一种以太网网关的激光振镜控制系统和方法技术方案

本发明专利技术属于激光振镜加工领域，提供了一种以太网网关的激光振镜控制系统和方法。其中，该系统包括控制器、网关、伺服电机和I/O模块，所述控制器为以太网总线主站，所述网关、伺服电机和I/O模块均为以太网总线从站，从而形成一主多从架构；控制器用于接收加工指令及参数，计算得到各个以太网总线从站的控制指令，并通过以太网总线下发网络帧至对应从站；网关，用于从下发的网络帧中提取振镜和激光器控制相关信息，并转化为符合振镜和激光器控制格式要求的指令；伺服电机用于根据接收到的控制指令来产生驱动动作；I/O模块用于根据接收到的控制指令来控制激光加工过程中气路、开关和其他外围设备。其他外围设备。其他外围设备。

【技术实现步骤摘要】
一种以太网网关的激光振镜控制系统和方法


[0001]本专利技术属于激光振镜加工领域，尤其涉及一种以太网网关的激光振镜控制系统和方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]激光加工是利用高能激光束聚焦，快速熔化基体材料或改变表面形貌以达到加工效果的过程，一直以来是机械加工领域的热门特种加工技术，广泛应用于航空航天、汽车船舶、电子元件等高端制造行业。激光加工的特点是非接触加工、应力影响区小、热影响区小、基本无加工工具损耗、可加工陶瓷等高脆性或高熔点材料，同时与传统机械加工方式相比激光加工易于集成自动化控制，更加安全高效环保。近些年，随着激光器、水冷机、送粉器等关键产品的国产化和高端制造需求的提升，激光加工技术在国内迅速普及，应用场景更加多元。
[0004]振镜工作原理是利用低惯量、高频率的电机带动反射镜在小范围内偏转，使光路改变而引起聚焦点(加工点)在大幅面范围内快速变化。激光振镜加工可以充分发挥振镜电机的高频特性和激光的光学特性，极大提高工作效率和成品质量，典型的加工场景有激光扫描焊接、激光振镜打标、激光减薄以及激光表面处理等。
[0005]目前市场现有的激光振镜控制方式为专用控制板卡配合专用控制软件，一般控制核心为单片机或FPGA，负责实时运动控制逻辑运算和整个系统资源调度；上位机一般为PC或PLC，运行厂商提供的专用控制软件，通过串口、USB或以太网等非实时方式下发激光和振镜控制命令并由专用控制板卡上相关模块芯片接收传递给主控核心；主控核心解析命令参数，进行运动规划，按控制周期插补并下发外部设备控制指令，振镜电机运动控制指令遵循XY2
‑
100专用协议格式。现行的激光振镜控制系统存在如下技术弊端：
①
专用软硬件限制了系统的拓展性、可编辑性，增加了用户二次开发难度和开发成本，整个系统功能和结构较为单一；
②
繁杂的控制逻辑核心运算部分由下位机(板卡)完成，既限定了系统性能设计的开放性，也浪费了上位机(PC)CPU充裕强大的计算能力；
③
激光振镜由于其协议的专有性只能由专用板卡接入和专用软件(或SDK)控制，与加工系统其他部分(如机器人、机床)联动困难，系统集成度较低，更无法融入当前工控领域普遍采用的实时现场总线拓扑结构。
[0006]现有技术有的只对上述问题
③
做了部分优化，整合了振镜轴、动态聚焦轴、伺服轴的控制，通过拼接方式拓展接口。但是，其仍是专用板卡控制方式，上位机通过专用控制软件以非实时方式下发激光和振镜控制命令，核心运算功能仍由下位机硬件完成，没有充分利用上位机软硬件资源，系统整体与工业现场总线隔离，拓展形式有限且成本高，并且没有考虑激光功率和振镜运动实时同步调节的接口。综上所述，专利技术人发现，目前激光振镜运动控制系统存在通用性差、集成度低、不开放性且不可拓展的技术问题。

技术实现思路

[0007]为了解决上述
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术的第一个方面提供一种以太网网关的激光振镜控制系统，其能够在保证加工性能和兼容现有协议的前提下，打通工业现场总线壁垒，从软硬件两方面整合并优化激光加工控制系统。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种以太网网关的激光振镜控制系统，其包括控制器、网关、伺服电机和I/O模块，所述控制器为以太网总线主站，所述网关、伺服电机和I/O模块均为以太网总线从站，从而形成一主多从架构；
[0010]所述控制器用于接收加工指令及参数，计算得到各个以太网总线从站的控制指令，并通过以太网总线下发网络帧至对应从站；
[0011]所述网关，用于从下发的网络帧中提取振镜和激光器控制的相关信息，并转化为符合振镜和激光器控制格式要求的指令；
[0012]所述伺服电机用于根据接收到的控制指令来产生驱动动作；
[0013]所述I/O模块用于根据接收到的控制指令来控制激光加工过程中气路、开关和其他外围设备。
[0014]作为一种实施方式，所述控制器包括用户层和内核层，所述用户层用于提供人机交互接口，处理非实时任务调度；内核层用于周期循环执行，处理实时任务调度。
[0015]作为一种实施方式，所述网关设置有物理接口。
[0016]作为一种实施方式，所述物理接口包括RJ45总线网口、时钟差分口、同步差分口和振镜位置差分口。
[0017]作为一种实施方式，所述网关的输出口中还设置有I/O接口、模拟量接口和PWM接口，以实现对激光器功率与位置的实时同步控制。
[0018]作为一种实施方式，所述网关用于接收一次网络帧，分多次依序转换下发振镜位置指令，以实现以太网总线协议到振镜控制协议的相互转换。
[0019]作为一种实施方式，所述以太网网关的激光振镜控制系统中的控制器、网关、伺服电机和I/O模块采用总线通信方式。
[0020]本专利技术的第二个方面提供一种基于如上述所述的以太网网关的激光振镜控制系统的控制方法，其包括：
[0021]控制器接收加工指令及参数，计算得到各个以太网总线从站的控制指令，并通过以太网总线下发网络帧至对应从站；
[0022]从站各从站设备接收并解析总线指令，执行加工过程。
[0023]作为一种实施方式，从站获取加工过程中的加工状态、设备状态、传感器数据及报警信息，封装到帧并回传给主站。
[0024]作为一种实施方式，网关采用“一发多转”方式对齐周期时间；网关接收一次网络帧，分多次依序转换下发其中指令。
[0025]作为一种实施方式，激光功率随振镜位置和扫描速度实时动态调整。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0027](1)本专利技术的激光振镜控制系统采用工业以太网总线“一主多从”架构，集成度高，拓展性好，控制器方便地对振镜/伺服电机运动和激光功率调整进行混合插补、联动控制且
作为唯一主站设备，负责实时主控逻辑运算；网关和伺服电机、I/O模块作为从站设备接入，只负责解析下发和封装上传数据，释放了从站控制芯片的运算压力，同时，网关对于振镜电机和激光器也是直接控制设备。
[0028](2)本专利技术网关作为从站设备，在网络帧设计中采用“一发多转”方式对齐周期时间，即在标准以太网实时同步机制引导的通信周期内，网关接收一次网络帧，分多次依序转换下发其中指令，实现了以太网总线协议到振镜控制协议的相互转换，使得振镜轴也可以作为以太网总线节点接入控制线路拓扑结构，提高了整个激光加工控制系统的集成程度。
[0029](3)本专利技术的该系统增加了激光器功率实时随动调整功能，将激光器控制接口和振镜控制接口集成到一个网关上，并对激光功率和振镜运动同步插补，将插补结果分别封装在网络帧对应片段中，从软硬件层面优化激光加工工艺，提高了功率调整的实时性和同步性，进一步提高了系统性能和保证加工质量。
[0030]本专利技术附加方面的优点将在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以太网网关的激光振镜控制系统，其特征在于，包括控制器、网关、伺服电机和I/O模块，所述控制器为以太网总线主站，所述网关、伺服电机和I/O模块均为以太网总线从站，从而形成一主多从架构；所述控制器用于接收加工指令及参数，计算得到各个以太网总线从站的控制指令，并通过以太网总线下发网络帧至对应从站；所述网关，用于从下发的网络帧中提取振镜和激光器控制相关信息，并转化为符合振镜和激光器控制格式要求的指令；所述伺服电机用于根据接收到的控制指令来产生驱动动作；所述I/O模块用于根据接收到的控制指令来控制激光加工过程中气路、开关和其他外围设备。2.如权利要求1所述的以太网网关的激光振镜控制系统，其特征在于，所述控制器包括用户层和内核层，所述用户层用于提供人机交互接口，处理非实时任务调度；内核层用于周期循环执行，处理实时任务调度。3.如权利要求1所述的以太网网关的激光振镜控制系统，其特征在于，所述网关设置有物理接口，所述物理接口包括RJ45总线网口、时钟差分口、同步差分口和振镜位置差分口。4.如权利要求1所述的以太网网关的激光振镜控制系统，其特征在于，所述网关的输出口中还设置有I/O接口、模拟量接口和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张承瑞，朱铁爽，尹贻生，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：