Case Study

木工机器

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多年来，我们与木工行业的众多 OEM 合作。当今的木工机床种类繁多，从数控路由器和加工中心到自动裁板锯，每种都要求很高的精度和可靠性。例如，现代的数控木材路由器通常使用 3、4 甚至 5 轴 用于复杂的二维和三维切割的运动。同样，先进的滑板锯可能具有 3 轴 CNC 控制 用于刀片高度、刀片倾斜度和自动定位围栏。

这些机床中的每个轴通常由具有闭环反馈的伺服电机或步进电机驱动，负责移动部件，如刀头、锯架、材料进给器或可调导轨。例如，在 CNC 路由器中，X、Y 和 Z 轴使路由器主轴绕工件移动，第 4 或第 5 轴可能会旋转主轴或零件以进行复杂的雕刻。在裁板锯中，一个轴升高/降低刀片，另一个轴倾斜刀片进行倾斜切割，另一个轴移动裂口围栏以设定切割宽度。

木工机器广泛依赖传感器和执行器，需要大量的数字和模拟 I/O 点才能实现高效运行。典型的传感器包括限位开关、距离传感器和安全联锁，而执行器则包括电磁阀和气动组件。模拟 I/O 监控真空压力或温度等条件。紧急停机、光幕和安全垫等关键安全设备也需要无缝集成。OEM 合作伙伴需要一种能够管理复杂的多轴运动、广泛的 I/O 和集成安全的解决方案。

Solution

采用基于 PC 的主机和运动控制器 RMP

当这些原始设备制造商联系我们时，他们正在为其下一代机器探索基于PLC的传统控制的替代方案。他们最终选择了我们的 RMP EtherCAT 运动控制器 — 一个 基于 PC 的软运动控制器 — 作为他们系统的大脑。RMP 是一种软件运动控制器，可在标准工业 PC 上运行，而不是在专用 PLC 或专有硬件上运行。它在 PC 上的实时操作系统环境下运行，像专用运动硬件一样提供确定性控制。我们支持两种主要配置： 带有 InTime RTOS 内核的 Windows，或 带有 PREEMPT_RT 实时补丁的 Linux。实际上，这意味着 OEM 可以使用一台 PC 来运行机器逻辑和图形 HMI，而 RMP 的固件则在预留的 CPU 内核上运行，以保证实时性能。在一个案例中，OEM 首选 Windows，这样他们就可以使用.NET 为机器构建丰富的用户界面，同时仍然通过 InTime 协同内核实现亚毫秒级的运动循环时间。另一家原始设备制造商选择了Linux控制器，利用PREEMPT_RT进行实时行为，并享受了Linux系统的稳定性和开放性。RMP 足够灵活，可以支持 在不牺牲确定性控制的情况下，任一操作系统平台，因为它只是将核心专用于实时任务，并使用 EtherCAT 进行所有现场通信。

只要 IPC 有适合 EtherCAT 的 NIC（网络接口）和多核 CPU，剩下的就交给 RMP 了：一个内核运行 RMP 实时引擎，其他内核处理 HMI、视觉或其他应用程序，通过我们的共享内存进行通信 RapidCode API。

高级运动控制功能在运行

一旦 OEM 采用 RMP，他们就能够利用一系列高级运动功能来提高机器性能：

协调多轴运动： RMP 原生支持跨轴的协调插值以进行轮廓绘制。在数控木工路由器中，这意味着X、Y和Z轴（以及其他轴，如果有的话）可以完美同步移动，以遵循复杂的刀具路径。RMP 中的运动规划器可处理 3D 空间中的线性和圆形插值，并在需要时处理样条曲线或自定义运动路径。实际上，RMP 甚至包括 G 代码解释器和机器人运动学库适合那些想在更高级别上编程的人。
电子摄像头 和 齿轮功能: 许多木工过程需要轴之间的同步。使用 RMP 的电子齿轮传动，一个轴（或虚拟主轴）以精确的比率或运动曲线驱动其他轴。例如，在双轴龙门架中，主从电子齿轮可确保电机完美一致地移动，防止偏差并提高整体精度。
基于位置的触发器 和 快速的 I/O 响应: 在高速机械中，有时需要在精确的位置或事件上进行动作，例如，在切割件到达特定位置时，发射气缸将切断的零件准确地从输送机上推开。由于 RMP 在同一个实时内核中运行运动和 I/O 处理，因此它可以在伺服循环内立即响应编码器位置或传感器输入。一个专家组看到 OEM 很喜欢这个——他们设置了触发器，这样，当锯片到达切割尽头时，夹紧释放螺线管就会在同一毫秒内通电，从而提高吞吐量。对于更复杂的条件逻辑，我们还提供了 RtTasks 实时脚本编写，客户使用它在运动系统的背景下运行自定义张力控制回路。
高速反馈和调整： RMP 的快速伺服更新速率（通常为 1 kHz，在某些情况下最高可配置为 4—8 kHz）意味着控制器可以读取传感器和调整输出，延迟很小。如果 OEM 想要实现某种形式的主动控制（例如，根据主轴负载或振动动态调整进给速度），PC 控制器可以通过读取来自负载传感器的模拟信号来进行处理。这将在下一个周期中改变运动命令。
简化的归位和校准： 这些机器上的每个轴在启动时都需要一个归位顺序（通过限位开关或传感器建立参考位置）。RMP 提供了内置的归位模式（例如移动直到检测到开关，或使用编码器索引脉冲），我们根据每台机器的需求配置了这些模式。OEM 发现这个运动函数库非常方便——他们没有编写原始逻辑来处理归位，而是调用我们的 API 来执行它，从而大大缩短了初始编程时间。还支持多轴的协调归位（例如，同时对龙门架的两个 Y 马达进行归位并对龙门架进行方形定位），这使得机器每天的启动和运行速度更快。

结论

通过采用基于 PC、以软件为中心的运动控制器，我们的 OEM 客户获得了 前所未有的灵活性和性能:

他们利用了 高性能多轴运动控制 （支持比他们最初想象的更多的轴和复杂的轨迹），这反过来又使他们能够满怀信心地设计创新的机器力学（如多头、多轴系统），相信控制系统能够跟上步伐。
他们通过将控制任务（运动、逻辑、I/O、安全、HMI 甚至视觉）整合到，简化了设计 一个平台，减少硬件和故障点。
通过 EtherCAT 和开放标准，他们实现了 互操作性和可扩展性。无论是使用其他制造商的驱动器添加新轴，还是使用独特的传感器模块扩展 I/O，RMP 的开放式 EtherCAT 主站都实现了即插即用。而且，通过使用 EtherCAT 的安全性，他们保持了 安全等级高 在不牺牲灵活性或增加复杂性的情况下。
原始设备制造商还受益于 易于开发和维护。他们的软件团队可以在熟悉的编程环境中工作（利用来自更广泛的 IT 世界的库和工具），从而缩短开发周期并提高代码的可靠性。
重要的是， 经得起未来考验 方面怎么强调都不为过。使用基于 PC 的控制器，将来升级计算能力就像选择更快的 CPU 或更多的内存一样简单。