畅通无阻：使用软件 CNC 控制运动

木工机械被定义为高功能性的设备。“更快，更高，更进一步”是设备制造和工程建设领域的座右铭。因此，人们期望能有一个强大的控制系统来处理所有的设备功能，而且它还能针对未来需求很容易地升级，从而在保证低价的同时提高性能。为了实现这个目标，位于德国 Herzebrock-Clarholz 的 WeekeBohrsysteme 公司大胆采用了完全基于 PC 的 CNC 设备控制。 家具行业的激烈竞争主要体现在对产品价格、生产速度、加工质量和柔性等要求的不断提高上。这些要求推动设备供应商去采用最新技术，如 PC 控制技术，以满足市场需求。Weeke Bohrsysteme GmbH 已经具备多年的高性能木工机械生产经验。该公司擅长生产木质面板加工设备。公司产品包括高性能自动化钻孔设备（BST）以及在一个夹盘上加工工件的 CNC 加工中心（BHC）。这些设备也经常组合起来使用，即兼具 CNC 加工和钻孔两种功能的设备。 设备重量因其要求不同而异。我们一直定位于高技术和优化客户效益促使 Weeke Bohrsysteme GmbH 采用新一代控制系统。“同一个平台要能够适用于所有的机型，这一点至关重要，”电气设计经理 Werner Birwe 说，“它意味着一个控制系统一定要包含很多不同的功能。”显然，这需要一个强大的系统。对开放性、良好的性价比、开发进度以及投资保护等方面的要求，这一切都不可避免地趋向于采用 PC 控制技术。由于来自 Beckhoff 的通用控制平台TwinCAT 具有显著优势，因此，Weeke Bohrsysteme GmbH 选择了这套系统。 BST 100 钻孔单元空间可以容纳多达 40 个单独的钻孔 更多复杂的 Z 轴钻孔任务在单个钻头的独立 NC I 通道中被执行。 无限的开放性实现了功能的多样性 在木质部件的加工过程中，Weeke 的设备拥有大量的轴运动，这些轴的运动由一系列专用硬件平台来控制。单机拥有的 PLC 系统、位置控制、传统的 CNC、不同的驱动和现场总线系统等使得这些设备的控制系统面目各异。再加上现有的操作 PC，由这些部件组成的大杂烩不但结构复杂，而且价格昂贵。现在，所有这些都将成为过去；在硬件方面，系统合并成为一台工业控制计算机，所有的控制功能均由 TwinCAT 软件模块来处理。 基于构成 TwinCAT 基础的硬实时环境，每台设备均可以访问 TwinCAT 标准配置的 PLC 功能。最新的编程采用IEC61131-3 标准所规定的编程语言。集成的 PTP 控制可以处理简单的 PTP 定位任务和耦合运动。轴插补等更加复杂的运动，则可以在 TwinCAT NC I 或 TwinCAT CNC 中进行处理，这取决于您的要求。 满足任何应用的 CNC 系统 Weeke 设备种类繁多，对控制系统的需求也完全不同。一方面，我们拥有的高动态性能钻孔中心，有很多 I/O 以及多达100根位置控制轴；另一方面，我们的加工中心传感和执行技术相对较少，但是需要处理的复杂运动则较多。在这两种情况下，TwinCAT 中所集成的 CNC 功能可选项和特点是保证加工质量和加工速度的关键因素。 用户友好的可视化应用程序“顶级钻孔 (Top Drill)” 允许选择钻孔程序、刀具数据管理以及诊断等功能。 “Wood WOP” — 可访问用于图形化部件编程和钻孔优化的程序。界面使用 VB 和 VC 语言编程。通过 ADSOCX，这些程序可以使用标准的 Microsoft 技术来访问TwinCAT PLC 和 NC/CNC 的所有数据。 自动化的高性能钻孔机 BST Weeke 生产了两款钻孔机：BST 500，至多有2个水平固定钻头和20个垂直固定钻头；BST 100，至多有8个水平固定钻头和8个垂直固定钻头，它们都有独立的心轴可供选择。或许后者有理由被认为是钻孔机技术的“制高点”。 一个钻头即是一个完整的钻孔单元，该单元空间可以容纳多达40个单独的钻孔，这些钻孔或者是重复钻头的运动（BST 100），或者是在每一个循环中执行不同的运动（BST500）。在加工过程中，钻头不仅仅是执行简单的 PTP 运动，因为钻孔过程是由一系列依赖于工艺的、明确定义的独立运动所组成的。举个例子来说，钻头（Z 轴）以尽可能快的速度接近工件，然后降低速度在表面钻孔，接着再以较高的速度穿过材料，在工件的背面被穿透之前再次减速，在钻孔过程完成后钻头折回。在 Z 轴的运动过程中，如果能够单独选择独立的钻孔心轴，那么根据被加工的部件，该心轴就能够被撤回，例如钻一个盲孔。可以在极短的循环时间内灵活地加工具有不同图案的部件。 简而言之：TwinCAT NC I 控制软件包运行于配有 Pentium 4CPU 的工业控制计算机上。用户友好的可视化应用程序“顶级钻孔（Top Drill）”允许选择钻孔程序、刀具数据管理以及诊断等功能。通过该界面，可以访问用于图形化部 件编程和钻孔优化的“WoodWOP”程序。界面使用 VB 和VC 语言编程。通过 ADS OCX，这些程序可以使用标准的Microsoft 技术来访问 TwinCAT PLC 和 NC / CNC 的所有数据。 TwinCAT 主要从 Wood WOP 接收数据。部件加工程序生成的结果由各个孔的钻孔位置（平面数据 X, Y）、钻孔深度（Z）、钻孔直径以及钻孔速度（取决于材料）等数据组成。由于孔的数量较多，将会产生大量的数据，这些数据将通过 ADS OCX 传到 PLC。然后在 TwinCAT PLC 中对这些数据进行处理，再根据要求分发给 NC 和 NC I。钻头的平面定位运动（X, Y）是 PTP 运动，由集成在 TwinCAT 中的 PTP控制来处理。系统在轴的耦合方面没有限制。更复杂的钻孔加工（z 轴）在单独的 NC I 通道中执行，对应于每个钻头的独立通道可以保证每个运动的速度最优。在 Weeke最新生产的 BST 100 型设备当中，有 10 根 Z 轴和将近 40根 PTP 轴通过独立的 NC I 通道来控制。 TwinCAT NC I 的每个通道能够实现 3 轴插补以及 5 个辅助轴控制，其目的在于，在同一台机器上的其他 NC I 通道运行典型的基于 CNC 的功能，例如倒角、刻痕以及凹槽加工等。无论是控制系统硬件还是软件，都不需要进行结构性修改，更重要的是在将来也不需要。 适合于各种功能的现场总线 TwinCAT 支持市场上常见的所有现场总线。在这种具体情况下，可以通过 SERCOS 接口操作整个驱动技术 (IndramatDKC)。用于心轴驱动的近 500 个数字 I/O 量和少许模拟量 通道通过 PROFIBUS 实现同步控制。Beckhoff 总线端子系统用作 I/O 模块，它对于大多数的现场总线都是有效的。在随后的阶段中，另外使用了 CANopen，这可能是用于某 些特殊设备。 在 PC 中，需要合适的主站接口，用于 SERCOS（FC 750x）和 PROFIBUS（FC 310x）。同样，Beckhoff 也提供单通道或双通道 PCI 卡。 BHC 加工中心 Weeke 同时供应几种型号的 BHC 加工中心。各型号的主要不同在于三维坐标空间中加工尺寸的大小或者轴的数目，这些会直接影响到各型号设备，同时对加工速度也有影响。 在控制方面，关于加工选项以及关联轴数目的差别相互关联。产品种类非常齐全，既有具有集成 C 轴（BHC 650/850）的传统加工中心，也有迪卡儿坐标系中插补的 3 轴加工中心，还有具有 8 根或者 9 根插补轴、坐标和运动变换 (BHC650/850）的大型加工中心。所谓的贯穿进给加工中心（BHT）对于这个系列更是锦上添花。 BHC 加工中心的主要特点在于不需要对控制或者硬件进行大量改动。由于对 CNC 有着更为复杂的综合要求，例如心轴功能、每个通道大于 3 轴的插补、不同运动的变换等等，该加工中心使用了 TwinCAT CNC 而不是 NC I。除了CNC 部分之外，系统的其他部分则是相同的；TwinCAT CNC包括了上述传统 CNC 系统的所有典型组件。 控制组态也很容易说清楚：任何事情都或多或少地与钻孔机的控制技术相关。编制图形化部件加工程序，可以从MCC 操作环境中调用 Wood WOP。同钻孔机中一样，MCC也是使用 Visual Basic/Visual C 编制。编程完成后，WoodWop中集成的后处理器将根据 DIN 66025 生成一个 CNC 程序。此 CNC 程序为 ASC II 格式，它将从 PLC 装入到实际的 CNC当中并被启动。正如在 TwinCAT 环境中一样，PLC 和 CNC之间的通讯通道非常简单，而且也实现了标准化。 SERCOS 被再次用作快速驱动总线。由于数字量和模拟量I/O（100－200 点）数量相对较少，所以，除了驱动以外，只使用了一个带有 I/O 端子的总线耦合器 BK7500。 独立于硬件的控制 “对我们来说，独立于硬件是一件大事，”Weeke 公司软件开发经理 Ralph Kottmann 说，“这样一来，我们就可以在全球市场上不受约束地采购到所需的最佳部件。” 通过简单的诊断和服务选项，甚至从控制的根本上，通过简单的控制联网方法、主站计算机接口以及自动化同行对基于 PC 的自动化平台的进一步开发，Weeke 能够在工厂有效性和投资保护方面为客户提供真正的附加值。另外，TwinCAT 软件包中集成的 CNC 功能使控制硬件性能完美而且价格低廉，这一切都非常诱人。工业 PC 作为工业控制技术先驱，谁与争锋？