CN102945006A - 一种用于光材料加工的参数调节和显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光材料加工的参数调节和显示装置，包括手持操作器和通信选件，其中：通信选件包括带接口的通信电缆或带接口的无线通信器，手持操作器与上位机进行双向通信；在本发明中，通过手持操作器，操作人员既可向上位机发送加工参数控制要求信息，对加工参数大小进行调节；也可接收上位机发送的加工参数信息，对设备运行状况进行监控；本发明可用于各类光材料加工设备上，能较好地解决新/旧产品光参数检测子系统与主控系统结构不兼容、集成难度大等问题，在不改变设备整体结构、充分利用原有光参数检测装置、不增加高额费用的前提下，大幅度提高设备参数整定效率，便于工程技术人员对光材料加工设备的现场调试和监控。

Description

一种用于光材料加工的参数调节和显示装置

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种用于光材料加工的参数调节和显示装置。

背景技术

光材料加工是一种先进的高精度、高效率加工方式，利用高能量光束与物质相互作用的特性，对各类材料(金属、非金属)进行切割、焊接、表面处理等。

对于各类材料光加工工艺，工作面(材料加工面)处光束光斑的大小、光斑功率密度的大小是两项重要技术指标，直接影响到材料光加工的精度和质量。实际加工过程中，受多种因素的影响，实际值与理论值有一定的差异。为保证材料加工的精度和质量，设备运行前，根据工艺要求，要对其大小进行整定。其中，在有效调节范围内，通过调节聚焦光束焦平面与工作面的相对位置，在工作面处便可获得所需大小的光斑；光斑大小恒定的前提下，通过调节光源输出功率的大小，在工作面处便可获得所需大小的光功率密度。

目前，光材料加工设备均采用计算机控制，配置有工作台/控制柜，通过专用控制软件、装置，操作人员对设备生产过程进行操作和监控。按工作面光参数检测子系统与设备主控系统间的集成关系，设备结构可分为：1自动检测式。光参数检测子系统自动地对各参数进行数据信号采集，并将数据送至设备主控系统；与预存的设定值比较后，主控系统做出判断，发出相关指令，驱动各控制单元的执行机构，进行参数大小的调节。2手动检测式。操作人员运用各种检测手段、操作各种检测装置，对各参数进行数据采集，并将数据送至设备主控系统；操作人员对设备主控系统操作，发出相关指令，驱动各控制单元的执行机构，进行参数大小的调节。

尽管自动检测式的自动化程度高，但因设备生产、运行成本较高或光参数检测子系统与设备主控系统结构不兼容、集成难度大等因素，手动检测式仍被光材料加工设备普遍采用。

对于手动检测式设备，操作人员既需要对设备主控系统进行操作，又需要靠近设备工作区，运用各种检测装置对工作面光参数进行检测。当设备工作台/控制柜距离设备工作区距离稍远时，需多名操作人员协同工作，或操作人员身兼数职，完成多项工作；设备光参数整定过程冗长、效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光材料加工的参数调节和显示装置，旨在解决现有手动式检测光材料加工设备参数整定过程冗长、效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于光材料加工的参数调节和显示装置，包括手持操作器和通信选件，所述手持操作器与上位机进行双向通信；所述手持操作器包括第一单片机、分别与所述第一单片机连接的按键输入控制模块、显示控制模块、辅助控制模块、基本电路及扩展模块、电源控制模块、第一USB通信接口、与所述显示控制模块连接的显示器、与所述按键输入控制模块连接的键盘面板、与所述辅助控制模块连接的报警器件；所述通信选件包括通信电缆或无线通信器。

更进一步地，所述无线通信器包括第二单片机、与所述第二单片机连接的第二无线通信模块；所述手持操作器还包括与所述第一单片机连接的第一无线通信模块。

更进一步地，所述第一无线通信模块与所述第二无线通信模块均工作于2.4GHz～2.5GHz ISM频段。

更进一步地，所述电源控制模块包括：电池电源和稳压电路；所述电池电源通过所述第一USB通信接口与外部的充电器连接。

更进一步地，所述第一单片机、所述第一无线通信模块和所述第一USB通信接口为功能一体化器件。

更进一步地，所述无线通信器还包括第二USB通信接口，所述第二USB通信接口的一端与所述第二单片机连接，所述第二USB通信接口的另一端用于与上位机的第三USB通信接口连接。

更进一步地，所述第二单片机、所述第二无线通信模块和所述第二USB通信接口为功能一体化器件。

在本发明中，通过手持操作器，操作人员既可向上位机发送加工参数控制要求信息，对加工参数大小进行调节；也可接收上位机发送的加工参数信息，对设备运行状况进行监控。本发明能较好地解决新/旧产品光参数检测子系统与主控系统结构不兼容、集成难度大等问题，在不改变设备整体结构、充分利用原有光参数检测装置、不增加高额费用的前提下，大幅度提高设备参数整定效率，便于工程技术人员对光材料加工设备的现场调试和监控。

本发明采用了微功率、短距离无线通信技术，其最大的优势是超低功耗、低成本、易开发。微功率、短距离无线通信技术属于非标准的无线射频协议，其数据传输过程中平均电流小于1mA；射频芯片包含透明的数据传输协议、使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等工作参数通过程序配置完成，依据命令字进行操作，便可实现无线数据的传输功能；通信距离200m内，通信速率小于等于2Mb/s。另一方面，本发明基于通用串行总线USB协议，进行数据通信，USB2.0协议最高设备传输速度可达480Mb/s，USB3.0协议最高设备传输速度可达5Gb/s；而且，USB通信接口以其高速、即插即用、自供电等优势，成为计算机外设的标准接口。此外，本发明以单片计算机为控制核心，目前，单片计算机技术已非常成熟。有鉴于此，本发明具备完全可实现性，具有低成本、微功耗、高传输速率、操作简单、携带方便等优点；可用于各类光材料加工设备上。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的用于光材料加工的参数调节和显示装置与上位机的结构示意图；

图2是本发明第二实施例提供的用于光材料加工的参数调节和显示装置与上位机的结构示意图；

图3是本发明第二实施例提供的用于光材料加工的参数调节和显示装置中手持操作器的内部结构原理框图；

图4是本发明第二实施例提供的用于光材料加工的参数调节和显示装置中无线通信器的内部结构原理框图；

图5是本发明第二实施例提供的用于光材料加工的参数调节和显示装置中手持操作器和无线通信器与上位机的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的用于光材料加工的参数调节和显示装置中手持操作器面板的功能结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的用于光材料加工的参数调节和显示装置可用于各类光材料加工设备上，如激光切割机、激光焊接机、激光标刻机等。该装置弥补了现有手动式检测光材料加工设备参数整定过程冗长、效率低的不足，不改变设备整体结构、充分利用原有光参数检测装置、不增加高额费用的前提下，提高设备光参数整定的效率、减少操作人员的工作量、完善设备运行监控功能，便于操作人员对光材料加工设备的现场调试和监控。该装置具有易开发、低功耗、操作简单、功能完善、携带方便等突出优点，以低成本投入，换来设备功能大幅度提高。

用于光材料加工的参数调节和显示装置包括手持操作器和通信选件，手持操作器与上位机进行双向通信；手持操作器包括第一单片机、分别与第一单片机连接的按键输入控制模块、显示控制模块、辅助控制模块、基本电路及扩展模块、电源控制模块、第一USB(Universal Serial Bus，USB)通信接口、与所述显示控制模块连接的显示器、与所述按键输入控制模块连接的键盘面板、与所述辅助控制模块连接的报警器件；通信选件既可为带接口的通信电缆，也可为带接口的无线通信器；手持操作器与上位机进行无线通信时，手持操作器还包括第一无线通信模块。

在本发明实施例中，用于光材料加工的参数调节和显示装置可以采用有线方式，手持操作器1通过带接口的通信电缆，直接与上位机2连接，进行两者间的双向数据通信，如图1所示。另外，为了使该装置便携，操作更加方便，手持操作器1还可以采用无线方式与上位机2进行双向数据通信，如图2所示。通过手持操作器1，操作人员向上位机2发送加工参数控制要求，上位机2接收到信息后，发出控制指令，驱动各控制单元的执行机构，对光源系统3的输出光功率、对光束聚焦传输系统4的聚焦焦点位置进行调节。另一方面，手持操作器1接收来自上位机2的信息，供操作人员分析。

参照图2、图3、图4；当采用无线通信方式时，参数调节和显示装置包括：手持操作器1和无线通信器5，其中手持操作器1包括第一单片机121、分别与第一单片机121连接的按键输入控制模块122、显示控制模块123、辅助控制模块124、基本电路及扩展模块125、电源控制模块126、第一无线通信模块127、第一USB通信接口128、与显示控制模块123连接的显示器120、与按键输入控制模块122连接的键盘面板130、与辅助控制模块124连接的报警器件129。无线通信器5包括第二单片机501、与第二单片机501连接的第二无线通信模块502和第二USB通信接口503，所述第二USB通信接口503的一端与所述第二单片机连接，所述第二USB通信接口503的另一端用于与上位机2的第三USB通信接口201连接，基于USB总线协议，实现第二单片机501与上位机2间的数据通信。为省去外部供电的麻烦、节约成本，无线通信器5所需电源由上位机2的USB总线电源提供，最大电流为500mA；工作时，第一单片机121控制第一无线通信模块127处于发送或接收状态时，第二单片机501控制第二无线通信模块502处于接收或发送状态。

如图3所示，在本发明第二实施例中，第一单片机121是手持操作器1的控制中枢，通过其集成的输入/输出接口，接收来自按键输入模块122的各种输入信息并将各种输出信息送至显示控制模块123。辅助控制模块124用于手持操作器1的报警、指示等功能。基本电路及扩展模块125提供第一单片机121稳定运行的电路配置，并对第一单片机121进行如存储器容量、输入/输出功能扩展。通过软件设置，第一无线通信模块127既可处于发送状态，也可处于接收状态；处于发送状态时，将第一单片机121传来的发送信息通过数字调制和功率放大，变换成射频信号发射出去；处于接收状态时，将接收到的信号解调，并送至第一单片机121。电源控制模块126包含电池电源、稳压电路，负责为手持操作器1提供稳定的电源电压。手持操作器1由电池电源供电，并可通过第一USB通信接口128充电；当外部电源供电时，充电器为电池电源充电并经稳压电路给控制系统供电；当外部电源停电时，电池电源经稳压电路给控制系统供电，当电源电压降为额定下极限值时，手持操作器1报警提示。其中，报警器件129可以为蜂鸣器、指示灯或声光报警器。

如图4所示，在本发明第二实施例中，通过软件设置，第二无线通信模块502既可处于接收状态，也可处于发送状态；处于接收状态时，将接收到的信号解调，并送至第二单片机501；处于发送状态时，将第二单片机501传来的发送信息通过数字调制和功率放大，变换成射频信号发射出去。

如图3、4所示，在本发明第二实施例中，第一无线通信模块127与第二无线通信模块502均工作于2.4GHz～2.5GHz(ISM Industrial ScientificMedical，ISM)频段。第一单片机121、第一无线通信模块127和第一USB通信接口128既可为分立器件，也可为功能一体化器件；即：选择具备无线通信功能和USB通信接口的单片机作为第一单片机121。同样地，第二单片机501也可以选择具备无线通信功能和USB通信接口的单片机。

如图5所示，在本发明第二实施例中，手持操作器1通过无线方式，与上位机2进行双向数据通信，上位机2为工业控制计算机，配有基于USB2.0总线协议的通信接口；无线通信器5与上位机2通过第三USB通信接口201相连。为简化结构，第一单片机121选用内部封装集成了第一无线通信模块127、第一USB通信接口128的芯片；第二单片机501选用内部封装集成了第二无线通信模块502、第二USB通信接口503的芯片。手持操作器和无线通信器均工作于2.4GHz～2.5GHz ISM频段，设备各自设定通信对象的识别号码，多台设备工作时，互不干扰。

本发明采用了微功率、短距离无线通信技术，其最大的优势是超低功耗、低成本、易开发。微功率、短距离无线通信技术属于非标准的无线射频协议，其数据传输过程中平均电流小于1mA；射频芯片包含透明的数据传输协议、使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等工作参数通过程序配置完成，依据命令字进行操作，便可实现无线数据的传输功能；通信距离200m内，通信速率小于等于2Mb/s。另一方面，本发明基于通用串行总线USB协议，进行数据通信，USB2.0协议最高设备传输速度可达480Mb/s，USB3.0协议最高设备传输速度可达5Gb/s；而且，USB通信接口以其高速、即插即用、自供电等优势，成为计算机外设的标准接口。此外，本发明以单片计算机为控制核心，目前，单片计算机技术已非常成熟。有鉴于此，本发明具备完全可实现性，具有低成本、微功耗、高传输速率、操作简单、携带方便等优点；可用于各类光材料加工设备上。

图6示出了本发明实施例提供的用于光材料加工的参数调节和显示装置中手持操作器面板的功能结构；其中120为显示器，129为报警器件，130为键盘面板。更进一步地，键盘面板130包括总开/关101，功能选择开关102，光束焦点单步前移功能键103，光束焦点单步后移功能键104，光源输出功率单步增加功能键105，光源输出功率单步减小功能键106，数字输入键107～116，清除功能键117，发送光源输出功率调节信息功能键118，发送光束焦点位置调节信息功能键119；总开/关101用于手持操作器1的开/关控制；功能选择开关102用于手持操作器1发送/接收信息申请的切换；光束焦点位置的单步调节由功能键103～104控制，每按一下，光束焦点位置按系统最小分辨率前移、后移；光源输出功率大小的单步调节由功能键105～106控制，每按一下，输出功率按系统最小分辨率递增、递减；数字输入键107～116用于各参数调节量的直接输入；清除功能键117用于错误操作的快速修正；发送光源输出功率调节信息功能键118用于手持操作器1向上位机2发送信息类型的辨识与确认；发送光束焦点位置调节信息功能键119用于手持操作器1向上位机2发送信息类型的辨识与确认；各参数输入值可在显示器120上显示，当各参数输入值超过各自设计极限值时，显示器120上显示错误类型代码。此外，通过手持操作器1，操作人员可获取存储在上位机2里的光参数数据，相关数据在显示器120上显示。报警器件129既可采用蜂鸣器、指示灯也可为声光报警器。

本发明对于光参数检测子系统和设备主控制系统分离的光材料加工设备，可以方便操作人员根据光材料加工工艺要求，调节聚焦光束光斑位置和光功率密度的大小，提高调试效率；可以作为设备工艺参数调节器，用于设备调试阶段；又可以作为监控器，用于设备运行阶段。同时能较好地解决新/旧产品光参数检测子系统与主控系统结构不兼容、集成难度大等问题，在不改变设备整体结构、充分利用原有光参数检测装置、不增加高额费用的前提下，大幅度提高设备参数调试效率、进一步完善设备运行监控功能，便于操作人员对光材料加工设备的现场调试和监控。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于光材料加工的参数调节和显示装置，其特征在于，包括手持操作器和通信选件，所述手持操作器与上位机进行双向通信；

所述手持操作器包括第一单片机、分别与所述第一单片机连接的按键输入控制模块、显示控制模块、辅助控制模块、基本电路及扩展模块、电源控制模块、第一USB通信接口、与所述显示控制模块连接的显示器、与所述按键输入控制模块连接的键盘面板、与所述辅助控制模块连接的报警器件；

所述通信选件包括通信电缆或无线通信器。

2.如权利要求1所述的参数调节和显示装置，其特征在于，所述无线通信器包括第二单片机、与所述第二单片机连接的第二无线通信模块；所述手持操作器还包括与所述第一单片机连接的第一无线通信模块。

3.如权利要求2所述的参数调节和显示装置，其特征在于，所述第一无线通信模块与所述第二无线通信模块均工作于2.4GHz～2.5GHz ISM频段。

4.如权利要求2所述的参数调节和显示装置，其特征在于，所述电源控制模块包括：电池电源和稳压电路；所述电池电源通过所述第一USB通信接口与外部的充电器连接。

5.如权利要求2所述的参数调节和显示装置，其特征在于，所述第一单片机、所述第一无线通信模块和所述第一USB通信接口为功能一体化器件。

6.如权利要求2所述的参数调节和显示装置，其特征在于，所述无线通信器还包括第二USB通信接口，所述第二USB通信接口的一端与所述第二单片机连接，所述第二USB通信接口的另一端用于与上位机的第三USB通信接口连接。

7.如权利要求2所述的无线通信器，其特征在于，所述第二单片机、所述第二无线通信模块和所述第二USB通信接口为功能一体化器件。

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