摘要：提出一種基于Beckhoff(倍福)CNC的全自動(dòng)激光切管機(jī)的控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了激光切管機(jī)控制架構(gòu)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于擴(kuò)展，具有較高的通用性與一致性，解決了現(xiàn)有的基于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)存在的諸多問(wèn)題，對(duì)于提高生產(chǎn)穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞：激光切割；管材；BECKHOFF；EtherCAT；CNC；

[中圖分類號(hào)]TP29[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]

引言

在管材切割領(lǐng)域，相比火焰切割，等離子切割，水切割等傳統(tǒng)加工設(shè)備，激光切割具備切割靈活，加工精確的特點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。目前激光切管機(jī)大多采用數(shù)控系統(tǒng)+PLC的系統(tǒng)架構(gòu)，拓?fù)鋸?fù)雜，系統(tǒng)中存在多個(gè)控制器，通訊程序復(fù)雜，維護(hù)不便。

BECKHOFFCNC是基于IPC的控制系統(tǒng)[1]，將多種控制功能用軟件包集成于IPC中，實(shí)現(xiàn)“ALL-IN_ONE”,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)，同時(shí)系統(tǒng)維護(hù)方便，擴(kuò)展性強(qiáng)，數(shù)據(jù)接口豐富，可讓機(jī)床方便快捷的接入工廠ERP,MES等數(shù)據(jù)鏈中。

1.全自動(dòng)激光切管機(jī)工藝流程及控制

傳統(tǒng)激光切管機(jī)，大多采用人工上料，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，管材吊裝后，更需要矯正管材位置，效率低下。全自動(dòng)激光切管機(jī)采用自動(dòng)化供料，材料庫(kù)中的管材經(jīng)過(guò)平移輸送，爬坡分揀，定位測(cè)量，夾持翻轉(zhuǎn)，工裝夾持等一整套自動(dòng)化上料流程之后，開(kāi)始進(jìn)行激光切割，因?yàn)榫邆湓诰€測(cè)量功能，也有效避免材料上錯(cuò)的情況發(fā)生，提高了生產(chǎn)效率,流程圖如圖1。

2.全自動(dòng)激光切管機(jī)控制方案

全自動(dòng)激光切管機(jī)的控制方案中我們選用倍福自動(dòng)化有限公司的C6640控制器（如圖2所示），C6640控制柜PC在ATX主板上都配備了采用了Core?2Quad的高性能組件,與帶DVI及USB接口的Beckhoff控制面板及以太網(wǎng)控制面板完美結(jié)合成為一個(gè)操作單元，配合裝有在Windows7下運(yùn)行的TwinCAT自動(dòng)化軟件，能夠?yàn)闄C(jī)械制造和設(shè)備安裝工程應(yīng)用提供一個(gè)功能強(qiáng)大的平臺(tái)。C6640非常適合用作EtherCAT控制系統(tǒng)的中央處理單元。

圖2C6640K控制器外形圖

TwinCAT軟件系統(tǒng)可將幾乎任何兼容的PC轉(zhuǎn)變成為帶多PLC系統(tǒng)和NC/CNC軸控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制器。同時(shí)集成了適用于所有Beckhoff控制器的編程環(huán)境。TwinCAT系統(tǒng)由用于實(shí)時(shí)執(zhí)行控制程序的運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)和用于編程、診斷和配置的開(kāi)發(fā)環(huán)境構(gòu)成。任何Windows程序（如：可視化程序或辦公軟件程序）都可以通過(guò)Microsoft接口來(lái)訪問(wèn)TwinCAT數(shù)據(jù)，也可以執(zhí)行指令。這樣解決了原機(jī)各個(gè)系統(tǒng)相互之間網(wǎng)絡(luò)、通信的復(fù)雜度。同時(shí)同一CPU、同一進(jìn)程、同一控制程序的控制方式使得各個(gè)功能之間的信息交換變得極為可靠、高效和方便,硬件網(wǎng)絡(luò)采用EtherCAT工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)[2](如圖3所示)。

圖3激光切管機(jī)硬件系統(tǒng)框圖

3.全自動(dòng)激光切管機(jī)主要功能

3.1管材自動(dòng)測(cè)量

TwinCAT_CNC建立雙通道，第一通道負(fù)責(zé)管材切割過(guò)程中的插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)，第二通道負(fù)責(zé)管材供料。雙通道之間采取M代碼互相協(xié)調(diào)。管材定位機(jī)構(gòu)位于系統(tǒng)第二通道，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示

圖4激光切管機(jī)管材測(cè)量機(jī)構(gòu)

使用G100測(cè)量指令進(jìn)行管材長(zhǎng)度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)管材的準(zhǔn)確夾持。系統(tǒng)執(zhí)行G100指令之后，測(cè)量軸帶動(dòng)測(cè)量板以設(shè)定速度慢速靠近管材端面，到達(dá)端面之后，到位傳感器向系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)記錄當(dāng)前測(cè)量軸的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，然后測(cè)量軸減速停止，使用該測(cè)量指令可以非常準(zhǔn)確的測(cè)量管材的實(shí)際長(zhǎng)度，為后續(xù)管材的加工提供準(zhǔn)確位置。G100使用例程如下圖5

圖5G100測(cè)量指令示例

3.2管材拐角切割

B樣條曲線曲面具有幾何不變性、凸包性、保凸性、變差減小性、局部支撐性等許多優(yōu)良性質(zhì)[3]，是目前CAD系統(tǒng)常用的幾何表示方法，和貝塞爾曲線被“拉向”它的內(nèi)部控制點(diǎn)的方式差不多，B樣條曲線也被“拉向”控制點(diǎn)。不同的是B樣條曲線并不必須在第一個(gè)和最后一個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行插值；相反，二次曲線在兩個(gè)控制點(diǎn)的中點(diǎn)開(kāi)始和結(jié)束，而三次曲線在首末兩個(gè)控制點(diǎn)相鄰的控制點(diǎn)附近開(kāi)始和結(jié)束[4]。在BECKHOFFCNC系統(tǒng)中通過(guò)用戶的預(yù)定義參數(shù)，平滑編程點(diǎn)的軌跡變化，如圖6。

圖6BECKHOFFCNCB樣條軌跡平滑示意圖

管材切割過(guò)程中，轉(zhuǎn)換切割面時(shí)最多需要4軸聯(lián)動(dòng)+1軸輔助隨動(dòng)，拐角G代碼采用小線段擬合，CNC執(zhí)行HSCB-Spline樣條指令。編程示例如下圖7

圖7BECKHOFFCNCHSC指令示例

TwinCATCNC的HSCB-Spline指令[5]可實(shí)現(xiàn)軌跡控制的速度平滑，提高加工效率，減小軸運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)械安裝的沖擊，提高設(shè)備壽命，并可有效改善切割斷面效果，下圖8是HSCB-Spline指令開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)下的速度曲線監(jiān)控，可看到平滑效果明顯。

圖8BECKHOFFHSC指令開(kāi)啟及關(guān)閉對(duì)切割速度的影響

3.3圓管切割中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

切割圓管時(shí)，CNC系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)平行展開(kāi)，與軸向的移動(dòng)軸形成虛擬坐標(biāo)系，這樣在很大程度上方便了編程人員，使圖形編程工作簡(jiǎn)單明了，易于理解，如圖9。

圖9BECKHOFFCNC圓管切割的坐標(biāo)系展開(kāi)

4.結(jié)束語(yǔ)

基于BECKHOFFIPC的全自動(dòng)激光切管機(jī)采用EtherCAT總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和拓?fù)涞撵`活性樹(shù)立了新的標(biāo)準(zhǔn)[6]，同時(shí)，降低了現(xiàn)場(chǎng)總線的使用成本將CNC數(shù)控，PTP軸運(yùn)動(dòng)和PLC邏輯控制通過(guò)一臺(tái)控制器實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，穩(wěn)定性更高，可靠性更好。

參考文獻(xiàn)：

德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司.德國(guó)倍福產(chǎn)品選型手冊(cè)-工業(yè)PC和自動(dòng)化系統(tǒng)[G].2017.

BeckhoffAutomationCo.,Ltd.ProductsManualofBeckhoff-IndustrialPCandAutomationSystem[G].2017.

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陳鵬,鄧飛,劉思廷．三維空間屬性差值算法的研究.電腦知識(shí)與技術(shù)，2015.7．

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郇極.工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線EtherCAT驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010．