轴调控透镜的位置，以便第一激光能够在打标台面上汇聚成点，提高激光打标精度以及提高激光打标的能量利用率。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式提供的一种三轴动态激光打标系统的控制方法的流程示意图；

图2是本发明一具体实施方式提供的一种三轴动态激光打标系统的光路示意图；

图3是本发明一具体实施方式提供的一种三轴动态激光打标系统的局部光路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1-3所示，在本发明第一实施例中，提供一种三轴动态激光打标系统的控制方法，所述系统包括：

激光发生模组、Z轴调控透镜、聚焦透镜组、X轴反射镜片、Y轴反射镜片、打标台面；所述系统的坐标系包括原点、X轴、Y轴、Z轴，所述原点为所述打标台面的中心，所述Z轴为所述打标台面的法向，所述X轴、所述Y轴位于所述打标台面上；所述激光发生模组用于生成所述第一激光，所述Z轴调控透镜用于调整所述系统的聚焦距离，所述聚焦透镜组用于对所述第一激光进行聚焦，所述X轴反射镜片用于绕第一旋转轴旋转并调控所述第一激光照射在所述打标台面上的第一位置的X坐标值，所述Y轴反射镜片用于绕第二旋转轴旋转并调控所述第一激光照射在所述打标台面上的第一位置的Y坐标值；

所述X轴反射镜片的第一旋转轴与所述Y轴坐标相平行；所述第二旋转轴在所述打标台面上的投影与所述X轴坐标相平行；

所述Y轴反射镜片的第二旋转轴在X-Z面上；

所述第一激光经所述Z轴调控透镜、聚焦透镜组变焦后，再经所述X轴反射镜片及所述Y轴发射镜片发射后，聚焦至所述打标台面上；

所述方法包括：

获取待激光打标的第一图案信息；所述第一图案信息包括待打标的第一位置信息，所述第一位置信息包括横坐标值X以及纵坐标值Y；

根据所述横坐标值X，获取所述X轴反射镜片的第一翻转角Δθ_X；根据所述第一翻转角Δθ_X，控制所述X轴反射镜片翻转；所述Δθ_X满足：所述PK₁为第一投影点P与所述打标台面的坐标原点K₁的连线，所述第一投影点P为所述第一激光与所述X轴反射镜片的交点在由所述Y 轴反射镜形成的第一镜像点；

根据所述横坐标值X以及所述纵坐标值Y，获取所述Y轴反射镜片的第二翻转角Δθ_Y；根据所述第二翻转角Δθ_Y，控制所述Y轴反射镜片翻转；所述Δθ_Y满足：

根据所述横坐标值X、所述纵坐标值Y、所述第一翻转角Δθ_X以及所述第二翻转角Δθ_Y，求解与所述第一位置信息相匹配的第一光路长度L；所述第一光路长度满足：

启动所述激光发生模块产生所述第一激光，根据所述第一光路长度及所述第一光路长度与所述Z轴调控透镜的位置的预设对应关系，调整所述Z轴调控透镜的位置以使所述第一激光聚焦于所述打标台面；

其中，所述MN₂满足：

所述θ_X为所述X轴反射镜片的第一法线与所述X轴所成的第一夹角，所述θ_X满足：θ_X＝θ_{X_base}+Δθ_X；所述θ_{X_base}为当所述第一激光照射在所述打标台面的原点时的所述第一夹角的大小；所述θ_{Y_X}为所述Y轴反射镜片的所述第二旋转轴与所述X轴所成的第二夹角；所述AM为所述第一激光从所述激光发生模组的出光口到所述X轴反射镜片的距离；所述OM为交点O与所述X轴反射镜片的第一旋转轴点M的距离，所述第一旋转轴点M为所述出光口的轴向与所述 X轴反射镜片的交点；所述ON₁为所述交点O与所述Y轴反射镜片的第二旋转轴点N₁的距离；所述交点O为所述出光口轴向和Y-Z面交点，所述第二旋转轴点N₁为所述第二旋转轴与所述Z轴的交点。

可选的，所述方法还包括：

在实验状态下，变化所述Z轴调控透镜的移动位置，采集与所述移动位置相对应的聚焦距离；其中，所述聚焦距离为所述激光发生模组的出光口到所述第一激光的聚焦点之间的光路长度；

根据所述聚焦距离以及所述移动距离，预设所述光路长度与所述移动位置的预设关系。

可选的，所述方法还包括：

移开所述X轴反射镜片、所述Y轴反射镜片以使所述第一激光沿所述激光发生模组的轴向出射；

获取所述移动位置与所述聚焦距离的对应关系。

可选的，所述系统还包括直线模组；所述Z轴调控透镜安装于所述直线模组上，所述直线模组用于控制所述Z轴调控透镜直线运动，所述直线模组的轴向与所述打标台面的X轴相平行。

可选的，所述系统还包括用于控制所述X轴反射镜片翻转的第一电机、用于控制所述Y轴反射镜片翻转的第二电机；所述第一电机的驱动轴与所述X轴反射镜片的所述第一翻转轴同轴连接，所述第二电机的驱动轴与所述Y轴反射镜片的所述第二翻转轴同轴连接。

可选的，采集用户输入的待打标部件厚度值，对所述打标台面进行微调。

下面对本实施例中的相关公式进行推导说明。

图2为第一激光的光路图；第一激光光路从激光发生器的出光口A点沿其径向一直到X轴反射镜片的旋转轴点M处发生反射，并照射至Y轴反射镜片的旋转轴点N₂，再次反射而到达打标台面上的K₂点；其中，图2、图3中示出K₂点在X-Z面上的投影K₂′，并且T′为N₂K₂′与AM的交点，P点为M关于Y轴反射镜片的镜像点，旋转轴点M为定点，N₂为Y轴反射镜片的旋转轴线上的动点，N₂随X轴反射镜片的旋转而变化；由图2、图3可知：

X＝K₁K′₂＝tan(∠P)PK₁(1)

根据镜面反射原理可知：∠N₁MN₂＝∠P；由于镜片翻转1°,而入射光线与反射光线之间的夹角增加2°，故而∠N₁MN₂＝2Δθ_X；以上可得：

X＝tan(2Δθ_X)PK₁(2)

即：

由于第一激光照射至打标台面上的K2点，图2、图3中的K2’为K2点在 X-Z面上的投影，可知：

Y＝K₂K′₂(4)

由于镜片翻转1°,而入射光线与反射光线之间的夹角增加2°，并且第一激光在翻转Δθ_Y角度的Y轴反射镜片反射下，第一激光的入射光线与出射光线夹角为2Δθ_Y，且由几何关系可知：

由式(3)-(5)可得：

最后，对第一光路长度求解公式进行推导；

由图2、图3可知：

L＝AM+MN₂+N₂K₂(7)

其中，MN₂所在直线的函数过M点且斜率为tan(2θ_X)，M在X-Z平面上的坐标为：(-OM,OK₁)；即MN₂所在直线在X-Z平面上满足： z＝tan(2θ_X)(x+OM)+OK₁ (8)

第二旋转轴所在直线的函数过N₁点且斜率为-tanθ_{Y_X}；即第二旋转轴所在直线在X-Z平面上满足：z＝-tanθ_{Y_X}x+ON₁+OK₁(9)

联立(8)-(9)可得N₂在X-Z平面上的坐标为：

继而可得：

此外，由几何关系可知：

根据镜面反射原理可知：

MN₂＝PN₂(12)

由(11)-(13)可得：

综上可得：

此外，值得一提的是，根据横坐标值X、纵坐标值Y的正负可以确定Δθ_X、Δθ_Y的正负；典型的，X轴反射镜片从Y轴的正向观察时，顺时针旋转Δθ_X为正；典型的，Y轴反射镜片偏向Y轴正方向则Δθ_Y为正。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种三轴动态激光打标系统的控制方法，其特征在于，所述系统包括：激光发生模组、Z轴调控透镜、聚焦透镜组、X轴反射镜片、Y轴反射镜片、打标台面；所述系统的坐标系包括原点、X轴、Y轴、Z轴，所述原点为所述打标台面的中心，所述Z轴为所述打标台面的法向，所述X轴、所述Y轴位于所述打标台面上；所述激光发生模组用于生成所述第一激光，所述Z轴调控透镜用于调整所述系统的聚焦距离，所述聚焦透镜组用于对所述第一激光进行聚焦，所述X轴反射镜片用于绕第一旋转轴旋转并调控所述第一激光照射在所述打标台面上的第一位置的X坐标值，所述Y轴反射镜片用于绕第二旋转轴旋转并调控所述第一激光照射在所述打标台面上的第一位置的Y坐标值；所述X轴反射镜片的第一旋转轴与所述Y轴坐标相平行；所述第二旋转轴在所述打标台面上的投影与所述X轴坐标相平行；所述方法包括：

获取待激光打标的第一图案信息；所述第一图案信息包括待打标的第一位置信息，所述第一位置信息包括横坐标值X以及纵坐标值Y；

根据所述横坐标值X，获取所述X轴反射镜片的第一翻转角Δθ_X；根据所述第一翻转角Δθ_X，控制所述X轴反射镜片翻转；所述Δθ_X满足：所述PK₁为第一投影点P与所述打标台面的坐标原点K₁的连线，所述第一投影点P为所述第一激光与所述X轴反射镜片的交点在由所述Y轴反射镜形成的第一镜像点；

根据所述横坐标值X以及所述纵坐标值Y，获取所述Y轴反射镜片的第二翻转角Δθ_Y；根据所述第二翻转角Δθ_Y，控制所述Y轴反射镜片翻转；所述Δθ_Y满足：

根据所述横坐标值X、所述纵坐标值Y、所述第一翻转角Δθ_X以及所述第二翻转角Δθ_Y，求解与所述第一位置信息相匹配的第一光路长度L；所述第一光路长度满足：

启动所述激光发生模块产生所述第一激光，根据所述第一光路长度及所述第一光路长度与所述Z轴调控透镜的位置的预设对应关系，调整所述Z轴调控透镜的位置以使所述第一激光聚焦于所述打标台面；

其中，所述MN₂满足：

所述θ_X为所述X轴反射镜片的第一法线与所述X轴所成的第一夹角，所述θ_X满足：θ_X＝θ_{X_base}+Δθ_X；所述θ_{X_base}为当所述第一激光照射在所述打标台面的原点时的所述第一夹角的大小；所述θ_{Y_X}为所述Y轴反射镜片的所述第二旋转轴与所述X轴所成的第二夹角；所述AM为所述第一激光从所述激光发生模组的出光口到所述X轴反射镜片的距离；所述OM为交点O与所述X轴反射镜片的第一旋转轴点M的距离，所述第一旋转轴点M为所述出光口的轴向与所述X轴反射镜片的交点；所述ON₁为所述交点O与所述Y轴反射镜片的第二旋转轴点N₁的距离；所述交点O为所述出光口轴向和Y-Z面交点，所述第二旋转轴点N₁为所述第二旋转轴与所述Z轴的交点。

2.如权利要求1所述的一种三轴动态打标系统的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

在实验状态下，变化所述Z轴调控透镜的移动位置，采集与所述移动位置相对应的聚焦距离；其中，所述聚焦距离为所述激光发生模组的出光口到所述第一激光的聚焦点之间的光路长度；

根据所述聚焦距离以及所述移动距离，预设所述光路长度与所述移动位置的预设关系。

3.如权利要求2所述的一种三轴动态打标系统的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

移开所述X轴反射镜片、所述Y轴反射镜片以使所述第一激光沿所述激光发生模组的轴向出射；

获取所述移动位置与所述聚焦距离的对应关系。

4.如权利要求1所述的一种三轴动态打标系统的控制方法，其特征在于，所述系统还包括直线模组；所述Z轴调控透镜安装于所述直线模组上，所述直线模组用于控制所述Z轴调控透镜直线运动，所述直线模组的轴向与所述打标台面的X轴相平行。

5.如权利要求1所述的一种三轴动态打标系统的控制方法，其特征在于，所述系统还包括用于控制所述X轴反射镜片翻转的第一电机、用于控制所述Y轴反射镜片翻转的第二电机；所述第一电机的驱动轴与所述X轴反射镜片的所述第一翻转轴同轴连接，所述第二电机的驱动轴与所述Y轴反射镜片的所述第二翻转轴同轴连接。

6.如权利要求1所述的一种三轴动态打标系统的控制方法，其特征在于，采集用户输入的待打标部件厚度值，对所述打标台面进行微调。