BOS Innovations 公司為一家全球領先的汽車制造商實施了 L-MS 光纖激光切割系統交鑰匙解決方案。他們采用的倍福驅動技術可以精確協調五軸聯動進行切割，并確保高功率激光切割設備能夠加工具有嚴格公差要求的零件。此外，通過基于 PC 的控制技術能夠靈活應對不同的客戶需求。
BOS 為一家一級汽車供應商布署了 L-MS 激光切割機，同時集成了自動裝料、檢測和去毛刺功能
總部位于安大略省多切斯特的 BOS Innovations 公司既是一家原始設備制造商，也是一家系統集成商，他們不僅能夠提供成套設備，而且能夠開發老舊設備升級改造解決方案，并集成到現有的工廠生產線中。“25 年來，我們與北美主要廠商合作，為汽車制造等重工業應用領域研發創新的利潤驅動解決方案。”BOS 公司總裁 Ben Huigenbos 說道，“我們已在全自動裝配線、先進的焊接和激光加工機器人、多機器人協調運動控制、協作機器人和質量檢測方面都具備核心競爭力。”
BOS 公司為一家汽車一級供應商實施的 Laser-Motion System（L-MS）就很好地印證了這一點。L-MS 是一款先進的光纖激光切割機，配備了用于精密數控加工的直驅直線運動系統。這款高功率激光切割機通過五軸聯動加工具有嚴格公差要求的復雜零件。“L-MS 還需要增加一個可以裝卸工件并將工件移動到去毛刺、視覺檢測和打標工位的機器人，才能成為真正的交鑰匙系統。”BOS 公司激光與運動系統技術經理 Steve Van Loon 說道。
激光切割聚焦靈活的模塊化控制
為了確保 L-MS 能夠為客戶提供兩全其美的解決方案，BOS 公司在設計之初就把靈活性和模塊化放在首位。除了標準的 1 kW 光纖激光器之外，切割頭還可以容納兩個 0.5-6 kW 的激光源，甚至可以支持焊接（也包括遠程焊接）。系統可以選擇配備排煙裝置、自動排渣裝置、自動門，以及可供操作人員或機器人裝料的安全掃描儀。光纖激光切割機在進行切割時，首先將工件豎放在平坦的床身上，或者使用帶附加伺服軸的耳軸系統，將工件旋轉 360 度。通過增加這樣一個轉盤，裝料過程可以與激光加工過程同時進行。設備體積也同樣靈活：L-MS 系統是一個約 2 米長的立方體，專為加工長達 1300 毫米的工件而設計，同時也可以在各個側面進行擴展，以適應多種尺寸工件的加工。
用于動態軸控制的 2 通道 AX5000 系列伺服驅動器
若想達到這樣高的靈活性，首先需要高性能且具有高適應性的控制系統和網絡技術，讓設備能夠與生產線上的其它系統集成。其次，切割軸需要配備高度同步的電機和驅動產品，才能確保工件加工質量。同樣重要的還有開放性，它是實現與機器人控制器、去毛刺組件和視覺系統實時通信的保障。針對這個問題，Steve Van Loon 與機械設計師 Riley Tomiuck 和 Scott McCall 合作進行設計。他們的團隊確定，L-MS 系統的性能需求比傳統現場總線和硬件 PLC 能夠提供的性能高很多，因此他們轉向使用倍福的解決方案。
倍福的高分辨率 CP2916 多點觸控控制面板用作工業級操作界面
“倍福就是我們實現各種要求苛刻的伺服應用的救星，比如 L-MS 系統。”Van Loon 說道。十年前，BOS 在一款配備約 50 根運動軸的大型紙板加工系統上首次采用了倍福的自動化技術，并推廣應用到更多其它項目中。隨后在 2018 年，公司采用倍福技術成功打造了用于切割 SUV 車板的第一代 L-MS 系統，并成為公司產品系列中的標準產品。在這個項目中，BOS 公司團隊與倍福當地自動化銷售工程師 Dean Herron 以及應用工程師張芮組建的工程師團隊展開了密切合作。
配備 EtherCAT 的運動控制系統表現優異
BOS 公司通過使用各種旋轉伺服電機和直驅解決方案以及 EtherCAT 通信系統實現 L-MS 中的精確運動控制。設備加工壁厚各不相同的八角形鋼管工件，在每個工件的一端切割 21.5 度大小的角，并處理帶 6 或 12 個孔兩種規格的工件，同時保持嚴格的公差要求。
水平軸采用的是速度高達 6 m/s 且最大推力高達 4500 N 的倍福 AL2800 系列直線電機。“X 軸和 Y 軸在加速度、速度和精度方面都有高動態要求，因此必須使用直線電機。”Steve Van Loon 說道。這家汽車制造商的設備有一根 Z 軸和一個耳軸系統，它們都使用了 AM8000 伺服電機。配備高速控制技術的 AX5000 伺服驅動器非常適合用于實現高動態應用，它們允許輕松集成一個體積較小的第三方電機來控制切割頭上的θ 軸。伺服電機和伺服驅動器中采用的單電纜技術（OCT）顯著減少了布線工作量。
“每臺設備都配備了 EtherCAT 分布式時鐘功能，可以實現精確同步和小于 1 μs 的時間誤差，非常適合用于控制 L-MS 這樣的協調運動系統。”Dean Herron 解釋說道。倍福的 EtherCAT I/O 產品系列種類豐富，并具有良好的開放性，支持 30 多種通信協議，比如可以通過添加 EtherNet/IP 總線耦合器等方式輕松連接生產線上的其它系統。
BOS 公司除了使用倍福提供的各種節省空間的 EtherCAT 耦合器和 I/O 端子模塊之外，還安裝了 TwinSAFE 端子模塊，以確保系統功能安全。通過這種方式，工程師就可以將安全功能直接集成在標準 I/O 網段中，張銳介紹道：“BOS 在這臺設備上配備了 EL6900 TwinSAFE 邏輯端子模塊，用作安全 PLC，從而消除了耗時的安全開關設備硬接線，降低了復雜性。所有 I/O 都布署在同一個機架上，或者通過 IP67 EtherCAT 端子盒安裝在設備上，此外，它們還可以在標準的 TwinCAT 開發環境中便捷地創建安全邏輯。”
倍福的 CX2040 嵌入式控制器為協調高速激光切割機的五軸運動提供了足夠的運算能力
TwinCAT 讓工程師們能夠選擇他們最熟悉的或最適合自己項目的編程語言。在這個項目中，他們使用了 TwinCAT PLC 和 CNC 軟件包，在眾多功能特點中，他們對 G 代碼使用等功能的表現贊賞有加。“TwinCAT Motion Designer 對 AM8000 系列伺服電機的選型也有很大幫助。”Steve Van Loon 補充說道。
控制平臺的核心是一臺搭載 Intel® CoreTM i7 四核處理器的倍福 CX2040 嵌入式控制器。一臺 15.6 英寸的高分辨率 CP2916 多點觸控控制面板非常適合用于查看視覺檢測結果。
兩全其美的系統
整套 L-MS 系統于 2020 年底正式上線并交付給終端用戶使用。系統通過高速控制和自動裝料功能實現了每個工件 40 秒甚至更短的循環時間。“L-MS 系統以 2 米/秒的速度和 1.25 g 的加速度平穩運行，客戶稱贊這是他們見過的切割精度最高的系統。”Steve Van Loon 總結道。“這要歸功于控制器的運算速度和我們用 TwinCAT Scope 完成的微調。通過軟件示波器，我們可以在屏幕上看到所有參數，并收集包括跟隨誤差、加速度和減速度等在內的每根軸的數據，以優化系統性能。
“協調運動需要在伺服驅動器和運動規劃器之間傳輸大量數據。實踐證明，EtherCAT 是唯一能夠處理這種情況的現場總線。”Van Loon 解釋道。成品激光切割機不僅滿足了汽車制造商的所有要求，而且幫助 BOS 公司贏得了其他客戶的訂單。
關于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業，創立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產的工業 PC、現場總線模塊、驅動產品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。經過 40 年的發展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作伙伴，業務遍及 70 多個國家和地區。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區總部落戶于上海市北高新產業園區，現有員工 300 人，辦事處遍及國內 30 座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用于風力發電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業以太網于 2014 年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基于 PC 的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業通信協議，將 IT 技術、互聯網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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