同步功能在三維激光切割機(jī)缺料及防撞檢測(cè)中的應(yīng)用

童 純，陸啟宇

（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

1 三維五軸激光切割機(jī)主要應(yīng)用行業(yè)

圖1 設(shè)備概覽圖

圖2 切割示意圖

1.1 車身構(gòu)件及內(nèi)高壓成形件加工

如圖3 所示，包括乘用車、客車等車身的加工，尤其以乘用車的加工市場(chǎng)最大。乘用車車身件包括：行李箱外板、地板、頂蓋、門內(nèi)板、前擋板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板、內(nèi)板、輪罩等零件；如圖4 所示為內(nèi)高壓成形件，包括副車架、散熱器支架、儀表支架、頂梁、側(cè)梁和縱梁等，其加工都離不開三維激光切割機(jī)。

圖3 轎車覆蓋件

圖4 內(nèi)高壓成形

1.2 汽車熱成形件的加工

如圖5 所示，汽車熱成形技術(shù)的應(yīng)用使三維五軸激光切割機(jī)需求量逐年增加，通常一條汽車熱成形生產(chǎn)線需配備4～5 臺(tái)套。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球有近450 條汽車熱成形生產(chǎn)線，配套使用的三維五軸激光切割機(jī)約有2000 臺(tái)套。國(guó)內(nèi)有近170 條熱成形生產(chǎn)線，配套的三維五軸激光切割機(jī)約有700 臺(tái)套。

圖5 熱成形件

2 缺料、碰撞問(wèn)題及傳統(tǒng)解決方案

2.1 缺料、碰撞問(wèn)題描述

三維工件的生產(chǎn)加工對(duì)效率節(jié)拍要求比較高，這對(duì)機(jī)床的穩(wěn)定性及效率都提出較高的要求。而實(shí)際生產(chǎn)中常常出現(xiàn)原材料外輪廓缺料情況，即半成品實(shí)際尺寸小于成品尺寸，如圖6 所示。

圖6 半成品尺寸示意圖

在激光切割過(guò)程中，割嘴與板材表面間隙值需始終保持固定值（假定為1.2mm），因而割嘴所在軸（假定為Q 軸）需處于實(shí)時(shí)隨動(dòng)狀態(tài)。隨動(dòng)控制又被稱為間隙控制，是指在數(shù)控激光加工過(guò)程中，控制激光切割頭和工件表面保持恒定的距離，亦即隨著工件表面的波動(dòng)，激光切割頭也要實(shí)時(shí)調(diào)整位置，以保證二者距離恒定不變。從而保證整個(gè)加工過(guò)程中離焦量的恒定不變，確保切縫、切割光潔度的恒定。

當(dāng)工件缺料時(shí)，割嘴傳感器感應(yīng)不到板材，此時(shí)Q 軸（即隨動(dòng)軸）為了保證割嘴與板材間隙保持固定值，Q 軸會(huì)快速向下運(yùn)動(dòng)，由于零件已經(jīng)缺料，隨動(dòng)控制無(wú)法進(jìn)行，導(dǎo)致程序運(yùn)行終止，嚴(yán)重的甚至造成切割頭碰撞。大大影響了機(jī)床的穩(wěn)定性，同時(shí)也易于造成切割頭損傷。

2.2 傳統(tǒng)解決方案

傳統(tǒng)解決方式是在PLC 寫入間隙檢測(cè)報(bào)警，在切割過(guò)程中當(dāng)割嘴間隙值（假定為P）大于一定數(shù)值（假定為5mm），即P>5mm 時(shí)默認(rèn)為缺料，此時(shí)系統(tǒng)停機(jī)并且報(bào)警“工件缺料”。實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，利用PLC報(bào)警系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，在高速切割時(shí)來(lái)不及停機(jī)。容易造成割嘴碰撞，割嘴燒壞等現(xiàn)象，不利于機(jī)床穩(wěn)定性與安全性。為此引入西門子同步功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)間隙值并且關(guān)閉光閘顯得尤為重要，同步指令反應(yīng)靈敏，動(dòng)作迅速，有利于間隙檢測(cè)并保護(hù)機(jī)床。

1)接地極線與直流線路共塔后，受接地極線的屏蔽保護(hù)作用，極導(dǎo)線的反擊和繞擊閃絡(luò)率均低于獨(dú)立架設(shè)直流線路。

3 西門子同步功能簡(jiǎn)介

3.1 同步動(dòng)作

如圖7 所示，同步動(dòng)作提供如下可能性：從當(dāng)前零件程序出發(fā)推動(dòng)幾個(gè)不同的動(dòng)作，并使它們同步執(zhí)行。同步動(dòng)作如何使用由條件定義，其求值運(yùn)算以實(shí)時(shí)（插補(bǔ)節(jié)拍）方式進(jìn)行。這些動(dòng)作是對(duì)實(shí)時(shí)事件的反應(yīng)；執(zhí)行并不是在程序段交接處進(jìn)行。此外，同步動(dòng)作還包含動(dòng)作有效級(jí)的說(shuō)明和對(duì)編程實(shí)時(shí)變量的詢問(wèn)頻率，以及對(duì)啟動(dòng)動(dòng)作的執(zhí)行頻率說(shuō)明。由此，一個(gè)動(dòng)作可以一次也可以循環(huán)（插補(bǔ)節(jié)拍）方式進(jìn)行觸發(fā)。

圖7 同步動(dòng)作連接邏輯

3.2 主要應(yīng)用場(chǎng)合

①對(duì)運(yùn)行時(shí)間緊張的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化（例如換刀）；②對(duì)外部事件進(jìn)行快速反應(yīng)；③編程AC 調(diào)節(jié)；④調(diào)節(jié)安全功能。

4 同步功能缺料問(wèn)題應(yīng)用簡(jiǎn)介

切割過(guò)程中利用同步功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)間隙值，當(dāng)間隙過(guò)大時(shí)，及時(shí)鎖定隨動(dòng)軸，同時(shí)報(bào)警。

4.1 缺料監(jiān)測(cè)同步功能應(yīng)用

4.1.1 缺料監(jiān)測(cè)同步代碼

如圖8 所示，列出了CLC 激活后，可以在同步動(dòng)作中通過(guò)CLC_RTD_TECH_MODE 編程的工藝命令。

圖8 工藝命令

4.1.2 關(guān)閉缺料檢測(cè)

4.1.3 測(cè)試結(jié)果

（1）平面狀態(tài)：如圖9 所示，平面工件遇到缺料時(shí)基本可以鎖定Q 軸。

圖9 平面測(cè)試結(jié)果

（2）曲面狀態(tài)：如圖10 所示，曲面工件遇到缺料時(shí)也可以鎖定Q 軸。

圖10 曲面測(cè)試結(jié)果

4.2 觸板檢測(cè)報(bào)警同步功能

間隙檢測(cè)報(bào)警，用于缺料時(shí)觸板提前停機(jī)，降低割嘴損壞頻率。其主要原理為：當(dāng)割嘴間隙小于系統(tǒng)默認(rèn)極限值時(shí)默認(rèn)報(bào)警。

4.2.1 間隙報(bào)警代碼

4.2.2 關(guān)閉檢測(cè)

4.2.3 測(cè)試結(jié)果

為了防止誤報(bào)警，可以只在容易缺料的拐角處添加檢測(cè)程序。報(bào)警間隙值R699 暫時(shí)設(shè)置為0.3mm。利用缺料工件進(jìn)行測(cè)試，缺料時(shí)間隙報(bào)警會(huì)早于PLC 觸板報(bào)警出現(xiàn)。同步代碼有限。

4.2.4 效果分析

間隙報(bào)警的添加可以使機(jī)床在缺料時(shí)報(bào)警，且報(bào)警速度快于PLC 觸板報(bào)警，但是報(bào)警時(shí)割嘴仍會(huì)與工件發(fā)生一些碰撞（尤其速度較快時(shí)）。切割時(shí)仍存在燒壞割嘴甚至傳感器的概率，但是相對(duì)于以前只有PLC 報(bào)警時(shí)，割嘴損壞頻率會(huì)大大降低。

5 碰撞斷光同步功能運(yùn)用簡(jiǎn)介

此處引入西門子快速I/O 功能，西門子快速I/O反應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于普通I/O 接口（掃描時(shí)間1ms），下文介紹的$A_IN[3]用的就是西門子快速I/O。

這里同步功能使用的原理是，在主程序運(yùn)行時(shí)，同步功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)割嘴碰撞信號(hào)，當(dāng)快速I/O 收到碰撞命令時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)關(guān)閉光閘，保證激光快速關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉軸使能，保證機(jī)床各軸迅速停止運(yùn)行。

5.1 碰撞動(dòng)作處理子程序

主要功能為關(guān)閉電子光閘，如圖11 所示。

圖11 子程序

5.2 碰撞測(cè)試程序

手動(dòng)編程沿X 軸正方向移動(dòng)一段直線，設(shè)置功率為500W，分別以1m/min，2m/min......10m/min 的速度撞向板材邊緣，每次觀察報(bào)警停止后，割嘴、陶瓷體和傳感器的燒傷情況。再加大功率至3000W，撞向板材邊緣，觀察割嘴、陶瓷體和傳感器的燒傷情況。

5.3 測(cè)試結(jié)果分析

（1）通過(guò)跟蹤變量可以觀察到，速度從1m/min增加到10m/min 撞擊，從觸發(fā)碰撞報(bào)警到激光關(guān)閉，關(guān)光延時(shí)均為4ms，如圖12 所示。

圖12 關(guān)光波形

（2）無(wú)論速度和功率多少，每次碰撞測(cè)試完，檢查割嘴、陶瓷體和傳感器，均無(wú)燒傷痕跡。

（3）利用傳統(tǒng)急停停機(jī)，停機(jī)時(shí)間65ms，制動(dòng)距離7mm 左右，如圖13 所示（測(cè)試速度10m/min）。

圖13 急停停機(jī)波形

（4）利用直接斷OFF3 停機(jī)，停機(jī)時(shí)間35ms，制動(dòng)距離5mm 左右，如圖14 所示（測(cè)試速度10m/min）。

圖14 斷OFF3 使能停機(jī)波形

測(cè)試結(jié)果表明利用同步功能斷光，停機(jī)均快于傳統(tǒng)方式，同步功能效果極佳。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了西門子同步功能在三維切割加工中的運(yùn)用。與在PLC 中寫入間隙檢測(cè)報(bào)警的方案相比，同步指令具有反應(yīng)靈敏，動(dòng)作迅速的優(yōu)點(diǎn)，有利于間隙檢測(cè)并在缺料時(shí)快速關(guān)光保護(hù)切割頭，有效地提升了機(jī)床穩(wěn)定性與安全性。