CN111230323A - 基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统及方法，上位机分别与ACS运动控制器和激光控制器连接，ACS运动控制器与X‑Y轴运动平台的X轴运动单元和Y轴运动单元控制连接，X轴运动单元上安装X轴光栅尺读数头，Y轴运动单元上安装Y轴光栅尺读数头，X轴光栅尺读数头和Y轴光栅尺读数头与四轴PEG激光控制单元通信连接，四轴PEG激光控制单元分别与ACS运动控制器和激光控制器连接。基于四轴PEG激光控制单元和ACS运动控制器通过X轴和Y轴光栅尺读数头实时反馈的位置进行高精度异形切割，四轴PEG激光控制单元基于双轴位置轨迹发出差分/单端脉冲信号来触发激光控制器，实现双轴轨迹位置坐标的高精度异形切割。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统及其方法。
背景技术
目前，激光微加工领域各种加工控制系统繁多，激光控制卡在高精度异形加工时无法精准控制激光打点位置。
当前异形切割的主要方法有振镜加工和直线电机构成的平台加工，但使用振镜加工大面积尺寸的材料时通常都需要采用拼图的方式来进行整片加工，因此会由拼图等产生较大的位置误差，无法满足高精度的要求，而且振镜加工大尺寸产品时效率较平台加工方式的效率慢，加工时间长，会增加产品的生产周期，从而间接的增加了产品成本。采用普通直线电机平台进行异形切割时，因系统无法精准的捕捉平台位置控制激光点间距，会产生打点不均匀，精度不高等问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，特点是：包含ACS运动控制器、上位机、基于位置触发的激光控制器以及用于数据采集和激光控制的四轴PEG激光控制单元，上位机分别与ACS运动控制器和激光控制器连接，ACS运动控制器与X-Y轴运动平台的X轴运动单元和Y轴运动单元控制连接，X轴运动单元上安装X轴光栅尺读数头，Y轴运动单元上安装Y轴光栅尺读数头，X轴光栅尺读数头和Y轴光栅尺读数头与四轴PEG激光控制单元通信连接，四轴PEG激光控制单元分别与ACS运动控制器和激光控制器连接。
进一步地，上述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其中，上位机与ACS运动控制器通过Ethercat总线方式通讯连接。
进一步地，上述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其中，四轴PEG激光控制单元与ACS运动控制器通过Ethercat总线方式通讯连接。
进一步地，上述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其中，上位机与激光控制器通过TCP/IP协议通讯连接。
进一步地，上述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其中，所述四轴PEG激光控制单元包含四个用于接入轴光栅尺信号的光栅尺信号接口、四个差分转单极性及脉冲滤波电路、激光时钟脉冲转换及滤波电路、激光脉冲转换及滤波电路和ETHERCAT驱动电路，每个光栅尺信号接口分别通过差分转单极性及脉冲滤波电路连接CPU，ETHERCAT接口输入端和ETHERCAT接口输出端通过ETHERCAT驱动电路连接CPU，激光时钟脉冲接口通过激光时钟脉冲转换及滤波电路连接CPU，激光脉冲输出接口经激光脉冲转换及滤波电路与CPU连接。
进一步地，上述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其中，还包含IO转换电路，IO接口通过IO转换电路连接CPU，IO转换电路是型号为PS2505的光耦芯片。
进一步地，上述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其中，还包含USB通讯电路，USB接口通过USB通讯电路连接CPU，USB通讯电路是型号为STM32F103的芯片。
进一步地，上述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其中，所述差分转单极性及脉冲滤波电路均是型号为AM26C32的芯片，所述激光时钟脉冲转换及滤波电路是型号为6N137的光耦芯片，所述激光脉冲转换及滤波电路是型号为AM26C31的芯片，所述ETHERCAT驱动电路是型号为LAN9252的ETHERCAT驱动控制芯片。
本发明基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制方法，包含以下步骤：
a)双轴位置控制，上位机通过ACS运动控制器控制X-Y轴运动平台的X轴运动单元和Y轴运动单元运动，X轴运动单元上的X轴光栅尺读数头和Y轴运动单元上的Y轴光栅尺读数头输出增量式AB相信号构成全闭环，通过ACS运动控制器控制X轴运动单元和Y轴运动单元进行圆弧插补、直线插补的异形轨迹运动，实时控制和采集双轴位置；
b)双轴位置采集，四轴PEG激光控制单元采集X轴光栅尺读数头和Y轴光栅尺读数头输出的位置信号，实时采集双轴位置轨迹，并根据轨迹的位置坐标输出差分/单端脉冲信号；
c)激光控制脉冲输出，上位机通过导入绘制的CAD图形规划X轴运动单元和Y轴运动单元运行路径，ACS运动控制器输出端接入四轴PEG激光控制单元输入端，四轴PEG激光控制单元根据ACS运动控制器中设置的频率、占空比参数通过双轴实时位置输出差分/单端脉冲信号给激光控制器，差分/单端脉冲信号基于双轴位置轨迹触发，实现双轴轨迹位置坐标的高精度异形切割。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
本发明基于四轴PEG激光控制单元和ACS运动控制器通过X轴光栅尺读数头和Y轴光栅尺读数头实时反馈的位置进行高精度异形切割，如加工圆形、方形等图形，四轴PEG激光控制单元基于双轴位置轨迹发出差分/单端脉冲信号来触发激光控制器，实现双轴轨迹位置坐标的高精度异形切割。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1：本发明系统的架构示意图；
图2：四轴PEG激光控制单元的架构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，包含ACS运动控制器2、上位机1、基于位置触发的激光控制器4以及用于数据采集和激光控制的四轴PEG激光控制单元3，上位机1分别与ACS运动控制器2和激光控制器4连接，ACS运动控制器2与X-Y轴运动平台的X轴运动单元5和Y轴运动单元6控制连接，X轴运动单元5上安装X轴光栅尺读数头7，Y轴运动单元6上安装Y轴光栅尺读数头8，X轴光栅尺读数头7和Y轴光栅尺读数头8与四轴PEG激光控制单元3通信连接，四轴PEG激光控制单元3分别与ACS运动控制器2和激光控制器4连接。其中，上位机1与ACS运动控制器2通过Ethercat总线方式通讯连接。四轴PEG激光控制单元3与ACS运动控制器2通过Ethercat总线方式通讯连接。上位机1与激光控制器4通过TCP/IP协议通讯连接。
如图2所示，四轴PEG激光控制单元3，包含四个用于接入轴光栅尺信号的光栅尺信号接口、四个差分转单极性及脉冲滤波电路、激光时钟脉冲转换及滤波电路116、激光脉冲转换及滤波电路113和ETHERCAT驱动电路104，光栅尺信号接口一105通过差分转单极性及脉冲滤波电路一106连接ARM CPU 101，光栅尺信号接口二107通过差分转单极性及脉冲滤波电路二108连接ARM CPU 101，光栅尺信号接口三109通过差分转单极性及脉冲滤波电路三110连接ARM CPU101，光栅尺信号接口四111通过差分转单极性及脉冲滤波电路四112连接ARM CPU101，ETHERCAT接口输入端102和ETHERCAT接口输出端103通过ETHERCAT驱动电路104连接ARM CPU101，激光时钟脉冲接口115通过激光时钟脉冲转换及滤波电路116连接ARMCPU101，激光脉冲输出接口114经激光脉冲转换及滤波电路113与ARM CPU101连接；IO接口117通过IO转换电路118连接ARM CPU101，USB接口120通过USB通讯电路119连接ARMCPU101。
IO转换电路118是型号为PS2505光耦芯片。USB通讯电路120是型号为STM32F103的芯片。四个差分转单极性及脉冲滤波电路是型号为AM26C32的芯片。激光时钟脉冲转换及滤波电路116是型号为6N137的高速光耦芯片。激光脉冲转换及滤波电路113是型号为AM26C31的芯片。ETHERCAT驱动电路104是型号为LAN9252的ETHERCAT驱动控制芯片。
四轴PEG激光控制单元3通过ETHERCAT总线和EtherCat主站进行实时连接通讯，主站可以实时设定四轴PEG激光控制单元3的相关参数及动作；四轴PEG激光控制单元3根据这些参数和动作要求进行控制。四个轴的光栅尺信号(ABZ相信号)通过电子线路变换后接入CPU，CPU捕捉光栅尺信号进行准确计数，从而得到四个轴的平台位置坐标。根据ETHERCAT主站设定的轴号配置参数，从四个轴中选择两个轴进行矢量位置的计算。根据EhterCat主站设定的激光脉冲输出口类型参数进行激光输出口控制。激光脉冲输出类型有两种：1)基于两轴平台坐标系的、2)输出固定的频率和占空比的脉冲信号。如选择激光脉冲口输出类型为：基于两轴平台矢量坐标系的；根据ETHERCAT主站设定的激光脉冲触发距离、触发脉宽，进行两轴平台矢量位置等间距激光触发。如选择激光脉冲口输出类型为：输出固定频率和占空比的脉冲信号；根据ETHERCAT主站设定的频率和占空比参数，进行激光脉冲的触发；该类型是不基于平台坐标系的。EtherCat总线架构，可以和任何品牌的ETHERCAT主站进行连接，例如：ACS、BECKOFF等等。有基于两轴矢量轨迹的激光等间距触发功能，同时具有占空比和频率实时可调脉冲信号。占空比可调位数为1024等级的。
具有四轴光栅尺及编码器接入接口，可以通过参数进行任意两轴的匹配。具有USB通讯功能，通讯参数系统自动适配。配置参数，系统具有断电保存功能。
基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制方法，包含以下步骤：
a)双轴位置控制，上位机1通过ACS运动控制器2控制X-Y轴运动平台的X轴运动单元5和Y轴运动单元6运动，X轴运动单元5上的X轴光栅尺读数头7和Y轴运动单元6上的Y轴光栅尺读数头8输出增量式AB相信号构成全闭环，通过ACS运动控制器2控制X轴运动单元5和Y轴运动单元6进行圆弧插补、直线插补的异形轨迹运动，实时精确控制和采集双轴位置；
b)双轴位置采集，四轴PEG激光控制单元3采集X轴光栅尺读数头7和Y轴光栅尺读数头8输出的位置信号，实时采集双轴位置轨迹，并根据轨迹的位置坐标输出差分/单端脉冲信号；
c)激光控制脉冲输出，上位机1通过导入绘制的CAD图形规划X轴运动单元5和Y轴运动单元6运行路径，ACS运动控制器2输出端接入四轴PEG激光控制单元3输入端，四轴PEG激光控制单元3根据ACS运动控制器2中设置的频率、占空比参数通过双轴实时位置输出设定好的差分/单端脉冲信号给激光控制器4，差分/单端脉冲信号基于双轴位置轨迹触发，实现双轴轨迹位置坐标的高精度异形切割；使激光打点位置均匀精准，不受双轴运动的加减速影响。
综上所述，本发明基于四轴PEG激光控制单元和ACS运动控制器通过X轴光栅尺读数头7和Y轴光栅尺读数头8实时反馈的位置进行高精度异形切割，如加工圆形、方形等图形，四轴PEG激光控制单元基于双轴位置轨迹发出差分/单端脉冲信号来触发激光控制器，实现双轴轨迹位置坐标的高精度异形切割。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (9)
1.基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其特征在于：包含ACS运动控制器(2)、上位机(1)、基于位置触发的激光控制器(4)以及用于数据采集和激光控制的四轴PEG激光控制单元(3)，上位机(1)分别与ACS运动控制器(2)和激光控制器(4)连接，ACS运动控制器(2)与X-Y轴运动平台的X轴运动单元(5)和Y轴运动单元(6)控制连接，X轴运动单元(5)上安装X轴光栅尺读数头(7)，Y轴运动单元(6)上安装Y轴光栅尺读数头(8)，X轴光栅尺读数头(7)和Y轴光栅尺读数头(8)与四轴PEG激光控制单元(3)通信连接，四轴PEG激光控制单元(3)分别与ACS运动控制器(2)和激光控制器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其特征在于：上位机(1)与ACS运动控制器(2)通过Ethercat总线方式通讯连接。
3.根据权利要求1所述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其特征在于：四轴PEG激光控制单元(3)与ACS运动控制器(2)通过Ethercat总线方式通讯连接。
4.根据权利要求1所述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其特征在于：上位机(1)与激光控制器(4)通过TCP/IP协议通讯连接。
5.根据权利要求1所述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其特征在于：所述四轴PEG激光控制单元(3)包含四个用于接入轴光栅尺信号的光栅尺信号接口、四个差分转单极性及脉冲滤波电路、激光时钟脉冲转换及滤波电路、激光脉冲转换及滤波电路和ETHERCAT驱动电路，每个光栅尺信号接口分别通过差分转单极性及脉冲滤波电路连接CPU，ETHERCAT接口输入端和ETHERCAT接口输出端通过ETHERCAT驱动电路连接CPU，激光时钟脉冲接口通过激光时钟脉冲转换及滤波电路连接CPU，激光脉冲输出接口经激光脉冲转换及滤波电路与CPU连接。
6.根据权利要求5所述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其特征在于：还包含IO转换电路，IO接口通过IO转换电路连接CPU，IO转换电路是型号为PS2505的光耦芯片。
7.根据权利要求5所述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其特征在于：还包含USB通讯电路，USB接口通过USB通讯电路连接CPU，USB通讯电路是型号为STM32F103的芯片。
8.根据权利要求5所述的基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制系统，其特征在于：所述差分转单极性及脉冲滤波电路均是型号为AM26C32的芯片，所述激光时钟脉冲转换及滤波电路是型号为6N137的光耦芯片，所述激光脉冲转换及滤波电路是型号为AM26C31的芯片，所述ETHERCAT驱动电路是型号为LAN9252的ETHERCAT驱动控制芯片。
9.利用权利要求1所述的系统实现基于双轴轨迹位置坐标的异形切割加工控制方法，其特征在于：包含以下步骤：
a)双轴位置控制，上位机(1)通过ACS运动控制器(2)控制X-Y轴运动平台的X轴运动单元(5)和Y轴运动单元(6)运动，X轴运动单元(5)上的X轴光栅尺读数头(7)和Y轴运动单元(6)上的Y轴光栅尺读数头(8)输出增量式AB相信号构成全闭环，通过ACS运动控制器(2)控制X轴运动单元(5)和Y轴运动单元(6)进行圆弧插补、直线插补的异形轨迹运动，实时控制和采集双轴位置；
b)双轴位置采集，四轴PEG激光控制单元(3)采集X轴光栅尺读数头(7)和Y轴光栅尺读数头(8)输出的位置信号，实时采集双轴位置轨迹，并根据轨迹的位置坐标输出差分/单端脉冲信号；
c)激光控制脉冲输出，上位机(1)通过导入绘制的CAD图形规划X轴运动单元(5)和Y轴运动单元(6)运行路径，ACS运动控制器(2)输出端接入四轴PEG激光控制单元(3)输入端，四轴PEG激光控制单元(3)根据ACS运动控制器(2)中设置的频率、占空比参数通过双轴实时位置输出差分/单端脉冲信号给激光控制器(4)，差分/单端脉冲信号基于双轴位置轨迹触发，实现双轴轨迹位置坐标的高精度异形切割。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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