一種雙軸同步激光切割機控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種雙軸同步激光切割機控制系統，包括運動控制器、伺服驅動器和電機，其特征在于，所述運動控制器通過總線連接多個伺服驅動器和電機；所述運動控制器還通過通訊模塊與用于控制激光器的功率和頻率的PWM模塊相連；所述運動控制器包括文件讀取單元、參數獲取單元和切割控制單元；所述文件讀取單元用于讀取切割程序文件；所述參數獲取單元用于獲取切割參數；所述切割控制單元用于根據切割程序文件和切割參數形成控制指令，并根據控制指令控制由伺服驅動器和電機驅動的激光器實現復雜形狀的切割。本發明可實現更高精度更高速度的運動。
【專利說明】
一種雙軸同步激光切割機控制系統
技術領域
[0001]本發明涉及激光切割技術領域，特別是涉及一種雙軸同步激光切割機控制系統。
【背景技術】
[0002]激光切割機就是將激光束通過光纖照射到工件表面時釋放的能量在氧氣(或氮氣)的幫助下使工件快速融化并蒸發，以達到切割和雕刻目的的自動化設備，具有精度高，切割快速，切口平滑等特點，再加上不局限于切割圖案限制，自動排版節省材料，加工成本低等特點，將逐漸改進或取代于傳統的金屬切割工藝設備。
[0003]雙軸同步激光切割機控制系統目前主要由控制器、電機和驅動器通過CNC功能實現切割，控制器接收到上位機命令，將命令轉換成脈沖指令到驅動器，驅動器再根據指令控制電機。現有技術中，電機控制由脈沖的發送決定，X軸由單電機驅動，調高采用專門的調高器方案，且不同廠家調試驅動器時因不方便找到各類所需的調試線，無形中增加了調試難度。
[0004]現有技術CN 101693324 A公開了一種激光加工系統中的激光隨動的控制方法及系統，該激光加工系統中包括伺服電機、激光器，在該激光加工系統中設置PLC，由該PLC對該伺服電機輸出相應的脈沖控制信號和對該激光器輸出相應的能量變化、開激光或者關激光控制信號以實現激光隨動控制，還在該激光加工系統中設置編碼器以檢測該伺服電機的位置，并將該編碼器的檢測輸出信號進行處理、變換成能夠為該PLC中的計數器接受的脈沖信號，然后該PLC根據該計數器的值，在當前的掃描周期內及時對該激光器輸出相應的能量變化、開激光或者關激光控制信號，從而實現激光隨動的實時、閉環控制。通過上述內容可知，其采用的仍然是脈沖信號控制，由于電機運行的速度是由脈沖的發送來決定，因此其無法同時保證高精度和高速度。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種雙軸同步激光切割機控制系統，可實現更高精度更高速度的運動。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種雙軸同步激光切割機控制系統，包括運動控制器、伺服驅動器和電機，所述運動控制器通過總線連接多個伺服驅動器和電機;所述運動控制器還通過通訊模塊與用于控制激光器的功率和頻率的PWM模塊相連；所述運動控制器包括文件讀取單元、參數獲取單元和切割控制單元;所述文件讀取單元用于讀取切割程序文件;所述參數獲取單元用于獲取切割參數;所述切割控制單元用于根據切割程序文件和切割參數形成控制指令，并根據控制指令控制由伺服驅動器和電機驅動的激光器實現復雜形狀的切割。
[0007]所述運動控制器包括兩個以太網口，其中一個以太網口通過EtherCAT協議連接多個伺服驅動器和電機，另一個以太網口通過TCP/IP協議連接人機界面。
[0008]所述運動控制器還通過通訊模塊連接有高度檢測器;所述高度檢測器檢測到的高度值通過通訊模塊傳輸至所述運動控制器，所述運動控制器根據檢測到的高度值對激光器的高度進行調控。
[0009]所述PffM模塊用于將運動控制器發送的控制指令轉換成PffM調制脈沖。
[0010]所述伺服驅動器和電機采用一體式結構。
[0011]所述運動控制器集成第三方工具和路由器功能，通過運動控制器能夠直接調試連接在運動控制器上的伺服驅動器的參數。
[0012]所述伺服驅動器和電機通過在每個循環周期內接收運動控制器的控制指令采用位置插補、循環位置和循環速度模式實現了帶動激光器實現復雜圖形的運動。
[0013]所述位置插補是指對激光器的X軸采用兩個伺服驅動器進行控制，并通過對虛擬主軸進行跟隨的方式保證兩個伺服驅動器的軸位置同步。
[0014]有益效果
[0015]由于采用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果:
[0016]1、X軸采用雙驅的方式達到位置同步，減少對機械的磨損，同時確保設備的運行。
[0017]2、電機的控制采用通訊的方式，突破了傳統脈沖方式的最高脈沖頻率對最高速度和最大精度的限制，在保證高精度的前提下同時實現高速度；控制器與電機之間采用EtherCAT通訊，一個控制周期可以控制在2ms以內，其布線更方便，維護成本更低，傳輸速度更快，精度更高。
[0018]3、運動控制器根據高度測量儀的模擬量反饋，實時測量計算Z軸的運動指令，運動指令通過EtherCAT通訊直接發送給激光器的Z軸驅動器，采用軟件調高的方式，使整個控制過程更方便，響應速度更快，性價比更高；
[0019 ] 4、控制器自帶的功能塊可以在速度變化和電機改變運動方向時做平滑處理，使運動更合理，實現更高的加速度，從而提高設備的效率。
[0020]5、運動控制器集成驅動器第三方工具和路由器功能，通過EtherCAT通訊線直接調試連接在控制器上的伺服驅動器的參數。
[0021]6、控制器的通訊線直接連接電機進行調試，省掉調試線。
[0022]7、驅動器電機一體化電機采用共直流母線技術和驅動器電機一體化技術使整個系統更節能，布線更少。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明的結構方框圖；
[0024]圖2是本發明中運動控制器的結構方框圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
[0026]本發明的實施方式涉及一種雙軸同步激光切割機控制系統，如圖1所示，包括運動控制器、伺服驅動器和電機，所述運動控制器通過總線連接多個伺服驅動器和電機;所述多個伺服驅動器和電機通過EtherCAT通訊與運動控器相連;控制激光器的功率和頻率的PWM模塊通過EtherCAT通訊與運動控制器相連;所述連接設備的按鈕、檢測開關和電磁閥等輸入輸出通過輸入輸出模塊通過EtherCAT通訊與運動控制器相連;所述運動控制器用于執行運動控制命令，控制由伺服驅動器和電機驅動的激光器實現復雜形狀的切割，通過TCP/IP與人機界面相連接收動作指令。所述人機界面用于控制切割程序和切割參數，通過TCP/IP與運動控制器相連。所述運動控制器還通過通訊模塊連接有高度檢測器。
[0027]其中，多個伺服驅動器和電機包括兩個在X軸方向控制激光頭運動的伺服驅動器和電機、一個在Y軸方向控制激光頭運動的伺服驅動器和電機和一個在Z軸方向控制激光頭高度的伺服驅動器和電機。
[0028]如圖2所示，所述運動控制器包括文件讀取單元、參數獲取單元和切割控制單元；所述文件讀取單元用于讀取切割程序文件，該切割程序文件可以通過人機界面進行調用；所述參數獲取單元用于獲取切割參數，其中切割參數存儲在參數數據庫中；所述切割控制單元用于根據切割程序文件和切割參數形成控制指令，并根據控制指令控制由伺服驅動器和電機驅動的激光器實現復雜形狀的切割。
[0029]所述運動控制器包括兩個以太網口，其中一個以太網口通過EtherCAT協議連接多個伺服驅動器和電機，另一個以太網口通過TCP/IP協議連接人機界面，可以實現切割文件的讀取和切割參數的獲取，從而實現多種復雜圖形的切割，可以輕松實現圖形中的切換和多圖形的連續切割(例如先切割圖形A，無需做任何修改直接切割圖形B，參數會自動修改)，本系統的G代碼讀取采用緩存加單行讀取執行方式，對圖形的復雜程序沒有限制，可以執行上萬行G代碼的程序。
[0030]所述PWM模塊用于將運動控制器發送的控制指令轉換成PWM調制脈沖，通過PWM模塊使激光器以標準的連續波輸出，此時激光器功率設置為恒定值。在進行邊角切割時，周圍區域的熱量增加，這是由于機器通過邊角時需要加速或減速，且邊角的物理結構也導致了材料的散熱性較低。為了控制過熱的產生，PWM模塊此時采用同步脈沖工作方式，此時激光器在通過邊角時由減速和加速而帶來的功率增加，從而輕松實現了功率坡調，解決激光器在換向和拐角處切割效果不好的問題。
[0031]所述伺服驅動器和電機通過在每個循環周期內接收運動控制器的控制指令采用位置插補、循環位置和循環速度模式實現了帶動激光器實現復雜圖形的運動。其中，位置插補是指對激光器的X軸采用兩個伺服驅動器進行控制，并通過對虛擬主軸進行跟隨的方式保證兩個伺服驅動器的軸位置同步。
[0032]所述高度檢測器檢測到的高度值(即激光頭Z軸的數值)通過模擬量傳輸至所述運動控制器，所述運動控制器根據檢測到的高度值對激光頭的高度進行控制(即當檢測到的數值高于預設時降低激光頭的高度，檢測到的數值低于預設時升高激光頭的高度)，響應速度快，控制更完善從而成功地代替了傳統單獨調高器，與傳統調高器相比，本軟件調高方案，響應速度更快，性價比更高，工藝更加優化。
[0033]所述伺服驅動器和電機采用一體式結構，控制更加方便，布線更省，減少了電控柜的安裝空間，減少了電磁干擾對驅動器的影響，并且驅動器電機一體化控制系統采用了共直流母線技術更加節能。
[0034]所述運動控制器還集成驅動器第三方工具，通過運動控制器能夠直接調試連接在控制器上的伺服驅動器的參數，這樣調試起來更加方便，不需要來回去切換驅動器的通訊線，可以輕松實現驅動器參數的調整，控制器也可作為連接到驅動器的路由器，可以不用接任何的調試線，用驅動器自帶的軟件進行調試，這種方式可以減少調試難度。因不同公司驅動器的調試線可能不同，工程師在調試不同的驅動器時可能要去找不同的線，這樣無形中增加了調試難度，而我們的控制器只需通訊線連接電機進行調試。
[0035]系統中采用的運動控制器是Robox的URMC2，該控制器集成兩個以太網口，兩個以太網口都可以支持標準的EtherCAT協議和Modbus TCP協議，其中一個以太網口通過EtherCAT協議連接多個伺服驅動器和電機；另一個以太網口通過TCP/IP協議連接人機界面。該控制器集成8路開關量輸入和8路開關量輸出，都是PNP類型。該控制器具有128K斷電保持存儲區，不通過特殊處理就可以安全的保存參數。該控制器采用飛思卡爾Power PCMPC5200處理器，1.2G雙核，外形尺寸230mm*77mm*85mm，64Mbyte DRAM，128Kbyte CMOS，可以水平和垂直安裝。該系統采用的人機界面是Robox的RHMI15，15寸，65536色的TFT真彩液晶屏，鋁合金外殼。
[0036]除上述控制器外，系統還可以采用其他廠家的控制器，可以實現同樣的功能，如倍福的CP6522。該控制器主板集成4個RS422串口，I個RS232串口，8個USB2.0，不間斷電源UPS，帶10/100BASE-T接口的雙以太網適配器。該控制器前面板是15英寸顯示器，分辯率為1024*1024。該控制器帶數字鍵盤和PLC專用功能鍵盤。該控制器采用Intel Core 2.0GHz處理器，521MB DDR2RAM內存(可擴展2GB)和 160GB SATA硬盤。
[0037]不難發現，本發明的運動控制器可以直通過人機界面下載外部ISO文件(G代碼執行文件)，執行該文件中的運動控制命令，可以實現復雜形狀的切割，且可同時下載一個和多個文件，實現多圖形的連續切割。
[0038]運動控制器與伺服驅動器和電機通過Ether CAT通訊，一個控制周期在2ms以內，其布線更方便，維護成本更低，傳輸速度更快，精度更高。系統通過對高度測量器實時測量的高度的處理，使整個控制更方便，響應更快，性價比更高。
[0039]用數據庫對所有切割圖形的運行參數進行保存，在切割時方便調用。
[0040]運動控制器開放性的開發平臺，可滿足客戶的定制功能需求，比如功率坡調，高度檢測器校準，回退功能，軟件調高等;控制器與驅動器之間只有一根網線，可以輕松拓展一個軸和一個模塊，滿足客戶設備多樣化需求。
[0041]本發明在機械條件滿足的情況下，可以實現120m/min(甚至更高，幾乎沒有限制)，較之前的60m/min和80m/min(脈沖發送頻率已限定，無法提升)有了很大的提高；切直徑為4_的小圓一分鐘能切300多個，較之前150個左右的切割效率有了較大的改善。
【主權項】
1.一種雙軸同步激光切割機控制系統，包括運動控制器、伺服驅動器和電機，其特征在于，所述運動控制器通過總線連接多個伺服驅動器和電機;所述運動控制器還通過通訊模塊與用于控制激光器的功率和頻率的PWM模塊相連;所述運動控制器包括文件讀取單元、參數獲取單元和切割控制單元;所述文件讀取單元用于讀取切割程序文件;所述參數獲取單元用于獲取切割參數;所述切割控制單元用于根據切割程序文件和切割參數形成控制指令，并根據控制指令控制由伺服驅動器和電機驅動的激光器實現復雜形狀的切割。2.根據權利要求1所述的雙軸同步激光切割機控制系統，其特征在于，所述運動控制器包括兩個以太網口，其中一個以太網口通過EtherCAT協議連接多個伺服驅動器和電機，另一個以太網口通過TCP/IP協議連接人機界面。3.根據權利要求1所述的雙軸同步激光切割機控制系統，其特征在于，所述運動控制器還通過通訊模塊連接有高度檢測器;所述高度檢測器檢測到的高度值通過通訊模塊傳輸至所述運動控制器，所述運動控制器根據檢測到的高度值對激光器的高度進行調控。4.根據權利要求1所述的雙軸同步激光切割機控制系統，其特征在于，所述PWM模塊用于將運動控制器發送的控制指令轉換成PWM調制脈沖。5.根據權利要求1所述的雙軸同步激光切割機控制系統，其特征在于，所述伺服驅動器和電機米用一體式結構。6.根據權利要求1所述的雙軸同步激光切割機控制系統，其特征在于，所述運動控制器集成第三方工具和路由器功能，通過運動控制器能夠直接調試連接在運動控制器上的伺服驅動器的參數。7.根據權利要求1所述的雙軸同步激光切割機控制系統，其特征在于，所述伺服驅動器和電機通過在每個循環周期內接收運動控制器的控制指令采用位置插補、循環位置和循環速度模式實現了帶動激光器實現復雜圖形的運動。8.根據權利要求7所述的雙軸同步激光切割機控制系統，其特征在于，所述位置插補是指對激光器的X軸采用兩個伺服驅動器進行控制，并通過對虛擬主軸進行跟隨的方式保證兩個伺服驅動器的軸位置同步。
【文檔編號】B23K26/082GK105834578SQ201610212962
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月7日
【發明人】杜佳成, 夏風, 賀東升, 陳宗雨, 王龍飛, 楊合躍
【申請人】武漢菲仕運動控制系統有限公司