EtherCAT科普系列（6）： EtherCAT技術(shù)在激光切割機控制系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用

激光是指原子受激輻射產(chǎn)生的光，是一種能量密度高、方向性和單色性好的相干光輻射。激光的良好性能使其在工業(yè)、通信、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域具備較高的應(yīng)用高價值。激光設(shè)備是實現(xiàn)激光加工的工具，具有輸出能量集中、穩(wěn)定的特點，能夠較好地處理傳統(tǒng)工藝方法較難處理的硬度大、熔點高的材料。激光加工，作為一種高效、精準(zhǔn)的加工方式，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛包括工業(yè)制造、通訊、信息處理節(jié)能環(huán)保、航空航天、文化教育以及科研等多個領(lǐng)域。從激光切割到激光打孔，從激光標(biāo)記到激光焊接等多個方面，激光技術(shù)都展現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)勢和價值。而在這些應(yīng)用中，激光切割無疑是激光加工行業(yè)中最重要的一項應(yīng)用技術(shù)，占比超過40%，是激光的主流應(yīng)用方式。

▲中國工業(yè)激光加工應(yīng)用分布（來源:《中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》）

激光切割技術(shù)的應(yīng)用比許多傳統(tǒng)制造技術(shù)更具成本效益，使得激光切割設(shè)備應(yīng)用得以迅速普及，中國激光切割設(shè)備市場收入保持較快增長。中商產(chǎn)業(yè)研究院調(diào)研報告顯示，2024年中國激光設(shè)備市場規(guī)模約為368.5億元，2025年將達(dá)到387億元左右。

1激光切割技術(shù)原理及通信

激光切割的原理是激光切割機通過精密的光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦到微小的空間內(nèi)，形成一個高密度的能量點。這個能量點具有極高的溫度，足以將金屬或非金屬材料迅速加熱至熔化或汽化狀態(tài)。在這一過程中，激光切割機并不是簡單地依靠激光的能量進行切割，而是巧妙地結(jié)合了輔助氣流的動力學(xué)作用。當(dāng)激光將材料加熱至熔化或汽化狀態(tài)時，輔助氣流迅速吹過切口，形成強大的拖拽力，將熔化的金屬或非金屬雜質(zhì)從切口中吹出。這一過程不僅保證了切口的清潔度，還避免了熱影響區(qū)的擴大，保證了切割的精度和質(zhì)量。

▲激光切割過程激光加工技術(shù)是智能制造技術(shù)的重要組成部分，在激光加工中經(jīng)常需要針對復(fù)雜曲面進行切割、打孔、沖擊強化等加工，而想要在復(fù)雜空間曲面上實現(xiàn)這些高精度的加工工藝不僅需要高精度的機械產(chǎn)品更需要的是高精密的多軸聯(lián)動系統(tǒng)精準(zhǔn)快速的操控。

▲多軸激光切割機床多軸高速激光切割數(shù)控系統(tǒng)作為各國制造企業(yè)群雄逐鹿之地，反映了一個國家的制造實力、科技水平，開發(fā)高效自主、高速度、高精度的激光切割數(shù)控系統(tǒng)對促進國家發(fā)展影響重大。與此同時，相關(guān)的總線通訊方式以及網(wǎng)絡(luò)連接控制技術(shù)也在多軸激光切割系統(tǒng)的設(shè)計制造中得到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)場總線技術(shù)自問世以來已成為自動化領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展和高精尖領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)處理要求的提高，從早期的集中控制系統(tǒng)(CCS)到分布式控制系統(tǒng)(DCS)，再到如今廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù)已逐漸顯露出其局限性。由于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)速率提高，為實時以太網(wǎng)協(xié)議的創(chuàng)建提供了便利，因此可以很好的解決現(xiàn)場總線的問題。與傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)相比，工業(yè)以太網(wǎng)在設(shè)計上更加符合工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的需求，具備更強的抗干擾性和實時性。在眾多工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)中，EtherCAT憑借其卓越的實時性和同步性，成為了備受矚目的典型代表之一。EtherCAT的獨特之處在于其對傳輸接口的精心優(yōu)化，這種優(yōu)化不僅極大地提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，更關(guān)鍵的是，它顯著降低了數(shù)據(jù)傳輸過程中的延遲和抖動，從而確保了激光切割控制系統(tǒng)對實時性的嚴(yán)苛要求。并且EtherCAT憑借其獨特的分布式時鐘機制，在多軸控制系統(tǒng)中實現(xiàn)了1微秒以下的同步誤差，確保了各軸動作的幾乎完全同步，極大提升了系統(tǒng)整體性能和精度。

2基于EtherCAT的激光切割機控制系統(tǒng)

典型的EtherCAT的激光切割機控制系統(tǒng)主要由工業(yè)PC、ADS路由器，IO系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和EtherCAT總線協(xié)議構(gòu)成。采用工業(yè)PC機設(shè)計并搭建人機交互界面平臺、并且對 NC代碼解釋導(dǎo)入到 CAM軟件中并根據(jù)插補運算實現(xiàn)相應(yīng)的工作流程；以軟PLC作為下位機，通過連接 I0 輸入輸出模塊負(fù)責(zé)伺服驅(qū)動器的控制以及其他外設(shè)控制等，并且基于EtherCAT 總線技術(shù)并通過以太網(wǎng)通訊實現(xiàn)上下位機之間的信息交互。工控機讀取待切割圖形的G代碼文件(由套料軟件生成)，對G代碼進行釋義，按照代碼的不同含義進行分別處理，控制電機移動、得到反饋數(shù)據(jù)、設(shè)置運動參數(shù)等。通過建立工藝參數(shù)庫和自適應(yīng)控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)不同加工材質(zhì)和不同加工速度下激光器的輸出功率各種不同的切割參數(shù)由界面輸入，操作人員通過人機界面圖標(biāo)選擇帶切割圖形、啟停等操作。通過工控機將運動控制卡、調(diào)高器控制盒、激光器控制盒、比例閥控制盒以及預(yù)留功能 IO 口擴展板協(xié)作起來，完成激光切割機床的高效切割任務(wù)。

▲基于EtherCAT的激光切割數(shù)控系統(tǒng)框架

多路IO端口

多路的IO端口模塊是連接工控機和伺服運動控制器，伺服電機，調(diào)高器模塊，激光器模塊，比例閥模塊和其他外設(shè)模塊的通道。工控機和端子模塊的連接主要依靠的就是網(wǎng)線，遵循的是 EtherCAT 總線的通訊協(xié)議。而端子模塊和伺服運動控制器，伺服服電機，調(diào)高器模塊，激光器模塊，比例閥模塊和其他外設(shè)模塊的連接主要是通過上面的觸點進行數(shù)據(jù)導(dǎo)線的連接。這樣就將工控機和其他的外設(shè)模組相連接，保證能夠?qū)崿F(xiàn)對它們的操作控制。

伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)包含的主要是伺服驅(qū)動器和伺服驅(qū)動電機。其中，伺服服驅(qū)動器通過以太網(wǎng)線和工控機相連接，工控機發(fā)送控制指令給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器通過電纜和伺服驅(qū)動電機相連接，將工控機所接收到的控制指令發(fā)送到伺服驅(qū)動電機，電機帶動驅(qū)動軸進行加工。與此同時，電機也會將位置速度信息等反饋到伺服驅(qū)動器上并反饋至工控機上，實現(xiàn)實時檢測與控制。

EtherCAT總線

EtherCAT從站控制器負(fù)責(zé)處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀，報文數(shù)據(jù)的提取和插入都是由數(shù)據(jù)鏈路層的硬件完成，并使用雙端口存儲器(DPRAM)實現(xiàn) EtherCAT主器件與本地應(yīng)用之間進行數(shù)據(jù)交換。EtherCAT主站使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口卡；而從站使用專用的EtherCAT從站控制器，在主從站之間使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層器件進行連接。

▲EtherCAT設(shè)備內(nèi)部框架

EtherCAT總線的實時性很強，通過這個總線的協(xié)議就能夠和伺服運動控制器，伺服電機，調(diào)高器模塊，激光器模塊，比例閥模塊和其他外設(shè)模塊進行信息交互。在使用EtherCAT總線進行信息傳輸?shù)臅r候，可以直接通過DMA直接存儲單元和工控機內(nèi)部完成信息的傳輸，不需要工控機CPU，這樣就能夠大大地減少了工控機CPU在工作時的負(fù)載，從而加快了處理的速率。而如果使用的是傳統(tǒng)現(xiàn)場總線卡的話，首先需要用較長的時間對CPU中的數(shù)據(jù)進行復(fù)制，這樣就大大減緩了傳輸?shù)乃俣取?/p>

3碼靈半導(dǎo)體激光切割控制系統(tǒng)EtherCAT解決方案

碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片為激光切割控制系統(tǒng)EtherCAT通信帶來全新的整體解決方案。可顯著降低激光切割控制系統(tǒng)和調(diào)高器間通信延遲，有利于增強切割過程的精度和靈敏度，提高了工作效率。

▲ 碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實物圖CF110x系列產(chǎn)品獲得德國倍福公司（Beckhoff）官方正式授權(quán)，已通過ETG官方的一致性測試認(rèn)證，符合EtherCAT通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；內(nèi)置8個現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元（FMMU）、8個同步管理器（SM），產(chǎn)品支持三種數(shù)據(jù)接口（PDI）-數(shù)字I/O，SPI和8/16 位uC接口；內(nèi)置64位分布式時鐘（DC），可實現(xiàn)EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs）；可選擇性集成32位ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器（MCU）或2個電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強、信號完整性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點。CF110x系列可廣泛應(yīng)用于激光切割控制系統(tǒng)的IO模塊、伺服電機驅(qū)動器等場景。

▲碼靈半導(dǎo)體32路獨立式IO應(yīng)用方案框圖

▲碼靈半導(dǎo)體32路獨立式IO應(yīng)用方案實物

▲碼靈半導(dǎo)體刀片式IO應(yīng)用方案框圖

▲碼靈半導(dǎo)體刀片式IO（含耦合器）應(yīng)用方案實物碼靈半導(dǎo)體針對EtherCAT激光切割控制系統(tǒng)提供的應(yīng)用參考方案，涵蓋完整的軟硬件設(shè)計，可提供全功能軟件固件和上位機PC調(diào)試工具。方案配有詳細(xì)使用指南，方便工程師快速進行上手使用、性能評估以及二次開發(fā)。