CN115685886A - 一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡，包括数字处理模块,和EtherCAT数据转换模块连接,通过EtherNet输入接口与上位机连接；通过数字信号输出接口与激光器连接，用于对激光器进行控制；通过EtherCAT输出接口与运动轴控制从站连接，用于对直线运动平台和机器人的运动轴进行控制；EtherCAT数据转换模块,和振镜控制从站连接，EtherCAT数据转换模块用于将数字处理模块发送的EtherCAT通讯数据转换成振镜标准协议数据，然后将振镜标准协议数据发送给振镜控制从站，通过振镜控制从站控制振镜偏转，完成激光光路偏转控制。本发明应用于机器人+运动平台+振镜+激光器的柔性激光加工场景，极大地提高了生产力。避免因通信导致数据阻塞，造成激光打标控制卡的掉卡现象。

Description

一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡

技术领域

本发明涉及激光打标领域，具体为一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡。

背景技术

目前激光打标控制卡都基本带有振镜控制、运动轴控制和激光器控制的接口，但其功能只能实现特定功能上的激光加工应用，没有实时同步振镜、运动轴和激光器的功能，没有稳定的高速传输数据协议，没有集成振镜、运动轴联动实时同步控制算法，因此不能实现振镜、运动轴联动激光加工功能。目前市场中通过EtherCAT现场总线连接的设备越来越多，现在的伺服运动轴也是通过EtherCAT接口进行通信，普通激光打标控制卡已经不能控制带有EtherCAT总线接口的设备。

随着科学的发展与进步，人们认识到机器人替代人工生产和操作所具有的优越性。机器人+振镜+激光器的模式已经广泛的应用于柔性的激光加工作业。在现阶段的汽车制造、冶金工业中应用激光切割、制造、焊接等多项技术，极大地提高了生产力。市面上大部分机器人的控制系统都采用标准EtherCAT接口，传统的激光控制打标卡不能通过EtherCAT接口和机器人进行数据通信，机器人和振镜进行分别控制，各自执行自己的加工数据，相互之前没有数据交互和反馈。这样的加工场景往往对精度和速度要求较低，无法实现机器人+振镜高速度、高精度联动激光加工。

发明内容

为克服上述背景技术中传统的激光控制打标卡不能通过EtherCAT接口和机器人进行数据通信，机器人和振镜进行分别控制，各自执行自己的加工数据，相互之前没有数据交互和反馈。这样的加工场景往往对精度和速度要求较低，无法实现机器人+振镜高速度、高精度联动激光加工的缺点，本发明的目的在于提供一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡。

为了达到以上目的，本发明采用如下的技术方案是：

本发明提供一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡,包括

数字处理模块,所述数字处理模块和EtherCAT数据转换模块连接,所述数字

处理模块通过EtherNet输入接口与上位机连接；所述数字处理模块通过数字信号输出接口与激光器连接，用于对激光器进行控制；所述数字处理模块通过EtherCAT输出接口与运动轴控制从站连接，用于对直线运动平台和机器人的运动轴进行控制；

EtherCAT数据转换模块,所述EtherCAT数据转换模块和振镜控制从站连接，

所述EtherCAT数据转换模块用于将数字处理模块发送的EtherCAT通讯数据转换成振镜标准协议数据，然后将振镜标准协议数据发送给振镜控制从站，通过振镜控制从站控制振镜偏转，完成激光光路偏转控制。

本发明采用基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡能够适配带有EtherCAT通讯接口设备(包括激光器、运动轴控制从站和振镜控制从站等)，能够与这些设备直接进行数据交互，使激光打标控制卡在控制激光加工的过程中实时处理轴和振镜的运动位置信息，直接应用于机器人+运动平台+振镜+激光器的柔性激光加工场景，极大地提高了生产力。

采用标准以太网接口，具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强等优点，能避免因通信导致数据阻塞，造成激光打标控制卡的掉卡现象。

在一些可能的实施方式中，所述数字处理模块和内存数据模块连接，所述内存数据模块用于处理激光打标数据。

在一些可能的实施方式中，所述电数字处理模块和电源及保护模块连接，所述电源及保护模块用于给激光打标控制卡供电及电路保护。

在一些可能的实施方式中，所述数字处理模块和IO扩展模块连接，所述IO扩展模块用于使激光打标控制卡同外部其他设备进行IO数据交互。

在一些可能的实施方式中，所述数字处理模块采用FPGA+DSP架构。

在一些可能的实施方式中，所述运动轴、振镜和激光器采用同步时钟信号。

在一些可能的实施方式中，所述EtherCAT网络通信能替代为CAN通信、profibus通信或cc-link通信。

在一些可能的实施方式中，所述激光打标控制卡支持XY2-100振镜控制协议、SPI振镜控制协议、CTI-RAYLASE振镜控制协议和CANON振镜控制协议。

附图说明

图1为本发明实施例基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡的应用场景示意图；

图2为本发明实施例EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

目前市面上应用的激光打标控制卡通信接口是基于PCI接口、PCIE接口和USB接口。其与运动轴模块的通信接口往往都是用专用的脉冲接口，这种方式导致各运动轴控制信号引脚定义不同，接线复杂，屏蔽干扰信号不到位。EtherCAT协议自从推出以来，凭借其优异的性能得到了工控领域的广泛关注，并且取得了长足的发展。现在很多伺服运动平台都兼容EtherCAT通信接口，振镜和激光器也都会适配EtherCAT通信接口。而目前激光打标控制卡还不能使用ETherCAT通信接口进行设备控制和数据传输。因此，在激光控制加工领域兼容EtherCAT通信接口已经成为主流趋势。当前，EtherCAT协议被越来越多的自动化装备所采用，因此，基于EtherCAT控制卡的激光加工设备，可以更好的与自动化产线集成。另一方面，多个激光加工设备协同工作时，EtherCAT协议也能发挥出优势。

本发明基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡能够解决常用USB通讯接口激光打标卡在工作过程中受到干扰时存在的掉卡问题；板卡驱动存在各种版本且不统一，版本之间不能兼容问题。同时其最大功能是能够同步运动轴、振镜和激光器控制，使运动控制、振镜控制、激光控制于一体，三者能够紧密配合协作联动加工。相对于传统大幅面激光加工场景，速度和精度都得到了非常大的提升。

EtherCAT现场总线协议具有拓扑结构十分灵活，最多可支持65535个设备，而对拓扑结构没有限制。几乎无限数量的节点可以组成线型、树型、星型拓扑及任何拓扑的组合。数据传输速度快，使用双绞线或光缆可以在30us内处理1000个分布式I/O信号。其具有纳秒级别的同步性，能够保证精确同步。以相当甚至低于传统现场总线系统的价格水平提供工业以太网的特性。对于主站设备硬件仅需要一个以太网端口——而无需昂贵的接口卡或协处理器。EtherCAT是一个广泛采用的开放标准。而目前市场中通过现场总线或无线连接的设备越来越多。基于这些原因，EtherCAT在工业控制中应用非常广泛，其在激光控制加工领域也必将成为必然。因此基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡，能够满足市场需求，成为激光控制加工应用中一个实用的解决方案。

参见附图1和附图2所示，本实施例提供一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡,包括

FPGA+DSP数字处理模块,所述FPGA+DSP数字处理模块和EtherCAT数据转换模块连接,所述FPGA+DSP数字处理模块通过EtherNet以太网接口与上位机连接；所述FPGA+DSP数字处理模块通过数字信号输出接口(EtherCAT输出接口)与激光器连接，用于对激光器进行控制；所述FPGA+DSP数字处理模块通过EtherCAT输出接口与运动轴控制从站连接，用于对直线运动平台和机器人的运动轴进行控制；

EtherCAT数据转换模块,所述EtherCAT数据转换模块和振镜控制从站连接，

所述EtherCAT数据转换模块用于将FPGA+DSP数字处理模块发送的EtherCAT通讯数据转换成振镜标准协议数据，然后将振镜标准协议数据发送给振镜控制从站，通过振镜控制从站控制振镜偏转，完成激光光路偏转控制。

上位机将激光打标的文字或图案目标图形转换成数据信息通过EtherNet以太网接口传输到FPGA+DSP数字处理模块进行处理加工；FPGA+DSP数字处理模块将处理加工后的EtherCAT通讯数据发送给EtherCAT数据转换模块，EtherCAT数据转换模块将EtherCAT通讯数据转换成振镜标准协议数据，将振镜标准协议数据发送给振镜控制从站，通过振镜控制从站控制振镜偏转，完成激光光路偏转控制；FPGA+DSP数字处理模块将处理加工后的EtherCAT通讯数据通过数字信号输出接口(EtherCAT输出接口)发送给激光器，对激光器进行连接、开/关光、设置频率、能量调节控制和PSO功能等的控制；FPGA+DSP数字处理模块将处理加工后的EtherCAT通讯数据通过EtherCAT输出接口发送给运动轴控制从站，通过运动轴控制从站向机器人和运动平台所有运动轴提供设置值和控制数据，并报告所有运动轴的实际位置和状态；通过EtherCAT网络通信控制，使机器人+运动平台+振镜+激光器进行高速度、高精度联动激光加工。

基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡能够适配带有EtherCAT通讯接口设备(包括激光器、运动轴控制从站和振镜控制从站等)，能够与这些设备直接进行数据交互，使激光打标控制卡在控制激光加工的过程中实时处理轴和振镜的运动位置信息，直接应用于机器人+运动平台+振镜+激光器的柔性激光加工场景，极大地提高了生产力。

采用标准以太网接口，具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强等优点，能避免因通信导致数据阻塞，造成激光打标控制卡的掉卡现象。

在上述实施例的基础上，所述数字处理模块和内存数据模块连接，所述内存数据模块用于处理激光打标数据。

内存数据模块一次性可处理60s的激光加工大数据，能适合于数据吞吐量大的激光加工场景。

在上述实施例的基础上，所述电数字处理模块和电源及保护模块连接，所述电源及保护模块用于给激光打标控制卡供电及电路保护。

在上述实施例的基础上，所述数字处理模块和IO扩展模块连接，所述IO扩展模块用于使激光打标控制卡同外部其他设备进行IO数据交互。

通过EtherCAT接口可以进行数据高速交互，1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs在此期间，可以向所有运动轴提供设置值和控制数据，并报告它们的实际位置和状态。

在上述实施例的基础上，所述数字处理模块采用FPGA+DSP架构。

FPGA+DSP架构的数字处理模块提供超强的计算能力，可以使运动轴控制频率达到大于1KHz,振镜控制频率达到100KHz，激光器控制频率达到1MHz,能应用于高速度、高精度的激光加工场景。

在上述实施例的基础上，所述运动轴、振镜和激光器采用同步时钟信号。因为分布式时钟具有实时性，为运动轴+振镜+激光器之间的同步协作提供了基础。将运动控制功能、振镜控制功能、激光器控制功能于一体，能够将运动轴、振镜和激光器进行同步控制，通过EtherCAT高速传输协议，振镜和运动轴能够快速的对各自运行误差进行实时补偿，从而达到一个实时的高速的、高精度的激光加工效果。

在上述实施例的基础上，所述EtherCAT网络通信能替代为CAN通信、profibus通信或cc-link通信。

在上述实施例的基础上，所述激光打标控制卡支持XY2-100振镜控制协议、SPI振镜控制协议、CTI-RAYLASE振镜控制协议和CANON振镜控制协议。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡,其特征在于：包括

数字处理模块,所述数字处理模块和EtherCAT数据转换模块连接,所述数字处理模块通过EtherNet输入接口与上位机连接；所述数字处理模块通过数字信号输出接口与激光器连接，用于对激光器进行控制；所述数字处理模块通过EtherCAT输出接口与运动轴控制从站连接，用于对直线运动平台和机器人的运动轴进行控制；

EtherCAT数据转换模块,所述EtherCAT数据转换模块和振镜控制从站连接，所述EtherCAT数据转换模块用于将数字处理模块发送的EtherCAT通讯数据转换成振镜标准协议数据，然后将振镜标准协议数据发送给振镜控制从站，通过振镜控制从站控制振镜偏转，完成激光光路偏转控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡，其特征在于：所述数字处理模块和内存数据模块连接，所述内存数据模块用于处理激光打标数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡，其特征在于：所述电数字处理模块和电源及保护模块连接，所述电源及保护模块用于给激光打标控制卡供电及电路保护。

4.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡，其特征在于：所述数字处理模块和IO扩展模块连接，所述IO扩展模块用于使激光打标控制卡同外部其他设备进行IO数据交互。

5.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡，其特征在于：所述数字处理模块采用FPGA+DSP架构。

6.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡，其特征在于：所述运动轴、振镜和激光器采用同步时钟信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡，其特征在于：所述EtherCAT网络通信能替代为CAN通信、profibus通信或cc-link通信。

8.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT网络通信的联动激光打标控制卡，其特征在于：所述激光打标控制卡支持XY2-100振镜控制协议、SPI振镜控制协议、CTI-RAYLASE振镜控制协议和CANON振镜控制协议。

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