CN210222558U

CN210222558U - 高速电主轴模块化多轴协同控制器

Info

Publication number: CN210222558U
Application number: CN201921240124.1U
Authority: CN
Inventors: Zhiwen Luo; 罗智文; Zhiguo Wang; 王治国; Chao Wang; 王超; Kai Huang; 黄凯; Kai Li; 李锴; Jing Guo; 郭婧; Fengxia Gao; 高凤霞
Original assignee: Qing Zheng Yuan Hua (beijing) Technology Co Ltd
Current assignee: Qing Zheng Yuan Hua (beijing) Technology Co Ltd
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2029-08-01

Abstract

本实用新型涉及一种高速电主轴模块化多轴协同控制器，其包括的高速电主轴驱动器CPU主控板、多个高速电主轴驱动器功率模块和控制及功率电源模块均通过功率总线和高速通信总线由板卡接口连接到高速电主轴驱动器背板模块上；高速电主轴驱动器CPU主控板通过通信总线与现有计算机数控系统上层配套系统连接；若干高速电主轴驱动器功率模块通过高速电主轴驱动器背板模块和高速通信总线由高速电主轴驱动器CPU主控板进行协同控制；控制及功率电源模块用于将接收到的外部输入的交流电进行功率转换，输出直流24V逻辑控制和直流功率电，通过功率总线和高速电主轴驱动器背板模块把功率及控制能量传送到高速电主轴驱动器CPU主控板及每个高速电主轴驱动器功率模块内。

Description

高速电主轴模块化多轴协同控制器

技术领域

本实用新型涉及一种协同驱动控制器，特别是关于一种高速电主轴模块化多轴协同控制器。

背景技术

现有的高速电主轴控制器基本都是独立的驱动器去驱动单个高速电主轴运行，对于一些机床上有需要用多个高速电主轴进行协同驱动控制时，每个独立的高速电主轴驱动器之间却不能进行实时的相互通讯，这种独立的高速电主轴驱动器往往在需要多个电主轴协同加工的机床上表现出的效果较差。

另一方面，目前机床越来越向着高集成化，高密度的方向发展，尤其高端机床对于体积的要求更是较为苛刻，因此机床中预留给高速电主轴控制器的空间大小就极为有限。并且对于多个独立安装的高速电主轴驱动器的可扩展性也较差。尤其对于多高速电主轴协同加工的机床，使用独立的高速电主轴驱动器组也存在较大的资源冗余，并且独立驱动器组的整体体积较大，成本也较高。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种高速电主轴模块化多轴协同控制器，其极大的节省了机床的空间，提高了利用率，节省了生产成本，并且机床中所有的高速电主轴都被该控制器统一协同控制，极大的提高了系统整体的稳定性。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种高速电主轴模块化多轴协同控制器，其包括高速电主轴驱动器CPU主控板、高速电主轴驱动器功率模块、控制及功率电源模块、高速电主轴驱动背板模块、功率总线和高速通信总线；所述高速电主轴驱动器功率模块设置为多个；所述高速电主轴驱动器CPU主控板、多个高速电主轴驱动器功率模块和控制及功率电源模块均通过所述功率总线和高速通信总线由板卡接口连接到所述高速电主轴驱动器背板模块上；所述高速电主轴驱动器CPU主控板通过通信总线与现有计算机数控系统上层配套系统连接；若干所述高速电主轴驱动器功率模块通过所述高速电主轴驱动器背板模块和高速通信总线由所述高速电主轴驱动器CPU主控板进行协同控制；所述控制及功率电源模块用于将接收到的外部输入的交流电进行功率转换，输出一路直流24V逻辑控制和一路直流功率电，通过所述功率总线和高速电主轴驱动器背板模块把功率及能量传送到所述高速电主轴驱动器CPU主控板及每个所述高速电主轴驱动器功率模块内。

进一步，所述高速电主轴驱动器CPU主控板包括母线保护电路、直流母线输入电路、24V逻辑电源输入接口、模拟输出接口、USB模块、CPU模块、EtherCAT接口、PLC连接接口、RS485\CAN接口、数码管显示模块和板级通讯接口；所述功率总线与所述母线输入电路和24V逻辑电源输入接口连接，传送电能到所述高速电主轴驱动器CPU主控板内；所述高速电主轴驱动器CPU主控板通过所述板级通信接口连接到所述高速电主轴驱动背板模块上进行数据通信；所述母线输入电路的输出端经所述母线保电路与所述CPU模块连接，所述模拟输出接口、USB模块、EtherCAT接口、PLC连接接口、RS485\CAN接口和数码管显示模块均与所述CPU模块进行通讯。

进一步，所述模拟输出接口用于输出高速电主轴运行时的模拟参数；所述CPU模块通过所述USB模块与外部PC进行信息传输；机床的计算机数控系统通过所述EtherCAT接口、PLC接口和RS485\CAN接口，经所述高速通信总线与所述CPU模块连接；所述数码管显示根据接收到的所述CPU模块传输至的信息，显示当前系统的运行状态。

进一步，所述高速电主轴驱动器功率模块包括板级通讯接口、GaN/SiC半桥电路、24V逻辑电源输入接口、通讯解码模块、直流母线输入接口、编码器模块、母线测量模块和交流输出电流测量模块；所述高速电主轴驱动器功率模块通过所述板级通信接口连接到所述高速电主轴驱动背板模块上，与所述高速电主轴驱动器CPU主控板进行数据通信；所述通讯解码模块将接收到的所述高速电主轴驱动器CPU主控板输出的各种指令进行解码，然后输出PWM到所述GaN/SiC半桥电路中进行交流功率输出；所述GaN/SiC半桥电路设置有三个，组成一个三相两电平的逆变器，把输入的功率直流电逆变成三相交流电输出至所述高速电主轴，每个所述高速电主轴驱动器功率模块驱动一个所述高速电主轴，该逆变器与所述通讯解码模块进行信息交互；所述24V逻辑电源输入接口和直流母线输入接口通过所述高速电主轴驱动器背板模块接收输入的电能，所述直流母线输入接口将接收到的功率直流电能经所述母线测量模块传输至所述通讯解码模块，所述交流输出电流测量模块与所述通讯解码模块连接进行信息交互，所述母线测量模块和交流输出电流测量模块将实时监测的电压、电流传输至所述通讯解码模块；所述通讯解码模块将接收到的信息经所述板级通讯接口和高速电主轴驱动器背板模块，传输至所述高速电主轴驱动器CPU主控板内。

进一步，所述高速电主轴驱动器功率模块还包括过温保护电路、地址选择器和数码管显示模块；所述过温保护电路实时监测高速电主轴驱动器功率模块的运行温度，并传输至所述通讯解码模块，所述地址选择器与所述通讯解码模块连接进行信息交互，所述地址选择器将分配到的一个总线使用的子模块地址传输至所述通讯解码模块；所述通讯解码模块将接收到的信息经所述板级通讯接口和高速电主轴驱动器背板模块，传输至所述高速电主轴驱动器CPU主控板内；所述数码管显示模块与所述通讯解码模块连接。

进一步，所述通讯解码模块为一块FPGA、CPLD或CPU。

进一步，所述高速电主轴驱动器功率模块包括直流24V逻辑开关电源、直流功率开关电源和功率输出接口；由外部输入的交流电传输至所述24V逻辑开关电源和直流功率开关电源，由所述24V逻辑开关电源和直流功率开关电源输出相应电平和功率的电能量，该电能量通过所述功率输出接口和所述功率总线传输至所述高速电主轴驱动器CPU主控板和若干个高速电主轴驱动器功率模块。

进一步，所述高速电主轴驱动器功率模块还包括远程调试控制接口，所述远程调试控制接口与所述24V逻辑开关电源和直流功率开关电源连接。

进一步，所述高速电主轴驱动器背板模块中包括功率直流母线输入/输出接口、24V逻辑输入/输出接口、过温保护电路和板级通讯接口；所述功率直流母线输入/输出接口和直流24V逻辑输入/输出接口将接收到的电能量为各所述高速电主轴驱动器功率模块供电；所述高速电主轴驱动器CPU主控板通过所述板级通讯接口与若干所述高速电主轴驱动器功率模块进行信息传输，并由所述板级通讯接口提供总线通信通道；所述过温保护电路将实时监测的功率部分温度传输至所述高速电主轴驱动器CPU主控板。

进一步，还包括一机箱，所述高速电主轴驱动器CPU主控板、高速电主轴驱动器功率模块、控制及功率电源模块、高速电主轴驱动背板模块、功率总线和高速通信总线均设置在所述机箱内。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型利用一个CPU主控板总控系统中的多个驱动器功率模块，可以实现多个高速电主轴的实时协同控制。2、当机床上需要扩展多个高速电主轴时，本实用新型利用高速电主轴驱动的背板模块上的扩展插拔接口，扩展多个高速电主轴的功率模块，即完成了多个高速电主轴的驱动控制扩展。3、本实用新型可以把多个高速电主轴的驱动模块都集成在一个2U或者3U的标准机箱内，其中也集成了一个电源功率模块，极大的提高了空间利用率，也节省了生产成本。

附图说明

图1是本实用新型的高速电主轴模块化多轴协同控制器机械结构示意图；

图2是本实用新型的高速电主轴模块化多轴协同控制器拓扑原理示意图；

图3是本实用新型的高速电主轴驱动器CPU主控板原理示意图；

图4是本实用新型的高速电主轴驱动器功率模块原理示意图；

图5是本实用新型的高速电主轴驱动器控制及功率电源模块原理示意图；

图6是本实用新型的高速电主轴驱动器背板模块原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图1、图2所示，本实用新型提供一种高速电主轴模块化多轴协同控制器，该协同控制器可驱动多个高速电主轴(转速高于1万转/分钟的主轴电机)，具有可扩展、模块化的功能。本实用新型包括高速电主轴驱动器CPU主控板1、高速电主轴驱动器功率模块2、控制及功率电源模块3、高速电主轴驱动背板模块4、功率总线5和高速通信总线6；高速电主轴驱动器功率模块2设置为多个。

高速电主轴驱动器CPU主控板1、多个高速电主轴驱动器功率模块2和控制及功率电源模块3均通过功率总线5和高速通信总线6由板卡接口(如：金手指等)连接到高速电主轴驱动器背板模块4上，形成一个多高速电主轴的控制系统，由此完成多个电主轴的实时协同控制。高速电主轴驱动器CPU主控板1通过通信总线(如：ProfiBus、EtherCAT、CAN、RS485等)与现有计算机数控系统(CNC)上层配套系统连接。若干扩展的高速电主轴驱动器功率模块2通过高速电主轴驱动器背板模块4和高速通信总线6由高速电主轴驱动器CPU主控板1进行协同控制，实现实时的控制及高速电主轴的运行状态监视等功能。控制及功率电源模块3用于将接收到的外部输入的交流电进行功率转换，然后输出一路直流24V逻辑控制和一路直流功率电，通过功率总线5和高速电主轴驱动器背板模块4把功率及能量传送到高速电主轴驱动器CPU主控板1及每个高速电主轴驱动器功率模块2内。

如图3所示，高速电主轴驱动器CPU主控板1包括母线保护电路10、直流母线输入电路11、24V逻辑电源输入接口12、模拟输出接口13、USB模块14、CPU模块15、EtherCAT接口16、PLC连接接口17、RS485\CAN接口18、数码管显示模块19和板级通讯接口20。

高速电主轴驱动背板模块4中的功率总线5与直流母线输入电路11和24V逻辑电源输入接口12连接，传送电能到高速电主轴驱动器CPU主控板1内部，维持系统运行所需的能量；高速电主轴驱动器CPU主控板1通过板级通信接口20连接到高速电主轴驱动背板模块4上进行高速数据通信。母线输入电路11的输出端经母线保电路10与CPU模块15连接，由母线保护电路10实时监测输入的功率母线电压，以保证功率系统的可靠稳定。模拟输出接口13、USB模块14、EtherCAT接口16、PLC连接接口17、RS485\CAN接口18和数码管显示模块19均与CPU模块15进行通讯，模拟输出接口13用于输出高速电主轴运行时的一些模拟参数(如高速电主轴的运行转速等)；CPU模块15通过USB模块14与外部PC进行信息传输，外部PC可利用配套的高速电主轴上位机软件，通过USB模块14下载高速电主轴的运行参数到CPU模块15内部的储存器；机床的计算机数控系统也可通过EtherCAT接口16、PLC接口17和RS485\CAN接口18，经高速通信总线6与CPU模块15连接，传输相应的控制运行指令。数码管显示模块19根据接收到的CPU模块15传输至的信息，用于显示当前系统的运行状态。

如图4所示，高速电主轴驱动器功率模块2包括板级通讯接口20、GaN/SiC半桥电路21、过温保护电路22、24V逻辑电源输入接口12、通讯解码模块23、直流母线输入接口11、编码器模块24、母线测量模块25、交流输出电流测量模块26、地址选择器27和数码管显示模块模块19。

高速电主轴驱动器功率模块2通过板级通信接口20连接到高速电主轴驱动背板模块4上，与高速电主轴驱动器CPU主控板1进行高速的数据通信。通讯解码模块23为一块FPGA、CPLD或CPU，用于将接收到的高速电主轴驱动器CPU主控板1输出的各种指令(如：逆变器的输出占空比等)进行解码，然后输出PWM到GaN/SiC半桥电路21中进行交流功率输出；GaN/SiC半桥电路21设置有三个，组成一个三相两电平的逆变器，把输入的功率直流电逆变成三相交流电输出至高速电主轴29，每个高速电主轴驱动器功率模块2可以驱动一个高速电主轴29，同时，该逆变器与通讯解码模块23进行信息交互。24V逻辑电源输入接口12和直流母线输入接口11通过高速电主轴驱动器背板模块4接收输入的电能，以使高速电主轴驱动器功率模块2可以正常运行工作。直流母线输入接口11将接收到的功率直流电能经母线测量模块25传输至通讯解码模块23，交流输出电流测量模块26与通讯解码模块23连接进行信息交互，母线测量模块25和交流输出电流测量模块26用于实时监测电压、电流，并传输至通讯解码模块23。过温保护电路22实时监测高速电主轴驱动器功率模块2的运行温度，并传输至通讯解码模块23。地址选择器27与通讯解码模块23连接进行信息交互，地址选择器27将分配到的一个总线使用的子模块地址传输至通讯解码模块23。通讯解码模块23将接收到的信息经过板级通讯接口20和高速电主轴驱动器背板模块4，传输至高速电主轴驱动器CPU主控板1内。数码管显示模块19与通讯解码模块23连接，用于显示高速电主轴驱动器功率模块2运行时的实时状态。

如图5所示，高速电主轴驱动器功率模块3包括直流24V逻辑开关电源30、直流功率开关电源31、功率输出接口32和远程调试控制接口33。由外部输入的交流电传输至24V逻辑开关电源30和直流功率开关电源31，由24V逻辑开关电源30和直流功率开关电源31输出相应电平和功率的电能量，该电能量通过功率输出接口32和高速电主轴驱动器背板模块4上的功率总线5传输至高速电主轴驱动器CPU主控板1和若干个高速电主轴驱动器功率模块2。远程调试控制接口33是一个独立于系统的通讯接口，与24V逻辑开关电源30和直流功率开关电源31连接，用于电源的参数外部设定及调试。

如图6所示，高速电主轴驱动器背板模块4中包括功率直流母线输入/输出接口40、24V逻辑输入/输出接口41、过温保护电路22和板级通讯接口20。功率直流母线输入/输出接口40和直流24V逻辑输入/输出接口41将接收到的电能量为各高速电主轴驱动器功率模块2供电；高速电主轴驱动器CPU主控板1通过板级通讯接口20与若干个高速电主轴驱动器功率模块2进行信息传输，并由板级通讯接口20提供一种超快速的总线通信通道(如：LVDS高速通信总线等)。由于高速电主轴驱动器背板模块4上有功率通道，系统在长时间满负荷运行工作时，功率通道上的电流较大，将会产生较高的温度，过温保护电路22的主要功能就是实时监测功率部分的温度，并传输至高速电主轴驱动器CPU主控板1，以保护整个系统的安全可靠运行。

上述各实施例中，还包括一机箱，高速电主轴驱动器CPU主控板1、高速电主轴驱动器功率模块2、控制及功率电源模块3、高速电主轴驱动背板模块4、功率总线5和高速通信总线6均设置在机箱内。该机箱可以采用2U或3U的标准机箱内，极大的节省了机床的空间提高了利用率，也节省了生产成本。

综上，本实用新型的多个高速电主轴驱动器模块由一个CPU主控板进行协同控制，并且安装在一个2U或3U的标准机箱内，极大的节省了机床的空间提高了利用率，并且机床中所有的高速电主轴都被该控制器统一协同控制，极大的提高了系统整体的稳定性。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims

1.一种高速电主轴模块化多轴协同控制器，其特征在于：其包括高速电主轴驱动器CPU主控板、高速电主轴驱动器功率模块、控制及功率电源模块、高速电主轴驱动背板模块、功率总线和高速通信总线；所述高速电主轴驱动器功率模块设置为多个；

所述高速电主轴驱动器CPU主控板、多个高速电主轴驱动器功率模块和控制及功率电源模块均通过所述功率总线和高速通信总线由板卡接口连接到所述高速电主轴驱动器背板模块上；所述高速电主轴驱动器CPU主控板通过通信总线与现有计算机数控系统上层配套系统连接；若干所述高速电主轴驱动器功率模块通过所述高速电主轴驱动器背板模块和高速通信总线由所述高速电主轴驱动器CPU主控板进行协同控制；所述控制及功率电源模块用于将接收到的外部输入的交流电进行功率转换，输出一路直流24V逻辑控制和一路直流功率电，通过所述功率总线和高速电主轴驱动器背板模块把功率及能量传送到所述高速电主轴驱动器CPU主控板及每个所述高速电主轴驱动器功率模块内。

2.如权利要求1所述多轴协同控制器，其特征在于：所述高速电主轴驱动器CPU主控板包括母线保护电路、直流母线输入电路、24V逻辑电源输入接口、模拟输出接口、USB模块、CPU模块、EtherCAT接口、PLC连接接口、RS485\CAN接口、数码管显示模块和板级通讯接口；

所述功率总线与所述母线输入电路和24V逻辑电源输入接口连接，传送电能到所述高速电主轴驱动器CPU主控板内；所述高速电主轴驱动器CPU主控板通过所述板级通信接口连接到所述高速电主轴驱动背板模块上进行数据通信；所述母线输入电路的输出端经所述母线保电路与所述CPU模块连接，所述模拟输出接口、USB模块、EtherCAT接口、PLC连接接口、RS485\CAN接口和数码管显示模块均与所述CPU模块进行通讯。

3.如权利要求2所述多轴协同控制器，其特征在于：所述模拟输出接口用于输出高速电主轴运行时的模拟参数；所述CPU模块通过所述USB模块与外部PC进行信息传输；机床的计算机数控系统通过所述EtherCAT接口、PLC接口和RS485\CAN接口，经所述高速通信总线与所述CPU模块连接；所述数码管显示根据接收到的所述CPU模块传输至的信息，显示当前系统的运行状态。

4.如权利要求1所述多轴协同控制器，其特征在于：所述高速电主轴驱动器功率模块包括板级通讯接口、GaN/SiC半桥电路、24V逻辑电源输入接口、通讯解码模块、直流母线输入接口、编码器模块、母线测量模块和交流输出电流测量模块；

所述高速电主轴驱动器功率模块通过所述板级通信接口连接到所述高速电主轴驱动背板模块上，与所述高速电主轴驱动器CPU主控板进行数据通信；所述通讯解码模块将接收到的所述高速电主轴驱动器CPU主控板输出的指令进行解码，然后输出PWM到所述GaN/SiC半桥电路中进行交流功率输出；所述GaN/SiC半桥电路设置有三个，组成一个三相两电平的逆变器，把输入的功率直流电逆变成三相交流电输出至所述高速电主轴，每个所述高速电主轴驱动器功率模块驱动一个所述高速电主轴，该逆变器与所述通讯解码模块进行信息交互；所述24V逻辑电源输入接口和直流母线输入接口通过所述高速电主轴驱动器背板模块接收输入的电能，所述直流母线输入接口将接收到的功率直流电能经所述母线测量模块传输至所述通讯解码模块，所述交流输出电流测量模块与所述通讯解码模块连接进行信息交互，所述母线测量模块和交流输出电流测量模块将实时监测的电压、电流传输至所述通讯解码模块；所述通讯解码模块将接收到的信息经所述板级通讯接口和高速电主轴驱动器背板模块，传输至所述高速电主轴驱动器CPU主控板内。

5.如权利要求4所述多轴协同控制器，其特征在于：所述高速电主轴驱动器功率模块还包括过温保护电路、地址选择器和数码管显示模块；所述过温保护电路实时监测高速电主轴驱动器功率模块的运行温度，并传输至所述通讯解码模块，所述地址选择器与所述通讯解码模块连接进行信息交互，所述地址选择器将分配到的一个总线使用的子模块地址传输至所述通讯解码模块；所述通讯解码模块将接收到的信息经所述板级通讯接口和高速电主轴驱动器背板模块，传输至所述高速电主轴驱动器CPU主控板内；所述数码管显示模块与所述通讯解码模块连接。

6.如权利要求4或5所述多轴协同控制器，其特征在于：所述通讯解码模块为一块FPGA、CPLD或CPU。

7.如权利要求1所述多轴协同控制器，其特征在于：所述高速电主轴驱动器功率模块包括直流24V逻辑开关电源、直流功率开关电源和功率输出接口；由外部输入的交流电传输至所述24V逻辑开关电源和直流功率开关电源，由所述24V逻辑开关电源和直流功率开关电源输出相应电平和功率的电能量，该电能量通过所述功率输出接口和所述功率总线传输至所述高速电主轴驱动器CPU主控板和若干个高速电主轴驱动器功率模块。

8.如权利要求7所述多轴协同控制器，其特征在于：所述高速电主轴驱动器功率模块还包括远程调试控制接口，所述远程调试控制接口与所述24V逻辑开关电源和直流功率开关电源连接。

9.如权利要求1所述多轴协同控制器，其特征在于：所述高速电主轴驱动器背板模块中包括功率直流母线输入/输出接口、24V逻辑输入/输出接口、过温保护电路和板级通讯接口；所述功率直流母线输入/输出接口和直流24V逻辑输入/输出接口将接收到的电能量为各所述高速电主轴驱动器功率模块供电；所述高速电主轴驱动器CPU主控板通过所述板级通讯接口与若干所述高速电主轴驱动器功率模块进行信息传输，并由所述板级通讯接口提供总线通信通道；所述过温保护电路将实时监测的功率部分温度传输至所述高速电主轴驱动器CPU主控板。

10.如权利要求1所述多轴协同控制器，其特征在于：还包括一机箱，所述高速电主轴驱动器CPU主控板、高速电主轴驱动器功率模块、控制及功率电源模块、高速电主轴驱动背板模块、功率总线和高速通信总线均设置在所述机箱内。