一种曲面激光打标机的制作方法

本发明实施方式涉及激光打标领域，特别是涉及一种曲面激光打标机及打标方法。

背景技术：

激光打标机一般是用激光束照在包括金属等不同的物质表面雕刻出文字等标记，打标的效应是通过表层物质的蒸发露出深层物质，从而刻出精美的图案、商标和文字。激光打标技术已被广泛的应用于各行各业,为优质,高效,无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。

但是，目前市面上的激光打标机产品是在平面上进行打标，受到平坦度的限制，国内还没有在曲面上进行激光打标的产品。

技术实现要素：

本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种曲面激光打标机及打标方法，能够在曲面上进行打标。

本发明专利采用的技术方案如下：一种曲面激光打标机，包括：红外激光器，激光发射头，移动平台，样品台和对焦扫描系统；移动平台用于移动样品与激光发射头相对位置，可以利用移动平台来移动样品，如样品不方便移动也可以利用移动平台移动激光发射头(如通过传能光纤)；以下我们以利用移动平台来移动样品为例。所述样品台设置在所述工作平台上，用于承载工件并可移动；所述对焦扫描系统，设置在工作台上，用于对工件进行对焦打标；控制系统，设置在工作台一侧，用于控制各电机。

其中，

更进一步，所述工作平台的一侧设置有散热箱，所述散热箱可包括两个相对的激光器散热片。

更进一步，所述红外激光器位于散热箱内，优选脉冲波长1064nm，脉宽为3-10ns。

更进一步，所述样品台包括驱动电机和两个导轨，设置在所述样品台下，用于驱动样品台进行移动；凹槽式固定结构，设置在所述样品台上，用于固定工件。

更进一步，所述对焦扫描系统包括底部安装板、丝杆、导轨、设置于该导轨上的可上下移动的滑块、与所述滑块固定连接的由所述丝杆驱使上下移动的升降底座、设置于该升降底座上的对焦扫描支架、及设置于该对焦扫描支架顶部的对焦扫描组件，底部安装板固定于工作台上，对焦扫描部件位于机台的上方。

更进一步，所述底部安装板上固定有丝杆支架，该丝杆可转动地设置于该丝杆支架上，所述导轨为两根,该两根导轨并列固定于该丝杆支架的背面，于每一所述导轨上分别设有至少两个所述滑块。

更进一步，所述丝杆支架的底部上按输出轴向下地固定有所述电机，该电机的输出轴、丝杆的下端贯穿所述丝杆支架的底部。

更进一步，所述丝杆上套设有丝杆螺母连接座，所述丝杆螺母连接座与所述升降底座固定连接，侧控上设有限位块，在所述丝杆支架的上端、下端分别对应该限位块设有限位开关。

更进一步，所述对焦扫描部件包括盒体，于该盒体中横向设有投影仪、摄像头、激光发射头。其中，所述激光发射头的后端与所述工作台中的红外激光器通过光纤进行连接，其前端设有扫描振镜，向下有光学镜组。投影仪能够照亮整个样品台，设置在盒体中间位置。

更进一步，所述摄像头由可调夹持仪固定。

更进一步，所述激光发射头为圆柱体，所述盒体的内侧底面设置支座。采用弹性扣对激光发射头进行固定。

更进一步，所述控制系统包括控制电脑，以及与该电脑相连接的显示器、鼠标、键盘，设置在工作台一侧。

本发明专利的有益效果如下：本发明设计的结构简单合理，能够实现在曲面上进行激光打标，拓宽了激光打标的应用范围，工作性能稳定，工作效率高，能够有效地利用在企业生产上。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是对焦扫描系统的结构示意图

图3是对焦扫描部件示意图

图4是摄像头像素坐标和世界坐标之间的关系示意图

其中，工作台1，散热箱2，样品移动台3，对焦扫描系统4，控制系统5，红外激光器6，夹具7，导轨8，底部安装板9，电机10，丝杆支架11，导轨12，滑块13，升降底座14，对焦扫描支架15，扫描部件16，丝杆支架17，丝杆螺母连接座91，限位块92，限位开关93、94，盒体161，激光发射头162、投影仪163、摄像头164，数码相机18，被测物19，结构光投影器20。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

图1为本发明的结构示意图，图2为对焦扫描系统的结构示意图，图3为对焦扫描部件的结构示意图，图4是摄像头像素坐标和世界坐标之间的关系示意图。

如图1所示，本发明提供了一种曲面激光打标机，包括工作台1，散热箱2，样品移动台3，对焦扫描系统4和控制系统5，红外激光器6，夹具7和导轨8。其中，所述散热箱2设于工作台1一侧，红外激光器6设于散热箱内。所述样品台3由电机控制可在导轨8上移动，该样品台上还设置夹具7用于固定工件。所述控制系统5与对焦扫描系统4和红外激光器6电连接。

图2为对焦扫描系统的结构示意图，如图所示，所述对焦扫描系统由底部安装板9、由电机10驱使转动的丝杆支架11、与该丝杆11并列设置的导轨12、设置于该导轨12上的可上下移动的滑块13、与所述滑块13同定连接的由所述丝杆支架11驱使上下移动的升降底座14、设置于该升降底座14上的对焦扫描支架15、及设罝于该对焦扫描支架15顶部的对焦扫描部件16,该对焦扫描部件16位于所述样品台3的上方。通过丝杆11驱动升降底座上下移动，从而能够调节对焦扫描部件16的水平高度，从而调整光学镜头组的焦距，获得所需要的激光。

所述底部安装板9上固定有丝杆支架17，丝杆11可转动地设置于该丝杆支架17上，所述导轨12为两根,该两根导轨并列固定于该丝杆支架17的背面，于每一所述导轨上分别设有至少两个所述滑块13。

于该丝杆支架的底部上按输出轴向下地固定所述电机12，该电机的输出轴、丝杆的下端贯穿所述丝杆支架17的底部.

所述丝杆11上套设有丝杆螺母连接座91，该丝杆螺母连接座91与所述升降底座14固定连接，该丝杆螺母连接座的侧控上设有限位块92，于该丝杆支架的上端、下端分别对应该限位块设有限位开关93、94。

所述对焦扫描部件16包括盒体161，于该盒体161中横向设有激光发射头162、投影仪163、摄像头164。其中，所述激光发射头162的后端与所述工作台中的红外激光器6通过光纤进行连接，其前端设有扫描振镜，向下有光学镜组。投影仪163能够照亮整个样品台，设置在盒体中间位置。

所述激光发射头162为圆柱体，所述盒体的内侧底面设置支座。采用弹性扣对激光发射头进行固定。

所述摄像头164由可调夹持仪固定。

所述控制系统包括控制电脑，以及与该电脑相连接的显示器、鼠标、键盘，设置在工作台一侧。

如图4所示，我们建立了摄像机成像平面坐标系(xc,yc,zc)和世界坐标系(xw,yw,zw)、以图像的左上方为原点的图像坐标系(u，v)(此坐标以像素为单位)，以及图像物理坐标系(x，y)为xoy坐标系(此坐标系以毫米为单位)。根据摄像机标定原理，首先进行刚体变换，这个过程就是世界坐标系中的一点到摄像机坐标系中的点，可以由一个旋转矩阵r和一个平移矢量t来描述，则存在如下刚体变换公式：

其中r为3x3的旋转矩阵(正交旋转矩阵)，t为3x1的平移矢量，上述关系表示世界坐标系中点m先作旋转再作平移，变换至摄像机坐标系。(1.1)化为齐次坐标形式有：

其中0＝[000]^t。

而从摄像机坐标系到图像物理坐标系(x，y)会经过一个透视投影，假设空间中任意一点m(xw，yw，zw)对应于摄像机成像坐标系下为m(xc，yc，zc)。根据摄像机孔径成像模型透镜成像焦距为f、物距u、相距v相机焦距之间的三角形比例关系，可以得到：

将上面的关系换成齐次坐标系即为

而像素坐标与图像平面坐标系存在关系：

dx,dy表示每个像元的长宽，u0和v0表示光轴与像平面的交点。

因此可得摄像机成像坐标系下m与像点m的像素坐标之间的变换关系：

根据上述公式，可以得到几个坐标系之间的对应关系，用于找到正确坐标信息。

使用时，打标方法是：将需要激光打标的工件放置在样品台上固定，根据打标需要先用对焦扫描系统对形貌进行三维扫描，如投影结构光建立坐标系。根据坐标信息，将激光聚焦到所需位置打出图案。为了在曲面上打出正确图案，需要进行图案转变，其中实现方式有两种：(1)曲面图案转化为平面信息，进行xy方向上的打标，z方向按照原始信息进行聚焦；(2)直接将图案放在曲面上，分别求xyz信息。然后进行逐点扫描，实现曲面打标。

本发明具有以下优点：

实现了在曲面上进行激光打标。整个系统利用基于结构光的3d重建获取形貌坐标信息，并且利用两种实现方式进行了图案转变，实现在曲面上打标，系统可以按照需要进行编程，扩大了激光打标的应用范围。

安全可靠，系统使用的激光波长可在1064nm左右，短时间照射下对人体不会造成伤害，安全性较好。

生产产品质量高，采用电脑控制，可进行自动对焦，加工产品质量较高，能够快速投入生产。

本发明设计的结构简单合理，能够实现在曲面上进行激光打标，拓宽了激光打标的应用范围，工作性能稳定，工作效率高，能够有效地利用在企业生产上。

上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明专利的优选实施例进行描述，并非对本发明专利的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。