CN115351427A - 动态聚焦激光打标机的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种动态聚焦激光打标机的加工方法，涉及激光打标领域技术，通过用面积较大的激光光斑对预热区域进行低温预热，控制器根据温度传感器实时监测的温度信息，逐渐增加激光功率，使激光光斑照射在预热区域的温度由低逐渐升高，使预热区域的结构强度相对软化，从而有效避免了打标位置从打标开始到打标结束长时间受到高密度高温度的激光束而产生较大内用力导致的炸裂问题，或打标物温差过大导致的炸裂问题，以及，有效避免了打标位置周缘受热不均导致开裂或炸裂的问题。使用双激光头进行加工，第一激光头对预热区域进行预热，位于第一激光头侧旁的第二激光头对预热完成的区域进行激光打标，从而大大缩短了加工时间，提升了生产效率。

Description

动态聚焦激光打标机的加工方法
技术领域
本发明涉及激光打标领域技术，尤其是指一种动态聚焦激光打标机的加工方法。
背景技术
随着激光加工领域的快速发展，激光打标技术的应用越来越广泛，包括消费电子、生活品、工艺品等等。
在使用激光打标机对一些特殊的打标物进行雕刻时，例如，金属或玻璃材料等，由于待雕刻打标物的温度过低，而接触到激光后部分打标物的温度骤升，导致物料各部分温差过大，温差过大可能会使得物料炸裂，造成物料的损毁。以及，在加工结构强度较高的打标物时，打标位置从打标开始就受到高密度高温度的激光束照射，在加工一段时间后，打标物内部结构发生变化，产生较大内用力而导致炸裂。
为了解决打标导致炸裂的问题，现有打标机首先是使用较低密度较低温度的激光束对打标位置进行打标，随着加工时间的推移，逐渐增加激光束的密度和温度，从而有效解决打标物炸裂的问题，但是这种加工方式，还是存在着炸裂的问题，原因是在于：打标位置周缘位置受热不均匀，导致打标位置和周缘位置温差较大或受内应力不一致，从而导致打标物炸裂。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种动态聚焦激光打标机的加工方法，其解决了打标物炸裂的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：一种动态聚焦激光打标机的加工方法，包括以下步骤：
将打标物放置于加工区上，并位于扫描头的下方；
在控制器上设定工艺参数，工艺参数包括打标图案、预热区域、预热温度、激光光斑大小、激光密度和激光扫描速度；开机，打标机开始工作；
激光位移传感器根据激光三角测量技术，得到打标物打标面与扫描头的距离信息；
温度传感器感应打标面的温度，得到打标物的打标面的温度信息；
进入预热模式：控制器根据距离信息和温度信息，控制摆动电机带动光路组件移动，使扫描头射出的激光光斑变大到预定光斑大小，此时的激光光斑能量密度低，照射面积大；激光光斑照射到打标面上的预热区域开始加温预热，温度传感器实时监测打标面的温度信息，控制器根据实时监测的温度信息，逐渐增加激光功率，使激光光斑照射在预热区域的温度由低逐渐升高，直至达到预热温度；
进入打标模式：当温度传感器感应打标面的温度达到预热温度后，进入打标模式，控制器再次根据距离信息，再次控制摆动电机带动光路组件移动，直至打标焦距基本等于扫描头与打标面之间的距离；激光发射器发出激光束，激光束依次经过光路组件和扫描头后打在预热区域上；扫描头用于控制打标激光束以扫描的方式依次打在打标面；光路组件用于改变激光束的打标焦距，控制器根据实时监测的距离信息，控制摆动电机带动光路组件移动调节，以适应打标面不同位置的高低起伏变化。
在一个实施例中，在所述预热模式中，当激光光斑变大到最大激光光斑后，最大激光光斑持续对预热区域加温预热，直至达到预热温度。
在一个实施例中，在所述预热模式中，当激光束功率增大到最大功率值后，最大功率的激光束持续对预热区域加温预热，直至达到预热温度。
在一个实施例中，当预定光斑无法完全覆盖预热区域时，将预热区域分成n个子区域，n＞1，激光束对第一子区域预热和打标完成后，对第二子区域预热和打标，依次进行，直到第n个子区域完成打标。
在一个实施例中，在所述打标模式中，激光束垂直于所述打标物打标面进行激光打标；或者，激光束非垂直于所述打标物打标面进行激光打标，此时，打标面为反光面，于反光面上打标出防伪标识。
在一个实施例中，所述温度传感器是非接触式辐射温度传感器。
在一个实施例中，在打标模式中，利用补偿公式对所述测量距离进行补偿，获得补偿距离，补偿的公式如下：
Figure 664608DEST_PATH_IMAGE001
其中，a、b分别为线性回归模型的系数参数，L为线性回归模型的补偿值，R为打标面的反射率，X1为根据激光头内部温度补偿的距离，X0为补偿距离。
在一个实施例中，所述X1的补偿公式为：
Figure 909645DEST_PATH_IMAGE002
K表示温度斜率，T表示激光头内部温度，x2表示拟合后的初始距离；其中，K的计算方式为：
Figure 954961DEST_PATH_IMAGE003
c、d、e分别为线性回归模型的系数参数，X为激光位移传感器测量距离。
一种动态聚焦激光打标机的加工方法，包括，使用双激光头进行加工，第一激光头对预热区域进行预热，位于第一激光头侧旁的第二激光头对预热完成的区域进行激光打标，且第一激光头和第二激光头彼此之间的距离通过不同伺服电机调节。
在一个实施例中，所述第一激光头和第二激光头彼此之间的距离，包括：第一激光头和第二激光头彼此之间的X轴上和Y轴上距离，第一激光头和第二激光头不同方向上的移动，通过各伺服电机控制移动。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：
一、通过用面积较大的激光光斑对预热区域（打标位置+打标位置周缘）进行低温预热，控制器根据温度传感器实时监测的温度信息，逐渐增加激光功率，使激光光斑照射在预热区域的温度由低逐渐升高，使预热区域的结构强度相对软化，从而有效避免了打标位置从打标开始到打标结束长时间受到高密度高温度的激光束而产生较大内用力导致的炸裂问题，或打标物温差过大导致的炸裂问题，以及，有效避免了打标位置周缘受热不均导致开裂或炸裂的问题，保证了加工的安全性和降低了生产成本。
二、使用双激光头进行加工，第一激光头对预热区域进行预热，位于第一激光头侧旁的第二激光头对预热完成的区域进行激光打标，从而大大缩短了加工时间，提升了生产效率。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的打标机的立体图；
图2是本发明实施例提供的光路组件的立体图。
附图标记：
10、机架 101、加工区
20、激光打标头 21、壳体
22、激光发生器
231、摆头电机 232、凸轮
233、连接带 234、镜片安装架
24、扫描头 30、激光位移传感器
40、温度传感器。
具体实施方式
为了使本申请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，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图2所示，本加工方法是利用打标机完成，所述打标机包括：机架10，具有加工区101，打标物置于加工区101。所述机架10上设有激光头20，所述激光头20包括壳体21，所述壳体21内部沿所述激光头的长度方向依次连接有激光发生器22、光路调节机构和扫描头24，激光发生器22与激光器连接。所述壳体21的外表面设有激光位移传感器30，所述激光位移传感器30位于所述扫描头24的侧旁，扫描头24内设有反射透镜机构。
所述光路调节机构包括支架（未示）、摆头电机231、凸轮232、连接带233以及光路组件，所述光路组件包括安装有镜片的镜片安装架234，镜片安装架234上包括至少1个固定的凸透镜和至少1个活动的凹透镜。所述支架设于所述壳体21内；所述摆头电机231安装于所述支架上；所述凸轮232设于所述摆头电机231的输出轴上，所述摆头电机231驱动所述凸轮232转动。所述镜片安装架234滑动设置于所述支架，所述连接带233连接所述凸轮232和所述镜片安装架234，所述凸轮232带动所述连接带233移动，所述镜片安装架234随所述连接带233于所述支架上往复滑动，以调节聚焦距离。镜片安装架234只能进行直线往复滑动，同时，凸轮232通过连接带233来完成对镜片安装架234的驱动，避免了铰接点的形成，传动精度更高，相应速度更快。
第一实施例：
本申请提供一种动态聚焦激光打标机的加工方法，包括以下步骤：
将打标物放置于加工区101上，并位于扫描头24的下方。
在控制器上设定工艺参数，工艺参数包括打标图案、预热区域（打标位置+周围区域）、预热温度、激光光斑大小、激光密度和激光扫描速度，当然，工艺参数还可以包括激光开关间歇时间、激光功率等；开机，打标机开始工作。
激光位移传感器30根据激光三角测量技术，得到打标物打标面与扫描头24的距离信息；激光三角测量技术为现有技术，本处不再详述。
温度传感器40感应打标物表面的温度，得到打标物的打标面的温度信息，温度传感器40位于扫描头24的侧旁，并远离所述激光位移传感器30一侧。
进入预热模式：控制器根据距离信息和温度信息，控制摆动电机231带动光路组件移动，使扫描头24射出的激光光斑变大到预定光斑大小，此时的激光光斑能量密度低，即激光光斑的温度较低，照射面积大，从而能照射到更广的预热区域，节省预热时间。激光光斑照射到预热区域开始加温预热，温度传感器实时监测打标面的温度信息，控制器根据实时监测的温度信息，逐渐增加激光功率，使激光光斑照射在预热区域的温度由低逐渐升高，直至达到预热温度。通过用面积较大的激光光斑对预热区域（打标位置+打标位置周缘）进行低温预热，控制器根据温度传感器实时监测的温度信息，逐渐增加激光功率，使激光光斑照射在预热区域的温度由低逐渐升高，使预热区域的结构强度相对软化，从而有效避免了打标位置从打标开始到打标结束长时间受到高密度高温度的激光束而产生较大内用力导致的炸裂问题，或打标物温差过大导致的炸裂问题，以及，有效避免了打标位置周缘受热不均导致开裂或炸裂的问题，保证了加工的安全性和降低了生产成本。
进入打标模式：当温度传感器40感应打标面的温度达到预热温度后，进入打标模式，控制器再次根据距离信息，再次控制摆动电机231带动光路组件移动，直至打标焦距基本等于扫描头24与打标物表面之间的距离；激光发射器22发出打标激光束，打标激光束依次经过光路组件和扫描头24后打在预热区域上；扫描头24用于控制打标激光束以扫描的方式依次打在打标面进行打标；光路组件用于改变打标激光束的打标焦距，控制器根据实时监测的距离信息，控制摆动电机231带动光路组件移动调节，以适应打标物表面不同位置的高低起伏变化。
可选地，扫描头24内设有反射镜，反射镜的角度可调，从而实现激光束不同角度的射出。
在所述预热模式中，当激光光斑变大到最大激光光斑后，最大激光光斑持续对预热区域加温预热，直至达到预热温度。在所述预热模式中，当激光束功率增大到最大功率值后，最大功率的激光束持续对预热区域加温预热，直至达到预热温度。
当预定光斑无法完全覆盖预热区域时，将预热区域分成n个子区域，n＞1，激光束对第一子区域预热和打标完成后，对第二子区域预热和打标，依次进行，直到第n个子区域完成打标。
在所述打标模式中，激光束垂直于所述打标物打标面进行激光打标；或者，激光束非垂直于所述打标物打标面进行激光打标，此时，打标面为反光面，或者打标面上涂有反光材料，于反光面上打标出防伪标识，当观看角度产生转换时，能够用肉眼观察到防伪标识的清晰度的明显的变化趋势，从而使防伪效果进一步得到了提高。
所述温度传感器是非接触式辐射温度传感器。当然，温度传感器还可以是其它非接触式温度传感器或其它接触式温度传感器，不以局限。
在打标模式中，利用补偿公式对所述测量距离进行补偿，获得补偿距离，偿的公式如下：
Figure 553433DEST_PATH_IMAGE001
其中，a、b分别为线性回归模型的系数参数，L为线性回归模型的补偿值，R为打标面的反射率，X1为根据激光头内部温度补偿的距离，X0为补偿距离。打标物表面的光反射率和激光头20内部温度是影响测距信息的重要因素，通过对这两个因素产生的测距误差进行补偿，从而使测距信息更加的精准。
可选地，激光头内部设有内部温度传感器用于检测激光头20的内部温度，具体的，内部温度传感器位于激光位移传感器30的感光元件之感光区的侧旁。
所述X1的补偿公式为：
Figure 367805DEST_PATH_IMAGE002
K表示温度斜率，T表示激光头内部温度，x2表示拟合后的初始距离；其中，K的计算方式为：
Figure 455847DEST_PATH_IMAGE003
c、d、e分别为线性回归模型的系数参数，X为激光位移传感器测量距离。从***的角度考虑温度引起激光位移传感器测量误差的影响，并从***的角度改善温漂影响因子。且提出温度补偿算法，进一步减小温度引起的测量误差。
第二实施例：
本申请还提供一种动态聚焦激光打标机的加工方法，包括，使用双激光头进行加工，用双激光头进行加工时，第二激光头上无需设置温度传感器。第一激光头对预热区域进行预热，位于第一激光头侧旁的第二激光头对预热完成的区域进行激光打标，且第一激光头和第二激光头彼此之间的距离通过不同伺服电机实时调节。
可选地，第一激光头和第二激光头彼此之间的距离，包括：第一激光头和第二激光头彼此之间的X轴上和Y轴上距离，第一激光头和第二激光头不同方向上的移动，通过各伺服电机控制移动。
预热区域或子区域为多个时，先在控制器上设置各预热区域或子区域之间的距离。设备启动后，第一激光头对第一预热区域或第一子区域进行预热，预热完成后，移动打标物或控制第一激光头和第二激光头移动，使第一激光头对第二预热区域或第二子区域进行预热，同时，第二激光头对第一预热区域进行打标，依次进行，直至全部预热区域或全部子区域打标完成。
第二实施例相较第一实施例，使用双激光头进行加工，大大缩短了加工时间，提升了生产效率。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动态聚焦激光打标机的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
将打标物放置于加工区上，并位于扫描头的下方；
在控制器上设定工艺参数，工艺参数包括打标图案、预热区域、预热温度、激光光斑大小、激光密度和激光扫描速度；开机，打标机开始工作；
激光位移传感器根据激光三角测量技术，得到打标物的打标面与扫描头的距离信息；
温度传感器感应打标面的温度，得到打标面的温度信息；
进入预热模式：控制器根据距离信息和温度信息，控制摆动电机带动光路组件移动，使扫描头射出的激光光斑变大到预定光斑大小，此时的激光光斑能量密度低，照射面积大；激光光斑照射到打标面上的预热区域开始加温预热，温度传感器实时监测打标面的温度信息，控制器根据实时监测的温度信息，逐渐增加激光功率，使激光光斑照射在预热区域的温度由低逐渐升高，直至达到预热温度；
进入打标模式：当温度传感器感应打标面的温度达到预热温度后，进入打标模式，控制器再次根据距离信息，再次控制摆动电机带动光路组件移动，直至打标焦距基本等于扫描头与打标面之间的距离；激光发射器发出激光束，激光束依次经过光路组件和扫描头后打在预热区域上；扫描头用于控制激光束以扫描的方式依次打在预热区域进行打标；光路组件用于改变打标激光束的打标焦距，控制器根据实时监测的距离信息，控制摆动电机带动光路组件移动调节，以适应打标物表面不同位置的高低起伏变化。
2.根据权利要求1所述的动态聚焦激光打标机的加工方法，其特征在于：在所述预热模式中，当激光光斑变大到最大激光光斑后，最大激光光斑持续对预热区域加温预热，直至达到预热温度。
3.根据权利要求2所述的动态聚焦激光打标机的加工方法，其特征在于：在所述预热模式中，当激光束功率增大到最大功率值后，最大功率的激光束持续对预热区域加温预热，直至达到预热温度。
4.根据权利要求1所述的动态聚焦激光打标机的加工方法，其特征在于：当预定光斑无法完全覆盖预热区域时，将预热区域分成n个子区域，n＞1，激光束对第一子区域预热和打标完成后，对第二子区域预热和打标，依次进行，直到第n个子区域完成打标。
5.根据权利要求1所述的动态聚焦激光打标机的加工方法，其特征在于：在所述打标模式中，激光束垂直于所述打标面进行激光打标；或者，激光束非垂直于所述打标面进行激光打标，此时，打标面为反光面，于反光面上打标出防伪标识。
6.根据权利要求1所述的动态聚焦激光打标机的加工方法，其特征在于：所述温度传感器是非接触式辐射温度传感器。
7.根据权利要求1所述的动态聚焦激光打标机的加工方法，其特征在于：在打标模式中，利用补偿公式对所述测量距离进行补偿，获得补偿距离，补偿的公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，a、b分别为线性回归模型的系数参数，L为线性回归模型的补偿值，R为打标面的反射率，X1为根据激光头内部温度补偿的距离，X0为补偿距离。
8.根据权利要求7所述的动态聚焦激光打标机的加工方法，其特征在于：所述X1的补偿公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
K表示温度斜率，T表示激光头内部温度，x2表示拟合后的初始距离；其中，K的计算方式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
c、d、e分别为线性回归模型的系数参数，X为激光位移传感器测量距离。
9.一种动态聚焦激光打标机的加工方法，其特征在于，包括，使用双激光头进行加工，第一激光头对预热区域进行预热，位于第一激光头侧旁的第二激光头对预热完成的区域进行激光打标，且第一激光头和第二激光头彼此之间的距离通过不同伺服电机调节；
预热区域或子区域为多个时，先在控制器上设置各预热区域或子区域之间的距离；设备启动后，第一激光头对第一预热区域或第一子区域进行预热，预热完成后，移动打标物或控制第一激光头和第二激光头移动，使第一激光头对第二预热区域或第二子区域进行预热，同时，第二激光头对第一预热区域进行打标，依次进行，直至全部预热区域或全部子区域打标完成。
10.根据权利要求9所述的动态聚焦激光打标机的加工方法，其特征在于：所述第一激光头和第二激光头彼此之间的距离，包括：第一激光头和第二激光头彼此之间的X轴上和Y轴上距离，第一激光头和第二激光头不同方向上的移动，通过各伺服电机控制移动。
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