基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种激光扫描装置及其控制方法，特别是涉及一种基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置及其控制方法。

背景技术：

激光打标系统由激光源、激光传输模块、激光扫描振镜、激光聚焦场镜、激光控制模块、焦距高度机械调节机构构成。聚焦场镜一般安装在扫描振镜上，激光本身不可见。

激光源产生并射出一道具有一定直径宽度的、截面为圆形的激光束，并由扫描振镜偏转一定角度（x、y两个方向上），再通过聚焦场镜聚焦激光束，使得激光在对象物体上的一定范围内，按一定图形要求，将激光作用于对象物体上，实现表面的标刻/打印，或具有一定深度的焊接/切割。

激光扫描振镜由以下部件构成，x和y轴方向上各有一个电机配一个反射镜片构成，电机在电机驱动板的作用下，带动反射镜片旋转一定的角度。使激光束反射到在被加工物体表面所要求的点。

目前的电机一般长度比较长，所占空间大，系统复杂。使用两种镜片，x/y镜片大小形状不一样，转动惯量不一样，导致动态响应特征偏差，影响实际打标效果。x/y镜片镜前距离不一致，存在角度偏差与成像失真。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置及其控制方法，其占用空间小，激光扫描振镜体积小，重量轻，只需要一个镜片即实现二维平面的激光反射，节省了一个反射镜片，只需要控制一个电机，控制相对简单。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置，其特征在于，所述基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置包括球形电机、激光反射镜片、球形电机驱动板、连接线，球形电机与球形电机驱动板之间通过连接线连接，球形电机与激光反射镜片驱动连接，球形电机驱动激光反射镜片实现xy轴两个方向的激光反射。

优选地，所述球形电机、激光反射镜片、球形电机驱动板、连接线都位于一个振镜壳体内。

优选地，所述球形电机包括球形转子和球形定子。

优选地，所述球形定子通过多个固定件和振镜壳体固定。

优选地，所述球形电机驱动板和一个数模转换器之间通过数字信号传输线连接，数模转换器与一个数字信号控制板之间通过传输线连接。

优选地，所述振镜壳体的侧面设有转接板，转接板通过转接板定位销与振镜壳体固定。

优选地，所述振镜壳体的侧面设有转接板，转接板通过转接板定位销与振镜壳体固定。

优选地，所述振镜壳体的侧面设有激光入射治具。

优选地，所述基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置应用于一个激光打标系统中，该激光打标系统还包括以下部件：

激光源，用于产生并射出一道具有一定直径宽度的、截面为圆形的激光束；

激光传输器，位于焦距高度机械调节机构上，用于传输激光源所发射出的激光；

激光聚焦场镜，与本发明基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置相连，用于实现轴上、轴外像质一致，球形电机的单反射镜片激光扫描装置只需要一个镜片即实现二维平面的激光反射；

激光控制器，与激光源相连，用于控制激光源；

焦距高度机械调节机构，与激光传输器和基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置相连，用于调节激光传输器和基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置的高度；

激光束，用于呈现由激光源所发射而出的光束。

本发明还提供一种基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置的控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，同时接受电机xy两个轴运动指令信号；

步骤二，根据指令步长跟踪算法，将xy每个坐标值的变化量转变为xy每个坐标的实际转动步长；

步骤三，指令步长限制；

步骤四，将x、y指令信号拟合为三级坐标旋转数字信号；

步骤五，极坐标限位；

步骤六，将极坐标旋转数字信号数模转换为模拟驱动信号；

步骤七，球形电机电压指令输出；

步骤八，等待接受下一组xy指令。

本发明的积极进步效果在于：本发明占用空间小，激光扫描振镜体积小，重量轻，只需要一个镜片即实现二维平面的激光反射，节省了一个电机和一个反射镜片，二维平面内扫描效果好，成像失真小，只需要控制一个电机，控制相对简单。

附图说明

图1为传统激光扫描装置的结构示意图。

图2为本发明中球形转子的结构示意图。

图3为本发明中球形转子和激光反射镜片在一起的结构示意图。

图4为本发明中球形电机和激光反射镜片在一起的结构示意图。

图5为本发明中激光反射镜片的工作原理示意图。

图6为本发明基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置应用于激光打标系统中的结构示意图。

图7为本发明基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1至图6所示，本发明基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置包括球形电机301、激光反射镜片302、球形电机驱动板303、连接线304，球形电机301与球形电机驱动板303之间通过连接线304连接，球形电机301与激光反射镜片302驱动连接，球形电机301驱动激光反射镜片302实现xy轴两个方向的激光反射。球形电机301、激光反射镜片302、球形电机驱动板303、连接线304都位于一个振镜壳体300内。

本发明基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置用于对对象物体进行激光打标，只需要一个镜片即实现xy轴两个方向（二维平面）的激光反射，节省了一个反射镜片。

球形电机301包括球形转子311和球形定子312，球形定子和球形转子均可采用绕线式或永磁材料。球形定子加工为不封口的圆形罩子，将球形转子嵌入其中。球形转子顶部加工为平面，用以将激光反射镜片和球形转子粘接固定。球形定子通过多个固定件313和振镜壳体固定，这样增加稳定性。固定件313可以是固定支柱或螺丝等。

球形电机驱动板303和一个数模转换器305之间通过数字信号传输线306连接，数模转换器305与一个数字信号控制板307之间通过传输线308连接，这样数字信号控制板输出的数字控制信号可以通过数模转换器转换成模拟控制信号给球形电机驱动板。

振镜壳体300的侧面设有转接板315，转接板315通过转接板定位销314与振镜壳体300固定，这样方便将入射的光源进行转换。

振镜壳体300的侧面设有激光入射治具310，这样方便将激光导入。

如图6所示，激光反射镜片用于反射激光束；球形电机驱动板是使球形电机正常运转的驱动装置，是球形电机运行时所需要的装置。

本发明基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置103可以应用于一个激光打标系统中，该激光打标系统还包括以下部件：

激光源101，用于产生并射出一道具有一定直径宽度的、截面为圆形的激光束；

激光传输器102，位于焦距高度机械调节机构106上，用于传输激光源101所发射出的激光；

激光聚焦场镜104，与本发明基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置103相连，用于实现轴上、轴外像质一致，并提高照明均匀性，在不改变光学系统光学特性的前提下，改变成像光束位置，球形电机的单反射镜片激光扫描装置103只需要一个镜片即实现二维平面的激光反射；

激光控制器105，与激光源101相连，用于控制激光源；

焦距高度机械调节机构106，与激光传输器102和激光扫描振镜103相连，用于调节激光传输器102和基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置103的高度，能够让激光源的激光束107能射入激光传输器102并传输到基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置103；

激光束107，用于呈现由激光源101所发射而出的光束。对象物体108是用于呈现激光打标效果的一种介质。

如图7所示，本发明基于球形电机的单反射镜片激光扫描装置的控制方法包括以下步骤：

步骤一，同时接受电机xy两个轴运动指令信号；

步骤二，根据指令步长跟踪算法，将xy每个坐标值的变化量转变为xy每个坐标的实际转动步长；

步骤三，指令步长限制；

步骤四，将x、y指令信号拟合为三级坐标旋转数字信号；

步骤五，极坐标限位；

步骤六，将极坐标旋转数字信号数模转换为模拟驱动信号；

步骤七，球形电机电压指令输出；

步骤八，等待接受下一组xy指令。

步骤一的该电机xy两个轴运动指令信号可以为通用协议或自定义协议的串行的同步或异步数据；数模转换器含有相应数字信号的电平转换子模块。该电机xy两个轴运动指令信号含有同步时钟信号、坐标信号、坐标输入信号；且坐标信号含有数据包头帧与校验帧。所有坐标输入信号可含有正负差分信号或单极电平信号。

步骤二解析帧头，校验帧尾，截取坐标值，和步骤一留存的坐标值对比计算变化量按照场镜焦距，将求取的单轴坐标变化量换算该轴角度变化量。

步骤三对于每个单轴步长，采用积分分离的pid（pid是比例、积分、微分的简称）算法，通过磁链定向拟算预估当转动步长。当该步长超过电机单位时间转动速度时，采用弱磁算法限制该轴的给定步长值。

步骤四采用二三变换并注入零序分量，进行时变park数学变换。对变换后单轴步长数据，采用clark数学变换，转换为半径和角度的极坐标。转换后的极坐标值为标幺值。

步骤五对于极坐标的步长变化，采用bp网络拟算预估当转动步长。当该步长超过电机单位时间转动速度时，采用弱磁算法限制该轴的给定步长值。

步骤六将主控芯片运算后的极坐标数值通过数模转换器输出单位电压的模拟信号。该数模转换的精度至少为十六位数据。主抗芯片与数模转换之间的通信速率至少为16mbps。数模转换器后可额外衔接基于运算放大器电压跟随电路。

步骤七将跟随后的电压指令信号通过运算放大器，加大增益至球形电机实际工作电压值。

本发明占用空间小，激光扫描振镜体积小，重量轻，只需要一个镜片即实现二维平面的激光反射，节省了一个反射镜片，只需要控制一个电机，控制相对简单，成本低。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。