熱噴涂是一種表面處理技術(shù)，即將熔融或加熱后的材料噴涂到表面上。為了提高噴涂質(zhì)量，四川大學(xué)自主設(shè)計(jì)出一套九軸聯(lián)動(dòng)熱噴涂系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，三軸轉(zhuǎn)臺(tái)與六軸機(jī)械手同時(shí)優(yōu)化運(yùn)行。該系統(tǒng)利用 Beckhoff 開放式高速控制系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)發(fā)揮其全部潛力。

德陽(yáng)市東汽表面工程技術(shù)有限公司總部位于四川省德陽(yáng)市，主要致力于金屬表面材料研制及表面處理技術(shù)應(yīng)用。為了提高表面處理工藝性能和以機(jī)器人為基礎(chǔ)的熱噴涂中的噴涂質(zhì)量，公司決定與四川大學(xué)電氣信息學(xué)院進(jìn)行項(xiàng)目合作。

由于待噴涂元件的工藝曲面較為復(fù)雜，以及為了讓熱噴涂工藝更為靈活自由，項(xiàng)目開發(fā)人員提議除了已經(jīng)使用的六軸機(jī)械手之外，將三軸轉(zhuǎn)臺(tái)建造為被噴涂元件的夾持設(shè)備，從而能夠優(yōu)化定位工件。這一系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是：由四川大學(xué)電氣信息學(xué)院獨(dú)立開發(fā)的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)有一個(gè)擴(kuò)展外軸，它必須與引導(dǎo)噴槍的機(jī)械手完全同步運(yùn)行。

TwinCAT 和 EtherCAT 解決了時(shí)間要求嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用要求

為了完成這項(xiàng)任務(wù)，四川大學(xué)電氣信息學(xué)院的專家們對(duì)多個(gè)控制平臺(tái)進(jìn)行了評(píng)估：“最終，我們傾向于使用基于 PC 的控制技術(shù)，因?yàn)樗撵`活性最大，性價(jià)比最高。各種可用的組件和倍福中國(guó)與四川大學(xué)的通力合作都使得他們更青睞于 PC 控制解決方案。另一個(gè)決定因素是因?yàn)?Beckhoff 的 TwinCAT 軟件是一個(gè)高效、統(tǒng)一的自動(dòng)化平臺(tái)。”

為了確保轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行可靠性，數(shù)控系統(tǒng)必須同時(shí)驅(qū)動(dòng)三臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器，并同時(shí)讀取 5 根電纜的力傳感器和角度編碼器。用于插補(bǔ)軌跡的 TwinCAT NC I 自動(dòng)化軟件非常適合用于完成這些復(fù)雜的機(jī)器運(yùn)動(dòng)，對(duì) CNC 中的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換有很高要求。Beckhoff 適合控制柜安裝的 15.6 英寸多點(diǎn)觸控面板型 PC ― CP 2216 為整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的控制以及與機(jī)械手控制器的通訊提供了充足的計(jì)算性能。此外，EtherCAT 超高速數(shù)據(jù)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了極短的過程映像更新時(shí)間 — CNC 能夠達(dá)到 2 毫秒級(jí)別的任務(wù)處理速度，電子凸輪盤可以達(dá)到 1 毫秒，而驅(qū)動(dòng)器控制周期可以達(dá)到 250 微秒。

由于單電纜技術(shù)（OCT）將動(dòng)力和反饋系統(tǒng)整合在一根電纜中，AM8000 伺服電機(jī)
的連接僅需要敷設(shè)一根電纜

AX5112、AX5203 和 AX5206 伺服驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)精確控制轉(zhuǎn)臺(tái)的偏航、俯仰、橫滾三種
角度的變位方式

TwinCAT 顯著節(jié)省時(shí)間

TwinCAT 提供了功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能塊，縮短了開發(fā)時(shí)間，便于改善編程過程，同時(shí)大大加快調(diào)試過程。這也大大加快了工程設(shè)計(jì)過程。負(fù)責(zé)主持此次項(xiàng)目研究的四川大學(xué)電氣信息學(xué)院的佃松宜教授說(shuō)道：“我們驚喜地看到，時(shí)間節(jié)省了有 70 % 之多。”

三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的控制主要包括了偏航、俯仰、橫滾三種角度的變位方式。該系統(tǒng)利用 TwinCAT NC I 提供的電子凸輪和三軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制方式，以及先進(jìn)的基于 PC 和 EtherCAT 的控制技術(shù)，確保對(duì) 5 臺(tái) Beckhoff 的AM8000 系列伺服電機(jī)的精確控制。他們還使用了Beckhoff 的 AX5000系列伺服驅(qū)動(dòng)器，它們充分利用了 EtherCAT 在驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中的性能。

AX5112（12 A 級(jí)輸出電流）、AX5203（2 x 3 A）和 AX5206（2 x 6 A）伺服驅(qū)動(dòng)器用于控制轉(zhuǎn)臺(tái)的三種姿態(tài)的變化。其中俯仰和橫滾兩種變位方式分別需要兩臺(tái)電機(jī)共同實(shí)現(xiàn)。這也是 AX52xx 系列 2 通道伺服驅(qū)動(dòng)器的用武之地，因?yàn)樗鼈兡軌蝌?qū)動(dòng)兩臺(tái)相同或不同的電機(jī)（總電流最大分別為 6 或 12 A）。通過 TwinCAT 軟件功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的電子齒輪有效地解決了雙電機(jī)共同負(fù)載的難題。這樣可確保驅(qū)動(dòng)同步精度完全滿足應(yīng)用需求，并且使得控制系統(tǒng)更加緊湊。

開放式自動(dòng)化系統(tǒng)作為一項(xiàng)額外紅利

佃松宜教授及其來(lái)自四川大學(xué)電氣信息學(xué)院的團(tuán)隊(duì)成員們?cè)谕瓿砷_發(fā)工作后看到了 Beckhoff 控制技術(shù)的顯著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：“基于 PC 的自動(dòng)化組件以其優(yōu)越的性能為精密運(yùn)動(dòng)控制提供了理想的技術(shù)支持。TwinCAT 和 EtherCAT 具有不可比擬的開放性，是自動(dòng)化解決方案的核心組成部分。因此，它們兼容多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，并能夠與子系統(tǒng)通訊。將轉(zhuǎn)臺(tái)集成為擴(kuò)展外軸的做法顯著提高了熱噴涂質(zhì)量，同時(shí)大大簡(jiǎn)化了熱噴涂工藝。”

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