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在石油鉆采作業中，篩管是一種重要的器材，經常采用先期完井或采油防砂。石油篩縫管是在石油套管或油管上用多種方式切割出多條一定規格的縱向或螺旋直排、交錯式縫隙，采用特殊超薄切割片或者光束切割后而成，其縫寬為0.2～0.5mm。縫截面為矩形、梯形（梯形角度為3? ～ 8?）和特形（圓孔）等多種形態，縫隙的布置可根據用戶要求進行加工。割縫篩管是用來將所開采的液體與地層中的砂石分離的一種特殊管型，通常安裝于油井、水井或地熱井等無縫或焊接鋼制井管最下端。由于地層的基本結構特點和接觸的砂石粒度各不相同，開采液體粘稠度也存在差異，因而所需篩管的孔縫規格及形狀也各有不同。開采石油時使用割縫管，可以濾掉大量砂塵，降低油管維修率。

位于湖北武漢的武漢法利萊切割系統工程有限公司（以下簡稱法利萊）是隸屬于上市公司華工科技旗下的激光板塊子公司，該公司是國內大功率激光切割機和激光焊接機領域的領先企業之一。法利萊在激光加工裝備機床方面的產品線包括大功率光纖激光切割機、CO2激光切割機、中功率光纖切割機、三維激光切割機和機器人激光焊接機。隨著激光切割工藝在石油篩縫管方面應用日益普及，該公司制造生產的石油篩縫管激光切割機的銷量也呈現爆發式增長。以上多種激光加工裝備的核心控制數控系統都采用了德國倍福基于PC的開放性軟件CNC系統。尤其在石油篩縫管激光切割機中，TwinCAT CNC的開放性和靈活性得到了淋漓盡致的展示。

圖1 法利萊工程師在現場認真地標記切割工藝參數

石油篩縫管激光切割機控制系統要求

以下是對數控伺服軸和PLC控制方面的具體要求，以及工藝參數的介紹。

數控伺服軸：

X軸：切割大梁X方向移動，負載較大，需要快速移動和精確定位，速度可達120m/min；

Y軸：切割大梁Y方向移動，需要快速移動和精確定位，速度可達120m/min；

Z軸：切割頭上下浮動，響應要求極高；

A軸：旋轉軸，帶動篩縫管的旋轉，準確定位；

B軸：切割頭擺動，需要精確控制擺動到一定的角度；

U軸：送料軸，篩縫管長度方向送料進給；

V軸：等光程軸，CO2激光等光程控制，與Y軸有一定的電子齒輪同步動作要求。

PLC控制方面：

IO邏輯控制、氣體氣壓、激光器和各種閥的控制。

圖2 采用德國倍福AX5000伺服驅動器，EtherCAT總線通信速度快，接線簡單方便

工藝參數

激光切割質量缺陷及分析激光切割篩管的關鍵在于合理選用工藝參數，主要包括：激光器的功率、焦點的位置、脈沖頻率和占空比、切割進給速度、輔助氣體壓力及切割頭噴嘴規格等（圖1）。加工過程中，如果選用的工藝參數不合理，就會出現不同的加工質量缺陷，嚴重情況下可能造成整根篩管報廢。

基于PC的開放式軟件CNC控制平臺

法利萊的篩縫管激光切割機控制系統選用了德國倍福基于PC的軟件CNC平臺，每臺機器配置一款德國原裝生產制造的工控機，工控機上運行TwinCAT CNC，利用實時工業以太網EtherCAT擴展IO模塊，并采用了BECKHOFF新款AX5000系列驅動器與AM8000系列伺服電動機，7根伺服軸也是通過EtherCAT總線與工控機通信（圖2）。

“這樣一來，整套控制系統都是基于EtherCAT實時工業以太網的總線結構（圖3），速度快、可靠性好、抗干擾能力強，而且價格便宜。采用‘一網到底’的總線結構確實簡單、明了及方便。另外AM8000系列伺服電動機采用的單電纜OCT技術，將原來通用的電動機動力電纜與編碼器反饋電纜合二為一，現在只需要一根電纜。在系統布線方面確實給我們帶來了很大的方便，也節約了成本。”法利萊的副總經理王征說道。

圖3 簡潔、靈活的EtherCAT總線擴展IO模塊

一臺PC解決運動控制、PLC與HMI

篩縫管激光切割機一共有7根伺服軸的控制，這7根軸既有插補運動控制的要求，也有伺服軸跟隨、獨立定位的運動控制要求。而基于PC的TwinCAT軟件正好涵蓋了TwinCAT CNC、TwinCAT NC PTP與TwinCAT PLC軟件，可以將插補運動控制、多軸定位運動控制及PLC控制集中到一臺PC上進行控制，這樣就取代了傳統數控系統的運動控制CPU、PLC的CPU以及HMI的PC。“以前法利萊在使用傳統數控系統的過程中，經常會碰到這三種CPU之間進行數據交換和通信，而且這三種CPU上的軟件開發采用的也是不同的編程平臺，往往需要2～3個工程師來配合開發定制的軟件。現在采用基于倍福的平臺來開發全新的機器控制系統，只需要TwinCAT CNC一個平臺，一臺PC就將所有的問題解決，這確實是非常吸引我們的地方。”負責篩縫管激光切割機軟件系統開發的電氣副總工程師高昌波解釋道。

篩縫管激光切割機的工藝要求也比較復雜，因為針對不同的地下環境、地質情況以及不同的篩縫管金屬材料等，對篩管上開的縫隙的要求會各不相同。特殊情況下還需要開一些梯形的孔，這種孔的要求是內壁縫隙較小，外壁縫隙稍大，這樣才能很好的達到滲油的效果，同時又能達到防砂的目的。開這種梯形縫的時候，對擺動軸的控制要求會更高，需要伺服軸擺動到非常合適的角度，而且需要根據不同的壁厚，不同的梯坡度，調整擺動軸的角度。而TwinCAT NC PTP運動控制函數庫正好提供了方便的接口，可以隨時隨地和靈活地修改擺動角度參數。

圖4 激光切割加工的石油篩縫管

自由的軟件修改與靈活的操作界面

如果需要切出高質量的篩縫管，激光切割工藝參數的修改和調整也非常關鍵，例如激光器的功率、焦點的位置、脈沖頻率和占空比、切割進給速度及輔助氣體壓力等參數，它們的匹配程度是否合適往往決定了切割的質量（圖4）。而這些參數的修改需要做到快捷、方便和靈活。

TwinCATTcHmiPro是BECKHOFF為人機操作界面提供的一個基于.NET的開放式平臺。操作界面由C#語言編寫，非常完美的將ADS通信、自動化功能、手動操作及變量監控整合到一個平臺。在此基礎上，BECKHOFF還提供完整的針對激光切割工藝需求的HMI組件，包括激光工藝參數和材料切割配方工藝參數等，這樣就形成了針對激光切割加工工藝的專家數據庫。在專家數據庫的工藝參數表上，可以靈活自由地修改各種參數，最后針對不同的加工要求形成最合適的參數組。

另外，針對不同的管材材料，為了防止噴渣損壞切割頭的鏡片，切割過程中需要采用不同的穿孔模式，如連續穿孔和多級穿孔等，而且可在穿孔的過程中不斷修改穿孔氣壓、激光功率等參數。這就需要不停的修改Z軸的運動控制模式及切割工藝參數。

“這是一個非常繁瑣和需要耐心的工作，而且對控制系統的開放性、靈活性提出了很高的要求，這正好迎合了倍福CNC系統的特點。”同時負責工藝的總質量師高昌波補充道：“在倍福技術工程師王蘭立的協助下，我們現在已經研究出了多種靈活的穿孔模式，用于適應不同的切割要求（圖5）。”

圖5 法利萊總質量師高昌波與倍福的工程師在石油篩縫管切割加工車間

Internet遠程支持讓售后服務變得簡單和方便

由于BECKHOFF的CNC平臺是基于PC與Windows的平臺，只需要將現場控制機器的PC連接到Internet，遠程支持與故障診斷，甚至遠程下載程序、修改程序就變得簡單起來。并且由于BECKHOFF的CNC平臺上的所有軟件運行在一個CPU上，因此包括G代碼的修改、PLC程序的修改，以及HMI界面的修改都可以在Internet上遠程進行。

“由于本次切管機項目的機器眾多，光在一個車間就有50臺機器，而且項目周期很緊，調試工作量很大。特殊情況下，有時候在深夜，我們就可以通過Internet遠程進行技術支持與程序的修改，這確實給我們帶來了很大的方便，同時也減少了我們工程師出差的頻率，更重要的是這樣不僅能及時解決問題，還節約了大筆的出差費用。”法利萊負責技術的副總經理王征說道。（展位號：W1-C068）