基于 EtherCAT 和 PC 的控制技術驅動新一代激光切割機性能飛躍

Cincinnati Incorporated（CI）作為金屬加工設備領域的先驅，迄今已有 125 年歷史，數十年來一直為全球市場提供經久耐用的加工設備。公司之所以能夠持續取得這樣的成就，核心根源在于其從硬件到軟件的全方位自主研發實力。然而，深入研發專有控制技術不僅面臨著巨大的成本壓力，而且在技術支持方面也是挑戰重重。CI 公司的工程師指出，自轉向使用基于 PC 的控制技術后，開發工作遇到的唯一瓶頸來自于物理層面上的限制。

總部位于俄亥俄州哈里森的 Cincinnati Inc. 一直走在金屬加工技術的前沿。憑借其可靠且高性能的折彎、剪切、激光切割等設備，該公司已然成為美國設備制造領域中的標志性品牌。據新業務機械銷售業務部負責人 Matt Garbarino 介紹，在 Cincinnati Inc.，“掌控一切（Own It）”理念指引著從產品開發、銷售到長期服務和技術支持的每一個環節。“我們幾十年前生產的設備至今仍在使用，并且在很多情況下，這些設備仍然能夠獲得我們的技術支持。”Garbarino 自豪地說道，“我們仍在為 20 世紀 40 年代的設備生產備件，確保它們繼續運行無虞。當然，為新舊設備提供支持本身也是一項具有挑戰性的任務。”

CLX 激光切割機可以實現可靠、高精度和高吞吐量的數控金屬加工，這對于合同制造商而言，是確保生產線持續以最大產能高效運行的關鍵所在。

日益增長的創新壓力

擁有 CLX 光纖激光系統后，CI 面臨的挑戰遠不止于單純設計下一代激光切割機那么簡單。最重要的一點是，CI 客戶群中有約三分之一為 OEM，而另外三分之二則為加工車間，對于他們來說，CLX 必須快速、直觀且可靠。對于激光切割系統而言，任何停機都是不可容忍的，因為它會引發多米諾骨牌式的連鎖反應，瞬間波及整個生產設施。“一旦激光器停機，我們就不得不安排壓力制動器的操作員先行離開，而數小時后，焊接工人也不得不面臨停工回家的局面。”Cincinnati Inc 產品經理 Troy Wilson 說道。

“早在上世紀 80 至 90 年代，我們就已成為美國首批激光切割機制造商之一，并在激烈的市場競爭中脫穎而出，占據市場領先地位。但在那個時代，無論是增加新功能、刪除現有功能，還是對工作模式進行革新，通常都需要耗時近三年之久。而現在只需要 6 到 18 個月。”Wilson 說道。

如今，隨著科技的飛速發展，設備的復雜性正以前所未有的速度增長。在金屬加工領域，這一趨勢尤為明顯，工序之間需要頻繁地增添先進的搬運系統，以高效送入材料并精準移除已完成的工件。然而，CI 公司之前的供應商提供的傳統運動控制系統存在明顯的局限性，不僅缺乏可擴展性，而且所采用的編程語言未能遵循 IEC 61131-3 標準。這不僅拖慢了開發速度，而且還限制了招聘新工程師時的選擇范圍，縮小了潛在的人才庫。

此外，CI 的客戶常常提出定制化改裝設備的需求，旨在升級至功率更大的激光器或增加其它功能。不同于競爭對手直接推薦客戶購買全新設備，CI 在滿足客戶提出的改裝需求時，往往需要投入更多的人力與物力資源。因此，未來的平臺必須能夠高度靈活地連接和斷開各種設備，同時能在軟件層面實現參數的快速調整與修改。

永不止步的領先技術

CLX 光纖激光系統利用 C6030 超緊湊型工業 PC 控制整臺 CNC 數控機床。這種可擴展的機床控制器具有強大的處理能力和靈活的接口選項。最為關鍵的是，它消除了以前存在的技術過時問題。倍福精心設計的基于 PC 的控制器和軟件支持向后兼容，并能靈活適應未來的技術發展趨勢。

“我們選擇倍福的一個主要考量是，他們對于技術前瞻性的承諾，確保我們不必再擔心控制器被淘汰的隱憂。倍福會主動為客戶解決這一后顧之憂。”Matt Garbarino 強調道，“對于倍福而言，工業 PC 升級迭代只是產品開發過程中自然而然的一環。當我們自行設計并生產 CPU 時，一旦芯片及其它關鍵組件面臨技術淘汰或過期，整個系統可能會因此陷入停滯不前的困境。擁有這樣一家供應商，全權負責解決我們面臨的所有難題，徹底改變了游戲規則。”

倍福精心定制的雙屏 CP3924 控制面板以其直觀且充滿現代感的操作界面，為用戶帶來了前所未有的操作體驗。

現代編程標準的選擇

作為一個通用的開發和 Runtime 平臺，TwinCAT 3 自動化軟件還確保了面向未來的可擴展性。得益于 TwinCAT 與 Microsoft Visual Studio? 的集成，工程師們能夠使用最適合其應用需求的編程語言進行開發，包括面向對象的 IEC61131-3 標準語言和高級語言、自定義和預定義的功能塊，以及計算機科學語言。相較于之前供應商所采用的專用腳本語言相比，這無疑是一次極大的進步。

TwinCAT Scope 軟件示波器也為調試工作的順利進行提供了助力。另一個優勢是 TwinCAT 的開發環境是免費的，僅在使用 Runtime 時才需要授權。“在 TwinCAT 中創建原型系統無需支付任何費用，而且編碼也很靈活，因此我可以經常將軟件模塊從一個程序復制并粘貼至另一個程序。”Cincinnati 公司的電氣工程經理 Zackary Bischoff 說道。

借助 CLX 的用戶界面設計，對設備運行期間的控制訪問變得更加直觀。操作人員和維護人員在排除故障或調整設備時，不必再花費大量時間翻閱過時的梯形邏輯。定制的 24 英寸安裝臂安裝式 CP3924 雙屏控制面板完美融合了優雅設計與超大尺寸的視覺界面，其界面上精心印刻了 Cincinnati Inc. 的品牌標志。

EtherCAT 助力實現柔性自動化

倍福的 EtherCAT 工業以太網系統和伺服驅動技術進一步提升了系統整體性能與可擴展性。EtherCAT 不僅能夠實現高速實時通信，還允許用戶自由選擇網絡拓撲結構，一個網絡就可以容納多達 65,535 個節點。作為一項領先的開放式協議，EtherCAtT 極大地簡化了與其它工業通信協議的連接。CI 還運用 TwinSAFE 在相同的非安全設備 I/O 網段中添加安全功能。

“我們廣泛采用倍福生產的各種 EtherCAT I/O 模塊。”Zackery Bischoff 強調道，“熱連接能力，即在持續運行狀態下連接或斷開 EtherCAT 設備，非常強大，尤其是在我們的自動噴嘴更換器（ANC）上。在將機器人乃至沖床等重型設備集成至整條生產線時，EtherCAT 所提供的這種高度靈活性變得尤為關鍵。”

AX8000 多軸伺服系統以其緊湊而節省空間的設計，為工業領域帶來了強大的運動控制解決方案。雙通道驅動器具備同時為兩個 AM8000 系列伺服電機獨立供電的能力，而創新的 單電纜技術（OCT）更是極大地簡化了接線工作，僅需一根電纜即可為電機提供動力和反饋信號。此外，倍福的伺服解決方案還以其卓越的高動態性能與高精度控制而著稱。

“我們過去的設備曾受到控制硬件性能瓶頸和網絡局限性的雙重制約。然而，這一限制已成為過去式。”Troy Wilson 表示道，“當前的限制因素僅是物理極限。”

通過部署在分布式開關盒內的多個 EtherCAT 端子模塊全面監測 CLX 光纖激光系統

掌控一切（Own It）— 惠及未來

CLX 光纖激光系統已經取得了令人矚目的輝煌成就，然而，CI 公司的工程團隊并沒有因此自滿。第二代機器將于 2024 年底問世。

Cincinnati Inc. 公司利用基于 PC 的控制技術將設備數據傳輸至云端的固有能力直接融入其工業 4.0 戰略規劃中。CI 公司工程部副總監 Paul Frederick 表示，該公司的軟件解決方案，尤其是基于云計算的設備監測解決方案，能夠直接從所連接的 CLX 系統獲取關鍵性能參數和診斷信息。工程師可以輕松遠程登錄，通過切割單元內的三個機器視覺相機實時查看作業現場的每一個細微變化，或使用 TwinCAT Scope 進行進一步的數據分析。

“在設計過程和性能評估階段，我們發現管理倍福控制系統提供的數據訪問變得前所未有的簡便，因此我們能夠更有效地優化系統性能。”Frederick 說道，“我們能夠實時繪制機床的任意關鍵參數的圖表。”

工程團隊致力于通過全面采用倍福標準化方案，簡化編程流程并提升技術支持效率。隨著制造設備逐步向協同作業模式轉型，摒棄以往自動化孤島的運作方式，CI 公司工程總監 Les Rogers 認為模塊化設計是實現這一轉變的關鍵要素。“如今，我們已成功構建了一個高度模塊化的平臺，這一平臺能夠靈活部署于我們業務的各個層面，徹底擺脫了以往依賴內部垂直制造戰略所設計的專用板卡的局限性。”他自豪地說道，“模塊化設計還為現有設備提供了便捷高效的升級路徑。我們已奠定了一個堅實的基礎，可以在未來為所有客戶提供更加全面、高效的支持與服務。”