基于 EtherCAT 和 PC 的控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)新一代激光切割機(jī)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(lái)一直為全球市場(chǎng)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(shí)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(lái)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(guó)設(shè)備制造領(lǐng)域中的標(biāo)志性品牌。據(jù)新業(yè)務(wù)機(jī)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(zhǎng)期服務(wù)和技術(shù)支持的每一個(gè)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(shuō)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(yùn)行無(wú)虞。當(dāng)然，為新舊設(shè)備提供支持本身也是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。”

CLX 激光切割機(jī)可以實(shí)現(xiàn)可靠、高精度和高吞吐量的數(shù)控金屬加工，這對(duì)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(yùn)行的關(guān)鍵所在。

日益增長(zhǎng)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(yuǎn)不止于單純?cè)O(shè)計(jì)下一代激光切割機(jī)那么簡(jiǎn)單。最重要的一點(diǎn)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(duì)于他們來(lái)說(shuō)，CLX 必須快速、直觀且可靠。對(duì)于激光切割系統(tǒng)而言，任何停機(jī)都是不可容忍的，因?yàn)樗鼤?huì)引發(fā)多米諾骨牌式的連鎖反應(yīng)，瞬間波及整個(gè)生產(chǎn)設(shè)施。“一旦激光器停機(jī)，我們就不得不安排壓力制動(dòng)器的操作員先行離開，而數(shù)小時(shí)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(shuō)道。

“早在上世紀(jì) 80 至 90 年代，我們就已成為美國(guó)首批激光切割機(jī)制造商之一，并在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，占據(jù)市場(chǎng)領(lǐng)先地位。但在那個(gè)時(shí)代，無(wú)論是增加新功能、刪除現(xiàn)有功能，還是對(duì)工作模式進(jìn)行革新，通常都需要耗時(shí)近三年之久。而現(xiàn)在只需要 6 到 18 個(gè)月。”Wilson 說(shuō)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(zhǎng)。在金屬加工領(lǐng)域，這一趨勢(shì)尤為明顯，工序之間需要頻繁地增添先進(jìn)的搬運(yùn)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在明顯的局限性，不僅缺乏可擴(kuò)展性，而且所采用的編程語(yǔ)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(shí)的選擇范圍，縮小了潛在的人才庫(kù)。

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(jí)至功率更大的激光器或增加其它功能。不同于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手直接推薦客戶購(gòu)買全新設(shè)備，CI 在滿足客戶提出的改裝需求時(shí)，往往需要投入更多的人力與物力資源。因此，未來(lái)的平臺(tái)必須能夠高度靈活地連接和斷開各種設(shè)備，同時(shí)能在軟件層面實(shí)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(tái) CNC 數(shù)控機(jī)床。這種可擴(kuò)展的機(jī)床控制器具有強(qiáng)大的處理能力和靈活的接口選項(xiàng)。最為關(guān)鍵的是，它消除了以前存在的技術(shù)過(guò)時(shí)問題。倍福精心設(shè)計(jì)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(lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

“我們選擇倍福的一個(gè)主要考量是，他們對(duì)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(huì)主動(dòng)為客戶解決這一后顧之憂。”Matt Garbarino 強(qiáng)調(diào)道，“對(duì)于倍福而言，工業(yè) PC 升級(jí)迭代只是產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中自然而然的一環(huán)。當(dāng)我們自行設(shè)計(jì)并生產(chǎn) CPU 時(shí)，一旦芯片及其它關(guān)鍵組件面臨技術(shù)淘汰或過(guò)期，整個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)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(lái)了前所未有的操作體驗(yàn)。

現(xiàn)代編程標(biāo)準(zhǔn)的選擇

作為一個(gè)通用的開發(fā)和 Runtime 平臺(tái)，TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件還確保了面向未來(lái)的可擴(kuò)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(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，包括面向?qū)ο蟮?IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言、自定義和預(yù)定義的功能塊，以及計(jì)算機(jī)科學(xué)語(yǔ)言。相較于之前供應(yīng)商所采用的專用腳本語(yǔ)言相比，這無(wú)疑是一次極大的進(jìn)步。

TwinCAT Scope 軟件示波器也為調(diào)試工作的順利進(jìn)行提供了助力。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是 TwinCAT 的開發(fā)環(huán)境是免費(fèi)的，僅在使用 Runtime 時(shí)才需要授權(quán)。“在 TwinCAT 中創(chuàng)建原型系統(tǒng)無(wú)需支付任何費(fèi)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(gè)程序復(fù)制并粘貼至另一個(gè)程序。”Cincinnati 公司的電氣工程經(jīng)理 Zackary Bischoff 說(shuō)道。

借助 CLX 的用戶界面設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行期間的控制訪問變得更加直觀。操作人員和維護(hù)人員在排除故障或調(diào)整設(shè)備時(shí)，不必再花費(fèi)大量時(shí)間翻閱過(guò)時(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化

倍福的 EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)一步提升了系統(tǒng)整體性能與可擴(kuò)展性。EtherCAT 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高速實(shí)時(shí)通信，還允許用戶自由選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)就可以容納多達(dá) 65,535 個(gè)節(jié)點(diǎn)。作為一項(xiàng)領(lǐng)先的開放式協(xié)議，EtherCAtT 極大地簡(jiǎn)化了與其它工業(yè)通信協(xié)議的連接。CI 還運(yùn)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(qiáng)調(diào)道，“熱連接能力，即在持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下連接或斷開 EtherCAT 設(shè)備，非常強(qiáng)大，尤其是在我們的自動(dòng)噴嘴更換器（ANC）上。在將機(jī)器人乃至沖床等重型設(shè)備集成至整條生產(chǎn)線時(shí)，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(jì)，為工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)了強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制解決方案。雙通道驅(qū)動(dòng)器具備同時(shí)為兩個(gè) AM8000 系列伺服電機(jī)獨(dú)立供電的能力，而創(chuàng)新的 單電纜技術(shù)（OCT）更是極大地簡(jiǎn)化了接線工作，僅需一根電纜即可為電機(jī)提供動(dòng)力和反饋信號(hào)。此外，倍福的伺服解決方案還以其卓越的高動(dòng)態(tài)性能與高精度控制而著稱。

“我們過(guò)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(guò)去式。”Troy Wilson 表示道，“當(dāng)前的限制因素僅是物理極限。”

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

掌控一切（Own It）— 惠及未來(lái)

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(tuán)隊(duì)并沒有因此自滿。第二代機(jī)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(jì)算的設(shè)備監(jiān)測(cè)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(yuǎn)程登錄，通過(guò)切割單元內(nèi)的三個(gè)機(jī)器視覺相機(jī)實(shí)時(shí)查看作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的每一個(gè)細(xì)微變化，或使用 TwinCAT Scope 進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。

“在設(shè)計(jì)過(guò)程和性能評(píng)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(jiǎn)便，因此我們能夠更有效地優(yōu)化系統(tǒng)性能。”Frederick 說(shuō)道，“我們能夠?qū)崟r(shí)繪制機(jī)床的任意關(guān)鍵參數(shù)的圖表。”

工程團(tuán)隊(duì)致力于通過(guò)全面采用倍福標(biāo)準(zhǔn)化方案，簡(jiǎn)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(dòng)化孤島的運(yùn)作方式，CI 公司工程總監(jiān) Les Rogers 認(rèn)為模塊化設(shè)計(jì)是實(shí)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(gè)高度模塊化的平臺(tái)，這一平臺(tái)能夠靈活部署于我們業(yè)務(wù)的各個(gè)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(jì)的專用板卡的局限性。”他自豪地說(shuō)道，“模塊化設(shè)計(jì)還為現(xiàn)有設(shè)備提供了便捷高效的升級(jí)路徑。我們已奠定了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，可以在未來(lái)為所有客戶提供更加全面、高效的支持與服務(wù)。”