一種精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，將三維物體模型通過曲面展開算法展開生成二維展開圖形，然后將二維圖像映射至二維展開圖形上，將映射有二維圖像的二維展開圖形轉(zhuǎn)換生成映射有二維圖像的三維物體模型；在該三維物體模型基礎(chǔ)上，建立三維坐標(biāo)系，以該坐標(biāo)系原點(diǎn)為起始點(diǎn)，向三維物體模型表面方向，逐層計(jì)算獲取二維圖像在三維物體模型上的映射點(diǎn)坐標(biāo)，并對(duì)獲取的映射點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行畸變誤差校正，生成位置標(biāo)刻參數(shù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中；標(biāo)刻時(shí)，以一動(dòng)態(tài)標(biāo)刻系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)庫，根據(jù)位置標(biāo)刻參數(shù)在物體表面上進(jìn)行標(biāo)刻。本發(fā)明的方法可實(shí)現(xiàn)在任意形狀物體表面上的快速、精確標(biāo)刻，且標(biāo)刻于物體表面上的二維圖像無失真現(xiàn)象。
【專利說明】一種精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，屬于激光打標(biāo)、雕刻等激光加工領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]與傳統(tǒng)二維激光加工相比，三維激光標(biāo)刻可實(shí)現(xiàn)在曲面工件上激光加工，標(biāo)刻精度高，加工創(chuàng)意豐富。目前，包括激光打標(biāo)、雕刻等在內(nèi)的三維激光標(biāo)刻技術(shù)蓬勃發(fā)展，未來幾年內(nèi)激光標(biāo)刻應(yīng)用必將由二維逐漸過渡到三維，深入到生活、工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。
[0003]目前二維激光標(biāo)刻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品的平面上進(jìn)行打標(biāo)，其技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是對(duì)于三維激光標(biāo)刻，如何在三維物體的表面實(shí)現(xiàn)精確、無失真的標(biāo)刻成為業(yè)界的主要研究方向，具體存在的困難在于:二維圖像如何在表面不平整的三維曲面工件上仿形貼合無失真，從二維標(biāo)刻平面圖形轉(zhuǎn)化成三維圖形后，其位置信息如何表征，在激光標(biāo)刻過程中如何實(shí)時(shí)獲取不規(guī)則表面的位置信息，同時(shí)相對(duì)于二維圖形而言，系統(tǒng)處理三維圖形的數(shù)據(jù)量大幅度增加，如何保證激光在標(biāo)刻過程中快速響應(yīng)，動(dòng)態(tài)改變激光焦斑大小，保證加工無離焦現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)圖案在三維曲面上精準(zhǔn)展現(xiàn)。
[0004]現(xiàn)有的三維激光標(biāo)刻方法一般是將二維圖像直接投影于三維物體模型的表面，根據(jù)二維圖像在三維物體模型表面形成的映射坐標(biāo)，利用三維激光標(biāo)刻機(jī)調(diào)整激光焦斑和激光束的位置完成在三維物體表面的標(biāo)刻過程。這種方法的缺點(diǎn)是:一方面，映射坐標(biāo)通常是在標(biāo)刻過程中實(shí)時(shí)采用插值法計(jì)算得到的，容易出現(xiàn)不同高度位置的激光光斑偏離焦點(diǎn)，進(jìn)而造成圖像失真的問題；另一方面，對(duì)于曲率驟變、平整度偏差較大的三維曲面，標(biāo)刻過程中容易產(chǎn)生嚴(yán)重的圖像變形失真。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述原因，本發(fā)明的目的在于提供一種精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，利用該三維曲面激光標(biāo)刻方法可實(shí)現(xiàn)在任意形狀物體表面上的快速、精確標(biāo)刻，且標(biāo)刻于物體表面上的二維圖像無失真現(xiàn)象。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，包括如下步驟:
[0008]獲取映射有二維圖像的三維物體模型；
[0009]建立該三維物體模型的三維坐標(biāo)系，以該三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)為起始點(diǎn)，向該三維物體模型表面方向，逐層獲取二維圖像在該三維物體模型上的映射點(diǎn)坐標(biāo)；
[0010]對(duì)該映射點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行畸變誤差校正處理,生成位置標(biāo)刻參數(shù)；
[0011]將該位置標(biāo)刻參數(shù)存儲(chǔ)于一數(shù)據(jù)庫中；
[0012]以一動(dòng)態(tài)標(biāo)刻系統(tǒng)在標(biāo)刻過程中實(shí)時(shí)調(diào)取該數(shù)據(jù)庫中的位置標(biāo)刻參數(shù)，并根據(jù)該位置標(biāo)刻參數(shù)在實(shí)物表面標(biāo)刻。
[0013]進(jìn)一步的，
[0014]對(duì)所述三維物體模型上的三維曲面進(jìn)行分層處理，確定每層對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)，對(duì)每層對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)進(jìn)行畸變誤差校正處理，生成每層對(duì)應(yīng)的位置標(biāo)刻參數(shù)。
[0015]以所述三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)為起始點(diǎn)，向所述三維物體模型表面方向，以小于0.1mm的步長(zhǎng)，逐層計(jì)算獲取二維圖像在所述三維物體模型上的映射點(diǎn)坐標(biāo)。
[0016]所述建立三維坐標(biāo)系的方法是:將所述三維物體模型與實(shí)物位置相重合，建立三維坐標(biāo)系，且所述三維物體模型的底面或投影面位于該三維坐標(biāo)系的XOY平面的第一象限內(nèi)。
[0017]所述獲取映射有二維圖像的三維物體模型的方法是:
[0018]利用曲面展開算法將實(shí)物的三維物體模型展開生成二維展開圖形；
[0019]將二維圖像映射于該二維展開圖形上，生成映射有二維圖像的二維展開圖形；
[0020]將該映射有二維圖像的二維展開圖形轉(zhuǎn)換生成所述映射有二維圖像的三維物體模型。
[0021]激光標(biāo)刻過程中，所述動(dòng)態(tài)標(biāo)刻系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取所述數(shù)據(jù)庫中的位置標(biāo)刻參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)激光焦斑和光束位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)標(biāo)刻。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0023]本發(fā)明的精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，將三維物體模型展開成二維展開圖形，完成貼圖后再重構(gòu)成三維物體模型，可保證物體表面的360°全方位標(biāo)刻；逐層計(jì)算獲取二維圖像在三維物體模型上的映射點(diǎn)坐標(biāo)，并對(duì)映射點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行畸變誤差校正處理，使得標(biāo)刻位置更為精準(zhǔn)，避免了標(biāo)刻圖像的失真現(xiàn)象；將位置標(biāo)刻參數(shù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，直接讀取數(shù)據(jù)庫中的位置標(biāo)刻參數(shù)即可快速完成標(biāo)刻。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的方法流程圖。
[0025]圖2是本發(fā)明一具體實(shí)施例的二維圖像標(biāo)刻至球體表面的過程示意圖。
[0026]圖3是本發(fā)明一具體實(shí)施例的二維圖像標(biāo)刻至旋轉(zhuǎn)體表面的過程示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0028]圖1是本方法的方法流程圖。結(jié)合圖2及圖3所示的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開的一種精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，包括如下步驟:
[0029]S1:獲取映射有二維圖像的三維物體模型
[0030]具體的說，利用曲面展開算法將三維物體模型展開生成二維展開圖形；將二維圖像映射于該二維展開圖形上生成映射有二維圖像的二維展開圖形；將映射有二維圖像的二維展開圖形，轉(zhuǎn)換生成映射有二維圖像的三維物體模型。
[0031]其中，曲面展開算法可以是三角線法、放射線法等公知的曲面展開算法。
[0032]S2:建立該三維物體模型的三維坐標(biāo)系
[0033]具體的說，將映射有二維圖像的三維物體模型與實(shí)物位置相重合，建立三維坐標(biāo)系，且，映射有二維圖像的三維物體模型的底面(或投影面)位于該三維坐標(biāo)系的XOY平面的第一象限內(nèi)；
[0034]坐標(biāo)系原點(diǎn)可以選取三維物體模型的投影圖形中具有特征的點(diǎn)，如，若投影圖形為多邊形，則原點(diǎn)為多邊形上的某個(gè)頂點(diǎn)在XOY平面上的投影；若投影圖形為圓形或是橢圓形，以X、Y正半軸為其切線，兩條切線的交點(diǎn)在XOY平面上的投影為原點(diǎn)；若投影圖形為不規(guī)則圖形，則原點(diǎn)可根據(jù)需要任意選取。
[0035]S3:以三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)為起始點(diǎn)，向映射有二維圖像的三維物體模型表面方向，逐層獲取二維圖像在三維物體模型上的映射點(diǎn)坐標(biāo)
[0036]在建立的三維坐標(biāo)系基礎(chǔ)上，以坐標(biāo)系原點(diǎn)為起始點(diǎn)，向映射有二維圖像的三維物體模型表面方向，以小于0.1mm的步長(zhǎng)，利用分層算法，逐層計(jì)算獲取二維圖像在三維物體模型上的映射點(diǎn)坐標(biāo)。
[0037]S4:對(duì)映射點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行畸變誤差校正處理,生成位置標(biāo)刻參數(shù)，并將位置標(biāo)刻參數(shù)存儲(chǔ)于一數(shù)據(jù)庫中
[0038]具體的說，對(duì)映射有二維圖像的三維物體模型上的三維曲面進(jìn)行分層處理，確定出每層對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)U，y)，針對(duì)每層對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)U，y)，進(jìn)行畸變誤差校正處理，生成每層對(duì)應(yīng)的位置標(biāo)刻參數(shù)，并將生成的位置標(biāo)刻參數(shù)存儲(chǔ)于一數(shù)據(jù)庫中；標(biāo)刻時(shí)，利用一動(dòng)態(tài)標(biāo)刻系統(tǒng)讀取該數(shù)據(jù)庫中的位置標(biāo)刻參數(shù)完成快速標(biāo)刻。
[0039]其中，分層算法屬于三維物體模型的常用處理方法；畸變誤差校正處理屬于激光打標(biāo)【技術(shù)領(lǐng)域】的常用技術(shù)手段；動(dòng)態(tài)打標(biāo)系統(tǒng)是指可根據(jù)位置標(biāo)刻參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整χ、γ、ζ軸振鏡位置以實(shí)現(xiàn)激光在物體表面不同位置進(jìn)行打印的系統(tǒng)，屬于現(xiàn)有技術(shù)。
[0040]圖2是本發(fā)明一具體實(shí)施例的二維圖像標(biāo)刻至球體表面的過程示意圖。如圖所示，將一二維圖像標(biāo)刻至球體表面，先利用三角線展開算法將球體展開為二維展開圖形，然后將二維圖像映射于二維展開圖形上生成映射有二維圖像的二維展開圖形，之后將映射有二維圖像的二維展開圖形轉(zhuǎn)換成映射有二維圖像的球體模型；將映射有二維圖像的球體模型與球體實(shí)物位置相重合，建立以該球體的投影圖形(圓形)位于XOY平面的第一象限內(nèi)，以X、Y正半軸為該圓形的切線，兩條切線的交點(diǎn)為原點(diǎn)的三維坐標(biāo)系；以該坐標(biāo)系原點(diǎn)為起始點(diǎn)，向球體模型表面方向，以0.08mm的步長(zhǎng)，分層獲取二維圖像在三維曲面上的平面坐標(biāo)U，y)，并對(duì)每一層上獲取的平面坐標(biāo)進(jìn)行畸變誤差校正處理，生成位置標(biāo)刻參數(shù)，存儲(chǔ)于一數(shù)據(jù)庫中。標(biāo)刻時(shí)，利用動(dòng)態(tài)標(biāo)刻系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的位置標(biāo)刻參數(shù)，完成二維圖像在球體上的標(biāo)刻。
[0041]圖3是本發(fā)明一具體實(shí)施例的二維圖像標(biāo)刻至旋轉(zhuǎn)體表面的過程示意圖。如圖所示，將一二維圖像標(biāo)刻至球體表面，先利用放射線展開算法將旋轉(zhuǎn)體展開為二維展開圖形，然后將二維圖像映射于二維展開圖形上生成映射有二維圖像的二維展開圖形，之后將映射有二維圖像的二維展開圖形轉(zhuǎn)換成映射有二維圖像的旋轉(zhuǎn)體模型；將映射有二維圖像的旋轉(zhuǎn)體模型與旋轉(zhuǎn)體實(shí)物位置相重合，建立以旋轉(zhuǎn)體底面圓形位于XOY平面的第一象限內(nèi)，以X、Y正半軸為該底面圓形的切線，兩條切線的交點(diǎn)為原點(diǎn)的三維坐標(biāo)系；以該坐標(biāo)系原點(diǎn)為起始點(diǎn)，向旋轉(zhuǎn)體模型表面方向，以0.06mm的步長(zhǎng)，分層獲取二維圖像在三維曲面上的平面坐標(biāo)(x，y)，并對(duì)每一層上獲取的平面坐標(biāo)進(jìn)行畸變誤差校正處理，生成位置標(biāo)刻參數(shù)，存儲(chǔ)于一數(shù)據(jù)庫中。
[0042]對(duì)于圖3所示的旋轉(zhuǎn)體實(shí)施例，為實(shí)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)體上360°全方位貼圖，在生成所述位置標(biāo)刻參數(shù)后，還需要對(duì)該位置標(biāo)刻參數(shù)進(jìn)行分割處理，將該位置標(biāo)刻參數(shù)分割成第一位置標(biāo)刻參數(shù)和第二位置標(biāo)刻參數(shù)；標(biāo)刻時(shí)，利用一動(dòng)態(tài)標(biāo)刻系統(tǒng)根據(jù)第一位置標(biāo)刻參數(shù)在旋轉(zhuǎn)體的第一面完成標(biāo)刻，然后，利用一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(現(xiàn)有技術(shù))將旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)180°，再利用動(dòng)態(tài)標(biāo)刻系統(tǒng)根據(jù)第二位置標(biāo)刻參數(shù)在旋轉(zhuǎn)體的第二面完成標(biāo)刻。
[0043]本發(fā)明提供的精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，是將三維物體模型通過曲面展開算法展開生成二維展開圖形，然后將二維圖像映射至二維展開圖形上，將映射有二維圖像的二維展開圖形轉(zhuǎn)換生成映射有二維圖像的三維物體模型；在該三維物體模型基礎(chǔ)上，建立三維坐標(biāo)系，以該坐標(biāo)系原點(diǎn)為起始點(diǎn)，向三維物體模型表面方向，逐層計(jì)算獲取二維圖像在三維物體模型上的映射點(diǎn)坐標(biāo)，并對(duì)獲取的映射點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行畸變誤差校正，生成位置標(biāo)刻參數(shù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中；標(biāo)刻時(shí)，以一動(dòng)態(tài)標(biāo)刻系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)庫，根據(jù)位置標(biāo)刻參數(shù)在物體表面上進(jìn)行標(biāo)刻。本發(fā)明的方法可實(shí)現(xiàn)在任意形狀物體表面上的快速、精確標(biāo)刻，且標(biāo)刻于物體表面上的二維圖像無失真現(xiàn)象。
[0044]以上所述是本發(fā)明的較佳實(shí)施例及其所運(yùn)用的技術(shù)原理，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡(jiǎn)單替換等顯而易見的改變，均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，其特征在于，包括如下步驟: 獲取映射有二維圖像的三維物體模型； 建立該三維物體模型的三維坐標(biāo)系，以該三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)為起始點(diǎn)，向該三維物體模型表面方向，逐層獲取二維圖像在該三維物體模型上的映射點(diǎn)坐標(biāo)； 對(duì)該映射點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行畸變誤差校正處理，生成位置標(biāo)刻參數(shù)； 將該位置標(biāo)刻參數(shù)存儲(chǔ)于一數(shù)據(jù)庫中； 以一動(dòng)態(tài)標(biāo)刻系統(tǒng)在標(biāo)刻過程中實(shí)時(shí)調(diào)取該數(shù)據(jù)庫中的位置標(biāo)刻參數(shù)，并根據(jù)該位置標(biāo)刻參數(shù)在實(shí)物表面標(biāo)刻。
2.如權(quán)利要求1所述的精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，其特征在于，對(duì)所述三維物體模型上的三維曲面進(jìn)行分層處理，確定每層對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)，對(duì)每層對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)進(jìn)行畸變誤差校正處理，生成每層對(duì)應(yīng)的位置標(biāo)刻參數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，其特征在于:以所述三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)為起始點(diǎn)，向所述三維物體模型表面方向，以小于0.1mm的步長(zhǎng)，逐層計(jì)算獲取二維圖像在所述三維物體模型上的映射點(diǎn)坐標(biāo)。
4.如權(quán)利要求3所述的精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，其特征在于:所述建立三維坐標(biāo)系的方法是:將所述三維物體模型與實(shí)物位置相重合，建立三維坐標(biāo)系，且所述三維物體模型的底面或投影面位于該三維坐標(biāo)系的XOY平面的第一象限內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1或4所述的精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，其特征在于:所述獲取映射有二維圖像的三維物體模型的方法是: 利用曲面展開算法將實(shí)物的三維物體模型展開生成二維展開圖形； 將二維圖像映射于該二維展開圖形上，生成映射有二維圖像的二維展開圖形； 將該映射有二維圖像的二維展開圖形轉(zhuǎn)換生成所述映射有二維圖像的三維物體模型。
6.如權(quán)利要求1所述的精準(zhǔn)的三維曲面激光標(biāo)刻方法，其特征在于:激光標(biāo)刻過程中，所述動(dòng)態(tài)標(biāo)刻系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取所述數(shù)據(jù)庫中的位置標(biāo)刻參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)激光焦斑和光束位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)標(biāo)刻。
【文檔編號(hào)】B23K26/362GK104259669SQ201410461326
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】楊海青 申請(qǐng)人:蘇州菲鐳泰克激光技術(shù)有限公司