申请/专利权人：武汉华工激光工程有限责任公司

申请日：2019-05-22

公开（公告）日：2024-06-18

公开（公告）号：CN110125551B

主分类号：B23K26/362

分类号：B23K26/362;B23K26/02;B23K26/046;B23K26/70

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.18#授权;2019.09.10#实质审查的生效;2019.08.16#公开

摘要：本发明公开一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置，包括激光器、调焦镜组、振镜、机械装置、定位装置和控制系统，其中，工件安装于所述机械装置上，所述机械装置与控制系统连接，用于控制工件的转动；所述定位装置与控制系统连接，用于对打标位置进行定位；所述振镜与控制系统连接，用于控制激光焦点在工件X和Y方向上的位置；所述调焦镜组与控制系统连接，用于控制激光焦点在工件Z轴方向上的位置；所述激光器发出的激光通过调焦镜组进行调焦后，经过所述振镜射出至工件上，通过所述定位装置抓取工件外轮廓进行工件定位，通过所述机械装置控制工件的转动，完成对工件的环形打标。本发明还公开一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标方法。

主权项：1.一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标方法，其特征在于，采用基于大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置实现，所述装置包括激光器、调焦镜组、振镜、机械装置、定位装置和控制系统，其中，工件安装于所述机械装置上，所述机械装置与控制系统连接，用于控制工件的转动；所述定位装置与控制系统连接，用于对打标位置进行定位；所述振镜与控制系统连接，用于控制激光焦点在工件X和Y方向上的位置；所述调焦镜组与控制系统连接，用于控制激光焦点在工件Z轴方向上的位置；所述激光器发出的激光通过调焦镜组进行调焦后，经过所述振镜射出至工件上，通过所述定位装置抓取工件外轮廓进行工件定位，通过所述机械装置控制工件的转动，完成对工件的环形打标；所述机械装置进行轴向和径向两个方向的旋转，轴向旋转控制工件转动以完成大弧度深内壁整圈打标，径向旋转控制工件与水平面间的夹角，所述机械装置控制工件轴向旋转的旋转角度按弧形图档对应的圆心角而定；基于所述大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置的打标方法，包括：S1，导入步骤：导入工件的3D模型和打标图档；S2，图档处理步骤：对打标图档进行分段，对分段图档按一定弧度的弧线进行排列；S3，分段图档的打标步骤：贴覆图档、放置工件、工件定位和工件打标；其中，放置工件包括将与3D模型相应的工件放置在机械装置上，机械装置与水平面呈一定角度的摆放；S4，环形打标步骤：旋转工件，重复S3，直至完成所有分段图档的打标，打标完成后，图档中字符与水平面呈竖直排列。

全文数据：一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置及方法技术领域本发明涉及3D激光打标技术领域，尤其涉及对工件内表面上进行大弧度环形打标的3D激光打标方法，具体为一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置及方法。背景技术3D激光打标是使激光表面发生变化的加工方式，其利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料发生物理变化或化学变化，物理变化包括汽化，化学变化包括发生颜色变化，从而留下永久性标记。激光打标可以标记出各种文字、图档、二维码等，字符最小可达微米量。由激光器产生的激光经过一系列光学传导，最终通过光学镜片进行光束聚焦，然后将聚焦后的高能量光束偏转到待加工物体表面的指定位置，形成永久痕迹。传统2D激光打标采用的是后聚焦方式，一般只能在指定范围内进行平面打标。3D激光打标机采用先进的前聚集方式，多出了动态聚焦座，通过软件控制和移动动态聚焦镜，在激光被聚焦前进行可变扩束，以此改变激光束的焦距来实现对高低不同物体的准确表面聚焦加工。虽然3D激光打标已经实现，但是其在使用上仍然存在一定的缺陷。使用3D以后，在水平放置的圆筒外表面进行一定弧度的打标可以一次完成且无变形；若在圆筒内表面进行较大弧度的打标，由于工件表面对激光的遮挡，需对工件进行一定角度的偏转，让激光透过圆筒口照射在内表面上进行打标。若打标图档贴覆在倾斜放置的圆筒深内壁上，由于图档沿竖直方向进行贴覆，贴覆图形在圆筒表面呈弧形，标刻出图档会变形，且环形打标中不同段文本的接合会产生接缝。因此对这一工艺方法有待改进。发明内容本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置及方法，解决在大弧度圆筒内表面进行环形打标时标刻文档变形以及环形打标不同段文本接合的问题，避免了倾斜工件打标时贴覆在工件表面图档的变形。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置，包括激光器、调焦镜组、振镜、机械装置、定位装置和控制系统，其中，工件安装于所述机械装置上，所述机械装置与控制系统连接，用于控制工件的转动；所述定位装置与控制系统连接，用于对打标位置进行定位；所述振镜与控制系统连接，用于控制激光焦点在工件X和Y方向上的位置；所述调焦镜组与控制系统连接，用于控制激光焦点在工件Z轴方向上的位置；所述激光器发出的激光通过调焦镜组进行调焦后，经过所述振镜射出至工件上，通过所述定位装置抓取工件外轮廓进行工件定位，通过所述机械装置控制工件的转动，完成对工件的环形打标。进一步地，所述机械装置与水平面呈一定角度摆放。安装在所述机械装置上的工件也与水平面呈一定角度摆放。优选地，所述大弧度深内壁为圆筒型工件内表面。优选地，所述圆筒型工件的直径大于4mm。优选地，所述定位装置抓取工件开口处的部分边长，通过所述控制系统对打标区域进行定位。优选地，所述机械装置进行轴向和径向两个方向的旋转，轴向旋转控制工件转动以完成大弧度深内壁整圈打标，径向旋转控制工件与水平面间的夹角。进一步地，所述机械装置控制工件轴向旋转的旋转角度，旋转角度的大小与分段图档的长度有关。旋转角度按弧形图档对应的圆心角而定。优选地，所述机械装置与水平面间的夹角小于60°。优选地，所述调焦镜组包括一组平行且相对设置的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜固定不动，所述第二透镜安装在Z轴调节驱动器上。进一步地，所述Z轴调节驱动器包括固定座和电机，所述电机固定安装在固定座上，所述固定座上设置有条状导轨，所述条状导轨上安装有滑块，所述滑块上安装有镜座，所述第二透镜镶嵌在所述镜座上。进一步地，所述电机与转轴连接，所述转轴上连接有驱动装置，所述驱动装置包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆一端与转轴连接另一端连接所述第二连杆，所述第二连杆与所述滑块连接，用于带动所述滑块在所述条状导轨上来回滑动。一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标方法，包括：S1，导入步骤：导入工件的3D模型和打标图档；S2，图档处理步骤：对打标图档进行分段，对分段图档按一定弧度的弧线进行排列；S3，分段图档的打标步骤：贴覆图档、放置工件、工件定位和工件打标；S4，环形打标步骤：旋转工件，重复S3，直至完成所有分段图档的打标。进一步地，导入工件的3D模型后，对工件3D模型的位置进行调整，使焦平面在工件上需打标区域的中心位置。进一步地，所述大弧度深内壁为圆筒型工件内表面。所述圆筒型工件的直径大于4mm。所述圆筒型工件与水平面呈一定角度摆放。优选地，图档处理步骤进一步包括：将需标刻的打标图档分为3段或4段，每段均进行弧形处理，打标图档弯曲的弧度与工件的外轮廓相同。具体地，对于分段图档按一定弧度的弧线进行排列后，打标图档呈弧线形，图档中字符与水平面呈竖直排列。优选地，对打标图档进行分段处理后，分段图档不包含不完整的图形、文字或者二者的结合。在此需说明的是，用于打标的完整图档包括图形、文字或者二者的结合。进一步地，对于贴覆的打标图档，在工件内表面的垂直深度至少为6mm。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过与控制系统连接的机械装置控制工件的转动，通过与控制系统连接的定位装置对打标位置进行定位，通过与控制系统连接的振镜控制激光焦点在工件X和Y方向上的位置，通过与控制系统连接的调焦镜组控制激光焦点在工件Z轴方向上的位置，实现了大弧度深内壁的环形打标；并且，本发明通过对打标图档进行分段，对每一分段图档分别进行弧形处理，使得处理后的打标图档呈弧线形且图档中字符与水平面呈竖直排列，然后通过旋转工件进行所有分段图档的打标，从而在实现大弧度深内壁的环形打标的同时，解决了倾斜工件打标时贴覆在工件表面图档的变形导致打标图档的变形问题，以及环形打标不同段文本接合的接缝问题。附图说明图1为根据实施例的本发明一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置的结构示意图。图2为根据实施例的本发明一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标方法的流程示意图。图3为根据实施例的处理后弧形图档贴覆于大弧度深内壁的示意图。图4为根据实施例的打标装置的结构示意图。图5为根据实施例在工件上进行标刻处理前图档与处理后图档的打标效果对比示意图。图6为根据实施例的调焦镜组的结构示意图。图7为根据实施例的Z轴调节驱动器的结构示意图。图中：激光器-1，调焦镜组-2，振镜-3，定位装置-4，打标装置-5，弧形打标文档-6，工件-7，机械装置-8，标刻处理前图档效果-9，标刻处理后图档效果-10，第一透镜-21，第二透镜-22，Z轴调节驱动器-11，底座-111，电机-112，第一连杆-113，第二连杆-114，滑块-115，条状导轨-116，镜座-117。具体实施方式下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置，包括激光器1、调焦镜组2、振镜3、定位装置4、打标装置5和控制系统，所述控制系统包括计算机系统。如图4所示，所述打标装置5由机械装置8和安装于机械装置8上的打标物7构成。所述机械装置8与控制系统连接，控制打标物7的转动；所述定位装置4与控制系统连接，对打标位置进行定位；所述振镜3与控制系统连接，控制激光焦点在打标物7的X和Y方向上的位置；所述调焦镜组2与控制系统连接，控制激光焦点在打标物7的Z轴方向上的位置。所述激光器1发出的激光通过调焦镜组2进行调焦后，经过所述振镜3射出到打标装置5上对打标物7进行打标，通过控制所述定位装置4抓取打标物7的外轮廓进行定位，并通过控制所述机械装置8来转动打标物7，完成对打标物7的环形打标。在具体实施中，所述机械装置8与水平面呈一定角度摆放，故，安装在所述机械装置8上的打标物7也与水平面呈一定角度摆放。作为优选实施方案，所述机械装置8与水平面间的夹角小于60°。具体地，所述定位装置4抓取打标物7开口处的部分边长，然后通过控制系统对打标区域进行定位，使得打标物7的打标区域与计算机系统中的3D模型的打标区域相对应。在具体实施中，所述机械装置8进行轴向和径向两个方向的旋转，轴向旋转控制打标物7转动以完成大弧度深内壁整圈打标，径向旋转控制打标物7与水平面间的夹角。如图6所示，所述调焦镜组2包括一组平行且相对设置的第一透镜21和第二透镜22，所述第一透镜21固定不动，第二透镜22安装在Z轴调节驱动器11上，在所述Z轴调节驱动器11的带动下第二透镜22可左右移动从而调节两片镜之间的距离最终达到调节所述激光焦点在打标物7的Z轴方向上的位置，所述第一透镜21和第二透镜22之间距离不同时，最后激光聚焦后焦点在Z轴方向的位置也不相同。具体地，如图7所示，所述Z轴调节驱动器11包括固定座111和电机112，所述固定座上111安装有所述电机112和条状导轨116，条状导轨116上安装有滑块115，所述滑块115上安装有镜座117，所述第二透镜22镶嵌在所述镜座117上。所述电机112与转轴连接，所述转轴上连接有第一连杆113和第二连杆114，所述第一连杆113和第二连杆114为驱动装置，所述第一连杆113两端分别与所述转轴和所述第二连杆114相连，所述第二连杆114与所述滑块115连接，用于带动所述滑块115在所述导轨116上来回滑动。Z轴调节驱动器11工作过程如下：首先控制系统根据具体打标需求对Z轴调节驱动器11发出指令从而启动电机112做相应的运作，当电机112转动时通过所述转轴带动第一连杆113转动，第一连杆113转动又依次带动第二连杆114和滑块115移动，从而达到带动所述第二透镜22移动，从而改变了第一透镜21和第二透镜22之间的距离，最终达到改变激光焦点在在Z轴方向上的位置。本发明还提供一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标方法，包括：S1，导入步骤：导入工件的3D模型和打标图档；S2，图档处理步骤：对打标图档进行分段，对分段图档按一定弧度的弧线进行排列；S3，分段图档的打标步骤：贴覆图档、放置工件、工件定位和工件打标；S4，环形打标步骤：旋转工件，重复S3，直至完成所有分段图档的打标。作为一种实施方案，所述大弧度深内壁为圆筒型工件内表面。所述圆筒型工件的直径大于4mm。具体地，如图2所示，所述方法包括以下步骤：S1：导入工件的3D模型：所述控制系统包括计算机系统，在所述计算机系统内导入工件的3D模型的。S2：调整工件的3D模型：调整工件模型的位置，使焦平面在工件上需打标区域的中心位置。S3：导入打标图档：将需要打标的图档导入到所述计算机系统中。S4：图档处理：将标刻的图档分为3-4段，每段均进行弧形处理，图档弯曲的弧度与工件的外轮廓相同。对打标图档进行分段处理后，分段图档不包含不完整的图形、文字或者二者的结合。在此需说明的是，用于打标的完整图档包括图形、文字或者二者的结合。对于分段图档按一定弧度的弧线进行排列后，打标图档呈弧线形，图档中字符与水平面呈竖直排列。S5：贴覆图档：将需要打标的第一段图档沿3D模型的内表面进行贴覆，如图3所示。对于贴覆的打标图档，在工件内表面的垂直深度至少为6mm。S6：放置工件：将与3D模型相应的工件7放置在机械装置8上，机械装置8与水平面呈一定角度的摆放。S7：工件定位：所述定位装置4抓取工件7的外轮廓对打标的区域进行定位，保证工件7与软件中位置对应。S8：对工件进行打标：所述计算机系统通过控制所述振镜3和调焦镜组2控制激光焦点在工件7的X、Y和Z方向上的位置，并在工件7的对应位置上打标出对应的打标图档。S9：旋转工件：所述机械装置8通过控制系统控制工件7的旋转角度。所述机械装置8控制工件7轴向旋转的旋转角度，其旋转角度的大小与分段图档的长度有关。S10：环形打标：标刻后续几段图档，标刻方法与S5-S9相同，直至完成所有段文本的标刻。如图5所示为在工件上进行标刻处理前图档与处理后图档的打标效果对比示意图，其中，9表示处理前图档的打标效果，10表示处理后图档的打标效果。可见，应用本发明的方法在进行大弧度圆筒内表面的环形打标时，能够避免倾斜工件打标时贴覆在工件表面图档的变形导致打标图档的变形以及环形打标不同段文本接合的接缝问题。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

权利要求：1.一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置，其特征在于，包括激光器、调焦镜组、振镜、机械装置、定位装置和控制系统，其中，工件安装于所述机械装置上，所述机械装置与控制系统连接，用于控制工件的转动；所述定位装置与控制系统连接，用于对打标位置进行定位；所述振镜与控制系统连接，用于控制激光焦点在工件X和Y方向上的位置；所述调焦镜组与控制系统连接，用于控制激光焦点在工件Z轴方向上的位置；所述激光器发出的激光通过调焦镜组进行调焦后，经过所述振镜射出至工件上，通过所述定位装置抓取工件外轮廓进行工件定位，通过所述机械装置控制工件的转动，完成对工件的环形打标。2.根据权利要求1所述的大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置，其特征在于，所述大弧度深内壁为圆筒型工件内表面。3.根据权利要求2所述的大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置，其特征在于，所述圆筒型工件的直径大于4mm。4.根据权利要求1所述的大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置，其特征在于，所述定位装置抓取工件开口处的部分边长，通过所述控制系统对打标区域进行定位。5.根据权利要求1所述的大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置，其特征在于，所述机械装置进行轴向和径向两个方向的旋转，轴向旋转控制工件转动以完成大弧度深内壁整圈打标，径向旋转控制工件与水平面间的夹角。6.根据权利要求1所述的大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置，其特征在于，所述机械装置与水平面间的夹角小于60°。7.根据权利要求1所述的大弧度深内壁环形打标的3D激光打标装置，其特征在于，所述调焦镜组包括一组平行且相对设置的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜固定不动，所述第二透镜安装在Z轴调节驱动器上。8.一种大弧度深内壁环形打标的3D激光打标方法，包括：S1，导入步骤：导入工件的3D模型和打标图档；S2，图档处理步骤：对打标图档进行分段，对分段图档按一定弧度的弧线进行排列；S3，分段图档的打标步骤：贴覆图档、放置工件、工件定位和工件打标；S4，环形打标步骤：旋转工件，重复S3，直至完成所有分段图档的打标。9.根据权利要求8所述的大弧度深内壁环形打标的3D激光打标方法，其特征在于，图档处理步骤进一步包括：将需标刻的打标图档分为3段或4段，每段均进行弧形处理，打标图档弯曲的弧度与工件的外轮廓相同。10.根据权利要求9所述的大弧度深内壁环形打标的3D激光打标方法，其特征在于，对打标图档进行分段处理后，分段图档不包含不完整的图形、文字或者二者的结合。

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