一种移动式激光雕刻机的制作方法

1.本实用新型涉及激光雕刻设备技术领域，并且更具体地，涉及一种移动式激光雕刻机。


背景技术：

2.激光雕刻是一种提高加工效率的重要技术手段，可以应用于工艺礼品业、装饰行业、包装印刷行业等，相较于传统手工雕刻工艺，激光雕刻机更加的智能与精准。目前市面上的雕刻机多以台式为主，有固定的雕刻面积，以及高精度的系统控制。但是对于雕刻需求的改变，相应的雕刻机的选取也存在变化。雕刻面积越大，所需要选取的雕刻机体积越大，普遍对应于工业级雕刻机的使用。但面对普通用户的选取，目前市场上缺少面向普通用户使用的大面积雕刻机，工业级雕刻机的选择既不便携也不实用。
3.同时在雕刻机设计发展上，类似acsys雕刻机的设计，可实现2900mm
×ꢀ
1000mm的大幅面雕刻。在其他激光加工产业中，epilog laser雕刻机隶属于co2激光机系列，可实现1016mm
×
771mm的大面积雕刻，并且另一款universal 激光雕刻机，可实现高精度雕刻技能，而且在研发控制co2激光雕刻系统方面也有着丰富经验。在国内研究中，多次提出对控制系统的改变，为实现一款稳定可靠的单机控制系统的激光雕刻机，在控制系统性能上，提出了多种对于激光雕刻机系统的控制方案。同时在大面积雕刻方面，有利用传能光纤作为新光路，提出了一种可构建大幅面雕刻的软硬件设计。
4.可以看出激光雕刻机的发展迅速，系统迭代升级快速。但目前激光雕刻机的设计全在技术上进行升级，在雕刻面积与便携性上没有深度改变，机器的庞大与系统的复杂性导致用户的操作使用并不方便。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种移动式激光雕刻机，利用全向移动的设计解决了雕刻面积受限的问题，并且机身小巧便携可以做到随时随地进行雕刻。
6.本技术提供了一种移动式激光雕刻机，其包括机体以及设置在所述机体底部的三轴全向移动框架，所述三轴全向移动框架包括沿着所述机体的周向方向均匀分布的三个全向轮组件，所述全向轮组件构造成能够沿着轮轴线方向和垂直于所述轮轴线方向滚动，三个所述全向轮组件之间相互独立并且能够相互配合以实现所述机体的全方位移动。通过该移动式激光雕刻机，能够突破传统雕刻机框架限制，实现大幅面雕刻绘图功能，并且机身小巧易于携带。
7.在一个可能的实施方式中，该全向轮组件包括平行叠置的多个全向轮，所述全向轮包括全向轮主体以及沿着周向方向相互独立且自由地套设在所述全向轮主体上的多个滚动件。
8.在一个可能的实施方式中，所述三轴全向移动框架还包括与每个所述全向轮组件一一对应的步进电机。通过该实施方式，由于步进电机的可控角位移是直流电机不能达到
的，步进电机可以利用脉冲数，轮子直径来计算出单个轮子的位移。
9.在一个可能的实施方式中，相邻的两个所述全向轮组件的轮面之间的夹角为 60
°
。
10.在一个可能的实施方式中，每个全向轮组件沿着垂直于轮轴线方向的滚动线速度通过如下公式确定：
[0011][0012]
其中，va、vb和vc分别为三个所述全向轮组件沿着垂直于轮轴线方向的滚动线速度，ψ为轮面之间的夹角，ω为所述机体的自旋角速度，r为所述全向轮组件中心到所述机体底盘中心的距离，vx和vy分别为所述机体在x轴方向和y 轴方向的移动线速度。
[0013]
在一个可能的实施方式中，在所述机体内部还设置有控制系统，其用于接收由上位机发送的雕刻指令，并根据所述雕刻指令控制三个所述全向轮组件的运动以及所述机体的雕刻动作。
[0014]
在一个可能的实施方式中，所述移动式激光雕刻机还包括两个拉线式定位传感器，二者相互配合以实现对所述机体的定位。通过该实施方式，能够利用拉线式定位传感器实现三角定位，返回距离信息到上位机，用于绘图显示，直观的反应雕刻过程。
[0015]
在一个可能的实施方式中，所述拉线式定位传感器包括光栅编码器，两个所述光栅编码器分别通过所述拉线连接所述机体，以与所述机体形成三角形布局，通过计算所述机体到两个所述光栅编码器的拉线距离实现对所述机体的定位。
[0016]
在一个可能的实施方式中，所述光栅编码器包括：同步带轮，所述拉线缠绕在所述同步带轮上，以使其在所述拉线的带动下转动；光栅码盘，其固定设置在所述同步带轮的顶部并能够随着所述同步带轮的转动而转动；以及光电对管，相对地设置于所述光栅码盘两侧，所述光栅码盘的主动能够周期性地切断所述光电对管的光传输。
[0017]
在一个可能的实施方式中，所述拉线式定位传感器还包括拉线盒，以用于储存拉线。
[0018]
本技术提供的移动式激光雕刻机，相对于现有技术，具有如下的技术效果：
[0019]
1)通过在雕刻机机体底部设置三轴全向移动框架，能够根据接收到的雕刻指令来控制三个全向轮组件的独立运动，从而实现该机体的全方位移动，增大了雕刻面积，并且机身小巧，便于携带，做到随时随地进行雕刻；
[0020]
2)设计了新式的拉线定位传感器，不再使用通信设备进行定位，改为利用拉线实现测距效果，并利用自制软件结合三角定位技术绘制出雕刻轨迹，用于观察雕刻效果。
[0021]
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本实用新型的目的。
附图说明
[0022]
在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述，其中：
[0023]
图1和图2分别显示了根据本实用新型实施例的移动式激光雕刻机的俯视示意图和侧视示意图；
[0024]
图3显示了根据本实用新型实施例的全向轮组件的结构示意图；
[0025]
图4显示了根据本实用新型实施例的全向轮一个方向上的结构示意图；
[0026]
图5显示了根据本实用新型实施例的全向轮另一个方向上的结构示意图；
[0027]
图6显示了根据本实用新型实施例的三轴全向移动的原理图；
[0028]
图7显示了根据本实用新型实施例的光栅编码器的一个方向上的结构示意图；
[0029]
图8显示了根据本实用新型实施例的光栅编码器的另一个方向上的结构示意图；
[0030]
图9显示了根据本实用新型实施例的光栅编码器输出的a相和b相脉冲波形图；
[0031]
图10显示了根据本实用新型实施例的三角定位的原理图；
[0032]
图11显示了根据本实用新型实施例的移动激光雕刻机进行雕刻的步骤的示意性流程图。
[0033]
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
[0034]
附图标记清单：
[0035]
100-机体；200-三轴全向移动框架；211-第一全向轮组件；212-第二全向轮组件；213-第三全向轮组件；221-第一步进电机；222-第二步进电机；214-全向轮； 215-滚动件；216-全向轮主体；217-凹口；300-拉线式定位传感器；310-光栅编码器；311-同步带轮；312-光栅码盘；313-光电对管。
具体实施方式
[0036]
下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0037]
图1和图2为本技术提供的移动式激光雕刻机的结构示意图。如图1和图2 所示，该移动式激光雕刻机包括机体100、设置在机体100底部的三轴全向移动框架200以及设置在机体100底部的激光雕刻刀头(未显示)；该三轴全向移动框架200承载机体100并且带动机体100在雕刻面上进行全方位地移动，增大雕刻幅面的面积。具体地，该三轴全向移动框架200包括沿着周向方向均匀分布在机体周围的三个全向轮组件，即第一全向轮组件211、第二全向轮组件212以及第三全向轮组件213，以及与每个全向轮组件一一对应的步进电机(在图2中仅示出第一步进电机221和第二步进电机222)，每个全向轮组件固定设置在对应步进电机的输出轴上，以便在步进电机的驱动下沿着垂直于输出轴(即轮轴线) 的方向滚动，即沿着va、vb和vc方向滚动(在后文详细描述)。
[0038]
另外，为了实现机体100的全方位移动，本技术中提供的全向轮组件除了上文所述的能够沿着垂直于轮轴线的方向滚动以外，还可以沿着输出轴的方向滚动。具体地，如图3所示，以第一全向轮组件211为例，该第一全向轮组件211 包括平行叠置在步进电机输出轴上的多个全向轮214，多个全向轮214之间优选地彼此固定连接，且每个全向轮214具有相同的直径，以实现在步进电机的驱动下的沿垂直于轮轴线方向的同步滚动。同时，在每个全向轮214上沿着周向方向自由套设有多个滚动件215(图4和图5)，滚动件215大致呈梭形并能够沿着轮轴线的方向滚动。
[0039]
具体地，图4为全向轮214的结构立体图，图5为示出凹口217的全向轮214 的正视图。如图4和图5所示，全向轮214包括圆形的全向轮主体216以及多个滚动件215，该全向轮主体216可以通过多片片材叠置并通过螺钉紧固而形成，在片材上开设有多个凹口217，在每个凹口217中设置有细长的滚动轴(其曲率与片材的曲率大致相同)，所述滚动件215自由
套设在该滚动轴上并容纳在该凹口区域内，从而使得多个滚动件215相互独立，互不干扰。在上述的全向轮组件的构造下，步进电机能够控制全向轮沿着垂直于轮轴线方向的滚动，而其沿着轮轴线方向的滚动件形式的滚动则是自由的，不受步进电机控制。
[0040]
图6为本技术的三轴全向移动框架200驱动机体100全方位移动的原理示意图。如图所示，为便于运动学分析，以理想情况作为基础。在xy二维坐标平面下，o点为机体底盘中心，三个轮子按o点以θ＝120
°
分布，va、vb、vc为三个全向轮组件的速度大小，箭头方向为轮子运动正方向，φ为轮面与x轴的夹角，φ＝π/3，ω为机体旋转角速度，r为全向轮组件中心距离机体100的中心的距离。在该移动式激光雕刻机工作时，机体的运动需要三个轮子共同配合，根据轮子速度与自旋转角速度进行运动学分析得出以下公式(1)：
[0041][0042]
雕刻机的控制系统通过解析gcode雕刻指令并根据公式编程实现全向轮组件的移动，对于全向轮组件的驱动选用步进电机，因为步进电机的可控角位移是直流电机不能达到的，步进电机可以利用脉冲数、轮子直径来计算出单个全向轮组件的位移，经过运动合成后可得出整个激光雕刻机机体的移动速度与方向，并结合gcode雕刻指令完成雕刻过程。
[0043]
具体地，将输入的雕刻图形转换为gcode雕刻指令(指令内含针对每个雕刻位置雕刻机所期望的vx和vy)，接收指令后，将vx和vy输入上述公式，得出第一全向轮组件211的va、第二全向轮组件212的vb以及第三全向轮组件213 的vc，根据求取的结果分别转换成相应的脉冲数控制每个步进电机的输出，以致动每个全向轮组件，三个全向轮组件的运动配合的结果即为期望的平台的实际移动速度和方向(即vx和vy的期望合成量)。
[0044]
在这里，该激光雕刻刀头能够通过射出激光对雕刻板进行图形雕刻，并且此雕刻机可实现多功能更换雕刻刀头操作，可完成大幅面的雕刻、切割、绘图过程。
[0045]
在本实用新型的另外一个实施例中，由于该激光雕刻机为能够全方位移动的构造，为了更加直观地感受雕刻的过程，可以提供新型的定位传感器——拉线式定位传感器——来对该移动式激光雕刻机进行实时定位。如图7所示为本实用新型提供的拉线式定位传感器300的结构示意图，该拉线式定位传感器300包括光栅编码器310、拉线320以及用于储存拉线320的拉线盒330构成，其中，如图 7和图8共同示出地，该光栅编码器310包括同步带轮311、光栅码盘312以及光电对管313。拉线320缠绕在该同步带轮311上，以使其在拉线的带动下转动；光栅码盘312固定设置在同步带轮311的顶部并能够随着该同步带轮311的转动而转动，光电对管313包括相对设置在光发射管以及光接收管，它们相对地设置于所述光栅码盘313两侧，所述光栅码盘313的转动能够周期性地切断所述光电对管313的光传输。
[0046]
光栅编码器310在运作时，通过光栅码盘312的转动，会切断光电对管313 的光传输，在接收端会产生如图7所示的脉冲信号，a相波形和b相波形脉冲相位相差90
°
，通过检测首先接收到是哪一相波形脉冲来判断码盘的旋转方向。同时通过拉动同步带轮带动码盘转动，编码器输出脉冲。通过计算可得到一个脉冲下同步带轮311转动的弧长，近似等于拉线拉伸长度，随后对脉冲数进行计数，根据一个脉冲的弧长，计算多个脉冲后的弧长，以此来得到拉线拉伸长度，通过此方法测出传感器到雕刻机机体的距离。
[0047]
在激光雕刻机进行雕刻之前，可以在雕刻版的两侧边缘位置设置两个如上所述的拉线式定位传感器300(图10中分别为s1和s2)，其中，两个光栅编码器310分别通过各自的拉线固定连接到机体100上。利用上述原理，每个定位传感器30能够判断各自到机体100的距离，然后在将该距离信息分别发送到上位机软件，利用三角定位来处理数据进行雕刻轨迹绘图，直观地反映雕刻过程，如图 8所示。
[0048]
总体来说，如图11所示，本实用新型提供的移动式激光雕刻机的雕刻过程通过以下步骤进行：s1，在上位机中输入雕刻图形；s2，利用自制的插件处理生成gcode雕刻指令；s3，上位机软件将生成的gcode指令传输到雕刻机的控制系统；s4，控制系统解析gcode指令，控制每个全向轮组件的移动以及机体的雕刻过程；s5，在雕刻过程中，拉线传感器对雕刻机进行实时定位，绘制轨迹图。
[0049]
本技术提供的移动式激光雕刻机，一方面，通过在雕刻机机体底部设置三轴全向移动框架，能够根据接收到的雕刻指令来控制三个全向轮组件的独立运动，从而实现该机体的全方位移动，增大了雕刻面积，并且机身小巧，便于携带，做到随时随地进行雕刻；另一方面，设计了新式的拉线定位传感器，不再使用通信设备进行定位，改为利用拉线实现测距效果，并利用自制软件结合三角定位技术绘制出雕刻轨迹，用于观察雕刻效果。
[0050]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0051]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本实用新型，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本实用新型的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本实用新型的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。