CN103163828B - 一种pwm信号控制方法、系统及数控激光加工机床 - Google Patents

Abstract

本发明适用于数控激光加工领域，提供了一种PWM信号控制方法、系统及数控激光加工机床，所述PWM信号控制方法包括下述步骤：获取机床运动信息和PWM信号配置信息，所述机床运动信息包括表示机床运动状态的标志位和与机床运动速度成比例变化的模拟量；根据所述标志位判断机床的运动状态；若机床处于运动状态，则根据所述模拟量和所述PWM信号配置信息生成PWM信号；若机床处于静止状态，则根据所述PWM信号配置信息生成PWM信号。本发明通过CNC系统直接控制PWM信号控制系统进行脉冲信号频率及占空比变化，缩短了脉冲信号的延时，避免由PLC循环运行时间所造成的滞后，有效地改善了切割效果和切割精度。

Description

一种PWM信号控制方法、系统及数控激光加工机床

技术领域

本发明属于数控激光加工领域，尤其涉及一种PWM信号控制方法、系统及数控激光加工机床。

背景技术

激光切割技术相对于传统的板材切割以其切缝窄、热影响区小、可控性高等诸多优点得到广泛的推广，通常，为了得到更好地切割效果，将激光器安装在机床上，利用机床在不同轨迹采用不用频率以及占空比的激光信号进行切割，例如在穿孔时采用脉冲穿孔，在直线切割时采用连续的激光信号切割，而在切割转角时，可根据所需转角的弧度采用一定频率及占空比的激光信号切割。

目前，数控系统(ComputerizedNumericalControl，CNC)在改变机床运行速度时，例如在遇到转角切割时，CNC在改变机床运行轨迹的同时向可编程逻辑控制(ProgrammableLogicControlle，PLC)单元发送机床运行轨迹信号，PLC单元采集到机床运行轨迹信号后，进行必要逻辑处理，判断机床速度发生变化后，向脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)单元输出控制信号，根据采集到的速度改变PWM信号的输出频率和占空比，再把该PWM信号输出到PWM单元，以控制PWM单元改变输出的PWM信号的频率以及占空比，以最终控制激光器的脉冲适应转角轨迹的对应切割方式。

但是，由于PLC单元程序循环一次时间较长，需要10ms左右，再控制PWM单元改变其输出PWM信号的频率以及占空比变化，导致PWM信号的变化自机床速度改变起产生至少20ms以上的延迟，而机床的运行速度通常较快，每秒可致数十米，因此造成控制激光器脉冲的PWM波形输出的变化速度滞后于机床的实际运行速度，导致机床在运行至转角位置时激光信号的频率及占空比不能及时变化，实现相应的切割操作，严重影响了切割的精度和效果。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种PWM信号控制方法，旨在解决目前由PLC单元控制PWM信号变化处理时间过长，PWM信号变化速度滞后于机床运行速度而导致切割不精确的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种PWM信号控制方法，所述方法包括下述步骤：

获取机床运动信息和PWM信号配置信息，所述机床运动信息包括表示机床运动状态的标志位和与机床运动速度成比例变化的模拟量；

根据所述标志位判断机床的运动状态；

若机床处于运动状态，则根据所述模拟量和所述PWM信号配置信息生成PWM信号；

若机床处于静止状态，则根据所述PWM信号配置信息生成PWM信号；

所述PWM信号配置信息由CNC系统对PWM信号控制系统的IO接口进行设置，所述IO接口为十六位，其中八位用于设置频率，八位用于设置占空比，并且所述IO接口与机床光耦隔离以保证信号之间不会互相干扰，所述机床运动速度变化模拟量的输入范围为0-10伏。

本发明实施例的另一目的在于提供一种PWM信号控制系统，所述PWM信号控制系统包括：

获取单元，用于获取机床运动信息和PWM信号配置信息，所述机床运动信息包括表示机床运动状态的标志位和与机床运动速度成比例变化的模拟量；

运动状态判断单元，用于根据所述标志位判断机床的运动状态；

第一信号生成单元，用于当机床处于运动状态时，根据所述模拟量和所述PWM信号配置信息生成PWM信号；

第二信号生成单元，用于当机床处于静止状态时，根据所述PWM信号配置信息生成PWM信号；

所述PWM信号配置信息由CNC系统对PWM信号控制系统的IO接口进行设置，所述IO接口为十六位，其中八位用于设置频率，八位用于设置占空比，并且所述IO接口与机床光耦隔离以保证信号之间不会互相干扰，所述机床运动速度变化模拟量的输入范围为0-10伏。

本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述PWM信号控制系统的数控激光加工机床。

在本发明实施例中，通过CNC系统直接向PWM信号控制系统输出机床运动信息，PWM信号控制系统在判断后快速控制PWM信号随机床运动速度改变而变化，大大缩短了PWM信号的延时，实现了PWM信号的实时变化，避免由于PLC的循环运行时间所造成的滞后，有效地改善了切割效果和切割精度。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的PWM信号控制方法的实现流程图；

图2为本发明第二实施例提供的PWM信号控制方法的实现流程图；

图3为本发明第三实施例提供的PWM信号控制方法的实现流程图；

图4为本发明第四实施例提供的PWM信号控制方法的实现流程图；

图5为本发明实施例提供的PWM信号控制系统的结构图；

图6为本发明实施例提供的PWM信号控制系统的优选结构图。

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。

本发明实施例通过CNC系统直接控制PWM单元进行脉冲信号频率及占空比的变化，大大缩短了脉冲信号的延时，使激光切割更为精确。

图1示出本发明第一实施例提供的PWM信号控制方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该PWM信号控制方法包括下述步骤：

在步骤S101中，获取机床运动信息和PWM信号配置信息，该机床运动信息包括表示机床运动状态的标志位和与机床运动速度成比例变化的模拟量；

在本发明实施例中，标志位代表机床的运动状态，在激光器执行穿孔动作时，机床不移动，即速度为零，在激光器执行切割动作时，机床按照一定速度移动，其模拟量与机床运动速度成比例，并随机床运动速度变化而变化，PWM信号配置信息可以由CNC系统对PWM信号控制系统的IO接口进行设置，优选地，可以采用十六位IO接口，其中八位用于设置频率，八位用于设置占空比，并且该IO接口与机床光耦隔离以保证信号之间不会互相干扰，该机床运动速度变化模拟量的输入范围为0-10伏。

在步骤S102中，根据标志位判断机床的运动状态；

作为本发明一实施例，可以通过判断标志位是否有效判断机床的运动状态，例如可以设定当标志位有效时，表示机床处于运动状态，激光器执行切割动作，当标志位无效时，表示机床处于静止状态，激光器执行穿孔动作。

在步骤S103中，若机床处于运动状态，则根据机床运动速度变化模拟量和PWM信号配置信息生成PWM信号；

在本发明实施例中，通过CNC的轴口输出与机床运动速度匹配的模拟量，并将该模拟量输入到控制激光脉冲的PWM信号控制系统，PWM信号控制系统根据该模拟量的大小进行计算，生成新的PWM信号控制激光器。

在步骤S104中，若机床处于运动状态，则根据PWM信号配置信息生成PWM信号。

在本发明实施例中，生成的PWM信号的频率范围为0-5000赫兹，占空比的范围为0-100％，幅度为5伏或24伏，两种输出幅度通过跳线选择，可满足大部分激光器的需求。

在本发明实施例中，使用该方法对激光器的激光输出进行调制，由于模拟量由CNC输出，与机床的运动速度的变化同步，并且直接控制PWM信号控制系统进行PWM信号频率及占空比的变化，实现实时根据机床速度改变PWM输出，以实时改变激光器输出激光的频率和占空比的目的，大大缩短了PWM信号的延时，避免由于PLC的循环运行时间所造成的滞后，有效地改善了切割效果和切割精度。

图2示出本发明第二实施例提供的PWM信号控制方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

在步骤S201中，获取机床运动信息和PWM信号配置信息，该机床运动信息包括表示机床运动状态的标志位和与机床运动速度成比例变化模拟量；

在步骤S202中，根据标志位判断机床的运动状态；

若机床处于静止状态，则执行步骤S203，根据PWM信号配置信息生成PWM信号。

若机床处于运动状态，则执行步骤S204，通过模数转换将模拟量转换为数字量；

作为本发明一实施例，PWM信号配置信息包括PWM信号频率信息和PWM信号占空比信息。

在本发明实施例中，在激光器执行切割动作，机床处于运动状态时，进行模数转换，将与机床运动速度成比例变化的模拟量转换为数字量，并将结果除以10伏，分别与PWM信号配置信息中的频率信息和占空比信息相乘，结果作为新的PWM信号输出。

在步骤S205中，判断PWM信号配置信息是否变化；

若PWM信号配置信息变化，则执行步骤S206，根据变化后的PWM信号配置信息和数字量生成PWM信号；

在本发明实施例中，当检测到PWM信号配置信息变化后，将变化后的PWM信号配置信息覆盖变化前的PWM信号配置信息，并根据更新后的PWM信号配置信息和机床运动速度变化数字量生成PWM信号。

若PWM信号配置信息不变，则执行步骤S207，判断数字量是否变化；

在本发明实施例中，当步骤S205的判断为是时，执行步骤S206后再执行步骤S207，当步骤S205的判断为否时，直接执行步骤S207。

若数字量变化，则执行步骤S208，根据PWM信号配置信息和变化后的数字量生成PWM信号。

在本发明实施例中，当检测到数字量变化后，将变化后的数字量覆盖变化前的数字量，并根据更新的数字量和PWM信号配置信息生成PWM信号，以控制激光器实现相应的切割动作。

在本发明实施例中，当步骤S207判断为是时，执行步骤S208，并在执行步骤S208后返回执行步骤S202，当步骤S207判断为否时，直接返回执行步骤S202以进入循环检测方式，不间断地监控机床运动速度变化，实时对CNC系统输出的机床运动信息及PWM信号配置信息进行检测，并快速控制PWM信号相应变化。

图3示出本发明第三实施例提供的PWM信号控制方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

在步骤S301中，获取机床运动信息和PWM信号配置信息，该机床运动信息包括表示机床运动状态的标志位和与机床运动速度成比例变化的模拟量；

作为本发明一实施例，PWM信号配置信息包括PWM信号频率信息和PWM信号占空比信息。

在步骤S302中，根据标志位判断机床的运动状态；

若机床处于运动状态，则执行步骤S303，根据模拟量和PWM信号配置信息生成PWM信号；

若机床处于静止状态，则执行步骤S304，根据PWM信号配置信息生成PWM信号；

在步骤S305中，判断PWM信号配置信息是否变化；

若PWM信号配置信息变化，则执行步骤S306，根据变化后的PWM信号配置信息生成PWM信号；

若PWM信号配置信息不变，则返回执行步骤S305，重新判断。

在本发明实施例中，在该PWM信号控制系统上电时，PWM信号控制系统IO接口输出低电平，激光器不会发射激光，当IO接口输入改变后，即CNC系统设置PWM信号频率信息和PWM信号占空比信息后，马上输出PWM信号。

作为本发明一实施例，该PWM信号控制方法还可以在步骤S304和步骤S305之间增加根据标志位判断机床的运动状态的步骤，以实现进入循环检测方式，具体实现流程参考图4，该PWM信号控制方法包括下述步骤：

在步骤S401中，获取机床运动信息和PWM信号配置信息，该机床运动信息包括表示机床运动状态的标志位和与机床运动速度成比例变化的模拟量；

在步骤S402中，根据标志位判断机床的运动状态；

若机床处于运动状态，则执行步骤S403，根据机床运动速度变化模拟量和PWM信号配置信息生成PWM信号；

若机床处于静止状态，则执行步骤S404，根据PWM信号配置信息生成PWM信号；

在步骤S405中，根据标志位判断机床的运动状态；

作为本发明一实施例，若步骤S402通过判断标志位是否有效判断机床的运动状态，则该步骤S405可以通过判断标志位是否无效判断机床的运动状态，当标志位无效时，表示机床处于静止状态，激光器执行穿孔动作，当标志位有效时，表示机床处于运动状态，激光器执行切割动作。

若机床处于运动状态，则返回执行步骤S402；

若机床处于静止状态，则执行步骤S406，判断PWM信号配置信息是否变化；

若PWM信号配置信息变化，则执行步骤S407，根据变化后的PWM信号配置信息生成PWM信号；

若PWM信号配置信息不变，则返回执行步骤S405，重新判断。

在本发明实施例中，通过增加步骤S405重新判断机床运动速度是否重新改变，并在机床运动速度变化后返回执行步骤S402，以进入循环检测方式，以便实时对CNC系统输出的机床运动信息及PWM信号配置信息进行检测，并快速控制PWM信号相应变化。

在本发明实施例中，CNC在改变机床速度时同时输出机床运动信息给PWM信号控制系统，PWM信号控制系统获取到机床运动信息后通过判断机床运动速度是否变化，并根据重新配置的PWM信号配置信息进行相应处理，生成新的PWM信号以控制激光器改变切割方式，该方法从机床速度改变到生成新的PWM信号不超过500微秒的时间，实现了PWM信号实时根据机床运动速度改变而变化，大大缩短了脉冲信号的延时，避免由于PLC的循环运行时间所造成的滞后，有效改善了切割过程中，尤其是拐弯处的切割效果，使激光切割更为精确，并且通过IO接口控制改变PWM信号的频率和占空比，以配合多种激光器的多种切割需求。

图5示出了本发明实施例提供的PWM信号控制系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

作为本发明一实施例，该PWM信号控制系统可用于任何类型的数控激光加工机床中，控制多种类型的激光器，如光纤激光器以及二氧化碳激光器等，该PWM信号控制系统包括：

获取单元51，用于获取机床运动信息和PWM信号配置信息，机床运动信息包括表示机床运动状态的标志位和与机床运动速度成比例变化的模拟量；

运动状态判断单元52，用于根据标志位判断机床的运动状态；

第一信号生成单元53，用于当机床处于运动状态时，根据模拟量和PWM信号配置信息生成PWM信号；

在本发明实施例中，通过第一信号生成单元53的串行外设接口(serialperipheralinterface，SPI)接收模拟量，同时该SPI还作为程序的下载接口，通过跳线进行模数转换输入或程序下载接口的选择。

第二信号生成单元54，用于当机床处于静止状态时，根据PWM信号配置信息生成PWM信号。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细说明。

图6示出了本发明实施例提供的PWM信号控制系统的优选结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

第一信号生成单元53包括：

模数转换模块531，用于当机床处于运动状态时，通过模数转换将模拟量转换为数字量；

第一配置信息判断模块532，用于判断PWM信号配置信息是否变化；

第一信号生成模块533，用于当PWM信号配置信息变化时，根据变化后的PWM信号配置信息和数字量生成PWM信号；

第一速度变化判断模块534，用于当PWM信号配置信息不变时，判断数字量是否变化，并当数字量变化时，控制第一信号生成模块533根据PWM信号配置信息和变化后的数字量生成PWM信号。

第二信号生成单元54包括：

第二信号生成模块541，用于当机床处于静止状态时，根据PWM信号配置信息生成PWM信号；

第二配置信息判断模块542，用于判断PWM信号配置信息是否变化，并当PWM信号配置信息变化时，控制第二信号生成模块541根据变化后的PWM信号配置信息生成PWM信号。

作为本发明一实施例，PWM信号配置信息包括PWM信号频率信息和PWM信号占空比信息。

作为本发明一优选实施例，该PWM信号控制系统可以集成于八位处理器中，尤其是Atmel公司的ATmega16型处理芯片，该ATmega16型处理芯片具有16MIPS(MillionInstructionsPerSecond)处理速度，并且模数转换模块531可以采用MAX187型芯片实现，该MAX187型芯片一次转换时间仅为26微秒，足够保证在1ms的时间内对输入变化作出反应。

在本发明实施例中，CNC在改变机床速度时同时输出机床运动信息给PWM信号控制系统，该机床运动信息输出到PWM信号控制系统与CNC输出速度到电机驱动器的时间是同时发生的，传输速度也是一样的，PWM信号控制系统获取到机床运动信息后通过判断机床运动速度是否变化，并根据重新配置的PWM信号配置信息进行相应处理，生成新的PWM信号以控制激光器改变切割方式，该方法从机床速度改变到生成新的PWM信号不超过500微秒的时间，实现了PWM信号实时根据机床运动速度改变而变化，大大缩短了脉冲信号的延时，避免由于PLC的循环运行时间所造成的滞后，有效改善了切割过程中，尤其是拐弯处的切割效果，使激光切割更为精确，并且通过IO接口控制改变PWM信号的频率和占空比，以配合多种激光器的多种切割需求。

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 (8)

1.一种PWM信号控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

获取机床运动信息和PWM信号配置信息，所述机床运动信息包括表示机床运动状态的标志位和与机床运动速度成比例变化的模拟量；

根据所述标志位判断机床的运动状态；

若机床处于运动状态，则根据所述模拟量和所述PWM信号配置信息生成PWM信号；

若机床处于静止状态，则根据所述PWM信号配置信息生成PWM信号；

所述PWM信号配置信息由CNC系统对PWM信号控制系统的IO接口进行设置，所述IO接口为十六位，其中八位用于设置频率，八位用于设置占空比，并且所述IO接口与机床光耦隔离以保证信号之间不会互相干扰，所述机床运动速度变化模拟量的输入范围为0-10伏。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述若机床处于运动状态，则根据所述模拟量和所述PWM信号配置信息生成PWM信号的步骤具体为：

若机床处于运动状态，则将所述模拟量转换为数字量；

判断所述PWM信号配置信息是否变化；

若所述PWM信号配置信息变化，则根据变化后的PWM信号配置信息和所述数字量生成PWM信号；

若所述PWM信号配置信息不变，则判断所述数字量是否变化；

若所述数字量变化，则根据所述PWM信号配置信息和变化后的数字量生成PWM信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述若机床处于静止状态，则根据所述PWM信号配置信息生成PWM信号的步骤具体为：

若机床运动速度不变，则根据所述PWM信号配置信息生成PWM信号；

判断所述PWM信号配置信息是否变化；

若所述PWM信号配置信息变化，则根据变化后的PWM信号配置信息生成PWM信号。

4.一种PWM信号控制系统，其特征在于，所述PWM信号控制系统包括：

获取单元，用于获取机床运动信息和PWM信号配置信息，所述机床运动信息包括表示机床运动状态的标志位和与机床运动速度成比例变化的模拟量；

运动状态判断单元，用于根据所述标志位判断机床的运动状态；

第一信号生成单元，用于当机床处于运动状态时，根据所述模拟量和所述PWM信号配置信息生成PWM信号；

第二信号生成单元，用于当机床处于静止状态时，根据所述PWM信号配置信息生成PWM信号；

所述PWM信号配置信息由CNC系统对PWM信号控制系统的IO接口进行设置，所述IO接口为十六位，其中八位用于设置频率，八位用于设置占空比，并且所述IO接口与机床光耦隔离以保证信号之间不会互相干扰，所述机床运动速度变化模拟量的输入范围为0-10伏。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一信号生成单元包括：

模数转换模块，用于当机床处于运动状态时，将所述模拟量转换为数字量；

第一配置信息判断模块，用于判断所述PWM信号配置信息是否变化；

第一信号生成模块，用于当所述PWM信号配置信息变化时，根据变化后的PWM信号配置信息和所述数字量生成PWM信号；

第一速度变化判断模块，用于当所述PWM信号配置信息不变时，判断所述数字量是否变化，并当所述数字量变化时，控制所述第一信号生成模块根据所述PWM信号配置信息和变化后的数字量生成PWM信号。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二信号生成单元包括：

第二信号生成模块，用于当机床处于静止状态时，根据所述PWM信号配置信息生成PWM信号；

第二配置信息判断模块，用于判断所述PWM信号配置信息是否变化，并当所述PWM信号配置信息变化时，控制所述第二信号生成模块根据变化后的PWM信号配置信息生成PWM信号。

7.如权利要求4至6任一项所述的系统，其特征在于，所述系统集成于八位处理器中。

8.一种数控激光加工机床，其特征在于，所述数控激光加工机床的PWM信号控制系统为如权利要求4至7任一项所述的系统。