CN107256006A - 一种数控机床控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及数控领域，具体涉及一种数控机床控制装置，包括主控单元、数控单元、模拟量控制单元、激光功率控制单元和切割头监测单元，其中，该数控单元包括多个运动控制模块，该运动控制模块均对应一电机轴，控制激光数控机床的加工运动；该主控单元将激光功率控制信号通过模拟量控制单元传输到激光功率控制单元中；该切割头监测单元检测激光数控机床的切割头与加工工件的距离，该主控单元根据处理后的检测结果将对应的控制信号传输到数控单元中。本发明通过设计一种数控机床控制装置，将数控单元、激光功率控制单元、切割头监测单元和模拟量控制单元集成设置，提高数控机床控制装置的稳定性，以及减少通信转换电路。

Description

一种数控机床控制装置
技术领域
本发明涉及数控领域，具体涉及一种数控机床控制装置。
背景技术
激光数控机床，特别是在激光切割控制系统中，涉及到激光功率控制、切割头高度跟随调节控制、切割气压控制、多轴电机驱动控制、多开关量信号驱动控制等复杂的控制逻辑。
现有的数控系统具有多轴电机驱动控制和部分开关量信号驱动控制，很难满足激光切割控制的需要，还必须通过总线外接激光功率控制器、切割头高度跟随调整控制器、模拟量拓展模块、IO拓展模块，具体参考图1。
随着激光加工技术的发展和市场的激烈竞争，在性能、稳定性、成本价格上无法满足市场的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种数控机床控制装置，提高数控机床控制装置的稳定性，并减少通信转换电路与，降低硬件成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种数控机床控制装置，该数控机床控制装置包括主控单元、数控单元、模拟量控制单元、激光功率控制单元和切割头监测单元，该主控单元分别与数控单元和模拟量控制单元连接，该模拟量控制单元分别与激光功率控制单元和切割头监测单元连接；其中，
数控单元，该数控单元包括多个运动控制模块，该运动控制模块均对应一电机轴，并根据主控单元的控制信号控制多个电机轴进行相互配合，控制激光数控机床的加工运动；
激光功率控制单元，该主控单元将激光功率控制信号通过模拟量控制单元传输到激光功率控制单元中，该激光功率控制单元根据激光功率控制信号控制激光数控机床的激光器的功率；
切割头监测单元，该切割头监测单元检测激光数控机床的切割头与加工工件的距离，并将监测结果处理后通过模拟量控制单元传输到主控单元中，该主控单元根据处理后的检测结果将对应的控制信号传输到数控单元中，并通过电机轴实现切割头的升降。
其中，较佳方案是：该模拟量控制单元包括采用数字通信方式进行信号传输的第一FPGA模块，该主控单元将激光功率控制信号通过第一FPGA模块传输到激光功率控制单元中；以及，该切割头监测单元将监测结果处理后并通过第一FPGA模块传输到主控单元中。
其中，较佳方案是：该模拟量控制单元包括第二FPGA模块、输入放大模块、A/D转换模块、D/A转换模块、输出放大模块，外部的模拟信号依次通过输入放大模块、A/D转换模块、第二FPGA模块传输到主控单元中，该主控单元依次通过第二FPGA模块、D/A转换模块、输出放大模块将模拟信号传输到外围设备上。
其中，较佳方案是：该激光功率控制信号包括频率、占空比和反馈调节信号，该激光功率控制单元根据频率和占空比改变激光器的功率并获得不同形式的激光，该反馈调节信号改变线性同步变化的频率、占空比。
其中，较佳方案是：该切割头监测单元包括切割头处理模块和切割头高度检测模块，该切割头高度检测模块检测激光数控机床的切割头与加工工件的距离，该切割头处理模块将切割头高度检测模块传输的检测结果进行过滤、比较、分频后，并将处理后的检测结果传输到第一FPGA模块中。
其中，较佳方案是：该切割头处理模块包括过滤模块、比较模块和分频模块，该切割头处理模块、过滤模块、比较模块、分频模块和第一FPGA模块依次设置，该过滤模块将切割头处理模块传输的检测结果进行过滤高次谐波和直流分量，该比较模块进行小幅值近似正弦信号整形成近似方波信号，该分频模块进行整形并分频为方波信号。
其中，较佳方案是：该数控机床控制装置还包括开关量控制单元，该开关量控制单元与主控单元连接，该主控单元通过开关量控制单元的开关量信号控制、监控外围设备。
其中，较佳方案是：该切割头监测单元还包括碰撞检测模块和断线检测模块，该碰撞检测模块和断线检测模块均与开关量控制单元连接；其中，
该碰撞检测模块检测到切割头的喷嘴触碰到工件表面时，通过开关量控制单元向主控单元传输碰撞信号；
断线检测模块检测到激光数控机床的电缆未连接或损坏时，通过开关量控制单元向主控单元传输断线信号。
其中，较佳方案是：该切割头监测单元通过开关量控制单元与主控单元连接，该主控单元通过开关量控制单元向切割头监测单元发送请求标定的信号，该切割头监测单元在记录一个标定点后通过开关量控制单元向主控单元发送标定确认的信号，该切割头监测单元在标定结束后进行数据校验，若校验到错误数据通过开关量控制单元向主控单元发送校验结构的信号。
其中，较佳方案是：该数控机床控制装置还包括设备授权管理单元，该设备授权管理单元与主控单元连接，该设备授权管理单元控制基于实时时钟及权限管理信息而实施加密逻辑，以及验证、更正加密状态；并设置数控机床控制装置的各功能模块的试用限期，到期后自动停止数控机床控制装置的各功能模块的使用。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过设计一种数控机床控制装置，将数控单元、激光功率控制单元、切割头监测单元和模拟量控制单元集成设置，提高数控机床控制装置的稳定性，以及减少通信转换电路，降低硬件成本，也提高了模块之间的通信速率和稳定性，也简化产品及方便用户的使用连接；同时，通过频率、占空比、反馈调节等控制参数提高激光器的功率控制的精度和稳定性，以及，通过电容传感器上的距离数值提高切割头的高度控制的精度和稳定性，为产品销售竞争带来巨大的功能和性价比优势。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术数控系统与外部通信转换接口的结构框图；
图2是本发明数控机床控制装置的结构框图；
图3是本发明数控单元的结构框图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图2和图3所示，本发明提供一种数控机床控制装置的优选实施例。
一种数控机床控制装置，该数控机床控制装置包括主控单元11、数控单元12、模拟量控制单元13、激光功率控制单元14和切割头22监测单元15，该主控单元11分别与数控单元12和模拟量控制单元13连接，该模拟量控制单元13分别与激光功率控制单元14和切割头22监测单元15连接；数控机床控制装置直接实现激光功率控制、切割头22高度跟随调节控制、切割气压控制、多轴电机驱动控制、多开关量信号驱动控制等复杂的控制逻辑功能。
其中，激光数控机床中的激光器是激光发射器，而激光数控机床中的切割头22是激光切割头22，射出激光并入射到加工工件上，实现对加工工件的加工。
具体描述如下：
在本实施例的主控单元11中，优选地，主控单元11工业级的个人计算机，硬件是由主板、CPU、内存、硬盘、电源、PCI总线卡等组件组成；软件是基于windowsXPE操作系统开发的CNC控制软件。
在本实施例的数控单元12中，该数控单元12包括多个运动控制模块121，该运动控制模块121均对应一电机轴21，并根据主控单元11的控制信号控制多个电机轴21进行相互配合，控制激光数控机床的加工运动。
在本实施例的激光功率控制单元14中，该主控单元11将激光功率控制信号通过模拟量控制单元13传输到激光功率控制单元14中，该激光功率控制单元14根据激光功率控制信号控制激光数控机床的激光器的功率。
其中，激光功率控制信号包括频率、占空比和反馈调节信号，该激光功率控制单元14根据频率和占空比改变激光器的功率并获得不同形式的激光，该反馈调节信号改变线性同步变化的频率、占空比。同时，改变输出脉冲的占空比和频率数据可以得到不同形式的激光，反馈调节信号改变线性同步变化的频率、占空比，从而根据激光切割工艺的需要，实时改变设置不同形式的激光进行切割。
在本实施例中，模拟量控制单元13的主要作用是通过主控单元11中的CNC控制软件，以模拟量信号线性控制、测量外围设备。其原理是以主控单元11中CNC控制软件将控制、测量的8路+10V以内电压输出和8路+10V以内电压输入，与模拟量控制单元13相互传送。
在本实施例的切割头22监测单元15中，该切割头监测单元15检测激光数控机床的切割头22与加工工件的距离，并将监测结果处理后通过模拟量控制单元13传输到主控单元11中，该主控单元11根据处理后的检测结果将对应的控制信号传输到数控单元12中，并通过电机轴21实现切割头22的升降。
该模拟量控制单元13包括采用数字通信方式进行信号传输的第一FPGA模块131，该主控单元11将激光功率控制信号通过第一FPGA模块131传输到激光功率控制单元14中；以及，该切割头监测单元15将监测结果处理后并通过第一FPGA模块131传输到主控单元11中。
其中，模拟量控制单元13的4路电压输出和4路电压输入，分别与第一FPGA模块131相互传送；第一FPGA模块131再以数字通信方式将4路电压输出和4路电压输入与激光功率控制单元14、切割头22监测单元15相互传送。
具体地，激光功率控制单元14的主要作用是实现激光器的功率控制。以主控单元11中的CNC控制软件，通过模拟量控制单元13的第一FPGA模块131以并行数据通信的方式，传输激光功率控制信号至激光功率控制单元14中，激光功率控制单元14最终转化为PWM脉冲电平信号并隔离输出、控制激光器。将频率、占空比、反馈调节等控制参数都是通过数字信号读写传送数据，大幅提高激光器功率控制的精度和稳定性。
该模拟量控制单元13包括第二FPGA模块132、输入放大模块1321、A/D转换模块1322、D/A转换模块1323、输出放大模块1324，外部的模拟信号依次通过输入放大模块1321、A/D转换模块1322、第二FPGA模块132传输到主控单元11中，该主控单元11依次通过第二FPGA模块132、D/A转换模块1323、输出放大模块1324将模拟信号传输到外围设备上。
其中，模拟量控制单元13的4路电压输出和4路电压输入，分别与第二FPGA模块132相互传送；第二FPGA模块132将4路输出电压通过DA转换为模拟量，模拟量信号再经过运算放大后输出；4路模拟量输入电压先经过运算放大信号，再将放大后信号通过AD转换为数据传送给第二FPGA模块132。其中，信号都是以模拟量方式与外部连接控制、测量。
具体描述如下：
输入放大模块1321是以P21接口输入4路差分模拟+10V以内电压，经过运算放大器U114A、U114B、U114C、U114D及外围电路进行放大处理后输出。
A/D转换模块1322是将4路放大处理后的信号经U115AD转换片及外围电路进行信号模数转换，U115转换后的数据是通过SPI串行数据输出。
D/A转换模块1323是第二FPGA模块132将4路信号通过并行数据写入U108、U109、U110、U111芯片，经DA转换片U108、U109、U110、U111及外围电路进行信号数模转换，将转换后的4路模拟信号输出。
输出放大模块1324是将转换后的4路模拟信号进行运算放大差分、滤波、保护处理，最终精准可靠地输出+10V以内电压的差分模拟量信号；主要由运算放大器U112A、U112B、U113A、U113B及滤波器Y6、Y7、Y8、Y9及自恢复保险丝F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8及其它外围电路构成。
进一步地，第一FPGA模块131和第二FPGA模块132是由两个相同的FGPA可编程逻辑控制芯片组成，两个FGPA可编程逻辑控制芯片都是通过程序编写执行4路输入信号和4路输出信号的实时读写，然后将数据与主控单元11中的CNC控制软件相互传送。
该切割头监测单元15包括切割头处理模块151和切割头高度检测模块152，该切割头高度检测模块152检测激光数控机床的切割头22与加工工件的距离，该切割头处理模块151将切割头高度检测模块152传输的检测结果进行过滤、比较、分频后，并将处理后的检测结果传输到第一FPGA模块131中。
在本实施例的切割头高度检测模块152中，切割头高度检测模块152又为前置放大器电路，其主要作用是对电容传感器的间隙变化进行C-F变换，并对信号放大与传送，采用调频电路，产生频率几MHZ的高频震荡信号。
随着切割头22的喷嘴和工件之间的间隙变化，产生的震荡频率也会随着变化，经过放大后叠加到BNC(BayonetNutConnector，卡扣配合型连接器)同轴电缆的内芯，同轴电缆的内芯是15V的直流电压叠加上幅值几百mV的交流电压给出切割头22监测单元15；将电容传感器上的距离数值通过数字信号读写传送数据，大幅提高切割头22高度控制的精度和稳定性。
在本实施例的切割头处理模块151中，该切割头处理模块151包括过滤模块1511、比较模块1512和分频模块1513，该切割头处理模块151、过滤模块1511、比较模块1512、分频模块1513和第一FPGA模块131依次设置，该过滤模块1511将切割头处理模块151传输的检测结果进行过滤高次谐波和直流分量，该比较模块1512进行小幅值近似正弦信号整形成近似方波信号，该分频模块1513进行整形并分频为方波信号。
切割头22监测单元15作用是对切割头高度检测模块152传送来的信号由L9-L11之间电路，即五阶带通滤波电路，进行过滤高次谐波和直流分量，并经过U138及其它外围电路，即滞回比较器，将小幅值近似正弦信号初步整形成幅值5V的近似方波信号，再经过U139集成分频芯片、U140A、U140B及其它外围电路进行整形并分频为幅值5V的方波信号，最终把方波信号给出DSP信号处理器。
DSP芯片对频率信号进行多周期同步鉴频方法捕获采集前置放大器的频率信号，对32个采集到的频率值进行滤波，其中将较大8个值和较小的8个值去除，对16个中间值进行平均值滤波，DSP将滤波后的频率值与已经标定好记录的值比较进行分段线性化，采用多个线段近似曲线的方法，在标定程序中记录每个标定点的频率值，根据每个点的高度值和该点的频率值计算每个线段的斜率，DSP程序根据当前的频率值判断属于哪一个线段，根据计算好的斜率和线段的端点值即可计算出当前的近似高度值，然后将线性化后的值再经过一阶滞后滤波后，以串行数据SPI接口发送到模拟量控制单元13的第一FPGA模块131，最终传送到主控单元11中的CNC控制软件。实现测量切割头22与加工工件之间的距离，再经过CNC控制软件调节主轴高度的闭环控制，保证激光光束的焦点始终处于合适的位置。
本发明提供开关量控制单元的较佳实施例。
该数控机床控制装置还包括开关量控制单元16，该开关量控制单元16与主控单元11连接，该主控单元11通过开关量控制单元16的开关量信号控制、监控外围设备。
其中，关量控制单元的主要作用是以主控单元11中的CNC控制软件，通过开关量信号的控制、监控外围设备；其原理是以主控单元11中的CNC控制软件将输入、输出IO数据与开关量控制单元16相互传送,开关量控制单元16最终是经过光耦隔离输入输出，控制电平高电平为24V,低电平为0V。
进一步地，该切割头监测单元15还包括碰撞检测模块153和断线检测模块154，该碰撞检测模块153和断线检测模块154均与开关量控制单元16连接；其中，
该碰撞检测模块153检测到切割头22的喷嘴触碰到工件表面时，通过开关量控制单元16向主控单元11传输碰撞信号；
断线检测模块154检测到激光数控机床的电缆未连接或损坏时，通过开关量控制单元16向主控单元11传输断线信号。
进一步地，该切割头监测单元15通过开关量控制单元16与主控单元11连接，该主控单元11通过开关量控制单元16向切割头22监测单元15发送请求标定的信号，该切割头监测单元15在记录一个标定点后通过开关量控制单元16向主控单元11发送标定确认的信号，该切割头监测单元15在标定结束后进行数据校验，若校验到错误数据通过开关量控制单元16向主控单元11发送校验结构的信号。
该数控机床控制装置还包括设备授权管理单元17，该设备授权管理单元17与主控单元11连接，该设备授权管理单元17控制基于实时时钟及权限管理信息而实施加密逻辑，以及验证、更正加密状态；并设置数控机床控制装置的各功能模块的试用限期，到期后自动停止数控机床控制装置的各功能模块的使用。
具体地，设备授权管理单元17通过MCU控制器和实时时钟芯片及其它外围电路，控制数控机床控制装置的试用期限，到期后自锁停止数控机床控制装置的硬件使用功能。
本发明从供电电路、监控电路、通信电路及连接器件和结构安装件上减少硬成本，同时也提高了模块之间的通信速率和稳定性，同时也简化产品方便用户使用连接；并提供一种高度集成的数控系统，使数控系统的成本较低、使用简单，为产品销售竞争带来巨大的功能和性价比优势。
同时，与多模块之间互相配合的通讯方式，是采用TTL电平24并行总线及配置选择ID信号实现高速通信的技术。
以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims (10)

1.一种数控机床控制装置，其特征在于：该数控机床控制装置包括主控单元、数控单元、模拟量控制单元、激光功率控制单元和切割头监测单元，该主控单元分别与数控单元和模拟量控制单元连接，该模拟量控制单元分别与激光功率控制单元和切割头监测单元连接；其中，数控单元，该数控单元包括多个运动控制模块，该运动控制模块均对应一电机轴，并根据主控单元的控制信号控制多个电机轴进行相互配合，控制激光数控机床的加工运动；激光功率控制单元，该主控单元将激光功率控制信号通过模拟量控制单元传输到激光功率控制单元中，该激光功率控制单元根据激光功率控制信号控制激光数控机床的激光器的功率；切割头监测单元，该切割头监测单元检测激光数控机床的切割头与加工工件的距离，并将监测结果处理后通过模拟量控制单元传输到主控单元中，该主控单元根据处理后的检测结果将对应的控制信号传输到数控单元中，并通过电机轴实现切割头的升降。
2.根据权利要求1所述的数控机床控制装置，其特征在于：该模拟量控制单元包括采用数字通信方式进行信号传输的第一FPGA模块，该主控单元将激光功率控制信号通过第一FPGA模块传输到激光功率控制单元中；以及，该切割头监测单元将监测结果处理后并通过第一FPGA模块传输到主控单元中。
3.根据权利要求1或2所述的数控机床控制装置，其特征在于：该模拟量控制单元包括第二FPGA模块、输入放大模块、A/D转换模块、D/A转换模块、输出放大模块，外部的模拟信号依次通过输入放大模块、A/D转换模块、第二FPGA模块传输到主控单元中，该主控单元依次通过第二FPGA模块、D/A转换模块、输出放大模块将模拟信号传输到外围设备上。
4.根据权利要求1所述的数控机床控制装置，其特征在于：该激光功率控制信号包括频率、占空比和反馈调节信号，该激光功率控制单元根据频率和占空比改变激光器的功率并获得不同形式的激光，该反馈调节信号改变线性同步变化的频率、占空比。
5.根据权利要求2所述的数控机床控制装置，其特征在于：该切割头监测单元包括切割头处理模块和切割头高度检测模块，该切割头高度检测模块检测激光数控机床的切割头与加工工件的距离，该切割头处理模块将切割头高度检测模块传输的检测结果进行过滤、比较、分频后，并将处理后的检测结果传输到第一FPGA模块中。
6.根据权利要求5所述的数控机床控制装置，其特征在于：该切割头处理模块包括过滤模块、比较模块和分频模块，该切割头处理模块、过滤模块、比较模块、分频模块和第一FPGA模块依次设置，该过滤模块将切割头处理模块传输的检测结果进行过滤高次谐波和直流分量，该比较模块进行小幅值近似正弦信号整形成近似方波信号，该分频模块进行整形并分频为方波信号。
7.根据权利要求1所述的数控机床控制装置，其特征在于：该数控机床控制装置还包括开关量控制单元，该开关量控制单元与主控单元连接，该主控单元通过开关量控制单元的开关量信号控制、监控外围设备。
8.根据权利要求7所述的数控机床控制装置，其特征在于：该切割头监测单元还包括碰撞检测模块和断线检测模块，该碰撞检测模块和断线检测模块均与开关量控制单元连接；其中，该碰撞检测模块检测到切割头的喷嘴触碰到工件表面时，通过开关量控制单元向主控单元传输碰撞信号；断线检测模块检测到激光数控机床的电缆未连接或损坏时，通过开关量控制单元向主控单元传输断线信号。
9.根据权利要求7所述的数控机床控制装置，其特征在于：该切割头监测单元通过开关量控制单元与主控单元连接，该主控单元通过开关量控制单元向切割头监测单元发送请求标定的信号，该切割头监测单元在记录一个标定点后通过开关量控制单元向主控单元发送标定确认的信号，该切割头监测单元在标定结束后进行数据校验，若校验到错误数据通过开关量控制单元向主控单元发送校验结构的信号。
10.根据权利要求1所述的数控机床控制装置，其特征在于：该数控机床控制装置还包括设备授权管理单元，该设备授权管理单元与主控单元连接，该设备授权管理单元控制基于实时时钟及权限管理信息而实施加密逻辑，以及验证、更正加密状态；并设置数控机床控制装置的各功能模块的试用限期，到期后自动停止数控机床控制装置的各功能模块的使用。
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