同步功能在三維激光切割機缺料及防撞檢測中的應用

童 純，陸啟宇

（江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 揚州 225000）

1 三維五軸激光切割機主要應用行業(yè)

圖1 設備概覽圖

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)動機罩外板、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。

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，汽車熱成形技術的應用使三維五軸激光切割機需求量逐年增加，通常一條汽車熱成形生產(chǎn)線需配備4～5 臺套。據(jù)不完全統(tǒng)計，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約有2000 臺套。國內(nèi)有近170 條熱成形生產(chǎn)線，配套的三維五軸激光切割機約有700 臺套。

圖5 熱成形件

2 缺料、碰撞問題及傳統(tǒng)解決方案

2.1 缺料、碰撞問題描述

三維工件的生產(chǎn)加工對效率節(jié)拍要求比較高，這對機床的穩(wěn)定性及效率都提出較高的要求。而實際生產(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）需處于實時隨動狀態(tài)。隨動控制又被稱為間隙控制，是指在數(shù)控激光加工過程中，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，激光切割頭也要實時調(diào)整位置，以保證二者距離恒定不變。從而保證整個加工過程中離焦量的恒定不變，確保切縫、切割光潔度的恒定。

當工件缺料時，割嘴傳感器感應不到板材，此時Q 軸（即隨動軸）為了保證割嘴與板材間隙保持固定值，Q 軸會快速向下運動，由于零件已經(jīng)缺料，隨動控制無法進行，導致程序運行終止，嚴重的甚至造成切割頭碰撞。大大影響了機床的穩(wěn)定性，同時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 寫入間隙檢測報警，在切割過程中當割嘴間隙值（假定為P）大于一定數(shù)值（假定為5mm），即P>5mm 時默認為缺料，此時系統(tǒng)停機并且報警“工件缺料”。實際使用發(fā)現(xiàn)，利用PLC報警系統(tǒng)反應時間較長，在高速切割時來不及停機。容易造成割嘴碰撞，割嘴燒壞等現(xiàn)象，不利于機床穩(wěn)定性與安全性。為此引入西門子同步功能實時監(jiān)測間隙值并且關閉光閘顯得尤為重要，同步指令反應靈敏，動作迅速，有利于間隙檢測并保護機床。

1)接地極線與直流線路共塔后，受接地極線的屏蔽保護作用，極導線的反擊和繞擊閃絡率均低于獨立架設直流線路。

3 西門子同步功能簡介

3.1 同步動作

如圖7 所示，同步動作提供如下可能性：從當前零件程序出發(fā)推動幾個不同的動作，并使它們同步執(zhí)行。同步動作如何使用由條件定義，其求值運算以實時（插補節(jié)拍）方式進行。這些動作是對實時事件的反應；執(zhí)行并不是在程序段交接處進行。此外，同步動作還包含動作有效級的說明和對編程實時變量的詢問頻率，以及對啟動動作的執(zhí)行頻率說明。由此，一個動作可以一次也可以循環(huán)（插補節(jié)拍）方式進行觸發(fā)。

圖7 同步動作連接邏輯

3.2 主要應用場合

①對運行時間緊張的應用進行優(yōu)化（例如換刀）；②對外部事件進行快速反應；③編程AC 調(diào)節(jié)；④調(diào)節(jié)安全功能。

4 同步功能缺料問題應用簡介

切割過程中利用同步功能實時監(jiān)測間隙值，當間隙過大時，及時鎖定隨動軸，同時報警。

4.1 缺料監(jiān)測同步功能應用

4.1.1 缺料監(jiān)測同步代碼

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

圖8 工藝命令

4.1.2 關閉缺料檢測

4.1.3 測試結(jié)果

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

圖9 平面測試結(jié)果

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

圖10 曲面測試結(jié)果

4.2 觸板檢測報警同步功能

間隙檢測報警，用于缺料時觸板提前停機，降低割嘴損壞頻率。其主要原理為：當割嘴間隙小于系統(tǒng)默認極限值時默認報警。

4.2.1 間隙報警代碼

4.2.2 關閉檢測

4.2.3 測試結(jié)果

為了防止誤報警，可以只在容易缺料的拐角處添加檢測程序。報警間隙值R699 暫時設置為0.3mm。利用缺料工件進行測試，缺料時間隙報警會早于PLC 觸板報警出現(xiàn)。同步代碼有限。

4.2.4 效果分析

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

5 碰撞斷光同步功能運用簡介

此處引入西門子快速I/O 功能，西門子快速I/O反應時間遠小于普通I/O 接口（掃描時間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，在主程序運行時，同步功能實時監(jiān)測割嘴碰撞信號，當快速I/O 收到碰撞命令時，系統(tǒng)及時關閉光閘，保證激光快速關閉，同時關閉軸使能，保證機床各軸迅速停止運行。

5.1 碰撞動作處理子程序

主要功能為關閉電子光閘，如圖11 所示。

圖11 子程序

5.2 碰撞測試程序

手動編程沿X 軸正方向移動一段直線，設置功率為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 測試結(jié)果分析

（1）通過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)碰撞報警到激光關閉，關光延時均為4ms，如圖12 所示。

圖12 關光波形

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

（3）利用傳統(tǒng)急停停機，停機時間65ms，制動距離7mm 左右，如圖13 所示（測試速度10m/min）。

圖13 急停停機波形

（4）利用直接斷OFF3 停機，停機時間35ms，制動距離5mm 左右，如圖14 所示（測試速度10m/min）。

圖14 斷OFF3 使能停機波形

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

6 結(jié)語

本文介紹了西門子同步功能在三維切割加工中的運用。與在PLC 中寫入間隙檢測報警的方案相比，同步指令具有反應靈敏，動作迅速的優(yōu)點，有利于間隙檢測并在缺料時快速關光保護切割頭，有效地提升了機床穩(wěn)定性與安全性。