一種控制激光雕刻頭運(yùn)動(dòng)的方法

1、一種控制激光雕刻頭運(yùn)動(dòng)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(lái)說(shuō)，涉及一種控制激光雕刻頭或打印頭運(yùn)動(dòng)的新方法，具體而言，是一種通過(guò)在加工過(guò)程中開(kāi)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(huà)面的加工運(yùn)動(dòng)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(gè)此類(lèi)設(shè)備的例子在一項(xiàng)由 Guettler 和 Penz 申請(qǐng)的專利中被公開(kāi)出來(lái)。設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)一個(gè)工具頭支撐連接在激光上的透鏡，激光是與工件的運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的，工件是被支撐在一個(gè)工作平面，通過(guò)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(gè)圖像大小范圍的雕刻痕跡，通過(guò)多個(gè)雕刻痕跡的

2、選擇性分布，形成一個(gè)雕刻圖像。用于雕刻的圖像可以是直接掃描或者經(jīng)過(guò)反轉(zhuǎn)處理的位圖文件。工具頭的運(yùn)動(dòng)通過(guò)響應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生，信號(hào)通過(guò)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(yáng)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(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)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)?；旧?，激光打印或雕刻是通過(guò)逐行掃描一個(gè)位圖文件，并且使激光束在工件表面聚焦，激光束在每個(gè)像素點(diǎn)位置開(kāi)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(huì)在工件上雕刻出黑白兩像?；译A圖像的產(chǎn)生是

3、通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度以改變激光束的強(qiáng)度雕刻出來(lái)的接到激光工具頭的編提供位置信號(hào)（脈沖量）給處理器，處理器將激光工具頭作為一個(gè)脈沖響應(yīng)器件來(lái)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(hào)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(dòng)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(guò)程中，激光工具頭以大約 30cm/s 的速度移動(dòng)，并且激光頭的最大輸出功率小于 50W。在雕刻或陽(yáng)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(jí)，只需要使陽(yáng)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(dòng)。事實(shí)上，在已知的裝置上，激光頭的運(yùn)動(dòng)速

4、度超過(guò) 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(guò)程中的固有問(wèn)題，是不幸但顯而易見(jiàn)的，因?yàn)橄袼攸c(diǎn)是指向性的放置的，也就是他們沒(méi)有以精確的垂直方式排列。在雙向雕刻過(guò)程中，激光脈沖的最大時(shí)間常數(shù)，在激光頭的高速運(yùn)動(dòng)情況下，實(shí)際上產(chǎn)生了不可用的結(jié)果。激勵(lì)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(gè)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(lì)激光頭的滯后，必須調(diào)整為一個(gè)激光頭速度相對(duì)于等離子離子化程

5、度的函數(shù)。除非延時(shí)調(diào)整的比較合適，一個(gè) 1.5m/s 的激光頭移動(dòng)速度和大于 100us 的激勵(lì)周期導(dǎo)致了超過(guò)+-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(dòng)和激光根據(jù)控制信號(hào)的周期性放電，信號(hào)由一個(gè)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(wú)失真的圖像。更一般的目的在于發(fā)明一種使用從合適來(lái)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(lái)控制激光頭高速間斷的運(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)獨(dú)立的像素點(diǎn)，會(huì)被移動(dòng)以補(bǔ)償激光的響應(yīng)滯后。這也是本發(fā)明的一個(gè)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(dòng)的瞬時(shí)速度的函數(shù)。而本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，通過(guò)工具頭的運(yùn)動(dòng)，來(lái)補(bǔ)償激光激勵(lì)固有的滯后問(wèn)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(hào)函數(shù)進(jìn)行放電。其他目的將是顯而易見(jiàn)的，并且會(huì)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(gè)首選的實(shí)例中，通過(guò)移動(dòng)圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)，來(lái)補(bǔ)償激光放電的滯后，并及時(shí)矯正瞬時(shí)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(guò)程中

7、，加速曲線在控制器介質(zhì)中，或是通過(guò)編反饋給控制器的加速數(shù)據(jù)。幾張圖紙的說(shuō)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(shì)。你將會(huì)通過(guò)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(gè)實(shí)施本發(fā)明的示范性裝置框圖；圖 3 是一個(gè)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(guò)程中獲得的描繪正確對(duì)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(lái)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(shí)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(hào)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(hào)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(lèi)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(yáng)極化鋁

9、，涂覆或多色，涂覆金屬，玻璃，丙烯酸樹(shù)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(kāi)的那種類(lèi)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(gè)基本上平坦的工作表面14，用于移動(dòng)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(dòng) 16 移動(dòng)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(dòng)施加到皮帶傳動(dòng) 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(gè)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(lèi)型的雕刻過(guò)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(shí)位置是從由編28 產(chǎn)生的脈沖響，來(lái)源于頭 12 在 X 和 Y 方向上的運(yùn)動(dòng)。編28 可提供運(yùn)動(dòng)信號(hào)以及產(chǎn)生位置信號(hào)。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(tái)計(jì)算機(jī) 40 最好是一個(gè) 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(shí)和地址信號(hào)提供通過(guò)系統(tǒng)總線 42。該總線 42 上設(shè)置有兩個(gè)串行或并行輸入/輸出（I / O）單元 44 和 46 對(duì)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(hào)?？商娲兀?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(hào)裝置的信號(hào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行使用。還連接到總線 42 的有一個(gè)微處理器 50，一個(gè)器 52，一個(gè)盤(pán)控制 54，一個(gè)鍵盤(pán) 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(pán)控制 54 用于控制一個(gè)硬盤(pán) 54a 和，可選地，軟盤(pán)或光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 54b 和磁帶驅(qū)動(dòng)器 54c 中作為。信號(hào)接收單元 48 的信號(hào)可以是來(lái)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(tái)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(gè)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(hào)。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(hào)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(guò)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(dòng)力源和來(lái)自彼此的干擾。該信號(hào)接收單元 48 可作為一個(gè)聯(lián)機(jī)單元，即它從掃描儀 62 或其它輸入裝置接收信號(hào)，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。可替代地，信號(hào)接收單元 48 可以被提供或與離線信號(hào)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(gè)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(gè)微處理器 80 控制，該微處理器具有一個(gè)隨機(jī)器 82，用于暫時(shí)或選擇性的從A / D 變換器 78 所獲取的數(shù)字化輸出信號(hào)。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(jí)，以預(yù)定的速率取樣，以產(chǎn)生代表來(lái)自放大器的輸出模式或位圖的數(shù)字信號(hào)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(guò)硬盤(pán) 54a 或任一其它方式的驅(qū)動(dòng)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(dòng)和激光 34的放電。圖案的掃描或位圖以已知的方式在一個(gè)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(hào)被以一個(gè)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(guò)器 52中的數(shù)據(jù)，如果聯(lián)機(jī)，從信號(hào)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(duì)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(duì)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(dòng)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(guò)脈寬調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)控制。像素在工件上對(duì)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(dòng)：其中：,x =像素的移位米；sign(Vact) =雙向雕刻的矢量速度符號(hào)（+/-）1；k1 =用于校正取決于激光的電源輸出相對(duì)于輸入信號(hào)（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(kāi)/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(kāi)/的重要因子1;f3(Vact)=取決于運(yùn)動(dòng)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(gè)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(lái)自器 52 中或從信號(hào)接收單元 48 的信號(hào)，轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)換成脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，來(lái)周期性地以移動(dòng)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(dòng)激光頭 12，當(dāng)激光頭在信號(hào)的控制下充放電時(shí)，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(dòng)頭 12，伴隨著垂直的電機(jī) 24 以相反的方向水平移動(dòng)頭 12。應(yīng)當(dāng)理解，兩個(gè)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(cè)量，并且一個(gè)常量 k1，為了矯正頭 12 的位置與,x 有關(guān)聯(lián)。另一個(gè)常量k2，糾正工具頭 12 的位置，根據(jù)激光 34 的開(kāi)通/關(guān)斷時(shí)間的比率。常量 k3 矯正工具頭 12 的移動(dòng)速度，根據(jù)編28 判斷。常量 k1、k2 和 k3，以及其它幾個(gè)程序中的特別常

18、量 k4kn，在求和過(guò)程 86 中累加為 H，決定了與微處理器 50相連的時(shí)鐘 88的信號(hào)。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(lái)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(lái)決定將要形成的像素或可能成為下一個(gè)像素點(diǎn)的目標(biāo)位置。這個(gè)過(guò)程一直重復(fù)直到所有像素位置形成一個(gè)已經(jīng)計(jì)算出來(lái)的直線，工具頭以同激光頭 34 的脈寬調(diào)制信號(hào)匹配速度曲線一致性地間歇性移動(dòng)，以激光 34 在與保證工具頭 12 計(jì)算的像素位置一致時(shí)進(jìn)行放電。激光放電和工具頭的移動(dòng)控制的協(xié)調(diào)的結(jié)果所得到的雕刻精確地對(duì)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(duì)于該圖案。：1. 一個(gè)由激光在表面上形成圖像的方法，