专利名称：一种激光加工设备混合控制方法及控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种激光加工设备混合控制方法及控制装置。
背景技术：
近年来，工业激光器已成为国外机械加工业中的重要设备，广泛应用于切割、钻孔、焊接和热处理等工序。以动力电池为例，随着经济的发展，使用动力电池的新能源汽车是个大趋势，但是由于动力电池的工艺要求，对激光切割的精度要求非常高，在Imm内，这就需要采用一种控制周期短，可以实现高精度运动控制的系统来完成。而现有的激光控制系统的实现完全是运行在通用计算机上的标准应用程序，这种PC机模式的激光控制系统不能很好的保证实时性和可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种激光加工设备混合控制装置及控制方法，有效提高激光控制的实时性和可靠性。本发明采用了如下的技术方案一种激光加工设备混合控制方法，包括根据需要控制的电机的状态信息，可编程器件将动作命令发送给专用激光控制器；根据接收到的所述动作命令，所述专用激光控制器控制所述需要控制的电机做出相应动作，在所述动作完毕后发送所述需要控制的电机的当前状态信息给所述可编程器件。进一步地，所述专用激光控制器控制所述需要控制的电机做出相应动作具体包括所述动作命令经由所述专用激光控制器的任务解析功能模块解析后，与运动控制相关的动作命令被发送至所述专用激光控制器的运动控制功能模块，与逻辑处理相关的动作命令被发送至所述专用激光控制器的输入输出功能模块；所述运动控制功能模块根据所述与运动控制相关的动作命令对所述激光头电机进行处理，并在处理完毕后将结果状态信息反馈到所述任务解析功能模块；所述输入输出功能模块根据所述与逻辑处理相关的动作命令对输入输出信号量进行处理，并在处理完毕后将结果状态信息反馈到所述任务解析功能模块。进一步地，所述结果状态信息反馈到所述任务解析功能模块后，还通过所述任务解析功能模块反馈给所述专用激光控制器的界面功能模块予以显示。进一步地，所述方法还包括通过所述界面功能模块接收用户输入的动作命令。进一步地，所述需要控制的电机的状态信息包括所述需要控制的电机初始化完成时的就绪状态、所述需要控制的电机工作完毕时的完成状态。
本发明还提供一种激光加工设备混合控制装置，包括专用激光控制器和可编程器件；所述可编程器件，用于根据需要控制的电机的状态信息，将动作命令发送给专用激光控制器；所述专用激光控制器，用于根据接收到的所述动作命令，控制所述需要控制的电机做出相应动作，在所述动作完毕后将所述需要控制的电机的当前状态信息发送给所述可编程器件。进一步地，所述专用激光控制器在功能上包括任务解析功能模块、运动控制功能模块、输入输出功能模块；所述任务解析功能模块，用于解析所述动作命令，将与运动控制相关的动作命令发送到所述运动控制功能模块，将与逻辑处理相关的动作命令发送到所述输入输出功能模块；所述运动控制功能模块，用于根据所述与运动控制相关的动作命令对所述激光头电机进行处理，并将结果状态信息发送给所述任务解析功能模块；所述输入输出功能模块，用于根据所述与逻辑处理相关的动作命令对输入输出信号量进行处理，并将结果状态信息发送给所述任务解析功能模块。进一步地，所述专用激光控制器还包括界面显示模块，用于显示所述运动控制功能模块和所述输入输出功能模块反馈的所述结果状态信息，还用于接收用户输入的动作命令。进一步地，所述专用激光控制器含有所述激光头电机的控制接口，还含有电磁阀的输入输出控制接口、传感器的输入输出控制接口、模拟量输入输出信号的控制接口中的至少一个控制接口。本发明的有益效果在于采用专用激光控制器和可编程器件混合控制激光加工设备的方法，将可编程器件用于发送运动命令，专用激光控制器根据运动命令对需要控制的电机进行运动控制，这样可编程器件主控整个控制对象的流程逻辑过程，而专用激光控制器负责电机的具体运动控制，从而使得控制程序设计变得简单，提高了系统重构的柔性，增加了系统的可靠性。
图1是本发明激光加工设备混合控制方法实施例示意图；图2是本发明激光加工设备混合控制方法实施例中专用激光控制器的功能结构示意图。
具体实施例方式下面通过具体实施方式
结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明提供一种激光加工设备混合控制方法实施例，如图1所示，本实施例中使用的可编程器件为PLC。根据需要控制的电机的状态信息，PLC将动作命令发送给专用激光控制器；实施例中PLC是通过IO通讯协议与专用激光控制器进行通信的，其动作命令是通过如RS232、RS485等串口来发送给专用激光控制器。此外，PLC还可用于对除激光头电机以外的其他电机进行控制，以及对汽缸、通用输入输出等进行控制。根据接收到的所述动作命令，专用激光控制器控制需要控制的电机，如激光头电机对激光模切机等激光加工设备做出相应动作，，在所述动作完毕后发送需要控制的电机， 如激光头电机的当前状态信息给PLC。此外，专用激光控制器还可以接收用户输入的命令， 对该命令进行解析处理，然后根据处理结果对控制对象进行控制，如对电机进行控制或对模拟量的输入输出进行控制。在PLC与专用控制器协同运行时，需设计好两者交互的协议，包括命令的定义和状态的定义；其中，命令的定义是指当PLC控制将待加工设备准备至激光处理位置时，需要发开始处理指令给专用激光控制器，让其自动进行处理控制流程，如在切割动力电池的极片时，PLC控制将极片准备至切割位置，需要发开始切割命令给专用激光控制器，让其自动进入极片切割流程；状态的定义是指在控制过程中，需要根据相互流程完成的状态来判断是否进行下一个流程动作；当激光头电机初始化完成时，发送就绪状态位给PLC ；当激光头电机处理完毕时，需发完成状态给PLC，让PLC准备将刚处理的待加工设备吸回来并进行下一个处理流程，如在切割电池极片时，让其将切好的极片吸回来并进行下一个拉片流程。这样，PLC主控整个控制对象的流程逻辑过程，专用激光控制器负责激光头的三轴复杂高精度运动控制，从而实现了激光的混合控制。图2是本发明激光加工设备混合控制方法实施例中专用激光控制器的功能结构示意图，如图2所示，专用激光控制器在功能上包括界面功能模块、任务解析功能模块、运动控制功能模块、输入输出IO(Input Output)功能模块。各模块之间的通信是通过NML (Neutral Message Language 中性消息语言)来实现的。NML是一种独立于计算机控制系统的中性语言，基于CMS (Communication Management System 通信管理控制系统)，能够使各模块之间跨平台运行。每个模块各自有两个缓冲器，一个是命令缓冲器，另一个是状态缓冲器，命令缓冲器用于存储上级模块对下级模块的发送命令，而状态缓冲器用于下级模块对上级模块的状态信息反馈。各功能模块的具体描述如下界面功能模块该模块是整个实时控制系统的最高层，它向它的下级模块(即任务解析功能模块)写入用户动作命令，并从下级模块中读取下级模块反馈回来的状态信息。界面功能模块主要是提供友好的用户操作界面及显示各种状态，用户可以通过这个界面输入各种控制命令以完成各种动作过程，比如可分别手动控制三轴电机，通过输入单条G 代码来控制三轴电机，或者自动运行完整的数控编程G代码程序来处理待加工设备，比如在使用激光切割动力电池的极片时对极片形状进行切割，也可以由此获得在切割过程中的一些实时信息，比如切割图形及三轴的运动轨迹的实时显示。任务解析功能模块该模块在整个混合控制装置中起中介作用，用于对上级模块传来的命令进行解析，并把解析后的命令发送到其相应的下级模块之中去；例如在本实施例中，解析从上级模块传来的动作命令，若解析结果属于IO功能模块的动作命令，则将动作命令发送到IO功能模块；若是属于运动控制功能模块的动作命令，则将动作命令发送到
6运动控制功能模块。另外任务解析功能模块还对下级模块(即运动控制功能模块和IO功能模块)传来的各种反馈状态信息及时解析并传送至其上级模块(即界面功能模块)，由操作者根据界面功能模块显示的反馈信息来执行相对应的下一步动作。运动控制功能模块该模块主要实现运动控制，其首先对该模块中的命令缓冲器中由上级模块传送来的动作命令进行解释，把它转化成具体的电机位置控制命令，然后通过利用现有技术中的运动插补方法，把最终的目标位置分解成若干个中间点的位置，再通过现有技术中的位置控制方法，根据加减速原理划分每一次要发送给电机的脉冲个数，把结果送给电机驱动模块，由电机驱动模块通过HAL (Hardware Abstraction Layer 硬件抽象层)驱动实际硬件，最终实现驱动电机的效果。IO功能模块该模块主要是通过专用激光控制器自带的软件PLC模块对各种IO 信号量进行逻辑处理。如本实施例的专用控制器与PLC之间进行通讯的IO通讯点、运动控制过程的各个动作流程的逻辑处理。本发明的专用激光控制器在硬件结构上可以是集成了普通工业控制器和可编程逻辑控制器的控制器，本实施例中用的是嵌入式工业控制器PC/104和带有FPGA的可编程逻辑控制器。本实施例还扩展出驱动三轴电机的控制接口、电磁阀的输入输出控制接口、传感器的输入输出控制接口、模拟量输入输出信号的控制接口。本实施例在嵌入式工业控制器PC/104上采用实时Linux操作系统，实时Linux通过修改常规Linux的内核，在Linux 和硬件中断间增加了一层实时调度模块，从而简单易行地实现了硬实时性要求，而不影响原来Linux上运行的其他程序。再者，选择实时Linux的优势在于(1)支持实时任务调度； (2)开放的源代码，丰富的免费软件开发、调试资源；(3)功能强大的内核，而且内核大小功能可以定制，多任务调度性能高效、稳定性好；(4)支持多种体系结构，移植方便；(5)继承了 Linux完善的网络通信、图形、文件管理机制、C/C十++/JAVA开发工具和编程接口 ； (6) 支持大量的周边设备，驱动丰富；(7)丰富的实时任务编程接口函数。下面给出用于执行上述混合控制方法的混合控制装置的实施例，包括专用激光控制器和可编程器件，其中，专用激光控制器和可编程器件用于联合控制需要控制的电机的运动；专用激光控制器还用于控制激光头电机的运动；可编程器件还用于控制汽缸的IO 量、控制除激光头电机之外的电机的运动。本实施例中使用的可编程器件为PLCO^rogrammable Logic Controller 可编程逻辑控制器)。专用激光控制器通过对X轴、Y轴与Z轴电机的三轴联动控制来实现对激光头的运动控制，专用激光控制器还用于控制激光，对激光进行开关及功率频率调节控制；而可编程器件PLC可用于对其他电机进行控制、对汽缸的10进行控制。专用激光控制器与可编程器件PLC协同工作时，通过10通讯点进行通信，二者协同工作的过程如前方法实施例所述，此不赘述。专用激光控制器在按功能划分为界面功能模块、任务解析功能模块、运动控制功能模块、输入输出功能模块，各个模块的详细描述如前方法实施例所述，此不赘述。可见，本发明激光加工设备混合控制装置中PLC主控整个装置的流程逻辑过程， 专用激光控制器负责激光头的三轴复杂高精度运动控制，从而实现了对激光加工设备的混合控制。综上所述，本发明有如下优势1)控制程序设计变得简单，把过程逻辑设计交给PLC，电机运动控制、联合控制则在专用激光控制器上实现，这样，两者的优点都可以发挥出来，PLC在设计过程逻辑的时候， 不用再考虑电机的具体控制，程序的复杂程度可以达到最简化的程序。而用专用控制器来实现各个电机的运动控制、联动控制，则是发挥出来专用控制器实现复杂算法的简易性。这样，开发出来的控制系统，能达到最佳的效果。2)在控制过程复杂、控制信号繁多的系统中，对于PLC系统，由于1个PLC的IO点只有40个，而通常电机要用到6 7个IO点，当要控制的电机越多，则采用PLC的数量增多。并在采集模拟量时，还需要增加另外的模块，这些费用都占成本不少比重。本发明在控制成本上有更大的优势，由于在电机控制接口板、A/D、D/A转换接口板上，可以任意扩展，其增加的成本相对PLC而言非常少。对于较复杂的控制系统，采用本发明设计的系统成本约为全PLC系统的1/3 1/4，极大的降低了产品的成本。3)控制周期精度高达1ms，在此周期下，系统能实行更好的控制效果。4)控制算法更先进，专用控制器通过运动插补方式和位置控制方式来进行电机控制，从而能保证电机运动轨迹的精确度，特别是在进行圆弧插补过程中，能表现出明显的优越性。以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种激光加工设备混合控制方法，其特征在于，包括根据需要控制的电机的状态信息，可编程器件将动作命令发送给专用激光控制器；根据接收到的所述动作命令，所述专用激光控制器控制所述需要控制的电机做出相应动作，在所述动作完毕后发送所述需要控制的电机的当前状态信息给所述可编程器件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述专用激光控制器控制所述需要控制的电机做出相应动作具体包括所述动作命令经由所述专用激光控制器的任务解析功能模块解析后，与运动控制相关的动作命令被发送至所述专用激光控制器的运动控制功能模块，与逻辑处理相关的动作命令被发送至所述专用激光控制器的输入输出功能模块；所述运动控制功能模块根据所述与运动控制相关的动作命令对所述激光头电机进行处理，并在处理完毕后将结果状态信息反馈到所述任务解析功能模块；所述输入输出功能模块根据所述与逻辑处理相关的动作命令对输入输出信号量进行处理，并在处理完毕后将结果状态信息反馈到所述任务解析功能模块。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述结果状态信息反馈到所述任务解析功能模块后，还通过所述任务解析功能模块反馈给所述专用激光控制器的界面功能模块予以显不。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过所述界面功能模块接收用户输入的动作命令。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述需要控制的电机的状态信息包括所述需要控制的电机初始化完成时的就绪状态、所述需要控制的电机工作完毕时的完成状态。
6.一种激光加工设备混合控制装置，其特征在于包括专用激光控制器和可编程器件；所述可编程器件，用于根据需要控制的电机的状态信息，将动作命令发送给专用激光控制器；所述专用激光控制器，用于根据接收到的所述动作命令，控制所述需要控制的电机做出相应动作，在所述动作完毕后将所述需要控制的电机的当前状态信息发送给所述可编程器件。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述专用激光控制器在功能上包括任务解析功能模块、运动控制功能模块、输入输出功能模块；所述任务解析功能模块，用于解析所述动作命令，将与运动控制相关的动作命令发送到所述运动控制功能模块，将与逻辑处理相关的动作命令发送到所述输入输出功能模块；所述运动控制功能模块，用于根据所述与运动控制相关的动作命令对所述激光头电机进行处理，并将结果状态信息发送给所述任务解析功能模块；所述输入输出功能模块，用于根据所述与逻辑处理相关的动作命令对输入输出信号量进行处理，并将结果状态信息发送给所述任务解析功能模块。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述专用激光控制器还包括界面显示模块， 用于显示所述运动控制功能模块和所述输入输出功能模块反馈的所述结果状态信息，还用于接收用户输入的动作命令。
9.如权利要求6至8任一项所述的装置，其特征在于，所述专用激光控制器含有所述激光头电机的控制接口，还含有电磁阀的输入输出控制接口、传感器的输入输出控制接口、模拟量输入输出信号的控制接口中的至少一个控制接口。
全文摘要
本发明公开了一种激光加工设备混合控制装置及控制方法，采用专用激光控制器和可编程器件混合控制激光加工设备的方法，将可编程器件用于发送运动命令，专用激光控制器根据运动命令对需要控制的电机进行运动控制，这样可编程器件主控整个控制对象的流程逻辑过程，而专用激光控制器负责电机的具体运动控制，从而使得控制程序设计变得简单，提高了系统重构的柔性，增加了系统的可靠性。
文档编号G05B19/05GK102236332SQ201010166218
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者林凯宏, 王立松, 胡敏 申请人:深圳市先阳软件技术有限公司