一种控制激光雕刻头运动的方法

1、一种控制激光雕刻头运动的方法发明的背景1.发明的领域此项发明，大体来说，涉及一种控制激光雕刻头或打印头运动的新方法，具体而言，是一种通过在加工过程中开关激光，根据位图图像在工作面上产生一幅不失真的画面的加工运动控制方法。2.发明的背景设备利用激光进行雕刻，或者至少能在一种常用合适的物体表面刻出痕迹。一个此类设备的例子在一项由 Guettler 和 Penz 申请的专利中被公开出来。设备功能的实现是通过一个工具头支撑连接在激光上的透镜，激光是与工件的运动相关联的，工件是被支撑在一个工作平面，通过周期性的校准平行相干光脉冲作用于工件上，以影响其表面产生一个图像大小范围的雕刻痕迹，通过多个雕刻痕迹的

2、选择性分布，形成一个雕刻图像。用于雕刻的图像可以是直接扫描或者经过反转处理的位图文件。工具头的运动通过响应信号产生，信号通过的或者直接扫描的图案产生。所述工件可以是，例如，由涂覆的或阳极氧化金属，纸张，木材，或橡胶等。工件需要是容易被激光雕刻出痕迹的材料。相干光或激光束在激光工具头每英尺位移距离上的放电次数和每个脉冲的持续时间，可以转化为增量位置电压与工作头正交方向的位移分量的平方和的平函数。基本上，激光打印或雕刻是通过逐行扫描一个位图文件，并且使激光束在工件表面聚焦，激光束在每个像素点位置开启并且在空白像素位置被关闭，根据具体情况，出于便捷性的考虑，会在工件上雕刻出黑白两像。灰阶图像的产生是

3、通过调节脉冲宽度以改变激光束的强度雕刻出来的接到激光工具头的编提供位置信号（脉冲量）给处理器，处理器将激光工具头作为一个脉冲响应器件来进行控制。理想情况下，激光头在根据代表工具头实际位置信号的基础上通电。任何滞后误差的影响，也就是激光沿曲线或直线运动期望值与实际值的不同，可能是微道以及可的。在雕刻用于制造邮票的橡胶材料过程中，激光工具头以大约 30cm/s 的速度移动，并且激光头的最大输出功率小于 50W。在雕刻或阳极氧化金属，比如，激光头的功率输出通常保持尽可能小的功率等级，只需要使阳极氧化材料或层材料蒸发即可。因此，激光工具头可能需要以较高的速度移动。事实上，在已知的装置上，激光头的运动速

4、度超过 1m/s。激光雕刻的结果，被发现还存在缺陷，因为目前发现是不充分的激光头通断响应以及激光头速度补偿控制。特别是在双向雕刻过程中的固有问题，是不幸但显而易见的，因为像素点是指向性的放置的，也就是他们没有以精确的垂直方式排列。在双向雕刻过程中，激光脉冲的最大时间常数，在激光头的高速运动情况下，实际上产生了不可用的结果。激励激光头的固有难题使得在可接度范围内的高速高效 XY 绘图仪很难实现。激光可以以例如 500 每英寸像素的速率，以在表面形成每直线英寸 500个像素点。为了获得可以接受雕刻质量，由于物理和结构上的反射率结果导致的激励激光头的滞后，必须调整为一个激光头速度相对于等离子离子化程

5、度的函数。除非延时调整的比较合适，一个 1.5m/s 的激光头移动速度和大于 100us 的激励周期导致了超过+-150um 的不可接受的误差结果。是人眼可感受到的 50um 经验误差的 3 倍。本发明的目的本发明的基本目标是提供法，关于协调工具头的间歇性运动和激光根据控制信号的周期性放电，信号由一个扫描的图案或者位图文件，如此像素点被雕刻成形在工件上，最终产生无失真的图像。更一般的目的在于发明一种使用从合适来源的位图进行直线雕刻的方法。该发明的具体目标就是提供一种改进的算法，来控制激光头高速间断的运动和激光的周期性放电的相互作用，以产生高质量的雕刻效果。该发明的另一个目的是提供一种使用激光头

6、在工件表面双向雕刻的方法，这样图案上每个独立的像素点，会被移动以补偿激光的响应滞后。这也是本发明的一个目的,校正图像点作为激光头按照预定速度曲线运动的瞬时速度的函数。而本发明的另一个目的在于，通过工具头的运动，来补偿激光激励固有的滞后问题。本发明的又一目的在于一种激光雕刻的方法，此方法中，激光头根据校正后的激光头位移信号函数进行放电。其他目的将是显而易见的，并且会在下文中出现。发明的概要为了与上述及其它目标一致，本发明，在一个首选的实例中，通过移动图像的每一个像素点，来补偿激光放电的滞后，并及时矫正瞬时速度函数，或根据提前编制好的速度图像进行控制。最好，补偿或者矫正产生在根据加速曲线加速过程中

7、，加速曲线在控制器介质中，或是通过编反馈给控制器的加速数据。几张图纸的说明被认为是发明特征的新的特点被特别放到附加之前。发明本身，为了尊重它的结构、建设、布局以及加工技术，以及其它优势。你将会通过下列与插图有关的详细论述，得以明白该发明的主要设计。图 1 是雕刻机的俯视图，为了展示目前的发明合并了激光工工具头在其剖面结构中；图 2 是一个实施本发明的示范性装置框图；图 3 是一个操作分立或集成电路方面的框图；图 4 是根据利用本发明的方法的流程图;图 5 是在某些现有技术的激光雕刻过程中获得的描绘正确对齐的图像的像素的图像;图 6 的图像是根据本发明获得的图像像素的描绘。具体实施方法的详细描述

8、本发明可以由以下方式来实现，由连接到俗称计算机装置的 PC 上的输入装置，以及作为输出装置的激光雕刻机或。这样的输出设备将在下文有时被称为图像形成装置适合的输入设备用于本发明的目的是那些能够提供的图案或位图的数字信息信号代表将被再现或。其中这些是，但不限于，光学或机械扫描仪，数码或数码相机，所谓剪辑，桌面排版程序（DTP），CAD 程序或字处理程序。从输入设备接收到的并且根据本发明处理的信息的信号的基础上，再激光雕刻然后将形成，一行一行，它保留在图像上的材料制成易于改变的类型的表面上的图像或工件的表面上。工件加工表面具有可以在激光束的作用下实现材料去除，颜色变化或颜色加入的功能。木材，阳极化铝

9、，涂覆或多色，涂覆金属，玻璃，丙烯酸树脂，皮革，纸张，纸板和其他许多可以作为这样的材料。图1 示意性地描述了由公开的那种类型的雕刻机10。由Guettler 和PENZ专利被明确地以方式并入本文中。它设有悬挂在一个基本上平坦的工作表面14，用于移动与其平行于相互正交方向的工具头 12。为此，在工具头 12 由皮带驱动 16 移动和 18 沿导轨 20 和 22 在水平方向 x 和垂直的Y 方向上，分别运动施加到皮带传动 16 和 18 由电24 和 26，分别的编28（图 3）的控制之下。准直相干光从激光源最好是 CO 激光器 34（图 3）馈送到一个透镜（未示出），在激光工具头 12 由反射

10、器 30，32 的方式。如这里所考虑的类型的雕刻过程是众所的有灰尘，真空排气软管 36 和 38 连通随着反射器 30 和 32。激光工具头12 的瞬时位置是从由编28 产生的脉冲响，来源于头 12 在 X 和 Y 方向上的运动。编28 可提供运动信号以及产生位置信号。微处理系统，其输入和输出的设备在图 2 中示意性地描述。它包括一台计算机 40 最好是一个 PC 机。它被用于传送计算机 40 的各种模块之间的数据，控制，定时和地址信号提供通过系统总线 42。该总线 42 上设置有两个串行或并行输入/输出（I / O）单元 44 和 46 对上线与激光雕刻 10 和编28 连接，以及与接收单元

11、 48 的信号。可替代地，计算机可以控制雕刻机 10 在离线方式在它的器或外设信号装置的信号的基础上进行使用。还连接到总线 42 的有一个微处理器 50，一个器 52，一个盘控制 54，一个键盘 56，鼠标 58 和显示器 60。器 42 可以包括随机存取（RAM）和只读（ROM）的部分。它以移位寄存器的方式发挥作用。盘控制 54 用于控制一个硬盘 54a 和，可选地，软盘或光盘驱动器 54b 和磁带驱动器 54c 中作为。信号接收单元 48 的信号可以是来自于响应任何上文所述的输入设备，但在这里被示例性地描述为一台扫描仪 62。扫描器 62 可以是机械的但最好是光学扫描器。如示意图所示的，它

12、使用三个传感器 64、66、68 进行扫描，在水平 X、垂直 Y 以及垂直于图案 Z 的方向上产生信号。传感器 64，66，68 可以是机械的一种或者最好是光电的。传感器68 和接收单元48 的信号之间的连接以虚线表示，以表明传感器 68 是可选的或是选择性地连接到扫描仪 62。扫描器 62 的传感器通过放大器 72，74 和 76 的方式被连接到多路复用器 70。所述放大器可以是低噪声放大器并可被设计为传感器 64，66，68 与动力源和来自彼此的干扰。该信号接收单元 48 可作为一个联机单元，即它从扫描仪 62 或其它输入装置接收信号，在本发明的控制方式下可以被立即处理，用以控制激光雕刻机

13、 10。可替代地，信号接收单元 48 可以被提供或与离线信号设施合作，为了随后利用由计算机 40的数据。多路转换器 70 的输出被连接到一个模数转换器78。该 A / D 转换器 78 和多路转换器 70 被一个微处理器 80 控制，该微处理器具有一个随机器 82，用于暂时或选择性的从A / D 变换器 78 所获取的数字化输出信号。多路转换器 70 和A / D 变换器 78 使取样器在传感器 64，66，68 的输出电压等级，以预定的速率取样，以产生代表来自放大器的输出模式或位图的数字信号样本。A / D 转换器 78 的输出首先被反馈到随机存取器 82，并随后直接到计算机 40 的器 5

14、2 或通过硬盘 54a 或任一其它方式的驱动器54B 和 54b 用于由微处理器 50 处理，并最终协调激光工具头 12 的运动和激光 34的放电。图案的扫描或位图以已知的方式在一个逐行或者单向的，最好是以交替的方向，并且接收单元 48 的信号被以一个先入先出（FIFO）移位寄存器这样的方式进入和分配到器 52 中。激光 34 在微处理器 50 的控制下被周期性地放电，如果离线，通过器 52中的数据，如果联机，从信号接收单元 48 和某些其它参数的基础上。激光器 34由微处理器 50 控制，在该工具头 12 的对应位置瞬间精确地放电，考虑到将要形成的像素，以便同步在实际的图案对应的位置与由传感

15、器 62 确定的以“虚拟”模式预先在器 82 或 52 中的位置。工具头 12 的相应地运动以及被提及的速度，在考虑到激光的滞后的情况下被控制，或者激光被根据工具头 12 产生的速度经过脉宽调制产生的信号控制。像素在工件上对齐的结果如图 6所示。为了实现这一结果，微处理器 50 被编程，以解决下面的算法，在此基础上它们能够协调激光 34 的放电与激光工具头 12 的移动：其中：,x =像素的移位米；sign(Vact) =双向雕刻的矢量速度符号（+/-）1；k1 =用于校正取决于激光的电源输出相对于输入信号（正和负范围）的延迟的移位的常数米/秒；k2=用于校正取决于开/关占空比的移位的常数（正

16、和负范围）米;k3=常数用于校正速度相关的移位（正和负范围）秒;k4=常数校正常数偏移（正和负范围）米;k5=常量修正参数相关的偏移（正和负范围）;J=求和函数；f1(,tLaser)=取决于激光的响应滞后的重要性因子秒;f2(P)=根据开/的重要因子1;f3(Vact)=取决于运动速度的重要系数（实际和期望的速度）米/秒;fn(parameter) =nth 的重要参数（例如加速度等）一个特殊应用集成电路如图 3 所示。如同在图 2 和 3 中能够看到的，微处理器 50 处理来自器 52 中或从信号接收单元 48 的信号，转化成转换成脉冲宽度调制信号，来周期性地以移动电24，第 26 和控制

17、激光 34 的放电。实际上，是电机 24 在工作平面 14 上水平的移动激光头 12，当激光头在信号的控制下充放电时，随着微处理器 50 周期性的给电机 26 发送命令，垂直的移动头 12，伴随着垂直的电机 24 以相反的方向水平移动头 12。应当理解，两个马达的操作的顺序可以颠倒。在激光 34 通电放电之间的间隔或滞后，被传感器 82测量，并且一个常量 k1，为了矫正头 12 的位置与,x 有关联。另一个常量k2，纠正工具头 12 的位置，根据激光 34 的开通/关断时间的比率。常量 k3 矫正工具头 12 的移动速度，根据编28 判断。常量 k1、k2 和 k3，以及其它几个程序中的特别常

18、量 k4kn，在求和过程 86 中累加为 H，决定了与微处理器 50相连的时钟 88的信号。图 4 中的流程图描述了图 4 中所示的电路图功能，以以下方式来描述设备的功能：首先，扫描一行图案或位图所获取的数据，被在内存中用以微处理器50 的处理。微处理器 50 决定了图形将要形成的像素数量，并且计算工具头 12在已决定的 X 距离上的速度。此后，它所谓的重要参数 f1fn，来决定将要形成的像素或可能成为下一个像素点的目标位置。这个过程一直重复直到所有像素位置形成一个已经计算出来的直线，工具头以同激光头 34 的脉宽调制信号匹配速度曲线一致性地间歇性移动，以激光 34 在与保证工具头 12 计算的像素位置一致时进行放电。激光放电和工具头的移动控制的协调的结果所得到的雕刻精确地对应于所扫描的（或）模式或位图。应该理解的是，以这种方式产生的图象的尺寸可以按比例相对于该图案。：1. 一个由激光在表面上形成图像的方法，