专利名称：四轴运动控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及数控设备中的运动轴控制器，特别是一种四轴运动控制器。
背景技术：
典型的数控系统通常由控制器、步进/伺服驱动器、步进电机/伺服电机组成。控制器按一定的速率发出一定个数的脉冲信号给步进/伺服驱动器，驱动步进电机/伺服电机按指定速度走完控制器发出的脉冲个数后停下来，从而实现精确定位。有多个运动轴的系统，控制器就要输出多路脉冲信号，控制器输出的方向信号配合脉冲信号工作，可以驱动电机作正向旋转或反向旋转。
常见的运动轴控制器有单片机控制器、PLC加触摸屏控制器、电脑加运动控制卡组成的控制器、数控车铣类专用控制器等几种。其中，电脑加控制卡式控制器占据高端市场，由于可以使用多块卡共同工作，因而其最大控制轴数有一定伸缩性，但仍受工控主板上插槽数量的限制，电脑加卡型控制器的编程语言比较丰富，常见的有C\C++\VC\VB\C++Builder\Delphi等等。单片机控制器和PLC加触摸屏控制器共同占据中低端市场，单片机运动控制器通常其最大控制轴数是固定的，设计单片机控制器一般要有自己的硬件设计技术，技术安全性较好，不会被轻易仿制，此类控制器的应用程序编程语言是C51或汇编。PLC加触摸屏控制器控制的运动轴数受模块数量和模块种类的限制，该类控制器只是完成组装，无自己的硬件设计技术，容易被仿制，其编程语言是梯形图。数控车铣类控制器其应用领域通常只限于各类机床的控制，编程语言是G代码语言。
随着单片机技术的迅速发展，单片机控制器的应用领域正在向高端市场渗透。
目前，市面上单片机型四轴运动控制器主要存在以下缺陷大都采用金属外壳，制作、装配不方便，且外形不美观；主要性能指标较低，如最高脉冲频率多为50KHz，一次发送的脉冲个数不能超过65535个，不具有AB相解码功能；采用专用运动控制芯片，成本高；采用薄膜式按键，容易损坏；有些无状态指示灯，无内置蜂鸣器等。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种制作、使用方便，外形美观，输出脉冲频率高，一次发送脉冲个数多，成本低的四轴运动控制器。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案包括面板和后壳，所述面板上设置显示窗口和按键区，显示窗口处安装液晶显示屏，面板背面安装按键板，按键板上的按键与面板上的按键区对应，所述后壳内安装主控板和电源板，主控板上设有用于控制X轴、Y轴、Z轴和W轴的控制电路以及接口电路，所述按键板和液晶显示屏与主控板上相应的接口电路连接。
本四轴运动控制器的运动控制芯片和译码接口芯片采用CPLD(复杂可编程逻辑器件)，降低了成本，同时使控制器的输出脉冲频率最大可达200KHz，一次性发出的脉冲个数可以高达16777215个，一方面满足高精度、高速度的要求，另一方面能适应定位长度较长的数控应用。它设置有串行通讯口，可以和外部电脑连接，程序下载简单、方便。其面板和后壳均可采用塑胶材料，制作、装配方便，而且外形美观。
另外，它的按键采用机械式按键，按压手感良好，有效解决了薄膜式按键很容易出现接触不良、按键按烂等问题。其面板上可以设置状态指示灯，用来指示控制系统当前的运行状态。主板上可以设置蜂鸣器，用于报警、操作提示、按键提示等。
图1为本实用新型一实施例的主视图；图2为其爆炸图；图3为图1实施例的电路框图；图4为图3中CPU部分的电路图；图5为图3中第一运动控制芯片的电路图；图6为图3中第二运动控制芯片的电路图；图7为图3中译码及接口芯片的电路图；图8为图3中X轴、Y轴脉冲驱动电路图；图9为图3中Z轴、W轴脉冲驱动电路图；图10为图3中信号输入电路图；图11为图3中信号输出电路图；图12为图3中AB相脉冲输入电路图；图13为图3中时钟电路I的电路图；图14为图3中液晶显示屏接口的电路图；图15为图3中IDE接口的电路图；图16为图3中串行通讯接口的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步说明。
本实施例为ADT-MC010四轴运动控制器。参照图1、2，ADT-MC010四轴运动控制器包括面板1和后壳6，所述面板1为塑胶面板，面板1上设置显示窗口11、按键区12和指示灯区13，显示窗口11处安装液晶显示屏3，液晶显示屏3前面设置透明有机玻璃片，以保护液晶显示屏，面板1正面贴面膜，面膜上对应显示屏的位置上为透明薄膜，对应按键的位置上印有数字键和功能键的标志，面板1背面安装按键板2，按键板2上的按键与面板上的按键区12对应，所述后壳6为塑胶后壳，后壳6侧面设置散热直栅孔，后壳6内安装主控板4和电源板5，主控板上设有用于控制X轴、Y轴、Z轴和W轴的控制电路以及接口电路，所述按键板2和液晶显示屏3分别与主控板4上相应的接口电路连接。主控板4上还焊接有蜂鸣器，用于报警、操作提示、按键提示等。
上述液晶显示屏3采用128×64点阵的宽温型液晶屏套件，包含液晶屏和控制板两部分，控制板自带负压器件。
按键板2上设置16个机械式按键，其中含数字键0～9、小数点键、负号键、上下左右四个箭头键。负号键可以由应用软件定义为进出参数修改画面；小数点键可以用来定义一些特殊功能，如进入参数测试画面；数字键除可以进行参数修改外，还可以由应用软件定义第二功能；箭头键可以用来选择参数、切换参数画面、手动操作等。按键板2用1片Atmel公司的At89C2051作为控制芯片，负责各按键状态的扫描。按键板2左侧还设置有三个指示灯，三个指示灯嵌入在面板1指示灯区13的对应三个小孔中，用来指示控制系统当前的运行状态，三个指示灯均采用三色发光二极管，可以发出红、绿、黄三种颜色。
本四轴运动控制器采用220VAC单相市电供电，电源由两芯航空头引入壳体内，通过电源板5转换成5VDC的直流电源，供控制器使用。
为了使四轴运动控制器工作更稳定、可靠，在面板1后面的安装面设置有一圈橡胶防震垫圈，在控制器安装到机台上后，可大大减轻机械震动对控制器造成的影响。
如图3所示，所述主控板4上设置控制电路和接口电路，所述控制电路含CPU、用于控制X轴和Y轴的第一运动控制芯片、用于控制Z轴和W轴的第二运动控制芯片、用于给第一运动控制芯片和第二运动控制芯片提供时钟信号的时钟电路I、用于给CPU提供时钟信号的时钟电路II，第一运动控制芯片输出端接X轴脉冲驱动电路和Y轴脉冲驱动电路，第二运动控制芯片输出端接Z轴脉冲驱动电路和W轴脉冲驱动电路，CPU的输入端接按键接口，CPU相应I/O端连接用于和外部电脑通讯的串行通讯接口；所述接口电路含译码及接口芯片和连接于CPU总线上的信号输入电路、信号输出电路、液晶显示屏接口、IDE接口，译码及接口芯片输入端连接四路AB相脉冲输入电路，X轴、Y轴、Z轴、W轴的AB相反馈信号分别通过一路AB相脉冲输入电路接入译码及接口芯片，译码及接口芯片相应输出端与所述信号输入电路、信号输出电路、液晶显示屏接口、IDE接口的片选端连接；所述第一运动控制芯片、第二运动控制芯片、译码及接口芯片均与CPU总线连接，第一运动控制芯片和第二运动控制芯片的片选端与译码及接口芯片的相应输出端连接。
图4为CPU部分的电路图，如图中所示，CPU的XTAL1端和XTAL2端之间并接22.1184MHz的晶振X1，CPU的P0口接锁存器U2，CPU的ALE端通过反相器U5C接锁存器U2的CLK端。所述CPU采用Philips公司的89C51RD+，其片内集成了64KB的Flash和768字节的二级SRAM， 64KB的Flash可作为程序存储器，768字节的二级SRAM可作为数据存储器，从而加快了读写速度，提高了程序运行的可靠性，增大了程序存储器容量和数据存储器容量。
参照图5-7，所述第一运动控制芯片U31、第二运动控制芯片U76、译码及接口芯片U7均为CPLD(复杂可编程逻辑器件)，芯片型号为4256/T100。
参照图8、9，所述X轴脉冲驱动电路和Y轴脉冲驱动电路采用电平转差分集成电路U27，电平转差分集成电路U27的型号为DS26LS3 1CM，来自第一运动控制芯片的X轴脉冲输出信号XPU、X轴方向输出信号XDR、Y轴脉冲输出信号YPU、Y轴方向输出信号YDR分别通过光耦U26、U28、U29、U30输入电平转差分集成电路U27的相应输入端，然后以差动方式输出；Z轴脉冲驱动电路和W轴脉冲驱动电路采用电平转差分集成电路U33，电平转差分集成电路U33的型号为DS26LS3 1CM，来自第二运动控制芯片的Z轴脉冲输出信号ZPU、Z轴方向输出信号ZDR、W轴脉冲输出信号WPU、W轴方向输出信号WDR分别通过光耦U32、U34、U35、U36输入电平转差分集成电路U33的相应输入端，然后以差动方式输出。
参照图10，共有24路信号输入电路，每一路信号输入电路均含光耦和缓冲器，输入信号通过光耦输入缓冲器的输入端，其中缓冲器采用三片74LS244集成电路，每个74LS244内集成8个缓冲器，三个74LS244的片选信号DISC1、DISC2、DISC3分别连接于译码及接口芯片U7的相应输出端，图中U37为光耦。
参照图11，共有16路信号输出电路，每一路信号输出电路均含锁存器、光耦和放大器，输出信号依次通过锁存器、放大器、光耦输出，其中锁存器采用两片74LS273集成电路U57、U63，每片74LS273各包含8个锁存器，两片74LS273锁存器的片选信号DOCS1、DOCS2分别连接于译码及接口芯片U7的相应输出端，放大器采用三片2003A集成电路U77、U78、U79，每片2003A集成电路包含7个反相放大器，U55为光耦，Q2为放大三极管。
参照图12，所述每路AB相脉冲输入电路包括一光耦U9，光耦U9的两输入端之间并接保护二极管D3，光耦U9的输出端和地之间接退耦电容C30，光耦U9的输出端和电源之间接上拉电阻R23。
图13为图3中时钟电路I的电路图，图13中X2的3脚与第一运动控制芯片U31、第二运动控制芯片U76的CLK2/I端连接，给第一运动控制芯片U31和第二运动控制芯片U76提供时钟信号。图13中X2的3脚通过反相器U5F与译码及接口芯片U7的CLK3/I端连接，给译码及接口芯片U7提供时钟信号。
图14为图3中液晶显示屏接口的电路图。如图14所示，连接件T2的1脚接地，2脚接电源，连接件T2的4-16脚分别与译码及接口芯片U7的相应引脚连接，液晶屏产生的负压经T2的18脚接至负压电路T3，T3的输出端V0返回给T2的3脚，用于控制液晶屏的对比度，连接件T2的20脚接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极通过电阻R18连接于CPU的P1.0端，用来进行背光控制。
图15为图3中IDE接口的电路图。如图15所示，连接件J9的2、22、24、26、30、40脚均接地，连接件J9的1、3、5、7、9、11、13、15、17、23、25、33、35、36、37、38脚分别与译码及接口芯片U7的相应引脚连接。ADT-MC010四轴控制器通过IDE接口连接DOM(DiskOnModule)电子盘，用于保存数据。实际应用中，使用DOM电子盘时一般另配一片SRAM存储器存储从DOM中读出的大量数据，也可以不用DOM电子盘，而采用一片Flash存贮器替换SRAM存贮器保存数据。
ADT-MC010四轴控制器设置有串行通讯接口，如图16所示，该串行通讯接口由集成电路MAX202、电容C1、C3、C4、C5及连接件CON1构成，集成电路MAX202 11脚和12脚分别与图4中U1的13脚和11脚相连。可以将该串行通讯接口和PC机的串口之间连接通信线，将PC机内的应用程序目标文件下载到控制器内部，该下载过程简单、方便，下载速度快而且成功率高；也可以编制双向通信程序，在控制器和PC机之间实现通信。通信方式有RS232和RS485两种，通信波特率可以在1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps中选择，默认为57600bps。
ADT-MC010四轴控制器的技术指标如下1、运动轴四轴运动控制，脉冲+方向差动式输出，最高输出脉冲频率200KHz，一次输出脉冲个数为24位，即可达16777215个。脉冲输出加光耦隔离。
2、AB相脉冲输入解码4路AB相脉冲输入解码(16位)，全光耦隔离。最高计数频率可达200KHz。输入电压5～24VDC，高电平＞4.5V，低电平＜1.0V。
3、输入点数24路光耦隔离输入。输入电压5～24VDC，高电平＞4.5V，低电平＜1.0V。一般加5～12VDC输入电压，当有特殊情况须加24VDC电压时，须在每个输入点上串联一个2KΩ的电阻。
4、输出点数16路NPN集电极开路光耦隔离输出，外加电压5～12VDC，最大允许电流0.5A，分为9个输出通道，前8个输出点共用一个公共端，构成一个输出通道，后8个输出点各自有自己的公共端。
权利要求1.四轴运动控制器，包括面板和后壳，其特征在于所述面板上设置显示窗口和按键区，显示窗口处安装液晶显示屏，面板背面安装按键板，按键板上的按键与面板上的按键区对应，所述后壳内安装主控板和电源板，主控板上设有用于控制X轴、Y轴、Z轴和W轴的控制电路以及接口电路，所述按键板和液晶显示屏与主控板上相应的接口电路连接。
2.根据权利要求1所述的四轴运动控制器，其特征在于所述控制电路含CPU、用于控制X轴和Y轴的第一运动控制芯片、用于控制Z轴和W轴的第二运动控制芯片、用于给第一运动控制芯片和第二运动控制芯片提供时钟信号的时钟电路I、用于给CPU提供时钟信号的时钟电路II，第一运动控制芯片输出端接X轴脉冲驱动电路和Y轴脉冲驱动电路，第二运动控制芯片输出端接Z轴脉冲驱动电路和W轴脉冲驱动电路，CPU的输入端接按键接口，CPU相应I/O端连接用于和外部电脑通讯的串行通讯接口；所述接口电路含译码及接口芯片和连接于CPU总线上的信号输入电路、信号输出电路、液晶显示屏接口、IDE接口，译码及接口芯片输入端连接四路AB相脉冲输入电路，X轴、Y轴、Z轴、W轴的AB相反馈信号分别通过一路AB相脉冲输入电路接入译码及接口芯片，译码及接口芯片相应输出端与所述信号输入电路、信号输出电路、液晶显示屏接口、IDE接口的片选端连接；所述第一运动控制芯片、第二运动控制芯片、译码及接口芯片均与CPU总线连接，第一运动控制芯片和第二运动控制芯片的片选端与译码及接口芯片的相应输出端连接。
3.根据权利要求2所述的四轴运动控制器，其特征在于所述第一运动控制芯片、第二运动控制芯片、译码及接口芯片均为CPLD。
4.根据权利要求2所述的四轴运动控制器，其特征在于所述CPU为89C51RD+。
5.根据权利要求2所述的四轴运动控制器，其特征在于所述X轴脉冲驱动电路和Y轴脉冲驱动电路采用电平转差分集成电路U27，来自第一运动控制芯片的X轴脉冲输出信号XPU、X轴方向输出信号XDR、Y轴脉冲输出信号YPU、Y轴方向输出信号YDR分别通过一个光耦隔离电路输入至电平转差分集成电路U27的相应输入端，然后以差动方式输出；Z轴脉冲驱动电路和W轴脉冲驱动电路采用电平转差分集成电路U33，来自第二运动控制芯片的Z轴脉冲输出信号ZPU、Z轴方向输出信号ZDR、W轴脉冲输出信号WPU、W轴方向输出信号WDR分别通过一个光耦隔离电路输入至电平转差分集成电路U33的相应输入端，然后以差动方式输出。
6.根据权利要求2所述的四轴运动控制器，其特征在于所述每路AB相脉冲输入电路包括一光耦，光耦的两输入端之间并接保护二极管，光耦的输出端和地之间接退耦电容，光耦的输出端和电源之间接上拉电阻。
7.根据权利要求2所述的四轴运动控制器，其特征在于所述信号输入电路含光耦和缓冲器，输入信号通过光耦输入缓冲器的输入端；所述信号输出电路含锁存器、放大器和光耦，输出信号依次通过锁存器、放大器、光耦输出。
8.根据权利要求1所述的四轴运动控制器，其特征在于所述按键板上的按键为机械式按键。
9.根据权利要求1所述的四轴运动控制器，其特征在于所述面板和后壳为塑胶面板和塑胶后壳，面板上设置三个三色发光二极管指示灯。
10.根据权利要求1所述的四轴运动控制器，其特征在于所述主控板上设置蜂鸣器。
专利摘要一种四轴运动控制器，包括面板和后壳，所述面板上设置显示窗口和按键区，显示窗口处安装液晶显示屏，面板背面安装按键板，按键板上的按键与面板上的按键区对应，所述后壳内安装主控板和电源板，主控板上设有用于控制X轴、Y轴、Z轴和W轴的控制电路以及接口电路，所述按键板和液晶显示屏与主控板上相应的接口电路连接。还可设置串行通讯口、状态指示灯和内置蜂鸣器。本四轴运动控制器采用CPLD实现运动控制，降低了成本，同时使控制器的输出脉冲频率最大可达200KHz，一次性发出的脉冲个数可以高达16777215个，能满足高精度、高速度的要求，并能适应定位长度较长的数控应用。其外形美观，制作、装配方便。
文档编号G05B19/19GK2754134SQ200420094078
公开日2006年1月25日 申请日期2004年10月14日 优先权日2004年10月14日
发明者曾逸, 钱作忠, 章友文 申请人:深圳市众为兴数控技术有限公司