CN105834578B - 一种双轴同步激光切割机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双轴同步激光切割机控制系统，包括运动控制器、伺服驱动器和电机，其特征在于，所述运动控制器通过总线连接多个伺服驱动器和电机；所述运动控制器还通过通讯模块与用于控制激光器的功率和频率的PWM模块相连；所述运动控制器包括文件读取单元、参数获取单元和切割控制单元；所述文件读取单元用于读取切割程序文件；所述参数获取单元用于获取切割参数；所述切割控制单元用于根据切割程序文件和切割参数形成控制指令，并根据控制指令控制由伺服驱动器和电机驱动的激光器实现复杂形状的切割。本发明可实现更高精度更高速度的运动。

Description

一种双轴同步激光切割机控制系统

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，特别是涉及一种双轴同步激光切割机控制系统。

背景技术

激光切割机就是将激光束通过光纤照射到工件表面时释放的能量在氧气(或氮气)的帮助下使工件快速融化并蒸发，以达到切割和雕刻目的的自动化设备，具有精度高，切割快速，切口平滑等特点，再加上不局限于切割图案限制，自动排版节省材料，加工成本低等特点，将逐渐改进或取代于传统的金属切割工艺设备。

双轴同步激光切割机控制系统目前主要由控制器、电机和驱动器通过CNC功能实现切割，控制器接收到上位机命令，将命令转换成脉冲指令到驱动器，驱动器再根据指令控制电机。现有技术中，电机控制由脉冲的发送决定，X轴由单电机驱动，调高采用专门的调高器方案，且不同厂家调试驱动器时因不方便找到各类所需的调试线，无形中增加了调试难度。

现有技术CN 101693324 A公开了一种激光加工系统中的激光随动的控制方法及系统，该激光加工系统中包括伺服电机、激光器，在该激光加工系统中设置PLC，由该PLC对该伺服电机输出相应的脉冲控制信号和对该激光器输出相应的能量变化、开激光或者关激光控制信号以实现激光随动控制，还在该激光加工系统中设置编码器以检测该伺服电机的位置，并将该编码器的检测输出信号进行处理、变换成能够为该PLC中的计数器接受的脉冲信号，然后该PLC根据该计数器的值，在当前的扫描周期内及时对该激光器输出相应的能量变化、开激光或者关激光控制信号，从而实现激光随动的实时、闭环控制。通过上述内容可知，其采用的仍然是脉冲信号控制，由于电机运行的速度是由脉冲的发送来决定，因此其无法同时保证高精度和高速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双轴同步激光切割机控制系统，可实现更高精度更高速度的运动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种双轴同步激光切割机控制系统，包括运动控制器、伺服驱动器和电机，所述运动控制器通过总线连接多个伺服驱动器和电机；所述运动控制器还通过通讯模块与用于控制激光器的功率和频率的PWM模块相连；所述运动控制器包括文件读取单元、参数获取单元和切割控制单元；所述文件读取单元用于读取切割程序文件；所述参数获取单元用于获取切割参数；所述切割控制单元用于根据切割程序文件和切割参数形成控制指令，并根据控制指令控制由伺服驱动器和电机驱动的激光器实现复杂形状的切割。

所述运动控制器包括两个以太网口，其中一个以太网口通过EtherCAT协议连接多个伺服驱动器和电机，另一个以太网口通过TCP/IP协议连接人机界面。

所述运动控制器还通过通讯模块连接有高度检测器；所述高度检测器检测到的高度值通过通讯模块传输至所述运动控制器，所述运动控制器根据检测到的高度值对激光器的高度进行调控。

所述PWM模块用于将运动控制器发送的控制指令转换成PWM调制脉冲。

所述伺服驱动器和电机采用一体式结构。

所述运动控制器集成第三方工具和路由器功能，通过运动控制器能够直接调试连接在运动控制器上的伺服驱动器的参数。

所述伺服驱动器和电机通过在每个循环周期内接收运动控制器的控制指令采用位置插补、循环位置和循环速度模式实现了带动激光器实现复杂图形的运动。

所述位置插补是指对激光器的X轴采用两个伺服驱动器进行控制，并通过对虚拟主轴进行跟随的方式保证两个伺服驱动器的轴位置同步。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、X轴采用双驱的方式达到位置同步，减少对机械的磨损，同时确保设备的运行。

2、电机的控制采用通讯的方式，突破了传统脉冲方式的最高脉冲频率对最高速度和最大精度的限制，在保证高精度的前提下同时实现高速度；控制器与电机之间采用EtherCAT通讯，一个控制周期可以控制在2ms以内，其布线更方便，维护成本更低，传输速度更快，精度更高。

3、运动控制器根据高度测量仪的模拟量反馈，实时测量计算Z轴的运动指令，运动指令通过EtherCAT通讯直接发送给激光器的Z轴驱动器，采用软件调高的方式，使整个控制过程更方便，响应速度更快，性价比更高；

4、控制器自带的功能块可以在速度变化和电机改变运动方向时做平滑处理，使运动更合理，实现更高的加速度，从而提高设备的效率。

5、运动控制器集成驱动器第三方工具和路由器功能，通过EtherCAT通讯线直接调试连接在控制器上的伺服驱动器的参数。

6、控制器的通讯线直接连接电机进行调试，省掉调试线。

7、驱动器电机一体化电机采用共直流母线技术和驱动器电机一体化技术使整个系统更节能，布线更少。

附图说明

图1是本发明的结构方框图；

图2是本发明中运动控制器的结构方框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种双轴同步激光切割机控制系统，如图1所示，包括运动控制器、伺服驱动器和电机，所述运动控制器通过总线连接多个伺服驱动器和电机；所述多个伺服驱动器和电机通过EtherCAT通讯与运动控器相连；控制激光器的功率和频率的PWM模块通过EtherCAT通讯与运动控制器相连；所述连接设备的按钮、检测开关和电磁阀等输入输出通过输入输出模块通过EtherCAT通讯与运动控制器相连；所述运动控制器用于执行运动控制命令，控制由伺服驱动器和电机驱动的激光器实现复杂形状的切割，通过TCP/IP与人机界面相连接收动作指令。所述人机界面用于控制切割程序和切割参数，通过TCP/IP与运动控制器相连。所述运动控制器还通过通讯模块连接有高度检测器。

其中，多个伺服驱动器和电机包括两个在X轴方向控制激光头运动的伺服驱动器和电机、一个在Y轴方向控制激光头运动的伺服驱动器和电机和一个在Z轴方向控制激光头高度的伺服驱动器和电机。

如图2所示，所述运动控制器包括文件读取单元、参数获取单元和切割控制单元；所述文件读取单元用于读取切割程序文件，该切割程序文件可以通过人机界面进行调用；所述参数获取单元用于获取切割参数，其中切割参数存储在参数数据库中；所述切割控制单元用于根据切割程序文件和切割参数形成控制指令，并根据控制指令控制由伺服驱动器和电机驱动的激光器实现复杂形状的切割。

所述运动控制器包括两个以太网口，其中一个以太网口通过EtherCAT协议连接多个伺服驱动器和电机，另一个以太网口通过TCP/IP协议连接人机界面，可以实现切割文件的读取和切割参数的获取，从而实现多种复杂图形的切割，可以轻松实现图形中的切换和多图形的连续切割(例如先切割图形A，无需做任何修改直接切割图形B，参数会自动修改)，本系统的G代码读取采用缓存加单行读取执行方式，对图形的复杂程序没有限制，可以执行上万行G代码的程序。

所述PWM模块用于将运动控制器发送的控制指令转换成PWM调制脉冲，通过PWM模块使激光器以标准的连续波输出，此时激光器功率设置为恒定值。在进行边角切割时，周围区域的热量增加，这是由于机器通过边角时需要加速或减速，且边角的物理结构也导致了材料的散热性较低。为了控制过热的产生，PWM模块此时采用同步脉冲工作方式，此时激光器在通过边角时由减速和加速而带来的功率增加，从而轻松实现了功率坡调，解决激光器在换向和拐角处切割效果不好的问题。

所述伺服驱动器和电机通过在每个循环周期内接收运动控制器的控制指令采用位置插补、循环位置和循环速度模式实现了带动激光器实现复杂图形的运动。其中，位置插补是指对激光器的X轴采用两个伺服驱动器进行控制，并通过对虚拟主轴进行跟随的方式保证两个伺服驱动器的轴位置同步。

所述高度检测器检测到的高度值(即激光头Z轴的数值)通过模拟量传输至所述运动控制器，所述运动控制器根据检测到的高度值对激光头的高度进行控制(即当检测到的数值高于预设时降低激光头的高度，检测到的数值低于预设时升高激光头的高度)，响应速度快，控制更完善从而成功地代替了传统单独调高器，与传统调高器相比，本软件调高方案，响应速度更快，性价比更高，工艺更加优化。

所述伺服驱动器和电机采用一体式结构，控制更加方便，布线更省，减少了电控柜的安装空间，减少了电磁干扰对驱动器的影响，并且驱动器电机一体化控制系统采用了共直流母线技术更加节能。

所述运动控制器还集成驱动器第三方工具，通过运动控制器能够直接调试连接在控制器上的伺服驱动器的参数，这样调试起来更加方便，不需要来回去切换驱动器的通讯线，可以轻松实现驱动器参数的调整，控制器也可作为连接到驱动器的路由器，可以不用接任何的调试线，用驱动器自带的软件进行调试，这种方式可以减少调试难度。因不同公司驱动器的调试线可能不同，工程师在调试不同的驱动器时可能要去找不同的线，这样无形中增加了调试难度，而我们的控制器只需通讯线连接电机进行调试。

系统中采用的运动控制器是Robox的uRMC2，该控制器集成两个以太网口，两个以太网口都可以支持标准的EtherCAT协议和Modbus TCP协议，其中一个以太网口通过EtherCAT协议连接多个伺服驱动器和电机；另一个以太网口通过TCP/IP协议连接人机界面。该控制器集成8路开关量输入和8路开关量输出，都是PNP类型。该控制器具有128K断电保持存储区，不通过特殊处理就可以安全的保存参数。该控制器采用飞思卡尔Power PCMPC5200处理器，1.2G双核，外形尺寸230mm*77mm*85mm，64Mbyte DRAM，128Kbyte CMOS，可以水平和垂直安装。该系统采用的人机界面是Robox的RHMI15，15寸，65536色的TFT真彩液晶屏，铝合金外壳。

除上述控制器外，系统还可以采用其他厂家的控制器，可以实现同样的功能，如倍福的CP6522。该控制器主板集成4个RS422串口，1个RS232串口，8个USB2.0，不间断电源UPS，带10/100BASE-T接口的双以太网适配器。该控制器前面板是15英寸显示器，分辯率为1024*1024。该控制器带数字键盘和PLC专用功能键盘。该控制器采用Intel Core 2.0GHz处理器，521MB DDR2RAM内存(可扩展2GB)和160GB SATA硬盘。

不难发现，本发明的运动控制器可以直通过人机界面下载外部ISO文件(G代码执行文件)，执行该文件中的运动控制命令，可以实现复杂形状的切割，且可同时下载一个和多个文件，实现多图形的连续切割。

运动控制器与伺服驱动器和电机通过Ether CAT通讯，一个控制周期在2ms以内，其布线更方便，维护成本更低，传输速度更快，精度更高。系统通过对高度测量器实时测量的高度的处理，使整个控制更方便，响应更快，性价比更高。

用数据库对所有切割图形的运行参数进行保存，在切割时方便调用。

运动控制器开放性的开发平台，可满足客户的定制功能需求，比如功率坡调，高度检测器校准，回退功能，软件调高等；控制器与驱动器之间只有一根网线，可以轻松拓展一个轴和一个模块，满足客户设备多样化需求。

本发明在机械条件满足的情况下，可以实现120m/min(甚至更高，几乎没有限制)，较之前的60m/min和80m/min(脉冲发送频率已限定，无法提升)有了很大的提高；切直径为4mm的小圆一分钟能切300多个，较之前150个左右的切割效率有了较大的改善。

Claims (6)

1.一种双轴同步激光切割机控制系统，包括运动控制器、伺服驱动器和电机，其特征在于，所述运动控制器通过总线连接多个伺服驱动器和电机；所述运动控制器还通过通讯模块与用于控制激光器的功率和频率的PWM模块相连；所述运动控制器包括文件读取单元、参数获取单元和切割控制单元；所述文件读取单元用于读取切割程序文件；所述参数获取单元用于获取切割参数；所述切割控制单元用于根据切割程序文件和切割参数形成控制指令，并根据控制指令控制由伺服驱动器和电机驱动的激光器实现复杂形状的切割；所述伺服驱动器和电机通过在每个循环周期内接收运动控制器的控制指令采用位置插补、循环位置和循环速度模式实现了带动激光器实现复杂图形的运动；所述位置插补是指对激光器的X轴采用两个伺服驱动器进行控制，并通过对虚拟主轴进行跟随的方式保证两个伺服驱动器的轴位置同步。

2.根据权利要求1所述的双轴同步激光切割机控制系统，其特征在于，所述运动控制器包括两个以太网口，其中一个以太网口通过EtherCAT协议连接多个伺服驱动器和电机，另一个以太网口通过TCP/IP协议连接人机界面。

3.根据权利要求1所述的双轴同步激光切割机控制系统，其特征在于，所述运动控制器还通过通讯模块连接有高度检测器；所述高度检测器检测到的高度值通过通讯模块传输至所述运动控制器，所述运动控制器根据检测到的高度值对激光器的高度进行调控。

4.根据权利要求1所述的双轴同步激光切割机控制系统，其特征在于，所述PWM模块用于将运动控制器发送的控制指令转换成PWM调制脉冲。

5.根据权利要求1所述的双轴同步激光切割机控制系统，其特征在于，所述伺服驱动器和电机采用一体式结构。

6.根据权利要求1所述的双轴同步激光切割机控制系统，其特征在于，所述运动控制器集成第三方工具和路由器功能，通过运动控制器能够直接调试连接在运动控制器上的伺服驱动器的参数。