调焦控制方法及调焦控制系统与流程

本发明涉及激光打标机技术领域，特别是涉及一种激光打标机的调焦控制方法及调焦控制系统。

背景技术：

目前，CO₂前聚焦激光打标机使用线性三维调焦系统，实现了大范围打标的需要，满足了不断提高的精度要求、不断增大的加工尺寸范围及加工效率提升的要求。传统的CO₂前聚焦激光打标机调焦控制方式主要是机械式手轮调节或电动方式的手轮/按钮调节。这两种方式需要外置调焦手轮或者调焦控制面板，不仅占用空间，而且手轮安装位置稍高或者设备间距过小，便难以进行调节，经常需要为了方便调节焦点而更改机械设计，调整手轮安装位置。另外，这种人工调焦方式，在打标平面移动后，就需要重新调整激光束焦点位置，操作麻烦，而且每次的焦点调整也都需要操作者根据经验判断焦点位置，存在个体经验差异导致的焦点定位效果参差不齐、误差大、不精确等问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对打标平面移动后，还需要人工进行调焦的问题，提供一种调焦控制方法及调焦控制系统。

一种调焦控制方法，用于自动调节激光打标机的激光束的焦点位置，其特征在于，包括校准流程和调焦流程，所述校准流程包括：

预先确定基准打标平面及所述激光打标机的调焦单元的原点位置，其中，所述激光束的焦点位于所述基准打标平面上时，所述调焦单元的当前位置为原点位置；

移动激光打标机的打标平面，并调节所述调焦单元的位置，使得所述激光束的焦点仍然落到移动后的打标平面上，并根据所述打标平面相对于所述基准打标平面的位移量和所述调焦单元相对于所述原点位置的位移量，得到所述调焦单元跟随所述打标平面移动的位移量函数关系；

所述调焦流程包括：

获取测距单元实时监测的所述打标平面相对于所述基准打标平面的第一位移量；

当所述第一位移量超过第一设定值且不超过第二设定值时，根据所述位移量函数关系对所述第一位移量进行计算，得到所述调焦单元相对于所述原点位置需要移动的第二位移量，并将所述第二位移量发送至驱动单元；及

控制所述驱动单元驱动所述调焦单元运动，当所述调焦单元的运动量达到所述第二位移量时，控制所述驱动单元停止驱动。

在其中一个实施例中，在测距单元测量范围的中心位置上设置基准打标平面；及

调整所述调焦单元的位置，当激光束的焦点位于所述基准打标平面上时，确定所述调焦单元所在位置为原点位置。

在其中一个实施例中，移动所述打标平面到所述测距单元测量范围的最远处，并调节所述调焦单元的位置，使得所述激光束的焦点仍然落到移动后的打标平面上，确定所述调焦单元当前位置为第一极限位置，且根据所述打标平面相对于所述基准打标平面的位移量和所述调焦单元相对于所述原点位置的位移量的多个测量值，得到所述调焦单元跟随所述打标平面移动的位移量函数关系。

在其中一个实施例中，当所述第一位移量超过第二设定值时，控制第一信号单元亮起，并限制激光器使能出光。

在其中一个实施例中，当所述第一位移量不超过第一设定值时，返回所述获取测距单元实时监测的所述打标平面相对于所述基准打标平面的第一位移量的步骤。

在其中一个实施例中，当所述调焦单元的运动量达到所述第二位移量时，控制第二信号单元亮起，并控制激光器使能出光。

一种调焦控制系统，其特征在于，包括：测距单元、控制单元及驱动单元及调焦单元；

所述调焦单元用于在所述驱动单元的带动下使激光束的焦点位于打标平面上；

所述测距单元用于实时监测所述打标平面的运动情况，并将所述打标平面的位移量发送至所述控制单元；

所述控制单元用于获取测距单元实时监测的所述打标平面相对于所述基准打标平面的第一位移量；还用于当所述第一位移量超过第一设定值且不超过第二设定值时，根据所述位移量函数关系对所述第一位移量进行计算，得到所述调焦单元相对于所述原点位置需要移动的第二位移量，并将所述第二位移量发送至驱动单元；还用于控制所述驱动单元驱动所述调焦单元运动，当所述调焦单元的运动量达到所述第二位移量时，控制所述驱动单元停止驱动；及

所述驱动单元用于在所述控制单元的控制下，驱动所述调焦单元运动。

在其中一个实施例中，所述控制单元还包括转换器；所述转换器用于建立所述控制单元和所述驱动单元之间的通信连接。

在其中一个实施例中，所述调焦控制系统还包括第一信号单元和激光器；所述控制单元用于在所述第一位移量超过第二设定值时，控制第一信号单元亮起，并限制激光器使能出光。

在其中一个实施例中，所述调焦控制系统还包括第二信号单元和激光器；所述控制单元还用于在所述调焦单元的运动量达到所述第二位移量时，控制第二信号单元亮起，并控制激光器使能出光。

上述调焦控制方法及调焦控制系统，先校准调焦单元和打标平面的位置，得到调焦单元跟随打标平面移动的位移量函数关系，再对打标平面的位移实时监测，接着在打标平面位移量超过第一设定值且不超过第二设定值时，根据位移量函数关系作相应计算，从而得到调焦单元所需移动的位移量，再控制驱动单元带动调焦单元运动，避免了调焦单元的频繁运动，在调焦单元的运动量达到该位移量时，控制驱动单元停止驱动，从而完成自动调焦。因此，该方法在校准后，可根据打标平面位置的变动量进行相应计算，从而自动调节激光打标机的激光束的焦点位置，以实现激光束的焦点始终位于打标平面上，省去了人工调焦方式的诸多不便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为一实施方式提供的调焦控制系统的结构框图；

图2为一实施方式中调焦控制方法中校准流程的流程示意图；

图3为图2所示实施方式中调焦控制方法中步骤S110的其中一个实施例的流程示意图；

图4为一实施方式中调焦控制方法中调焦流程的流程示意图；

图5为一实施方式中调焦控制方法的其中一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参考图1，一实施方式提供了一种调焦控制方法，用于自动调节激光打标机的激光束的焦点位置。与该调焦控制方法相对应的调焦控制系统包括测距单元10、控制单元20、驱动单元30及调焦单元40。该调焦控制方法包括校准流程和调焦流程。请参考图2，校准流程包括：

步骤S110，预先确定基准打标平面及激光打标机的调焦单元40的原点位置，其中，激光束的焦点位于基准打标平面上时，调焦单元40的当前位置为原点位置。

其中，激光打标机可以是CO₂前聚焦激光打标机。目前，CO₂前聚焦激光打标机使用的是线性三维调焦系统，可实现大范围打标的需要，用以满足不断提高的精度要求、不断增大的加工尺寸范围以及加工效率提升的需求。

在一实施例中，请参考图3，步骤S110具体包括：

步骤S111，在测距单元10测量范围的中心位置上设置基准打标平面。

步骤S112，调整调焦单元40的位置，当激光束的焦点位于基准打标平面上时，确定调焦单元40所在位置为原点位置。

具体地，先设立基准打标平面，即在测距单元10测量范围的中心位置上设置打标平面，该打标平面即为基准打标平面。再开启激光器，小能量出光，手动调节调焦单元40的位置，使激光束的焦点处于基准打标平面上，也就是说，此时基准打标平面所在位置为焦点位置，调焦单元40的当前位置设置为原点位置。那么，在调焦单元40自动运行后，驱动单元30将以此原点位置为中心拖动调焦单元40前后运动。其中，测距单元10可以是位移传感器。该位移传感器可对打标平面位移的变化量进行高速、高精度实时监测。该位移传感器可采用基恩士IL-600CMOS高速、高精度激光位移传感器，采样周期0.33/1/2/5ms可调，重复精度50um，最大测量范围1000mm，高精度的激光位移传感器可确保打标平面的微小移动也能被检测到。

步骤S120，移动激光打标机的打标平面，并调节调焦单元40的位置，使得激光束的焦点仍然落到移动后的打标平面上，并根据打标平面相对于基准打标平面的位移量和调焦单元40相对于原点位置的位移量，得到调焦单元40跟随打标平面移动的位移量函数关系。

具体地，先移动处于基准打标平面的打标平面，确定打标平面相对于该基准打标平面的位移量X。再调节处于原点位置的调焦单元40，使得激光束的焦点仍然落到移动后的打标平面上，确定调焦单元40相对于该原点位置的位移量Y。接着将打标平面的位移量X与调焦单元40的位移量Y进行计算，即可得到打标平面与调焦单元40位移量之间的函数关系，该函数关系即为位移量函数关系。那么，在自动运行后，根据打标平面的位移量和该函数关系，便可计算出调焦单元40需要移动的位移量，以实现高精度的自动调节。另外，考虑到只测取打标平面和调焦单元40的各一组位移量以获得函数关系，会存在偏差过大的问题，也可以采取测量多组数据取平均值的方法，得到更为准确的函数关系。如分别测取相对于该基准打标平面的打标平面位移量X1、X2、X3……X10，再分别对应测取相对于该原点位置的调焦单元40的位移量Y1、Y2、Y3……Y10，接着再进行相应的数学计算X1/Y1、X2/Y2、X3/Y3……X10/Y10，最后将各组结果相加后取平均值，即得到更为准确的函数关系。

在一实施例中，步骤S120具体包括：

移动打标平面到测距单元10测量范围的最远处，并调节调焦单元40的位置，使得激光束的焦点仍然落到移动后的打标平面上，确定调焦单元40当前位置为第一极限位置，且根据打标平面相对于基准打标平面的位移量和调焦单元40相对于原点位置的位移量，得到调焦单元40跟随打标平面移动的位移量函数关系。

具体地，在打标平面处于基准打标平面时，先将打标平面移动到测距单元10测量范围的最远处，即位移量为X。开启激光器，以小能量出光，手动调节调焦单元40的位置，使激光束的焦点仍然落到移动后的打标平面上，此时调焦单元40的位移量为Y，此时，将该调焦单元40的当前位置设置为第一极限位置，即限位1。那么，第一极限位置相对于原点位置对称的位置为第二极限位置，即限位2。在调焦单元40自动运行后，调焦单元40将在限位1和限位2之间往复运动。接着将打标平面的位移量X与调焦单元40的位移量Y进行计算，即可得到打标平面与调焦单元40位移量之间的函数关系，该函数关系即为位移量函数关系。

请参考图4，调焦流程包括：

步骤S210，获取测距单元10实时监测的打标平面相对于基准打标平面的第一位移量。

其中，测距单元10对打标平面进行实时监测，并采集打标平面相对于基准打标平面的位移量，并将采集到的打标平面的位移变化量通过模拟量发送给控制单元20。

步骤S220，当第一位移量超过第一设定值且不超过第二设定值时，根据位移量函数关系对第一位移量进行计算，得到调焦单元40相对于原点位置需要移动的第二位移量，并将第二位移量发送至驱动单元30；

具体地，控制单元20接收到测距单元10实时发送的打标平面相对于基准打标平面的第一位移量，判断出第一位移量超过第一设定值且不超过第二设定值时，根据前面所得到的函数关系对该第一位移量进行计算，从而得到调焦单元40相对于原点位置需要移动的第二位移量。控制单元20将第二位移量由模拟量转化为数字量后，再发送至驱动单元30。其中，第一设定值可以根据第一位移量和前面得到的位移量函数关系得到的第二位移量来设定，如为避免调焦单元40做过于频繁的微小运动，在第二位移量不超过设定阈值时，按照位移量函数关系所得到的位移量即为第一设定值。第一设定值也可以由使用者根据系统精度、灵敏度要求具体设置。该第一设定值的设置可以用来调节系统的精度、灵敏度，滤除外部扰动，避免调焦单元40做过于频繁的微小运动，减少无用功率，提高整机效率，同时还减少设备磨损，调高设备效率及使用寿命，节约能源。第二设定值可以根据测距单元10的测量范围设定，也可以根据实际情况进行设定，以确保调焦单元40在第一极限位置和第二极限位置之间运动，以免调焦单元40位移量超限而造成激光打标机的损坏。

另外，控制单元20还自带RS485串口，可通过自由口模式与第三方设备通讯。使用发送指令和接收指令通过串行端口在控制单元20和驱动单元30之间进行通信，运动指令得以发送给驱动单元30。驱动单元30带有RS232串口通讯，需要将RS485与RS232通信方式进行转化即可建立控制单元20和驱动单元30之间的连接，这里可采用宇泰科技UT-204E的高性能工业级RS232/RS485转化器进行转换，控制单元20设置为自由口通讯，驱动单元30通过串口通讯接收控制单元20发出的运动指令。

步骤S230，控制驱动单元30驱动调焦单元40运动，当调焦单元40的运动量达到第二位移量时，控制驱动单元30停止驱动。

具体地，驱动单元30接收到控制单元20发送的运动指令，根据该运动指令带动调焦单元40运动，当调焦单元40的运动量达到第二位移量时，驱动单元30不再带动调焦单元40运动，也即此时激光束的焦点正好处于打标平面上。其中，驱动单元30可采用德国高性能FAULAHABER MCBL3002SRS运动控制器和1628T024B直流无刷伺服电机及16/7 14:1行星减速箱。FAULAHABER1628T024B直流无刷伺服电机最高转速30000rpm，配备的线性霍尔传感器的编码器分辨率达到3000inc./rev，采用稀土制成的电机转子以及FAULHABER斜绕组技术确保电机高可靠性、运转平稳性、高静谧性等顶级的动力学性能，匹配的行星减速机用来提高输出扭矩，确保驱动系统能够输出足够的扭矩来拖动调焦系统。

上述调焦控制方法，先校准调焦单元40和打标平面的位置，得到调焦单元40跟随打标平面移动的位移量函数关系，再对打标平面的位移实时监测，接着在打标平面位移量超过第一设定值且不超过第二设定值时，根据位移量函数关系作相应计算，从而得到调焦单元40所需移动的位移量，再控制驱动单元30带动调焦单元40运动，避免了调焦单元40的频繁运动，在调焦单元40的运动量达到该位移量时，控制驱动单元30停止驱动，从而完成自动调焦。因此，该方法在校准后，可根据打标平面位置的变动量进行相应计算，从而自动调节激光打标机的激光束的焦点位置，以实现激光束的焦点始终位于打标平面上，省去了人工调焦方式的诸多不便。

在一实施例中，该调焦流程还包括：当第一位移量超过第二设定值时，控制第一信号单元22亮起，并限制激光器21使能出光。

具体地，控制单元20判断出测距单元10发送的第一位移量已经超过第二设定值时，控制单元20确定该第一位移量数据无效，限制激光器21使能出光，并点亮第一信号单元22，发出报警信号，指示打标平面的位移量超限，此时控制单元20不再向驱动单元30发送运动指令。因此，在遇到异常情况时，调焦控制系统可自动决定限制激光器21使能，有效地对打标机及操作人员进行保护；而自带的状态指示，方便操作人员读取调焦控制系统当前的状态。其中，第一信号单元22包括指示灯，指示灯可以是ALARM指示灯。

在一实施例中，该调焦流程还包括：当第一位移量不超过第一设定值时，返回获取测距单元10实时监测的打标平面相对于基准打标平面的第一位移量的步骤。

具体地，首先控制单元将打标平面的第一位移量按位移量函数关系转化为调焦单元所要移动的第二位移量，当控制单元20判断出调焦单元40所要移动的第二位移量还没超过调焦单元40的调节阈值时，判断出第一位移量不超过第一设定值，控制单元20不会向驱动单元30发送运动指令，而是再重新获取测距单元10所发送的打标平面相对于基准打标平面的又一次的位移量。其中，第一设定值的设定可有效避免调焦单元40做过于频繁的微小运动，减少无用功率，提高整机效率。

在一实施例中，该调焦流程还包括：当调焦单元40的运动量达到第二位移量时，还控制第二信号单元23亮起，并控制激光器21使能出光。

具体地，在驱动单元30带动调焦单元40移动时，控制单元20限制激光器21使能出光，同时第二信号单元23慢闪，当判断出调焦单元40的位移量已经达到所要移动的位移量时，控制单元20允许激光器21使能出光，并控制第二信号单元23常亮，指示激光束的焦点已处于打标平面上，即已完成自动调焦。另外，在调节焦点的过程中，禁止激光器21使能出光，焦点调节完毕后，允许激光器21使能出光。可实现对焦才出激光，出光必在焦点的较优设计理念。焦点状态检测有助于精细化生产、节约能源，提高效率，减少能量浪费，实现环保节能，为客户节约资源。其中，第二信号单元23包括指示灯，指示灯可以是READY指示灯。

请参考图5，为一实施例中调焦控制方法的整体步骤，具体如下：在测距单元10测量范围的中心位置处设置基准打标平面，再调节调焦单元40，当激光束的焦点位于打标平面上时，则调焦单元40的当前位置设置为原点位置。再移动打标平面,使打标平面相对于基准打标平面的位移为X，再调节调焦单元40，使得激光束的焦点又位于打标平面上，确定调焦单元40相对于原点位置的位移为Y，两者计算得到对应的位移量函数关系。也可多次测量打标平面和调焦单元40的位移，多次相比取平均值。还可将打标平面移动到测距单元10测量范围的最远处，再调节调焦单元40的位置，使得激光束的焦点又落于打标平面上，以此确定调焦单元40的第一极限位置，第二极限位置为第一极限位置相对于原点位置对称的位置。在测距单元10检测到打标平面移动时，若位移量超限则控制单元20发送出超限的警报信息，若打标平面的位移量未超限，控制单元20按照位移量函数关系将打标平面的位移量转化为调焦单元40的位移量。接着控制单元20判断调焦单元40的位移量未超过调节阈值时，再重新获取打标平面的位移量进行计算。若超过调节阈值，控制单元20控制驱动单元30驱动调焦单元40运动，直至调焦完成。在调焦过程中，控制单元20限制激光器21使能出光，在调焦结束后，控制单元20控制READY指示灯常亮，并且激光器21使能出光。在完成一次打标后，又重新检测打标平面相对于基准打标平面的移动，开始下一次的自动调焦。

请继续参考图1，一实施方式提供了一种调焦控制系统，该调焦控制系统包括测距单元10、控制单元20、驱动单元30及调焦单元40。

调焦单元40用于在驱动单元30的带动下使激光束的焦点位于打标平面上。

测距单元10用于实时监测打标平面的运动情况，并将打标平面的位移量发送至控制单元20。

控制单元20用于获取测距单元10实时监测的打标平面相对于基准打标平面的第一位移量。还用于当第一位移量超过第一设定值且不超过第二设定值时，根据位移量函数关系对第一位移量进行计算，得到调焦单元40相对于原点位置需要移动的第二位移量，并将第二位移量发送至驱动单元30。还用于控制驱动单元30驱动调焦单元40运动，当调焦单元40的运动量达到第二位移量时，控制驱动单元30停止驱动。

驱动单元30用于在控制单元20的控制下，驱动调焦单元40运动。

在一实施例中，请继续参考图1，控制单元20还包括转换器24。转换器用于建立控制单元20和驱动单元30之间的通信连接。具体地，控制单元20自带RS485串口，而驱动单元30带有RS232串口通讯，那么采用RS232/RS485转化器即可将RS485与RS232通信方式进行转化，也就是说建立了控制单元20和驱动单元30之间的通信连接。

在一实施例中，请继续参考图1，调焦控制系统还包括第一信号单元22和激光器21。控制单元20用于在第一位移量超过第二设定值时，控制第一信号单元22亮起，并限制激光器21使能出光。具体地，控制单元20判断出测距单元10发送的第一位移量已经超过第二设定值时，控制单元20确定该第一位移量数据无效，限制激光器使能出光，并点亮第一信号单元22，发出报警信号，指示打标平面的位移量超限。其中，第一信号单元22包括指示灯，指示灯可以是ALARM指示灯。第二设定值可以根据测距单元10的测量范围设定，也可以根据实际情况进行设定，以确保调焦单元40在该设定值范围内运动，以免调焦单元40位移量超限而造成激光打标机的损坏。

在一实施例中，请继续参考图1，调焦控制系统还包括第二信号单元23和激光器21。控制单元20还用于在调焦单元40的运动量达到第二位移量时，控制第二信号单元23亮起，并控制激光器21使能出光。具体地，在驱动单元30带动调焦单元40移动时，控制单元20限制激光器21使能出光，同时第二信号单元23慢闪，当判断出调焦单元40的位移量已经达到所要移动的位移量时，控制单元20允许激光器21使能出光，并控制第二信号单元23常亮，指示激光束的焦点已处于打标平面上，即已完成自动调焦。另外，在调节焦点的过程中，禁止激光器21使能出光，焦点调节完毕后，允许激光器21使能出光。实现对焦才出激光，出光必在焦点的较优设计理念。焦点状态检测有助于精细化生产、节约能源，提高效率，减少能量浪费，实现环保节能，为客户节约资源。其中，第二信号单元23包括指示灯，指示灯可以是READY指示灯。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。