高效的運動控制助力提升五軸光纖激光切割系統(tǒng)的精度和性能

BOS Innovations 公司為一家全球領(lǐng)先的汽車制造商實施了 L-MS 光纖激光切割系統(tǒng)交鑰匙解決方案。他們采用的倍福驅(qū)動技術(shù)可以精確協(xié)調(diào)五軸聯(lián)動進行切割，并確保高功率激光切割設(shè)備能夠加工具有嚴格公差要求的零件。此外，通過基于 PC 的控制技術(shù)能夠靈活應(yīng)對不同的客戶需求。

總部位于安大略省多切斯特的 BOS Innovations 公司既是一家原始設(shè)備制造商，也是一家系統(tǒng)集成商，他們不僅能夠提供成套設(shè)備，而且能夠開發(fā)老舊設(shè)備升級改造解決方案，并集成到現(xiàn)有的工廠生產(chǎn)線中。“25 年來，我們與北美主要廠商合作，為汽車制造等重工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域研發(fā)創(chuàng)新的利潤驅(qū)動解決方案。”BOS 公司總裁 Ben Huigenbos 說道，“我們已在全自動裝配線、先進的焊接和激光加工機器人、多機器人協(xié)調(diào)運動控制、協(xié)作機器人和質(zhì)量檢測方面都具備核心競爭力。”

BOS 公司為一家汽車一級供應(yīng)商實施的 Laser-Motion System（L-MS）就很好地印證了這一點。L-MS 是一款先進的光纖激光切割機，配備了用于精密數(shù)控加工的直驅(qū)直線運動系統(tǒng)。這款高功率激光切割機通過五軸聯(lián)動加工具有嚴格公差要求的復(fù)雜零件。“L-MS 還需要增加一個可以裝卸工件并將工件移動到去毛刺、視覺檢測和打標工位的機器人，才能成為真正的交鑰匙系統(tǒng)。”BOS 公司激光與運動系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)理 Steve Van Loon 說道。

激光切割聚焦靈活的模塊化控制

為了確保 L-MS 能夠為客戶提供兩全其美的解決方案，BOS 公司在設(shè)計之初就把靈活性和模塊化放在首位。除了標準的 1 kW 光纖激光器之外，切割頭還可以容納兩個 0.5-6 kW 的激光源，甚至可以支持焊接（也包括遠程焊接）。系統(tǒng)可以選擇配備排煙裝置、自動排渣裝置、自動門，以及可供操作人員或機器人裝料的安全掃描儀。光纖激光切割機在進行切割時，首先將工件豎放在平坦的床身上，或者使用帶附加伺服軸的耳軸系統(tǒng)，將工件旋轉(zhuǎn) 360 度。通過增加這樣一個轉(zhuǎn)盤，裝料過程可以與激光加工過程同時進行。設(shè)備體積也同樣靈活：L-MS 系統(tǒng)是一個約 2 米長的立方體，專為加工長達 1300 毫米的工件而設(shè)計，同時也可以在各個側(cè)面進行擴展，以適應(yīng)多種尺寸工件的加工。

若想達到這樣高的靈活性，首先需要高性能且具有高適應(yīng)性的控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，讓設(shè)備能夠與生產(chǎn)線上的其它系統(tǒng)集成。其次，切割軸需要配備高度同步的電機和驅(qū)動產(chǎn)品，才能確保工件加工質(zhì)量。同樣重要的還有開放性，它是實現(xiàn)與機器人控制器、去毛刺組件和視覺系統(tǒng)實時通信的保障。針對這個問題，Steve Van Loon 與機械設(shè)計師 Riley Tomiuck 和 Scott McCall 合作進行設(shè)計。他們的團隊確定，L-MS 系統(tǒng)的性能需求比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線和硬件 PLC 能夠提供的性能高很多，因此他們轉(zhuǎn)向使用倍福的解決方案。

“倍福就是我們實現(xiàn)各種要求苛刻的伺服應(yīng)用的救星，比如 L-MS 系統(tǒng)。”Van Loon 說道。十年前，BOS 在一款配備約 50 根運動軸的大型紙板加工系統(tǒng)上首次采用了倍福的自動化技術(shù)，并推廣應(yīng)用到更多其它項目中。隨后在 2018 年，公司采用倍福技術(shù)成功打造了用于切割 SUV 車板的第一代 L-MS 系統(tǒng)，并成為公司產(chǎn)品系列中的標準產(chǎn)品。在這個項目中，BOS 公司團隊與倍福當?shù)刈詣踊N售工程師 Dean Herron 以及應(yīng)用工程師張芮組建的工程師團隊展開了密切合作。

配備 EtherCAT 的運動控制系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)異

BOS 公司通過使用各種旋轉(zhuǎn)伺服電機和直驅(qū)解決方案以及 EtherCAT 通信系統(tǒng)實現(xiàn) L-MS 中的精確運動控制。設(shè)備加工壁厚各不相同的八角形鋼管工件，在每個工件的一端切割 21.5 度大小的角，并處理帶 6 或 12 個孔兩種規(guī)格的工件，同時保持嚴格的公差要求。

水平軸采用的是速度高達 6 m/s 且最大推力高達 4500 N 的倍福 AL2800 系列直線電機。“X 軸和 Y 軸在加速度、速度和精度方面都有高動態(tài)要求，因此必須使用直線電機。”Steve Van Loon 說道。這家汽車制造商的設(shè)備有一根 Z 軸和一個耳軸系統(tǒng)，它們都使用了 AM8000 伺服電機。配備高速控制技術(shù)的 AX5000 伺服驅(qū)動器非常適合用于實現(xiàn)高動態(tài)應(yīng)用，它們允許輕松集成一個體積較小的第三方電機來控制切割頭上的θ 軸。伺服電機和伺服驅(qū)動器中采用的單電纜技術(shù)（OCT）顯著減少了布線工作量。

“每臺設(shè)備都配備了 EtherCAT 分布式時鐘功能，可以實現(xiàn)精確同步和小于 1 μs 的時間誤差，非常適合用于控制 L-MS 這樣的協(xié)調(diào)運動系統(tǒng)。”Dean Herron 解釋說道。倍福的 EtherCAT I/O 產(chǎn)品系列種類豐富，并具有良好的開放性，支持 30 多種通信協(xié)議，比如可以通過添加 EtherNet/IP 總線耦合器等方式輕松連接生產(chǎn)線上的其它系統(tǒng)。

BOS 公司除了使用倍福提供的各種節(jié)省空間的 EtherCAT 耦合器和 I/O 端子模塊之外，還安裝了 TwinSAFE 端子模塊，以確保系統(tǒng)功能安全。通過這種方式，工程師就可以將安全功能直接集成在標準 I/O 網(wǎng)段中，張銳介紹道：“BOS 在這臺設(shè)備上配備了 EL6900 TwinSAFE 邏輯端子模塊，用作安全 PLC，從而消除了耗時的安全開關(guān)設(shè)備硬接線，降低了復(fù)雜性。所有 I/O 都布署在同一個機架上，或者通過 IP67 EtherCAT 端子盒安裝在設(shè)備上，此外，它們還可以在標準的 TwinCAT 開發(fā)環(huán)境中便捷地創(chuàng)建安全邏輯。”

TwinCAT 讓工程師們能夠選擇他們最熟悉的或最適合自己項目的編程語言。在這個項目中，他們使用了 TwinCAT PLC 和 CNC 軟件包，在眾多功能特點中，他們對 G 代碼使用等功能的表現(xiàn)贊賞有加。“TwinCAT Motion Designer 對 AM8000 系列伺服電機的選型也有很大幫助。”Steve Van Loon 補充說道。

控制平臺的核心是一臺搭載 Intel^? Core^TM i7 四核處理器的倍福 CX2040 嵌入式控制器。一臺 15.6 英寸的高分辨率 CP2916 多點觸控控制面板非常適合用于查看視覺檢測結(jié)果。

兩全其美的系統(tǒng)

整套 L-MS 系統(tǒng)于 2020 年底正式上線并交付給終端用戶使用。系統(tǒng)通過高速控制和自動裝料功能實現(xiàn)了每個工件 40 秒甚至更短的循環(huán)時間。“L-MS 系統(tǒng)以 2 米/秒的速度和 1.25 g 的加速度平穩(wěn)運行，客戶稱贊這是他們見過的切割精度最高的系統(tǒng)。”Steve Van Loon 總結(jié)道。“這要歸功于控制器的運算速度和我們用 TwinCAT Scope 完成的微調(diào)。通過軟件示波器，我們可以在屏幕上看到所有參數(shù)，并收集包括跟隨誤差、加速度和減速度等在內(nèi)的每根軸的數(shù)據(jù)，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。

“協(xié)調(diào)運動需要在伺服驅(qū)動器和運動規(guī)劃器之間傳輸大量數(shù)據(jù)。實踐證明，EtherCAT 是唯一能夠處理這種情況的現(xiàn)場總線。”Van Loon 解釋道。成品激光切割機不僅滿足了汽車制造商的所有要求，而且?guī)椭?/span> BOS 公司贏得了其他客戶的訂單。

更多信息：

www.beckhoff.com.cn/machine-tools

圖片譯文

BOS 為一家一級汽車供應(yīng)商布署了 L-MS 激光切割機，同時集成了自動裝料、檢測和去毛刺功能

用于動態(tài)軸控制的 2 通道 AX5000 系列伺服驅(qū)動器

倍福的高分辨率 CP2916 多點觸控控制面板用作工業(yè)級操作界面

倍福的 CX2040 嵌入式控制器為協(xié)調(diào)高速激光