CN111958120B - 平面校准装置及其激光打标机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及平面校准装置及其激光打标机，其包括可固定于待校准平面的固定端，与固定端连接的检测部，其具有一检测平面，该检测平面上设置有预定图案排布的光波探测器阵列，以及一字型激光设置在检测平面或与检测平面平行的平面上，并结合反射光路将出射激光反射至检测平面，进而获取反射至检测平面的激光与预定图案形成的图像，并在显示屏上显示。该校准光路的设置避免了激光束直射人眼造成的损伤，且通过该光路能够使待检测平面的偏转角度放大，大大提升了两端面平行的校准精度和校准效率。具有该校准装置的激光打标机其结构简单、安装方便、操作性、普适性强，解决了打印图案畸变的问题，确保了打标效率和良率，具有较强的工业应用优势。

Description

平面校准装置及其激光打标机

技术领域

本发明涉及激光装备技术领域，具体涉及平面校准装置及其激光打标机。

背景技术

自从激光出现以来，激光加工技术就成为了材料加工领域的“新宠”。激光打标、切割、焊接、熔覆、淬火、强化、精密成型等典型的激光加工技术在各种金属与非金属材料加工中的应用非常广泛。激光打标技术是一种最典型的激光加工手段，激光打标是利用聚焦后的高能激光光束辐射待处理工件表面，工件材料迅速吸收光能在瞬间熔融甚至汽化，从而在工件表面留下相应的图案和标记。激光打标是一种现代化的精密加工技术，与传统标刻工艺相比具有标记精度高、速度快、生产高效等无与伦比的优势。

激光打标机一般由激光器、扩束准直及聚焦光路、扫描振镜、F-Theta场镜、升降工作平台、计算机工控系统等构成。通用结构中，激光器一般置于升降平台的一侧，在激光器自身的重量的作用下，升降平台会产生应力形变，如图1示，一段时间后与扫描振镜相连的场镜002端面与工件打标端面003不再保持相对平行，会出现一定的偏差，使得打标的图案004与正常打标图案005相比产生一定程度的畸变，严重影响最终的打标效果。常见的解决方案是设备的操作人员凭借肉眼或水平尺感官地去调节场镜输出端面使其与工件的打标端面保持相对平行，然后打标一定的图案或符号加以验证其是否产生畸变并进行反复的调节直到打标效果最佳。但这种原始的两端面平行校准方法较为粗糙，且反复调试过程费时费力，对于极小范围的打标图案内容可能影响不会很大，但对于全场镜大范围的打标，这种两端面不平行造成的畸变误差就不能被忽视。所以需要寻找一种简单高效的两端面平行校准方法，最大限度确保打标图案不失真，提升打标产品的良率，提高设备操作人员的工作效率。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种平面校准装置及其激光打标机。基于该目的，本发明至少提供如下技术方案：

平面校准装置，其包括：可固定于待校准平面的固定端；以及检测部，与所述固定端连接，具有一检测平面，该检测平面上设置有预定图案排布的光波探测器阵列；

激光出射部，用于出射至少两种波长的一字型激光，设置于所述检测平面或与所述检测平面平行的平面上，所述一字型激光形成的图案与所述预定图案在投影面上重合；

光反射部，设置于与所述待校准平面相对的水平面上，用于反射所述检测激光至所述检测部；

图像获取部，用于获取所述检测部的图像；

显示部，用于显示所述图像。

进一步的，所述预定图案为十字交叉型图案。

进一步的，所述激光出射部包含至少两个不同波长的一字型激光出射单元，所述激光出射部设置于所述检测平面上，所述一字型激光出射单元沿所述十字交叉型图案的分支排布。

进一步的，所述激光出射部包含至少两个不同波长的一字型激光出射单元，所述一字型激光出射单元设置于靠近所述检测平面的激光出射平面上，且所述激光出射平面平行于所述检测平面，在所述激光出射平面与所述检测平面的投影面上，所述一字型激光出射单元沿所述十字交叉型图案的分支排布。

进一步的，所述一字型激光出射单元出射的激光波长与其对应分支的光波探测器的探测波长相匹配。

进一步的，所述固定端固定于所述待校准平面之后，所述检测平面平行于所述待校准平面。

进一步的，所述光反射部为一平面反射镜。

进一步的，还包括一处理模块，该处理模块与所述图像获取部、检测部及激光出射部连接，以将图像获取部获得的图像在所述显示部上显示。

激光打标机，其包括：场镜；前述的平面校准装置，所述固定端包含一限位单元，该限位单元固定于所述场镜。

进一步的，所述限位单元为圆柱型限位壳单元，所述圆柱型限位壳单元的直径略大于所述场镜，所述圆柱型限位壳套设于所述场镜端面，通过胶头限位螺丝固定。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

本发明的平面校准装置利用一字型激光出射的特点，将一字型激光设置在检测平面或与检测平面平行的平面上，检测平面上设置有预定图案排布的光波探测器阵列，并结合反射光路将出射激光反射至检测平面，进而获取反射至检测平面的激光与预定图案形成的图像，并在显示屏上显示。该校准光路的设置避免了激光束直射人眼造成的损伤，且通过该光路能够使得待检测平面的偏转角度得以放大，大大提升了两端面平行的校准精度和校准效率。该校准装置具有结构简单、安装方便、操作性和普适性强等优点，具有较强的工业应用优势。本发明具有该平面校准装置的激光打标机解决了激光打标机场镜输出端面与打标工件端面不平行造成的图案或内容畸变的问题，提高了打标效率的同时保证了打标产品的良率。

附图说明

图1为现有激光打标机由于两端面不平行导致打标图案畸变的示意图。

图2为本发明实施例中安装有平面校准装置的激光打标机示意图。

图3为本发明实施例中检测部和固定端的局部细节示意图。

图4为本发明实施例中MCU控制元件连接示意图。

图5为本发明实施例中平面校准过程的激光线条变化示意图。

具体实施方式

接下来将结合本发明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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。

下面来对本发明做进一步详细的说明。本发明提供一种平面校准装置，特别是该平面校准装置适用的激光打标机，其解决了激光打标机场镜输出端面与打标工件端面不平行造成的图案或内容畸变的问题，提高了打标效率的同时保证了打标产品的良率。该平面校准装置包括固定端、检测部、激光出射部、光反射部、图像获取部和显示部。固定端用于将检测部固定于待校准平面。在一具体实施方式中，待校准平面是激光打标机的场镜端面。固定端为圆柱型限位壳单元006，圆柱形限位壳单元006与场镜002外壳同轴且比场镜002外壳略大，该限位壳壁上设置有4个呈几何对称分布的胶头限位螺丝007，用于固定于激光打标机001的场镜002端面，安装时同步对称顺时针方向旋紧胶头限位螺丝007，使得整体结构稳固无晃动即可，如图2-3所示。

检测部与固定端连接，该检测部具有一检测平面，检测平面上设置有预定图案排布的光波探测器。在一具体实施方式中，该检测部包含一与圆柱型限位壳一体设置的中空立方体壳单元008，如图2所示，该中空立方体壳单元008的上表面平整光滑。中空立方体壳单元008卡设于场镜002的端面时，场镜002的出射端面与中空立方体壳单元008平整光滑的上表面接触，确保检测平面与场镜002的出射端面的相对平行位置关系。该实施方式中，中空立方体壳单元008中设置有两种不同光波长感应范围的贴片式光波传感器，为说明方便，本实施方式分别选用典型出射波长为632nm的红激光贴片式传感器和出射波长为520nm的绿激光贴片式传感器。优选地，光波传感器的预定排布图案呈十字交叉型。

激光出射部出射至少两种波长的一字型激光，该激光出射部设置于与贴片式传感器相同的检测平面上；或者设置于与贴片式传感器所在的检测平面平行的平面上，激光出射部所在的平面靠近检测平面。在一具体实施方式中，激光出射部包含两个一字型激光出射单元，即红色激光一字型出射单元803和绿色激光一字型出射单元804，分别发射红色激光和绿色激光。两个一字型激光出射单元设置于光波传感器所在的平面上，具体的，如图3所示，在中空立方体壳单元内部，光波传感器的十字交叉型排布图案的分支上分别设置有一个一字型激光出射单元，感光波长范围为610～670nm的红激光贴片式光波传感器801的光波长感应范围与其对应分支的红色激光一字型出射单元803的激光波长出射范围匹配，感光波长范围为515～550nm的绿色激光贴片式光波传感器802的光波长感应范围与其对应分支的绿色激光一字型出射单元804的激光波长出射范围匹配。同一波长匹配下的贴片式光波传感器及一字形激光出射单元同轴等间距分布。在一具体实施方式中，激光出射部设置于中空立方体壳单元的外部，靠近且与中空立方体壳单元的表面平行的平面上。分别选用两种不同波长的光出射单元及两种光感光单元的目的是为了保证系统的检测精度，防止一种光出射单元及光感光单元条件下检测互相干扰的问题，实际应用中可自由选择其他光波段的光出射单元及光感光单元，保证光波传感器的光波长感应范围与一字形激光出射单元的激光波长出射范围分别匹配即可。如图3所示，本实施例中，x轴方向为Pitch(俯仰轴)方向，在中空立方体壳单元008的下表面上，沿该x轴方向同轴等间距(本实施例采用5mm)表层嵌入式安装红色激光贴片式传感器801若干，传感器之间的距离选用5mm，传感器的数量视中空立方体壳单元008横截面大小而定，同轴线适当位置安装有红色激光一字型出射单元803，y轴方向为Roll(滚转轴)方向，该方向同轴等间距表层嵌入式安装绿色激光贴片式传感器802若干，传感器之间的距离选用5mm，传感器的数量视中空立方体壳单元008横截面大小而定，同轴线适当位置安装有红色激光一字形出射单元804，两种波长匹配下的贴片式光波传感器与一字形激光出射单元整体呈十字垂直分布。

光反射部设置于与待校准平面相对的水平面上，用于反射检测激光至检测部。在一具体实施方式中，光反射部是表面光滑平整的平面反射镜009，以保证反射的红色激光一字型出射单元803及绿色激光一字型出射单元804出射的一字型激光束直线特性不失真。平面反射镜009放置于激光打标机的工件打标端面003上，用于将红色激光一字型出射单元803和绿色激光一字型出射单元804出射的激光图像反射至中空立方体壳单元008处。平面反射镜009的平面大小与中空立方体壳单元008相当，使用时将其平整置于激光打标机的打标端面003上即可。

图像获取部，用于获取检测部的图像。在一具体实施方式中，图像获取部选用CMOS摄像头010，使用时，CMOS摄像头010通过吸盘吸附于平面反射镜009上，防止工作时滑动造成图像失真进而影响操作员判断。显示部选用显示115，用于将图像获取部获得的图像在显示屏上显示，避免激光束直射人眼造成损伤，方便操作人员的操作。

图像获取部、检测部及激光出射部与处理模块连接，以将图像获取部获得的图像在显示部上显示。该具体实施方式中，处理模块的核心结构选用MCU处理单元111，如图4所示，还包括系统电源开关112、Pitch/Roll指示灯113、电源及变压模块114和Pitch/Roll蜂鸣器116。MCU处理单元111和CMOS摄像头010、红色激光贴片式传感器801、绿色激光贴片式传感器802、红色激光一字型出射单元803、绿色激光一字型出射单元804连接。该处理模块呈中空的盒状结构，显示屏115镶嵌在该盒状结构的上表面，可实时显示经光反射部反射至检测平面的激光与光波探测器的相对位置图案。盒状结构的侧面分布有系统电源开关、pitch(俯仰轴即图示x轴)指示灯、roll(滚转轴即图示y轴)指示灯、蜂鸣器等器件，电源及变压模块、MCU处理单元设置在盒装结构内部，实时接收每个贴片式传感器的感光状态信号及CMOS摄像头单元的视频信号并将其传输至显示屏上，实时根据电路信号的反馈进行逻辑判断，当反射的激光束与贴片传感器组的轴线重叠，MCU即驱动Pitch/Roll单元指示灯亮起，同时驱动蜂鸣器发声，提示两端面平行校准过程已完成。

下边将结合附图对本发明平面校准装置的操作方式作进一步的说明。

步骤1：如图2示，将激光器主体通过升降平台调整至Z轴最高位置，其目的是为了最大限度放大红色激光一字型出射单元803和绿色激光一字型出射单元804出射至光反射部的激光图案，进而使得光反射部反射至检测平面的激光图案与检测平面的传感器的相对位置偏差加大，从而经该校准装置校准后使场镜端面与工件打标端面之间的校准精度实现最大化。

步骤2：将激光打标机的场镜插设于圆柱型限位壳单元内，确保场镜002的输出端面紧贴中空立方体壳单元008的上表面，使得场镜002的出射端面与中空立方体壳单元008的下表面平行，即场镜的出射端面平行于检测平面。同步对称顺时针方向旋紧4颗胶头限位螺丝007，至整体结构稳固无晃动即可，将平面反射镜009置于工件打标端面003上，在中空立方体壳单元008的正下方，通过吸盘将CMOS摄像头010平稳地吸附于平面反射镜009上，校准装置完成安装。

步骤3：打开MCU 011处理模块上的系统电源开关112，整个系统开始工作，红色激光一字型出射单元803及绿色激光一字型出射单元804同时出射两束一字型激光束形成激光图案，经平面反射镜009反射后，反射至检测平面的激光图案与检测平面的传感器阵列的相对位置关系经CMOS摄像头获取后由显示屏115实时显示。由于场镜的固定方式，其可能沿x轴和y轴的方向发生偏转，使得激光图案与传感器阵列的相对位置关系存在如图5所示的四个区域，本实施例中假设校准前两反射光线的交汇位置如图5所示。

步骤4：如图5所示，为说明方便，图中的x方向为红色激光贴片式传感器阵列轴线，y方向为绿色激光贴片式传感器阵列轴线。先试探性调节场镜输出端面的Pitch(俯仰轴)方向，注意观察反射一字红色激光15的光线沿y轴的走向规律，随后根据光线走向规律，目的性调节场镜输出端面的位置，直到观察到反射一字红色激光15与红色激光贴片式传感器阵列轴线13重叠，此时MCU 111即根据电路信号进行逻辑判定Pitch方向已校准完成，同时驱动Pitch指示灯亮起，Pitch蜂鸣器发声，以提示操作者Pitch(俯仰轴)方向校准完成。同理，进行Roll(滚转轴)方向校准，试探性调节场镜输出端面的Roll(滚转轴)方向，注意观察反射一字绿色激光14的光线沿x轴的走向规律，随后根据光线走向规律，目的性调节场镜输出端面的滚转姿态，直到观察反射一字绿色激光14与绿激光贴片式传感器阵列轴线12重叠，此时MCU 111即根据电路信号进行逻辑判定Roll方向已校准完成，同时驱动Roll指示灯亮起，Roll蜂鸣器发声，以提示操作者Roll(俯仰轴)方向校准完成，至此，002场镜端面与003工件打标端面相对平行校准过程已完成。

本发明实施例提供的基于激光打标机的平面校准装置解决了由于激光打标机的场镜输出端面与打标工件端面不平行造成的打标后的图案或内容畸变的问题，大大提升了两端面平行的校准精度，提高设备操作人员工作效率的同时也保证了打标产品的良率。该校准装置具有安装操作简洁、校准精度高、普适性强等优点，具有较强的工业应用优势。

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，其他的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.平面校准装置，适用于激光打标机上待校准平面的校准，所述待校准平面是场镜的端面，其特征在于，包括：用于固定于待校准平面的固定端，所述固定端为圆柱型限位壳单元，所述圆柱型限位壳单元的直径略大于所述场镜；

与所述固定端连接的检测部，该检测部具有一检测平面，该检测平面上设置有沿第一十字交叉型图案排布的光波探测器阵列，所述圆柱型限位壳单元套设于所述场镜端面时，所述检测平面平行于所述场镜端面；

设置于所述检测平面上或与所述检测平面平行的平面上的激光出射部，包含出射不同波长的第一一字型激光出射单元和第二一字型激光出射单元，所述第一一字型激光出射单元和所述第二一字型激光出射单元分别沿所述第一十字交叉型图案的分支排布，

所述第一一字型激光出射单元与所述第二一字型激光出射单元出射的一字型激光形成第二十字交叉图案，所述第一十字交叉型图案与所述第二十字交叉图案在投影面上重合；

光反射部，设置于与所述待校准平面相对的水平面上，用于反射所述第二十字交叉图案至所述检测部；

图像获取部，设置于所述光反射部的表面，用于获取所述检测平面处的图像；

显示部，用于显示所述图像。

2.根据权利要求1的所述平面校准装置，其特征在于，所述一字型激光出射单元出射的激光波长与其对应分支的光波探测器的探测波长相匹配。

3.根据权利要求2的所述平面校准装置，其特征在于，所述圆柱型限位壳单元与所述场镜端面之间通过胶头限位螺丝固定。

4.根据权利要求1-3之一的所述平面校准装置，其特征在于，所述光反射部为一平面反射镜。

5.根据权利要求1-3之一的所述平面校准装置，其特征在于，还包括一处理模块，该处理模块与所述图像获取部、检测部及激光出射部连接，以将图像获取部获得的图像在所述显示部上显示。

6.激光打标机，其包括：如权利要求1至5任一项的所述平面校准装置。

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