基于 EtherCAT 和 PC 的控制技術(shù)驅(qū)動新一代激光切割機性能飛躍

Cincinnati Incorporated（CI）作為金屬加工設(shè)備領(lǐng)域的先驅(qū)，迄今已有 125 年歷史，數(shù)十年來一直為全球市場提供經(jīng)久耐用的加工設(shè)備。公司之所以能夠持續(xù)取得這樣的成就，核心根源在于其從硬件到軟件的全方位自主研發(fā)實力。然而，深入研發(fā)專有控制技術(shù)不僅面臨著巨大的成本壓力，而且在技術(shù)支持方面也是挑戰(zhàn)重重。CI 公司的工程師指出，自轉(zhuǎn)向使用基于 PC 的控制技術(shù)后，開發(fā)工作遇到的唯一瓶頸來自于物理層面上的限制。

總部位于俄亥俄州哈里森的 Cincinnati Inc. 一直走在金屬加工技術(shù)的前沿。憑借其可靠且高性能的折彎、剪切、激光切割等設(shè)備，該公司已然成為美國設(shè)備制造領(lǐng)域中的標(biāo)志性品牌。據(jù)新業(yè)務(wù)機械銷售業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人 Matt Garbarino 介紹，在 Cincinnati Inc.，“掌控一切（Own It）”理念指引著從產(chǎn)品開發(fā)、銷售到長期服務(wù)和技術(shù)支持的每一個環(huán)節(jié)。“我們幾十年前生產(chǎn)的設(shè)備至今仍在使用，并且在很多情況下，這些設(shè)備仍然能夠獲得我們的技術(shù)支持。”Garbarino 自豪地說道，“我們?nèi)栽跒?20 世紀(jì) 40 年代的設(shè)備生產(chǎn)備件，確保它們繼續(xù)運行無虞。當(dāng)然，為新舊設(shè)備提供支持本身也是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。”

CLX 激光切割機可以實現(xiàn)可靠、高精度和高吞吐量的數(shù)控金屬加工，這對于合同制造商而言，是確保生產(chǎn)線持續(xù)以最大產(chǎn)能高效運行的關(guān)鍵所在。

日益增長的創(chuàng)新壓力

擁有 CLX 光纖激光系統(tǒng)后，CI 面臨的挑戰(zhàn)遠不止于單純設(shè)計下一代激光切割機那么簡單。最重要的一點是，CI 客戶群中有約三分之一為 OEM，而另外三分之二則為加工車間，對于他們來說，CLX 必須快速、直觀且可靠。對于激光切割系統(tǒng)而言，任何停機都是不可容忍的，因為它會引發(fā)多米諾骨牌式的連鎖反應(yīng)，瞬間波及整個生產(chǎn)設(shè)施。“一旦激光器停機，我們就不得不安排壓力制動器的操作員先行離開，而數(shù)小時后，焊接工人也不得不面臨停工回家的局面。”Cincinnati Inc 產(chǎn)品經(jīng)理 Troy Wilson 說道。

“早在上世紀(jì) 80 至 90 年代，我們就已成為美國首批激光切割機制造商之一，并在激烈的市場競爭中脫穎而出，占據(jù)市場領(lǐng)先地位。但在那個時代，無論是增加新功能、刪除現(xiàn)有功能，還是對工作模式進行革新，通常都需要耗時近三年之久。而現(xiàn)在只需要 6 到 18 個月。”Wilson 說道。

如今，隨著科技的飛速發(fā)展，設(shè)備的復(fù)雜性正以前所未有的速度增長。在金屬加工領(lǐng)域，這一趨勢尤為明顯，工序之間需要頻繁地增添先進的搬運系統(tǒng)，以高效送入材料并精準(zhǔn)移除已完成的工件。然而，CI 公司之前的供應(yīng)商提供的傳統(tǒng)運動控制系統(tǒng)存在明顯的局限性，不僅缺乏可擴展性，而且所采用的編程語言未能遵循 IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)。這不僅拖慢了開發(fā)速度，而且還限制了招聘新工程師時的選擇范圍，縮小了潛在的人才庫。

此外，CI 的客戶常常提出定制化改裝設(shè)備的需求，旨在升級至功率更大的激光器或增加其它功能。不同于競爭對手直接推薦客戶購買全新設(shè)備，CI 在滿足客戶提出的改裝需求時，往往需要投入更多的人力與物力資源。因此，未來的平臺必須能夠高度靈活地連接和斷開各種設(shè)備，同時能在軟件層面實現(xiàn)參數(shù)的快速調(diào)整與修改。

永不止步的領(lǐng)先技術(shù)

CLX 光纖激光系統(tǒng)利用 C6030 超緊湊型工業(yè) PC 控制整臺 CNC 數(shù)控機床。這種可擴展的機床控制器具有強大的處理能力和靈活的接口選項。最為關(guān)鍵的是，它消除了以前存在的技術(shù)過時問題。倍福精心設(shè)計的基于 PC 的控制器和軟件支持向后兼容，并能靈活適應(yīng)未來的技術(shù)發(fā)展趨勢。

“我們選擇倍福的一個主要考量是，他們對于技術(shù)前瞻性的承諾，確保我們不必再擔(dān)心控制器被淘汰的隱憂。倍福會主動為客戶解決這一后顧之憂。”Matt Garbarino 強調(diào)道，“對于倍福而言，工業(yè) PC 升級迭代只是產(chǎn)品開發(fā)過程中自然而然的一環(huán)。當(dāng)我們自行設(shè)計并生產(chǎn) CPU 時，一旦芯片及其它關(guān)鍵組件面臨技術(shù)淘汰或過期，整個系統(tǒng)可能會因此陷入停滯不前的困境。擁有這樣一家供應(yīng)商，全權(quán)負(fù)責(zé)解決我們面臨的所有難題，徹底改變了游戲規(guī)則。”

倍福精心定制的雙屏 CP3924 控制面板以其直觀且充滿現(xiàn)代感的操作界面，為用戶帶來了前所未有的操作體驗。

現(xiàn)代編程標(biāo)準(zhǔn)的選擇

作為一個通用的開發(fā)和 Runtime 平臺，TwinCAT 3 自動化軟件還確保了面向未來的可擴展性。得益于 TwinCAT 與 Microsoft Visual Studio? 的集成，工程師們能夠使用最適合其應(yīng)用需求的編程語言進行開發(fā)，包括面向?qū)ο蟮?IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)語言和高級語言、自定義和預(yù)定義的功能塊，以及計算機科學(xué)語言。相較于之前供應(yīng)商所采用的專用腳本語言相比，這無疑是一次極大的進步。

TwinCAT Scope 軟件示波器也為調(diào)試工作的順利進行提供了助力。另一個優(yōu)勢是 TwinCAT 的開發(fā)環(huán)境是免費的，僅在使用 Runtime 時才需要授權(quán)。“在 TwinCAT 中創(chuàng)建原型系統(tǒng)無需支付任何費用，而且編碼也很靈活，因此我可以經(jīng)常將軟件模塊從一個程序復(fù)制并粘貼至另一個程序。”Cincinnati 公司的電氣工程經(jīng)理 Zackary Bischoff 說道。

借助 CLX 的用戶界面設(shè)計，對設(shè)備運行期間的控制訪問變得更加直觀。操作人員和維護人員在排除故障或調(diào)整設(shè)備時，不必再花費大量時間翻閱過時的梯形邏輯。定制的 24 英寸安裝臂安裝式 CP3924 雙屏控制面板完美融合了優(yōu)雅設(shè)計與超大尺寸的視覺界面，其界面上精心印刻了 Cincinnati Inc. 的品牌標(biāo)志。

EtherCAT 助力實現(xiàn)柔性自動化

倍福的 EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)和伺服驅(qū)動技術(shù)進一步提升了系統(tǒng)整體性能與可擴展性。EtherCAT 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高速實時通信，還允許用戶自由選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個網(wǎng)絡(luò)就可以容納多達 65,535 個節(jié)點。作為一項領(lǐng)先的開放式協(xié)議，EtherCAtT 極大地簡化了與其它工業(yè)通信協(xié)議的連接。CI 還運用 TwinSAFE 在相同的非安全設(shè)備 I/O 網(wǎng)段中添加安全功能。

“我們廣泛采用倍福生產(chǎn)的各種 EtherCAT I/O 模塊。”Zackery Bischoff 強調(diào)道，“熱連接能力，即在持續(xù)運行狀態(tài)下連接或斷開 EtherCAT 設(shè)備，非常強大，尤其是在我們的自動噴嘴更換器（ANC）上。在將機器人乃至沖床等重型設(shè)備集成至整條生產(chǎn)線時，EtherCAT 所提供的這種高度靈活性變得尤為關(guān)鍵。”

AX8000 多軸伺服系統(tǒng)以其緊湊而節(jié)省空間的設(shè)計，為工業(yè)領(lǐng)域帶來了強大的運動控制解決方案。雙通道驅(qū)動器具備同時為兩個 AM8000 系列伺服電機獨立供電的能力，而創(chuàng)新的 單電纜技術(shù)（OCT）更是極大地簡化了接線工作，僅需一根電纜即可為電機提供動力和反饋信號。此外，倍福的伺服解決方案還以其卓越的高動態(tài)性能與高精度控制而著稱。

“我們過去的設(shè)備曾受到控制硬件性能瓶頸和網(wǎng)絡(luò)局限性的雙重制約。然而，這一限制已成為過去式。”Troy Wilson 表示道，“當(dāng)前的限制因素僅是物理極限。”

通過部署在分布式開關(guān)盒內(nèi)的多個 EtherCAT 端子模塊全面監(jiān)測 CLX 光纖激光系統(tǒng)

掌控一切（Own It）— 惠及未來

CLX 光纖激光系統(tǒng)已經(jīng)取得了令人矚目的輝煌成就，然而，CI 公司的工程團隊并沒有因此自滿。第二代機器將于 2024 年底問世。

Cincinnati Inc. 公司利用基于 PC 的控制技術(shù)將設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸至云端的固有能力直接融入其工業(yè) 4.0 戰(zhàn)略規(guī)劃中。CI 公司工程部副總監(jiān) Paul Frederick 表示，該公司的軟件解決方案，尤其是基于云計算的設(shè)備監(jiān)測解決方案，能夠直接從所連接的 CLX 系統(tǒng)獲取關(guān)鍵性能參數(shù)和診斷信息。工程師可以輕松遠程登錄，通過切割單元內(nèi)的三個機器視覺相機實時查看作業(yè)現(xiàn)場的每一個細微變化，或使用 TwinCAT Scope 進行進一步的數(shù)據(jù)分析。

“在設(shè)計過程和性能評估階段，我們發(fā)現(xiàn)管理倍福控制系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)訪問變得前所未有的簡便，因此我們能夠更有效地優(yōu)化系統(tǒng)性能。”Frederick 說道，“我們能夠?qū)崟r繪制機床的任意關(guān)鍵參數(shù)的圖表。”

工程團隊致力于通過全面采用倍福標(biāo)準(zhǔn)化方案，簡化編程流程并提升技術(shù)支持效率。隨著制造設(shè)備逐步向協(xié)同作業(yè)模式轉(zhuǎn)型，摒棄以往自動化孤島的運作方式，CI 公司工程總監(jiān) Les Rogers 認(rèn)為模塊化設(shè)計是實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵要素。“如今，我們已成功構(gòu)建了一個高度模塊化的平臺，這一平臺能夠靈活部署于我們業(yè)務(wù)的各個層面，徹底擺脫了以往依賴內(nèi)部垂直制造戰(zhàn)略所設(shè)計的專用板卡的局限性。”他自豪地說道，“模塊化設(shè)計還為現(xiàn)有設(shè)備提供了便捷高效的升級路徑。我們已奠定了一個堅實的基礎(chǔ)，可以在未來為所有客戶提供更加全面、高效的支持與服務(wù)。”