一種實(shí)時(shí)主動(dòng)控制雕刻深度實(shí)現(xiàn)激光三維立體雕刻的方法與裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種實(shí)時(shí)主動(dòng)控制雕刻深度實(shí)現(xiàn)激光三維立體雕刻的方法與裝置,包括如下步驟，通過(guò)激光器發(fā)出光束投射到被雕刻物體表面上，在物體表面上產(chǎn)生一光點(diǎn)；光點(diǎn)的一部分散射光及反射光通過(guò)會(huì)聚透鏡成像于探測(cè)器并在探測(cè)器上形成像點(diǎn)，隨著雕刻深度的變化，光點(diǎn)在探測(cè)器上的像點(diǎn)同步移動(dòng)；通過(guò)檢測(cè)像點(diǎn)的移動(dòng)距離h控制激光器在該點(diǎn)的雕刻深度H，當(dāng)像點(diǎn)移動(dòng)距離h達(dá)到設(shè)定值時(shí)，激光器停止射出激光并將激光頭平移到被雕刻物體表面的下一位置進(jìn)行雕刻。本發(fā)明采用上述方法與裝置無(wú)需復(fù)雜的圖像處理，不受材料差異限制，改變雕刻材料無(wú)需對(duì)激光功率、掃描速度等參數(shù)進(jìn)行重新校核或設(shè)置。
【專利說(shuō)明】
一種實(shí)時(shí)主動(dòng)控制雕刻深度實(shí)現(xiàn)激光三維立體雕刻的方法與 裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種實(shí)時(shí)主動(dòng)控制雕刻深度實(shí)現(xiàn)激光三維立體雕刻的方法與裝置，屬 光學(xué)、激光技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光標(biāo)刻(包括打標(biāo)、雕刻等)是根據(jù)需要標(biāo)刻的字符、圖形信息，控制激光焦斑在 物體表面進(jìn)行選擇性輻照，使輻照區(qū)材料瞬間加熱汽化或發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，從而形成具有 良好對(duì)比度或銳度的圖案。一般來(lái)說(shuō)，激光打標(biāo)只要求在材料表面留下視覺(jué)痕跡，對(duì)雕刻深 度不作要求;但是，對(duì)于激光雕刻，則要求雕刻圖案具有一定的觸覺(jué)深度，以滿足某種實(shí)用 功能或欣賞功能，如印章、首飾、裝飾品等。和刀鑿錘擊、數(shù)控機(jī)雕、電化學(xué)蝕刻等傳統(tǒng)雕刻 方法相比，激光雕刻具有非接觸、速度快、精度高、雕刻材料不受限制、可接近性好以及可以 在非規(guī)則表面和易變形表面進(jìn)行加工等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，激光標(biāo)刻己經(jīng)成為一種加 工工藝標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，激光標(biāo)刻在國(guó)內(nèi)已經(jīng)成最大的激光加工應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003] 激光表面雕刻包括二維表面雕刻和三維表面雕刻。目前，市場(chǎng)上絕大部分激光雕 刻設(shè)備都屬于二維表面雕刻，雕刻深度一般都在〇. 2mm以下;而要體現(xiàn)凸凹感的三維立體效 果，雕刻深度一般要求〇.5mm以上，即三維表面雕刻。激光三維表面雕刻(如浮雕)在家具、飾 品、藝術(shù)品等加工領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用前景。
[0004] 目前，激光三維表面雕刻仍處于研發(fā)階段，相關(guān)儀器設(shè)備尚未問(wèn)世。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研 究報(bào)道，限制激光三維表面雕刻的主要技術(shù)瓶頸在于，根據(jù)待雕刻立體圖像如何精確控制 激光雕刻深度。
[0005] 有研究報(bào)道提出分層掃描法，即首先將待雕刻的立體圖像進(jìn)行等厚度分層，激光 焦斑在二維平面內(nèi)每掃描一次就雕刻完成一層圖像信息，顯然待雕刻立體圖像分的層數(shù)越 多雕刻質(zhì)量越高。
[0006] 利用分層掃描法實(shí)現(xiàn)三維平面雕刻具有一定可行性，也是目前研究的熱點(diǎn)，但是 該方法也存在以下問(wèn)題：1)圖像分層處理過(guò)程比較復(fù)雜；2)不同雕刻材料對(duì)激光響應(yīng)不同， 所以雕刻不同材料需要重新校核或設(shè)置激光功率、掃描速度等參數(shù);3)待雕刻表面為平面 時(shí)立體雕刻易于實(shí)現(xiàn)，但是，當(dāng)?shù)窨瘫砻鏋榍婊虺霈F(xiàn)不規(guī)則起伏時(shí)難以實(shí)現(xiàn)表面立體雕 刻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無(wú)需復(fù)雜的圖像處 理，不受材料差異限制，改變雕刻材料無(wú)需對(duì)激光功率、掃描速度等參數(shù)進(jìn)行重新校核或設(shè) 置，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)與控制雕刻深度，可適用于曲面、不規(guī)則起伏等表面雕刻的實(shí)時(shí)主動(dòng)控制 雕刻深度實(shí)現(xiàn)激光三維立體雕刻的方法； 本發(fā)明還提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可實(shí)現(xiàn)上述方法的雕刻裝置。
[0008] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種實(shí)時(shí)主動(dòng)控制雕刻深度實(shí)現(xiàn)激光三維立體雕刻的 方法，包括如下步驟， a、 通過(guò)激光器發(fā)出光束投射到被雕刻物體表面上，在物體表面上產(chǎn)生一光點(diǎn)； b、 光點(diǎn)的一部分散射光及反射光通過(guò)會(huì)聚透鏡成像于探測(cè)器并在探測(cè)器上形成像點(diǎn)， 隨著雕刻深度的變化，光點(diǎn)在探測(cè)器上的像點(diǎn)同步移動(dòng)； c、 通過(guò)檢測(cè)像點(diǎn)的移動(dòng)距離h控制激光器在該點(diǎn)的雕刻深度H，當(dāng)像點(diǎn)移動(dòng)距離h達(dá)到 設(shè)定值時(shí)，激光器停止射出激光并將激光頭平移到被雕刻物體表面的下一位置進(jìn)行雕刻； d、 重復(fù)上述步驟a-c繼續(xù)進(jìn)行雕刻直至對(duì)整個(gè)平面完成雕刻，最后形成一副三維立體 雕刻圖案。
[0009] 以下是本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)： 步驟C中，通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探測(cè)器上像點(diǎn)的移動(dòng)距離，移動(dòng)距離被實(shí)時(shí)傳遞 到控制系統(tǒng)，通過(guò)控制系統(tǒng)控制激光器的啟停。
[0010] 進(jìn)一步改進(jìn)： 步驟C中像點(diǎn)的移動(dòng)距離h與雕刻深度Η的關(guān)系如下：
其中： Η-雕刻深度； 教一像點(diǎn)在光探測(cè)器上移動(dòng)的距離； 馬一激光束光軸所在直線與成像透鏡組光軸所在直線之間的夾角； ft-光探測(cè)器面與成像透鏡組光軸所在直線之間的夾角； @一光點(diǎn)在物體上的位置與透鏡中心的距離； b-光探測(cè)器表面接受的光點(diǎn)與透鏡中心的距離。
[0011] 進(jìn)一步改進(jìn)： 步驟b中探測(cè)器為C⑶或PSD。
[0012] 進(jìn)一步改進(jìn)： 一種可實(shí)現(xiàn)上述雕刻方法的裝置，包括激光發(fā)生裝置、成像裝置及探測(cè)器； 激光發(fā)生裝置用于發(fā)出雕刻用激光束并投射在被雕刻物體表面上； 成像裝置用于收集激光束照射在物體表面上后的一部分散射光及反射光并匯聚于探 測(cè)器。
[0013] 進(jìn)一步改進(jìn)： 探測(cè)器與激光發(fā)生裝置之間通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)連接； 信號(hào)處理系統(tǒng)接受探測(cè)器上探測(cè)到的信號(hào)并處理，將處理后的信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞給激光發(fā) 生裝置，激光發(fā)生裝置根據(jù)收到的信號(hào)動(dòng)作。
[0014] 進(jìn)一步改進(jìn)： 所述激光發(fā)生裝置包括激光器，激光器上連接有具有光束整形功能的激光頭，激光發(fā) 生裝置還包括用于控制激光器啟停及激光頭移動(dòng)位置的控制系統(tǒng)。
[0015] 進(jìn)一步改進(jìn)： 所述成像裝置包括會(huì)聚透鏡及衰減片，衰減片設(shè)置在會(huì)聚透鏡的會(huì)聚端。
[0016] 進(jìn)一步改進(jìn)： 所述探測(cè)器為C⑶或PSD。
[0017] 本發(fā)明采用上述方法與裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1) 、無(wú)需復(fù)雜的圖像處理； 2) 、不受材料差異限制，改變雕刻材料無(wú)需對(duì)激光功率、掃描速度等參數(shù)進(jìn)行重新校核 或設(shè)置； 3) 、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制雕刻深度，即使出現(xiàn)材料不均勻甚至不同或者激光能量不穩(wěn)定等 問(wèn)題，也不會(huì)明顯影響雕刻質(zhì)量； 4)、適用于曲面、不規(guī)則起伏等表面雕刻； 5)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單元技術(shù)成熟，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。
[0018] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 附圖1為本發(fā)明的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 實(shí)施例，如圖1所示，一種實(shí)時(shí)主動(dòng)控制雕刻深度實(shí)現(xiàn)激光三維立體雕刻的方法， a、 通過(guò)激光器發(fā)出光束投射到被雕刻物體表面上，在物體表面上產(chǎn)生一光點(diǎn)A; b、 光點(diǎn)A的一部分散射光及反射光通過(guò)會(huì)聚透鏡成像于探測(cè)器并在探測(cè)器上形成像點(diǎn) a，當(dāng)?shù)窨躺疃戎罛點(diǎn)時(shí)，光點(diǎn)在探測(cè)器上的像點(diǎn)同步移動(dòng)到b點(diǎn)； c、 通過(guò)檢測(cè)像點(diǎn)a到b的移動(dòng)距離h控制激光器在A-B點(diǎn)的雕刻深度H，當(dāng)像點(diǎn)移動(dòng)距離h 達(dá)到設(shè)定值時(shí)，激光器停止射出激光并將激光頭平移到被雕刻物體表面的下一位置進(jìn)行雕 刻； d、 重復(fù)上述步驟a-c繼續(xù)進(jìn)行雕刻直至對(duì)整個(gè)平面完成雕刻，最后形成一副三維立體 雕刻圖案。
[0021] 步驟c中，通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探測(cè)器上像點(diǎn)的移動(dòng)距離，移動(dòng)距離被實(shí)時(shí) 傳遞到控制系統(tǒng)，通過(guò)控制系統(tǒng)控制激光器的啟停，其中信號(hào)處理系統(tǒng)為本領(lǐng)域技術(shù)人員 通用的信號(hào)處理系統(tǒng)，在此不再詳述。
[0022]步驟c中像點(diǎn)的移動(dòng)距離h與雕刻深度Η的關(guān)系如下：
其中： 0-雕刻深度； 教一像點(diǎn)在光探測(cè)器上移動(dòng)的距離； 馬一激光束光軸所在直線與成像透鏡組光軸所在直線之間的夾角； _一光探測(cè)器面與成像透鏡組光軸所在直線之間的夾角； h-光點(diǎn)在物體上的位置與透鏡中心的距離； ^一光探測(cè)器表面接受的光點(diǎn)與透鏡中心的距離。
[0023]步驟b中探測(cè)器為CCD(Charge_coupled Device)或PSD(Position Sensitive Detector)〇
[0024] -種可實(shí)現(xiàn)上述雕刻方法的裝置，包括激光發(fā)生裝置、成像裝置及探測(cè)器，激光發(fā) 生裝置用于發(fā)出雕刻用激光束并投射在被雕刻物體表面上，成像裝置用于收集激光束照射 在物體表面上后的一部分散射光及反射光并匯聚于探測(cè)器，探測(cè)器與激光發(fā)生裝置之間通 過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)連接，信號(hào)處理系統(tǒng)接受探測(cè)器上探測(cè)到的信號(hào)并處理，將處理后的信號(hào) 實(shí)時(shí)傳遞給激光發(fā)生裝置，激光發(fā)生裝置根據(jù)收到的信號(hào)動(dòng)作。
[0025] 所述激光發(fā)生裝置包括激光器，激光器上連接有具有光束整形功能的激光頭，激 光發(fā)生裝置還包括用于控制激光器啟停及激光頭移動(dòng)位置的控制系統(tǒng)。
[0026] 所述成像裝置包括會(huì)聚透鏡及衰減片，衰減片設(shè)置在會(huì)聚透鏡的會(huì)聚端。
[0027] 所述探測(cè)器為CCD(Charge_coupled Device)或PSD(Position Sensitive Detector)〇
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種實(shí)時(shí)主動(dòng)控制雕刻深度實(shí)現(xiàn)激光Ξ維立體雕刻的方法，其特征在于:包括如下 步驟， a、 通過(guò)激光器發(fā)出光束投射到被雕刻物體表面上，在物體表面上產(chǎn)生一光點(diǎn)； b、 光點(diǎn)的一部分散射光及反射光通過(guò)會(huì)聚透鏡成像于探測(cè)器并在探測(cè)器上形成像點(diǎn)， 隨著雕刻深度的變化，光點(diǎn)在探測(cè)器上的像點(diǎn)同步移動(dòng)； C、通過(guò)檢測(cè)像點(diǎn)的移動(dòng)距離h控制激光器在該點(diǎn)的雕刻深度H，當(dāng)像點(diǎn)移動(dòng)距離h達(dá)到 設(shè)定值時(shí)，激光器停止射出激光并將激光頭平移到被雕刻物體表面的下一位置進(jìn)行雕刻； d、重復(fù)上述步驟a-c繼續(xù)進(jìn)行雕刻直至對(duì)整個(gè)平面完成雕刻，最后形成一副Ξ維立體 雕刻圖案。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)主動(dòng)控制雕刻深度實(shí)現(xiàn)激光Ξ維立體雕刻的方法，其特 征在于:步驟C中，通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探測(cè)器上像點(diǎn)的移動(dòng)距離，移動(dòng)距離被實(shí)時(shí) 傳遞到控制系統(tǒng)，通過(guò)控制系統(tǒng)控制激光器的啟停。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)主動(dòng)控制雕刻深度實(shí)現(xiàn)激光Ξ維立體雕刻的方法，其特 征在于:步驟C中像點(diǎn)的移動(dòng)距離h與雕刻深度Η的關(guān)系如下：其中： 懸一雕刻深度； 鼓一像點(diǎn)在光探測(cè)器上移動(dòng)的距離； 9;-激光束光軸所在直線與成像透鏡組光軸所在直線之間的夾角； @2-光探測(cè)器面與成像透鏡組光軸所在直線之間的夾角； i··;-光點(diǎn)在物體上的位置與透鏡中屯、的距離； ^一光探測(cè)器表面接受的光點(diǎn)與透鏡中屯、的距離。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)主動(dòng)控制雕刻深度實(shí)現(xiàn)激光Ξ維立體雕刻的方法，其特 征在于:步驟b中探測(cè)器為CCD或PSD。5. -種可實(shí)現(xiàn)上述雕刻方法的裝置，其特征在于:包括激光發(fā)生裝置、成像裝置及探測(cè) 器； 激光發(fā)生裝置用于發(fā)出雕刻用激光束并投射在被雕刻物體表面上； 成像裝置用于收集激光束照射在物體表面上后的一部分散射光及反射光匯聚于探測(cè) 器。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可實(shí)現(xiàn)上述雕刻方法的裝置，其特征在于:探測(cè)器與激光發(fā)生 裝置之間通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)連接； 信號(hào)處理系統(tǒng)接受探測(cè)器上探測(cè)到的信號(hào)并處理，將處理后的信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞給激光發(fā) 生裝置，激光發(fā)生裝置根據(jù)收到的信號(hào)動(dòng)作。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可實(shí)現(xiàn)上述雕刻方法的裝置，其特征在于:所述激光發(fā)生裝置 包括激光器，激光器上連接有具有光束整形功能的激光頭，激光發(fā)生裝置還包括用于控制 激光器啟停及激光頭移動(dòng)位置的控制系統(tǒng)。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可實(shí)現(xiàn)上述雕刻方法的裝置，其特征在于:所述成像裝置包括 會(huì)聚透鏡及衰減片，衰減片設(shè)置在會(huì)聚透鏡的會(huì)聚端。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可實(shí)現(xiàn)上述雕刻方法的裝置，其特征在于：所述探測(cè)器為CCD 或 PSD。
【文檔編號(hào)】B23K26/03GK106077972SQ201610542738
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月12日
【發(fā)明人】樊心民, 孫永志, 黃小東, 張建心, 李厚榮
【申請(qǐng)人】濰坊學(xué)院