用于大幅面激光加工的图形在线拼接方法及系统

摘要

本发明涉及一种用于大幅面激光加工的图形在线拼接方法及系统，用以解决现有在线拼接方法拼接精度很难满足加工要求的问题。方法包括以下步骤：1)将待加工图形划分为N个子块图形，获取每个子块图形的中心点坐标以及包含每个子块图形的最小矩形区域；2)开启指示光源，使其发出的光束到达第X个待加工区域，对第X个待加工区域的边界进行扫描；3)同轴测量单元观测第X个待加工区域，并获取第X个待加工区域的图像，控制单元根据获取的图像得到第X个待加工区域的实际包围盒；4)将理论包围盒和实际包围盒进行比较；5)调整控制单元中第X个子块图形的位置；6)完成第X个加工区域的图形扫描；7)重复步骤2)至步骤6)。

说明书

技术领域

本发明涉及激光精密加工技术，具体涉及一种用于大幅面激光加工的图形在线拼接方法及系统。

背景技术

随着激光加工技术的广泛应用，激光加工的优势也得以体现，其主要优点为非接触加工、热影响小、加工材料广泛等等，由于上述激光加工的独特优势，其在微纳米加工中扮演着越来越重要的角色。随着激光加工范围的逐渐扩大，对激光微加工技术的精度和稳定性提出了越来越高的要求。

激光扫描振镜由于具有加工速度快、精度高、环境适应性强等优点，已经成为激光加工的主要器件，并且越来越多的应用在激光标刻、激光打孔、3D打印、激光切割等行业。由于激光扫描振镜的扫描范围有限，并且随着扫描范围的扩大，其扫描精度也会降低。因此，为了解决大幅面零件的激光扫描，振镜加工的在线拼接技术被广泛应用。

目前在线拼接技术主要是依靠运动平台的定位实现大幅面图形的拼接，其原理为通过算法按照扫描振镜的加工范围把整个被加工图形划分成N个区域，保证每个区域能够一次扫描完成，然后配合运动平台分别将工件或振镜移动到每个待加工区域实现整幅图形的加工。因此，此类拼接方法完全依赖运动平台的移动精度，在高品质的微纳加工中，其加工图形的拼接精度往往很难满足加工要求。

发明内容

本发明的目的是解决现有在线拼接方法完全依赖运动平台的移动精度，在高品质的微纳加工中，其加工图形的拼接精度很难满足加工要求的问题，提供一种用于大幅面激光加工的图形在线拼接方法及系统。

本发明的技术方案是：

一种用于大幅面激光加工的图形在线拼接方法，包括以下步骤：

1)控制单元载入待加工图形，并根据扫描振镜的加工范围将待加工图形划分为N个子块图形，获取每个子块图形的中心点坐标以及包含每个子块图形的最小矩形区域，该最小矩形区域为理论包围盒；

2)根据子块图形的中心点坐标，运动平台将待加工工件定位至第X个待加工区域，开启指示光源，使其发出的光束到达第X个待加工区域，对第X个待加工区域的边界进行扫描；

3)同轴测量单元观测第X个待加工区域，并获取第X个待加工区域的图像，并将该图像传输至控制单元，控制单元根据获取的图像得到第X个待加工区域的实际包围盒；

4)将理论包围盒和实际包围盒进行比较，得到第X个待加工区域的拼接平移量△X、△Y以及偏转角θ；

5)根据步骤4)得到的拼接平移量△X、△Y以及偏转角θ，调整控制单元中第X个子块图形的位置，直至符合要求；

6)开启激光器，使激光束作用于待加工工件的表面上，从而完成第X个加工区域的图形扫描；

7)重复步骤2)至步骤6)，直至待加工件加工并拼接完成。

进一步地，步骤1)中获取包含每个子块图形的最小矩形区域具体为，比较子块图形的各个顶点坐标，分别找出各个顶点中的X坐标和Y坐标的最大值和最小值，根据四个顶点确定一个矩形区域，该矩形区域是包围此子块图形的最小矩形区域。

进一步地，步骤2)中，开启指示光源，使其发出的光束经第一反射镜、扫描振镜、聚焦单元以及第二反射镜到达第X个待加工区域，对第X个待加工区域的边界进行扫描。

进一步地，步骤3)中的同轴测量单元为CCD相机。

同时，本发明还提供一种用于大幅面激光加工的图形在线拼接系统，包括指示光源、第一反射镜、第二反射镜、扫描振镜、聚焦单元、同轴测量单元和控制单元；所述指示光源发出的光经第一反射镜反射后进入扫描振镜，所述扫描振镜的出射光经聚焦单元聚焦、第二反射镜反射后对待加工区域的边界进行扫描；所述同轴测量单元设置在第二反射镜上方，获取待加工区域的图像，并将获取的图像发送至控制单元。

进一步地，所述第二反射镜为分光镜，所述分光镜的正面镀介质反射膜，反面镀增透膜。

进一步地，所述第一反射镜为二向色镜。

进一步地，所述激光器采用近红外波长光源，指示光源采用红色波长光源。

进一步地，所述同轴测量单元为CCD相机。

进一步地，所述聚焦单元为场镜。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明系统和方法基于运动平台的分块定位、视觉及控制系统对分块图形位置的在线测量以及实时校正，实现了大幅激光扫描图形的高精度拼接，因此不受限于运动平台的定位精度，能够保证大幅图形激光扫描的拼接精度。

2.相比于现有方法，本发明方法不依赖于平台的高精度定位，由此降低了运动平台等硬件的性能指标，节约了大幅面图像激光扫描的拼接成本。

附图说明

图1为本发明用于大幅面激光加工的图形在线拼接系统示意图；

图2为本发明将待加工图形划分为N个子块图形示意图；

图3为本发明方法中理论包围盒和实际包围盒比较示意图。

图4为本发明待加工图形示意图一；

图5为本发明待加工图形示意图二；

图6为本发明待加工图形示意图三；

图7为本发明待加工图形示意图四。

附图说明：1-激光器，2-同轴测量单元，3-指示光源，4-第一反射镜，5-扫描振镜，6-漫反射光束，7-第二反射镜，8-激光束，9-聚焦单元，10-待加工工件，11-运动平台，12-控制单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：

本发明提供一种用于大幅面激光加工的图形在线拼接方法及系统，通过该方法及系统保证了大幅面激光扫描图形的拼接精度，为高精度精密激光扫描提供了保障。

如图1所示，用于大幅面激光加工的图形在线拼接系统的包括指示光源3、第一反射镜4、第二反射镜7、扫描振镜5、聚焦单元9、同轴测量单元2和控制单元12；扫描振镜5通过其内置的两个反射镜片实现光束的任意角度的偏转，以此实现光束在工件表面任意位置的扫描；激光器1发出的光束通过扫描振镜5、聚焦单元9及第二反射镜7作用于工件表面上。指示光源3的出射光束经第一反射镜4与激光光束合束后进入扫描振镜5，扫描振镜5的出射光经聚焦单元9聚焦、第二反射镜7反射后对待加工区域的边界进行扫描，实现待加工区域边界的实际位置演示；运动平台11用于将工件移动至待加工区域以实现激光的分块扫描；同轴测量单元2设置在第二反射镜7上方，获取待加工区域的图像，并将获取的图像发送至控制单元12，用于测量实际包围盒，并且为了消除同轴测量的误差，需要将测量坐标系与加工坐标系进行对准以实现两个坐标系的重合(此处以加工坐标系为基准，调节同轴测量单元2的位置及角度，以确保测量坐标系与加工坐标系重合)；控制单元12载入加工图形、处理并校正实际包围盒与理论包围盒的偏差量及旋转量、对运动平台11以及扫描振镜5等模块下发指令等等,即控制单元12均与指示光源3、扫描振镜5、聚焦单元9、同轴测量单元2、运动平台11等连接，同轴测量单元2具体可采用CCD相机，指示光源3具体可采用激光笔，聚焦单元9具体为场镜。

激光器1的光源以及指示光源3的波长应选用不同的波长，如激光器1采用近红外波长光源，指示光源3采用红色波长光源。

同轴测量单元2下方的第二反射镜7为分光镜，该分光镜需要对本系统中的指示红光进行分束，具体可对分光镜的正面镀介质反射膜，反面镀增透膜，通过这样的设置实现指示光束既能够在工件表面扫描又能够使其光束被同轴测量单元观测到。激光器1下方的第一反射镜4为二向色镜，该镜片可实现本案中激光红外波长光源的高透过率以及指示红光的高反射率。

本发明提供的一种用于大幅面激光加工的图形在线拼接方法包括以下步骤：

1)如图2所示，控制单元12载入待加工图形，并根据扫描振镜5的加工范围将待加工图形划分为N个子块图形，获取包含每个子块图形的最小矩形区域，该最小矩形区域为理论包围盒；

具体过程如下：a.控制单元12载入待加工的矢量图形；b.将待加工图形按照扫描振镜5的加工范围进行分区；c.控制单元12保存各分区图形并求出各个区域的几何中心点坐标以及各个分块图形的最小矩形区域，该最小矩形区域为理论包围盒；待加工图形可以为任意形式，本实施方式载入的待加工图形及拆分方式如图4至图7所示；

上述获取包含每个子块图形的最小矩形区域具体为，比较子块图形的各个顶点坐标，分别找出各个顶点中的X坐标和Y坐标的最大值和最小值(x_min,x_max以及y_min,y_max)，根据四个顶点确定一个矩形区域，该矩形区域是包围此子块图形的最小矩形区域；

2)根据子块图形的中心点坐标，运动平台11将待加工工件10定位至第X个待加工区域，开启指示光源3，使其发出的光束到达第X个待加工区域，对第X个待加工区域的边界进行扫描；

具体过程为开启指示光源3，使其发出的光束经第一反射镜4、扫描振镜5、聚焦单元9以及第二反射镜7到达第X个待加工区域，对第X个待加工区域的边界进行扫描；

3)同轴测量单元2观测第X个待加工区域的漫反射光束6，获取第X个待加工区域的图像，并将该图像传输至控制单元12，控制单元12根据获取的图像得到第X个待加工区域的实际包围盒；

具体为控制单元12根据获取到的图像进行图像灰度识别，并将识别到的图像像素转化为几何尺寸，进而获取到该图像的Xmax,Xmin以及Ymax,Ymin，由此最终得到该加工区域的实际包围盒；

4)使用控制单元12对步骤2中第X个加工区域实际包围盒位置与该区域理论包围盒的位置进行比较，在本实施例中选取包围盒的边框中点为比较基准，分别计算得到待加工图形的拼接平移量△X、△Y以及偏转角θ，如图3所示；

5)根据步骤4)得到的拼接平移量△X、△Y以及偏转角θ，调整控制单元12中第X个子块图形在加工坐标系中的位置，直至符合要求；该调整范围需要依据具体拼接精度要求，如：拼接精度为0.02mm，则需要调整到0.02mm范围内；

6)开启激光器1，使出射光束透过镀有透射薄膜的第一反射镜4，再通过扫描振镜5、聚焦单元9以及第二反射镜7对光束的偏摆、聚焦、反射作用后，使激光束8作用于工件的表面上，从而完成第X个加工区域的图形扫描；

7)重复步骤2)至步骤6)，直至待加工件加工并拼接完成。