一种基于可控距离指示的打标方法及3D激光打标机与流程

本发明涉及激光打标领域，具体涉及一种对物体三维表面进行激光打标的可控距离指示的打标方法以及应用该方法的3D激光打标机。

背景技术：
激光打标机(lasermarkingmachine)是利用激光束在物质表面打上永久标记的技术。该技术通过激光器产生激光束，经过一系列光学传导与处理，最终通过光学镜片进行光束聚焦，然后将聚焦后的高能量光束偏转到待加工物体表面的指定位置。激光打标机可以标记出各种文字、符号和图案，市场应用前景广阔。传统的激光打标机仅在二维平面上进行打标。在打标时，由于激光束非可见，为了判断打标对象是否位于激光打标区域(定位)及焦点上(定焦)，一般是用尺子测量打标平面与场镜之间的距离，或者在检测板上预先打标以判断是否在焦点上，这些传统操作方法需要多次测量，效率非常低。作为一种改进，现有的二维激光打标机增加了红光指示器进行定位和定焦。利用红光代替不可见的激光，起到打标位置的预览和定焦作用。具体可参见专利文献CN201446774U公开的一种打标机的自动对焦装置。该方案是在扫描装置的两侧分别设置有十字红光发射器，两边的十字红光发射器所发出的十字红光的交叉点与激光的焦点重合。在使用时，调整使得待打标物体上出现一个红光交叉点，即可保证打标物体位于激光的焦点上。由于二维激光打标机的焦距是不变的，因此这种方法用于常规的二维平面激光打标机上可极大提高工作效率。随着技术的发展，能在三维表面上打标的3D激光打标成为行业内热门的研发点。与传统2D激光打标相比，3D激光打标机采用动态聚焦座，通过软件控制和移动动态聚焦镜，在激光被聚焦前进行可变扩束，以此改变激光束的焦距来实现对高低不同物体的准确表面聚焦加工。因此3D打标对加工对象的表面平整度要求大幅度降低，可以在非平面上进行激光打标。但是，3D激光打标机的定位和定焦成为新的问题，由于3D激光打标机的焦距是变化的，因此现有的二维激光打标机的对焦系统已经无法满足要求。在3D激光打标过程中，先对打标物体的打标区域进行空间建模并存储在软件系统中，该空间建模上可设定任意一个打标物体的基准点坐标，该基准点坐标也为激光的对焦点，在实际空间上对应打标物体上的某点作为基准点，也即，只要打标时激光头可准确定位并对焦在物体的基准点上，后续电脑可调焦距完成三维表面其他部位的激光打标。其中的问题是，在打标开始前，需要将打标物件放入打标平台上，使得物体对应基准点。然而缺少定位的结构，技术人员很难精确放置和调整打标物件的位置、高度，而且3D曲面打标要求非常高的精度，只要打标物件的位置或高度出现偏差，很有可能就造成整个打标图案的失真。另外，由于三维打标物体表面的复杂性，对基准点的设定要求灵活可变，因此传统的固定式对焦系统已经无法实现3D激光打标的要求。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于可控距离指示的打标方法，该方法应用于3D激光打标领域，通过该方法可在打标空间上自动指示出建模中与基准点相对的初始焦点的高度位置，从而便于加工时安放打标物体的定位。为了实现以上目的，本发明公开了一种基于可控距离指示的打标方法，可应用于3D激光打标机，该方法涉及第一可见光指示器、第二可见光指示器以及控制单元，所述第一可见光指示器可向打标区域发出第一可见光束，所述第二可见光指示器的光路上设置有反射装置，该反射装置用于反射第二可见光指示器向其发出的第二可见光束；所述打标方法包括以下步骤：(1)对拟打标物体表面建模，形成三维模型；(2)选取三维模型上的任一点作为基准点，获得该基准点坐标；(3)所述基准点为激光打标的初始焦点，根据该基准点坐标获得初始焦距；(4)根据该初始焦距，通过三角几何计算方法获得反射装置的偏转角度；(5)该偏转角度使得第二可见光束在被反射装置反射后与第一可见光束在打标区域内交汇，该交汇点对应3D激光打标机的初始焦点；(6)使打标物体上对应基准点的位置位于所述交汇点的高度上；(7)开始打标。优选的，所述步骤4中控制单元根据三角几何计算方法，获得对应不同初始焦距的反射装置偏转角度值，所述偏转角度值被存储在数据库内，以便使用时根据不同的初始焦距匹配得到对应的偏转角度值。优选的，通过插值法补偿误差，对所述偏转角度进行修正，使得两可见光更加精准的交汇，提高打标的效率。优选的，所述第一可见光束发射角度是固定的或可调的；当所述第一可见光束发射角度为可调时，其可调的目的是使得交汇点的位置始终位于打标区域内。本发明的另一个目的在于提供应用上述方法的3D激光打标机，该打标机具有简易、灵活、加工精度高和成本低的特点。从初步原理上，这种3D激光打标机包括第一可见光指示器、第二可见光指示器以及控制单元，所述第一可见光指示器可向打标区域发出第一可见光束，所述第二可见光指示器的光路上设置有反射装置，该反射装置用于反射第二可见光指示器向其发出的第二可见光束，所述反射装置由控制单元控制偏转角度，使第二可见光束经过反射后与第一可见光束在打标区域内交汇，该交汇点对应激光打标机的初始焦点。优选的，所述反射装置包括至少一个反射镜片，所述反射镜片由电机驱动。作为一种优选方案，所述反射装置由两个在空间上具有夹角的反射镜片组成。优选的，还包括一个调节装置，该调节装置对第一可见光束进行反射调节；所述调节装置包括至少一个由电机驱动的反射镜片。同时，本发明提供了两种具体的3D激光打标机方案，但本专利保护的范围不限于这两种。方案一：本方案的3D激光打标机包括基准板、控制单元、升降架、位于升降架上的打标头、第一可见光指示器，所述打标头内设有可发射可见激光束的激光器、X振镜和Y振镜，所述激光器所发射的可见激光束为第二可见光束，第一可见光指示器可向打标区域发出第一可见光束，所述第二可见光束向X振镜和Y振镜发射，所述X振镜和Y振镜的偏转角度由控制单元控制，使第二可见光束经过反射后与第一可见光束在打标区域内交汇，交汇点对应激光打标机的初始焦点。优选的，所述激光器为发射波长范围为400-800nm激光的绿光激光器，在可控距离指示时，该激光器被设定在非打标功率状态。方案一特别适用于采用可见激光束激光器的情形(这种激光器发出的激光波长范围在400-800nm之间，为可见激光束)。在实现指示功能时，先调低激光的功率，使其仅具有指示功能，待指示功能实现完毕后，再调高激光的功率用于打标。方案一是在现有可见激光的激光器基础上进行改进，硬件调整成本低，结构改变少，该激光打标机能够自动指示出初始焦距，便于打标操作。方案二：本发明的激光打标机包括基准板、控制单元、升降架以及位于升降架上的打标头，所述打标头内具有激光器、X振镜和Y振镜，还包括第一可见光指示器、第二可见光指示器和合束单元，第一可见光指示器可向打标区域发出第一可见光束；所述第二可见光指示器发射出的第二可见光束经过合束单元后与激光的光路重合，并向X振镜和Y振镜发射，所述X振镜和Y振镜的偏转角度由控制单元控制，使第二可见光束经过反射后与第一可见光束在打标区域内交汇，交汇点对应激光打标机的初始焦点。现实中大部分的激光打标机用的都是不可见光的激光，因此方案二适用大部分的打标机，特别是激光为不可见光打标机的情形。在现有技术基础上，方案二增加了合束单元，使得第二可见光指示器发射出的第二可见光束可以与激光光路合束，从而利用现有激光机头的X\Y振镜作为反射单元，实现自动地打标指示。优选的，上述方案二中第二可见光指示器和合束单元可设置于激光器的内部，使得合束部分和激光器是一整体，当然，作为另外一种替代方案，可将光指示器和合束单元作为激光头的外置部件设置于激光器的外部，可在现有激光打标机的基础上自由安装及拆卸。优选的，方案二中的合束单元为合束镜片，具体为将合束镜片设置于激光的光路中，第二可见光指示器位于合束镜片的一侧，用于向该合束镜片发出第二可见光束，第二可见光经过合束镜片合束后即可沿激光光路发射。此处的合束镜片为现有技术，它将两种(或多种)波长的光线分别通过透射和反射的方法合成到一条光路上。或者，合束单元也可以为接入激光光路中的光纤，所述第二可见光指示器与该光纤连接，通过光纤耦合合束。至于第一可见光指示器的具体机构，可以是在上述方方案一和方案二的基础上，将第一可见光指示器设置于打标头上，向打标区域发出倾斜的第一可见光束。优选的，所述第一可见光指示器的光路上还设有调节装置，该调节装置至少包括一个由电机控制的反射镜片，该反射镜片的角度可调整，用于使第一可见光束的角度也可调，以保持第一可见光束和第二可见光束的交汇点在打标区域内。由于在使用时，光线交汇点的左右位置会随着第二可见光角度变化而变化，存在一种情况，交汇点会逐渐移出打标区域中心位置，使得打标不再方便。而第一可见光指示器的光束可变，可以使得交汇点重新调回打标区域中心位置，从而增加打标的方便和准确度。本发明的有益效果在于，通过一固定可见光束和一可调可见光束的交汇实现指示激光打标的高度，打标时再将打标物件需打标处对应可见光的交汇处，即可进行打标，通过本发明的装置和方法可以提高3D打标的对焦效率，并且相对于手动调节更精确；本发明还设置有调节固定可见光束偏转角度的调节装置，可以解决安装误差、操作不到位以及电路等引起的光束不交汇问题，确保两可见光束的交汇；当反射装置选择两个反射镜片时，可以直接使用激光打标头内的X振镜和Y振镜，并且可以省去相应的电机，此结构结构简单、成本低。附图说明图1为本发明的可控距离指示装置的工作原理示例1；图2为本发明的可控距离指示装置的工作原理示例2；图3为本发明的可控距离指示装置的工作原理示例3；图4为本发明的可控距离指示装置的工作原理示例4；图5为应用本发明可控距离指示装置的激光打标机的整体示意图；图6为应用本发明实施例一的激光打标机从侧面看的部分结构示意图；图7为应用本发明实施例一的激光打标机从另一侧面看的部分结构示意图；图8为本发明实施例一的激光打标机部分结构示意图；图9为本发明可控距离指示装置实施例一的原理解析图；图10为本发明实施例一的激光打标机显示偏差值的结构示意图；图11为本发明可控距离指示装置实施例二的原理解析图；图12为本发明可控距离指示装置实施例三的原理解析图；图13为本发明可控距离指示装置实施例四方案一的原理解析图；图14为本发明可控距离指示装置实施例四方案二的原理解析图；图15为图14的分析示意图。具体实施方式本发明提供了一种应用于3D激光打标机领域的可控距离指示方法，这种方法应用在3D激光打标机(激光打标机的焦距可变的)上，在打标前，可以非常方便地确定激光打标机初始焦距的空间高度，便于操作人员进行人工定焦。该方法涉及第一可见光指示器、第二可见光指示器以及控制单元；所述第一可见光指示器可向打标区域发出第一可见光束；所述第二可见光指示器的光路上设置有反射装置，该反射装置用于反射第二可见光指示器向其发出的第二可见光束；所述控制单元根据3D激光打标机对基准点对焦的初始焦距，计算反射装置的偏转角度，该偏转角度使得第二可见光束在被反射装置反射后与第一可见光束在打标区域内交汇，该交汇点对应3D激光打标机的初始焦点。上述第二可见光束的偏转角度可通过控制单元的内建数据库实现：在使用之前，通过三角几何计算法(在三维模型中已知初始焦距的空间坐标、第一可见光束的方向、第二可见光束的方向以及反射装置的位置，通过三角几何方法可以计算出第一可见光束和第二可见光束交汇在初始焦距时的反射装置的偏转角度)对各个打标高度段对应的偏转角度进行测量计算，并将打标高度段和第二可见光束的偏转角度建成一个数据库，再将此数据库导入到控制单元内，在使用的时候根据所需打标高度调用数据库并进行匹配，即可得出需打标高度对应的第二可见光束的偏转角度，通过第一可见光束和第二可见光束指示出打标高度。通过上述方法可得到初步的打标高度数据，但实际中受到加工误差，安装水平高低，电路影响等等因素影响，需要调试人员把升降的行程分成多段，在多段中分别测量实际值△与理论值△'的偏差，然后把数值输入软件系统建立一个数据库，通过软件算法控制电机修正偏移角度，保证最后两束可见光汇成一点。以上即是通过插值法来补偿偏差，对打标高度进行修正，使得打标点更精确。具体调整方法是：当反射装置采用为两个振镜的情况时，一个反射振镜先固定，通过插值法调整另外一个振镜，如果还没有得到精确的值，则使原先运动的振镜固定，调整原先固定的振镜，如此循环，直至补偿到3D打标的初始焦距的高度。在使用本方法实现的打标指示装置和打标机之前，一般都要先对机器进行校正，调试人员先对升降行程分为多段，并对每段分别测量实际偏差值△与理论偏差值△'(参见图10为采用两个反射装置时显示的△),然后把数值输入软件系统形成一个数据库，根据插值算法计算出每个△对应的第二可见光束的补偿角度，使第二可见光束偏转到对应的位置，数据库参见下表所示。以上指示方法是一个完整的3D激光打标步骤中的一部分，因此本发明也公开了基于上述距离指示方法的3D激光打标机的打标方法，该方法具体步骤如下所述：(1)对拟打标物体表面建模，形成三维模型；(2)选取三维模型上的任一点作为基准点，获得该基准点坐标；(3)所述基准点为激光打标的初始焦点，根据该基准点坐标获得初始焦距；(4)根据该初始焦距，通过三角几何计算方法获得反射装置的偏转角度；(5)该偏转角度使得第二可见光束在被反射装置反射后与第一可见光束在打标区域内交汇，该交汇点对应3D激光打标机的初始焦点；(6)使打标物体上对应基准点的位置位于所述交汇点的高度上；(7)开始打标。上述步骤(4)中控制单元根据三角几何计算方法，获得对应不同初始焦距的反射装置偏转角度值，所述偏转角度值被存储在数据库内，以便使用时根据不同的初始焦距匹配得到对应的偏转角度值；并且还通过插值法补偿误差，对所述偏转角度进行修正，使得两可见光更加精准的交汇，提高打标的效率。所述第一可见光束发射角度是固定的或可调的；当所述第一可见光束发射角度为可调时，其可调的目的是使得交汇点的位置始终位于打标区域内。为了解释上述方法的工作原理，以下通过附图1、附图2、附图3和附图4进行介绍。首先参见附图1，此原理的反射装置采用的是一个反射镜片，整个指示装置包括可向下发射第一可见光束111的第一可见光指示器110,横向发射第二可见光束121的第二可见光指示器120，第二可见光指示器120经过反射装置控制后，向下反射光线，经过反射的第二可见光束121可与第一可见光指示器110发射的第一可见光束111交汇(图1中示出了h11和h12两个高度)，该交汇点的位置可以通过反射装置调整，调整的方式具体参见下述第二种原理的介绍。由于指示装置只采用一个反射装置，所以成本较低，但是对于安装的要求较...