用于数控设备的一体式数控系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种一体式数控系统，其包括人机界面和控制单元两大部分，控制单元包括控制模块、驱动模块和电源模块，其中，控制单元的各模块集成安装在同一底板上，并通过底板电路板布线实现各模块之间的信号连接，其简化了数控系统的集成难度，节省了人工布线，缩短了定位故障点所需的时间，使数控设备的控制柜内更简洁和美观。
【专利说明】用于数控设备的一体式数控系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于数控设备的数控系统，具体涉及用于数控设备的模块化数控系统。
【背景技术】
[0002]传统的用于数控设备的数控系统包括控制单元、驱动单元、和电源单元。控制单元是数控系统的核心，负责人机交互并发出控制指令。驱动单元控制数控系统的位置执行机构电机，一般根据电机类型分为步进驱动器或伺服驱动器，其接收控制单元发出的控制指令，驱动电机动作，将数控设备的加工执行装置送到指定位置。电源单元负责将输入的220V或380V的交流工业用电转换成数控系统中各单元所需的电压。数控设备的加工执行装置根据数控系统发出的指令完成对待加工工件的加工，数控设备的加工执行装置可以是电主轴、激光器等。此外，数控系统还可以包括保护单元，其对数控系统和数控设备提供安全保障，例如为空气开关、防雷模块等。数控系统的各个单元为独立单元，一般由不同的生产厂商提供，数控系统的各单元彼此之间通过大量的线缆连接起来。这些会导致以下问题:
[0003]一、数控设备生产商在进行数控系统集成时，使用不同厂商生产的数控系统的各单元，各个单元之间如果配合不好，不仅不能够发挥数控系统的最佳性能，还会导致数控系统工作不稳定；
[0004]二、数控设备生产商在进行数控系统集成时，需要使用大量各种规格的线缆以用于数控系统各单元彼此之间的连接，这既增加了系统成本，又增加了操作人员的工作量，同时对操作人员的技能有较高要求；
[0005]三、数控系统出现故障时，从复杂的连接线缆当中定位故障点需要花费维护人员大量的时间，并且需要维护人员具有丰富的经验，而且，对数控系统各单元进行维修更换时，需要拆卸连接在其上的连接线缆，这不仅容易损坏线缆也容易导致安装错误；
[0006]四、大量的连接线缆的存在使数控设备的控制柜内显得复杂，且占用较多空间。
【发明内容】
[0007]鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种一体式数控系统，以简化数控系统的集成难度、节省人工布线、缩短定位故障点所需的时间、使数控设备的控制柜内更简洁和美观。
[0008]根据本发明的一方面，提供一种用于数控设备的数控系统，包括具有人机交互功能的人机界面和控制单元，其中，控制单元包括:控制模块，其根据待加工工件的加工程序产生并发出控制指令；驱动模块，其根据来自控制模块的控制指令来驱动数控设备的加工执行装置，以对待加工工件进行加工；电源模块，其将输入的工业用电转换为数控系统中所需的电压，其特征在于，控制单元的各模块集成安装在同一底板上，并通过底板电路板布线实现各模块之间的信号连接。
[0009]利用上述配置的数控系统，数控系统中控制单元的各模块及所述底板之间没有任何外部连线，从而简化了数控系统的集成难度，节省了人工布线，缩短了定位故障点所需的时间，使数控设备的控制柜内更简洁和美观。
[0010]优选地，控制单元的各模块通过接插件与所述底板进行信号连接，各模块及所述底板之间没有任何外部连线。
[0011]利用该配置的数控系统，控制单元的各模块可以方便地安装在所述底板上，不需要焊接即可实现控制单元的各模块与所述底板之间的信号连接。
[0012]优选地，控制单元的各模块采用卧式安装方式通过接插件可拆卸地安装于所述底板上，并通过安装柱固定。
[0013]利用该配置的数控系统，控制单元的各模块可以牢固地固定在所述底板上，并且方便各模块的维修、更换等。
[0014]优选地，控制单元的各模块上都有安装有把手，各把手通过针脚焊接方式安装在各模块电路板上。例如，各把手可以安装在各模块电路板上靠近接插件的位置。
[0015]利用该配置的数控系统，方便从所述底板上拆卸各模块，而不会损坏各模块及其接插件，方便各模块的维修、更换等。
[0016]优选地，所述底板上布置有数控设备接口，用于与数控设备进行信号连接，数控设备接口通过底板电路板布线与控制单元的各模块进行信号连接。
[0017]利用该配置的数控系统，对数控系统的各模块进行维修和更换时不需要破坏数控设备控制柜内的任何原有连线。
[0018]优选地，使用屏蔽罩来保护控制模块，以降低其它模块对其的影响。
[0019]利用上述配置的数控系统，可以降低其它模块对控制模块的例如空间磁场干扰坐寸ο
[0020]优选地，在底板电路板布线中通过隔离器件将低电压控制信号线路与高电压大功率信号线路完全隔离，以避免信号干扰。
[0021]利用上述配置的数控系统，可以避免信号在传输线路中的相互干扰。
[0022]优先地，根据数控设备的不同，所述底板上还布置有用于控制数控设备中加工执行装置的主轴转速的转速控制模块、用于数控系统的输入输出扩展的I/o扩展模块、用于控制数控设备中加工执行装置的紧急制动的抱闸控制模块、或用于控制数控设备进行图像识别的图像识别控制模块(例如，CCD控制模块)。
[0023]利用该配置的数控系统，可以满足不同数控设备的需求。
[0024]优选地，底板电路板布线包括NBus总线，NBus总线包括多路直选输入线路和一路串行总线。
[0025]优选地,控制单元的各模块都具有状态检测元件或状态指示元件,各状态检测元件所检测到的状态或各状态指示元件所指示的状态(例如，故障状态)被分类为不同响应级别，以利用不同响应级别的中断请求分别通过不同的直选输入线路通知控制模块，控制模块根据所接收到的中断请求的响应级别通过串行总线来查询各模块的状态，并执行响应(例如，关闭电源)。
[0026]优选地，将数控设备的状态检测装置所检测到的状态或状态指示装置所指示的状态分类为不同响应级别，以利用不同响应级别的中断请求分别通过不同的直选输入线路通知控制模块，控制模块根据所接收到的中断请求的响应级别通过串行总线来查询数控设备的状态，并执行响应(例如，向数控设备的开关装置等发送控制指令)。
[0027]利用上述配置的数控系统，控制模块无须轮询各模块及数控设备的状态，减轻了控制模块的处理负担。此外，将各模块及数控设备的状态分成不同响应级别，可以有效地控制事件通知控制模块的时机，保证了事件响应的实时性。同时，各模块的状态指示元件使得可以方便地在线观察各模块的状态。
[0028]优选地，底板电路板布线中的NBus总线具有外部扩展接口，用于数控系统的单元扩展。
[0029]上述配置的数控系统具有增强的可扩展性，当数控系统需要扩展单元时，新单元直接与NBus总线的外部扩展接口连接即可。
[0030]优选地，人机界面与控制单元彼此分离，所述底板上布置有人机界面接口，人机界面与控制单元彼此通过人机界面接口进行信号连接，人机界面接口通过底板电路板布线与控制单元的各模块进行信号连接。
[0031]上述配置的数控系统使低实时性要求的人机交互任务与高实时性要求的控制任务分离，提高了控制单元的实时性与可靠性，并且方便数控设备生产商定制不同风格的人机界面。
[0032]优选地，人机界面为手持式设备，包括:急停开关，用于在紧急情况下切断数控设备的电源；触摸屏，用于接受用户输入以及显示数控系统和数控设备的状态。
[0033]优选地，人机界面为USB主设备或USB从设备，其与USB从设备(例如，U盘)连接以从USB从设备中读取加工程序，与USB主设备(例如，个人计算机)连接以通过USB主设备对数控系统和数控设备进行调试和状态诊断。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]结合以下附图来详细描述本发明的示例实施例，附图中:
[0035]图1示出了根据本发明的示例实施例的数控系统的结构框图；
[0036]图2示出了根据本发明的示例实施例的数控系统的信号框图；
[0037]图3示出了根据本发明的示例实施例的NBus总线中的直选输入线路的示例；
[0038]图4示出了根据本发明的示例实施例的数控系统中控制单元的结构示意图；
[0039]图5示出了根据本发明的示例实施例的把手的结构示意图。
【具体实施方式】
[0040]图1示出了根据本发明的示例实施例的数控系统的结构框图。图2示出了示出了根据本发明的示例实施例的数控系统的信号框图。
[0041]如图1所示，数控系统包括人机界面和控制单元，人机界面和控制单元为彼此分离的两大部分。人机界面与控制单元之间可以通过ModBus总线、VGA总线、或LVDS总线等数据总线进行信号连接。
[0042]人机界面具有人机交互功能，包括信息的输入和输出。如图1所示，人机界面可以包括急停开关和触摸屏，急停开关用于在紧急情况下切断数控设备的电源，触摸屏用于接受用户的输入以及显示数控系统和数控设备的状态。作为替换，人机界面可以包括按键和显示屏来代替触摸屏，按键用于接受用户的输入，显示屏用于显示数控系统和数控设备的状态。例如，人机界面可以为手持式设备，其可以通过弹簧电缆与控制单元连接，可以通过安装在数控设备的控制柜上的卡座固定，也可以被取下，以方便操作人员在近距离观察待加工工件的同时执行操控。此外，人机界面可以为USB主设备或USB从设备，其可以与USB从设备(例如，U盘)连接以从USB从设备中读取加工程序并将其导入控制单元，也可以与USB主设备(例如，个人计算机)连接以通过USB主设备上的软件对数控系统和数控设备进行调试和状态诊断。
[0043]控制单元进一步包括控制模块、驱动模块和电源模块三大功能模块。控制模块根据待加工工件的加工程序产生并发出控制指令。驱动模块根据来自控制模块的控制指令来驱动数控设备的加工执行装置，以对待加工工件进行加工。电源模块将输入的工业用电转换为数控系统中所需的电压。
[0044]控制单元的各模块集成安装在同一底板上，并通过底板电路板布线实现各模块之间的信号连接。该示例实施例中，底板电路板布线包括NBus总线(如图2所示)，NBus总线包括多路直选输入线路和一路串行总线(例如，RS485、CAN总线等)。直选输入线路的作用是通过中断请求通知控制模块有中断事件产生，要求控制模块查询并响应。多路直选输入线路分别对应于不同响应级别的中断请求。例如，控制单元的各模块可以具有状态检测/指示元件。控制单元中各模块的状态检测/指示元件所检测/指示的状态、以及数控设备的状态检测/指示装置所检测/指示的状态被分类为不同响应级别，以利用不同响应级别的中断请求通过不同的直选输入线路通知控制模块，控制模块接收到中断请求后，根据中断请求的响应级别在适当的时间内通过串行总线查询状态详情，并执行响应。例如，控制单元中控制模块的状态检测/指示元件可以检测/指示其连线(例如，NBus总线)、输入、输出、环境温度、湿度等状态，驱动模块的状态检测/指示元件可以检测/指示其连线、输入和输出的电压、电流等状态，电源模块的状态检测/指示元件可以检测/指示其连线、输入和输出的电压、电流等状态。例如，控制单元中各模块的状态检测/指示元件可以为传感器、板载LED等。通过NBus总线传送给控制模块的状态信息可以被显示在人机界面中。如图2所示，控制模块可以根据所查询到的状态详情向数控设备的开关装置等发送控制指令。
[0045]控制模块是数控系统的核心，主要负责加工程序载入、G代码解释、和可编程控制等。例如，控制模块可以为3轴步进电机控制器。相应地，驱动模块可以为X轴驱动模块、Y轴驱动模块、和Z轴驱动模块，如图2所示。X轴、Y轴组成平面联动，Z轴为位置随动系统，通过位置传感器使Z轴与待加工工件表面保持固定距离。此外，根据数控设备的不同，控制模块也可以被实现为更多轴驱动模块控制器，驱动模块也可以被实现为更多轴驱动模块。
[0046]如图2所示，控制模块(例如，3轴步进电机控制器)可以向驱动模块(例如，X轴驱动模块、Y轴驱动模块、和Z轴驱动模块)发送控制脉冲信号和方向信号，并通过NBus总线来查询各驱动模块的状态以及向各驱动模块发送控制指令。
[0047]电源模块接受220V或380V的交流工业用电输入，例如，如图2所示，提供I路24V直流电源和3路36V直流电源，其中，I路24V直流电源用于为控制模块供电，3路36V直流电源用于为驱动模块(例如，X轴驱动模块、Y轴驱动模块、和Z轴驱动模块)供电。控制模块可以通过底板电路板布线中的NBus总线查询电源模块的状态，并控制电源模块的开启、关闭等功能。此外，电源模块还可以为控制模块的输入(例如，数控设备的状态检测/指示装置等)和输出(例如，数控设备的开关装置等)供电。
[0048]此外，如图2所示，NBus总线可以具有外部扩展接口，用于数控系统的单元扩展，当数控系统需要扩展单元时，新单元直接与NBus总线的外部扩展接口连接即可。
[0049]图3示出了根据本发明的示例实施例的NBus总线中的直选输入线路的示例。如图3所示，直选输入线路可以通过OC门电路实现。
[0050]例如，NBus总线中的直选输入线路可以为3路，S卩，DIS[2:0]。例如，DIS[0]用于急停事件组，事件产生后，要求数控设备立即以最大加速度停止运动，需要重建数控设备坐标系，该类事件例如由限位开关、报警装置等产生。DIS[1]用于暂停事件组，事件产生后，要求数控设备暂停运动，不需要重建数控设备坐标系，该类事件例如由暂停按钮、警告装置等产生。DIS[2]用于常规事件组，事件产生后，不要求数控系统立即响应，该类事件由用户按钮、常规状态指示等产生。
[0051]图4示出了根据本发明的示例实施例的数控系统中控制单元的结构示意图。图5示出了根据本发明的示例实施例的把手的结构示意图。
[0052]如图4所示，控制单元的控制模块、驱动模块和电源模块集成安装在同一底板上。各模块均采用卧式安装方式，使各模块电路板的重心较低，从而可以将诸如驱动模块、电源模块之类的较重模块牢固地固定在所述底板上。各模块通过接插件可拆卸地安装于所述底板上，并通过安装柱与所述底板进行固定。而且，各模块通过接插件与所述底板进行信号连接，各模块及所述底板之间没有任何外部连线。该情况下，接插件的引脚数可能较多，从而在拆卸各模块时可能需要施加较大的力。但是，当施力不均匀时，容易造成模块电路板或接插件的损坏。该示例实施例中，控制单元的各模块上都有安装有把手，各把手通过针脚焊接方式安装在各模块电路板上靠近接插件的位置，以方便各模块的拆卸。如图5所示，把手的针脚以预定间隔排列，从而在提拉把手时，接插件附近的电路板受力均匀，接插件的所有插针几乎同时拔离插座。
[0053]如图4所示，所述底板上还布置有用于引入工业用电的电源接口、用于数控系统的单元扩展的扩展接口(例如，NBus总线的外部扩展接口)、用于与人机界面进行信号连接的人机界面接口、以及用于与数控设备进行信号连接的数控设备接口，各接口均通过底板电路板布线与控制单元的各模块进行信号连接。此外，所述底板上还可以布置有以太网接口等，控制单元的控制模块可以通过以太网接口与远程计算机通信，从而实现数控设备的远程监控。
[0054]此外，为了使数控系统可靠、稳定地工作。可以使用屏蔽罩来保护控制模块，以降低其他模块对其的影响(例如，空间磁场干扰等)。另外，可以在底板电路板布线中通过隔离器件将低电压控制信号线路与高电压大功率信号(例如，供电信号)线路完全隔离，以避免信号在传输线路中的相互干扰。
[0055]此外，根据数控设备的不同，所述底板上还可以布置有以下模块:转速控制模块，用于加工执行装置为电主轴的数控设备，以控制电主轴的转速；1/0扩展模块，用于需求I/O数量较多的数控系统，例如，当数控设备的加工执行装置为工装夹具、刀库等时，用于数控系统的输入输出扩展；抱闸控制模块，用于突然断电时要求加工执行装置的垂直轴下降距离较小的数控设备，以控制数控设备中加工执行装置的紧急制动；或者图像识别控制模块，用于需要进行图像识别的数控设备，以控制数控设备进行图像识别(例如，通过CCD(电荷耦合元件)图像传感器等)。
[0056]本发明可用于连续轨迹控制，如数控车床、数控铣床、雕刻机、激光切割机、激光焊接机、激光雕刻机、数控冲压机床、快速成型机、超声焊接机、水射流切割、电路板特型铣、晶片切割机等数控设备。
[0057]以上对本发明的示例实施例的详细描述是为了说明和描述的目的而提供。不是为了穷尽或将本发明限制为所公开的精确形式。显然，许多变型和改变对本领域技术人员而言是显而易见的。实施例的选择和描述是为了最佳地说明本发明的原理及其实际应用，从而使本领域其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适于特定使用预期的各种变型。本发明的实施例可以省略上述技术特征中的一些技术特征，仅解决现有技术中存在的部分技术问题。而且，所公开的技术特征可以进行任意组合。本发明的范围由所附权利要求及其等价物来限定，本领域技术其他人员可以对所附权利要求中所公开的技术方案进行各种变型和组合。
【权利要求】
1.一种用于数控设备的数控系统，包括具有人机交互功能的人机界面和控制单元，其中，控制单元包括: 控制模块，其根据待加工工件的加工程序产生并发出控制指令； 驱动模块，其根据来自控制模块的控制指令来驱动数控设备的加工执行装置，以对待加工工件进行加工； 电源模块，其将输入的工业用电转换为数控系统中所需的电压， 其特征在于，控制单元的各模块集成安装在同一底板上，并通过底板电路板布线实现各模块之间的信号连接。
2.根据权利要求1所述的数控系统，其特征在于，控制单元的各模块通过接插件与所述底板进行信号连接，各模块及所述底板之间没有任何外部连线。
3.根据权利要求2所述的数控系统，其特征在于，控制单元的各模块采用卧式安装方式通过接插件可拆卸地安装于所述底板上，并通过安装柱固定。
4.根据权利要求3所述的数控系统，其特征在于，控制单元的各模块上都安装有把手，各把手通过针脚焊接方式安装在各模块电路板上。
5.根据权利要求1所述的数控系统，其特征在于，所述底板上布置有数控设备接口，用于与数控设备进行信号连接，数控设备接口通过底板电路板布线与控制单元的各模块进行信号连接。
6.根据权利要求1所述的数控系统，其中，使用屏蔽罩来保护控制模块，以降低其它模块对其的影响。
7.根据权利要求1所述的数控系统，其中，在底板电路板布线中通过隔离器件将低电压控制信号线路与高电压大功率信号线路完全隔离，以避免信号干扰。
8.根据权利要求1所述的数控系统，其特征在于，根据数控设备的不同，所述底板上还布置有用于控制数控设备中加工执行装置的主轴转速的转速控制模块、用于数控系统的输入输出扩展的I/O扩展模块、用于控制数控设备中加工执行装置的紧急制动的抱闸控制模块、或用于控制数控设备进行图像识别的图像识别控制模块。
9.根据权利要求1所述的数控系统，其中，底板电路板布线包括NBus总线，NBus总线包括多路直选输入线路和一路串行总线。
10.根据权利要求9所述的数控系统，其中，控制单元的各模块都具有状态检测元件或状态指示元件，各状态检测元件所检测到的状态或各状态指示元件所指示的状态被分类为不同响应级别，以利用不同响应级别的中断请求分别通过不同的直选输入线路通知控制模块，控制模块根据所接收到的中断请求的响应级别通过串行总线来查询各模块的状态，并执行响应。
11.根据权利要求9所述的数控系统，其中，将数控设备的状态检测装置所检测到的状态或状态指示装置所指示的状态分类为不同响应级别，以利用不同响应级别的中断请求分别通过不同的直选输入线路通知控制模块，控制模块根据所接收到的中断请求的响应级别通过串行总线来查询数控设备的状态，并执行响应。
12.根据权利要求9所述的数控系统，其中，底板电路板布线中的NBus总线具有外部扩展接口，用于数控系统的单元扩展。
13.根据权利要求1所述的数控系统，其特征在于，人机界面与控制单元彼此分离，所述底板上布置有人机界面接口，人机界面与控制单元彼此通过人机界面接口进行信号连接，人机界面接口通过底板电路板布线与控制单元的各模块进行信号连接。
14.根据权利要求1所述的数控系统，其特征在于，人机界面为手持式设备，包括: 急停开关，用于在紧急情况下切断数控设备的电源； 触摸屏，用于接受用户输入以及显示数控系统和数控设备的状态。
15.根据权利要求1所述的数控系统，其特征在于，人机界面为USB主设备或USB从设备，其与USB从设备连接以从USB从设备中读取加工程序，与USB主设备连接以通过USB主设备对数控系统和数控设备进行调试和状态诊断。
【文档编号】G05B19/414GK104281100SQ201310272948
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月2日 优先权日:2013年7月2日
【发明者】高林 申请人:北京耐威徐激光技术开发有限责任公司