CN111367238A - 一种数控激光切割机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业自动化技术控制领域，涉及一种数控激光切割机控制系统，包括工业控制计算机、数字IO控制板卡、电机轴控制板卡、扩展功能控制模块以及PCI控制板卡。其中，PCI控制板卡包括可编程逻辑控制器、扩展功能控制模块接口以及ID信号产生电路的。所述数字IO控制板卡、电机轴控制板卡与扩展功能控制模块通过可编程逻辑控制器连接在工业控制计算机的PCI总线上，实现数据通信。ID信号产生电路与可编程逻辑控制器相连，用于产生ID控制信号。扩展功能控制模块根据所述ID控制信号实现相应的功能扩展。通过本发明实施例提供的数控激光切割机控制系统，可以提高生产效率，便于集成、便于扩展，方便维护及使用。

Description

一种数控激光切割机控制系统

技术领域

本发明涉及一种工业自动化技术控制领域，尤其涉及一种数控激光切割机控制系统。

背景技术

目前，市场上使用的激光切割机普遍采用专用的数控系统，该数控系统是由ARM(Advanced RISC Machines)处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、单片机等控制器以及其他控制电路组成。由于上述处理器芯片在出厂的时候已经将其所需要实现的控制功能程序嵌入进去，无法更改，但是，每个数控系统都有其要实现的不同功能，这样就使得上述处理器芯片无法满足不同的数控系统需要，也无法满足数控系统的多样性。所以，使用上述处理器芯片的数控系统处理能力较差，少量的生产导致生产成本较高、软硬件无法扩充使得资源不够丰富、不便于信息集成，可靠性、可扩展性、可维护性以及易使用性极差，二次开发困难。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种数控激光切割机控制系统，以实现提高生产效率，便于集成、便于扩展，方便维护及使用的目的。

本发明实施例提供一种数控激光切割机控制系统，包括工业控制计算机，所述工业控制计算机具有PCI总线，用于接收用户指令；数字IO控制板卡，其输出开关控制信号用于对本系统中相关部件进行开关的控制；以及电机轴控制板卡，其输出运动控制信号用于控制本系统电机驱动器，从而实现对切割位置运动的控制；其特征在于，还包括：

PCI控制板卡，其通过PCI接口连接于所述工业控制计算机的PCI总线上，且与所述数字IO控制板卡和电机轴控制板卡相连，通过PCI总线协议与所述工业控制计算机实现通信，进而实现对所述开关控制信号和运动控制信号的传输，所述PCI控制板卡包括：

可编程逻辑控制器，用于处理所述用户指令、所述开关控制信号以及所述运动控制信号；

扩展功能控制模块接口，与所述可编程逻辑控制器相连；以及

ID信号产生电路，与所述可编程逻辑控制器相连，用于根据所述用户指令产生ID控制信号；以及

扩展功能控制模块，其通过所述扩展功能控制模块接口与所述ID信号产生电路相连，用于根据所述ID控制信号进行对应的功能控制。

进一步的，所述PCI控制板卡还包括第一电平转换电路，连接于所述可编程逻辑控制器与所述扩展功能控制模块接口之间，用于将从所述可编程逻辑控制器接收到的单端电平信号转换为差分电平信号，并输出给扩展功能控制模块接口；以及

所述第二电平转换电路，连接于所述可编程逻辑控制器与所述扩展功能控制模块接口之间，用于将从所述扩展功能控制模块接口接收到的差分电平信号转换为单端电平信号，并反馈至所述可编程逻辑控制器。

进一步的，所述第一电平转换电路与所述第二电平转换电路是由逻辑门电路组成，且所述第一电平转换电路是将TTL单端信号转换为RS422差分信号，所述第二电平转换电路是将RS422差分信号转换为TTL单端信号。

进一步的，所述ID控制信号为高低电平信号。

进一步的，所述ID控制信号产生电路包括：

MOS开关元件，其栅极接收使能信号、其源极与电源相连，其漏极输出所述ID信号；

第一电阻，与所述MOS开关元件的栅极相连；

第二电阻，连接于所述MOS开关元件的栅极和源极之间；

稳压二极管，其阴极与所述MOS开关元件的漏极相连，阳极接地；以及

第三电阻，与所述MOS开关元件的漏极相连；

当所述MOS开关元件栅极接收到使能信号，则其漏极输出所述高电平ID控制信号；当所述MOS开关元件栅极未接收到使能信号，则其漏极输出所述低电平ID控制信号。

进一步的，所述ID信号产生电路包括二极管，其阳极与所述MOS开关元件的漏极相连，其阴极与所述MOS开关元件的源极相连。

进一步的，所述PCI控制板卡包括：

数字IO卡接口，将所述可编程逻辑控制器与所述数字IO控制板卡相连，用于传输所述开关控制信号；

电机轴卡接口，将所述可编程逻辑控制器与所述电机轴控制板卡相连，用于传输所述运动控制信号；

检测电路，与所述可编程逻辑控制器相连，用于对所述PCI控制板卡的电压、温度以及电池电量进行检测；以及

电源状态指示及输出电路，与所述可编程逻辑控制器相连，用于根据所述用户指令输出电源状态指示信号。

进一步的，所述PCI控制板卡包括电源电路，与所述PCI接口相连，用于向所述PCI控制板卡供电。

进一步的，所述PCI控制板卡还包括：

内存，与所述可编程逻辑控制器相连，用于存储数据；以及

电池，与所述内存相连，用于给所述内存供电。

进一步的，所述可编程逻辑控制器为现场可编程门阵列控制器。

本发明数控激光切割机控制系统将FPGA可编程逻辑控制器嵌入PCI控制板卡中，让其通过PCI总线接口连接在工业控制计算机的PCI总线上，并根据PCI总线通信协议，使得工业控制计算机可以实现对数字IO控制板卡、电机轴控制板卡以及扩展功能控制模块的数据访问与通信，从而实现工业控制计算机对于整个数控激光切割机机床轴的运动和相关电气控制，解决了现有系统的不便于集成性、不可靠性、不可扩展性等等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例中数控激光切割机控制系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中PCI控制板卡的结构示意图；以及

图3为本发明实施例中ID信号产生电路的具体电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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,附图中给出了本发明的较佳实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明实施例提供一种数控激光切割机控制系统，通过外设部件互联(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线通信对电机轴和数字量输入输出(Input/Output，IO)接口设备进行可靠的控制。图1所示为本发明实施例提供的数控激光切割机控制系统的整体结构示意图，本系统包括工业控制计算机10、PCI控制板卡20、数字IO控制板卡30、电机轴控制板卡40以及扩展功能控制模块50。其中，工业控制计算机10是工业标准的计算机，其安装有计算机数字化控制(Computerized Numerical Control，CNC)软件，具有PCI总线及其对应接口或插槽，用于接收用户指令。PCI控制板卡20与工业控制计算机10根据PCI总线协议实现二者之间的相互通信，且与数字IO控制板卡30和电机轴控制板卡40相连，用于实现工业控制计算机10与数字IO控制板卡30、电机轴控制板卡40之间的相互通信。同时，PCI控制板卡20还通过自定义并行总线协议与扩展功能控制模块50内部的可编程逻辑控制器进行通信，从而输出扩展功能信号控制其相应的功能模块进行工作，达到功能扩展的目的。本实施例中，所述扩展功能控制模块50包括但不局限于扩展电机轴控制板卡、扩展数字量IO控制板卡或扩展模拟量IO控制板卡等。数字IO控制板卡30与电机轴控制板卡40是由其各自对应的信号转换电路及驱动电路组成，用于将从PCI控制板卡20中接收到的开关控制信号和运动控制信号进行放大，从而满足整个数控激光切割机的要求。

本实施例中，数字IO控制板卡30是由光耦合电路、开关MOS管电路及其他周边电路组成，电机轴控制板卡40是由数模转换电路及其他周边电路组成，二者均是起到功率放大的作用。数字IO控制板卡30输出的开关控制信号用于对本系统中相关部件进行开关的控制，电机轴控制板卡40输出的运动控制信号用于控制本系统电机驱动器，从而实现对切割位置运动的控制。综上，通过PCI总线协议，数字IO控制板卡30、电机轴控制板卡40与扩展功能控制模块50通过PCI控制板卡20与工业控制计算机10进行通信，传输相关数据，实现工业控制计算机10对于整个数控激光切割机机床轴的运动和相关电气控制。

图2是本发明实施例中PCI控制板卡的结构示意图，包括可编程逻辑控制器201、数字IO卡接口202、电机轴卡接口203、检测电路204、第一电平转换电路205、第二电平转换电路206、ID信号产生电路207、扩展功能控制模块接口208、电源状态指示及输出电路209、内存210、电池211、PCI总线接口212以及电源电路213。

本实施例中，可编程逻辑控制器201是由现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGate Array，FPGA)控制器构成，其已预先写入PCI总线协议通信程序、数字IO控制程序、电机轴控制程序、扩展功能模块通信控制程序、电压/温度/电池电量检测程序、电源状态指示及输出程序以及内存管理程序等。所述可编程逻辑控制器201通过PCI总线接口212连接于工业控制计算机10的PCI总线上，并根据PCI总线协议实现通信连接，用于处理用户指令、开关控制信号以及运动控制信号。同时，可编程逻辑控制器201通过数字IO卡接口202与数字IO控制板卡30相连，并根据已写入的数字IO控制程序驱动控制数字IO控制板卡30，从而建立数字IO控制板卡30与工业控制计算机10的数据通信；所述可编程逻辑控制器201也通过电机轴卡接口203与电机轴控制板卡40相连，并根据已写入的电机轴控制程序驱动控制电机轴控制板卡40，从而建立电机轴控制板卡40与工业控制计算机10的数据通信。

检测电路204与可编程逻辑控制器相连201相连，在本实施例中包括电压检测电路、温度检测电路或者电池电量检测电路等，其同样根据已写入的电压/温度/电池电量检测程序，通过将电源电压、温度传感器电压以及电池电压取样后分别与各自的参考电压进行比较，从而对PCI控制板卡20的电压、温度以及电池电量做出检测监控。

可编程逻辑控制器201通过扩展功能控制模块接口208与扩展功能控制模块50相连，用户根据已写入的扩展功能模块通信控制程序实现扩展功能控制模块50与工业控制计算机10的数据通信。由于长距离的原因，为了使可编程逻辑控制器201与扩展功能控制模块50之间的传输信号不会被削弱或干扰，故需在二者之间将信号做相应的处理。因而，第一电平转换电路205连接于可编程控制器201与扩展功能控制模块接口208之间，用于将从可编程逻辑控制器201接收到的单端信号转换为差分信号，并输出给扩展功能控制模块接口208，从而控制扩展功能模块50中相对应的功能电路；第二电平转换电路206也连接于可编程控制器201与扩展功能控制模块接口208之间，其用于将从扩展功能控制模块接口208接收到的差分信号转换为单端信号，并反馈至可编程逻辑控制器201。本实施例中，可编程逻辑控制器201与扩展功能控制模块50之间是双向通信，一方面，扩展功能控制模块50可以通过PCI控制板卡201传输的用户指令来完成相对应的扩展功能，另一方面，工业控制计算机10也可以接收到来自扩展功能控制模块50的相关数据反馈。在本实施例中，第一电平转换电路205由逻辑门电路所实现，是将TTL单端信号转换为RS422差分信号；第二电平转换电路206也由逻辑门电路所实现，是将RS422差分信号转换为TTL单端信号，并进行强化。

ID信号产生电路207连接于可编程逻辑控制器201与扩展功能控制模块接口208之间，用于根据用户指令输出ID信号，进而启动扩展功能模块50中相应的功能控制电路。本实施例中，当ID信号为高电平时，启动扩展功能模块50中相对应的功能控制电路，实现功能的扩展；当ID信号为低电平时，扩展功能模块50中的功能控制电路不被启动，从而所述数控激光切割机控制系统不进行扩展功能。

ID信号产生电路207的具体电路图如图3所示，包括MOS开关元件Q1、第一电阻R1、第二电阻R2、二极管D1、稳压二极管D2以及第三电阻R3。其中，MOS开关元件Q1的源极与电源端相连，用于接收12V的电源信号；其栅极做为信号输入端通过第一电阻R1接收使能信号；其漏极做为信号输出端输出ID信号至扩展功能控制模块接口208。第二电阻R2连接于MOS开关元件Q1的栅极和源极之间。二极管D1的阴极与MOS开关元件Q1的源极相连，其阳极与MOS开关元件Q1的漏极相连。稳压二极管D2的连接于MOS开关元件Q1的漏极与地之间，其阴极接地，第三电阻R3与稳压二极管D2的阴极相连。当MOS开关元件Q1的栅极接收到来自可编程逻辑控制器201的使能信号，ID信号产生电路207，即MOS开关元件Q1的漏极输出高电平ID控制信号；反之，当MOS开关元件Q1的栅极未接收到来自可编程逻辑控制器201的使能信号，ID信号产生电路207，即MOS开关元件Q1的漏极输出低电平ID控制信号。因此，当用户需要启动额外的扩展功能时，即会给出一个使能信号，则ID信号产生电路207输出高电平，从而扩展功能控制模块50根据所述高电平来识别哪一个扩展功能模块需要工作，并执行相应的功能；反之，当用户不需要启动额外的扩展功能时，就不会给出使能信号，则ID信号产生电路207输出低电平，从而扩展功能控制模块50根据所述低电平来识别无需工作，处于休眠状态。

电源状态指示及输出电路209与可编程逻辑控制器相连201相连，用于根据用户指令来输出电源状态指示信号，本实施方式中，所述电源状态指示信号为强电信号时，说明所述PCI控制板卡20处于正常工作状态。

内存210与可编程逻辑控制器20相连，用于存储可编程逻辑控制器20中的相关数据，本实施方式中，内存210是由两片基本的CMOSRAM芯片组成，例如：LY62、L5128SL。与内存210相连的还有电池113，用于给内存210供电，其是由稳压电源电路组成。

电源电路213与PCI控制板卡20中的PCI总线接口212相连，用于给PCI控制板卡20中各个模块进行供电，其包括为PCI总线接口供电的+/-12V电压、为IO接口供电的5V电压、还有为PCI内部其他功能模块供电的5V电压和2.5V电压。同样，所述电源电路213也是由相关的稳压电源电路组成。

综上，本发明数控激光切割机控制系统将FPGA可编程逻辑控制器201嵌入PCI控制板卡20中，让其通过PCI总线接口212连接在工业控制计算机10的PCI总线上，并根据PCI总线通信协议，使得工业控制计算机10可以实现对数字IO控制板卡30、电机轴控制板卡40以及扩展功能控制模块50的数据访问与通信，从而实现整个系统的可靠控制，解决了现有系统的不便于集成性、不可靠性、不可扩展性等等。

以上仅为本发明的实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数控激光切割机控制系统，包括工业控制计算机，所述工业控制计算机具有PCI总线，用于接收用户指令；数字IO控制板卡，其输出开关控制信号用于对本系统中相关部件进行开关的控制；以及电机轴控制板卡，其输出运动控制信号用于控制本系统电机驱动器，从而实现对切割位置运动的控制；

其特征在于，还包括：

PCI控制板卡，其通过PCI接口连接于所述工业控制计算机的PCI总线上，且与所述数字IO控制板卡和电机轴控制板卡相连，通过PCI总线协议与所述工业控制计算机实现通信，进而实现对所述开关控制信号和运动控制信号的传输，所述PCI控制板卡包括：

可编程逻辑控制器，用于处理所述用户指令、所述开关控制信号以及所述运动控制信号；

扩展功能控制模块接口，与所述可编程逻辑控制器相连；以及

ID信号产生电路，与所述可编程逻辑控制器相连，用于根据所述用户指令产生ID控制信号；以及

扩展功能控制模块，其通过所述扩展功能控制模块接口与所述ID信号产生电路相连，用于根据所述ID控制信号进行对应的功能控制。

2.根据权利要求1所述的数控激光切割机控制系统，其特征在于，所述PCI控制板卡还包括：

第一电平转换电路，连接于所述可编程逻辑控制器与所述扩展功能控制模块接口之间，用于将从所述可编程逻辑控制器接收到的单端电平信号转换为差分电平信号，并输出给扩展功能控制模块接口；以及

第二电平转换电路，连接于所述可编程逻辑控制器与所述扩展功能控制模块接口之间，用于将从所述扩展功能控制模块接口接收到的差分电平信号转换为单端电平信号，并反馈至所述可编程逻辑控制器。

3.根据权利要求2所述的数控激光切割机控制系统，其特征在于，所述第一电平转换电路与所述第二电平转换电路是由逻辑门电路组成，所述第一电平转换电路是将TTL单端电平信号转换为RS422差分电平信号，所述第二电平转换电路是将RS422差分电平信号转换为TTL单端电平信号。

4.根据权利要求1所述的数控激光切割机控制系统，其特征在于，所述ID控制信号为高低电平信号。

5.根据权利要求4所述的数控激光切割机控制系统，其特征在于，所述ID控制信号产生电路包括：

MOS开关元件，其栅极接收使能信号、其源极与电源相连，其漏极输出所述ID信号；

第一电阻，与所述MOS开关元件的栅极相连；

第二电阻，连接于所述MOS开关元件的栅极和源极之间；

稳压二极管，其阴极与所述MOS开关元件的漏极相连，阳极接地；以及

第三电阻，与所述MOS开关元件的漏极相连；

当所述MOS开关元件栅极接收到所述使能信号，则其漏极输出所述高电平ID控制信号；当所述MOS开关元件栅极未接收到所述使能信号，则其漏极输出所述低电平ID控制信号。

6.根据权利要求5所述的数控激光切割机控制系统，其特征在于，所述ID信号产生电路包括二极管，其阳极与所述MOS开关元件的漏极相连，其阴极与所述MOS开关元件的源极相连。

7.根据权利要求1所述的数控激光切割机控制系统，其特征在于，所述PCI控制板卡包括：

数字IO卡接口，将所述可编程逻辑控制器与所述数字IO控制板卡相连，用于传输所述开关控制信号；

电机轴卡接口，将所述可编程逻辑控制器与所述电机轴控制板卡相连，用于传输所述运动控制信号；

检测电路，与所述可编程逻辑控制器相连，用于对所述PCI控制板卡的电压、温度以及电池电量进行检测；以及

电源状态指示及输出电路，与所述可编程逻辑控制器相连，用于根据所述用户指令输出电源状态指示信号。

8.根据权利要求1所述的数控激光切割机控制系统，其特征在于，所述PCI控制板卡包括电源电路，与所述PCI接口相连，用于向所述PCI控制板卡供电。

9.根据权利要求1所述的数控激光切割机控制系统，其特征在于，所述PCI控制板卡还包括：

内存，与所述可编程逻辑控制器相连，用于存储数据；以及

电池，与所述内存相连，用于给所述内存供电。

10.根据权利要求1所述的数控激光切割机控制系统，其特征在于，所述可编程逻辑控制器为现场可编程门阵列控制器。

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