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BECKHOFF CNC系统在全自动激光切管机上的应用

文:王兰立,刘明 德国倍福自动化有限公司 | 2019年第一期 (0) | (0)

摘要:提出一种基于Beckhoff(倍福)CNC的全自动激光切管机的控制系统,简化了激光切管机控制架构。经过现场应用,该系统性能稳定,运行可靠,结构简单,便于扩展,具有较高的通用性与一致性,解决了现有的基于传统数控系统存在的诸多问题,对于提高生产稳定性,提升产品质量具有重要意义。

关键词:激光切割;管材;BECKHOFF;EtherCAT;CNC;

[中图分类号]TP29[文献标识码]A[文章编号]

引言

在管材切割领域,相比火焰切割,等离子切割,水切割等传统加工设备,激光切割具备切割灵活,加工精确的特点,因此得到广泛应用。目前激光切管机大多采用数控系统+PLC的系统架构,拓扑复杂,系统中存在多个控制器,通讯程序复杂,维护不便。

BECKHOFFCNC是基于IPC的控制系统[1],将多种控制功能用软件包集成于IPC中,实现“ALL-IN_ONE”,简化了系统架构,同时系统维护方便,扩展性强,数据接口丰富,可让机床方便快捷的接入工厂ERP,MES等数据链中。

1.全自动激光切管机工艺流程及控制

传统激光切管机,大多采用人工上料,费时费力,管材吊装后,更需要矫正管材位置,效率低下。全自动激光切管机采用自动化供料,材料库中的管材经过平移输送,爬坡分拣,定位测量,夹持翻转,工装夹持等一整套自动化上料流程之后,开始进行激光切割,因为具备在线测量功能,也有效避免材料上错的情况发生,提高了生产效率,流程图如图1。

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图1激光切管机工艺流程图

2.全自动激光切管机控制方案

全自动激光切管机的控制方案中我们选用倍福自动化有限公司的C6640控制器(如图2所示),C6640控制柜PC在ATX主板上都配备了采用了Core™2Quad的高性能组件,与带DVI及USB接口的Beckhoff控制面板及以太网控制面板完美结合成为一个操作单元,配合装有在Windows7下运行的TwinCAT自动化软件,能够为机械制造和设备安装工程应用提供一个功能强大的平台。C6640非常适合用作EtherCAT控制系统的中央处理单元。

 

倍福倍福

图2C6640K控制器外形图

TwinCAT软件系统可将几乎任何兼容的PC转变成为带多PLC系统和NC/CNC轴控制系统的实时控制器。同时集成了适用于所有Beckhoff控制器的编程环境。TwinCAT系统由用于实时执行控制程序的运行时系统和用于编程、诊断和配置的开发环境构成。任何Windows程序(如:可视化程序或办公软件程序)都可以通过Microsoft接口来访问TwinCAT数据,也可以执行指令。这样解决了原机各个系统相互之间网络、通信的复杂度。同时同一CPU、同一进程、同一控制程序的控制方式使得各个功能之间的信息交换变得极为可靠、高效和方便,硬件网络采用EtherCAT工业实时以太网[2](如图3所示)。

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图3激光切管机硬件系统框图

3.全自动激光切管机主要功能

3.1管材自动测量

TwinCAT_CNC建立双通道,第一通道负责管材切割过程中的插补联动,第二通道负责管材供料。双通道之间采取M代码互相协调。管材定位机构位于系统第二通道,机械结构如图4所示

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图4激光切管机管材测量机构

使用G100测量指令进行管材长度测量,实现管材的准确夹持。系统执行G100指令之后,测量轴带动测量板以设定速度慢速靠近管材端面,到达端面之后,到位传感器向系统发出信号,系统记录当前测量轴的实时坐标,然后测量轴减速停止,使用该测量指令可以非常准确的测量管材的实际长度,为后续管材的加工提供准确位置。G100使用例程如下图5

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图5G100测量指令示例

3.2管材拐角切割

B样条曲线曲面具有几何不变性、凸包性、保凸性、变差减小性、局部支撑性等许多优良性质[3],是目前CAD系统常用的几何表示方法,和贝塞尔曲线被“拉向”它的内部控制点的方式差不多,B样条曲线也被“拉向”控制点。不同的是B样条曲线并不必须在第一个和最后一个控制点进行插值;相反,二次曲线在两个控制点的中点开始和结束,而三次曲线在首末两个控制点相邻的控制点附近开始和结束[4]。在BECKHOFFCNC系统中通过用户的预定义参数,平滑编程点的轨迹变化,如图6。

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图6BECKHOFFCNCB样条轨迹平滑示意图

管材切割过程中,转换切割面时最多需要4轴联动+1轴辅助随动,拐角G代码采用小线段拟合,CNC执行HSCB-Spline样条指令。编程示例如下图7

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图7BECKHOFFCNCHSC指令示例

TwinCATCNC的HSCB-Spline指令[5]可实现轨迹控制的速度平滑,提高加工效率,减小轴运动对机械安装的冲击,提高设备寿命,并可有效改善切割断面效果,下图8是HSCB-Spline指令开启和关闭状态下的速度曲线监控,可看到平滑效果明显。

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图8BECKHOFFHSC指令开启及关闭对切割速度的影响

3.3圆管切割中的坐标转换

切割圆管时,CNC系统将旋转轴坐标平行展开,与轴向的移动轴形成虚拟坐标系,这样在很大程度上方便了编程人员,使图形编程工作简单明了,易于理解,如图9。

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图9BECKHOFFCNC圆管切割的坐标系展开

4.结束语

基于BECKHOFFIPC的全自动激光切管机采用EtherCAT总线结构,为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准[6],同时,降低了现场总线的使用成本将CNC数控,PTP轴运动和PLC逻辑控制通过一台控制器实现,结构简洁,稳定性更高,可靠性更好。

参考文献:

德国倍福自动化有限公司.德国倍福产品选型手册-工业PC和自动化系统[G].2017.

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

BeckhoffAutomationGmbH.EtherCATCommunicationTheory[EB/OL].2007.http://www.ethercat.org/.

陈鹏,邓飞,刘思廷.三维空间属性差值算法的研究.电脑知识与技术,2015.7.

蒋勇.李玉梅.基于三次B样条的曲线逼近算法及其收敛性[J];计算机工程与设计;2013.6

BeckhoffAutomationGmbH.BeckhoffInfoSystem[EB/OL].2018.https://infosys.beckhoff.com/english.php

郇极.工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.

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