CN108581222A - 无极激光切割系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无极激光切割系统，传统的3D打印技术基于精准的数字模拟模型，采用的特殊材料，通过对喷头的运动控制进行逐层打印。本发明基于传统3D打印技术，结合建立的三维数字模型，实现高强度激光发生器的三维旋转运动，加以步进电机控制激光器的调焦功能，自动调整激光发生器的位置，并且融和现场作业人机交互界面与通信技术的远程操作。本发明能够实现以下有益效果：(1)工品加工的高速度，高精度；(2)加大切割材料范围，提高打印工件功能的实用性；(3)可以有效的控制切割距离放大与缩小；(4)实现小巧化，桌面化；(5)成本低，易使用，生产和制造一体化；(6)远程控制进行操作切割打印；(7)实现对人体伤害的最小化。

Description

无极激光切割系统

技术领域

本发明涉及3D激光打印技术领域，特别是涉及一种无极激光切割系统。

背景技术

目前全球3D打印行业，欧美国家有很多技术先进而且非常有特色的企业或研发团队，如英国的Reprap、美国的Shapeways和Fab@Home等，但是占有市场绝大份额的是美国的3D Systems和Stratasys公司。在收购了3D打印技术发明者和最初专利拥有者ZCorporation 公司之后，3D Systems便成了世界上最大的3D打印设备研发公司，而Stratasys公司先是和传统打印行业巨头惠普公司强强联手，后又收购Solidscape公司，2012年4月Stratasys 又宣布和以色列3D打印系统提供商Objet合并。可以看出3D打印机制造业处于飞速整合过程，行业巨头正在加速崛起。

应用领域：工业领域中原型制造(如汽车，电器，工具等新产品的开模)；

设计领域(模型制作，矫正设计，项目成果最终显示)；医疗领域(医学模型的快速建造，脸部修饰与美容)；军事领域(人造卫星的外部构造，火星探测器，甚至是宇宙飞船的打印切割)；文化产业(取代传统的手工制模工艺)；

食品领域(制作食品如巧克力水果等)。

3D打印激光切割技术存在的问题：技术复杂，材料种类的缺乏，设备昂贵，维护要求高，本身成型的精度低，机械强度低，加工速度不够快，工艺水平和加工速度不相匹配，环境污染以及激光对人体伤害等问题。

3D打印激光切割技术的发展趋势：随着3D打印技术的不断发展，信息技术和智能控制被逐步应用到其中，这些技术将使3D打印技术被推向更高的层次。未来的3D技术将朝着智能、高效和通用的方向去发展。提高3D激光打印设备的打印效率和精度，加大对大幅打印和多材料打印工艺的研究，提高打印工件的功能实用性；研发更多适合3D激光打印的材料，将 3D激光打印技术推广到更多行业领域；将3D激光打印机向桌面化、便捷化发展，降低3D激光打印机成本，以便适合更多普通用户的适用。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种无极激光切割系统，能够加工的速度与精度问题，切割材料范围的自适应调整可以有效的控制切割距离放大与缩小；实现小巧化，桌面化；成本低，易使用，生产和制造一体化；

远程控制进行操作切割打印；实现对人体伤害的最小化。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种无极激光切割系统，本设计基于传统3D打印技术，结合建立的三维数字模型，实现高强度激光发生器的三维运动，加以DSP为核心的驱动控制电路实现步进电机控制激光器的调焦功能，通过位置传感器实现对加工材料位置的确定调整激光发生器位置，并且融和现场作业人机交互界面与通信技术的远程操作。

本发明的有益效果是：

(1)：工品加工的高速度，高精度；

(2)：加大切割材料范围，提高打印工件功能的实用性；

(3)：可以有效的控制切割距离放大与缩小；

(4)：实现小巧化，桌面化；

(5)：成本低，易使用，生产和制造一体化；

(6)：远程控制进行操作切割打印；

(7)：实现对人体伤害的最小化。

附图说明

图1是一种无极激光切割系统简略立体结构示意图；

图2是一种无极激光切割系统所示的主要模块框图；

图3是系统步进电机控制硬件模块框图；

图4是系统软件程序流程框图；

图5是系统直流电机控制硬件模块框图；

图6是双直流电机转向控制三端输入信号；

图7是双直流电机连接示意图；

图中：1、丝杠；2、激光笔支柱；3、激光笔；4、调焦齿轮；5、步进电机；6、直流电机；7、调焦直流电机；8、电源模块 9、驱动模块；10、通信模块；11、处理器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2：

解决的问题：

无极激光切割系统，主要解决目前大部分相关设计的问题是切割空间限制的问题，系统精度速度问题，系统装置的尺寸问题以及人机关系问题。

运用方案：

本发明采用的一个技术方案是：无极激光切割系统，本设计基于传统3D打印技术，结合建立的三维数字模型，实现高强度激光发生器的三维旋转运动，加以DSP为核心的驱动控制电路实现步进电机，直流电机控制，从而达到激光发生器的调焦，旋转，位置移动。以及通过位置传感器实现对加工材料位置的确定调整激光发生器位置，并且融和现场作业人机交互界面与通信技术的远程操作。

具体实施方式：

控制处理器的选择：选取TMS320F28335作为核心处理器，主要用到其中的增强型脉宽调制模块(ePWM)，每个ePWM模块由两路ePWM输出组成，分别为ePWMxA和ePWMxB，这一对PWM 输出可以配置成两路独立的单边沿PWM输出，或者两路独立的的但相互对立的双边沿PWM输出，或者一对双边沿非对称的PWM输出，共有6对这样ePWM模块。每一组ePWM模块都包含一下7个模块，时基模块，TB，计数比较模块，动作模块，死区产生模块，PWM斩波模块，错误联防模块，事件触发模块。

丝杠运动控制部分采用步进电机：主要原理就是将脉冲信号转换成角位移。或者线位移，利用DSP，通过L298N驱动，采用单四拍方式，对四个端口依次给高电平即可，本设计处理器将控制脉冲从GPIO口输出，经过反向电路后进入放大，光电隔离模块，然后由功率管将脉冲信号进行电压和电流的放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别正转，反转，加速，减速和停止动作。步进电机控制系统框图如说明书附图3所示；程序的编制部分见说明书附图4。

激光笔调焦功能：当切割位置发生转变时，为使得激光能量的最大利用需要对其聚焦，具体根据丝杠的运动距离进行相关算法的调整计算从而产生直流电价机的驱动信号PWM占空比的大小，进而达到调焦距离的改变。

激光笔的万向旋转：采用双直流电机的控制方略；确定好切割位置数据后，实现激光笔的旋转来进行运作，相比激光的三维运动可以节省装置空间并且提高相应的精度。直流电机的转速主要由加载在其端上的电压大小决定，本设计中有两种方案可供解决，其一利用DSP 的PWM模块进行脉宽调制，调节占空比，通过L298N驱动模块，控制直流电机转速；其二利用DSP定时器对L298N的使能端口不断发出翻转电平，也能达到对直流电机的转速控制。对三个端口输入高低不同的电平，直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。双直流电机转向控制三端输入信号如图6所示。双直流电机连接示意图如图7所示。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种无极激光切割系统，本设计基于传统3D打印技术，结合建立的三维数字模型，实现基于双直流电机高强度激光发生器的旋转运动，加以DSP为核心的驱动控制电路实现步进电机控制激光器的调焦功能，并可根据加工材料的位置调整丝杠移动距离，并且融和现场作业人机交互界面与通信技术的远程操作。

2.一种无极激光切割系统，其实现方式在于：基于TMS320F28335处理器的步进电机控制激光发生器的调焦功能，实现作业范围的自适应功能；并可加入通信模块实现远程操作与现场在线作业的融合，提高系统的实用性。

3.一种无极激光切割系统，其主要特征在于：激光发生器位置的任意调整，去除加工材料位置的限制；调焦功能实现能量的最大利用率。

4.本发明能够实现以下有益效果：(1)：工品加工的高速度，高精度；(2)：加大切割材料范围，提高打印工件功能的实用性；(3)：可以有效的控制切割距离放大与缩小；(4)：实现小巧化，桌面化；(5)：成本低，易使用，生产和制造一体化；(6)：远程控制进行操作切割打印；(7)：实现对人体伤害的最小化。