CN111618423A - 一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统及其工作方法 - Google Patents

一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统及其工作方法，其属于激光加工数控技术领域，其技术要点在于：包括核心控制器工控机以及由其协同控制的直线轴控制子系统、旋转轴控制子系统、激光控制子系统和辅助设备控制子系统。直线轴控制子系统包括电机控制单元、伺服电机驱动器、伺服电机以及滚珠丝杠四个模块；旋转轴控制子系统包括力矩电机驱动器和力矩电机两个模块；激光控制子系统包括PWM信号发生器、激光器以及激光光路三个模块；辅助设备控制子系统包括IO模块和辅助设备两个模块。利用本系统可实现激光加工设备的有效控制，提高激光加工的精度和控制系统的开放性。

Description

一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及激光加工数控技术领域，更具体地说，尤其涉及一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统及其工作方法。
背景技术
激光加工在制造领域有着广泛的应用，例如：板材切割、表面清理、激光钻孔、表面打标、激光刻型等加工方式，为制造精度和生产效率的提高做出了卓越贡献。目前大多激光加工数控系统基于运动控制板卡开发，其可扩展性差，通用性差，不利于激光加工向着智能化、协同化的方向发展。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统及其工作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统，其特征在于：包括核心控制器工控机1以及由其协同控制的直线轴控制子系统2、旋转轴控制子系统3、激光控制子系统4和辅助设备控制子系统5；
其中，工控机1的输出端分别与直线轴控制子系统2的输入端、旋转轴控制子系统3的输入端、激光控制子系统4的输入端、辅助设备控制子系统5的输入端连接。
进一步，直线轴控制子系统2包括电机控制单元6、伺服电机驱动器7、伺服电机8以及滚珠丝杠9四个模块；
进一步，旋转轴控制子系统3包括力矩电机驱动器10和力矩电机11两个模块；
进一步，激光控制子系统4包括PWM信号发生器12、激光器13以及激光光路14三个模块；
进一步，辅助设备控制子系统5包括IO模块15和辅助设备16，子系统主要辅助设备有：集尘器、冷却机、加速度计、温湿度计、照明灯、行车记录仪。
一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统，其特征在于：工控机1的作用如下：
一：读入加工程序，并完成译码、速度规划、插补、坐标变换、螺距补偿等常规过程，得到用于协同控制子系统的指令；
二：将解读到的运动指令传至直线轴控制子系统2和旋转轴控制子系统3，实现机床的位置控制；
三：将解读到的激光指令传至激光控制子系统4，实现激光的功率控制；
四：将解读到的辅助指令传至辅助设备控制子系统5，实现辅助设备的启停控制。
进一步，直线轴控制子系统2用于实现机床X、Y、Z方向上的运动，与工控机1之间采用Profibus现场总线建立连接；
进一步，电机控制单元6接收来自工控机1以报文形式传来的直线位置指令，将位置指令分解至各伺服电机驱动器7；伺服电机驱动器7接收位置指令后进行PID计算，将驱动电流信号传至伺服电机8；伺服电机8带动滚珠丝杠9完成直线运动；直线轴控制子系统2内部各个模块之间采用DRIVE-CLiQ高速驱动接口建立连接。
进一步，旋转轴控制子系统3用于实现机床i、j、k方向上的运动，与工控机1之间采用EtherCAT现场总线建立连接；
进一步，力矩电机驱动器10接收来自工控机1传来的旋转位置指令，将位置指令分解至各旋转轴，并进行PID计算得到驱动电流，实现对力矩电机11的控制，力矩电机11比普通伺服电机定位精度高，输出力矩大，因此选用来带动激光头运动。
进一步，激光控制子系统4用于实现激光的开关以及功率的调节，与工控机1之间采用Profinet总线建立连接；
进一步，PWM信号发生器12接收来自工控机1传来的激光功率指令，产生不同频率、占空比的激光信号传给激光器13；激光器13接收激光信号，产生激光，并通过激光光路14完成激光的扩束、传输、聚焦等过程，通过激光头射出，完成激光加工。
进一步，辅助设备控制子系统5用于实现辅助设备的启停控制，与工控机1之间采用EtherCAT总线建立连接；
进一步，IO模块15接收来自工控机1传来的辅助设备控制指令，直接控制辅助设备16的启停；子系统主要辅助设备有：集尘器、冷却机、加速度计、温湿度计、照明灯、行车记录仪；
其中，集尘器用来将激光加工过程中产生的烟尘吸出至排风口，以减少污染；
其中，冷却机用来对激光器进行冷却，避免激光器过热导致性能不稳定；
其中，加速度计用来采集机床运行过程中各轴加速度，进而计算速度、位移等数据；
其中，温湿度计用来测量激光器和机床内部的温湿度；
其中，照明灯用来在加工过程中提供照明便于操作者观察机床是否出现异常；
其中，行车记录仪用来记录加工过程，采集视频信息。
一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统的工作方法，其特征在于，前述的一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统，工作方法如下：
工控机1部署在机床电气柜中，机床开机自启，等待操作人员输入加工指令或进行按键操作；
进一步，直线轴控制子系统2中的电机控制单元6和伺服电机驱动器7部署在机床电气柜中，等待工控机1发送指令；伺服电机8和滚珠丝杠9安装在机床床身，接收直线运动指令后即可动作；
进一步，旋转轴控制子系统3中的力矩电机驱动器10部署在机床电气柜中，等待工控机1发送指令；力矩电机11安装在机床Z轴的激光光路水平台下方，接收旋转运动指令即可动作；
进一步，激光控制子系统4中的PWM信号发生器12部署在机床电气柜中，等待工控机1发送指令；激光器13和激光光路14安装在机床Z轴的激光光路水平台上，激光器13接收激光指令后产生激光，通过激光光路14的一系列调整即可进行加工；
进一步，辅助设备控制子系统5中的IO模块15部署在机床电气柜中，等待工控机1发送指令；辅助设备16分布于机床各个位置，接收IO模块15发送的指令后即可产生相应动作。
本发明的有益效果是：
一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统的核心控制器是工控机，体积较小，计算性能高，灵活方便；系统可实现目前主流现场总线控制器的协同控制，开放性好，通用性强；旋转轴采用力矩电机，输出力矩大，定位精度高，从而使得激光加工精度得到有效提升；
附图说明
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
图1为本发明系统的硬件架构图。
图2为机床电气柜实物图。
图3为激光光路实物图。
图4为五轴联动激光加工机床实物图。
附图标记说明如下：
工控机1，直线轴控子系统2，旋转轴控制子系统3，激光控制子系统4，辅助设备控制子系统5，电机控制单元6，伺服电机驱动器7，伺服电机8，滚珠丝杠9，力矩电机驱动器10，力矩电机11，PWM信号发生器12，激光器13，激光光路14，IO模块15，辅助设备16。
具体实施方式
实施例1：以五轴联动激光加工机床为例对本发明进行具体说明。
如图2所示为五轴联动激光加工机床电气柜实物图，工控机采用倍福C6640-0040工控机，配有CoreTM i7 2.3GHz CPU，具有8G运行内存，系统采用win7专业版；工控机的作用如下：
一：读入加工程序，并完成译码、速度规划、插补、坐标变换、螺距补偿等常规过程，得到用于协同控制子系统的指令；
二：将解读到的运动指令传至直线轴控制子系统和旋转轴控制子系统，实现机床的位置控制；
三：将解读到的激光指令传至激光控制子系统，实现激光的功率控制；
四：将解读到的辅助指令传至辅助设备控制子系统，实现辅助设备的启停控制。
直线轴控制子系统采用西门子CU320电机控制单元、S120 DC/AC伺服电机驱动器、1FK7系列伺服电机和HIWIN HG重负荷型滚珠丝杠，电机控制单元CU320与工控机之间采用网线连接，通信协议为Profibus现场总线协议；
电机控制单元CU320接收来自工控机以报文形式传来的直线位置指令，将位置指令分解至各伺服电机驱动器；伺服电机驱动器接收位置指令后进行PID计算，将驱动电流信号传至伺服电机；伺服电机带动滚珠丝杠完成直线运动；直线轴控制子系统内部各个模块之间采用网线连接，通信协议为DRIVE-CLiQ高速驱动协议。
旋转轴控制子系统采用Kollmorgen AKD力矩电机驱动器和DDR D06X系列力矩电机，AKD力矩电机驱动器与工控机之间采用网线连接，通信协议为EtherCAT现场总线协议；
Kollmorgen AKD力矩电机驱动器接收来自工控机传来的旋转位置指令，将位置指令分解至各旋转轴，并进行PID计算得到驱动电流，实现对力矩电机的控制。
激光控制子系统采用西门子S7-1200 PLC产生PWM信号，采用新锐OEM v30激光器，激光光路采用扩束镜、聚焦镜和一系列反射镜，如图3所示；西门子S7-1200与工控机之间采用网线连接，通信协议为Profinet现场总线协议；
西门子S7-1200接收来自工控机传来的激光功率指令，产生不同频率、占空比的激光信号传给激光器；激光器接收激光信号，产生激光，并通过激光光路完成激光的扩束、传输、聚焦等过程，通过激光头射出，完成激光加工。
辅助设备控制子系统采用倍福EL1008、EL2008等IO模块，辅助设备采用普华DK系列集尘器、东露阳DIC006ASS-LC2系列冷水机、NI加速度计、OMEGA温湿度计、ONLION照明灯、HIKVISION行车记录仪。
配有上述基于工控机的多轴联动激光加工数控系统的五轴联动激光加工机床实物如图4所示，其工作方法为：
工控机部署在机床电气柜中，机床开机自启，等待操作人员输入加工指令或进行按键操作；
直线轴控制子系统中的电机控制单元和伺服电机驱动器部署在机床电气柜中，等待工控机发送指令；伺服电机和滚珠丝杠安装在机床床身，接收直线运动指令后即可动作；
旋转轴控制子系统中的力矩电机驱动器部署在机床电气柜中，等待工控机发送指令；力矩电机安装在机床Z轴的激光光路水平台下方，接收旋转运动指令即可动作；
激光控制子系统中的PWM信号发生器部署在机床电气柜中，等待工控机发送指令；激光器和激光光路安装在机床Z轴的激光光路水平台上，激光器接收激光指令后产生激光，通过激光光路的一系列调整即可进行加工；
辅助设备控制子系统中的IO模块部署在机床电气柜中，等待工控机发送指令；辅助设备分布于机床各个位置，接收IO模块发送的指令后即可产生相应动作。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更改或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (7)

1.一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统，其特征在于：所述的多轴联动激光加工数控系统包括：工控机(1)以及由其协同控制的直线轴控制子系统(2)、旋转轴控制子系统(3)、激光控制子系统(4)和辅助设备控制子系统(5)；
其中，旋转轴控制子系统(3)包括两个模块，即力矩电机驱动器(10)和力矩电机(11)；
其中，激光控制子系统(4)包括三个模块，即PWM信号发生器(12)、激光器(13)以及激光光路(14)；
其中，辅助设备控制子系统(5)包括IO模块(15)和辅助设备(16)。
2.根据权利要求书1所述的一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统，其特征在于：工控机(1)的作用如下：
一：读入加工程序，并完成译码、速度规划、插补、坐标变换、螺距补偿常规过程，得到用于协同控制子系统的指令；
二：将解读到的运动指令传至直线轴控制子系统(2)和旋转轴控制子系统(3)，实现机床的位置控制；
三：将解读到的激光指令传至激光控制子系统(4)，实现激光的功率控制；
四：将解读到的辅助指令传至辅助设备控制子系统(5)，实现辅助设备的启停控制。
3.根据权利要求书1所述的一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统，其特征在于：直线轴控制子系统(2)用于实现机床X、Y、Z方向上的运动，与工控机(1)之间采用Profibus现场总线建立连接；
电机控制单元(6)接收来自工控机(1)以报文形式传来的直线位置指令，将位置指令分解至各伺服电机驱动器(7)；伺服电机驱动器(7)接收位置指令后进行PID计算，将驱动电流信号传至伺服电机(8)；伺服电机(8)带动滚珠丝杠(9)完成直线运动；直线轴控制子系统(2)内部各个模块之间采用DRIVE-CLiQ高速驱动接口建立连接。
4.根据权利要求书1所述的一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统，其特征在于：旋转轴控制子系统(3)用于实现机床i、j、k方向上的运动，与工控机(1)之间采用EtherCAT现场总线建立连接；
力矩电机驱动器(10)接收来自工控机(1)传来的旋转位置指令，将位置指令分解至各旋转轴，并进行PID计算得到驱动电流，实现对力矩电机(11)的控制，力矩电机(11)用来带动激光头运动。
5.根据权利要求书1所述的一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统，其特征在于：激光控制子系统(4)用于实现激光的开关以及功率的调节，与工控机(1)之间采用Profinet总线建立连接；
PWM信号发生器(12)接收来自工控机(1)传来的激光功率指令，产生不同频率、占空比的激光信号传给激光器(13)；激光器(13)接收激光信号，产生激光，并通过激光光路(14)完成激光的扩束、传输、聚焦等过程，通过激光头射出，完成激光加工。
6.根据权利要求书1所述的一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统，其特征在于：辅助设备控制子系统(5)用于实现辅助设备的启停控制，与工控机(1)之间采用EtherCAT总线建立连接；
IO模块(15)接收来自工控机(1)传来的辅助设备控制指令，直接控制辅助设备(16)的启停；，所述辅助设备包括：集尘器、冷却机、加速度计、温湿度计、照明灯、行车记录仪；
其中，集尘器用来将激光加工过程中产生的烟尘吸出至排风口，以减少污染；
其中，冷却机用来对激光器进行冷却，避免激光器过热导致性能不稳定；
其中，加速度计用来采集机床运行过程中各轴加速度，进而计算速度、位移等数据；
其中，温湿度计用来测量激光器和机床内部的温湿度；
其中，照明灯用来在加工过程中提供照明便于操作者观察机床是否出现异常；
其中，行车记录仪用来记录加工过程，采集视频信息。
7.一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统的工作方法，其特征在于，采用如权利要求1至6任意一项所述的一种基于工控机的多轴联动激光加工数控系统，工作方法如下：
工控机(1)部署在机床电气柜中，机床开机自启，等待操作人员输入加工指令或进行按键操作；
直线轴控制子系统(2)中的电机控制单元(6)和伺服电机驱动器(7)部署在机床电气柜中，等待工控机(1)发送指令；伺服电机(8)和滚珠丝杠(9)安装在机床床身，接收直线运动指令后即可动作；
旋转轴控制子系统(3)中的力矩电机驱动器(10)部署在机床电气柜中，等待工控机(1)发送指令；力矩电机(11)安装在机床Z轴的激光光路水平台下方，接收旋转运动指令即可动作；
激光控制子系统(4)中的PWM信号发生器(12)部署在机床电气柜中，等待工控机(1)发送指令；激光器(13)和激光光路(14)安装在机床Z轴的激光光路水平台上，激光器(13)接收激光指令后产生激光，通过激光光路(14)的一系列调整即可进行加工；
辅助设备控制子系统(5)中的IO模块(15)部署在机床电气柜中，等待工控机(1)发送指令；辅助设备(16)分布于机床各个位置，接收IO模块(15)发送的指令后即可产生相应动作。
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