CN115609162B - 一种自动调高式激光打标机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光打标技术领域，具体为一种自动调高式激光打标机，包括底座、升降柱、工作壳、光路组件、测距传感器、旋转组件，底座上设置竖直的升降柱，工作壳安装在升降柱上并受升降柱驱动调整竖直高度位置，工作壳内设置光路组件和测距传感器，底座上安置工件，光路组件朝工件发射作业激光，测距传感器测量工作壳出光位置至工件的距离，测距传感器信号传递给升降柱。光路组件包括激光器、光平移透镜、光跳跃透镜、X轴扫描镜、反射镜、场镜，激光器为光发生位置，场镜为作业激光在工作壳的出光位置，光平移透镜平移改变作业激光的竖直高度位置，光跳跃透镜对跳跃改变光高度位置。

Description

一种自动调高式激光打标机

技术领域

本发明涉及激光打标技术领域，具体为一种自动调高式激光打标机。

背景技术

激光打标机通过高能量密度的激光束照射工件表面，照射位置的材料快速挥发露出深层物质，形成商标、标记、文字等等需要的图案，打标对象限制很小，绝大多数材料的工件都可以使用激光打标机实现标记。

对于圆柱外表面的打标，目前主要有两种方式，一种是工件不转动，直接以光线从一个角度上照射工件，在脊线两侧的位置打标时，图案作变形实现转动后图案的正确显示，这样的打标方式存在图案变形的情况，且打标过程焦平面发生的变动，也存在打标虚化的情况，只适用于大直径圆柱外表面上小图案的打标工况，另一种圆柱外表面的打标则是光扫描前进的同时工件进行旋转，打标作业激光的作业位置时刻保持在工件脊线上，这样的方式对于工件转动的控制要求较高，工件转动和激光光路中的扫描结构是两套独立部件，协调这两套部件实现光线的连续正确作业复杂度较高，可能存在控制误差影响打标质量。

此外，对于需要打标图案路径断开的跳跃变化情况，目前激光打标机的光不进行跳跃式变化，当需要作业光点的非连续调整时，一般是让激光器进行点开点关来实现光点的时有时无，有时也使用挡光部件来介入光路通过遮挡来实现光点的跳跃变化，这两个方式存在一定的问题，方式一中，对于金属类、陶瓷类的材质，需要较大功率的激光才能完成打标过程，大功率激光器进行高频率的启停可能影响其使用寿命，而方式二中，挡光组件遮挡光并在振镜（扫描镜）完成位置调整后再让光通过，中间时间过程激光照射到挡光组件上也会产生显著热效应，可能损伤挡光组件且也需要通过一定散热手段将热量导出，需要增加设备尺寸。上述两种过程都存在打标过程的短时间作业中断，在一些使用场景下影响作业效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动调高式激光打标机，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种自动调高式激光打标机，包括底座、升降柱、工作壳、光路组件、测距传感器，底座上设置竖直的升降柱，工作壳安装在升降柱上并受升降柱驱动调整竖直高度位置，工作壳内设置光路组件和测距传感器，底座上安置工件，光路组件朝工件发射作业激光，测距传感器测量工作壳出光位置至工件的距离，测距传感器信号传递给升降柱。

工件被安装到底座上，测距传感器先行测量工作壳和工件的距离，然后调整升降柱带动工作壳进行高度位置的调整，让光路组件发出的打标激光的焦平面正好是工件待打标表面，防止手动调整焦距存在对焦误差。

进一步的，激光打标机还包括旋转组件，光路组件包括激光器、光平移透镜、光跳跃透镜、X轴扫描镜、反射镜、场镜，旋转组件设置在底座上用作夹持工件并使其绕一水平轴旋转，激光器、光平移透镜、光跳跃透镜、X轴扫描镜、反射镜、场镜在工作壳内按顺序设置，激光器为光发生位置，场镜为作业激光在工作壳的出光位置，激光器、光平移透镜、光跳跃透镜、X轴扫描镜之间的光为水平状态，反射镜改变水平作业激光为竖直作业激光并导向场镜，光平移透镜平移改变作业激光的竖直高度位置，光跳跃透镜跳跃改变光高度位置。

激光器持续发射激光，激光先行通过光平移透镜，光平移透镜可以改变竖直位置让光在光跳跃透镜的入射点不同，激光在光跳跃透镜的入射点的局部位置发生微量变化后，透射出的激光可以发生跳跃式的较大距离变动，从而可以让后续光路也发生跳跃变化，激光打在工件上的位置也发生跳跃变化，激光器不需要时开时停即可让激光完成所有打标过程，X轴扫描镜用作光大范围位置的连续调整，反射镜竖直向下导光，场镜用作将焦点改为焦平面，旋转组件改变工件角度位置，工件上处于最高位置的一条顶线为待打标区域，对该线打标完成后再旋转工件到下一角度，相当于打标过程是将一层层标记按逐个的角度打印到圆柱外表面上的。

进一步的，光平移透镜为一块倾斜布置的平透镜，光平移透镜与水平面的夹角可调。

平透镜的入射光与出射光是相互平行的，但不同的安放角度可以让光与原始射入高度位置存在竖直方向的平移△L，实现激光高度位置的平移调整，从而能够照射到后续光跳跃透镜的不同高度位置实现光出射位置跳跃变化。

作为一种进一步方案，光跳跃透镜包括两块倾斜对称胶合的同质透镜，两块同质透镜的夹角大于该同质透镜最大入射角的两倍，两块同质透镜的锥尖背面朝向激光器，同质透镜具有相同的折射率。

两块倾斜的同质透镜结合后，在结合位置附近，射入在上一块同质透镜的光向上偏移，而入射光下移微量距离进入在下一块的同质透镜后，出射光则是向下偏移，出射方向上，在结合面两侧存在一定范围的无光区域，这高度范围区域就是光跳跃透镜的位置跳跃值，激光器射出的光通过光平移透镜来调整照射到光跳跃透镜的位置，从而在需要时让到达X轴扫描镜的光位置发生跳跃，不需要关停激光器，也不需要遮挡激光即可实现激光在工件上照射位置的跳跃。

作为另一种进一步方案，光跳跃透镜为平直结合的异质透镜，异质透镜包括第一介质、第二介质，第一介质的折射率大于第二介质的折射率，第一介质高于第二介质，第一介质比第二介质靠近激光器。

入射光在结合面处有两个选择，一个是微量上移进入高折射率的第一介质，一个是微量下移进入低折射率的第二介质，出射方向上存在一个无光高度范围，这一高度范围就是光在通过本异质透镜时能够产生的跳跃量。应当注意的是，第一介质、第二介质的结合面设置角度需要防止光在透镜内部前进时到达，即，光只能够在异质透镜内唯一地从第一介质或第二介质中选择通过介质。为此，可以选择较大的折射率差异来让光只能从一个介质中通过。

进一步的，第一介质折射率大于2.5，第二介质折射率小于1.3。

第二介质折射率越小，越接近，则光线在通过第二介质时所发生的偏移变化越小，越接近以直线形式穿过第二介质，

第一介质折射率越大，则相同的入射角和介质厚度下，光偏移的距离越大，第一介质和第二介质折射光之间的区域就是可以设置结合面的位置，选择性更大。

异质透镜与水平面的夹角可调。

进一步的，旋转组件包括夹持板和夹爪，夹持板固定到底座上，夹爪水平面对面安装，夹爪装夹工件，夹爪绕水平轴转动。

夹爪装夹工件让其停留到特定角度，该角度上工件上部脊线为待打标范围，不再需要夹爪的转动与X轴扫描镜的光点位置连续调整进行精确联锁，只需要一般的控制精度即可。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过距离传感器结合升降柱实现焦平面位置的自动调整，光平移透镜改变激光器光线射入光跳跃透镜的位置，光跳跃透镜在入射面的连续位置变化可以在出射面上产生跳跃变化，从而实现光路组件在工件上光点的跳跃，不需要激光器停机以及在光路结构中***遮挡部件即可实现连续时间段上的打标作业，打标机内部不需要增加散热负担，激光器也不需要频繁启闭影响寿命。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的外形结构示意图；

图2是本发明光路组件的流程结构示意图；

图3是本发明光平移透镜的光路图；

图4是本发明同质透镜的光路图；

图5是本发明异质透镜的光路图；

图6是本发明异质透镜在另一种安装角度下的光路图；

图中：1-底座、2-升降柱、3-工作壳、4-光路组件、41-激光器、42-光平移透镜、43-光跳跃透镜、431-同质透镜、432-异质透镜、4321-第一介质、4322-第二介质、44-X轴扫描镜、45-反射镜、46-场镜、5-测距传感器、6-旋转组件、61-夹持板、62-夹爪、9-工件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种自动调高式激光打标机，包括底座1、升降柱2、工作壳3、光路组件4、测距传感器5，底座1上设置竖直的升降柱2，工作壳3安装在升降柱2上并受升降柱2驱动调整竖直高度位置，工作壳3内设置光路组件4和测距传感器5，底座1上安置工件9，

光路组件4朝工件9发射作业激光，测距传感器5测量工作壳3出光位置至工件9的距离，测距传感器5信号传递给升降柱2。

如图1、2所示，工件9被安装到底座1上，测距传感器5先行测量工作壳3和工件9的距离，然后调整升降柱2带动工作壳3进行高度位置的调整，让光路组件4发出的打标激光的焦平面正好是工件9待打标表面，防止手动调整焦距存在对焦误差。

激光打标机还包括旋转组件6，光路组件4包括激光器41、光平移透镜42、光跳跃透镜43、X轴扫描镜44、反射镜45、场镜46，

旋转组件6设置在底座1上用作夹持工件9并使其绕一水平轴旋转，激光器41、光平移透镜42、光跳跃透镜43、X轴扫描镜44、反射镜45、场镜46在工作壳3内按顺序设置，激光器41为光发生位置，场镜46为作业激光在工作壳3的出光位置，激光器41、光平移透镜42、光跳跃透镜43、X轴扫描镜44之间的光为水平状态，反射镜45改变水平作业激光为竖直作业激光并导向场镜，

光平移透镜42平移改变作业激光的竖直高度位置，光跳跃透镜43跳跃改变光高度位置。

如图2所示，激光器41持续发射激光，激光先行通过光平移透镜42，光平移透镜42可以改变竖直位置让光在光跳跃透镜43的入射点不同，激光在光跳跃透镜43的入射点的局部位置发生微量变化后，透射出的激光可以发生跳跃式的较大距离变动，从而可以让后续光路也发生跳跃变化，激光打在工件9上的位置也发生跳跃变化，激光器41不需要时开时停即可让激光完成所有打标过程，X轴扫描镜44用作光大范围位置的连续调整，反射镜45竖直向下导光，场镜用作将焦点改为焦平面，旋转组件6改变工件9角度位置，工件9上处于最高位置的一条顶线为待打标区域，对该线打标完成后再旋转工件9到下一角度，相当于打标过程是将一层层标记按逐个的角度打印到圆柱外表面上的。

光平移透镜42为一块倾斜布置的平透镜，光平移透镜42与水平面的夹角可调。

如图3所示，平透镜的入射光与出射光是相互平行的，但不同的安放角度可以让光与原始射入高度位置存在竖直方向的平移△L，实现激光高度位置的平移调整，从而能够照射到后续光跳跃透镜43的不同高度位置实现光出射位置跳跃变化。

光跳跃透镜43包括两块倾斜对称胶合的同质透镜431，两块同质透镜431的夹角大于该同质透镜431最大入射角的两倍，两块同质透镜431的锥尖背面朝向激光器41，同质透镜431具有相同的折射率。

如图4所示，两块倾斜的同质透镜431结合后，在结合位置附近，射入在上一块同质透镜的光向上偏移，而入射光下移微量距离进入在下一块的同质透镜431后，出射光则是向下偏移，出射方向上，在结合面两侧存在一定范围的无光区域，这高度范围区域就是光跳跃透镜43的位置跳跃值，激光器41射出的光通过光平移透镜42来调整照射到光跳跃透镜43的位置，从而在需要时让到达X轴扫描镜44的光位置发生跳跃，不需要关停激光器41，也不需要遮挡激光即可实现激光在工件9上照射位置的跳跃。

光跳跃透镜43为平直结合的异质透镜432，异质透镜432包括第一介质4321、第二介质4322，第一介质4321的折射率大于第二介质4322的折射率，第一介质4321高于第二介质4322，第一介质4321比第二介质4322靠近激光器41。

如图5所示，入射光在结合面处有两个选择，一个是微量上移进入高折射率的第一介质4321，一个是微量下移进入低折射率的第二介质4322，出射方向上存在一个无光高度范围L1，这一高度范围就是光在通过本异质透镜432时能够产生的跳跃量。应当注意的是，第一介质4321、第二介质4322的结合面设置角度需要防止光在透镜内部前进时到达，即，光只能够在异质透镜432内唯一地从第一介质4321或第二介质4322中选择通过介质。为此，可以选择较大的折射率差异来让光只能从一个介质中通过。

第一介质4321折射率大于2.5，第二介质4322折射率小于1.3。

第二介质4322折射率越小，越接近1，则光线在通过第二介质4322时所发生的偏移变化越小，越接近以直线形式穿过第二介质4322，第一介质4321折射率越大，则相同的入射角和介质厚度下，光偏移的距离越大，第一介质4321和第二介质4322折射光之间的区域就是可以设置结合面的位置，选择性更大。例如锗玻璃的折射率可以高达4.0。

异质透镜432与水平面的夹角可调。如图5、6所示，异质透镜432与水平面夹角θ1，此时入射光在结合面处的微量高度调整可以让出射光跳跃L1的距离，改变异质透镜432与水平面为θ2，光线进入第二介质4322后由于折射率较小而仍然接近直线穿过，光线进入第一介质4321则是发生较大折射偏移，在θ2安放角下，出射面上存在一个无光高度范围L2，即，调整异质透镜432与水平面的夹角可以改变本异质透镜432对于激光的跳跃量，即光点在工件9上每次跳跃时不同的跳跃量可调，不管如何调整，都需要倾斜的异质透镜432中第一介质4321更接近激光器41。

旋转组件6包括夹持板61和夹爪62，夹持板61固定到底座1上，夹爪62水平面对面安装，夹爪62装夹工件9，夹爪62绕水平轴转动。

如图1、2所示，夹爪62装夹工件9让其停留到特定角度，该角度上工件9上部脊线为待打标范围，不再需要夹爪62的转动与X轴扫描镜44的光点位置连续调整进行精确联锁，只需要一般的控制精度即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自动调高式激光打标机，其特征在于：所述激光打标机包括底座（1）、升降柱（2）、工作壳（3）、光路组件（4）、测距传感器（5），所述底座（1）上设置竖直的升降柱（2），所述工作壳（3）安装在升降柱（2）上并受升降柱（2）驱动调整竖直高度位置，所述工作壳（3）内设置光路组件（4）和测距传感器（5），所述底座（1）上安置工件（9），

所述光路组件（4）朝工件（9）发射作业激光，所述测距传感器（5）测量工作壳（3）出光位置至工件（9）的距离，测距传感器（5）信号传递给升降柱（2）；

所述激光打标机还包括旋转组件（6），所述光路组件（4）包括激光器（41）、光平移透镜（42）、光跳跃透镜（43）、X轴扫描镜（44）、反射镜（45）、场镜（46），

所述旋转组件（6）设置在底座（1）上用作夹持工件（9）并使其绕一水平轴旋转，所述激光器（41）、光平移透镜（42）、光跳跃透镜（43）、X轴扫描镜（44）、反射镜（45）、场镜（46）在工作壳（3）内按顺序设置，激光器（41）为光发生位置，所述场镜（46）为作业激光在工作壳（3）的出光位置，激光器（41）、光平移透镜（42）、光跳跃透镜（43）、X轴扫描镜（44）之间的光为水平状态，所述反射镜（45）改变水平作业激光为竖直作业激光并导向场镜，

所述光平移透镜（42）平移改变作业激光的竖直高度位置，所述光跳跃透镜（43）跳跃改变光高度位置；

所述光平移透镜（42）为一块倾斜布置的平透镜，光平移透镜（42）与水平面的夹角可调；

所述光跳跃透镜（43）包括两块倾斜对称胶合的同质透镜（431），两块同质透镜（431）的夹角大于该同质透镜（431）最大入射角的两倍，两块同质透镜（431）的锥尖背面朝向激光器（41），同质透镜（431）具有相同的折射率。

2.一种自动调高式激光打标机，其特征在于：所述激光打标机包括底座（1）、升降柱（2）、工作壳（3）、光路组件（4）、测距传感器（5），所述底座（1）上设置竖直的升降柱（2），所述工作壳（3）安装在升降柱（2）上并受升降柱（2）驱动调整竖直高度位置，所述工作壳（3）内设置光路组件（4）和测距传感器（5），所述底座（1）上安置工件（9），

所述光路组件（4）朝工件（9）发射作业激光，所述测距传感器（5）测量工作壳（3）出光位置至工件（9）的距离，测距传感器（5）信号传递给升降柱（2）；

所述激光打标机还包括旋转组件（6），所述光路组件（4）包括激光器（41）、光平移透镜（42）、光跳跃透镜（43）、X轴扫描镜（44）、反射镜（45）、场镜（46），

所述旋转组件（6）设置在底座（1）上用作夹持工件（9）并使其绕一水平轴旋转，所述激光器（41）、光平移透镜（42）、光跳跃透镜（43）、X轴扫描镜（44）、反射镜（45）、场镜（46）在工作壳（3）内按顺序设置，激光器（41）为光发生位置，所述场镜（46）为作业激光在工作壳（3）的出光位置，激光器（41）、光平移透镜（42）、光跳跃透镜（43）、X轴扫描镜（44）之间的光为水平状态，所述反射镜（45）改变水平作业激光为竖直作业激光并导向场镜，

所述光平移透镜（42）平移改变作业激光的竖直高度位置，所述光跳跃透镜（43）跳跃改变光高度位置；

所述光平移透镜（42）为一块倾斜布置的平透镜，光平移透镜（42）与水平面的夹角可调；

所述光跳跃透镜（43）为平直结合的异质透镜（432），异质透镜（432）包括第一介质（4321）、第二介质（4322），第一介质（4321）的折射率大于第二介质（4322）的折射率，第一介质（4321）高于第二介质（4322），第一介质（4321）比第二介质（4322）靠近激光器（41）。

3.根据权利要求2所述的一种自动调高式激光打标机，其特征在于：所述第一介质（4321）折射率大于2.5，所述第二介质（4322）折射率小于1.3。

4.根据权利要求3所述的一种自动调高式激光打标机，其特征在于：所述异质透镜（432）与水平面的夹角可调。

5.根据权利要求1或2所述的一种自动调高式激光打标机，其特征在于：所述旋转组件（6）包括夹持板（61）和夹爪（62），所述夹持板（61）固定到底座（1）上，夹爪（62）水平面对面安装，夹爪（62）装夹工件（9），夹爪（62）绕水平轴转动。

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