對于傳統(tǒng)的激光切割控制系統(tǒng)而言，通常其采用專用的CNC系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對切割插補(bǔ)的運(yùn)算處理，而PLC應(yīng)用于邏輯的控制，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的PLC是無法運(yùn)行CNC系統(tǒng)的，它存在以下問題：

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由PC及運(yùn)行其上的PCI總線嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成；

PLC和CNC程序在兩個(gè)不同的處理器中運(yùn)行，無法實(shí)現(xiàn)同步；

系統(tǒng)需要多種總線系統(tǒng)，包括實(shí)時(shí)控制的內(nèi)部總線和用于邏輯和分布式I/O的總線；

專用的軟件系統(tǒng)，無法使用通用的軟件；

B&R的CNC系統(tǒng)則是基于通用的工業(yè)PC，并通過一個(gè)100Mbps的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK來設(shè)計(jì)，運(yùn)行SoftCNC軟件系統(tǒng)，并可運(yùn)行通用的軟件系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)開放的軟件互聯(lián)，能夠?yàn)闄C(jī)器實(shí)現(xiàn)更為開放的功能集成，具有非常強(qiáng)的領(lǐng)先性和高可靠性設(shè)計(jì)。

2.     基本原理介紹

以CO2激光發(fā)生器作為加工能源，利用安裝在切割機(jī)床上移動(dòng)軸的光學(xué)鏡片將激光經(jīng)過多次反射引導(dǎo)至機(jī)床的切割頭處，激光經(jīng)過切割頭內(nèi)部的聚焦鏡片聚焦之后，將激光光束聚焦成一個(gè)直徑只有0.15左右、能量密度達(dá)百萬瓦/平方厘米的高亮度光點(diǎn)。

該光點(diǎn)在瞬間將切割材料加熱、熔化、甚至蒸發(fā)。配合切割輔助氣體的作用將融化的材料吹下，如此當(dāng)切割頭按照加工程序的代碼移動(dòng)時(shí)，便在板材上形成割縫，從而完成零件的切割。

3.     關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與功能設(shè)計(jì)

3.1性能指標(biāo)

衡量激光切割系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如下：

XY軸加工速度：120m/min

加速度＝10m/S^2；

切割精度要求+/-0.1mm。

3.2功能設(shè)計(jì)需求

激光切割的功能設(shè)計(jì)需求包括了多個(gè)方面，這些都包含了激光切割行業(yè)的一些特殊的需求，因此，也構(gòu)成了機(jī)器本身的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

3.2.1激光功率控制

通常激光功率是與時(shí)間有一個(gè)累加的關(guān)系，這意味著當(dāng)激光聚焦在某一個(gè)切割點(diǎn)上時(shí)間較長，則會(huì)帶來非常大的切割能量從而造成切割量較大，而這又同時(shí)與加工速度本身相關(guān)，對應(yīng)于不同的速度則激光器需要提供相應(yīng)的激光功率，而且系統(tǒng)需要考慮激光功率控制本身的響應(yīng)延遲，以免出現(xiàn)激光的不足與過量能量累積造成切割的不均勻，對于很多應(yīng)用于汽車、航空航天、輪船等高精度鈑金加工的設(shè)備而言，其輪廓精度要求較高，激光功率控制的效果會(huì)帶來質(zhì)量的較大差異。

如下圖為例：當(dāng)切割速度太快時(shí)，就會(huì)造成激光功率聚集不足從而產(chǎn)生無法切斷，造成斜角。

3.2.2輔助氣體控制

輔助氣體主要作用是為切割助燃，并通過氣流吹掉切割面上的熔漬，使得切割表面光滑整潔。需要對氣體的壓力進(jìn)行控制：

A 壓力過大時(shí)，則會(huì)造成切割面粗并切縫較寬；

B壓力不足時(shí)，則切割面有熔漬且效率較低；

根據(jù)不同的切割任務(wù)，通常會(huì)選用不同的切割輔助氣體，控制系統(tǒng)同時(shí)控制其氣體壓力。

3.2.3蛙跳

在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，輪廓間的定位需要機(jī)床頻繁起停，占用了機(jī)床整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的30%。因此跳躍式的定位方式要比普通定位方式節(jié)省時(shí)間3-5倍。大大提高了生產(chǎn)效率。

其工作流程如下：

關(guān)光、關(guān)氣---切割頭抬起—切割頭平移—切割頭下落—開光/開氣

經(jīng)過該方案設(shè)計(jì)的流程如下：

關(guān)光/關(guān)氣同時(shí)切割頭抬起---定位完成同時(shí),切割頭下降到切割高度—開始切割；

4     貝加萊解決方案

貝加萊通用運(yùn)動(dòng)控制(Generic Motion Control)融合了傳統(tǒng)的CNC和Robotics與定位控制，并且，它面向整個(gè)機(jī)器的全局和模塊化的機(jī)器電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，一方面，它將機(jī)器的各個(gè)組成部分視為一個(gè)統(tǒng)一的整體，各個(gè)單元之間構(gòu)成了內(nèi)在的硬件與軟件的無縫連接，而同時(shí)，軟件又以模塊化為架構(gòu)設(shè)計(jì)，確保代碼的可移植性和重用性，降低企業(yè)整體的開發(fā)成本。

4.1貝加萊GMC通用運(yùn)動(dòng)控制概念

建立在面向?qū)ο蟮木幊袒A(chǔ)上，通用的Windows平臺(tái)提供了服務(wù)和PVI的接口，通過PVI接口與CNC軟件庫ARNC0軟件庫進(jìn)行交互，這包括了顯示、運(yùn)動(dòng)控制、PLC程序，在ARNC0（原來稱為AR010）庫中，從上圖我們可以看到，PLC、運(yùn)動(dòng)控制、顯示任務(wù)、服務(wù)任務(wù)均可以在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)下運(yùn)行，這帶來了諸多的好處。

4.1.1貝加萊一體化的激光功率與CNC同步控制

傳統(tǒng)的激光功率控制通常由激光器的制造商提供一個(gè)PLC的控制，而整機(jī)的系統(tǒng)提供商則通過通信方式給出速度值，作為功率控制器的調(diào)節(jié)依據(jù)，然而，這里存在的問題在于，功率控制器廠商所提供的是依據(jù)其對激光功率控制本身的工藝而設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)，而CNC系統(tǒng)則是考慮運(yùn)動(dòng)控制本身而產(chǎn)生的子系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)之間有一個(gè)同步和協(xié)調(diào)的問題，這帶來了非常多的偏差。

而B&R的GMC架構(gòu)則使得激光功率的PLC控制和CNC本身的控制融為一體，在軟件上來看，CNC任務(wù)和功率控制的邏輯任務(wù)均是運(yùn)行在ARNC0平臺(tái)上的任務(wù)，其之間的軟件為緊密的耦合關(guān)系，而在硬件上，通過Ethernet POWERLINK總線，X,Y軸的運(yùn)動(dòng)速度被計(jì)算并反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)同時(shí)處理激光功率控制任務(wù)，CNC系統(tǒng)采用400uS的高速刷新，而功率控制也可以在相應(yīng)的循環(huán)周期上被處理，以便與運(yùn)動(dòng)緊密耦合。

這一設(shè)計(jì)確保了運(yùn)動(dòng)與激光功率的融合，確保了加工精度和生產(chǎn)速度的靈活調(diào)整。

對于輔助氣體的控制同樣如此，將整個(gè)切割過程建立模型，可以確保氣體的壓力根據(jù)材料、厚度、功率等進(jìn)行調(diào)整，從而確保輔助氣體為切割過程提供良好的保障，提高切割質(zhì)量。

4.1.2機(jī)械補(bǔ)償控制

除了傳統(tǒng)的CNC和控制功能，B&R系統(tǒng)同時(shí)增加了機(jī)械補(bǔ)償控制功能，對于很多切割而言，尤其是大型切割系統(tǒng)，其電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械單元慣量較大，這會(huì)造成慣量不匹配而帶來的切割質(zhì)量問題，例如：圓角和方角的切割，由于慣量較大，通常其在高速運(yùn)行時(shí)會(huì)造成過量，而無法形成高精度的切割輪廓。

通過ACOPOSmulti驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的前饋控制算法，機(jī)械系統(tǒng)的慣量和扭矩需求被預(yù)先給定一個(gè)前饋值，從而確保其加工中快速實(shí)現(xiàn)定位響應(yīng)。

4.1.3蛙跳功能設(shè)計(jì)

由于ACOPOS伺服系統(tǒng)具有可自由編輯的曲線，可以根據(jù)起始點(diǎn)、終結(jié)點(diǎn)、各開關(guān)響應(yīng)時(shí)間等設(shè)計(jì)一條最為光滑而快速的曲線，降低機(jī)器振動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最高效的曲線重定位。

從一個(gè)切割到另一個(gè)切割點(diǎn)，最完美的曲線設(shè)計(jì)－傳統(tǒng)的系統(tǒng)都是沒有蛙跳功能，將Z軸參與到X,Y的插補(bǔ)中去，跳的好而又穩(wěn)定，對于軸控制的響應(yīng)周期的要求。如上圖，SP-Start Point,MP-Middle Point,EP-End Point, Zmax則代表了Z軸參與X,Y軸插補(bǔ)的位置曲線，該曲線在ACOPOSmulti驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)定點(diǎn)完成中間的曲線自動(dòng)生成，一方面，確保高速，另一個(gè)方面確保機(jī)械沖擊小的平滑過渡。

4.1.4CNC圖形顯示

Automation Studio是一個(gè)集成化的可視化開發(fā)平臺(tái)，它提供了CNC加工過程中的圖形處理，并能根據(jù)需要對這些圖形進(jìn)行保存、處理，由于該系統(tǒng)采用APC，可支持高性能處理器對于圖形任務(wù)的處理，并且APC開放的接口和Windows XP系統(tǒng)可支持豐富的圖形編輯與設(shè)計(jì)，通過PVI與Automation Runtime系統(tǒng)進(jìn)行銜接，這使得Windows豐富的圖形和開發(fā)能力與實(shí)時(shí)控制任務(wù)緊密結(jié)合，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)完全可視化的開發(fā)過程，最終交給End User的是一個(gè)易于操作和使用而功能強(qiáng)大的系統(tǒng)。

4.1.5程序仿真功能

在鈑金行業(yè)的切割成型行業(yè)加工中，自動(dòng)生成路徑，可以反饋給操作者一個(gè)基本的加工路徑，編程者通過輸入G代碼編輯的程序，系統(tǒng)自動(dòng)為其生成一個(gè)程序的仿真加工過程，通過這個(gè)過程，操作者可以直觀的知道自己的操作任務(wù)是如何運(yùn)行的，并且對驗(yàn)證其代碼和及時(shí)修改提供一個(gè)重要的參考。

4.1.6 Ethernet POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)

該系統(tǒng)采用了Ethernet POWERLINK技術(shù)，它能支持100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸和最大200uS的循環(huán)周期，對于確保高速高精度切割加工而言，至關(guān)重要。

--同步精度：0.1uS

--傳輸速度：100Mbps

--拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：任意拓?fù)?/p>

Ethernet POWERLINK對于系統(tǒng)而言，有幾個(gè)非常重要的技術(shù)支撐。

A.Ethenet POWERLINK確保了運(yùn)動(dòng)任務(wù)與邏輯任務(wù)的同步,傳統(tǒng)激光切割系統(tǒng)通常針對不同的單元采用不同的總線。

B.交叉通信確保了在CNC軸之間的數(shù)據(jù)直接交換，提高了軸運(yùn)動(dòng)效率；

對于POWERLINK而言，其同樣支持Safety技術(shù)，在未來，隨著進(jìn)入國際市場以及國內(nèi)對于機(jī)器安全I(xiàn)EC61508標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，POWERLINK的Safety技術(shù)可以達(dá)到SIL3等級的功能安全一致性測試，確保機(jī)器制造商滿足安全要求同時(shí)降低認(rèn)證的費(fèi)用。

5.     系統(tǒng)配置

系統(tǒng)采用了高魯棒性的APC作為控制核心，其運(yùn)行Runtime操作系統(tǒng)和Windows，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，ACOPOSmulti驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則是領(lǐng)先的共直流母線技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)寬的電壓工作范圍，并且，它支持能量的反饋。

6.     系統(tǒng)優(yōu)勢總結(jié)

6.1集成系統(tǒng)確保整體成本的降低

該系統(tǒng)在功率控制、CNC、輔助氣體控制等方面實(shí)現(xiàn)集成，避免了第三方獨(dú)立的控制器額外成本，另一方面，它也在技術(shù)上確保了系統(tǒng)的高速同步。

6.2開放系統(tǒng)使得客戶可以自主開發(fā)核心工藝模塊

除了可自主開發(fā)所需功能，而且，也可以自主使用個(gè)性化的NC代碼，B&R的開放平臺(tái)使得客戶可以開發(fā)具有自主核心競爭力的代碼，封裝后構(gòu)成自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，通過開放平臺(tái)提供的功能封裝與軟件接口ARNC0可解釋并處理這些個(gè)性化的代碼并與系統(tǒng)其它任務(wù)緊密融合。

6.3易于擴(kuò)展和升級

對于開放的平臺(tái)而言，在硬件上易于擴(kuò)展，基于POWERLINK的連接僅需電纜的連接即刻實(shí)現(xiàn)任意擴(kuò)展，并且，軟件的開放性也使得客戶可以自主開發(fā)新的功能并連接到系統(tǒng)中