摘要：提出一種基于Beckhoff(倍福)CNC的全自動激光切管機的控制系統，簡化了激光切管機控制架構。經過現場應用，該系統性能穩定，運行可靠，結構簡單，便于擴展，具有較高的通用性與一致性，解決了現有的基于傳統數控系統存在的諸多問題，對于提高生產穩定性，提升產品質量具有重要意義。

關鍵詞：激光切割；管材；BECKHOFF；EtherCAT；CNC；

[中圖分類號]TP29[文獻標識碼]A[文章編號]

引言

在管材切割領域，相比火焰切割，等離子切割，水切割等傳統加工設備，激光切割具備切割靈活，加工精確的特點，因此得到廣泛應用。目前激光切管機大多采用數控系統+PLC的系統架構，拓撲復雜，系統中存在多個控制器，通訊程序復雜，維護不便。

BECKHOFFCNC是基于IPC的控制系統[1]，將多種控制功能用軟件包集成于IPC中，實現“ALL-IN_ONE”,簡化了系統架構，同時系統維護方便，擴展性強，數據接口豐富，可讓機床方便快捷的接入工廠ERP,MES等數據鏈中。

1.全自動激光切管機工藝流程及控制

傳統激光切管機，大多采用人工上料，費時費力，管材吊裝后，更需要矯正管材位置，效率低下。全自動激光切管機采用自動化供料，材料庫中的管材經過平移輸送，爬坡分揀，定位測量，夾持翻轉，工裝夾持等一整套自動化上料流程之后，開始進行激光切割，因為具備在線測量功能，也有效避免材料上錯的情況發生，提高了生產效率,流程圖如圖1。

2.全自動激光切管機控制方案

全自動激光切管機的控制方案中我們選用倍福自動化有限公司的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控制面板及以太網控制面板完美結合成為一個操作單元，配合裝有在Windows7下運行的TwinCAT自動化軟件，能夠為機械制造和設備安裝工程應用提供一個功能強大的平臺。C6640非常適合用作EtherCAT控制系統的中央處理單元。

圖2C6640K控制器外形圖

TwinCAT軟件系統可將幾乎任何兼容的PC轉變成為帶多PLC系統和NC/CNC軸控制系統的實時控制器。同時集成了適用于所有Beckhoff控制器的編程環境。TwinCAT系統由用于實時執行控制程序的運行時系統和用于編程、診斷和配置的開發環境構成。任何Windows程序（如：可視化程序或辦公軟件程序）都可以通過Microsoft接口來訪問TwinCAT數據，也可以執行指令。這樣解決了原機各個系統相互之間網絡、通信的復雜度。同時同一CPU、同一進程、同一控制程序的控制方式使得各個功能之間的信息交換變得極為可靠、高效和方便,硬件網絡采用EtherCAT工業實時以太網[2](如圖3所示)。

圖3激光切管機硬件系統框圖

3.全自動激光切管機主要功能

3.1管材自動測量

TwinCAT_CNC建立雙通道，第一通道負責管材切割過程中的插補聯動，第二通道負責管材供料。雙通道之間采取M代碼互相協調。管材定位機構位于系統第二通道，機械結構如圖4所示

圖4激光切管機管材測量機構

使用G100測量指令進行管材長度測量，實現管材的準確夾持。系統執行G100指令之后，測量軸帶動測量板以設定速度慢速靠近管材端面，到達端面之后，到位傳感器向系統發出信號，系統記錄當前測量軸的實時坐標，然后測量軸減速停止，使用該測量指令可以非常準確的測量管材的實際長度，為后續管材的加工提供準確位置。G100使用例程如下圖5

圖5G100測量指令示例

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良性質[3]，是目前CAD系統常用的幾何表示方法，和貝塞爾曲線被“拉向”它的內部控制點的方式差不多，B樣條曲線也被“拉向”控制點。不同的是B樣條曲線并不必須在第一個和最后一個控制點進行插值；相反，二次曲線在兩個控制點的中點開始和結束，而三次曲線在首末兩個控制點相鄰的控制點附近開始和結束[4]。在BECKHOFFCNC系統中通過用戶的預定義參數，平滑編程點的軌跡變化，如圖6。

圖6BECKHOFFCNCB樣條軌跡平滑示意圖

管材切割過程中，轉換切割面時最多需要4軸聯動+1軸輔助隨動，拐角G代碼采用小線段擬合，CNC執行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]可實現軌跡控制的速度平滑，提高加工效率，減小軸運動對機械安裝的沖擊，提高設備壽命，并可有效改善切割斷面效果，下圖8是HSCB-Spline指令開啟和關閉狀態下的速度曲線監控，可看到平滑效果明顯。

圖8BECKHOFFHSC指令開啟及關閉對切割速度的影響

3.3圓管切割中的坐標轉換

切割圓管時，CNC系統將旋轉軸坐標平行展開，與軸向的移動軸形成虛擬坐標系，這樣在很大程度上方便了編程人員，使圖形編程工作簡單明了，易于理解，如圖9。

圖9BECKHOFFCNC圓管切割的坐標系展開

4.結束語

基于BECKHOFFIPC的全自動激光切管機采用EtherCAT總線結構，為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準[6]，同時，降低了現場總線的使用成本將CNC數控，PTP軸運動和PLC邏輯控制通過一臺控制器實現，結構簡潔，穩定性更高，可靠性更好。

參考文獻：

德國倍福自動化有限公司.德國倍福產品選型手冊-工業PC和自動化系統[G].2017.

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

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

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

蔣勇.李玉梅.基于三次B樣條的曲線逼近算法及其收斂性[J];計算機工程與設計;2013.6

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

郇極.工業以太網現場總線EtherCAT驅動程序設計及應用［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2010．