多軸同步切割機的解決方案

皮爾磁運動控制系統PMC

在生產加工過程中，絲網、布料、板材、金屬薄片等材料的切割常用方式有手工切割、半自動切割機切割及自動化切割機切割。手工切割靈活方便，但手工切割質量差、材料浪費大、后續加工工作量大，同時勞動條件惡劣，生產效率低。半自動切割機中仿形切割機，切割工件的質量較好，由于其使用切割模具，不適合于單件、小批量和大工件切割。其它類型半自動切割機雖然降低了工人勞動強度，但其功能簡單，只適合一些較規則形狀的零件切割。自動化切割相對手動和半自動切割方式來說，可有效地提高板材切割地效率、切割質量，減輕操作者地勞動強度。在我國的一些中小企業甚至在一些大型企業中使用手工切割和半自動切割方式還較為普遍。

皮爾磁 運動控制系統提供同步多軸、單軸解決方案或安全驅動解決方案。借助皮爾磁的解決方案，用戶可以在一個項目中創建符合IEC 61131-3標準的從基本PLC功能到運動控制和CNC功能的完整用戶程序，可以快速且簡單地執行大量復雜任務。運動控制系統PMCprimo MC（獨立式）和運動控制卡PMCprimo C（基于驅動器）可以實施高性能應用，例如軌跡插補。系統開發平臺清晰的界面結構可以在線提供更廣泛的選項，簡化設備調試。

基于皮爾磁運動控制系統開發的多軸同步切割機，是一臺新型的多軸同步切割設備，可用用絲網、布料、板材、金屬薄片等材料的切割。該切割機使用皮爾磁的PMCprimo MC作為系統的主控制器，24臺PMCtendo DD5伺服驅動器分別驅動24臺PMCtendo AC5伺服電機的實時運行。控制器與驅動器之間使用CANopen總線通訊，通訊周期1ms，使系統具備了良好的實時性。系統程序基于Codesys平臺開發，標準的IEC61131-3開發語言使用戶可以快速的進行系統編程。此外，系統還支持基本的G代碼導入功能，方便用戶對加工工件的圖案的編輯。借助運動控制器中強大的插補功能，切割機可以靈活而簡捷地實現多種類型圖案的切割。

圖1：切割機系統拓撲圖

為了解決傳統單驅結構加工空間小、機床占地大、系統剛性低、加工效率低以及容易導致系統慣量不匹配從而增加不必要的機械成本和電機功率并誘發系統產生低頻共振問題而降低加工精度等問題，該設備使用龍門雙驅結構。基座左右兩側的伺服電機經過精確的同步控制，控制整個橫梁的前進后退。根據驅動軸的個數，通常以龍門雙驅機構或龍門多驅結構最為常見。以最常見的龍門雙驅結構為例，由于采用雙邊驅動，使加工范圍大幅提高，床身占地面積大幅降低、運動部件質量大幅降低、機械元件和電機成本大幅降低，運行速度大幅提高。

圖2：切割機機械結構

然而，伴隨而來的雙邊同步控制問題和機械結構剛性問題成為設備制造商大的困擾。許多廠家面對市場對高端設備的需求，紛紛把目光投向龍門雙驅系統，然而由于對著類型系統的原理和存在的問題不甚了解，對如何保證雙邊驅動同步性，提高加工精度和速度等問題十分困惑安定猶豫不決。在此，結合此類型控制問題常用的幾種方法給與簡單的陳述。一般龍門系統，如果系統機械對稱性良好，機械結構剛性較高，龍門跨度不大，為了便于控制，通常采用主從方式，即一邊為主，一邊跟隨。這種方式控制十分簡單，除回零過程需要做適當的處理外，其他控制非常簡單易于調試。在用戶對自己設備的機械剛性好壞不確定的情況下，一般先使用主從方式運行。如果運行速度提不上去，或參數調整非常困難，精度與設計相差很遠，則說明系統的剛性較低或對稱性不好，主從方式將成為系統性能提高的瓶頸。第二種方法交叉耦合自動糾偏就成為必需。這種方法采用交叉耦合的方法，動態跟蹤雙邊的運動跟隨誤差，從而動態調整。其參數調節較為復雜，但是可以通過較為復雜的控制算法實現對機械剛性不好，對稱性不高的龍門系統實現控制補償，從而實現高速高精度。皮爾磁可借助特有的電流補償技術，實現驅動器層面的同步和交叉耦合。

在雙驅底座之上是切割機設備的橫梁，橫梁上配置了兩套獨立的Y軸，分別驅動左右切割工作區的Y軸方向的運動，每套Y軸懸掛一個X軸基座，每個基座配置8個旋轉軸，控制切割刀的切割方向。單臺設備共使用24臺伺服電機用來實現設備的運動控制。該設備配置了16把切割刀，這些切割刀可以在系統的插補控制下，準確地同步工作，切割出或簡單或復雜的形狀，極大地提高了切割效率。

圖案的切割通過皮爾磁運動控制器中強大的插補功能實現。插補，即運動控制系統依照一定方法確定刀具運動軌跡的過程。也可以說，已知曲線上的某些數據，按照某種算法計算已知點之間的中間點的方法，也稱為“數據點的密化”；運動控制器根據輸入的零件程序的信息（可以是G代碼），將程序段所描述的曲線的起點、終點之間的空間進行數據密化，從而形成要求的輪廓軌跡，這種“數據密化”機能就稱為“插補”。

一個零件的輪廓往往是多種多樣的，有直線，有圓弧，也有可能是任意曲線，樣條線等。插補方式有：直線插補，圓弧插補，拋物線插補，樣條線插補等。直線插補是運動控制器上常用的一種插補方式，在此方式中，兩點間的插補沿著直線的點群來逼近，沿此直線控制切割刀具的運動。圓弧插補是另外一種插補方式，在此方式中，根據兩端點間的插補數字信息，計算出逼近實際圓弧的點群，控制刀具沿這些點運動，加工出圓弧曲線。

在刀具切割運動中，由于刀具的切割方向理論上需要與切割軌跡保持實時的平行，所以該切割系統在運動過程中，需要實時控制切割刀的刀片朝向。在本切割機中，切割刀的切割方向通過連接在刀具上的一個旋轉伺服來調整。借助皮爾磁運動控制器中特有的實時任務（Real-time Task）功能，確保刀具在每一個程序執行周期的固定時刻進行一次角度調整，實現刀具的朝向修正。

相對于市面上現有的自動化切割設備，基于皮爾磁運動控制器開發的這臺多功能切割設備大的優勢在于其高效性、精確性和靈活性。目前，市面常見的切割機最多支持2個工件同時切割，而本設備則通過其特殊的結構設計，實現了16個工件的同時切割，加工效率得到極大的提高。盡管16個工位同時工作給工作臺的穩定性帶來了挑戰，龍門雙驅結構使得切割機在多工件同時加工時的結構穩定性和精確性得到保證。靈活性方面，皮爾磁運動控制器對G代碼的支持極大的方便了用戶切割圖形的規劃和設計。

皮爾磁控制運動系統極大的靈活性，使得用戶可以在很短的時間內完成復雜的系統開發并方便最終用戶的使用。在多軸控制、插補應用、高精度實時運動控制場合，皮爾磁運動控制系統是一個不錯的選擇。

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