一种新型的激光绘图仪的制作方法

本发明涉及绘图仪领域，特别涉及一种新型的激光绘图仪。

技术背景

3d打印机不像传统制造机器那样通过切割或模具塑造制造物品。通过层层堆积形成实体物品的方法从物理的角度扩大了数字概念的范围。对于要求具有精确的内部凹陷或互锁部分的形状设计，3d打印机是首选的加工设备，它可以将这样的设计在实体世界中实现。然而和所有新技术一样，3d打印技术也有着自己的缺点，它们会成为3d打印技术发展路上的绊脚石，从而影响它成长的速度。

1、材料的限制

3d打印的第一个绊脚石就是所需材料的限制。虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但目前无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，现在的打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持我们在日常生活中所接触到的各种各样的材料。虽然研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展，但除非这些进展达到成熟并有效，否则材料依然会是3d打印的一大障碍。

2、机器的限制

众所周知，3d打印要成为主流技术(作为一种消耗大的技术)，它对机器的要求也是不低的，其复杂性也可想而知。目前的3d打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来，但是那些运动的物体和它们的清晰度就难以实现了。这个困难对于制造商来说也许是可以解决的，但是3d打印技术想要进入普通家庭，每个人都能随意打印想要的东西，那么机器的限制就必须得到解决才行。

3、花费的承担

3d打印技术需要承担的花费是高昂的，对于普通大众来说更是如此。例如上面提到第一台在京东上架的3d打印机的售价为1万5，又有多少人愿意花费这个价钱来尝试这种新技术呢？也许只有爱好者们吧。如果想要普及到大众，降价是必须的，但又会与成本形成冲突。

针对3d打印机存在的上述问题，开发一种新型的激光绘图仪具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明设计了一种新型的激光绘图仪，针对性地解决了传统3d打印机成本高、结构复杂等问题。实现本发明目的的技术解决方案为：

1)所述新型的激光绘图仪的组成部分主要包括：激光发射器1、伸缩软管2、发射端球头3、发射角度调节器4、尾端悬挂球头5、尾端悬挂耦合部件6、左右推进履带7、左右推进伺服电机8、前后推进履带9、前后推进伺服电机10、左右水平保持滑杆11、前后水平保持滑杆12、滑动端盖13、绘图台14、垂直位置调节丝杆15、垂直位置调节伺服电机16、外壳17和底座18。发射端球头3安装在激光发射器1的发射端；尾端悬挂球头5通过伸缩软管2连接在激光发射器1的尾端；尾端悬挂耦合部件6位于尾端悬挂球头5的外围；发射角度调节器4位于发射端球头3的外围；发射角度调节器4同时处于左右水平保持滑杆11和前后水平保持滑杆12上；左右水平保持滑杆11通过滑动端盖13连接到前后水平保持滑杆12上；前后水平保持滑杆12固定在外壳17上；发射角度调节器4固定在左右推进履带7上，并通过左右推进履带7连接到左右推进伺服电机8；滑动端盖13固定在前后推进履带9上，并通过前后推进履带9连接到前后推进伺服电机10；绘图台14通过垂直位置调节丝杆15连接到垂直位置调节伺服电机16。

2)发射端球头3在发射角度调节器4的推动下运动，且运动方向仅在水平方向。

3)发射角度调节器4固定在左右推进履带7上，由左右推进伺服电机8控制其在左右水平方向的坐标。

4)滑动端盖13固定在前后推进履带9上，由前后推进伺服电机10控制其在前后水平方向的坐标。

5)绘图台14安装在垂直位置调节丝杆15上，并通过垂直位置调节伺服电机16控制其在垂直方向的坐标。

6)前后推进履带9由两部分组成，并连接到前后推进伺服电机10。

本发明与3d打印机相比，具有显著优点：

1.相比于3d打印机，所述激光绘图仪的成本更低，更便于普及。

2.所述激光绘图仪具有结构简单的优点，与结构复杂的3d打印机相比，更易于维护。

3.所述激光绘图仪具有较好的随动性，通过伺服控制实现精确的绘图功能，并且通过调节激光发射器的焦点与绘图台的相对高度，实现字体大小的任意调节。

4.所述绘图仪的控制系统简单，采用经典的pid算法。

5.可以和电脑实现接插连接，实现对激光绘图仪的实时控制。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1所述新型的激光绘图仪的正视图

图2所述新型的激光绘图仪的侧视图

图3所述新型的激光绘图仪的尾端悬挂组件

图4所述新型的激光绘图仪的激光发射器的结构

图5所述新型的激光绘图仪的x轴运动组件

图6所述新型的激光绘图仪的y轴运动组件

图7所述新型的激光绘图仪的z轴运动组件

图8激光绘图仪当激光发射器在x轴方向正对绘图台时的对焦原理

图9激光绘图仪当激光发射器在x轴方向斜对绘图台时的对焦原理

图10激光绘图仪当激光发射器在y轴方向正对绘图台时的对焦原理

图11激光绘图仪当激光发射器在y轴方向斜对绘图台时的对焦原理

图12激光绘图仪在xy平面内的对焦原理

图13激光绘图仪总体功能框图

图14直流伺服电机控制框图

图中：1为激光发射器、2为伸缩软管、3为发射端球头、4为发射角度调节器、5为尾端悬挂球头、6为尾端悬挂耦合部件、7为左右推进履带、8为左右推进伺服电机、9为前后推进履带、10为前后推进伺服电机、11为左右水平保持滑杆、12为前后水平保持滑杆、13为滑动端盖、14为绘图台、15为垂直位置调节丝杆、16为垂直位置调节伺服电机、17为外壳、18为底座。

具体实施方式

本发明公开了一种新型的激光绘图仪，该激光绘图仪解决了3d打印机成本高、结构复杂等问题。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

1.激光绘图仪的结构

图1和图2分别为所述新型的激光绘图仪的正视图和侧视图。该绘图仪的组成部分主要包括：激光发射器、伸缩软管、发射端球头、发射角度调节器、尾端悬挂球头、尾端悬挂耦合部件、左右推进履带、左右推进伺服电机、前后推进履带、前后推进伺服电机、左右水平保持滑杆、前后水平保持滑杆、滑动端盖、绘图台、垂直位置调节丝杆、垂直位置调节伺服电机、外壳和底座。

2.激光绘图仪的各组成部件

2.1激光绘图仪的尾端悬挂组件

图3为所述新型的激光绘图仪的尾端悬挂组件。该尾端悬挂组件由3个部分组成，包括：伸缩软管、尾端悬挂球头和尾端悬挂耦合部件。在尾端悬挂球头上有一个沿直径方向的通孔，用以引出激光发射器的电源线。伸缩软管连接在尾端悬挂球头通孔的一端。尾端悬挂耦合部件包围在尾端悬挂球头的外侧，起到激光发射器的悬挂作用。

2.2激光绘图仪的激光发射器的结构

图4为所述新型的激光绘图仪的激光发射器的结构。该激光发射器由5个部分组成，包括：激光笔、发射端球头、伸缩软管、尾端悬挂球头和激光发射器的电源线。

由图4可知，发射端球头安装在激光发射器的发射端，尾端悬挂球头通过伸缩软管连接在激光发射器的尾端。该激光发射器的电源线由其尾部中空的伸缩软管和尾端悬挂球头引出，并连接到外电路。

2.3激光绘图仪的x轴运动组件

图5为所述新型的激光绘图仪在x轴方向的运动组件。该x轴方向的运动组件由8个部分组成，包括：激光发射器、发射端球头、发射角度调节器、左右推进履带、左右推进伺服电机、左右水平保持滑杆、前后水平保持滑杆和滑动端盖。

由图5可知，发射角度调节器通过左右水平保持滑杆跨接在两侧的滑动端盖之间，且可实现在左右水平保持滑杆上的低摩擦滑动。发射角度调节器包围在激光发射器发射端球头的外侧，并与左右推进履带固定连接，实现与左右推进伺服电机的耦合运动。通过控制左右推进伺服电机可以实现发射角度调节器在x轴方向上相对于滑动端盖的平滑移动，以调节激光发射器在x轴方向的角度。

2.4激光绘图仪的y轴运动组件

图6为所述新型的激光绘图仪在y轴方向的运动组件。该y轴方向的运动组件由5个部分组成，包括：左右推进伺服电机、前后推进履带、前后推进伺服电机、前后水平保持滑杆和滑动端盖。

由图6可知，滑动端盖通过前后水平保持滑杆跨接在所述激光绘图仪的机壳上，且可实现在前后水平方向保持滑杆上的低摩擦滑动。滑动端盖固定连接在前后推进履带上，并通过前后推进履带实现与前后推进伺服电机的耦合运动。通过控制前后推进伺服电机可以实滑动端盖在y轴方向的水平移动，进而实现发射角度调节器在y轴方向上相对于机壳的平滑移动，以调节激光发射器在y轴方向的角度。

2.5激光绘图仪的z轴运动组件

图7为所述新型的激光绘图仪在z轴方向的运动组件。该z轴方向的运动组件由4个部分组成，包括：绘图台、垂直位置调节丝杆、垂直位置调节伺服电机和底座。

由图7可知，垂直位置调节伺服电机固定在底座上。垂直位置调节丝杆与垂直位置调节伺服电机的转轴耦合连接。绘图台位于垂直位置调节丝杆上，可实现与垂直位置调节伺服电机和底座的相对垂直运动。通过控制垂直位置调节伺服电机可以调节绘图台在z轴方向的高度。

3.激光绘图仪的对焦原理

3.1激光绘图仪在x轴方向的对焦原理

图8和图9分别为所述新型的激光绘图仪当激光发射器在x轴方向正对和斜对绘图台时的对焦原理。图中：h0为当激光发射器正对且其焦点落在绘图台时绘图台相对于底座的高度；h1为发射端球头和发射角度调节器的相对于底座的高度；h2为尾端悬挂球头和尾端悬挂耦合部件相对于底座的高度；θx为激光发射器在x轴方向偏离中轴线的角度；hx为当激光发射器在x轴方向偏离中轴线的角度为θx且其焦点落在绘图台上时，绘图台相对于底座的高度。

发射端球头与激光发射器的焦点之间的距离为：

d＝h1-h0(1)

当激光发射器在x轴方向偏离中轴线的角度为θx时，绘图台相对于底座的高度hx和发射端球头在x轴方向的位移dx分别如式(2)和(3)。

hx＝h1-d·cosθx(2)

dx＝(h2-h1)tanθx(3)

由式(1)-(3)，可得hx与dx满足如下关系：

3.2激光绘图仪在y轴方向的对焦原理

图10和图11分别为所述新型的激光绘图仪当激光发射器在y轴方向正对和斜对绘图台时的对焦原理。图中：h0为当激光发射器正对且其焦点落在绘图台时绘图台相对于底座的高度；h1为发射端球头和发射角度调节器的相对于底座的高度；h2为尾端悬挂球头和尾端悬挂耦合部件相对于底座的高度；θy为激光发射器在y轴方向偏离中轴线的角度；hy为当激光发射器在y轴方向偏离中轴线的角度为θy且其焦点落在绘图台上时，绘图台相对于底座的高度。

发射端球头与激光发射器的焦点之间的距离为：

d＝h1-h0(5)

当激光发射器在y轴方向偏离中轴线的角度为θy时，绘图台相对于底座的高度hy和发射端球头在y轴方向的位移dy分别如式(6)和(7)。

hy＝h1-d·cosθy(6)

dy＝(h2-h1)tanθy(7)

由式(5)-(7)，可得hy与dy满足如下关系：

3.3激光绘图仪在xy平面内的对焦原理

类比激光绘图仪在x轴和y轴方向上的对焦原理，激光绘图仪在xy平面内的对焦原理如图12所示。图中：平面1、平面1’和平面1”分别代表底座、绘图台和发射端球头所在的平面，其中平面1’为xy平面；hxy、h1和h2分别为绘图台、发射端球头和尾端悬挂球头与底座的相对高度；θxy为激光发射器和与其正对绘图台时的中轴线之间的角度。

发射端球头与激光发射器的焦点之间的距离为：

d＝h1-h0(9)

当激光发射器偏离中轴线的角度为θxy时，绘图台相对于底座的高度hxy和发射端球头在xy平面内的位移dxy分别如式(10)和(11)。

hxy＝h1-d·cosθxy(10)

dxy＝(h2-h1)tanθxy(11)

由式(9)-(11)，可得hxy与dy满足如下关系：

又dxy²＝dx²+dy²，式中dx和dy分别为发射端球头和发射角度调节器在x轴和y轴方向上的位移，则hxy与dy满足如下关系：

因此，为了解决由左右推进伺服电机和前后推进伺服电机调节激光发射器的角度而造成的激光发射器的焦点偏离绘图台的问题，可通过式(13)所示的绘图台高度hxy与x轴推进距离dx和y轴推进距离dy之间的关系使激光发射器始终聚焦在绘图台上。

4.激光绘图仪硬件部分设计

4.1激光绘图仪的总体设计框图

激光绘图仪总体功能框图如图13所示，主要包括七部分：上位机，人机界面，数据通信接口，数据存储器，左右推进伺服电机控制器、前后推进伺服电机控制器和垂直位置调节伺服电机控制器，激光发射器驱动控制电路和绘图仪主控制器。上位机(pc)负责图形格式转换、矢量图形的点阵化，并且将转换好的点阵数据流发送到下位机，并接受下位机反馈信息反映绘图机执行状态和错误信息提示；人机界面主要实施对绘图仪的具体操作，如归位、测试激光发射器、暂停，以及绘图仪的状态；左右推进伺服电机和前后推进伺服电机控制激光发射器的倾斜运动，垂直位置调节伺服电机控制绘图台的高度；数据通信接口负责向上或向下传送数据；数据存储器存取数据流；激光发射器驱动控制电路主要指激光发射器设计电路，负责接收激光发射数据，控制激光发射器的通断；绘图仪主控制器主要是接收外来信息，转发到相应的执行单位以及反馈信息并做适当处理。

4.2激光发射器主控制器的设计

主控制器的执行过程如下：

(1)接收上位机发来的数据流信息、控制信息、并反馈给上位机状态信息。

激光绘图仪先接收从上位机发送配置信息和数据流。配置信息主要设置绘图仪的伺服电机运行速度和激光发射器的起始位置等；数据流主要是指用户要求打印的图形通过软件解析后点阵数据流，并且控制好接收速度，当接收速度过快时候，将数据流存放要存储器。当激光绘图仪出现某些问题时候，及时反馈状态信息。

(2)控制激光发射器的角度，控制绘图台高度。

按照接收到伺服电机配置的速度，起始位置点进行绘图，起始空白主要消除激光发射器运动加速和减速过程，这样激光扫射位置更加准确。激光发射器朝一个方向扫射一次后，垂直位置调节伺服电机相应地控制绘图台的高度。

(3)向激光发射驱动单元发送控制数据。

读取激光发射器的角度位置和绘图台高度位置的状态信息；激光发射条件成熟时，发出允许激光发射器通电的控制信号；按串行方式，将激光发射的控制数据写入激光发射器的驱动寄存器中。

(4)处理用户请求、显示状态信息。

读取从人机界面用户操作，例如停止，暂停，清空数据流等，同时反映绘图状态，例如绘图位置，激光发射的控制状态等。

面对如此繁重的的任务，处理器需具备外部总线接口(存储数据，发送激光发射器驱动信号，主机数据通信)，具备很强的数字信号处理能力，具备电机控制单元。在此我们选择ti公司的tms320f2812微控制器。tms320f2812具有高速信号处理和数字功能所需的体系结构，还具有专为电机控制应用提供单片解决方案所需的外围设备，极大地简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，降低了成本。

tms320f2812mcu的特点：

(1)高速150mhz(6.67ns指令周期)；

(2)高性能32位cpu，哈佛总线结构，16*16位和32*32位乘法及累加器；

(3)16bit外部总线接口，可编程读写选通定时，可编程等待状态，与外部总线接口简单方便；

(4)电机控制外围，电机事件管理器，两路编码器接口(qep1+2qep3+4)，多路pwm输出；

(5)3个32位cpu定时器；

(6)12位精度的adc转换器，16个adc通道，80ns的快速转换时间；

(7)多达56个通用输入输出(gpio)引脚。

4.3伺服电机控制模块设计

4.3.1直流pwm伺服控制技术

pwm是指脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation)。它过改变直流伺服电动机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，对电动机的转速进行控制。电压平均值uav，可以下式来表示：

式中：ton为开关每次接通的时间；t为开关通断的工作周期(即开关接通时间ton和关断时间toff之和)；α为占空比。

4.3.2直流pwm伺服电机的pwm驱动控制的实现

直流伺服电机驱动控制采用全数字三闭环控制，其中电流环和速度环采用pi控制器，位置环采用pd控制器，驱动级采用全桥pwm调制。图14是直流伺服电机控制框图。电机控制程序流程：

(1)isr(电机控制周期中断)。

(2)编码器反馈得到激光发射器当前的角度位置、激光发射器控制程序输出电机位置作为位置环输入进行pd调节。

(3)编码器反馈得到电机当期速度值、位置环输出作为速度环输入进行pi调节。

(4)电流采样滤波、用速度输出做为电流环输入进行pi调节、幅值限位后输出到pwm控制器。

(5)ret(中断返回)。

以下为每个环路的实现方法：

(1)电流环

电机驱动级采用h桥，可以很方便的实现直流电机正转、正转制动、反转、反转制动四象限运行。电流反馈检测采用低成本的mohm级精密功率电阻加运放来实现。通过tms320f2812的adc转换后就可以知道当前时刻电机的电流大小。

为了让电机电流更平稳更快地跟踪电流参考指令，电流环采用pi调节器。速度环输出值v作为电流参考指令与电机电流i比较后输出误差e，误差e经过pi控制后输出电压控制量控制pwm的产生，pwm全桥驱动控制电机电流的大小及方向，以此来控制电机的力矩大小从而达到控制转速、位置的目的。电流环数字pi控制的计算机实现的算式如下：

e(k)＝v(k)-i(k)(15)

u(k)＝kp×e(k)+ki×∑e(k)(16)

其中v(k)为速度环输出值，在此作为电流参考指令输入；i(k)为电机电流值；k为采样序号；kp为比例系数，是常数；ki为积分系数，是常数；从公式(15)和(16)可以看出，u(k)的值与采样次数有关，若采样次数越多，计算也就越多。一般应用上求δu(k)：

u(k)＝u(k-1)+δu(k)(18)

从公式(17)可以知道只与这次和上次采样点有关，简化了计算。

(2)速度环

为了更好的跟踪速度参考指令，速度环也采用pi调节器，pi控制器结构同电流环相同，速度环数字pi控制的计算机实现的算式如下：

e(k)＝p(k)-v(k)(19)

v(k)＝kp×e(k)-ki×∑e(k)(20)

式中：p(k)为位置环输出值，在此作为速度参考指令输入；v(k)为电机速度值；k为采样序号；kp比例系数，是常数，ki为积分系数，是常数；同样这里求δv(k)，与(17)一样表达式，只是e(k)计算公式不同。

(3)位置环

位置控制环是实现电机位置准确定位的关键环节，为防止电机静止时出现噪音，在此环节没有积分器，增加微分阻尼环节防止系统振荡。电机控制的pid参数通过串口传入，通过串口进行实时得调整以达到最好的控制性能。

位置环数字pd控制的计算机实现算式如下：

e(k)＝cp(k)-ep(k)(21)

p(k)＝kp×e(k)+kd×(e(k)-e(k-1))(22)

cp(k)为位置指令；ep(k)为电机反馈位置值；kp为比例系数，是常数，ki为积分系数，是常数；为了简化运算这里先求δp(k)，

δp(k)＝kp×(e(k)-e(k-1))+kd×(e(k)-2×e(k-1)+e(k-2))(23)

p(k)＝δp(k)+p(k-1)(24)。