一种激光雕刻中工件的自对准方法与系统与流程

本发明涉及激光加工技术，更具体地说，它涉及一种激光雕刻中工件的自对准方法与系统。

背景技术：

激光雕刻加工是利用数控技术为基础，激光为加工媒介。加工材料在激光照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，达到加工的目的。激光加工与材料表面没有接触，不受机械运动影响，表面不会变形，一般无需固定。不受材料的弹性、柔韧影响，方便对软质材料。加工精度高，速度快，应用领域广泛。

在公开号为CN105974581A的中国专利中公开了本发明涉及一种高速动态聚焦激光振镜模组。其目的是提供种集成度高、标刻精细、性能稳定的动态聚焦激光振镜。主要包括壳体、动态聚焦模块、X扫描振镜和Y扫描振镜，动态聚焦模块、X扫描振镜和Y扫描振镜都设置在壳体内部，动态聚焦模块又包括Z轴底座、Z轴第一电机、Z轴第二电机、连杆传动机构、变焦透镜和聚焦透镜组。实现了按预定轨迹的自动激光雕刻。

但是在现有技术中，高速动态聚焦激光振镜模组用于雕刻的激光最终是从壳体上的保护窗口射出。实际激光雕刻前，需要手动调整工件的位置并固定于保护窗口正下方，从而达到对工件表面准确的位置进行精准的激光雕刻。整个位置调整过程是由人工进行调整，调试速度较慢，对于批量的激光雕刻生产来说，工作效率较低。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的一在于提供一种激光雕刻中工件的自对准方法，可以实现对工件的固定位置与动态聚焦激光振镜模组的保护窗口的自动对准。

为实现上述目的一，本发明提供了如下技术方案：

一种激光雕刻中工件的自对准方法，所述方法包括：事先将转动底座螺纹连接在滑动底座上的丝杆，且将转动底座的两侧沿所述丝杆的长度方向滑动卡接在所述滑动底座上，将工件固定在转动底座的夹具上；通过所述转动底座上通有交流电的电磁场发射线圈向上发射出电磁场，再通过动态聚焦激光振镜模组上沿所述丝杆的长度方向间隔设置的第一磁场传感器和第二磁场传感器检测电磁场强度；通过控制器保持实时对第一磁场传感器和第二磁场传感器输出的检测信号的监测；当第一磁场传感器和第二磁场传感器任何一者检测到的电磁场强度小于预定值且第一磁场传感器检测到的电磁场强度小于第二磁场传感器检测到的电磁场强度时，通过与二者信号连接的控制器控制一第一伺服电机带动所述丝杆转动并使所述转动底座向所述第一磁场传感器的下方移动；当第一磁场传感器和第二磁场传感器任何一者检测到的电磁场强度小于预定值且第一磁场传感器检测到的电磁场强度大于第二磁场传感器检测到的电磁场强度时，通过所述控制器控制所述第一伺服电机带动所述丝杆转动并使所述转动底座向所述第二磁场传感器的下方移动；当第一磁场传感器和第二磁场传感器检测到的电磁场强度均大于预定值时，通过所述控制器控制所述第一伺服电机停止转动，此时工件的待焊接区域位于所述动态聚焦激光振镜模组底部用于透射出激光的保护窗口的正下方。

通过采用上述技术方案，只需事先将滑动底座与转动底座安装好，后续只需将不同的工件更换并固定于夹具上；由于电磁场发射线圈发射出的电磁场强度随距离的增加而降低，当电磁场发射线圈偏离至靠近第一磁场传感器或第二磁场传感器的一侧下方时，通过与二者信号连接的控制器控制第一伺服电机带动丝杆转动并使电磁场发射线圈向第一磁场传感器和第二磁场传感器中间位置的下方移动，当电磁场发射线圈移动至第一磁场传感器和第二磁场传感器中间位置的下方时，此时工件的待焊接区域位于动态聚焦激光振镜模组底部用于透射出激光的保护窗口的正下方，且第一磁场传感器和第二磁场传感器检测到的电磁场强度均大于预定值，通过控制器控制第一伺服电机停止转动，从而实现了对工件的固定及其固定位置与动态聚焦激光振镜模组的保护窗口的自动对准，大大提高了激光雕刻的整体工作效率。

进一步的，当第一磁场传感器和第二磁场传感器检测到的电磁场强度均大于预定值后，所述控制器导通与其信号连接的信号灯。

通过采用上述技术方案，当第一磁场传感器和第二磁场传感器检测到的电磁场强度均大于预定值后，工件即实现了与动态聚焦激光振镜模组的保护窗口的自动对准，此时通过导通信号灯，代表工件已对准完成，操作人员可以直观了解到工件的对准情况。

进一步的，在工件对准到所述保护窗口的正下方后，将工件的表面立体图形先在一计算机的三维图形软件中设计生成，再将立体图形投影到二维平面制成平面二维投影图，根据所述平面二维投影图在安装在所述计算机上的控制卡中设置合理的激光参数和振镜运动参数，最后通过所述控制卡控制所述动态聚焦激光振镜模组内与所述计算机相连接的扫描振镜和激光光源在所述工件表面逐点扫描蚀刻。

通过采用上述技术方案，实现激光光源与工件的对准，且实现了控制扫描振镜和激光光源对工件表面准确逐点扫描蚀刻的目的。

针对现有技术存在的不足，本发明的目的二在于提供一种激光雕刻中工件的自对准系统，可以实现对工件的固定位置与动态聚焦激光振镜模组的保护窗口的自动对准。

为实现上述目的二，本发明提供了如下技术方案：

一种激光雕刻中工件的自对准系统，包括工作平台、设置于所述工作平台上的安装座以及设置于所述安装座上方的动态聚焦激光振镜模组，所述安装座包括滑动底座、转动底座以及设置于所述转动底座上的夹具，所述转动底座螺纹连接在安装于所述滑动底座上的一丝杆上，所述转动底座两侧沿所述丝杆的长度方向滑动卡接在所述滑动底座上，所述丝杆传动连接有第一伺服电机，所述转动底座上水平设置有通有交流电的电磁场发射线圈，所述动态聚焦激光振镜模组沿所述丝杆的长度方向间隔设置有第一磁场传感器和第二磁场传感器，所述第一磁场传感器、所述第二磁场传感器和所述第一伺服电机信号连接着一控制器，并且所述控制器根据所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器输出的检测信号控制所述第一伺服电机的启停以及输出轴的转动方向。

通过采用上述技术方案，实现了对工件的固定，并且控制器根据第一磁场传感器和第二磁场传感器输出的检测信号控制第一伺服电机的启停以及输出轴的转动方向，从而通过控制器事先设定好程序后可以达到工件的固定位置与动态聚焦激光振镜模组的保护窗口的自动对准，大大提高了激光雕刻的整体工作效率与对准的精准度。

进一步的，所述动态聚焦激光振镜模组的表面上安装有与所述控制器信号连接的信号灯，当第一磁场传感器和第二磁场传感器检测到的电磁场强度均大于预定值后，所述控制器导通与所述信号灯。

通过采用上述技术方案，当第一磁场传感器和第二磁场传感器检测到的电磁场强度均大于预定值后，控制器导通信号灯，操作人员通过动态聚焦激光振镜模组表面上的信号灯即可及时直观了解到工件的对准情况。

进一步的，所述安装座还包括旋转柱，所述旋转柱的两端转动连接在所述转动底座上并通过螺纹连接在所述转动底座上的锁紧螺栓相抵接而紧固，所述旋转柱上沿径向设置有旋转座，所述旋转座上转动连接着旋转轴沿所述旋转柱径向的所述夹具。

通过采用上述技术方案，通过拧松锁紧螺栓即可调节旋转柱的角度，即旋转柱上的夹具所夹持的工件的俯仰角度，并可通过使夹具沿其自身的旋转轴旋转，实现对工件的周向角度的改变，从而使从上方的保护窗口透射出的激光可以达到对工件的全方位雕刻。

进一步的，所述旋转柱上设置有信号连接着所述控制器的第二伺服电机，所述夹具受控于所述第二伺服电机而转动。

通过采用上述技术方案，在信号连接着控制器的第二伺服电机的带动下，通过在控制器内设定一定随时间启停以及转动方向的程序，即可实现通过控制器控制第二伺服电机带动夹具以预定程序转动，与来自上方的保护窗口透射出的激光相配合，实现对工件的自动化周向雕刻。

进一步的，所述转动底座上竖直对称开有两个平行于所述丝杆长度方向的条形插槽，两个条形插槽内分别插接着固定于一支架平台底部的两个支撑柱，所述条形插槽两侧的侧壁上各开有两条平行于所述丝杆长度方向的条形通槽，所述支撑柱上开有两个通孔，两个所述通孔之间的间距与两条所述条形通槽之间的间距相等，所述支撑柱通过螺栓穿过所述通孔和所述条形通槽而紧固于所述条形插槽内，所述支架平台上水平设置着所述电磁场发射线圈。

通过采用上述技术方案，由于支架平台上水平设置着电磁场发射线圈，控制器的预设程序是根据第一磁场传感器和第二磁场传感器输出的检测信号控制第一伺服电机的启停以及输出轴的转动方向，即最终实现电磁场发射线圈与第一磁场传感器和第二磁场传感器的中间位置的对准，通过调节支架平台底部的两个支撑柱在条形插槽内的位置，即调节电磁场发射线圈与工件的距离，当实现电磁场发射线圈的对准后保护窗口正对着夹具前方的不同位置，从而达到了针对不同长度的工件或针对同一工件的不同部位的雕刻的需求。

进一步的，所述第一磁场传感器与所述第二磁场传感器的中间位置设置有竖直向下的小型激光器。

通过采用上述技术方案，通过小型激光器照射第一磁场传感器与第二磁场传感器的中间位置的下方，可以作为控制器调试程序或者调试支架平台底部的两个支撑柱在条形插槽内的位置时的参考点，确保工件固定在夹具上且待焊接区域位于保护窗口正下方后电磁场发射线圈正对着第一磁场传感器与第二磁场传感器的中间位置，此时小型激光器照射着电磁场发射线圈的中央位置，从而使控制器调试程序或者支撑柱在条形插槽内位置的调试更加便捷而精确。

与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）通过控制器根据第一磁场传感器和第二磁场传感器输出的检测信号控制第一伺服电机的启停以及输出轴的转动方向，实现了对工件的固定位置与动态聚焦激光振镜模组的保护窗口的自动对准，大大提高了激光雕刻的整体工作效率与对准的精准度；

（2）当第一磁场传感器和第二磁场传感器检测到的电磁场强度均大于预定值后，控制器导通信号灯，操作人员通过信号灯可更加及时、直观地了解到工件的对准情况；

（3）通过拧松锁紧螺栓即可调节旋转柱的角度，并可通过使夹具沿其自身的旋转轴旋转，分别实现对工件的俯仰角度和周向角度的改变，从而使从上方的保护窗口透射出的激光可以达到对工件的全方位雕刻，提高了雕刻的质量；

（4）电磁场发射线圈设置于可沿丝杆长度方向移动并固定的支架平台上，达到了针对不同长度的工件或针对同一工件的不同部位的调节雕刻位置的需求；

（5）第一磁场传感器与第二磁场传感器的中间位置设置有竖直向下的小型激光器，使控制器程序的调试或者支撑柱在条形插槽内位置的调试更加便捷而精确。

附图说明

图1为本发明的激光雕刻中工件的自对准系统的结构示意图；

图2为图1中A部的放大图；

图3为本发明的激光雕刻中工件的自对准系统另一角度的结构示意图，示出了动态聚焦激光振镜模组底部的结构；

图4为本发明的激光雕刻中工件的自对准系统另一角度的结构示意图，示出了升降架、升降平台与动态聚焦激光振镜模组的安装结构；

图5为本发明的激光雕刻中工件的自对准方法的流程示意图。

附图标记：1、安装座；101、转动底座；102、滑动底座；103、夹具；4、丝杆；5、电磁场发射线圈；6、动态聚焦激光振镜模组；7、第一磁场传感器；8、第二磁场传感器；9、控制器；10、第一伺服电机；11、保护窗口；12、信号灯；13、工作平台；14、升降架；15、螺杆；16、旋转把手；17、竖直槽；18、升降平台；19、轴承座；20、旋转柱；21、锁紧螺栓；22、条形插槽；23、支架平台；24、支撑柱；25、条形通槽；26、小型激光器；27、第二伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

本文中所揭示的方面而描述的方法或算法的步骤及/或动作可直接以硬件、以由处理器执行的软件模块或以两者的组合来实施。软件模块可驻留于RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可装卸盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。示范性存储媒体可耦合到处理器，使得处理器可从存储媒体读取信息及向存储媒体写入信息。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体式。另外，在一些方面中，处理器及存储媒体可驻留于ASIC中。另外，ASIC可驻留于用户终端中。在替代方案中，处理器及存储媒体可作为离散组件而驻留于用户终端中。另外，在一些方面中，方法或算法的步骤及/或动作可作为代码及/或指令中的一者或其任何组合或集合而驻留于机器可读媒体及/或计算机可读媒体上，机器可读媒体及/或计算机可读媒体可并入计算机程序产品中。

实施例一，如图5所示，一种激光雕刻中工件的自对准方法，方法包括：

步骤S1：如图1所示，事先将转动底座101螺纹连接在滑动底座102上的丝杆4，且将转动底座101的两侧沿丝杆4的长度方向滑动卡接在滑动底座102上（此步是在最初将安装座1安装在工作平台13上时完成，后续更换夹具103一般无需重复，附图中未示出）；

步骤S2：将工件固定在转动底座101的夹具103上；

步骤S3：如图1、图2和图3所示，通过转动底座101上通有交流电的电磁场发射线圈5向上发射出电磁场，再通过动态聚焦激光振镜模组6上沿丝杆4的长度方向间隔设置的第一磁场传感器7和第二磁场传感器8检测各自所在处的电磁场强度；

步骤S4：通过与第一磁场传感器7和第二磁场传感器8信号连接的控制器9将二者检测到的电磁场强度与预定值进行比较；

步骤S41：当第一磁场传感器7和第二磁场传感器8检测到的电磁场强度均大于预定值时，通过控制器9控制第一伺服电机10停止转动，此时工件的待焊接区域位于动态聚焦激光振镜模组6底部用于透射出激光的保护窗口11的正下方；

步骤S411：当第一磁场传感器7和第二磁场传感器8检测到的电磁场强度均大于预定值后，控制器9导通与其信号连接的信号灯12；

步骤S42：当第一磁场传感器7和第二磁场传感器8任意一者检测到的电磁场强度均小于预定值时，通过控制器9比较第一磁场传感器7和第二磁场传感器8检测到的电磁场强度的大小；

步骤S421：当第一磁场传感器7和第二磁场传感器8任何一者检测到的电磁场强度小于预定值且第一磁场传感器7检测到的电磁场强度小于第二磁场传感器8检测到的电磁场强度时，通过与二者信号连接的控制器9控制一第一伺服电机10带动丝杆4转动并使转动底座101向第一磁场传感器7的下方移动，并且控制器9保持返回到步骤S4开始的对第一磁场传感器7和第二磁场传感器8输出的检测信号的分析的循环；

步骤S422：当第一磁场传感器7和第二磁场传感器8任何一者检测到的电磁场强度小于预定值且第一磁场传感器7检测到的电磁场强度大于第二磁场传感器8检测到的电磁场强度时，通过控制器9控制第一伺服电机10带动丝杆4转动并使转动底座101向第二磁场传感器8的下方移动，并且控制器9保持返回到步骤S4开始的对第一磁场传感器7和第二磁场传感器8输出的检测信号的分析的循环。

只需事先将滑动底座102与转动底座101安装好，后续只需将不同的工件更换并固定于夹具103上；由于电磁场发射线圈5发射出的电磁场强度随距离的增加而降低，当电磁场发射线圈5偏离至靠近第一磁场传感器7或第二磁场传感器8的一侧下方时，通过与二者信号连接的控制器9控制第一伺服电机10带动丝杆4转动并使电磁场发射线圈5向第一磁场传感器7和第二磁场传感器8中间位置的下方移动，当电磁场发射线圈5移动至第一磁场传感器7和第二磁场传感器8中间位置的下方时，此时工件的待焊接区域位于动态聚焦激光振镜模组6底部用于透射出激光的保护窗口11的正下方，且第一磁场传感器7和第二磁场传感器8检测到的电磁场强度均大于预定值，通过控制器9控制第一伺服电机10停止转动，从而实现了对工件的固定及其固定位置与动态聚焦激光振镜模组6的保护窗口11的自动对准，大大提高了激光雕刻的整体工作效率。

当第一磁场传感器7和第二磁场传感器8检测到的电磁场强度均大于预定值后，工件即实现了与动态聚焦激光振镜模组6的保护窗口11的自动对准，此时通过导通信号灯12，代表工件已对准完成，操作人员可以直观了解到工件的对准情况。

在工件对准到所述保护窗口11的正下方后，将工件的表面立体图形先在一计算机的三维图形软件中设计生成，再将立体图形投影到二维平面制成平面二维投影图，导出DXF格式文件；最后将DXF文件再导入到控制动态聚焦激光振镜模组6的扫描振镜（未示出）运动的标刻软件中，按照DXF制成的图形轮廓进行填充修饰形成填充图形，根据所述填充图形在安装在所述计算机上的控制卡中设置合理的激光参数和振镜运动参数，最后通过所述控制卡控制动态聚焦激光振镜模组6内与所述计算机相连接的扫描振镜和激光光源在工件表面逐点扫描蚀刻。

实施例二，如图1所示，一种激光雕刻中工件的自对准系统，包括工作平台13、固定于工作平台13上的安装座1以及设置于安装座1上方的动态聚焦激光振镜模组6。

如图1和图4所示，工作平台13上固定有竖直的内部具有空腔的升降架14，升降架14内转动连接有一根竖直的螺杆15，螺杆15的上端通过轴承周向转动、轴向固定地安装于升降架14顶部，且螺杆15的顶部固定有旋转把手16。升降架14的侧壁开有竖直槽17，动态聚焦激光振镜模组6固定于一升降平台18上，升降平台18穿过竖直槽17与螺杆15螺纹连接。通过旋转螺杆15顶部的旋转把手16，可以实现升降平台18沿螺杆15的长度方向的升降，即实现动态聚焦激光振镜模组6竖直高度的调节，便于动态聚焦激光振镜模组6的激光雕刻焦距的调节。

如图1和图2所示，安装座1包括滑动底座102、转动底座101以及设置于转动底座101上的夹具103，转动底座101螺纹连接在安装于滑动底座102上的一丝杆4上。丝杆4通过轴承座19周向可转动且轴向固定地安装于滑动底座102上，转动底座101两侧沿丝杆4的长度方向滑动卡接在滑动底座102上。丝杆4的端部与第一伺服电机10的输出轴相固定。

如图2和图3所示，转动底座101上水平设置有通有交流电的电磁场发射线圈5，动态聚焦激光振镜模组6沿丝杆4的长度方向间隔安装有第一磁场传感器7和第二磁场传感器8，第一磁场传感器7、第二磁场传感器8和第一伺服电机10信号连接着一控制器9，并且控制器9根据第一磁场传感器7和第二磁场传感器8输出的检测信号控制第一伺服电机10的启停以及输出轴的转动方向。

第一磁场传感器7和第二磁场传感器8可采用霍尔效应传感器，霍尔效应传感器输出的检测信号的电压值随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压值越高，磁场越弱，电压值越低。

控制器9根据第一磁场传感器7和第二磁场传感器8输出的检测信号控制第一伺服电机10的启停以及输出轴的转动方向，从而通过控制器9事先设定好程序后可以达到工件的固定位置与动态聚焦激光振镜模组6的保护窗口11的自动对准，大大提高了激光雕刻的整体工作效率与对准的精准度。

如图1和图3所示，动态聚焦激光振镜模组6的表面上安装有与控制器9信号连接的信号灯12，当第一磁场传感器7和第二磁场传感器8检测到的电磁场强度均大于预定值后，控制器9导通与信号灯12。操作人员通过动态聚焦激光振镜模组6表面上的信号灯12即可及时直观了解到工件的对准情况。

如图1、图2和图3所示，安装座1还包括旋转柱20，旋转柱20的两端转动连接在转动底座101上并通过螺纹连接在转动底座101上的锁紧螺栓21相抵接而紧固。通过拧松锁紧螺栓21即可调节旋转柱20的角度，即旋转柱20上的夹具103所夹持的工件的俯仰角度。旋转柱20上沿径向设置有旋转座，旋转座上转动连接着旋转轴沿旋转柱20径向的夹具103，旋转柱20上安装有信号连接着控制器9的第二伺服电机27，夹具103固定于第二伺服电机27的输出轴上，使夹具103受控于第二伺服电机27而转动。在信号连接着控制器9的第二伺服电机27的带动下，通过在控制器9内设定一定随时间启停以及转动方向的程序，即可实现通过控制器9控制第二伺服电机27带动夹具103以预定程序转动，与来自上方的保护窗口11透射出的激光相配合，实现对工件的自动化周向雕刻。结合工件的俯仰角度可调和自动化周向雕刻，从而使从上方的保护窗口11透射出的激光可以达到对工件的全方位雕刻。

转动底座101上竖直对称开有两个平行于丝杆4长度方向的条形插槽22，两个条形插槽22内分别插接着固定于一支架平台23底部的两个支撑柱24，条形插槽22两侧的侧壁上各开有两条平行于丝杆4长度方向的条形通槽25，支撑柱24上开有两个通孔，两个通孔之间的间距与两条条形通槽25之间的间距相等，支撑柱24通过螺栓穿过通孔和条形通槽25而紧固于条形插槽22内，支架平台23上水平安装着所述电磁场发射线圈5。

由于支架平台23上水平安装着所述电磁场发射线圈5，控制器9的预设程序是根据第一磁场传感器7和第二磁场传感器8输出的检测信号控制第一伺服电机10的启停以及输出轴的转动方向，即最终实现电磁场发射线圈5与第一磁场传感器7和第二磁场传感器8的中间位置的对准，通过调节支架平台23底部的两个支撑柱24在条形插槽22内的位置，即调节电磁场发射线圈5与工件的距离，当实现电磁场发射线圈5的对准后保护窗口11正对着夹具103前方的不同位置，从而达到了针对不同长度的工件或针对同一工件的不同部位的雕刻的需求。

如图2和图3所示，第一磁场传感器7与第二磁场传感器8的中间位置设置有竖直向下的小型激光器26。通过小型激光器26照射第一磁场传感器7与第二磁场传感器8的中间位置的下方，可以作为控制器9调试程序或者调试支架平台23底部的两个支撑柱24在条形插槽22内的位置时的参考点，确保工件固定在夹具103上且待焊接区域位于保护窗口11正下方后电磁场发射线圈5正对着第一磁场传感器7与第二磁场传感器8的中间位置，此时小型激光器26照射着电磁场发射线圈5的中央位置，从而使控制器9调试程序或者支撑柱24在条形插槽22内位置的调试更加便捷而精确。

以上所述的控制器9可以为单片机、中央处理器(CPU，Central Processing Unit)、微处理器(MPU，Micro Processing Unit)、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)或可编程逻辑阵列(FPGA，Field－Programmable Gate Array)配合存储硬件来实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，就术语“包括”用于具体实施方式或权利要求书中的程度来说，此术语希望以类似于术语“包含”在“包含”作为过渡词用于权利要求中时被解释的方式而为包括性的。此外，尽管所描述方面及/或实施例的元件可能是以单数形式描述或主张，但除非明确声明限于单数形式，否则也涵盖复数形式。另外，除非另有声明，否则任何方面及/或实施例的全部或一部分可与任何其它方面及/或实施例的全部或一部分一起被利用。