一種控制激光雕刻頭運(yùn)動的方法

1、一種控制激光雕刻頭運(yùn)動的方法發(fā)明的背景1.發(fā)明的領(lǐng)域此項(xiàng)發(fā)明，大體來說，涉及一種控制激光雕刻頭或打印頭運(yùn)動的新方法，具體而言，是一種通過在加工過程中開關(guān)激光，根據(jù)位圖圖像在工作面上產(chǎn)生一幅不失真的畫面的加工運(yùn)動控制方法。2.發(fā)明的背景設(shè)備利用激光進(jìn)行雕刻，或者至少能在一種常用合適的物體表面刻出痕跡。一個此類設(shè)備的例子在一項(xiàng)由 Guettler 和 Penz 申請的專利中被公開出來。設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)是通過一個工具頭支撐連接在激光上的透鏡，激光是與工件的運(yùn)動相關(guān)聯(lián)的，工件是被支撐在一個工作平面，通過周期性的校準(zhǔn)平行相干光脈沖作用于工件上，以影響其表面產(chǎn)生一個圖像大小范圍的雕刻痕跡，通過多個雕刻痕跡的

2、選擇性分布，形成一個雕刻圖像。用于雕刻的圖像可以是直接掃描或者經(jīng)過反轉(zhuǎn)處理的位圖文件。工具頭的運(yùn)動通過響應(yīng)信號產(chǎn)生，信號通過的或者直接掃描的圖案產(chǎn)生。所述工件可以是，例如，由涂覆的或陽極氧化金屬，紙張，木材，或橡膠等。工件需要是容易被激光雕刻出痕跡的材料。相干光或激光束在激光工具頭每英尺位移距離上的放電次數(shù)和每個脈沖的持續(xù)時間，可以轉(zhuǎn)化為增量位置電壓與工作頭正交方向的位移分量的平方和的平函數(shù)。基本上，激光打印或雕刻是通過逐行掃描一個位圖文件，并且使激光束在工件表面聚焦，激光束在每個像素點(diǎn)位置開啟并且在空白像素位置被關(guān)閉，根據(jù)具體情況，出于便捷性的考慮，會在工件上雕刻出黑白兩像?；译A圖像的產(chǎn)生是

3、通過調(diào)節(jié)脈沖寬度以改變激光束的強(qiáng)度雕刻出來的接到激光工具頭的編提供位置信號（脈沖量）給處理器，處理器將激光工具頭作為一個脈沖響應(yīng)器件來進(jìn)行控制。理想情況下，激光頭在根據(jù)代表工具頭實(shí)際位置信號的基礎(chǔ)上通電。任何滯后誤差的影響，也就是激光沿曲線或直線運(yùn)動期望值與實(shí)際值的不同，可能是微道以及可的。在雕刻用于制造郵票的橡膠材料過程中，激光工具頭以大約 30cm/s 的速度移動，并且激光頭的最大輸出功率小于 50W。在雕刻或陽極氧化金屬，比如，激光頭的功率輸出通常保持盡可能小的功率等級，只需要使陽極氧化材料或?qū)硬牧险舭l(fā)即可。因此，激光工具頭可能需要以較高的速度移動。事實(shí)上，在已知的裝置上，激光頭的運(yùn)動速

4、度超過 1m/s。激光雕刻的結(jié)果，被發(fā)現(xiàn)還存在缺陷，因?yàn)槟壳鞍l(fā)現(xiàn)是不充分的激光頭通斷響應(yīng)以及激光頭速度補(bǔ)償控制。特別是在雙向雕刻過程中的固有問題，是不幸但顯而易見的，因?yàn)橄袼攸c(diǎn)是指向性的放置的，也就是他們沒有以精確的垂直方式排列。在雙向雕刻過程中，激光脈沖的最大時間常數(shù)，在激光頭的高速運(yùn)動情況下，實(shí)際上產(chǎn)生了不可用的結(jié)果。激勵激光頭的固有難題使得在可接度范圍內(nèi)的高速高效 XY 繪圖儀很難實(shí)現(xiàn)。激光可以以例如 500 每英寸像素的速率，以在表面形成每直線英寸 500個像素點(diǎn)。為了獲得可以接受雕刻質(zhì)量，由于物理和結(jié)構(gòu)上的反射率結(jié)果導(dǎo)致的激勵激光頭的滯后，必須調(diào)整為一個激光頭速度相對于等離子離子化程

5、度的函數(shù)。除非延時調(diào)整的比較合適，一個 1.5m/s 的激光頭移動速度和大于 100us 的激勵周期導(dǎo)致了超過+-150um 的不可接受的誤差結(jié)果。是人眼可感受到的 50um 經(jīng)驗(yàn)誤差的 3 倍。本發(fā)明的目的本發(fā)明的基本目標(biāo)是提供法，關(guān)于協(xié)調(diào)工具頭的間歇性運(yùn)動和激光根據(jù)控制信號的周期性放電，信號由一個掃描的圖案或者位圖文件，如此像素點(diǎn)被雕刻成形在工件上，最終產(chǎn)生無失真的圖像。更一般的目的在于發(fā)明一種使用從合適來源的位圖進(jìn)行直線雕刻的方法。該發(fā)明的具體目標(biāo)就是提供一種改進(jìn)的算法，來控制激光頭高速間斷的運(yùn)動和激光的周期性放電的相互作用，以產(chǎn)生高質(zhì)量的雕刻效果。該發(fā)明的另一個目的是提供一種使用激光頭

6、在工件表面雙向雕刻的方法，這樣圖案上每個獨(dú)立的像素點(diǎn)，會被移動以補(bǔ)償激光的響應(yīng)滯后。這也是本發(fā)明的一個目的,校正圖像點(diǎn)作為激光頭按照預(yù)定速度曲線運(yùn)動的瞬時速度的函數(shù)。而本發(fā)明的另一個目的在于，通過工具頭的運(yùn)動，來補(bǔ)償激光激勵固有的滯后問題。本發(fā)明的又一目的在于一種激光雕刻的方法，此方法中，激光頭根據(jù)校正后的激光頭位移信號函數(shù)進(jìn)行放電。其他目的將是顯而易見的，并且會在下文中出現(xiàn)。發(fā)明的概要為了與上述及其它目標(biāo)一致，本發(fā)明，在一個首選的實(shí)例中，通過移動圖像的每一個像素點(diǎn)，來補(bǔ)償激光放電的滯后，并及時矯正瞬時速度函數(shù)，或根據(jù)提前編制好的速度圖像進(jìn)行控制。最好，補(bǔ)償或者矯正產(chǎn)生在根據(jù)加速曲線加速過程中

7、，加速曲線在控制器介質(zhì)中，或是通過編反饋給控制器的加速數(shù)據(jù)。幾張圖紙的說明被認(rèn)為是發(fā)明特征的新的特點(diǎn)被特別放到附加之前。發(fā)明本身，為了尊重它的結(jié)構(gòu)、建設(shè)、布局以及加工技術(shù)，以及其它優(yōu)勢。你將會通過下列與插圖有關(guān)的詳細(xì)論述，得以明白該發(fā)明的主要設(shè)計(jì)。圖 1 是雕刻機(jī)的俯視圖，為了展示目前的發(fā)明合并了激光工工具頭在其剖面結(jié)構(gòu)中；圖 2 是一個實(shí)施本發(fā)明的示范性裝置框圖；圖 3 是一個操作分立或集成電路方面的框圖；圖 4 是根據(jù)利用本發(fā)明的方法的流程圖;圖 5 是在某些現(xiàn)有技術(shù)的激光雕刻過程中獲得的描繪正確對齊的圖像的像素的圖像;圖 6 的圖像是根據(jù)本發(fā)明獲得的圖像像素的描繪。具體實(shí)施方法的詳細(xì)描述

8、本發(fā)明可以由以下方式來實(shí)現(xiàn)，由連接到俗稱計(jì)算機(jī)裝置的 PC 上的輸入裝置，以及作為輸出裝置的激光雕刻機(jī)或。這樣的輸出設(shè)備將在下文有時被稱為圖像形成裝置適合的輸入設(shè)備用于本發(fā)明的目的是那些能夠提供的圖案或位圖的數(shù)字信息信號代表將被再現(xiàn)或。其中這些是，但不限于，光學(xué)或機(jī)械掃描儀，數(shù)碼或數(shù)碼相機(jī)，所謂剪輯，桌面排版程序（DTP），CAD 程序或字處理程序。從輸入設(shè)備接收到的并且根據(jù)本發(fā)明處理的信息的信號的基礎(chǔ)上，再激光雕刻然后將形成，一行一行，它保留在圖像上的材料制成易于改變的類型的表面上的圖像或工件的表面上。工件加工表面具有可以在激光束的作用下實(shí)現(xiàn)材料去除，顏色變化或顏色加入的功能。木材，陽極化鋁

9、，涂覆或多色，涂覆金屬，玻璃，丙烯酸樹脂，皮革，紙張，紙板和其他許多可以作為這樣的材料。圖1 示意性地描述了由公開的那種類型的雕刻機(jī)10。由Guettler 和PENZ專利被明確地以方式并入本文中。它設(shè)有懸掛在一個基本上平坦的工作表面14，用于移動與其平行于相互正交方向的工具頭 12。為此，在工具頭 12 由皮帶驅(qū)動 16 移動和 18 沿導(dǎo)軌 20 和 22 在水平方向 x 和垂直的Y 方向上，分別運(yùn)動施加到皮帶傳動 16 和 18 由電24 和 26，分別的編28（圖 3）的控制之下。準(zhǔn)直相干光從激光源最好是 CO 激光器 34（圖 3）饋送到一個透鏡（未示出），在激光工具頭 12 由反射

10、器 30，32 的方式。如這里所考慮的類型的雕刻過程是眾所的有灰塵，真空排氣軟管 36 和 38 連通隨著反射器 30 和 32。激光工具頭12 的瞬時位置是從由編28 產(chǎn)生的脈沖響，來源于頭 12 在 X 和 Y 方向上的運(yùn)動。編28 可提供運(yùn)動信號以及產(chǎn)生位置信號。微處理系統(tǒng)，其輸入和輸出的設(shè)備在圖 2 中示意性地描述。它包括一臺計(jì)算機(jī) 40 最好是一個 PC 機(jī)。它被用于傳送計(jì)算機(jī) 40 的各種模塊之間的數(shù)據(jù)，控制，定時和地址信號提供通過系統(tǒng)總線 42。該總線 42 上設(shè)置有兩個串行或并行輸入/輸出（I / O）單元 44 和 46 對上線與激光雕刻 10 和編28 連接，以及與接收單元

11、 48 的信號。可替代地，計(jì)算機(jī)可以控制雕刻機(jī) 10 在離線方式在它的器或外設(shè)信號裝置的信號的基礎(chǔ)上進(jìn)行使用。還連接到總線 42 的有一個微處理器 50，一個器 52，一個盤控制 54，一個鍵盤 56，鼠標(biāo) 58 和顯示器 60。器 42 可以包括隨機(jī)存?。≧AM）和只讀（ROM）的部分。它以移位寄存器的方式發(fā)揮作用。盤控制 54 用于控制一個硬盤 54a 和，可選地，軟盤或光盤驅(qū)動器 54b 和磁帶驅(qū)動器 54c 中作為。信號接收單元 48 的信號可以是來自于響應(yīng)任何上文所述的輸入設(shè)備，但在這里被示例性地描述為一臺掃描儀 62。掃描器 62 可以是機(jī)械的但最好是光學(xué)掃描器。如示意圖所示的，它

12、使用三個傳感器 64、66、68 進(jìn)行掃描，在水平 X、垂直 Y 以及垂直于圖案 Z 的方向上產(chǎn)生信號。傳感器 64，66，68 可以是機(jī)械的一種或者最好是光電的。傳感器68 和接收單元48 的信號之間的連接以虛線表示，以表明傳感器 68 是可選的或是選擇性地連接到掃描儀 62。掃描器 62 的傳感器通過放大器 72，74 和 76 的方式被連接到多路復(fù)用器 70。所述放大器可以是低噪聲放大器并可被設(shè)計(jì)為傳感器 64，66，68 與動力源和來自彼此的干擾。該信號接收單元 48 可作為一個聯(lián)機(jī)單元，即它從掃描儀 62 或其它輸入裝置接收信號，在本發(fā)明的控制方式下可以被立即處理，用以控制激光雕刻機(jī)

13、 10?？商娲?，信號接收單元 48 可以被提供或與離線信號設(shè)施合作，為了隨后利用由計(jì)算機(jī) 40的數(shù)據(jù)。多路轉(zhuǎn)換器 70 的輸出被連接到一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器78。該 A / D 轉(zhuǎn)換器 78 和多路轉(zhuǎn)換器 70 被一個微處理器 80 控制，該微處理器具有一個隨機(jī)器 82，用于暫時或選擇性的從A / D 變換器 78 所獲取的數(shù)字化輸出信號。多路轉(zhuǎn)換器 70 和A / D 變換器 78 使取樣器在傳感器 64，66，68 的輸出電壓等級，以預(yù)定的速率取樣，以產(chǎn)生代表來自放大器的輸出模式或位圖的數(shù)字信號樣本。A / D 轉(zhuǎn)換器 78 的輸出首先被反饋到隨機(jī)存取器 82，并隨后直接到計(jì)算機(jī) 40 的器 5

14、2 或通過硬盤 54a 或任一其它方式的驅(qū)動器54B 和 54b 用于由微處理器 50 處理，并最終協(xié)調(diào)激光工具頭 12 的運(yùn)動和激光 34的放電。圖案的掃描或位圖以已知的方式在一個逐行或者單向的，最好是以交替的方向，并且接收單元 48 的信號被以一個先入先出（FIFO）移位寄存器這樣的方式進(jìn)入和分配到器 52 中。激光 34 在微處理器 50 的控制下被周期性地放電，如果離線，通過器 52中的數(shù)據(jù)，如果聯(lián)機(jī)，從信號接收單元 48 和某些其它參數(shù)的基礎(chǔ)上。激光器 34由微處理器 50 控制，在該工具頭 12 的對應(yīng)位置瞬間精確地放電，考慮到將要形成的像素，以便同步在實(shí)際的圖案對應(yīng)的位置與由傳感

15、器 62 確定的以“虛擬”模式預(yù)先在器 82 或 52 中的位置。工具頭 12 的相應(yīng)地運(yùn)動以及被提及的速度，在考慮到激光的滯后的情況下被控制，或者激光被根據(jù)工具頭 12 產(chǎn)生的速度經(jīng)過脈寬調(diào)制產(chǎn)生的信號控制。像素在工件上對齊的結(jié)果如圖 6所示。為了實(shí)現(xiàn)這一結(jié)果，微處理器 50 被編程，以解決下面的算法，在此基礎(chǔ)上它們能夠協(xié)調(diào)激光 34 的放電與激光工具頭 12 的移動：其中：,x =像素的移位米；sign(Vact) =雙向雕刻的矢量速度符號（+/-）1；k1 =用于校正取決于激光的電源輸出相對于輸入信號（正和負(fù)范圍）的延遲的移位的常數(shù)米/秒；k2=用于校正取決于開/關(guān)占空比的移位的常數(shù)（正

16、和負(fù)范圍）米;k3=常數(shù)用于校正速度相關(guān)的移位（正和負(fù)范圍）秒;k4=常數(shù)校正常數(shù)偏移（正和負(fù)范圍）米;k5=常量修正參數(shù)相關(guān)的偏移（正和負(fù)范圍）;J=求和函數(shù)；f1(,tLaser)=取決于激光的響應(yīng)滯后的重要性因子秒;f2(P)=根據(jù)開/的重要因子1;f3(Vact)=取決于運(yùn)動速度的重要系數(shù)（實(shí)際和期望的速度）米/秒;fn(parameter) =nth 的重要參數(shù)（例如加速度等）一個特殊應(yīng)用集成電路如圖 3 所示。如同在圖 2 和 3 中能夠看到的，微處理器 50 處理來自器 52 中或從信號接收單元 48 的信號，轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)換成脈沖寬度調(diào)制信號，來周期性地以移動電24，第 26 和控制

17、激光 34 的放電。實(shí)際上，是電機(jī) 24 在工作平面 14 上水平的移動激光頭 12，當(dāng)激光頭在信號的控制下充放電時，隨著微處理器 50 周期性的給電機(jī) 26 發(fā)送命令，垂直的移動頭 12，伴隨著垂直的電機(jī) 24 以相反的方向水平移動頭 12。應(yīng)當(dāng)理解，兩個馬達(dá)的操作的順序可以顛倒。在激光 34 通電放電之間的間隔或滯后，被傳感器 82測量，并且一個常量 k1，為了矯正頭 12 的位置與,x 有關(guān)聯(lián)。另一個常量k2，糾正工具頭 12 的位置，根據(jù)激光 34 的開通/關(guān)斷時間的比率。常量 k3 矯正工具頭 12 的移動速度，根據(jù)編28 判斷。常量 k1、k2 和 k3，以及其它幾個程序中的特別常

18、量 k4kn，在求和過程 86 中累加為 H，決定了與微處理器 50相連的時鐘 88的信號。圖 4 中的流程圖描述了圖 4 中所示的電路圖功能，以以下方式來描述設(shè)備的功能：首先，掃描一行圖案或位圖所獲取的數(shù)據(jù)，被在內(nèi)存中用以微處理器50 的處理。微處理器 50 決定了圖形將要形成的像素?cái)?shù)量，并且計(jì)算工具頭 12在已決定的 X 距離上的速度。此后，它所謂的重要參數(shù) f1fn，來決定將要形成的像素或可能成為下一個像素點(diǎn)的目標(biāo)位置。這個過程一直重復(fù)直到所有像素位置形成一個已經(jīng)計(jì)算出來的直線，工具頭以同激光頭 34 的脈寬調(diào)制信號匹配速度曲線一致性地間歇性移動，以激光 34 在與保證工具頭 12 計(jì)算的像素位置一致時進(jìn)行放電。激光放電和工具頭的移動控制的協(xié)調(diào)的結(jié)果所得到的雕刻精確地對應(yīng)于所掃描的（或）模式或位圖。應(yīng)該理解的是，以這種方式產(chǎn)生的圖象的尺寸可以按比例相對于該圖案。：1. 一個由激光在表面上形成圖像的方法，