阅读说明：本技术 一种基于corexy结构的激光雕刻与绘图仪一体化机 (Laser engraving and plotter integrated machine based on COREXY structure ) 是由 黄波 彭功雳 杨明 何平勇 胥云 廖映华 郑杰 李珂 陈杰 张聪 王椰洲 马月 于 2020-07-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供包括底座、传动机构,一体化安装机构三部分；底座包括铝合金型材方管、底部工作板,4条铝合金型材方管依次型材连接固定件首尾连接,围成一个框结构,并通过方管支撑架固定在底部工作板上；传动结构为,2个步进电机通过电机定位块、X轴电机安装板、Y轴电机安装板固定在底部工作板上,并且位于任何一条铝合金型材方管的首端和末端,步进电机的转轴上安装有惰轮Ⅰ。本发明解决了现有雕刻结构功能单一且稳定性不足难以满足实际需要的问题。(The invention provides a device which comprises a base, a transmission mechanism and an integrated mounting mechanism; the base comprises aluminum alloy section square tubes and a bottom working plate, wherein the 4 aluminum alloy section square tubes are sequentially connected with the fixing piece in an end-to-end mode to form a frame structure and are fixed on the bottom working plate through square tube supporting frames; the transmission structure is that 2 step motor pass through motor locating piece, X axle motor mounting panel, Y axle motor mounting panel and fix on the bottom working plate to be located the head end and the end of any aluminum alloy section bar side pipe, install idler I in step motor's the pivot. The invention solves the problems that the existing carving structure has single function and insufficient stability and is difficult to meet the actual requirement.)

一种基于COREXY结构的激光雕刻与绘图仪一体化机

技术领域

本发明属于绘图技术领域，激光雕刻可以对金属和非金属等材料进行雕刻、图案绘制、切割，绘图仪部分主要用于纸类图案的绘制，完善了激光雕刻对薄纸图案绘制的浪费，尤其涉及一种基于COREXY结构的激光雕刻与绘图仪一体化机。

背景技术

绘图仪和激光雕刻是由驱动装置、传动装置、安装装置等部件组成，由驱动装置和传动装置就可以实现在平面的运动。广泛应用于工业中对产品标志图案的绘制，如图1所示，现有的COREXY结构的绘图仪大多数是采用这种变异性结构。

采用步进电机1001驱动惰轮1002，从而带动同步带拉动整个结构(支撑板1006)；在直线光杆1007和直线轴承1003的作用下实现在平面上移动；在抬笔机构1004上安装绘图笔，实现在竖直方向上抬笔和落笔的动作，并在另一侧安装3D打印件1005。

背景技术的缺陷

在市面上已经存在的小型COREXY结构写字机(薛恩鹏、刊名：无线电Journa l:Radi o Magaz i ne年，卷(期)：2016,(11)页数：3页码：24-26页)大部分是基于一种COREXY结构的变异性结构，这种变异性结构在一定程度上节约了材料但是却产生了一个影响精度的悬臂梁。而且这个悬臂梁会随着加工范围的增大越来越影响精度，最后使这种结构只能停留在小型结构设计。

多功能全自动绘图仪中图分类号：(TM383.4；TP242文献标识码：A文章编号：1672-4801(2018)03-051-04

DO I:10.19508/j.cnk i.1672-4801.2018.03.016)也是针对传统绘图功能单一的缺陷进行设计，但是该机构将绘图笔和激光雕刻模组在使用时根据自己在的要求安装模块会在长期使用的情况下多次更换使用模块最终降低了工作精度和使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，针对传统激光雕刻机功能浪费、绘图仪功能单一，设计了一种基于COREXY稳定结构的激光雕刻和绘图仪一体化机器，将激光雕刻和绘图仪的使用集中在一起的多功能一体化结构。COREXY结构重量轻、精度高、成本低、结构设计简单，并且将使用的模块进行固定避免更换带来的精度降低和使用寿命的减少。

本发明采用如下技术方案：

一种基于COREXY结构的激光雕刻与绘图仪一体化机，主要包括底座、传动机构，激光雕刻与绘图仪部分。

底座采用框架式结构，采用4条铝合金型材方管和2个电机连接件和2个方管型材连接件通过螺栓进行连接为一个整体，使整个结构更加的稳定紧凑，同时为COREXY结构搭建提供了平台。

底座包括铝合金型材方管、底部工作板，4条铝合金型材方管依次通过型材连接件首尾连接，围成一个框结构，并通过方管支撑架固定在底部工作板上，电机连接件固定在底部工作板上。

传动机构是由2个两相步进电机、2个惰轮和2条同步带、8个惰轮组成。

两个步进电机分别为整个传动系统提供动力，可以控制电机的转速来控制动力传输的快慢，通过惰轮和两条同步带的啮合传递动力，惰轮的齿数可以控制传动比，从而改变传动速度。

8个惰轮安装在铝合金型材方管上，在不同位置上改变同步带在方向上的矢量增减变化，实现一种类似数控机床的圆弧、直线插补的运动方式。带动与同步带固定在一起的一体化安装架使其随着同步带的变化产生在平面上的运动。

2个步进电机通过电机定位块、X轴电机安装板、Y轴电机安装板固定在底部工作板上，并且布置于其中任意一条铝合金型材方管的首端和末端，步进电机的转轴上安装有惰轮Ⅰ，在相对的铝合金型材方管的方管支撑架上，上侧安装有惰轮，上侧的为惰轮Ⅱ、下侧的为惰轮Ⅲ，另一步进电机的转轴上也安装有惰轮Ⅳ，与其相对的铝合金型材方管的支撑架上，上侧安装有惰轮，上侧的为惰轮Ⅴ、下侧的为惰轮Ⅵ，两直线光杆安装块分别安装在左右相对的抬笔机构上，直线光杆安装在左右两相对的直线光杆安装块之间，两直线导轨分别安装在左右铝合金型材方管上，直线导轨滑块安装在直线导轨上，抬笔机构通过直线导轨滑块和直线导轨配合，使直线导轨滑块在直线导轨上自由滑动，直线导轨可以在铝合金型材上自由滑动，使用直线导轨和直线滑块不仅提升了承载能力而且提高了工作的精度。直线光杆安装块上均安装有惰轮，左侧分别为上侧的惰轮Ⅶ、下侧的惰轮Ⅷ，右侧分别为上侧的惰轮Ⅸ、下侧的惰轮Ⅹ。

惰轮Ⅰ、惰轮Ⅱ、惰轮Ⅴ、惰轮Ⅶ、惰轮Ⅸ通过其中一条同步带Ⅰ环绕在一起，由其中一个步进电机Ⅰ提供动力，惰轮Ⅳ、惰轮Ⅵ、惰轮Ⅲ、惰轮Ⅷ、惰轮Ⅹ绕设在另一条同步带Ⅱ上，由另一个同步电机Ⅱ提供动力。

所述惰轮为H形惰轮。

一体化安装机构是采用非标设计，由激光雕刻部分和绘图仪部分组成。激光雕刻部分由激光雕刻模组和安装固定板组成，根据在市面上的激光雕刻模组和安装要求设计用于安装的固定板，在将固定板安装在一体化安装架上面。

直线光杆平行安装，一端均通过直线光杆安装块安装在左侧的抬笔机构上，另一侧通过直线光杆安装块安装在右侧的抬笔机构上，直线导轨，安装在左右相对铝合金型材方管上。一体化安装架通过直线轴承安装在直线光杆上，抬笔机构通过直线导轨滑块安装在直线导轨上。激光雕刻部分包括激光雕刻模组和激光雕刻模组定位板组成，激光雕刻模组定位板通过直线轴承安装在直线光杆上，激光雕刻模组上侧还安装有散热扇。

绘图仪部分由舵机、舵机连接片、夹笔座、轻弹簧、碳棒、夹紧块等组成。舵机连接片安装在舵机的转动轴上，舵机连接片增大舵机抬起夹笔座的力矩，夹紧块安装在夹笔座的螺纹孔并通过螺纹连接的方式与夹笔座配合将笔安装且固定，碳棒粘接在夹笔座上作为滑动的导轨，轻弹簧套在碳棒上并且将碳棒安装在定位块采用间隙配合的方式。这样使夹笔座在轻弹簧的弹力下完成在垂直方向的落笔动作，舵机的轴转动向上抬起夹笔座完成在垂直方向的抬笔动作。

舵机通过舵机连接片安装在一体化安装架上，碳棒通过夹笔座和夹紧块以及轻弹簧固定在一体化安装架上。

绘图笔通过推杆固定在夹笔座上与定位块配合安装定位在一体化安装架上。

本发明的有益效果：

本发明将激光雕刻与绘图仪结合在一个固定模块上避免更换加工模块延长机器使用的寿命，并采用COREXY结构作为平面移动结构，相比已有产品来说本发明的结构更加简单而且工作精度更加的高。此外采用直线导轨模块降低了因为结构变形带来的误差，同时其高精度的使用范围也是提高了整个发明的精度。多功能的思想将两个模块结合在一个机构上，采用两端固定的方式既可以满足设计使用要求，又可以减少安装在一端产生的过大悬臂梁。本发明可以根据用户的尺寸要求进行设计自己的加工范围。多功能模块固定安装可以减少多功能模块频繁交换影响加工精度。COREXY结构更加节约材料和提高加工稳定性和精度。

附图说明

图1为背景技术中的COREXY结构的绘图仪；

图2为本发明的俯视图；

图3为图2的局部放大图；

图4为本发明的主视图；

图5为图4的局部放大图；

图6为本发明的侧视图；

图7为图6的局部放大图；

图8为图2的仰视局部视图；

图9为本发明的整体结构示意图；

图10为本发明的拆分后运动解析图。

3-X轴电机安装板、4-铝合金型材方管、5-碳棒、6-绘图笔、8-激光雕刻模组定位板、9-直线轴承、14-方管支撑架、15-散热扇、16-激光雕刻模组、19-舵机、20-舵机连接片、21-定位块、22-夹笔座、23-夹紧块、24-Y轴电机安装板、25-步进电机Ⅰ、26-直线导轨、28-轻弹簧、29-直线导轨滑块、31-电机定位块、35-直线光杆安装块、38-一体化安装架、39-直线光杆、40-工作底板、41-步进电机Ⅱ、60-抬笔机构；

501-惰轮Ⅰ、502-惰轮Ⅱ、503-惰轮Ⅲ、504-惰轮Ⅳ、505-惰轮Ⅴ、506-惰轮Ⅵ、507-惰轮Ⅶ、508-惰轮Ⅷ、509-惰轮Ⅸ、5010-惰轮Ⅹ、

701-同步带Ⅰ、702-同步带Ⅱ。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图2-9所示，本发明的一种基于COREXY结构的激光雕刻与绘图仪一体化机，包括底座、传动机构、激光雕刻与绘图仪。

底座是由4条铝合金型材方管4,1个工作底板40,2个电机连接件，2个方管支撑架14以及连接螺栓，限位装置等构成的一个可安装其他部件和提供工作平台的部分。

铝合金型材方管4首尾衔接通过两个方管支撑架14和两个电机连接件(X轴电机安装板3和Y轴电机安装板24)以及连接螺栓连接成一个工作平台框架，并且固定在工作底板40上，绘图时，作为平铺材料的平台。在平台框架四角处安装限位开关避免突发情况对一体机的损坏。

传动机构是由2个步进电机、2条同步带36、8个H型惰轮12，2条直线导轨26，直线导轨滑块29,2根直线光杆39,2块直线滑动轴承9，以及直线光杆安装块35，固定螺栓等构成的可以控制激光雕刻与绘图仪部分在平面内实现移动的部分。

2个步进电机(步进电机Ⅰ25、步进电机Ⅱ41)通过电机定位块31、X轴电机安装板3、Y轴电机安装板24固定在工作底板40上的电机连接件上，两个步进电机分别布置于其中任何一条铝合金型材方管4的首端和末端，步进电机25Ⅰ的转轴上安装有惰轮Ⅰ501，在相对的铝合金型材方管4的方管支撑架14上，安装有惰轮，上侧的为惰轮Ⅱ502、下侧的为惰轮Ⅲ503，另一步进电机Ⅱ41的转轴上也安装有惰轮Ⅳ504，与其相对的铝合金型材方管4的方管支撑架14上，安装有惰轮，上侧的为惰轮Ⅴ505、下侧的为惰轮Ⅵ506，两抬笔机构60分别安装在两相对的另外两铝合金型材方管4上，并可以在铝合金型材方管4上自由滑动，两个抬笔机构60上均安装有惰轮，左侧分别为上侧惰轮Ⅶ507、下侧的惰轮Ⅷ508，右侧分别为上侧惰轮Ⅸ509、下侧惰轮Ⅹ5010。

惰轮Ⅰ501、惰轮Ⅱ502、惰轮Ⅴ505、惰轮Ⅶ507、惰轮Ⅸ509通过其中一条同步带Ⅰ701环绕在一起，由其中一个步进电机Ⅰ25提供动力，惰轮Ⅳ504、惰轮Ⅵ506、惰轮Ⅲ503、惰轮Ⅷ508、惰轮Ⅹ5010绕设在另一条同步带Ⅱ702上，由另一个同步电机Ⅱ41提供动力。并且同步带Ⅰ701、同步带702均安装在一体化安装架上，当同步电机I25、同步电机Ⅱ41同向转动时(顺时针或逆时针)，一体化安装架38向左或向右运动(X轴向的运动)，当同步电机Ⅰ25、同步电机Ⅱ41反向转动(方向相反)，X轴向的矢量抵消，一体化安装架实现Y轴的运动。

如图10所示，电机转动带动安装在转动轴上的惰轮(惰轮Ⅰ501、惰轮Ⅱ504)转动，同步带(同步带Ⅰ701、同步带Ⅱ702)(两条同步带一上一下)和惰轮(惰轮Ⅰ501、惰轮Ⅱ504)配合驱动连接在同步带(同步带Ⅰ701、同步带Ⅱ702)末端的一体化安装架38的一端，另外一端会带动同步带(同步带Ⅰ701、同步带Ⅱ702)运动。

当在X轴方向运动时，两个步进电机同时顺时针或者逆时针转动(记住是同时两个电机向一个方向转动)使其向左(顺时针向左)或者向右(逆时针向右)运动。

步进电机Ⅰ25顺时针转动驱使上面部分的同步带Ⅰ701运动，在惰轮Ⅰ501、惰轮Ⅱ502、惰轮Ⅴ505、惰轮Ⅸ509、惰轮Ⅶ507的作用下，同步带Ⅰ701的a段向上，b段向右，c段向下，d段向左，e段向下。注意此时同步带Ⅰ701的每一段的地方都有受力。

步进电机Ⅱ41顺时针转动趋使下面部分的同步带Ⅱ702运动，在惰轮Ⅳ504、惰轮Ⅵ506、惰轮Ⅲ503、惰轮Ⅷ508、惰轮Ⅹ5010，同步带Ⅱ702的A段向下，E段向上，D段向左，C段向上，B段向右。

同步带Ⅰ701的a段、同步带Ⅰ701的b段、同步带Ⅱ702的A段、同步带Ⅱ702的B段受力均被工作底板40吸收(电机和惰轮都是固定在工作台上的作用力会和工作底板相互抵消)，但是由于c段和C段的受力相反，因此Y轴方向的受力抵消，而d段受力，D段受力均相左即X正向运动，因此一体化安装架38向左运动。同理同步电机Ⅰ25、同步电机Ⅱ41均逆时针转动，则一体化安装架实现向X轴负向运动。

当整个绘制结构在Y轴方向运动时两个电机必须同时顺时针或者逆时针相反转动。

当同步电机Ⅰ25顺时针转动时最后同步带Ⅰ701的运动方向为X轴负方向，当同步电机Ⅱ41逆时针转动时最后同步带Ⅱ702的运动方向是X轴的正方向。

当两个电机的旋转方向不相同时，D、d段上Y轴方向的力相同，而C、c段上X轴的力方向相反在矢量上抵消，完成在Y轴上的移动。

此时在X轴方向的运动在矢量计算上是相互抵消的，但是上下两部分的同步带在Y轴的运动方向都是Y轴正方向，所以一体化安装块会往Y轴正方向运动。同理当左侧电机逆时针转动，同时右侧电机顺时针转动完成在Y轴负方向的运动。通过计算公式：△X＝(△A+△B)/2，△Y＝(△A-△B)/2；△A＝△X+△Y,△B＝△X-△Y。进行程序编写控制其在平面上运动。

所述惰轮为H形惰轮12。

同步电机转动使安装在转动轴上的惰轮也随之转动，通过同步带和惰轮啮合使电机动能传输在同步带上。8个惰轮每一个都改变同步带传输动力的方向，4个惰轮4次改变惰轮的方向使整个传输的方向在平面上四个位置的改变，确定工作的传动区域和保证最后能够回到惰轮处，同时使其和电机转动方向一致。

直线导轨26大大的提高了传动的精度和一体化机的稳定性，安装在铝合金型材方管4上实现在X方向上的移动，直线光杆39完成在Y方向的运动。

同步带和一体化安装架38固定夹紧在一起使其跟随同步带的矢量增减完成在平面XY轴的运动。

激光雕刻部分与绘图仪部分是由一体化安装架38，激光雕刻模组16，舵机连接片20，夹笔座22和绘图笔6，以及夹紧伸缩定位块块等构成的，用于安装固定激光雕刻模组部分和实现绘图仪部分抬笔和落笔动作的部分。

两直线光杆39平行安装，一端通过直线光杆安装块35安装在一侧的抬笔机构60上，另一端安装在另一侧的抬笔机构60上，直线导轨26安装在两相对的铝合金型材方管上，直线导轨滑块29可在直线导轨26上滑动。一体化安装架38通过直线轴承9安装在直线光杆39上，并且抬笔机构通过直线导轨滑块29安装在直线导轨26上。

激光雕刻部分包括激光雕刻模组16，激光雕刻模组16安装在激光雕刻模组定位板8上，进而安装在一体化安装架38上。一体化安装架38通过内部安装的直线轴承9、配合直线光杆39实现在X轴方向的移动，激光雕刻模组16上侧还安装有散热扇15，可避免高功率的激光头发热严重损坏。

绘图仪部分由舵机19、舵机连接片20、夹笔座22、轻弹簧28、碳棒5、夹紧块23等组成。舵机连接片20安装在舵机19转动轴上，增大其转动力矩，舵机19通过螺纹连接在一体化安装架38上。夹笔座22和夹紧块23通过螺纹连接的方式推进配合将绘图笔6安装且固定，并且将碳棒5粘接在夹笔座22上作为滑动的导轨，采用间隙配合的方式安装碳棒5在定位块21上。通过螺栓连接将定位块21和一体化安装架38固定在一起。轻弹簧28套在碳棒5上，在弹力的作用下使绘图笔6与绘制材料紧紧的贴在一起而且在舵机19不转时实现落笔的效果。舵机19通过舵机连接片20作用在夹笔座22的上端使整个绘图仪的结构抬起实现抬笔的动作。

激光雕刻与绘图仪机器工作时，将雕刻或者绘制的材料放置在工作台上，首先通过单片机控制两个步进电机转动带动连接的惰轮与同步带啮合传动再经过惰轮改变力传动的方向，实现同步带在某一方向的增量带动与同步带连接在一起的一体化安装部分在平面内移动。根据计算机输入G代码控制激光雕刻模组工作或者控制舵机实现抬笔和落笔的动作进行激光雕刻和图形绘制，当安装部分移动超出范围时会触碰到限位开关而停止工作。电机根据输入G代码的信号在平面进行往复运动绘制出和用户需求的一样的图案。

控制部分：STM32单片机将上位机切片软件自动生成的G代码输入给单片机，通过单片机程序驱动对应的电机驱动模块A4988和舵机驱动模块、激光雕刻模组驱动模块。

本发明的工作方式：

电机转动带动安装在转动轴上的惰轮(惰轮Ⅰ501、惰轮Ⅱ504)转动，同步带(同步带Ⅰ701、同步带Ⅱ702)和惰轮(惰轮Ⅰ501、惰轮Ⅱ504)配合驱动连接在同步带(同步带Ⅰ701、同步带Ⅱ702)末端的一体化安装架38的一端，另外一端会带动同步带(同步带Ⅰ701、同步带Ⅱ702)运动。当在X轴方向运动时，两个步进电机同时顺时针或者逆时针转动使其向左或者向右运动，步进电机Ⅰ25顺时针转动驱使上面部分的同步带Ⅰ702运动在惰轮Ⅵ506作用下将同步带Ⅱ702运动方向从Y轴正改变成为X正方向运动，在惰轮Ⅲ503的作用下将同步带Ⅱ702运动方向改为Y轴负方向，在惰轮Ⅷ508的作用下将同步带Ⅱ702运动方向改变为X轴负方向连接在一体化安装架38。步进电机41顺时针转动趋使下面部分的同步带Ⅰ701运动往Y轴负方向运动在惰轮Ⅱ502的作用下同步带Ⅰ701的运动方向改为X轴正方向，在惰轮Ⅴ505的作用下同步带Ⅰ701的运动方向改为Y轴正方向，在惰轮509Ⅸ的作用下将同步带Ⅰ701的运动方向改变为X轴负方向连接在一体化安装架38上完成在X轴负方向的运动。同理当两个电机同时逆时针转动时完成在X轴正方向的转动。当整个绘制结构在Y轴方向运动时两个电机必须同时顺时针或者逆时针相反转动，当同步电机Ⅰ25顺时针转动时最后同步带Ⅱ702的运动方向为X轴负方向，当同步电机Ⅱ41逆时针转动时最后同步带Ⅰ701的运动方向是X轴的正方向。此时在X轴方向的运动在矢量计算上是相互抵消的，但是上下两部分的同步带在Y轴的运动方向都是Y轴正方向，所以一体化安装块会往Y轴正方向运动。同理当左侧电机逆时针转动，同时右侧电机顺时针转动完成在Y轴负方向的运动。通过计算公式：△X＝(△A+△B)/2，△Y＝(△A-△B)/2；△A＝△X+△Y,△B＝△X-△Y。进行程序编写控制其在平面上运动。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。