本发明涉及激光雕刻技术领域，特别是一种激光曲面雕刻的方法及其应用该方法的系统。
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，机电传动为动力。加工材料在激光束的作用下瞬间使材料表面热变气化，使激光雕刻达到加工的目的。激光加工特点：在激光束聚焦范围内热溶面积小,切缝窄,表面不变形，加工精度高，速度快等，应用领域广泛。
现有技术中，激光雕刻大多都是基于X轴,Y轴的二维平面雕刻；但对于激光曲面雕刻,由于曲面的不平整性，使激光的焦点不能最佳地聚焦，激光焦距的不断变化,导致二维的激光雕刻在曲面雕刻的运用中存在着焦点无法准确对准的问题，严重影响加工效果。
为了解决激光的焦点对准问题，现有技术的焦点自动跟踪的控制系统主要包括：
1.接触式跟踪系统：其通常由一机械传动装置和一些电感式传感器组成，将聚焦镜和加工对象表面的相对位移转换为电压量供控制系统使用；
2.非接触式跟踪系统：其通常是在激光头上装一个电容式传感器，利用该激光头上的电容式传感器检测到的电容的变化来检测聚焦镜和加工对象表面的相对距离；
3.机械式跟踪系统：如中国发明专利CN104588885B的说明书所述，包括装置支架上的激光器和自重激光调焦装置；自重激光调焦装置上设有与激光束对准的焦距定位调整块和聚焦微调装置，聚焦镜安装在聚焦微调装置内，在自重激光调焦装置底面上偏离中心点的位置安装有聚焦跟踪定位球，从而在异形曲面激光雕刻过程中进行聚焦跟踪。
但是，对于第1、2两种感应式跟踪方法，都是采用模拟信号进行检测处理；而在激光雕刻切割过程中，会在加工区产生电离作用，形成电磁干扰，对检测结果产生影响；对于第3种的机械式跟踪方法，不仅结构过于复杂，而且容易产生机械磨损，使用寿命低。
技术实现要素：
本发明为解决上述问题，提供了一种激光曲面雕刻的方法及装置，激光头既用于雕刻又用于测距和焦点跟踪，不仅检测结果更准确，而且结构更简单紧凑、硬件成本更低。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种激光曲面雕刻的方法，其包括以下步骤：
a.将激光器的发射功率调整为测距功率，使激光器以所述测距功率发出激光发射信号；
b.通过光电探测器进行接收所述激光发射信号对应的激光反射信号；
c.根据所述激光发射信号和所述激光反射信号进行测距得到被雕刻物与激光器之间的距离；
d.将激光器的发射功率调整为雕刻功率，使激光器以所述雕刻功率发出激光发射信号；
e.根据测距得到的被雕刻物与激光器之间的距离控制所述激光器进行调焦和雕刻。
优选的，所述的步骤c中，所述被雕刻物与激光器之间的距离的计算，是指通过光电探测器将所述激光反射信号转换为电信号，通过电信号控制计数器的工作，得到所述激光发射信号的采样时间至对应的电信号的接收时间之间的时长，从而根据所述时长计算得到被雕刻物与激光器之间的距离。
进一步的，所述计数器在对激光发射信号进行采样得到采样信号时开始计数，并当接收到所述激光发射信号对应电信号时，通过所述电信号关闭所述计数器的计数，从而得到发射至接收之间的时长。
优选的，所述的步骤c中，所述被雕刻物与激光器之间的距离的计算，是指通过将所述激光反射信号聚焦至所述光电探测器上进行成像，得到反射光斑，根据所述反射光斑的成像位置进行计算被雕刻物与激光器之间的距离。
进一步的，所述光电探测器与所述激光器同步运动且相对位置不变；所述被雕刻物的水平高度不变时，即所述被雕刻物与激光器之间的距离不变，则所述光电探测器上的反射光斑不动；所述被雕刻物的水平高度变化时，即所述被雕刻物与激光器之间的距离变化，则所述光电探测器上的反射光斑的位置随之移动；根据所述反射光斑的移动距离，通过三角形相似原理进行计算得到对应的被雕刻物与激光器之间的距离。
对应的，本发明还提供一种激光曲面雕刻的装置，其包括：
激光器，用于向被雕刻物发出激光发射信号；
功率调节电路，用于调节所述激光发射信号的发射功率，所述发射功率包括雕刻功率和测距功率；
光电探测器，用于接收所述激光发射信号对应的激光反射信号；
主控MCU，用于根据所述激光发射信号和所述激光反射信号进行测距得到被雕刻物与激光器之间的距离；
所述功率调节电路先将所述激光器的发射功率调整为测距功率，通过所述主控MCU进行测距得到被雕刻物与激光器之间的距离后；所述功率调节电路再将所述激光器的发射功率调整为雕刻功率，所述激光器根据测距得到的被雕刻物与激光器之间的距离进行调焦和雕刻。
进一步的，还包括接收透镜，其设置于所述光电探测器之前，用于接收被雕刻物的激光反射信号，并将所述激光反射信号聚焦在所述光电探测器上。
优选的，还包括计数器，所述被雕刻物与激光器之间的距离的计算，是指通过光电探测器将所述激光反射信号转换为电信号，通过电信号控制计数器的工作，得到所述激光发射信号的采样时间至对应的电信号的接收时间之间的时长，从而根据所述时长计算得到被雕刻物与激光器之间的距离；其中，所述计数器在对激光发射信号进行采样得到采样信号时开始计数，并当接收到所述激光发射信号对应电信号时，通过所述电信号关闭所述计数器的计数，从而得到发射至接收之间的时长。
优选的，所述被雕刻物与激光器之间的距离的计算，是指通过将所述激光反射信号聚焦至所述光电探测器上进行成像，得到反射光斑，根据所述反射光斑的成像位置进行计算被雕刻物与激光器之间的距离；其中，所述光电探测器与所述激光器同步运动且相对位置不变；所述被雕刻物的水平高度不变时，即所述被雕刻物与激光器之间的距离不变，则所述光电探测器上的反射光斑不动；所述被雕刻物的水平高度变化时，即所述被雕刻物与激光器之间的距离变化，则所述光电探测器上的反射光斑的位置随之移动；根据所述反射光斑的移动距离，通过三角形相似原理进行计算得到对应的被雕刻物与激光器之间的距离
优选的，还包括x轴运动机构、y轴运动机构、z轴运动机构；通过所述x轴运动机构和所述y轴运动机构进行控制激光器的雕刻位置，并通过z轴运动机构进行调节激光器和光电探测器的高度，根据测距得到的被雕刻物与激光器之间的距离，对所述激光器进行高度调节，使焦点保持聚焦在被雕刻物上对被雕刻物进行雕刻。
本发明的有益效果是：
本发明的一种激光曲面雕刻的方法及装置，其利用激光头自身的功能，通过功率调节电路使其既用于雕刻又用于测距和焦点跟踪，不仅检测结果更准确，而且结构更简单紧凑、硬件成本更低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种激光曲面雕刻的方法的流程简图；
图2为本发明一种激光曲面雕刻的装置的光路示意图。
图3为本发明一种激光曲面雕刻的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，本发明的一种激光曲面雕刻的方法，其包括以下步骤：
a.将激光器的发射功率调整为测距功率，使激光器以所述测距功率发出激光发射信号；
b.通过光电探测器进行接收所述激光发射信号对应的激光反射信号；
c.根据所述激光发射信号和所述激光反射信号进行测距得到被雕刻物与激光器之间的距离；
d.将激光器的发射功率调整为雕刻功率，使激光器以所述雕刻功率发出激光发射信号；
e.根据测距得到的被雕刻物与激光器之间的距离控制所述激光器进行调焦和雕刻。
所述的步骤a中，所述测距功率主要是根据被雕刻物与激光器之间的距离进行设置。所述的步骤d中，所述雕刻功率大于所述测距功率，且所述雕刻功率主要是根据被雕刻物的材质、雕刻深度等进行设置。
所述被雕刻物与激光器之间的距离的计算方法可包括两种：
1.采用计时测距时：通过光电探测器将所述激光反射信号转换为电信号，通过电信号控制计数器的工作，得到所述激光发射信号的采样时间至对应的电信号的接收时间之间的时长，从而根据所述时长计算得到被雕刻物与激光器之间的距离。进一步的，所述计数器在对激光发射信号进行采样得到采样信号时开始计数，并当接收到所述激光发射信号对应电信号时，通过所述电信号关闭所述计数器的计数，从而得到发射至接收之间的时长。
2.采用移动位置测距时：通过将所述激光反射信号聚焦至所述光电探测器上进行成像，得到反射光斑，根据所述反射光斑的成像位置进行计算被雕刻物与激光器之间的距离。进一步的，所述光电探测器与所述激光器同步运动且相对位置不变；所述被雕刻物的水平高度不变时，即所述被雕刻物与激光器之间的距离不变，则所述光电探测器上的反射光斑不动；所述被雕刻物的水平高度变化时，即所述被雕刻物与激光器之间的距离变化，则所述光电探测器上的反射光斑的位置随之移动；根据所述反射光斑的移动距离，通过三角形相似原理进行计算得到对应的被雕刻物与激光器之间的距离。
作为优选的实施例，本发明采用上述第2种测距方法，利用由激光器、透镜和光电探测器进行三角法激光测距。激光器本身除了用来雕刻切割外，其发出的激光束，到达被雕刻物后发生反射，反射的激光经过透镜的聚焦，在光电探测器上成像。光电探测器和激光器同步运动，相对位置不变，如果被雕刻物的水平高度不变，即激光器到被雕刻物的距离不变，则经过反射和透镜聚焦的激光束，在光电探测器上的光斑不会移动。如果被雕刻物的水平高度有变化，则反射的激光束在光电探测器上的光斑也会移动，被雕刻物的雕刻面高度变化的距离和光斑移动的距离是成比例的，通过三角形相似原理即可算出。
如图2和图3所示，本发明还提供一种激光曲面雕刻的装置，其包括：
激光器，用于向被雕刻物发出激光发射信号；
功率调节电路，用于调节所述激光发射信号的发射功率，所述发射功率包括雕刻功率和测距功率；
光电探测器，用于接收所述激光发射信号对应的激光反射信号；
主控MCU，用于根据所述激光发射信号和所述激光反射信号进行测距得到被雕刻物与激光器之间的距离；
所述功率调节电路先将所述激光器的发射功率调整为测距功率，通过所述主控MCU进行测距得到被雕刻物与激光器之间的距离后；所述功率调节电路再将所述激光器的发射功率调整为雕刻功率，所述激光器根据测距得到的被雕刻物与激光器之间的距离进行调焦和雕刻。
本实施例中，还包括接收透镜，其设置于所述光电探测器之前，用于接收被雕刻物的激光反射信号，并将所述激光反射信号聚焦在所述光电探测器上。激光器受主控MCU控制，用于雕刻和切割。光电探测器用于接收激光反射后并经过透镜聚焦的激光反射信号，并把检测到的信号给专门的电信号处理电路转换为电信号，再把经过处理后的电信号传送至主控MCU，计算出激光器和被雕刻物的雕刻面之间的距离。
测距装置根据不同的测距方法进行配置不同的结构：
1.采用计时测距时：还包括计数器，所述被雕刻物与激光器之间的距离的计算，是指通过光电探测器将所述激光反射信号转换为电信号，通过电信号控制计数器的工作，得到所述激光发射信号的采样时间至对应的电信号的接收时间之间的时长，从而根据所述时长计算得到被雕刻物与激光器之间的距离；其中，所述计数器在对激光发射信号进行采样得到采样信号时开始计数，并当接收到所述激光发射信号对应电信号时，通过所述电信号关闭所述计数器的计数，从而得到发射至接收之间的时长。
2.采用移动位置测距时：通过将所述激光反射信号聚焦至所述光电探测器上进行成像，得到反射光斑，根据所述反射光斑的成像位置进行计算被雕刻物与激光器之间的距离；其中，所述光电探测器与所述激光器同步运动且相对位置不变；所述被雕刻物的水平高度不变时，即所述被雕刻物与激光器之间的距离不变，则所述光电探测器上的反射光斑不动；所述被雕刻物的水平高度变化时，即所述被雕刻物与激光器之间的距离变化，则所述光电探测器上的反射光斑的位置随之移动；根据所述反射光斑的移动距离，通过三角形相似原理进行计算得到对应的被雕刻物与激光器之间的距离
另外，还包括x轴运动机构、y轴运动机构、z轴运动机构；通过所述x轴运动机构和所述y轴运动机构进行控制激光器的雕刻位置，并通过z轴运动机构进行调节激光器和光电探测器的高度，根据测距得到的被雕刻物与激光器之间的距离，对所述激光器进行高度调节，使焦点保持聚焦在被雕刻物上对被雕刻物进行雕刻。具体的，计算得到被雕刻物与激光器之间的距离后，主控MCU判断此距离是否为激光器到雕刻面的最佳距离，如果是，则激光焦点处于最佳状态；如果不是，则根据计算出的距离进行补偿。所述z轴运动机构包括z轴电机和z轴电机驱动电路；主控MCU把补偿值转化为控制z轴电机的信号量，信号量通过z轴电机驱动电路，对激光器的高度进行调节，使激光器到雕刻面的距离达到目标值，从而实现焦点的最佳对焦。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
采用本发明的激光曲面雕刻的方法及装置进行实时测距对焦，利用激光器本身既可雕刻又可测距的功能，通过对激光发射功率的切换调整，实现在原有的x、y两轴二维平面雕刻的基础上，加入z轴进行激光器的高度调节，保证焦点在不同的水平位置下，仍然可以保持最佳聚焦，使激光可以进行曲面雕刻。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。