CN101138926A - 一种仿形激光雕刻加工方法及其激光雕刻机 - Google Patents

Abstract

一种仿形激光雕刻加工方法，属于激光雕刻加工领域，该方法利用CCD激光位移传感器来探测激光头与被加工件之间的距离，生成被雕刻材料三维地形图，通过PID控制算法来控制激光头的位置，确保激光的焦点落在被加工件的表面，实现对异型材料进行激光切割和雕刻。以及一种激光雕刻机，包括机架、激光头、与激光头连接的X轴、Y轴飞行机构、与工件表面垂直的Z轴驱动机构、CCD激光位移传感器以及用于控制仿形雕刻的上位控制器。本发明提供一种能够实现动态调焦、在雕刻过程中实时调焦、实现异型平面雕刻的仿形激光雕刻加工方法及其激光雕刻机。

Description

一种仿形激光雕刻加工方法及其激光雕刻机

(一)技术领域

本发明涉及激光雕刻领域，尤其是一种激光雕刻加工方法及其激光雕刻机。

(二)背景技术

由于工件的表面可能不是完全平整的，在加工过程中，如果工件表面不平整度超出激光的焦深(激光会聚点的长度)会影响激光加工的效果，为了解决这个问题，就必须适时地调整焦距，使激光的焦点落在被加工件的表面，调整激光的焦距需要适时地获得当前的激光头与被加工件之间的距离。目前的激光雕刻机一般只能实现对平面材料的雕刻，或通过辅助的旋转雕刻装置实现对圆筒的雕刻，部分激光设备也有通过传感器技术实现自动检测调焦。

如专利号为CN00205163.X，专利名称为一种激光雕刻机的自动对焦构造的中国实用新型专利，在激光雕刻机的笔车座上垂直设立一电子式探针，该电子探针设计为顶部具有凸缘的适当长度的圆管，圆管上、下段各设有一凹环，供笔车座上的定位柱卡挚定位，而圆管端面的圆心处设有开孔，供内部二段式的电子感测棒突伸于外，藉由Z轴带动的平台电动上升，使加工物件表面接触到探针，并依软件所存储的镜片焦距，计算后下降至聚焦面即完成自动对焦，且电子探针在工作时可向上收合，不致触碰到工作物。

再如专利申请号为CN200510053684.2，专利名称为一种激光雕刻机加工方法，包括在PC上预先设定包括自动对焦的功能的参数，使得激光雕刻机根据所接受的参数选择执行自动对焦功能，以真正自动化对焦。该方法可进一步延伸为所设定的参数包括在不同工作对象所产生多种不同平面上去自动对焦的功能的参数，使得激光雕刻机根据所接受的参数，遇到不同的平面时，仍可以依照先前设定的参数来自动对焦，以节省工作程序，让操作者更便于操作。

上述方案能够实现对板材焦距要求较高的板材切割，但是只能进行静态调焦，在雕刻过程不能实时调焦，不能实现用于对异型材料表面的雕刻。

(三)发明内容

为了克服已有的激光雕刻只能进行静态调焦，在雕刻过程不能实时调焦、不适用于异型材料的不足，本发明提供一种能够实现动态调焦、在雕刻过程中实时调焦、实现异型平面雕刻的仿形激光雕刻加工方法及其激光雕刻机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种仿形激光雕刻加工方法，包括以下步骤：

(1)、将待加工的工件放置在激光雕刻机上；

(2)、控制激光雕刻机的CCD激光位移传感器探测激光头与工件之间的距离，获取测焦数据，并发送到激光雕刻机专用系统；

(3)、激光雕刻机专用系统获取整个工件的测焦数据后，将数据发送给计算机；

(4)、计算机依据所述数据生成工件的三维地形图，并在确保激光的焦点落在工件表面的条件下，依照加工的工序点计算各个行程的激光头的位置，并生成X轴、Y轴飞行机构的驱动电机、Z轴传动机构的控制电机的控制信号；

(5)、启动激光雕刻机专用系统，依照加工的工序点顺序，计算机将控制信号发送到X轴、Y轴飞行机构的驱动电机、Z轴传动机构的控制电机，加工工件。

作为优选的一种方案：在所述的(2)中，选择加工模式，如选择平面加工，直接探测激光头与工件之间的距离；如选择旋转加工，启动旋转雕刻机构，带动激光头旋转，探测激光头与工件之间的距离，在所述(5)中，启动激光雕刻机专用系统时，同时启动旋转雕刻机构。

一种实现所述的仿形激光雕刻加工方法的激光雕刻机，包括机架、激光头、与激光头连接的X轴、Y轴飞行机构以及用于控制仿形雕刻的上位控制器，所述的X轴、Y轴飞行机构安装在机架上，所述的上位控制器包括用于控制X轴、Y轴飞行机构的行程并设定激光头的轨迹的雕刻加工模块，所述雕刻加工模块连接X轴、Y轴飞行机构，所述的激光雕刻机还包括与工件表面垂直的Z轴驱动机构、CCD激光位移传感器，所述的Z轴驱动机构包括Z轴传动机构、控制电机，所述的Z轴传动机构连接激光头，所述的Z轴传动机构与CCD激光位移传感器固定连接；所述的上位控制器还包括：用于依据CCD激光位移传感器探测激光头与工件之间的距离，并生成工件表面的三维地形图的扫描测焦模块；用于依据三维地形图，并满足激光头的焦点位于工件的表面，依照加工的工序点计算各个行程的激光头的位置，在各个工序点向控制电机发出控制指令的仿形雕刻控制模块；所述的CCD激光位移传感器连接扫描测焦模块，所述的扫描测焦模块连接雕刻加工模块、仿形雕刻控制模块，所述的仿形雕刻控制模块连接控制电机。

进一步，所述的激光雕刻机还包括旋转雕刻机构，所述的激光头安装在所述旋转雕刻机构上。

更进一步，所述的控制电机为步进电机或伺服电机。

本发明的技术构思为：采用一个“CCD激光位移传感器”来探测激光头与被加工件之间的距离，生成被雕刻材料三维地形图，通过PID控制算法来控制激光头的位置，确保激光的焦点落在被加工件的表面，从而实现对异型材料进行激光切割和雕刻，可以实现异型平面雕刻，也可以利用辅助的旋转雕刻装置实现对异型圆筒的雕刻。

本发明的有益效果主要表现在：1、采用Z轴驱动机构调节激光头与工件之间的距离，能够实现动态调焦，在雕刻过程中实时调焦；2、实现了异型平面雕刻。

(四)附图说明

图1是激光雕刻机的结构示意图。

图2是X轴飞行机构的结构图。

图3是Y轴飞行机构的结构图。

图4是激光头的结构图。

图5是Z轴驱动机构的结构图。

图6是CCD激光位移传感器的结构图。

图7是CCD激光位移传感器的原理示意图。

图8是上位控制器的原理框图。

图9是激光雕刻机的流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图9，一种仿形激光雕刻加工方法，包括以下步骤：

(1)、将待加工的工件放置在激光雕刻机上；

(2)、控制激光雕刻机的CCD激光位移传感器探测激光头与工件之间的距离，获取测焦数据，并发送到激光雕刻机专用系统；

(3)、激光雕刻机专用系统获取整个工件的测焦数据后，将数据发送给计算机；

(4)、计算机依据所述数据生成工件的三维地形图，并在确保激光的焦点落在工件表面的条件下，依照加工的工序点计算各个行程的激光头的位置，并生成X轴、Y轴飞行机构的驱动电机、Z轴传动机构的控制电机的控制信号；

(5)、启动激光雕刻机专用系统，依照加工的工序点顺序，计算机将控制信号发送到X轴、Y轴飞行机构的驱动电机、Z轴传动机构的控制电机，加工工件。

在所述的(2)中，选择加工模式，如选择平面加工，直接探测激光头与工件之间的距离；如选择旋转加工，启动旋转雕刻机构，带动激光头旋转，探测激光头与工件之间的距离，在所述(5)中，启动激光雕刻机专用系统时，同时启动旋转雕刻机构。

实施例2

参照图1～图9，一种激光雕刻机，包括机架1、激光头2、与激光头2连接的X轴、Y轴飞行机构3、4以及用于控制仿形雕刻的上位控制器5，所述的X轴、Y轴飞行机构3、4安装在机架1上，所述的上位控制器5包括用于控制X轴、Y轴飞行机构的行程并设定激光头的轨迹的雕刻加工模块6，所述雕刻加工模块6连接X轴、Y轴飞行机构3、4，所述的激光雕刻机还包括与工件表面垂直的Z轴驱动机构、CCD激光位移传感器7，所述的Z轴驱动机构包括Z轴传动机构8、控制电机9，所述的Z轴传动机构8连接激光头2，所述的Z轴传动机构8与CCD激光位移传感器7固定连接；所述的上位控制器5还包括：用于依据CCD激光位移传感器探测激光头与工件之间的距离，并生成工件表面的三维地形图的扫描测焦模块10；用于依据三维地形图，并满足激光头的焦点位于工件的表面，依照加工的工序点计算各个行程的激光头的位置，在各个工序点向控制电机发出控制指令的仿形雕刻控制模块11；所述的CCD激光位移传感器7连接扫描测焦模块10，所述的扫描测焦模块10连接雕刻加工模块6、仿形雕刻控制模块11，所述的仿形雕刻控制模块11连接控制电机9。

所述的激光雕刻机还包括旋转雕刻机构12，所述的激光头2安装在所述旋转雕刻机构12上。所述的控制电机9为步进电机或伺服电机。

本实施例为一台由X、Y飞行光路和可自动调焦Z轴装置组成的三轴激光雕刻切割机，所述的X、Y飞行机构3、4以及Z轴传动机构均连接控制电机。激光雕刻切割机的Z轴装置包括控制电机、Z轴传动机构，在Z轴传动机构上安装有CCD激光位移传感器组件、激光聚焦头组件、激光反射镜组件。所述的CCD激光位移传感器组件中的CCD传感器通过对图中激光器发射的激光在物体表面的反射成像判断物体的距离(位置)，并将数据通过接口电路反馈给上位控制器。所述的控制电机接受上位控制器的指令，通过传动机构带动激光聚焦头组件运动，实时调整激光焦距。所述的被雕刻物可以是不规则的平面物体或筒型物体。所述的筒型物体可以通过辅助的旋转雕刻装置进行装卡。

本实施例为竹材雕刻机，其具体操作如下：

第一步、放置好待加工工件：打开机器电源，将待加工竹材工件放置好。

第二步、选择加工模式：因该系统具有平面加工工件功能，也具旋转加工工件功能，用户在进行操作前，先需要根据具体需要加工的工件，设置好合适的加工模式。设置方式如下：

(1)通过软件设置：

在PC软件上“控制面板”中有一个“加工模式”设置窗口，可以设置相应的加工模式。

(2)通过控制系统上面的控制面板设置：

在控制面板上按“设置”按钮，进入到“系统设置”窗口，在这个窗口中，选择“加工模式”菜单，再按“确定”键进行参数设置，设置完毕后，按确定按钮。

第三步：测量焦距参数设置

打开PC软件(专用的竹材雕刻机软件)，在菜单窗口中，选择“设置-＞扫描参数设置”，设置好里面的参数。

打开后显示窗口如下：

X轴扫描精度：用于设置X轴方向间隔多少毫米测量一点；

Y轴扫描精度：用于设置Y轴方向间隔多少毫米测量一点；

扫描速度：用于设置测焦的运行速度；

开启扫描：用于设置在加工工件前，是否需要进行测量焦距，选中状态，表示需要测量；

激光头与焦点距离：因位移传感器与激光头的位置存在一定的偏差，所以参数用于修正这个偏差值。

测试次数：用于设置任意一组数据进行多次测量，以获得更加精确的数据。

第四步：进行测量焦距。

以上参数都设置完毕后，在PC机上，编辑好待加工的文件图形，，然后按“全部运行”按钮，竹材雕刻机专用系统根据设置的扫描精度，进行扫描测量，生成三维地形图。

整个加工图形都测量完毕后，PC机将测量得到的数据，发送给PC机软件，PC机软件得到数据以后，进行相应的数据，处理完毕后，将整个加工文件数据传送给竹材雕刻机专用系统。

第五步：加工工件

竹材雕刻专用系统接收完加工文件数据后，根据当前的启动模式，如果处理自动模式下，将自动进行加工工件，如果处于手动启动模式下，则需要手动启动后，才开始加工工件。

Claims (5)

1.一种仿形激光雕刻加工方法，包括以下步骤：

(1)、将待加工的工件放置在激光雕刻机上；

(2)、控制激光雕刻机的CCD激光位移传感器探测激光头与工件之间的距离，获取测焦数据，并发送到激光雕刻机专用系统；

(3)、激光雕刻机专用系统获取整个工件的测焦数据后，将数据发送给计算机；

(4)、计算机依据所述数据生成工件的三维地形图，并在确保激光的焦点落在工件表面的条件下，依照加工的工序点计算各个行程的激光头的位置，并生成X轴、Y轴飞行机构的驱动电机、Z轴传动机构的控制电机的控制信号；

(5)、启动激光雕刻机专用系统，依照加工的工序点顺序，计算机将控制信号发送到X轴、Y轴飞行机构的驱动电机、Z轴传动机构的控制电机，加工工件。

2.如权利要求1所述的一种仿形激光雕刻加工方法，其特征在于：在所述的(2)中，选择加工模式，如选择平面加工，直接探测激光头与工件之间的距离；如选择旋转加工，启动旋转雕刻机构，带动激光头旋转，探测激光头与工件之间的距离，在所述(5)中，启动激光雕刻机专用系统时，同时启动旋转雕刻机构。

3.一种用于实现如权利要求所述的仿形激光雕刻加工方法的激光雕刻机，包括机架、激光头、与激光头连接的X轴、Y轴飞行机构以及用于驱动激光头动作的上位控制器，所述的X轴、Y轴飞行机构安装在机架上，所述的上位控制器包括用于控制X轴、Y轴飞行机构的行程并设定激光头的轨迹的雕刻加工模块，所述雕刻加工模块连接X轴、Y轴飞行机构，其特征在于：

所述的激光雕刻机还包括与工件表面垂直的Z轴驱动机构、CCD激光位移传感器，所述的Z轴驱动机构包括Z轴传动机构、控制电机，所述的Z轴传动机构连接激光头，所述的Z轴传动机构与CCD激光位移传感器固定连接；

所述的上位控制器还包括：

用于依据CCD激光位移传感器探测激光头与工件之间的距离，并生成工件表面的三维地形图的扫描测焦模块；

用于依据三维地形图，并满足激光头的焦点位于工件的表面，依照加工的工序点计算各个行程的激光头的位置，在各个工序点向控制电机发出控制指令的仿形雕刻控制模块；

所述的CCD激光位移传感器连接扫描测焦模块，所述的扫描测焦模块连接雕刻加工模块、仿形雕刻控制模块，所述的仿形雕刻控制模块连接控制电机。

4.如权利要求3所述的激光雕刻机，其特征在于：所述的激光雕刻机还包括旋转雕刻机构，所述的激光头安装在所述旋转雕刻机构上。

5.如权利要求3或4所述的激光雕刻机，其特征在于：所述的控制电机为步进电机或伺服电机。

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