超 30 根轴的运动控制

工程师们常常将他们最好的想法倾注于那一方小小的草图之中。1986 年，Joseph Machine 公司在印制首本宣传册之际，于一张图纸上勾勒出一个极具雄心的机床设计理念：打造一种灵活的门窗型材工中心，该加工中心无需对机床进行整体重建，便能快速适应全新的生产需求。最终，依托基于倍福的 PC 和 EtherCAT 控制技术，这家设备制造商成功将其坚守 40 年的愿景化为现实。

Joseph Machine 公司的核心业务表述起来简单，执行起来却颇为复杂。“我们精心打造的‘自始至终’一站式解决方案全面覆盖了型材加工、切割、冲孔、焊接、玻璃安装、五金件安装直至清洗的每一个生产环节，能够在 60 秒内以极具性价比的方式完成由 PVC、玻璃纤维或铝合金制成的窗框和门框的组装工作。”公司销售副总裁 Tom Vajdic 表示。

尽管这些任务要求在极短时间内迅速完成，但设备仍需保持极高的精度水准，并且要具备快速切换材料、产品类型以及工艺流程的能力。“在过去几十年的传统模式里，设备的配置往往依据终端用户已知的未来数年生产计划来设定。”Joseph Machine 公司所有者兼首席执行官 Anthony Pigliacampo 补充道，“然而，时移世易，如今情况早已不同。终端用户需要真正具备高度灵活性的设备，这类设备能够随着新产品的研发进程，迅速完成工装的更换及重新编程。”

制约因素：传统自动化

Joseph Machine 经过研究发现，问题的症结在于自动化系统常常成为实现所需灵活性的制约因素。传统的运动控制系统迫使设计人员不得不采用复杂且固定不变的机械设计方案，导致多轴协作运动困难重重、速度迟缓以及可靠性欠佳等问题。

鉴于上述种种限制条件，Joseph Machine 的工程团队在选择新的控制平台时，制定了极为严格的标准：新平台必须具备为潜在数百个轴提供高性能且紧密协同的运动控制能力；在整个控制架构体系中，要支持统一的软件开发环境；能够显著简化调试流程、布线工作以及后续的维护任务；同时，还需具备开放性，可自由集成各类第三方传感器与设备。2022 年评估结束后，Joseph Machine 锁定了一个切实可行的解决方案。“我们对多家制造商进行了全面评估，唯有倍福能够全方位满足所有需求。”Tom Vajdic 表示。在搭建内部测试台架并完成概念验证工作之后，Joseph Machine 于 2024 年第三季度成功向市场推出了具备 32 个轴、四个独立 CNC 以及双推料器的 jFlex SFMC 型材加工中心。

具备高度灵活性的全新控制架构层

Joseph Machine 推出的新机型，如 jFlex 以及 jFlow PVC 焊接/清洗机，如今在自动化和运动控制层面均采用了倍福基于 PC 的控制技术和 EtherCAT。对于轴数较少、结构较为简单的机型，公司选用的是搭载 Arm^® Cortex^®-M7 处理器且集成 I/O 的 CX7000 嵌入式控制器。对于高端应用，倍福的无风扇 C6025 超紧凑型工业 PC 搭载了最高可达 Intel^® Core™ i7（四核）的处理器，能够为加工中心的复杂多轴运动控制提供必要的计算能力。

鉴于 EtherCAT 能够提供高确定性、高速通信的能力，且能在数十个轴与分布式 I/O 之间实现精准同步，使得控制系统有效规避了通信瓶颈问题。与此同时，倍福对于多种协议所秉持的开放态度，以及 EtherCAT 在行业内获得的广泛支持，共同构成了推动相关技术与应用发展的重要助力因素。

Joseph Machine 团队经过深入研究发现，IP67 防护等级的 EtherCAT 端子盒为设备提供了额外的系统优势。此外，EtherCAT P 单电缆自动化技术有效降低了系统布线的复杂程度。“自我们切换至 EtherCAT P 技术以来，系统布线工作减少了约 50%，同时省去了现场复杂繁琐的接线作业。”Joseph Machine 公司控制工程部经理 Albert Arustamyan 表示。

由于新设备的运动控制部分至关重要，Joseph Machine 决定采用倍福先进的驱动技术，包括 AX8000 系列伺服驱动器和配备单电缆技术（OCT）的 AM8000 系列伺服电机，以及倍福 AG 系列减速机。AX-Bridge 快速连接系统具备为所有与之相连的伺服驱动模块稳定供电的能力，相较于先前的驱动系统，它能够助力设备制造商显著减少布线工作，同时大幅削减所需熔断器的数量。此外，AA30x3 电缸凭借其出色的节能特性，让 Joseph Machine 能够用其替代原本高能耗的液压和气动解决方案，这一优势在传统上依赖液压驱动的冲孔工艺中体现得尤为显著。

Joseph Machine 现已着手运用 AMI8100 系列驱控一体伺服电机来推进分布式运动控制技术的落地实施。该系列产品集伺服电机、驱动器及现场总线接口于一身。这些驱动器适用于最高 48 V DC 的低压范围和高达 400 W 的功率等级，可直接安装在设备上。

除了硬件方面的提升，TwinCAT 3 自动化软件还进一步提升了工程效率。由于 Joseph 的许多设备均需对数十个轴进行精确的运动控制，因此我们采用 TwinCAT 3 NC PTP 来全面应对每台设备大量轴的开发任务。该公司的软件工程师们更倾向于采用结构化文本编程方式，并充分利用 TwinCAT 运动控制库、运动学以及凸轮功能实现高效开发。TwinCAT Motion Designer 工具赋予了整个软件团队自主指定与配置各类驱动器、电机以及其它组件的能力，让核心运动控制专家无需独自承担所有工作。

具备编写模块化、可重用代码块的能力，以及运用变量来应用 CNC 路径（而非在数百个位置重复编写代码），这一变革彻底改变了该公司的设备开发方式。“如今，我们已具备实现平稳且精确的协调插补运动的能力，如果我们需要更改半径或起点，仅需在 G 代码中编辑一次，该修改便会在设备执行的每一次加工作业中生效。”Albert Arustamyan 表示，“TwinCAT 所具备的在不同设备间实现代码可重用的特性，让我们能够将更多精力聚焦于软件开发工作，进而能够顺利引入更多富有创新性与吸引力的功能扩展。”

最为显著的性能提升体现在运动控制能力层面： Joseph 现在能够真正意义上执行那些以往只能以串行方式完成的加工步骤与刀具动作。该平台支持“刀具联动作业”等概念，即多个刀具能够同时对同一尺寸位置加工，并且支持同时处理多个零件的多轨道操作模式，从而在确保产品质量不受丝毫影响的前提下，成功实现了产能的显著提升。

四十年愿景终成现实

Joseph Machine 凭借 jFlex SFMC 与 jFlow，成功将长期怀揣的宏伟抱负从抽象的图纸转化为现实。这些设备为门窗制造商精心打造了可靠性强、复用性高且适应性极佳的设备解决方案，能够全方位满足高产能生产的需求。“倍福提供的高速且紧密协同的运动控制解决方案乃是成功推出此类具备强大性能新设备的关键所在。”Albert Arustamyan 说道。

调试工作的显著简化，搭配采用具备 IP67 防护等级组件的分布式方案，为 Joseph Machine 的业务发展注入了强大动力，引发了一系列积极的连锁效应。人工投入、调试时间以及电柜尺寸均实现了显著缩减。“借助可直接安装在设备上的 EtherCAT 端子盒与驱动技术，我们成功将电缆、接线端子的使用量以及空间占用情况降至最低，进而使得电气柜尺寸缩减了大约 15% 至 20%。”Albert Arustamyan 说道。

Anthony Pigliacampo 总结道：“我们非常高兴选择了这条道路 — 跟倍福合作，感觉就像找到了真正的伙伴，他们就像我们团队的一部分，大家齐心协力往前冲。现在，我们的设备以精准适配的构建模块为稳固基石，为未来发展柔性加工打好了基础，最终给我们的客户带来具有深远意义的颠覆性变革。”