激光连续落料线电控方案初探

李 超，石 磊，毛玉俊，徐 宁

（江苏亚威机床股份有限公司 卷板事业部，江苏 扬州 225200）

激光连续落料线是由开卷校平单元、激光切割单元、输送堆垛单元等多个子单元集成。其中开卷校平单元是将卷料恒张力开卷校平后以板带的形式连续输送到缓冲坑区，激光切割单元的引料装置将板料从缓冲区连续输送到激光切割区域，激光切割单元由CNC 多轴联动的激光切割头以及随动皮带组成，保证激光头在两段随动皮带的接缝处对板料进行切割，切割出的小规格的废料直接在皮带接缝处掉入废料箱，成品及大规格的废料由输送带输送到堆垛单元，由多关节机器人配合线阵及面扫相机的视觉控制筛选拾取出成品料片后放到码垛台上堆垛成成品料堆。

1 电控系统方案描述

1.1 开卷校平单元

开卷校平单元电控系统由PLC、HMI、IO 模块、变频器、传感器、能源介质、PN/PN Coupler、以太网交换机等设备组成。控制器与IO 及变频器之间采用Profinet 总线网络通讯，操作按钮、传感器元器件将开关量、模拟量等控制和反馈信号通过IO 模块传送给PLC，PLC 内部的逻辑化程序对信号处理后控制液压阀、气阀、电机等执行元器件动作，而其中核心设备的主传动更是灵活使用变频器的转矩、VF、矢量等多种控制方式，从而实现了该单元的恒张力开卷、引料、清洗、校平等多种加工工艺。其网络拓扑结构如图1 所示。

图1 开卷校平单元网络拓扑

1.2 激光切割单元

激光控制单元以西门子840D SL 数控系统为核心，集成结构紧凑、高功率密度的SINAMICS S120 驱动系统从而控制多达27 个伺服轴，并建立了双通道来对两组龙门轴进行高响应的运动插补控制和激光头的随动控制。该系统在内部集成了一种CNC 高级语言，提供了很高程度的编程自由，且可实现CNC与PLC 之间数据的高效交换。

在此基础上还结合了SIMATIC S7-300 PLC 系统，对复杂的外围的设备进行控制，如水冷机、除尘机的开关控制、气体压力的比例调节和激光头功率的PWM（脉冲宽度调制）控制。此外，激光切割系统主要采用IPG 的激光发生器和普雷的激光头，在切割过程中通过调焦器ADAPTER 实现自动调焦，通过调高器EG8030 实时反馈的电压信号来保证割嘴间隙的高度从而保证随动控制的可靠性。

对于加工方面，专门研发了针对双激光头的CAM 软件，实现工件CAD 图形的导入，自动套料排版、生成加工程序的系统管理，大大提高了系统的柔性化。

1.3 机器人视觉抓取堆垛单元

堆垛系统包括PLC 逻辑控制单元、输送器传动单元、相机智能识别和KUKA 机器人抓取单元四个部分。其中PLC 逻辑控制单元通过PN/PN Coupler实现与激光系统的通讯，获取板料的加工信息，并通过配置在输送器末端的编码器测算板料的实时位置来触发同步信号给机器人。此外PLC 还通过PN 总线通讯进行抓取板料时的抽真空处理和码垛小车的变频控制等辅助动作。当机器人收到同步信号，且板料进入同步区后，机器人按照示教器示教的曲线对零件进行同步抓取。与此同时，智能相机通过对零件的固定姿态拍照并与参考的姿态做对比计算出零件位置和旋转角度的相对变化，最后在机器人下料过程中加以修正并加以随高等功能从而实现板料码垛的整齐性。

图2 激光切割单元网络拓扑

图3 视觉机器人抓取堆垛单元网络拓扑

图4 各单元间数据接口

1.4 各单元间数据接口

数控单元和开卷单元或机器人单元之间的工艺接口按照信号的传递方向可划分为6 类：

（1）开卷单元（PLC）→数控单元（NC）工艺接口：板料信息、开卷送料执行结果。

（2）数控单元（NC）→开卷单元（PLC）工艺接口：开卷送料执行信号、开卷送料速度信号。

（3）开卷单元（PLC）→数控单元（NC）工艺接口：设备信息。

（4）数控单元（NC）→机器人单元（PC）工艺接口：板料信息、数控轴当前位置。

（5）机器人单元（PC）→数控单元（NC）工艺接口：堆垛状态加工结果。

（6）数控单元（NC）→机器人单元（PC）工艺接口：设备状态。

通过使用TCP、S7、Profinet 等，基于工业以太网的通信方式完成各个单元之间的工艺接口数据的交换任务。

2 结束语

本文对激光连续落料线的电控系统进行了初探，首先讲述了各子单元的电控系统组成、核心控制方法以及该单元下各子设备间的网络拓扑结构，然后对各个单元间的数据接口组成进行了简单规划与介绍。激光落料线作为一种新型的加工生产线，其柔性化的加工过程在适应现代汽车对高强度钢、铝合金的加工要求的同时也满足了现代汽车快速换型以及小批量试制的要求，具备较为广阔的发展空间。