四軸運動控制器的製作方法
2023-06-11 08:06:46 1
專利名稱：四軸運動控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及數控設備中的運動軸控制器，特別是一種四軸運動控制器。
背景技術：
典型的數控系統通常由控制器、步進/伺服驅動器、步進電機/伺服電機組成。控制器按一定的速率發出一定個數的脈衝信號給步進/伺服驅動器，驅動步進電機/伺服電機按指定速度走完控制器發出的脈衝個數後停下來，從而實現精確定位。有多個運動軸的系統，控制器就要輸出多路脈衝信號，控制器輸出的方向信號配合脈衝信號工作，可以驅動電機作正向旋轉或反向旋轉。
常見的運動軸控制器有單片機控制器、PLC加觸控螢幕控制器、電腦加運動控制卡組成的控制器、數控車銑類專用控制器等幾種。其中，電腦加控制卡式控制器佔據高端市場，由於可以使用多塊卡共同工作，因而其最大控制軸數有一定伸縮性，但仍受工控主板上插槽數量的限制，電腦加卡型控制器的程式語言比較豐富，常見的有C\C++\VC\VB\C++Builder\Delphi等等。單片機控制器和PLC加觸控螢幕控制器共同佔據中低端市場，單片機運動控制器通常其最大控制軸數是固定的，設計單片機控制器一般要有自己的硬體設計技術，技術安全性較好，不會被輕易仿製，此類控制器的應用程式程式語言是C51或彙編。PLC加觸控螢幕控制器控制的運動軸數受模塊數量和模塊種類的限制，該類控制器只是完成組裝，無自己的硬體設計技術，容易被仿製，其程式語言是梯形圖。數控車銑類控制器其應用領域通常只限於各類工具機的控制，程式語言是G代碼語言。
隨著單片機技術的迅速發展，單片機控制器的應用領域正在向高端市場滲透。
目前，市面上單片機型四軸運動控制器主要存在以下缺陷大都採用金屬外殼，製作、裝配不方便，且外形不美觀；主要性能指標較低，如最高脈衝頻率多為50KHz，一次發送的脈衝個數不能超過65535個，不具有AB相解碼功能；採用專用運動控制晶片，成本高；採用薄膜式按鍵，容易損壞；有些無狀態指示燈，無內置蜂鳴器等。
發明內容
本實用新型要解決的技術問題是提供一種製作、使用方便，外形美觀，輸出脈衝頻率高，一次發送脈衝個數多，成本低的四軸運動控制器。
為了解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案包括面板和後殼，所述面板上設置顯示窗口和按鍵區，顯示窗口處安裝液晶顯示屏，面板背面安裝按鍵板，按鍵板上的按鍵與面板上的按鍵區對應，所述後殼內安裝主控板和電源板，主控板上設有用於控制X軸、Y軸、Z軸和W軸的控制電路以及接口電路，所述按鍵板和液晶顯示屏與主控板上相應的接口電路連接。
本四軸運動控制器的運動控制晶片和解碼接口晶片採用CPLD(複雜可編程邏輯器件)，降低了成本，同時使控制器的輸出脈衝頻率最大可達200KHz，一次性發出的脈衝個數可以高達16777215個，一方面滿足高精度、高速度的要求，另一方面能適應定位長度較長的數控應用。它設置有串行通訊口，可以和外部電腦連接，程序下載簡單、方便。其面板和後殼均可採用塑膠材料，製作、裝配方便，而且外形美觀。
另外，它的按鍵採用機械式按鍵，按壓手感良好，有效解決了薄膜式按鍵很容易出現接觸不良、按鍵按爛等問題。其面板上可以設置狀態指示燈，用來指示控制系統當前的運行狀態。主板上可以設置蜂鳴器，用於報警、操作提示、按鍵提示等。
圖1為本實用新型一實施例的主視圖；圖2為其爆炸圖；圖3為圖1實施例的電路框圖；圖4為圖3中CPU部分的電路圖；圖5為圖3中第一運動控制晶片的電路圖；圖6為圖3中第二運動控制晶片的電路圖；圖7為圖3中解碼及接口晶片的電路圖；圖8為圖3中X軸、Y軸脈衝驅動電路圖；圖9為圖3中Z軸、W軸脈衝驅動電路圖；圖10為圖3中信號輸入電路圖；圖11為圖3中信號輸出電路圖；圖12為圖3中AB相脈衝輸入電路圖；圖13為圖3中時鐘電路I的電路圖；圖14為圖3中液晶顯示屏接口的電路圖；圖15為圖3中IDE接口的電路圖；圖16為圖3中串行通訊接口的電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步說明。
本實施例為ADT-MC010四軸運動控制器。參照圖1、2，ADT-MC010四軸運動控制器包括面板1和後殼6，所述面板1為塑膠面板，面板1上設置顯示窗口11、按鍵區12和指示燈區13，顯示窗口11處安裝液晶顯示屏3，液晶顯示屏3前面設置透明有機玻璃片，以保護液晶顯示屏，面板1正面貼面膜，面膜上對應顯示屏的位置上為透明薄膜，對應按鍵的位置上印有數字鍵和功能鍵的標誌，面板1背面安裝按鍵板2，按鍵板2上的按鍵與面板上的按鍵區12對應，所述後殼6為塑膠後殼，後殼6側面設置散熱直柵孔，後殼6內安裝主控板4和電源板5，主控板上設有用於控制X軸、Y軸、Z軸和W軸的控制電路以及接口電路，所述按鍵板2和液晶顯示屏3分別與主控板4上相應的接口電路連接。主控板4上還焊接有蜂鳴器，用於報警、操作提示、按鍵提示等。
上述液晶顯示屏3採用128×64點陣的寬溫型液晶屏套件，包含液晶屏和控制板兩部分，控制板自帶負壓器件。
按鍵板2上設置16個機械式按鍵，其中含數字鍵0～9、小數點鍵、負號鍵、上下左右四個箭頭鍵。負號鍵可以由應用軟體定義為進出參數修改畫面；小數點鍵可以用來定義一些特殊功能，如進入參數測試畫面；數字鍵除可以進行參數修改外，還可以由應用軟體定義第二功能；箭頭鍵可以用來選擇參數、切換參數畫面、手動操作等。按鍵板2用1片Atmel公司的At89C2051作為控制晶片，負責各按鍵狀態的掃描。按鍵板2左側還設置有三個指示燈，三個指示燈嵌入在面板1指示燈區13的對應三個小孔中，用來指示控制系統當前的運行狀態，三個指示燈均採用三色發光二極體，可以發出紅、綠、黃三種顏色。
本四軸運動控制器採用220VAC單相市電供電，電源由兩芯航空頭引入殼體內，通過電源板5轉換成5VDC的直流電源，供控制器使用。
為了使四軸運動控制器工作更穩定、可靠，在面板1後面的安裝面設置有一圈橡膠防震墊圈，在控制器安裝到機臺上後，可大大減輕機械震動對控制器造成的影響。
如圖3所示，所述主控板4上設置控制電路和接口電路，所述控制電路含CPU、用於控制X軸和Y軸的第一運動控制晶片、用於控制Z軸和W軸的第二運動控制晶片、用於給第一運動控制晶片和第二運動控制晶片提供時鐘信號的時鐘電路I、用於給CPU提供時鐘信號的時鐘電路II，第一運動控制晶片輸出端接X軸脈衝驅動電路和Y軸脈衝驅動電路，第二運動控制晶片輸出端接Z軸脈衝驅動電路和W軸脈衝驅動電路，CPU的輸入端接按鍵接口，CPU相應I/O端連接用於和外部電腦通訊的串行通訊接口；所述接口電路含解碼及接口晶片和連接於CPU總線上的信號輸入電路、信號輸出電路、液晶顯示屏接口、IDE接口，解碼及接口晶片輸入端連接四路AB相脈衝輸入電路，X軸、Y軸、Z軸、W軸的AB相反饋信號分別通過一路AB相脈衝輸入電路接入解碼及接口晶片，解碼及接口晶片相應輸出端與所述信號輸入電路、信號輸出電路、液晶顯示屏接口、IDE接口的片選端連接；所述第一運動控制晶片、第二運動控制晶片、解碼及接口晶片均與CPU總線連接，第一運動控制晶片和第二運動控制晶片的片選端與解碼及接口晶片的相應輸出端連接。
圖4為CPU部分的電路圖，如圖中所示，CPU的XTAL1端和XTAL2端之間並接22.1184MHz的晶振X1，CPU的P0口接鎖存器U2，CPU的ALE端通過反相器U5C接鎖存器U2的CLK端。所述CPU採用Philips公司的89C51RD+，其片內集成了64KB的Flash和768位元組的二級SRAM， 64KB的Flash可作為程序存儲器，768位元組的二級SRAM可作為數據存儲器，從而加快了讀寫速度，提高了程序運行的可靠性，增大了程序存儲器容量和數據存儲器容量。
參照圖5-7，所述第一運動控制晶片U31、第二運動控制晶片U76、解碼及接口晶片U7均為CPLD(複雜可編程邏輯器件)，晶片型號為4256/T100。
參照圖8、9，所述X軸脈衝驅動電路和Y軸脈衝驅動電路採用電平轉差分集成電路U27，電平轉差分集成電路U27的型號為DS26LS3 1CM，來自第一運動控制晶片的X軸脈衝輸出信號XPU、X軸方向輸出信號XDR、Y軸脈衝輸出信號YPU、Y軸方向輸出信號YDR分別通過光耦U26、U28、U29、U30輸入電平轉差分集成電路U27的相應輸入端，然後以差動方式輸出；Z軸脈衝驅動電路和W軸脈衝驅動電路採用電平轉差分集成電路U33，電平轉差分集成電路U33的型號為DS26LS3 1CM，來自第二運動控制晶片的Z軸脈衝輸出信號ZPU、Z軸方向輸出信號ZDR、W軸脈衝輸出信號WPU、W軸方向輸出信號WDR分別通過光耦U32、U34、U35、U36輸入電平轉差分集成電路U33的相應輸入端，然後以差動方式輸出。
參照圖10，共有24路信號輸入電路，每一路信號輸入電路均含光耦和緩衝器，輸入信號通過光耦輸入緩衝器的輸入端，其中緩衝器採用三片74LS244集成電路，每個74LS244內集成8個緩衝器，三個74LS244的片選信號DISC1、DISC2、DISC3分別連接於解碼及接口晶片U7的相應輸出端，圖中U37為光耦。
參照圖11，共有16路信號輸出電路，每一路信號輸出電路均含鎖存器、光耦和放大器，輸出信號依次通過鎖存器、放大器、光耦輸出，其中鎖存器採用兩片74LS273集成電路U57、U63，每片74LS273各包含8個鎖存器，兩片74LS273鎖存器的片選信號DOCS1、DOCS2分別連接於解碼及接口晶片U7的相應輸出端，放大器採用三片2003A集成電路U77、U78、U79，每片2003A集成電路包含7個反相放大器，U55為光耦，Q2為放大三極體。
參照圖12，所述每路AB相脈衝輸入電路包括一光耦U9，光耦U9的兩輸入端之間並接保護二極體D3，光耦U9的輸出端和地之間接退耦電容C30，光耦U9的輸出端和電源之間接上拉電阻R23。
圖13為圖3中時鐘電路I的電路圖，圖13中X2的3腳與第一運動控制晶片U31、第二運動控制晶片U76的CLK2/I端連接，給第一運動控制晶片U31和第二運動控制晶片U76提供時鐘信號。圖13中X2的3腳通過反相器U5F與解碼及接口晶片U7的CLK3/I端連接，給解碼及接口晶片U7提供時鐘信號。
圖14為圖3中液晶顯示屏接口的電路圖。如圖14所示，連接件T2的1腳接地，2腳接電源，連接件T2的4-16腳分別與解碼及接口晶片U7的相應引腳連接，液晶屏產生的負壓經T2的18腳接至負壓電路T3，T3的輸出端V0返回給T2的3腳，用於控制液晶屏的對比度，連接件T2的20腳接三極體Q1的集電極，三極體Q1的基極通過電阻R18連接於CPU的P1.0端，用來進行背光控制。
圖15為圖3中IDE接口的電路圖。如圖15所示，連接件J9的2、22、24、26、30、40腳均接地，連接件J9的1、3、5、7、9、11、13、15、17、23、25、33、35、36、37、38腳分別與解碼及接口晶片U7的相應引腳連接。ADT-MC010四軸控制器通過IDE接口連接DOM(DiskOnModule)電子盤，用於保存數據。實際應用中，使用DOM電子盤時一般另配一片SRAM存儲器存儲從DOM中讀出的大量數據，也可以不用DOM電子盤，而採用一片Flash存貯器替換SRAM存貯器保存數據。
ADT-MC010四軸控制器設置有串行通訊接口，如圖16所示，該串行通訊接口由集成電路MAX202、電容C1、C3、C4、C5及連接件CON1構成，集成電路MAX202 11腳和12腳分別與圖4中U1的13腳和11腳相連。可以將該串行通訊接口和PC機的串口之間連接通信線，將PC機內的應用程式目標文件下載到控制器內部，該下載過程簡單、方便，下載速度快而且成功率高；也可以編制雙向通信程序，在控制器和PC機之間實現通信。通信方式有RS232和RS485兩種，通信波特率可以在1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps中選擇，默認為57600bps。
ADT-MC010四軸控制器的技術指標如下1、運動軸四軸運動控制，脈衝+方向差動式輸出，最高輸出脈衝頻率200KHz，一次輸出脈衝個數為24位，即可達16777215個。脈衝輸出加光耦隔離。
2、AB相脈衝輸入解碼4路AB相脈衝輸入解碼(16位)，全光耦隔離。最高計數頻率可達200KHz。輸入電壓5～24VDC，高電平＞4.5V，低電平＜1.0V。
3、輸入點數24路光耦隔離輸入。輸入電壓5～24VDC，高電平＞4.5V，低電平＜1.0V。一般加5～12VDC輸入電壓，當有特殊情況須加24VDC電壓時，須在每個輸入點上串聯一個2KΩ的電阻。
4、輸出點數16路NPN集電極開路光耦隔離輸出，外加電壓5～12VDC，最大允許電流0.5A，分為9個輸出通道，前8個輸出點共用一個公共端，構成一個輸出通道，後8個輸出點各自有自己的公共端。
權利要求1.四軸運動控制器，包括面板和後殼，其特徵在於所述面板上設置顯示窗口和按鍵區，顯示窗口處安裝液晶顯示屏，面板背面安裝按鍵板，按鍵板上的按鍵與面板上的按鍵區對應，所述後殼內安裝主控板和電源板，主控板上設有用於控制X軸、Y軸、Z軸和W軸的控制電路以及接口電路，所述按鍵板和液晶顯示屏與主控板上相應的接口電路連接。
2.根據權利要求1所述的四軸運動控制器，其特徵在於所述控制電路含CPU、用於控制X軸和Y軸的第一運動控制晶片、用於控制Z軸和W軸的第二運動控制晶片、用於給第一運動控制晶片和第二運動控制晶片提供時鐘信號的時鐘電路I、用於給CPU提供時鐘信號的時鐘電路II，第一運動控制晶片輸出端接X軸脈衝驅動電路和Y軸脈衝驅動電路，第二運動控制晶片輸出端接Z軸脈衝驅動電路和W軸脈衝驅動電路，CPU的輸入端接按鍵接口，CPU相應I/O端連接用於和外部電腦通訊的串行通訊接口；所述接口電路含解碼及接口晶片和連接於CPU總線上的信號輸入電路、信號輸出電路、液晶顯示屏接口、IDE接口，解碼及接口晶片輸入端連接四路AB相脈衝輸入電路，X軸、Y軸、Z軸、W軸的AB相反饋信號分別通過一路AB相脈衝輸入電路接入解碼及接口晶片，解碼及接口晶片相應輸出端與所述信號輸入電路、信號輸出電路、液晶顯示屏接口、IDE接口的片選端連接；所述第一運動控制晶片、第二運動控制晶片、解碼及接口晶片均與CPU總線連接，第一運動控制晶片和第二運動控制晶片的片選端與解碼及接口晶片的相應輸出端連接。
3.根據權利要求2所述的四軸運動控制器，其特徵在於所述第一運動控制晶片、第二運動控制晶片、解碼及接口晶片均為CPLD。
4.根據權利要求2所述的四軸運動控制器，其特徵在於所述CPU為89C51RD+。
5.根據權利要求2所述的四軸運動控制器，其特徵在於所述X軸脈衝驅動電路和Y軸脈衝驅動電路採用電平轉差分集成電路U27，來自第一運動控制晶片的X軸脈衝輸出信號XPU、X軸方向輸出信號XDR、Y軸脈衝輸出信號YPU、Y軸方向輸出信號YDR分別通過一個光耦隔離電路輸入至電平轉差分集成電路U27的相應輸入端，然後以差動方式輸出；Z軸脈衝驅動電路和W軸脈衝驅動電路採用電平轉差分集成電路U33，來自第二運動控制晶片的Z軸脈衝輸出信號ZPU、Z軸方向輸出信號ZDR、W軸脈衝輸出信號WPU、W軸方向輸出信號WDR分別通過一個光耦隔離電路輸入至電平轉差分集成電路U33的相應輸入端，然後以差動方式輸出。
6.根據權利要求2所述的四軸運動控制器，其特徵在於所述每路AB相脈衝輸入電路包括一光耦，光耦的兩輸入端之間並接保護二極體，光耦的輸出端和地之間接退耦電容，光耦的輸出端和電源之間接上拉電阻。
7.根據權利要求2所述的四軸運動控制器，其特徵在於所述信號輸入電路含光耦和緩衝器，輸入信號通過光耦輸入緩衝器的輸入端；所述信號輸出電路含鎖存器、放大器和光耦，輸出信號依次通過鎖存器、放大器、光耦輸出。
8.根據權利要求1所述的四軸運動控制器，其特徵在於所述按鍵板上的按鍵為機械式按鍵。
9.根據權利要求1所述的四軸運動控制器，其特徵在於所述面板和後殼為塑膠面板和塑膠後殼，面板上設置三個三色發光二極體指示燈。
10.根據權利要求1所述的四軸運動控制器，其特徵在於所述主控板上設置蜂鳴器。
專利摘要一種四軸運動控制器，包括面板和後殼，所述面板上設置顯示窗口和按鍵區，顯示窗口處安裝液晶顯示屏，面板背面安裝按鍵板，按鍵板上的按鍵與面板上的按鍵區對應，所述後殼內安裝主控板和電源板，主控板上設有用於控制X軸、Y軸、Z軸和W軸的控制電路以及接口電路，所述按鍵板和液晶顯示屏與主控板上相應的接口電路連接。還可設置串行通訊口、狀態指示燈和內置蜂鳴器。本四軸運動控制器採用CPLD實現運動控制，降低了成本，同時使控制器的輸出脈衝頻率最大可達200KHz，一次性發出的脈衝個數可以高達16777215個，能滿足高精度、高速度的要求，並能適應定位長度較長的數控應用。其外形美觀，製作、裝配方便。
文檔編號G05B19/19GK2754134SQ200420094078
公開日2006年1月25日 申請日期2004年10月14日 優先權日2004年10月14日
發明者曾逸, 錢作忠, 章友文 申請人:深圳市眾為興數控技術有限公司