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高速数据通讯和动态运动控制是高效完成热喷涂工艺的保障

---基于 PC 的控制和驱动技术在机器人表面处理解决方案中的应用

德国倍福自动化有限公司
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热喷涂是一种表面处理技术,即将熔融或加热后的材料喷涂到表面上。为了提高喷涂质量,四川大学自主设计 出一套九轴联动热喷涂系统,在这个系统中,三轴转台与六轴机械手同时优化运行。该系统利用 Beckhoff 开放 式高速控制系统的性能优势发挥其全部潜力。

德阳市东汽表面工程技术有限公司总部位于四川省德阳市,主要致力 于金属表面材料研制及表面处理技术应用。为了提高表面处理工艺性 能和以机器人为基础的热喷涂中的喷涂质量,公司决定与四川大学电 气信息学院进行项目合作。

由于待喷涂元件的工艺曲面较为复杂,以及为了让热喷涂工艺更为灵 活自由,项目开发人员提议除了已经使用的六轴机械手之外,将三轴 转台建造为被喷涂元件的夹持设备,从而能够优化定位工件。这一系 统的挑战是:由四川大学电气信息学院独立开发的三轴转台有一个扩 展外轴,它必须与引导喷枪的机械手完全同步运行。

由于单电缆技术(OCT)将动力和反馈系统整合在一根电缆中,AM8000 伺服电机的连接仅需要敷设一根电缆

TwinCAT 和 EtherCAT 解决了时间要求严格的运动控制应用要求

为了完成这项任务,四川大学电气信息学院的专家们对多个控制平台 进行了评估:“最终,我们倾向于使用基于 PC 的控制技术,因为它 的灵活性最大,性价比最高。各种可用的组件和倍福中国与四川大学 的通力合作都使得他们更青睐于 PC 控制解决方案。另一个决定因素 是因为 Beckhoff 的 TwinCAT 软件是一个高效、统一的自动化平台。”

为了确保转台的运行可靠性,数控系统必须同时驱动三台伺服驱动 器,并同时读取 5 根电缆的力传感器和角度编码器。用于插补轨迹 的 TwinCAT NC I 自动化软件非常适合用于完成这些复杂的机器运动, 对 CNC 中的实时转换有很高要求。Beckhoff 适合控制柜安装的 15.6 英 寸多点触控面板型 PC ― CP 2216 为整个转台系统的控制以及与机械 手控制器的通讯提供了充足的计算性能。此外,EtherCAT 超高速数据 通讯技术实现了极短的过程映像更新时间 — CNC 能够达到 2 毫秒级 别的任务处理速度,电子凸轮盘可以达到 1 毫秒,而驱动器控制周期 可以达到 250 微秒。

AX5112、AX5203 和 AX5206 伺服驱动器负责精确控制转台的偏航、俯仰、横滚三种角度的变位方式

TwinCAT 显著节省时间

TwinCAT 提供了功能强大的运动控制功能块,缩短了开发时间,便于改善编程过程,同时大大加快调试过程。这也大大加快了工程设计过 程。负责主持此次项目研究的四川大学电气信息学院的佃松宜教授说 道:“我们惊喜地看到,时间节省了有 70 % 之多。”

三轴转台的控制主要包括了偏航、俯仰、横滚三种角度的变位方式。 该系统利用 TwinCAT NC I 提供的电子凸轮和三轴插补运动控制方式, 以及先进的基于 PC 和 EtherCAT 的控制技术,确保对 5 台 Beckhoff 的 AM8000 系列伺服电机的精确控制。他们还使用了Beckhoff 的 AX5000 系列伺服驱动器,它们充分利用了 EtherCAT 在驱动技术领域中的性能。

AX5112(12 A 级输出电流)、AX5203(2 x 3 A)和 AX5206(2 x 6 A) 伺服驱动器用于控制转台的三种姿态的变化。其中俯仰和横滚两种变 位方式分别需要两台电机共同实现。这也是 AX52xx 系列 2 通道伺服 驱动器的用武之地,因为它们能够驱动两台相同或不同的电机(总电 流最大分别为 6 或 12 A)。通过 TwinCAT 软件功能来实现的电子齿轮 有效地解决了双电机共同负载的难题。这样可确保驱动同步精度完全满足应用需求,并且使得控制系统更加紧凑。

开放式自动化系统作为一项额外红利

佃松宜教授及其来自四川大学电气信息学院的团队成员们在完成开 发工作后看到了 Beckhoff 控制技术的显著应用优势:“基于 PC 的 自动化组件以其优越的性能为精密运动控制提供了理想的技术支 持。TwinCAT 和 EtherCAT 具有不可比拟的开放性,是自动化解决方案 的核心组成部分。因此,它们兼容多种现场总线技术,并能够与子系 统通讯。将转台集成为扩展外轴的做法显著提高了热喷涂质量,同时大大简化了热喷涂工艺。”


 

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