基于 PC 的控制技术可显著提高木工机械的生产效率

基于 PC 的控制技术原理

家具机械行业持续承受着性能和成本的双重压力。企业为了顺应不断变化的消费趋势，在竞争激烈的市场中的求得生存与发展，往往需要使用各种各样的机器设备。此外，人们对定制化生产的需求也更加强烈。因此，在机械工程方面需要整合新的技术，以提升生产设备的效率和透明度。为此，确定成本驱动因素并定期对这些因素进行测试非常重要：传统的“黑盒子”软硬件只能暂时可靠地完成工作，不仅采购成本高，而且在工程、网络和维护以及长期备件维护方面也很复杂，而且代价不菲（关键词：产品生命周期管理，PLM）。如果一台设备在功能扩展时需要修改这种专用硬件的设计，那么上述所有因素都会带来成本的增加。

倍福基于 PC 的开放式控制技术提供了出路：大量的硬件和软件供应商、服务、标准化和经济的接口，以及同样重要的令人难以置信的高性能，使得工业 PC 成为当今自动化技术各方面不可或缺的好帮手。倍福始终坚持自主开发和生产工业 PC，包括主板、TwinCAT 自动化软件和 EtherCAT 实时现场总线系统，很好地满足了基于 PC 的工业控制要求。

硬件产品的长期可供货能力、工业设计、实时性、丰富的诊断功能以及性能可扩展性构成了倍福 PC 控制技术的基础。随着 PC 领域的不断发展，例如处理器技术的发展，不断融入到倍福工业 PC 的开发过程中，从而保证工业 PC 性能在未来能有机、自动地提升。

所有组件在价格、性能和设计方面做到无缝可扩展，这样使得在整个过程中使用相同的控制技术成为可能，即从一台单一的木工机械到一个完全连接的整厂生产控制。因此，从一类机械转换到下一类机械时不会出现系统中断，无需专门的开发团队，而且模块化硬件和软件系列无比庞大，几乎可以满足所有应用领域的需求。今天我们已经无法想象，没有基于 PC 的控制技术，现在的工业环境会变成什么样。

EtherCAT 高速通讯系统：木工机械的全球标准

EtherCAT 技术协会（ETG）拥有的 6000 多家会员单位现在都支持倍福开发的现场总线技术，该技术目前已成为几乎所有高性能木工机械的基础。EtherCAT 的周期时间远低于 1 毫秒，具有性能出色、拓扑选择灵活、诊断功能全面及配置简单等优点，非常适合用于满足木工机械应用需求，并确立了自己的通讯标准。实时现场总线负责整个过程通讯，将 I/O、安全功能和驱动总线系统结合于一体。由于 EtherCAT 技术在全球范围内广泛使用，市场上有大量支持 EtherCAT 技术的第三方传感器和执行器，保证了较高的投资安全性，并为应用中遇到的每个难题提供合适的解决方案。

EtherCAT 的高速通讯能力可以助力缩短周期时间，同时提高加工精度，从而能够提高工件质量，减少加工过程中的原材料损耗，降低废品率。EtherCAT 的优势主要体现在以下两个方面：

• 能够以纳秒级（XFC 极速控制技术）的超高精度采集和输出信号，可在静止状态下即时精确检测和测量工件。
• 周期时间短，可以高精度控制生产单元并规范驱动装置的高频设定值，从而显著减少了导致停机的材料轮廓损伤、振纹和加工好的工件表面的可见缺陷。

木工机械制造商在使用 EtherCAT 时拥有完全控制权。换句话说，他们根本不需要考虑通讯结构即可完成设备的设计和建造；EtherCAT 可与选定的设备拓扑结构相匹配。EtherCAT 几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等拓扑结构：扫描仪、条形码和二维码打印机或其它传统 IT 设备等基于 TCP/IP 的标准设备都可以通过 EtherCAT 轻松连接。

现有设备和系统的迁移也很简单：倍福可提供众多的网关解决方案，可以将旧的或第三方技术整合到新的应用领域中。

单电缆技术可显著降低电缆和安装成本

在极端情况下，大量电缆的使用会给生产、装配和集成带来很大的工作，工程成本也将随之显著上升。因此，利用先进的可替代技术尽量减少电缆的数量，是工程设计时需要考虑的问题。在后续运行中，电缆也会是引起系统出错的很大原因，尤其是在移动电缆时。拖链和机器人的弯曲和扭转运动会导致电缆出现磨损。EtherCAT P 可显著降低系统成本，它将 EtherCAT 通讯与所连接的用电设备的动力电源整合在一根 4 芯标准以太网电缆中。EtherCAT P 保留了 EtherCAT 技术的所有优点，包括网络拓扑结构的自由选择、高速度、高带宽利用率、动态处理报文、高精度同步和范围宽泛的诊断功能，等等。这使得 EtherCAT P 成为木工机械中使用的传感器、执行器和测量技术的理想总线系统。

结果：减少布线工作，减少需要维护的部件数量，降低复杂性，并可在保持产品功能的情况下降低成本。

通过 XFC 极速控制技术显著提高生产效率

木材加工是一个高动态过程，工件上的很多加工过程都是即时完成的，不能停止。因此，在加工前和加工过程中，准确知道被加工工件的位置是非常重要的。这样，就可以精确控制加工单元，让它们能够在不影响材料消耗和质量的情况下完成所有任务。控制精度越高，就能够在提高生产效率的同时减少资源消耗。TwinCAT 自动化软件和 EtherCAT 高速通讯系统是实现这一目标的基本功能模块。在较低毫秒级甚至亚毫秒级范围内的周期时间允许实现快速反应和响应时间。然而，这些时间不能完全被消除。XFC 极速控制技术可以通过 EtherCAT 中的分布式时钟功能为此提供帮助。XFC 技术可以将设备的系统响应时间精确到纳秒。所有来自现场的信号和控制器内的计算都以此时间为基准进行同步。系统可以在此基础上高精度地计算出控制生产单元所花费的时间，并与实际信号信息一起发送给 EtherCAT 输出端子模块。因此，PLC 以及现场总线引起的延迟在这个应用中几乎可以完全被消除，从而提高机械加工以及轮廓加工精度，减少原材料的浪费。

XFC 技术的超采样功能也可用于改进工艺。尽管设定的 PLC 周期时间已经很短，但只要涉及到从设备上采集或输出更高分辨率的信号，就可以使用这项技术。技术诀窍：在一个 EtherCAT 循环中，一个周期中最多可传输 100 个等距离时间的信号值；信号的时间分辨率也按照这个系数适当增加。而相应显著降低的离散损耗可以提高驱动器的定位精度或工件的检测精度。它们还支持涂胶等传统加工任务，因此无需任何额外的硬件支出，即可实现涂覆胶或点胶功能。

TwinCAT 运动控制软件库包含 CNC、凸轮盘和飞锯

TwinCAT 是一个集所有控制功能于一体的通用软件平台。在驱动控制方面，TwinCAT 拥有很多可以控制各种电动轴的不协调和协调运动的软件功能。它必须克服两个往往看起来相对立的挑战：一方面，木材加工中使用的基本驱动技术种类非常多。另一方面，根据这些技术和机械设备类型，往往需要选择不同的协调运动方式。

驱动技术：

TwinCAT 运动控制软件可以控制行为和特性有很大不同的驱动系统和技术。举例来说，它们包括

• 步进电机
• 可调节单位的直流电机/无刷直流电机或小型伺服电机
• 高动态伺服驱动技术，适用于实现各种高精度运动控制
• 加工过程可使用带或不带编码器系统的高频钻孔和加工主轴
• 简单的 DASM 适用于控制非动态运动或高传动比运动

另外还有各种电机集成的测量系统和带有各种接口的外部测量系统。在大型设备中，所有这些类型共存的情况并不少见。

轴运动：

多根不同轴的运动方式取决于机械设备的类型：单轴、通过齿轮联轴器实现高精度和高动态性耦合的轴、凸轮盘（VDI 2143）或工作台（例如用于龙门加工、实时轮廓加工、研磨）、差动齿轮或同步功能（飞锯）等都是木工行业的标准要求。加工中心还需要一个高性能数控系统，它可以实现不同的运动学控制，也可以实时执行任务（导向轴耦合）。

TwinCAT 可为此提供相应的软件功能块：

• TwinCAT 3 NC PTP（用于实现运动控制功能的基本软件包）
• TwinCAT 3 CAM Design Tool 和 NC Camming（凸轮盘设计和运动控制 Runtime 功能库）
• TwinCAT 3 NC Flying Saw（任何动态相位与主轴同步）
• TwinCAT 3 NC-I（每通道最多 3 根插补轴和 5 根辅助轴）
• TwinCAT 3 CNC（每通道最多 32 根插补轴，例如用于具有特殊运动学的复杂 5 轴 CNC 机床，基于 Cardanic 运动学或 AC 运动学）

TwinCAT 运动控制功能中令人印象最深刻的优点是可以随时修改轴功能：CNC 轴可以作为单轴在短时间内执行独立的运动，例如换刀。但它也可以暂时用作另一个 CNC 通道或凸轮盘组的一部分。在这里，您可以有无限创意。

PLC 在 Runtime 中始终拥有对轴的完全控制权。它决定了轴的分配，例如，分配给 CNC 系统或凸轮盘组。此外，PLC 确定 NC/CNC 单元和可用轴的所有参数，并周期性地提供可分析的诊断和状态数据。

TwinCAT 运动控制软件的关键数据

• 最多可控制 255 根轴
• 点对点运动控制
• 主/从耦合：龙门轴，齿轮耦合
• 主/从耦合：凸轮盘，凸轮表
• 多主轴耦合
• 同步位置耦合（飞锯）
• 叠加运动
• 色标检测（探针）
• 定相
• 64 根轴，最多 12 个通道
• 每个通道最多 32 根插补轴
• 不同的运动学模型
• 实时转换，RTCP
• 设定点生成器在 PLC 中

TwinSAFE：开放且可扩展的安全技术

倍福通过 TwinSAFE 通用安全解决方案将安全功能集成到标准控制平台中：从 PLC 到 I/O 再到驱动技术。急停、安全门监控、双手操作、安全地垫分析和静音、安全定位和安全限速等所有安全功能可以在集成式 TwinCAT 开发平台上编程和配置。通过 TwinSAFE I/O 模块，安全技术可以无缝集成到整个 I/O 系统中，在这里，根据需要，安全信号可以与标准信号混合。

典型的安全功能可以根据具体的安全需求在标准安全功能块基础上，在例如 TwinSAFE 逻辑端子模块 EL6910 或紧凑型安全控制器 EK1960 上编程和配置。所有倍福安全控制器都可用于达到安全等级 SIL 3 级的应用场合（符合 IEC 61508 标准或性能等级为 ISO 13849-1）。安全控制器支持复杂的安全模拟分析，例如，对于工艺参数的安全限值，如压力、温度和变频驱动器的速度。

借助 TwinSAFE SC 技术，可以利用标准信号实现任何网络或现场总线中的安全任务。我们可为此提供相应的 EtherCAT 端子模块，通过 EtherCAT 采集和安全传输这些信号。

大型联网设备对所有参与方都提出了很大的挑战，特别是在安全技术方面。许多联网设备的都设有自己的安全区，分散在大面积生产区域的各个地方，使后续的扩展和翻新改造任务异常艰巨。通过 TwinSAFE，用户可根据具体需要部署完全或部分分布式安全解决方案。在必要时，用户可以很轻松地为每台设备或每个装置配备自己的安全逻辑。TwinSAFE 逻辑内置于每个安全输入或输出端子模块及很多驱动产品中。这样能够轻松建立可互相通讯的自主安全区。如果工艺需要，可以在运行过程中无干扰地关闭部分区段，即使它们是安全链的一部分。在生产和调试过程中，每台装置和设备都可以由相关部门进行安全验证和确认。

控制系统中集成的图像处理功能可以确保木材加工过程中的工件质量

机器视觉系统在很多行业中得到越来越广泛的应用。然而，由于技术成本和财政支出相对较高，而且往往需要具备专业知识，它们主要用于没有其它替代方案的特殊任务，例如表面缺陷检测。对于许多其它应用来说，工业相机在技术上具有优势，但由于上述原因，在经济上不可行。

TwinCAT Vision 正好可以填补这一空白：倍福通过 TwinCAT Vision 机器视觉解决方案将图像处理功能完全集成到机器程序员熟悉的开发环境中，简化编程和测试工作。如精确确定工件位置以及触发相机和光源等所有源自图像处理的控制功能都实时同步完成。这是集成式图像处理解决方案与独立系统相比最重要的优点之一。

与倍福其它软件产品一样，解决方案基于现有的行业标准。通过 TwinCAT 3 GigE Vision Connector，只需轻轻点击几下鼠标，即可将符合 GigE Vision 标准的相机集成到控制系统中。现在可以直接访问图像数据并在 PLC 中进一步处理。由于机械工程行业中的各大制造商都支持 GigE Vision 标准，因此企业可在多款工业相机中进行选择。市场上可提供具有不同分辨率的相机，这些相机针对不同的应用进行了优化，可在不同的波长范围内进行检测，并且镜头种类繁多。

由于控制系统中始终集成相机，因此无需使用专业技术。PLC 程序员可以评估图像信息，并根据时间将来自 PLC 或 NC 的其它数据与图像数据进行关联。XFC 技术可以实现以前无法实现的超高精度。

相机现在可以用于经济高效地完成机械设备内、传输工位或搬运区的各种检测任务：从简单的工件检测（边缘检测）到工件位置和方向检测，以及后续分拣（必要时）。以前由于复杂性和成本的原因，很多应用只能使用比较传统的方式实现，但现在有了 TwinCAT Vision 之后，相机系统也可以在这类应用中使用了。

通过 TwinCAT 简单实现项目管理、仿真和诊断

随着市场对机器和设备的要求越来越高，调整制造工艺，以满足消费者对定制化生产的需求（小到生产批量大小为 1）已经成为标准化需求，并对企业是否能够在市场竞争中取得生存起着至关重要的作用。但这种需求导致出现的基本问题是，由于设备的复杂性不断增加，再加上希望尽可能地满足客户的每一个愿望，因此会出现各种各样的设备版本。可用的开发和设计时间随之大大缩短，而调试和现场测试则会很快超过规定的时间。如果在最后一刻发现在设计阶段有某个细节问题没有考虑到，想要进行修改就会变得非常复杂，而且会带来很高的成本。围绕 TwinCAT“生态系统”开发的各种辅助软件工具为解决这一困惑提供了一剂良方。

设计、开发和调试阶段

在这个阶段，TwinCAT 中集成的源代码管理器（如 GIT、TFS、SVN）接口支持开发团队对所创建的源代码的组织和变更进行管理。从一开始就可以随时追溯所有变更，并有针对性地合并不同的项目版本。

开发人员越遵守固定的标准规范，程序代码的可读性就越高。通过静态代码分析可以监控全公司范围内的任何编程规则。TwinCAT 3 PLC Static Analysis 可确保在开发阶段提醒程序员注意是否与既定规范有偏差，生成语法统一的代码，从而能够在自己的软件源，特别是同事的软件源中更简单、更快速地进行定位。

仿真

在设备的开发过程中，越早发现错误，修复错误的成本就越低。在存在疑问的情况下，确认速度的快慢决定了一个项目是否能够 100% 盈利。因此，现在的趋势是：如果在开发期间有需要，在交付之前尽可能地对机器和设备进行仿真。但需求往往千差万别。标准设备制造商倾向于使用尽可能精细的仿真，因为这样就可以“一劳永逸”。大型设备和特种设备制造商更需要可轻松和快速实施的解决方案。TwinCAT 控制平台中的多种软件产品都可为这两种用户群体提供支持：

TwinCAT 3 CAD Simulation Interface

• 设备设计一般都采用现代化的 CAD 系统实现。倍福的 TwinCAT 3 CAD Simulation Interface 软件工具可以连接 TwinCAT 与 3D CAD 系统。有了它，TwinCAT 就可以非实时控制 CAD 系统中显示的虚拟木工机械。这种三维机械零部件仿真是实现虚拟调试的关键。在仿真时，每个安装部件的运动和交互都会在组中显示，并提前确定碰撞和系统的临界状态。此外，仿真还可以用来通过使用仿真后的关键机械条件，提前对操作人员和维修人员进行常规操作培训，并定义故障排除的工作指引。

TwinCAT 3 EtherCAT Simulation

• EtherCAT Simulation 用于实时仿真 EtherCAT 所连接的设备。这一“虚拟”硬件的行为与连接 EtherCAT 所连接的“真实”设备完全相同，包括所有 Runtime 属性。目的是在开发早期阶段，甚至在没有任何物理硬件的情况下，测试和优化所生成的控制代码，以便能更快地进行实际调试。

TwinCAT 3 Target for FMI

• Target for FMI 支持用于连接仿真软件的标准化接口。很多专业生成机械系统及机械本体动态模型的软件厂商都在使用 FMI。以这种方式生成的模型可以集成到 TwinCAT 中，并像真实的现有系统一样进行控制，以检查其机械特性。通常在设备开发之初对这些动态系统进行仿真，让机械设计师和软件开发人员能够深入了解开发设计的动态特性。

TwinCAT 诊断功能

TwinCAT 软件平台内置了丰富多样的诊断系统。所有系统信息既可以直接在 TwinCAT 开发环境 （XAE）中查看，也可以通过 TwinCAT 3 Scope 以周期同步的方式实时记录。后续分析可以随时进行。TwinCAT 3 Realtime Monitor 中的任务和进程的运行时行为进行精确的诊断和优化。

如果您希望更进一步：TwinCAT 3 Analytics 将是特别适合的软件工具，它能够实现并提供跨多台设备和系统的长期分析，以便进行诊断、采集设备和生产数据或采取预测性维护措施。

节省空间，灵活扩展，坚固耐用：全新一代超紧凑型工业 PC

尘土飞扬，天气炎热，有震动，电源也有波动。大功率或大电流通过各种电缆来传输，这些电缆往往都带有高频谐波成分，容易产生电磁干扰 — 控制技术的“隐形敌人”。这也是木材加工行业的典型工况环境，然而机械设备必须在这些条件下可靠运行。这既适用于机械系统、控制组件，同样也适用于系统的“大脑”工业 PC。

倍福的 C60xx 系列工业 PC（如 C6015 和 C6030）可以很好地满足这些需求。这款设备与其它产品一样，也是倍福自主研发生产的，包括主板、电源模块和整个外壳“坚固耐用”的设计。因此设备可在环境温度最高达 55 °C 的条件下工作。有空调控制柜的地方通常不会出现这样高的温度，但在这些空调区之外、靠近会产生大量热量的装置以及在在一些气候比较极端的国家，这样的高温会是一个极大的挑战。但在工业环境中，耐久性并不是唯一信条。工业 PC 借助诊断功能可为设备制造商和运营商提供有关设备运行状态的全面信息。用户可以通过简单的网络浏览器访问这些信息，然后直接在 PLC 进行分析，并可根据需要在设备可视化系统中显示这些信息。

这些数据还包括所使用的存储介质（SSD）的状态，例如，如果使用了两个存储介质，它可以在 RAID 模式下运行。如果在长时间运行后需要更换存储介质：尽管设备结构紧凑，但可确保维护方便、快捷。

高动态、模块化、可精确扩展：倍福驱动技术

木材加工对精度以及动态性都有很高的要求：铣削、锯削、涂胶、钻削和封孔以及各种组装工艺必须高精度完成，才能生产出高品质的家具。错误的驱动技术选择、设计不当、设置不正确或控制系统和驱动系统之间的同步性差，都会直接对生产过程的成本利润造成不利影响。质量瑕疵会造成返工成本高昂，甚至出现废品。而驱动控制时间的增加也会相应导致物料加工时间的增加，降低生产效率，并对后续的生产链和物流链产生负面影响。

倍福驱动系统可以与 TwinCAT 运动控制软件和 EtherCAT 高速通讯系统相结合，很好地满足木材加工和家具行业的高要求。所有驱动系统的共同和关键基础是完全同步所有涉及到的控制回路。从带有 NC/CNC 功能单元的控制器（TwinCAT NC 和 TwinCAT CNC）和 EtherCAT 高速数据传输通道，到驱动器中的控制器结构，没有偶然：所有驱动器的控制和行为在任何时候都是精确和可预测的，它是质量和动态的基础。

AX8000 和 AX5000 系列伺服驱动器中集成的高速控制技术支持高速和高动态的定位任务。对于小型控制任务，EtherCAT 驱动端子模块或 AMI8100 驱控一体电机提供了一种具有成本效益的紧凑型替代方案。完整的直线电机和旋转伺服电机列是为伺服驱动器量身定做的。AM8000 系列电机的技术亮点在于采用了单电缆技术，即动力电源和反馈系统集成在一根标准电缆中。倍福为步进电机或紧凑型伺服电机等简单定位驱动应用提供全系列的驱动产品。

AMP8000 分布式伺服驱动系统为实现模块化机械设计方案提供了全新的选择：AMP8000 将伺服控制器直接集成在伺服电机中，体积非常小巧。由于功率电子元器件被直接重新放置到机器中，中央控制柜内只需要安置一个耦合模块，只需一个分布式模块和一根电缆即可给多个分布式伺服驱动器供电。在下一个扩展阶段，驱动技术将完全不再需要装在控制柜内。特别是木工机械行业的系统工程，其特点是有大量生产设备和生产单元交互。系统的相关尺寸往往导致在控制柜的尺寸、安装位置、控制柜中的空调以及最重要的是长电缆长度等方面会面临挑战。这正是 AMP 分布式伺服驱动系统的用武之地，它能够简化设计和实施工作。

最令人印象深刻的是：无论您选择哪种驱动产品，都可以使用相同的基础技术。这样一来，您所选择的驱动器就可以在驱动系统中无限制地长期运行，无论是集中式（AX5000/AX8000）还是分布式（AMP/AMI）驱动器、旋转伺服电机、直线电机还是步进电机。倍福可以一站式提供所有驱动产品系列！

高精度生产线控制：TwinCAT Serial Line Control

特别是在边缘加工机床中，包括其它连续加工机床中，例如在打磨时，同时要在顺序排列的单元中加工多个工件。这其中必不可少的条件是必须随时知道准确的工件位置，这样才能在加工时适当地激活和停用刀具。这种高精度零件跟踪由边缘加工机械中安装的 TwinCAT Serial Line Control 完成。

线路控制器可以根据瞬时进料装置编码器信息计算出工件进入机床时所有工件的位置（即共线点），并在此基础上进一步进行加工。必要时，甚至可以通过 XFC 技术的分布式时钟功能在这些位置同时高精度激活机床和刀具；对于凸轮盘和支持 CNC 的加工，它们与工件同步。TwinCAT Serial Line Control 可以大幅减少控制相关的停机时间，确保高精度检测工件位置，以及减少由于链条延伸和多边形效果造成的类型偏差，特别是对于边缘加工机床。

PLC 任何时候都拥有对线路控制器的完全控制权。因此，必要时可以随时修改线路控制器的所有参数，以便实现先进的批量大小为 1 的生产。

TwinCAT Serial Line Control 的关键数据

• 最多 16 个线性编码器
• 最多 256 个工件编码器
• 1024 个工件
• 1024 个刀具
• 可以分别调整工件和机床参数
• 可以在运行时修改工件和机床参数（生产批量大小为 1 的加工应用）
• 在运行时激活和停用刀具（如废料处理）
• 动态补偿单位速率

控制器与数据库直接通讯

在现代化的生产车间里，各个设备很少会相互独立地运行。它们通常是一个联动工艺过程的固定部分。设备控制器、CAD/CAM 和 MES 系统、主控计算机和 ERP 系统之间的通讯方式因操作不同而有很大的差异，并取决于公司内部业务流程的组织方式。但它们都有一个共同点：数据通常存储在数据库中，并通过数据库进行交换。

机械工程的需求几乎总是决定了所涉及的机械设备必须能够访问数据库中的信息，反之，也必须能够返回状态数据，例如关于所生产的工件信息。这意味着它们可以用于在整个公司内完成进一步的生产步骤、运输、物流和客户沟通。

在传统的 IT 领域，数据库处理早已是惯例，专家们也不断关注数据库的维护、结构和接口，而控制专家们越来越关注数据库连接问题。TwinCAT 数据库服务器可在这方面提供帮助。易于配置的数据库服务器是连接控制 PLC 和各种常用数据库（SQL、NoSQL）的纽带，这些数据库直接位于控制 PC 上或网络中。