專利名稱：四軸運動控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及數(shù)控設(shè)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(shù)：
典型的數(shù)控系統(tǒng)通常由控制器、步進(jìn)/伺服驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)/伺服電機(jī)組成?？刂破靼匆欢ǖ乃俾拾l(fā)出一定個數(shù)的脈沖信號給步進(jìn)/伺服驅(qū)動器，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)/伺服電機(jī)按指定速度走完控制器發(fā)出的脈沖個數(shù)后停下來，從而實現(xiàn)精確定位。有多個運動軸的系統(tǒng)，控制器就要輸出多路脈沖信號，控制器輸出的方向信號配合脈沖信號工作，可以驅(qū)動電機(jī)作正向旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)。
常見的運動軸控制器有單片機(jī)控制器、PLC加觸摸屏控制器、電腦加運動控制卡組成的控制器、數(shù)控車銑類專用控制器等幾種。其中，電腦加控制卡式控制器占據(jù)高端市場，由于可以使用多塊卡共同工作，因而其最大控制軸數(shù)有一定伸縮性，但仍受工控主板上插槽數(shù)量的限制，電腦加卡型控制器的編程語言比較豐富，常見的有C\C++\VC\VB\C++Builder\Delphi等等。單片機(jī)控制器和PLC加觸摸屏控制器共同占據(jù)中低端市場，單片機(jī)運動控制器通常其最大控制軸數(shù)是固定的，設(shè)計單片機(jī)控制器一般要有自己的硬件設(shè)計技術(shù)，技術(shù)安全性較好，不會被輕易仿制，此類控制器的應(yīng)用程序編程語言是C51或匯編。PLC加觸摸屏控制器控制的運動軸數(shù)受模塊數(shù)量和模塊種類的限制，該類控制器只是完成組裝，無自己的硬件設(shè)計技術(shù)，容易被仿制，其編程語言是梯形圖。數(shù)控車銑類控制器其應(yīng)用領(lǐng)域通常只限于各類機(jī)床的控制，編程語言是G代碼語言。
隨著單片機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)控制器的應(yīng)用領(lǐng)域正在向高端市場滲透。
目前，市面上單片機(jī)型四軸運動控制器主要存在以下缺陷大都采用金屬外殼，制作、裝配不方便，且外形不美觀；主要性能指標(biāo)較低，如最高脈沖頻率多為50KHz，一次發(fā)送的脈沖個數(shù)不能超過65535個，不具有AB相解碼功能；采用專用運動控制芯片，成本高；采用薄膜式按鍵，容易損壞；有些無狀態(tài)指示燈，無內(nèi)置蜂鳴器等。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種制作、使用方便，外形美觀，輸出脈沖頻率高，一次發(fā)送脈沖個數(shù)多，成本低的四軸運動控制器。
為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案包括面板和后殼，所述面板上設(shè)置顯示窗口和按鍵區(qū)，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(qū)對應(yīng)，所述后殼內(nèi)安裝主控板和電源板，主控板上設(shè)有用于控制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(yīng)的接口電路連接。
本四軸運動控制器的運動控制芯片和譯碼接口芯片采用CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)，降低了成本，同時使控制器的輸出脈沖頻率最大可達(dá)200KHz，一次性發(fā)出的脈沖個數(shù)可以高達(dá)16777215個，一方面滿足高精度、高速度的要求，另一方面能適應(yīng)定位長度較長的數(shù)控應(yīng)用。它設(shè)置有串行通訊口，可以和外部電腦連接，程序下載簡單、方便。其面板和后殼均可采用塑膠材料，制作、裝配方便，而且外形美觀。
另外，它的按鍵采用機(jī)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(xiàn)接觸不良、按鍵按爛等問題。其面板上可以設(shè)置狀態(tài)指示燈，用來指示控制系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)。主板上可以設(shè)置蜂鳴器，用于報警、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中第一運動控制芯片的電路圖；圖6為圖3中第二運動控制芯片的電路圖；圖7為圖3中譯碼及接口芯片的電路圖；圖8為圖3中X軸、Y軸脈沖驅(qū)動電路圖；圖9為圖3中Z軸、W軸脈沖驅(qū)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相脈沖輸入電路圖；圖13為圖3中時鐘電路圖；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(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)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和后殼6，所述面板1為塑膠面板，面板1上設(shè)置顯示窗口11、按鍵區(qū)12和指示燈區(qū)13，顯示窗口11處安裝液晶顯示屏3，液晶顯示屏3前面設(shè)置透明有機(jī)玻璃片，以保護(hù)液晶顯示屏，面板1正面貼面膜，面膜上對應(yīng)顯示屏的位置上為透明薄膜，對應(yīng)按鍵的位置上印有數(shù)字鍵和功能鍵的標(biāo)志，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(qū)12對應(yīng)，所述后殼6為塑膠后殼，后殼6側(cè)面設(shè)置散熱直柵孔，后殼6內(nèi)安裝主控板4和電源板5，主控板上設(shè)有用于控制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(yīng)的接口電路連接。主控板4上還焊接有蜂鳴器，用于報警、操作提示、按鍵提示等。
上述液晶顯示屏3采用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(fù)壓器件。
按鍵板2上設(shè)置16個機(jī)械式按鍵，其中含數(shù)字鍵0～9、小數(shù)點鍵、負(fù)號鍵、上下左右四個箭頭鍵。負(fù)號鍵可以由應(yīng)用軟件定義為進(jìn)出參數(shù)修改畫面；小數(shù)點鍵可以用來定義一些特殊功能，如進(jìn)入?yún)?shù)測試畫面；數(shù)字鍵除可以進(jìn)行參數(shù)修改外，還可以由應(yīng)用軟件定義第二功能；箭頭鍵可以用來選擇參數(shù)、切換參數(shù)畫面、手動操作等。按鍵板2用1片Atmel公司的At89C2051作為控制芯片，負(fù)責(zé)各按鍵狀態(tài)的掃描。按鍵板2左側(cè)還設(shè)置有三個指示燈，三個指示燈嵌入在面板1指示燈區(qū)13的對應(yīng)三個小孔中，用來指示控制系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)，三個指示燈均采用三色發(fā)光二極管，可以發(fā)出紅、綠、黃三種顏色。
本四軸運動控制器采用220VAC單相市電供電，電源由兩芯航空頭引入殼體內(nèi)，通過電源板5轉(zhuǎn)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(wěn)定、可靠，在面板1后面的安裝面設(shè)置有一圈橡膠防震墊圈，在控制器安裝到機(jī)臺上后，可大大減輕機(jī)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(shè)置控制電路和接口電路，所述控制電路含CPU、用于控制X軸和Y軸的第一運動控制芯片、用于控制Z軸和W軸的第二運動控制芯片、用于給第一運動控制芯片和第二運動控制芯片提供時鐘信號的時鐘電路，第一運動控制芯片輸出端接X軸脈沖驅(qū)動電路和Y軸脈沖驅(qū)動電路，第二運動控制芯片輸出端接Z軸脈沖驅(qū)動電路和W軸脈沖驅(qū)動電路；所述接口電路含譯碼及接口芯片，譯碼及接口芯片輸入端連接四路AB相脈沖輸入電路和若干路信號輸入電路，譯碼及接口芯片輸出端連接液晶顯示屏接口、IDE接口和若干路信號輸出電路，第一運動控制芯片、第二運動控制芯片、譯碼及接口芯片均連接于CPU的控制線、數(shù)據(jù)總線、地址總線上，CPU相應(yīng)輸入端連接按鍵接口，CPU相應(yīng)I/O端連接有用于和外部電腦通訊的串行通訊接口，CPU對譯碼及接口芯片可以直接讀寫，但不同的端口地址將選通不同的芯片，X軸和Y軸的AB相反饋信號依次通過一路AB相脈沖輸入電路、譯碼及接口芯片輸入第一運動控制芯片，Z軸和W軸的AB相反饋信號依次通過一路AB相脈沖輸入電路、譯碼及接口芯片輸入第二運動控制芯片。
圖4為CPU部分的電路圖，如圖中所示，CPU的XTAL1端和XTAL2端之間并接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采用Philips公司的89C51RD+，其片內(nèi)集成了64KB的Flash和768字節(jié)的二級SRAM，64KB的Flash可作為程序存儲器，768字節(jié)的二級SRAM可作為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲器容量。
參照圖5-7，所述第一運動控制芯片U31、第二運動控制芯片U76、譯碼及接口芯片U7均為CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)，芯片型號為4256/T100。
參照圖8、9，所述X軸脈沖驅(qū)動電路和Y軸脈沖驅(qū)動電路采用電平轉(zhuǎn)差分集成電路U27，電平轉(zhuǎn)差分集成電路U27的型號為DS26LS31CM，來自第一運動控制芯片的X軸脈沖輸出信號XPU、X軸方向輸出信號XDR、Y軸脈沖輸出信號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(zhuǎn)差分集成電路U27的相應(yīng)輸入端，然后以差動方式輸出；Z軸脈沖驅(qū)動電路和W軸脈沖驅(qū)動電路采用電平轉(zhuǎn)差分集成電路U33，電平轉(zhuǎn)差分集成電路U33的型號為DS26LS31CM，來自第二運動控制芯片的Z軸脈沖輸出信號ZPU、Z軸方向輸出信號ZDR、W軸脈沖輸出信號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(zhuǎn)差分集成電路U33的相應(yīng)輸入端，然后以差動方式輸出。
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沖器，輸入信號通過光耦輸入緩沖器的輸入端，其中緩沖器采用三片74LS244集成電路，每個74LS244內(nèi)集成8個緩沖器，三個74LS244的片選信號DISC1、DISC2、DISC3分別連接于譯碼及接口芯片U7的相應(yīng)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，其中鎖存器采用兩片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分別連接于譯碼及接口芯片U7的相應(yīng)輸出端，放大器采用三片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為放大三極管。
參照圖12，所述每路AB相脈沖輸入電路包括一光耦U9，光耦U9的兩輸入端之間并接保護(hù)二極管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中時鐘電路圖，圖13中X2的3腳與第一運動控制芯片U31、第二運動控制芯片U76的CLK2/I端連接，給第一運動控制芯片U31和第二運動控制芯片U76提供時鐘信號。圖13中X2的3腳通過反相器U5F與譯碼及接口芯片U7的CLK3/I端連接，給譯碼及接口芯片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腳分別與譯碼及接口芯片U7的相應(yīng)引腳連接，液晶屏產(chǎn)生的負(fù)壓經(jīng)T2的18腳接至負(fù)壓電路T3，T3的輸出端V0返回給T2的3腳，用于控制液晶屏的對比度，連接件T2的20腳接三極管Q1的集電極，三極管Q1的基極通過電阻R18連接于CPU的P1.0端，用來進(jìn)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腳分別與譯碼及接口芯片U7的相應(yīng)引腳連接。ADT-MC010四軸控制器通過IDE接口連接DOM(DiskOnModule)電子盤，用于保存數(shù)據(jù)。實際應(yīng)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(shù)據(jù)，也可以不用DOM電子盤，而采用一片F(xiàn)lash存貯器替換SRAM存貯器保存數(shù)據(jù)。
ADT-MC010四軸控制器設(shè)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(gòu)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?？梢詫⒃摯型ㄓ嵔涌诤蚉C機(jī)的串口之間連接通信線，將PC機(jī)內(nèi)的應(yīng)用程序目標(biāo)文件下載到控制器內(nèi)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(jī)之間實現(xiàn)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(rèn)為57600bps。
ADT-MC010四軸控制器的技術(shù)指標(biāo)如下1、運動軸四軸運動控制，脈沖+方向差動式輸出，最高輸出脈沖頻率200KHz，一次輸出脈沖個數(shù)為24位，即可達(dá)16777215個。脈沖輸出加光耦隔離。
2、AB相脈沖輸入解碼4路AB相脈沖輸入解碼(16位)，全光耦隔離。最高計數(shù)頻率可達(dá)200KHz。輸入電壓5～24VDC，高電平＞4.5V，低電平＜1.0V。
3、輸入點數(shù)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(dāng)有特殊情況須加24VDC電壓時，須在每個輸入點上串聯(lián)一個2KΩ的電阻。
4、輸出點數(shù)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(gòu)成一個輸出通道，后8個輸出點各自有自己的公共端。
權(quán)利要求1.四軸運動控制器，包括面板和后殼，其特征在于所述面板上設(shè)置顯示窗口和按鍵區(qū)，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(qū)對應(yīng)，所述后殼內(nèi)安裝主控板和電源板，主控板上設(shè)有用于控制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(yīng)的接口電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四軸運動控制器，其特征在于所述控制電路含CPU、用于控制X軸和Y軸的第一運動控制芯片、用于控制Z軸和W軸的第二運動控制芯片、用于給第一運動控制芯片和第二運動控制芯片提供時鐘信號的時鐘電路，第一運動控制芯片輸出端接X軸脈沖驅(qū)動電路和Y軸脈沖驅(qū)動電路，第二運動控制芯片輸出端接Z軸脈沖驅(qū)動電路和W軸脈沖驅(qū)動電路；所述接口電路含譯碼及接口芯片，譯碼及接口芯片輸入端連接四路AB相脈沖輸入電路和若干路信號輸入電路，譯碼及接口芯片輸出端連接液晶顯示屏接口、IDE接口和若干路信號輸出電路，所述第一運動控制芯片、第二運動控制芯片、譯碼及接口芯片分別連接于CPU相應(yīng)的控制線、數(shù)據(jù)總線和地址總線，CPU相應(yīng)輸入端連接按鍵接口，CPU相應(yīng)I/O端連接用于和外部電腦通訊的串行通訊接口，X軸和Y軸的AB相反饋信號依次通過一路AB相脈沖輸入電路、譯碼及接口芯片輸入第一運動控制芯片，Z軸和W軸的AB相反饋信號依次通過一路AB相脈沖輸入電路、譯碼及接口芯片輸入第二運動控制芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的四軸運動控制器，其特征在于所述第一運動控制芯片、第二運動控制芯片、譯碼及接口芯片均為CPLD。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的四軸運動控制器，其特征在于所述CPU為89C51RD+。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的四軸運動控制器，其特征在于所述X軸脈沖驅(qū)動電路和Y軸脈沖驅(qū)動電路采用電平轉(zhuǎn)差分集成電路U27，來自第一運動控制芯片的X軸脈沖輸出信號XPU、X軸方向輸出信號XDR、Y軸脈沖輸出信號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(zhuǎn)差分集成電路U27的相應(yīng)輸入端，然后以差動方式輸出；Z軸脈沖驅(qū)動電路和W軸脈沖驅(qū)動電路采用電平轉(zhuǎn)差分集成電路U33，來自第二運動控制芯片的Z軸脈沖輸出信號ZPU、Z軸方向輸出信號ZDR、W軸脈沖輸出信號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(zhuǎn)差分集成電路U33的相應(yīng)輸入端，然后以差動方式輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的四軸運動控制器，其特征在于所述每路AB相脈沖輸入電路包括一光耦，光耦的兩輸入端之間并接保護(hù)二極管，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(jù)權(quán)利要求2所述的四軸運動控制器，其特征在于所述信號輸入電路含光耦和緩沖器，輸入信號通過光耦輸入緩沖器的輸入端；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(jù)權(quán)利要求1所述的四軸運動控制器，其特征在于所述按鍵板上的按鍵為機(jī)械式按鍵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四軸運動控制器，其特征在于所述面板和后殼為塑膠面板和塑膠后殼，面板上設(shè)置三個三色發(fā)光二極管指示燈。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四軸運動控制器，其特征在于所述主控板上設(shè)置蜂鳴器。
專利摘要一種四軸運動控制器，包括面板和后殼，所述面板上設(shè)置顯示窗口和按鍵區(qū)，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(qū)對應(yīng)，所述后殼內(nèi)安裝主控板和電源板，主控板上設(shè)有用于控制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(yīng)的接口電路連接。還可設(shè)置串行通訊口、狀態(tài)指示燈和內(nèi)置蜂鳴器。本四軸運動控制器采用CPLD實現(xiàn)運動控制，降低了成本，同時使控制器的輸出脈沖頻率最大可達(dá)200KHz，一次性發(fā)出的脈沖個數(shù)可以高達(dá)16777215個，能滿足高精度、高速度的要求，并能適應(yīng)定位長度較長的數(shù)控應(yīng)用。其外形美觀，制作、裝配方便。
文檔編號G05B19/414GK2733432SQ20042008375
公開日2005年10月12日 申請日期2004年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月3日
發(fā)明者曾逸, 錢作忠, 章友文 申請人:深圳市眾為興數(shù)控技術(shù)有限公司