在石油钻采作业中，筛管是一种重要的器材，经常采用先期完井或采油防砂。石油筛缝管是在石油套管或油管上用多种方式切割出多条一定规格的纵向或螺旋直排、交错式缝隙，采用特殊超薄切割片或者光束切割后而成，其缝宽为0.2～0.5mm。缝截面为矩形、梯形（梯形角度为3? ～ 8?）和特形（圆孔）等多种形态，缝隙的布置可根据用户要求进行加工。割缝筛管是用来将所开采的液体与地层中的砂石分离的一种特殊管型，通常安装于油井、水井或地热井等无缝或焊接钢制井管最下端。由于地层的基本结构特点和接触的砂石粒度各不相同，开采液体粘稠度也存在差异，因而所需筛管的孔缝规格及形状也各有不同。开采石油时使用割缝管，可以滤掉大量砂尘，降低油管维修率。

位于湖北武汉的武汉法利莱切割系统工程有限公司（以下简称法利莱）是隶属于上市公司华工科技旗下的激光板块子公司，该公司是国内大功率激光切割机和激光焊接机领域的领先企业之一。法利莱在激光加工装备机床方面的产品线包括大功率光纤激光切割机、CO2激光切割机、中功率光纤切割机、三维激光切割机和机器人激光焊接机。随着激光切割工艺在石油筛缝管方面应用日益普及，该公司制造生产的石油筛缝管激光切割机的销量也呈现爆发式增长。以上多种激光加工装备的核心控制数控系统都采用了德国倍福基于PC的开放性软件CNC系统。尤其在石油筛缝管激光切割机中，TwinCAT CNC的开放性和灵活性得到了淋漓尽致的展示。

图1 法利莱工程师在现场认真地标记切割工艺参数

石油筛缝管激光切割机控制系统要求

以下是对数控伺服轴和PLC控制方面的具体要求，以及工艺参数的介绍。

数控伺服轴：

X轴：切割大梁X方向移动，负载较大，需要快速移动和精确定位，速度可达120m/min；

Y轴：切割大梁Y方向移动，需要快速移动和精确定位，速度可达120m/min；

Z轴：切割头上下浮动，响应要求极高；

A轴：旋转轴，带动筛缝管的旋转，准确定位；

B轴：切割头摆动，需要精确控制摆动到一定的角度；

U轴：送料轴，筛缝管长度方向送料进给；

V轴：等光程轴，CO2激光等光程控制，与Y轴有一定的电子齿轮同步动作要求。

PLC控制方面：

IO逻辑控制、气体气压、激光器和各种阀的控制。

图2 采用德国倍福AX5000伺服驱动器，EtherCAT总线通信速度快，接线简单方便

工艺参数

激光切割质量缺陷及分析激光切割筛管的关键在于合理选用工艺参数，主要包括：激光器的功率、焦点的位置、脉冲频率和占空比、切割进给速度、辅助气体压力及切割头喷嘴规格等（图1）。加工过程中，如果选用的工艺参数不合理，就会出现不同的加工质量缺陷，严重情况下可能造成整根筛管报废。

基于PC的开放式软件CNC控制平台

法利莱的筛缝管激光切割机控制系统选用了德国倍福基于PC的软件CNC平台，每台机器配置一款德国原装生产制造的工控机，工控机上运行TwinCAT CNC，利用实时工业以太网EtherCAT扩展IO模块，并采用了BECKHOFF新款AX5000系列驱动器与AM8000系列伺服电动机，7根伺服轴也是通过EtherCAT总线与工控机通信（图2）。

“这样一来，整套控制系统都是基于EtherCAT实时工业以太网的总线结构（图3），速度快、可靠性好、抗干扰能力强，而且价格便宜。采用‘一网到底’的总线结构确实简单、明了及方便。另外AM8000系列伺服电动机采用的单电缆OCT技术，将原来通用的电动机动力电缆与编码器反馈电缆合二为一，现在只需要一根电缆。在系统布线方面确实给我们带来了很大的方便，也节约了成本。”法利莱的副总经理王征说道。

图3 简洁、灵活的EtherCAT总线扩展IO模块

一台PC解决运动控制、PLC与HMI

筛缝管激光切割机一共有7根伺服轴的控制，这7根轴既有插补运动控制的要求，也有伺服轴跟随、独立定位的运动控制要求。而基于PC的TwinCAT软件正好涵盖了TwinCAT CNC、TwinCAT NC PTP与TwinCAT PLC软件，可以将插补运动控制、多轴定位运动控制及PLC控制集中到一台PC上进行控制，这样就取代了传统数控系统的运动控制CPU、PLC的CPU以及HMI的PC。“以前法利莱在使用传统数控系统的过程中，经常会碰到这三种CPU之间进行数据交换和通信，而且这三种CPU上的软件开发采用的也是不同的编程平台，往往需要2～3个工程师来配合开发定制的软件。现在采用基于倍福的平台来开发全新的机器控制系统，只需要TwinCAT CNC一个平台，一台PC就将所有的问题解决，这确实是非常吸引我们的地方。”负责筛缝管激光切割机软件系统开发的电气副总工程师高昌波解释道。

筛缝管激光切割机的工艺要求也比较复杂，因为针对不同的地下环境、地质情况以及不同的筛缝管金属材料等，对筛管上开的缝隙的要求会各不相同。特殊情况下还需要开一些梯形的孔，这种孔的要求是内壁缝隙较小，外壁缝隙稍大，这样才能很好的达到渗油的效果，同时又能达到防砂的目的。开这种梯形缝的时候，对摆动轴的控制要求会更高，需要伺服轴摆动到非常合适的角度，而且需要根据不同的壁厚，不同的梯坡度，调整摆动轴的角度。而TwinCAT NC PTP运动控制函数库正好提供了方便的接口，可以随时随地和灵活地修改摆动角度参数。

图4 激光切割加工的石油筛缝管

自由的软件修改与灵活的操作界面

如果需要切出高质量的筛缝管，激光切割工艺参数的修改和调整也非常关键，例如激光器的功率、焦点的位置、脉冲频率和占空比、切割进给速度及辅助气体压力等参数，它们的匹配程度是否合适往往决定了切割的质量（图4）。而这些参数的修改需要做到快捷、方便和灵活。

TwinCATTcHmiPro是BECKHOFF为人机操作界面提供的一个基于.NET的开放式平台。操作界面由C#语言编写，非常完美的将ADS通信、自动化功能、手动操作及变量监控整合到一个平台。在此基础上，BECKHOFF还提供完整的针对激光切割工艺需求的HMI组件，包括激光工艺参数和材料切割配方工艺参数等，这样就形成了针对激光切割加工工艺的专家数据库。在专家数据库的工艺参数表上，可以灵活自由地修改各种参数，最后针对不同的加工要求形成最合适的参数组。

另外，针对不同的管材材料，为了防止喷渣损坏切割头的镜片，切割过程中需要采用不同的穿孔模式，如连续穿孔和多级穿孔等，而且可在穿孔的过程中不断修改穿孔气压、激光功率等参数。这就需要不停的修改Z轴的运动控制模式及切割工艺参数。

“这是一个非常繁琐和需要耐心的工作，而且对控制系统的开放性、灵活性提出了很高的要求，这正好迎合了倍福CNC系统的特点。”同时负责工艺的总质量师高昌波补充道：“在倍福技术工程师王兰立的协助下，我们现在已经研究出了多种灵活的穿孔模式，用于适应不同的切割要求（图5）。”

图5 法利莱总质量师高昌波与倍福的工程师在石油筛缝管切割加工车间

Internet远程支持让售后服务变得简单和方便

由于BECKHOFF的CNC平台是基于PC与Windows的平台，只需要将现场控制机器的PC连接到Internet，远程支持与故障诊断，甚至远程下载程序、修改程序就变得简单起来。并且由于BECKHOFF的CNC平台上的所有软件运行在一个CPU上，因此包括G代码的修改、PLC程序的修改，以及HMI界面的修改都可以在Internet上远程进行。

“由于本次切管机项目的机器众多，光在一个车间就有50台机器，而且项目周期很紧，调试工作量很大。特殊情况下，有时候在深夜，我们就可以通过Internet远程进行技术支持与程序的修改，这确实给我们带来了很大的方便，同时也减少了我们工程师出差的频率，更重要的是这样不仅能及时解决问题，还节约了大笔的出差费用。”法利莱负责技术的副总经理王征说道。（展位号：W1-C068）