激光控制系统、激光控制板及激光加工设备的制作方法

1.本发明属于激光加工领域，特别是涉及一种激光控制系统、激光控制板及激光加工设备。


背景技术：

2.随着科技的发展，激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。激光加工技术具体是利用高功率密度的激光束照射工件，使材料熔化气化，从而可对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等等的特种加工。
3.激光加工设备大致分为四大部件：激光器及光学组件、激光控制组件、执行机构组件(如电机等)和电源组件。其中，激光控制组件是整个激光加工设备的大脑，激光控制组件的主要职能是将用户的操作指令解析，分别去控制激光器和执行机构，完成用户的激光加工需求。
4.现有技术中，在激光器内部存在独立的控制子系统，执行机构也存在独立的控制子系统，而激光控制组件需要分别与这些独立的控制系统进行交互通信，从而完成激光加工。一方面由于各个控制子系统的独立工作，以及控制系统(位于激光控制组件)与控制子系统(位于激光器或执行组件)之间复杂的交互通信，在某个部件(激光器或者执行机构)性能下降或者发生故障时，无法及时进行上报和处理，导致激光加工设备的稳定性低；另一方面，存在多种独立的控制系统，就意味着需要多个控制板卡，例如激光器、执行机构和激光控制组件内部分别设有控制板卡，从而成本较高。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中激光控制组件与激光器和执行机构进行复杂交互通信，从而导致稳定性低，且需要多块板卡导致成本高的问题，本发明技术方案如下：
6.一方面，提供一种激光控制系统，包括：数字控制模块，数字控制模块电连接有电机驱动模块和/或激光驱动模块，以及与数字控制模块、电机驱动模块和/或激光驱动模块电连接的电源模块；数字控制模块用于接收操作指令，根据操作指令控制电机驱动模块和/或激光驱动模块完成激光加工操作；电源模块用于给数字控制模块、电机驱动模块和激光驱动模块供电。
7.优选的，电机驱动模块用于与外部的电机电连接，当数字控制模块电连接有电机驱动模块时，数字控制模块包括振镜电机控制单元，振镜电机控制单元控制电机驱动模块对电机进行驱动。
8.优选的，激光驱动模块用于与外部的激光器电连接，当数字控制模块电连接有激光驱动模块时，数字控制模块包括激光器控制单元，激光器控制单元控制激光驱动模块对激光器进行驱动。
9.优选的，当数字控制模块电连接有电机驱动模块和激光驱动模块时，数字控制模块包括振镜电机控制单元和激光器控制单元，振镜电机控制单元控制电机驱动模块对电机进行驱动，激光器控制单元控制激光驱动模块对激光器进行驱动。
10.优选的，电机驱动模块包括pwm开关功放电路、位置光电led驱动电路、位置模拟量转数字量采样电路；pwm开关功放电路包括pwm驱动和第一mos管、第二mos管、第三mos管及第四mos管；pwm驱动的第一端与数字控制模块电连接，pwm驱动的第二端与第一mos管的栅极电连接，pwm驱动的第三端与第二mos管的栅极电连接，pwm驱动的第四端与第三mos管的栅极电连接，pwm驱动的第五端与第四mos管的栅极电连接；第一mos管的源极与电源电连接，第一mos管的漏极与第二mos管的源极电连接，第二mos管的漏极接地，第一mos管的漏极还与电机的正极电连接；第三mos管的源极与电源电连接，第三mos管的漏极与第四mos管的源极电连接，第四mos管的漏极接地，第三mos管的漏极还与电机的负极电连接。
11.优选的，位置光电led驱动电路的第一端与数字控制模块电连接，位置光电led驱动电路的第二端与电机电连接；位置模拟量转数字量采样电路的第一端与数字控制模块电连接，位置模拟量转数字量采样电路的第二端与电机电连接。
12.优选的，激光驱动模块包括恒流源模块、频率驱动模块、激光功率反馈模块；恒流源模块的第一端与数字控制模块电连接，恒流源模块的第二端与激光器的电源正极电连接，恒流源模块的第三端与激光器的电源负极电连接；频率驱动模块的第一端与数字控制模块电连接，频率驱动模块的第二端与激光器电连接；激光功率反馈模块的第一端与数字控制模块电连接，激光功率反馈模块的第二端与激光器电连接。
13.优选的，激光控制系统还包括外围总线模块，数字控制模块内设有总线接口，总线接口与外围总线模块电连接，通过外围总线模块与外部设备通信。
14.另一方面，本发明还提供一种激光控制板，其特征在于，激光控制板上设有上述的激光控制系统。
15.再一方面，本发明还提供一种激光加工设备，其特征在于，激光加工设备包括上述的激光控制板。
16.本发明的有益效果是：利用本发明方案，通过将激光加工设备中的控制组件与驱动部分的各控制子系统进行高度融合，获得驱控一体的激光控制系统，利用一块控制板实现了现有技术中需要两块或者三块控制板才能实现的功能，从而提高设备的集成度，降低制造成本，同时也提高设备的可靠性和稳定性。
附图说明
17.图1是本发明激光控制系统一实施例的结构示意图；
18.图2是本发明激光控制系统一实施例的结构示意图；
19.图3是本发明激光控制系统一实施例的结构示意图；
20.图4是现有技术中电机驱动模块一实施例的结构示意图；
21.图5是本发明数字控制模块与电机驱动模块一实施例的结构示意图；
22.图6是现有技术中激光驱动模块一实施例的结构示意图；
23.图7是本发明数字控制模块与激光驱动模块一实施例的结构示意图；
24.图8是本发明激光控制系统一实施例的结构示意图；
25.图9是现有技术中激光控制系统一实施例的总线连接方式示意图；
26.图10是本发明激光控制系统一实施例的总线连接方式示意图；
27.图11是现有技术的激光控制系统工作流程示意图；
28.图12是本发明激光控制系统一实施例的工作流程示意图；
29.图13是现有技术中主控卡和子系统的供电模式；
30.图14是本发明一实施例的主控卡和子系统供电模式。
具体实施方式
31.为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
32.需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。例如，实施例中的控制板、板卡、主控卡、电机驱动卡、激光器驱动卡、外设控制卡等都是pcb板卡(pcb板)，安装控制程序和驱动程序后，即可实现相应的硬件功能。
33.参考图1，为本发明提供一种激光控制系统，包括：数字控制模块，数字控制模块电连接有电机驱动模块和激光驱动模块，以及与数字控制模块、电机驱动模块和激光驱动模块电连接的电源模块；电机驱动模块用于与外部的电机电连接，激光驱动模块用于与外部的激光器电连接；数字控制模块用于接收操作指令，根据操作指令控制电机驱动模块和激光驱动模块完成激光加工操作；电源模块用于给数字控制模块、电机驱动模块和激光驱动模块供电。其中，虚线代表供电线路，主要传输供电信号，实现代表通信线路，主要传输控制信号和通信信号。
34.现有技术中，电机驱动模块需要一张独立的板卡实现，激光驱动模块也需要一张独立的板卡实现，数字控制模块也需要一张独立的板卡实现，并且三张板卡也分别需要独立供电，且分别运行在不同的硬件设备中，通过图1的方案，将原本需要三块板卡的激光控制系统，集成至一块板卡，并且使用统一的电源模块供电，提升了集成度。
35.进一步地，参考图2，图3所示，激光控制系统也可以只集成电机驱动模块或者激光驱动模块中的一个。在图2所示的激光控制系统中，数字控制模块电连接有电机驱动模块，通过控制电机驱动模块来控制外部的电机进行操作，而对于外部的激光器，则是由激光控制系统与外部激光器中的控制子系统进行通信，从而完成控制外部激光器的操作。
36.在图3所示的激光控制系统中，数字控制模块电连接有激光驱动模块，通过控制激光驱动模块来控制外部的激光器进行操作，而对于外部的电机，则仍然是由激光控制系统与外部电机中的控制子系统进行通信，从而完成控制电机的操作。
37.利用本发明方案，通过将激光加工设备中的控制组件与驱动部分的各控制子系统进行高度融合，获得驱控一体的激光控制系统，利用一块控制板实现了现有技术中需要两块或者三块控制板才能实现的功能，从而提高设备的集成度，降低制造成本，同时也提高设备的可靠性和稳定性。
38.如图4所示，现有技术中电机驱动是由模拟电路实现，传统的电机驱动模块包括：音频功放、pid调节电路、位置比较器、位置模拟量反馈电路、位置驱动电路。其中音频功放与电机的正极和负极电连接，位置驱动电路与电机电连接，位置模拟量反馈电路采集与电机电连接，同时与位置比较器电连接，位置比较器还与pid调节电路电连接，位置比较器还接收模拟位置输入信息，从而根据模拟位置输入信息进行电机驱动。
39.其中，位置比较器用来将模拟位置输入与位置模拟量反馈电路的输出做减法。pid调节电路是根据位置比较器输出的位置差进行调整，输出响应的模拟量。pid中的p是proportional(比例)、i是integral(积分)、d是derivative(微分)，是一种常见的控制算法，例如用于控制电机的运动速度保持在一个恒定值。音频功放电路将pid调节电路输出的模拟量进行放大，来驱动电机运动。位置驱动电路是为电机内部的位置反馈传感器提供稳定的电流。
40.可以看出，现有技术的电机驱动模块是独立的闭环系统，位置比较器将模拟位置输入跟位置模拟量反馈电路的输出做减法，将误差信号通过pid调节电路输出误差模拟量，再通过音频功放进行电流放大驱动电机运动到指定位置。
41.优选地，参考图5，本发明提供一种新的电机驱动模块，包括pwm开关功放电路、位置光电led驱动电路、位置模拟量转数字量采样电路；pwm开关功放电路包括pwm驱动和第一mos管、第二mos管、第三mos管及第四mos管；pwm驱动的第一端与数字控制模块电连接，pwm驱动的第二端与第一mos管的栅极电连接，pwm驱动的第三端与第二mos管的栅极电连接，pwm驱动的第四端与第三mos管的栅极电连接，pwm驱动的第五端与第四mos管的栅极电连接；第一mos管的源极与电源电连接，第一mos管的漏极与第二mos管的源极电连接，第二mos管的漏极接地，第一mos管的漏极还与电机的正极电连接；第三mos管的源极与电源电连接，第三mos管的漏极与第四mos管的源极电连接，第四mos管的漏极接地，第三mos管的漏极还与电机的负极电连接。
42.进一步地，参考图5，当数字控制模块电连接有电机驱动模块时，数字控制模块包括振镜电机控制单元，振镜电机控制单元控制电机驱动模块对电机进行驱动。
43.本发明采用的是pwm开关驱动的方案，pwm驱动电路由数字控制模块控制。位置光电led驱动电路为电机内部的led提供恒定的电流。位置模拟量转数字量采样电路为数字控制模块提供可靠的位置采样。本发明中数字控制模块首先将位置指令转换成pwm控制信号，通过pwm驱动电路控制电机运动，在运动过程中通过位置采样电路持续获得位置信息，在数字控制模块中进行位置闭环控制。
44.通过对比图中4和图5，可以看出本发明有以下优势：
45.一方面，在数字控制模块中增加振镜电机控制单元，实现振镜电机数字控制，控制振镜电机快速运动。将模拟电路控制转为数字控制的方式，使得电路设计大幅度简化，集成度更高。同时，数字控制模块可以在运行过程中及时获取电机的实时运行信息，以便更好的监控电机的异常，增加系统稳定性。
46.另一方面，在电机驱动模块中，将功率放大电路从原有的音频功放设计改成了pwm开关功放设计，此设计可以大大减小工作过程中的功率损耗，减小热量堆集，简化电路设计。将闭环pid调节从原有的模拟pid设计改成了数字pid控制算法，简化了电路设计，将大量的模拟器件用大容量的数字处理器替代，降低成本、简化设计、提高性能。将位置反馈环
节也从原有的模拟量电路改成了数字电路，增加了抗干扰性。
47.从以上分析可以看出，本发明在硬件电路的设计上进行了大幅度简化，由于大部分模拟信号都进行了数字化处理，所以抗干扰性提高，同时提升了系统的可监控性。
48.如图6所示，现有技术中包含接口电路和总控制单元，传统的激光驱动模块包括：恒流源模块、频率调整模块、激光功率反馈模块、接口电路、总控制单元。
49.其中，接口电路负责接收外部控制信号输入，例如功率输入、频率输入、开关量输入等，并将报警信号进行输出以供激光控制组件进行报警监控等。总控制单元根据外部信号，控制恒流源模块、频率调整模块、激光功率反馈模块等完成激光器的操作控制。由于总控制单元需要对外部输入信号进行隔离、检测及保护的设计，会导致链路的延时变大，从而导致系统同步时间变长。
50.传统的激光驱动模块首先要通过接口电路进行功率、频率、开关量采样。总控制单元将接口电路的采样信号进行纠错判断，再将功率送给恒流源模块进行信号放大。总控制单元将将频率送给频率调整模块进行频率纠偏调整。激光功率反馈模块不进行闭环功率控制，只是进行报警输出。
51.优选地，参考图7，本技术提供的激光驱动模块包括恒流源模块、频率驱动模块、激光功率反馈模块；恒流源模块的第一端与数字控制模块电连接，恒流源模块的第二端与激光器电源的正极电连接，恒流源模块的第三端与激光器电源的负极电连接；频率驱动模块的第一端与数字控制模块电连接，频率驱动模块的第二端与激光器电连接；激光功率反馈模块的第一端与数字控制模块电连接，激光功率反馈模块的第二端与激光器电连接。
52.本发明中的恒流源模块用于保证激光器模块稳定运行，具体是将数字控制模块的命令转换成模拟量信号，再进行电流放大去驱动激光器；频率驱动模块将数字控制模块的小信号数字量进行放大，用以驱动激光器的开关频率。激光器功率反馈模块是将激光器反馈输出的模拟信号进行采样，并反馈给数字控制模块进行闭环功率调整。
53.进一步地，参考图7，当数字控制模块电连接有激光驱动模块时，数字控制模块包括激光器控制单元，激光器控制单元控制激光驱动模块对激光器进行驱动。在激光器控制单元中，集成了总控制单元的功能，包括功率、频率控制算法等，比起集成之前的方案，本发明可以显著提高激光器的控制同步效果。例如，原有系统激光器的同步时间在10us作用，本发明可以将同步时间降低到1us，使得控制的精确度更高，同步性更好。
54.因此，对比图6和图7，本发明有以下优势：在激光驱动模块中只保留了模拟电路部分，而将传统的总控制单元放在了数字控制模块的激光器控制单元中，简化了电路设计、提升了快速响应性能。
55.现有技术中激光驱动模块的总控制单元需要对外部输入信号进行隔离、检测及保护的设计，会导致链路的延时变大，导致系统同步时间变长。而本设计中由于数字控制模块直接控制，可以大大降低链路控制延时，从而大大提高激光驱动模块的快速响应性。
56.在现有技术中激光功率反馈只是进行功率监控，而在本发明中，激光功率反馈可以传输给激光器控制单元，用于优化功率调整。
57.优选地，参考图8，激光控制系统还包括外围总线模块，数字控制模块内设有总线接口，总线接口与外围总线模块电连接，通过外围总线模块与外部设备通信。外部设备(图中的外设)是指其他需要跟激光控制系统进行交互的其他设备或者其他部件，例如运动控
制卡、plc、波形控制卡等。
58.图9为原有的总线连接方式，图10为本发明外围总线模块优化以后的总线连接方式。对比图9和图10可以看出，优化后的总线连接方式将原有的星型连接改成了链式连接，这样可以简化激光控制系统的端口数量，简化设计，同时链式连接又可以完成星型连接的同步效果，在总线上进行了优化处理。
59.进一步地，图11为现有技术的激光控制系统工作流程图，图12为本发明优选的激光控制系统工作流程图。
60.如图11所示，在传统的激光加工设备中，需要至少三张板卡，主控卡、电机驱动卡、激光器驱动卡。其中，激光控制系统只包括主控卡中的主控模块，而激光器和执行机构中有各自的工作周期及控制方式。也就是说，激光器中有激光器驱动卡，执行机构(电机)中有电机驱动卡。每一张卡都是独立控制和工作的，例如，电机驱动卡在执行指令的过程中是无法做到与激光器驱动卡进行同步，因为一旦开始执行指令，电机驱动卡就将从头到尾执行完毕，不存在等待激光器驱动卡执行完毕以后再进行判断和反馈。
61.在这样的方案中，激光控制系统在协调各子模块工作过程中经常会出现不同步的现象，为了规避不同步的现象必须要增加延时来协调工作。这样会导致工作效率下降、系统调试复杂度变大、系统的不稳定因素明显。
62.本发明在原有的系统架构基础上，提供一种激光控制板，该激光控制板上设有如前的激光控制系统。如图12所示，是采用本发明的激光控制板的流程图，通过将主控模块集成各子模块，统一在一张板卡(主控卡)上实现，并将各子模块的驱动电路优化，使得各子模块完成系统同步。
63.通过对比图11和图12，可以看出，本发明方案只需要一张板卡即主控卡，就可以完成现有技术中三张板卡才能完成的工作，降低了成本，同时也降低了调试复杂度，减小了系统的不确定因素，提高了用户体验。除此以外，本发明的方案还可以保证各子系统的控制流程协作同步，进一步提升工作效率和稳定性。
64.进一步地，本发明对电源模块也进行了优化。参考图13，图13为现有技术中主控卡和子系统的供电模式。从图13中可以看出，针对主控卡和激光器、电机等需要设置不同种类的电源，包括5v电源、24v电源以及15v电源等。参考图14，图14为本发明的供电模式。从图14中可以看出，本发明中可以简化到单电源供电，将电源统一到24v一种，在板卡内部再进行电源降压转换处理，这样可以使得用户的使用更加简单。本发明优化了电源设计，单电源的方案有利于降低成本，并且使得管理简单，从而进一步使得系统复杂度降低，可靠性增加。
65.另一方面，本发明还提供一种激光控制板，激光控制板上设有上述的激光控制系统。如前所述，激光控制板是一种pcb板，本发明通过将激光控制系统的各个模块烧录在基板上，形成一块激光控制板，使用者可通过一块激光控制板实现现有技术中需要两块或者三块控制板才能实现的功能，从而提高设备的集成度，降低制造成本。
66.再一方面，本发明还提供一种激光加工设备，激光加工设备包括上述的激光控制板。
67.综上所述，本发明有以下有益效果：通过将激光加工设备中的控制组件与驱动部分的各控制子系统进行高度融合，获得驱控一体的激光控制系统，利用一块控制板实现了现有技术中需要两块或者三块控制板才能实现的功能，从而提高设备的集成度，降低制造
成本，同时也提高设备的可靠性和稳定性。除此以外，本发明的方案还可以保证各子系统的控制流程协作同步，进一步提升工作效率和稳定性。
68.进一步地，一方面在数字控制模块中增加振镜电机控制单元，实现振镜电机数字控制，控制振镜电机快速运动。将模拟电路控制转为数字控制的方式，使得电路设计大幅度简化，集成度更高。同时，数字控制模块可以在运行过程中及时获取电机的实时运行信息，以便更好的监控电机的异常，增加系统稳定性。另一方面，在电机驱动模块中，将功率放大电路从原有的音频功放设计改成了pwm开关功放设计，此设计可以大大减小工作过程中的功率损耗，减小热量堆集，简化电路设计。将闭环pid调节从原有的模拟pid设计改成了数字pid控制算法，简化了电路设计，将大量的模拟器件用大容量的数字处理器替代，降低成本、简化设计、提高性能。将位置反馈环节也从原有的模拟量电路改成了数字电路，增加了抗干扰性。因此，本发明在硬件电路的设计上进行了大幅度简化，由于大部分模拟信号都进行了数字化处理，所以抗干扰性提高，同时提升了系统的可监控性。
69.进一步地，在激光驱动模块中只保留了模拟电路部分，而将传统的总控制单元放在了数字控制模块的激光器控制单元中，简化了电路设计、提升了快速响应性能。现有技术中激光驱动模块的总控制单元需要对外部输入信号进行隔离、检测及保护的设计，会导致链路的延时变大，导致系统同步时间变长。而本设计中由于数字控制模块直接控制，可以大大降低链路控制延时，从而大大提高激光驱动模块的快速响应性。在现有技术中激光功率反馈只是进行功率监控，而在本发明中，激光功率反馈可以传输给激光器控制单元，用于优化功率调整。
70.进一步地，优化后的总线连接方式将原有的星型连接改成了链式连接，这样可以简化激光控制系统的端口数量，简化设计，同时链式连接又可以完成星型连接的同步效果，在总线上进行了优化处理。
71.进一步地，本发明采用单电源供电，将电源统一到24v，在板卡内部再进行电源降压转换处理，这样可以使得用户的使用更加简单。本发明优化了电源设计，单电源的方案有利于降低成本，并且使得管理简单，从而进一步使得系统复杂度降低，可靠性增加。