開放式、可擴展的控制技術(shù)可靠實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化

凱樂(Keller)測量技術(shù)有限公司是專業(yè)開發(fā)和制造各種壓力傳感器的瑞士制造商，公司產(chǎn)品種類齊全，可滿足各種生產(chǎn)過程復(fù)雜的應(yīng)用需求。他們最近完成的一個用于預(yù)制配件的隔離膜片壓印機項目很好地說明了倍福的開放式控制技術(shù)(可以從一個簡單的桌面裝置優(yōu)化擴展為大型生產(chǎn)設(shè)備)如何實現(xiàn)要求嚴(yán)苛的生產(chǎn)過程的自動化。

瑞士凱樂測量技術(shù)有限公司總部位于溫特圖爾，由物理學(xué)畢業(yè)生兼集成硅測量單元的發(fā)明者 Hannes W. Keller 于 1974 年創(chuàng)立，是歐洲領(lǐng)先的隔離壓力傳感器和變送器制造商。擴散硅壓阻式壓力傳感器精度非常高，適用于 5 mbar...2000 bar 的壓力范圍。凱樂除了生產(chǎn) 500 多種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品之外，還可以為客戶開發(fā)定制專屬解決方案。凱樂擁有超過 35 個高度專業(yè)化的生產(chǎn)基地，既可批量生產(chǎn)工業(yè)傳感器，也可以使用最新的自動化制造工藝小批量生產(chǎn)客戶定制產(chǎn)品。壓力傳感器產(chǎn)品用途廣泛，可應(yīng)用于地下水水位監(jiān)測、飛機座艙壓力控制、油氣兩用車油氣自動轉(zhuǎn)換，以及實驗室等諸多領(lǐng)域。

傳感器隔離膜片的壓印是一個重要的工藝步驟

壓印是傳感器隔離膜片生產(chǎn)過程中一個不可或缺的的中間加工步驟，凱樂公司項目經(jīng)理 Florian Wernli 解釋道：“我們的大部分壓力傳感器都封裝在充油不銹鋼外殼中。隔離膜片對于通過油將周圍介質(zhì)的壓力傳輸至傳感器內(nèi)的測量芯片中來說至關(guān)重要。”這就需要通過一臺性能強大的自動壓印機將隔離膜片壓印成特殊的形狀。凱樂公司開發(fā)與生產(chǎn)裝備部 Bruno Thalmann 補充道：“在經(jīng)過泄漏檢測、用壓縮空氣清潔和熱平衡處理后，我們在同一工藝步驟中使用氫傳感器在高壓條件下進(jìn)行壓印并進(jìn)行確定性泄漏試驗。隨后使用圖像處理和人工智能進(jìn)行誤差檢測。”壓印機的核心部分是一臺 KUKA 機器人，它用作拾放單元，將坯件送至加工位置，并將已完成的工件分成合格品(OK)和不合格品(NOK)兩個部分。

Bruno Thalmann 在解釋這種全自動壓印和檢測系統(tǒng)的優(yōu)勢時說道：“我們的目標(biāo)是實現(xiàn)以前需要三個人工工位的生產(chǎn)過程的自動化升級，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。”Florian Wernli 證實道：“一方面，全自動生產(chǎn)過程速度更快，每個工件生產(chǎn)所需的時間僅為 15 秒，另一方面，工人每天只需要工作一班，夜間系統(tǒng)可以繼續(xù)全自動生產(chǎn)，這樣不僅減輕了工人的夜班壓力，而且還能顯著提升生產(chǎn)效率。”

開放式和模塊化控制技術(shù)優(yōu)勢顯著

凱樂自 2018 年起一直采用倍福基于 PC 的控制技術(shù)。Bruno Thalmann 看到了開放式控制系統(tǒng)編程簡單和支持的接口多樣化的優(yōu)勢。基于 PC 的控制技術(shù)還具有高可擴展性，可以輕松調(diào)整系統(tǒng)的復(fù)雜性或所需的模塊化程度，無論是集中式架構(gòu)，還是分布式架構(gòu)，都可以實現(xiàn)。倍福的 TwinCAT 3 是一個現(xiàn)代化的、面向?qū)ο蟆⒉⒓傻?Visual Studio® 中的軟件平臺，與 TwinCAT HMI 一起提供強大的可視化功能，這些功能也可以通過平板電腦操作。凱樂除了配備具有高算力的 C6920 控制柜式工業(yè) PC 之外，還使用了倍福的其它很多重要解決方案，包括采用單電纜技術(shù)(OCT)的緊湊型驅(qū)動產(chǎn)品、EtherCAT P 和 CP-link 4 單電纜解決方案、TwinSAFE 系統(tǒng)集成式安全技術(shù)，以及輕松集成具備 EtherCAT 功能的第三方組件，如視覺系統(tǒng)、流量控制器、閥島和電動夾爪。

Florian Wernli 指出，系統(tǒng)開放性優(yōu)勢的一個具體例子就是簡單集成機器人：“通過使用 EL6695 EtherCAT 橋接端子模塊和 TwinCAT Robotics mxAutomation 集成機器人后，就可以通過簡單的配置實現(xiàn)拾放功能，而無需使用專用的機器人專業(yè)知識。在實際應(yīng)用中，我們通過基于 PC 的控制技術(shù)全面控制機器人，這對我們來說是一個非常完美的解決方案。”自動化解決方案的硬件核心除了 C6920 之外，還包括通過 CP-link 4 連接、配備 21.5 英寸顯示屏和按鈕擴展件的 CP3921 多點觸控控制面板。據(jù) Florian Wernli 稱，這為設(shè)備終端用戶提供了一個操作方便、高顏值的控制單元：“對我們來說，外觀設(shè)計是整個設(shè)備方案中一個極為重要的元素。此外，高分辨率顯示器也是方便我們訪問檢測系統(tǒng)的必要條件。在此設(shè)備的設(shè)計中，遠(yuǎn)程控制面板安裝在支撐臂上，方便從各個角度全方位靈活操作。”

結(jié)構(gòu)緊湊、安裝靈活的驅(qū)動和 I/O 產(chǎn)品

由于全自動壓印機只加工小型工件，倍福的緊湊型驅(qū)動產(chǎn)品實際上就是為這類應(yīng)用而設(shè)計的。在這個應(yīng)用中，凱樂共使用了 11 個 EL7211 和 2 個 EL7221 伺服電機端子模塊、11 個帶 ZB8110 外部制動電阻的 EL9576 制動斬波器端子模塊，以及 15 個 AM8100 系列伺服電機。入口系統(tǒng)的附加運動通過三個 AX5203 伺服驅(qū)動器和 AM803x 伺服電機實現(xiàn)。

Florian Wernli 認(rèn)為，EtherCAT 在數(shù)據(jù)通信方面也有很大的優(yōu)勢：“我們一直支持 EtherCAT 標(biāo)準(zhǔn)，我們可以使用倍福及第三方供應(yīng)商提供的各種組件。另一個好處是，例如，在集成其它總線系統(tǒng)時，我們可以從多樣化的診斷功能和開放性中獲益。”他認(rèn)為另一個重要的方面是可以通過各種選項減少布線工作：“我們不再需要鋪設(shè)每一根電纜，這對我們來說是一個真正意義上的額外收獲。除了 CP-link 4 和 OCT 之外，EtherCAT P 也為我們提供了額外的優(yōu)化潛力。在 I/O 方面，我們一直采用 EtherCAT P，即對于全自動壓印機，我們采用的是 EPP 系列 I/O 端子盒。”具體來說，這些 EPP 系列 I/O 端子盒包括 1 個 EPP1004 4 通道數(shù)字量輸入端子盒，5 個 EPP1018 8 通道數(shù)字量輸入端子盒、9 個 EPP1809 和 2 個 EPP1816 16 通道數(shù)字量輸入端子盒，以及 2 個 EPP3184 4 通道模擬量輸入端子盒。

Bruno Thalmann 也確認(rèn)了 EtherCAT P 為他們帶來的實實在在的好處：“EtherCAT P 顯著簡化了我們的安裝和維護(hù)工作。例如，如果其中一個傳感器出現(xiàn)故障，只需簡單地將該傳感器的線纜從插座上拔下即可。在更換好設(shè)備后，只需將電纜再次插上，系統(tǒng)就可以再次使用了。”

更多信息：

www.beckhoff.com/twincat-hmi

www.beckhoff.com/ethercatp

圖片譯文

在需要防反射的紅光應(yīng)用場景中，凱樂公司的隔膜壓印機可以通過客戶專用的 CP3921多點觸摸控制面板從各個角度方便地進(jìn)行操作

大部分運動軸都采用倍福的 EL72x1 伺服電機端子模塊和 AM81xx 伺服電機控制，圖中顯示的是使用氣動高壓壓力機的壓花核心工藝(左)

安全功能也通過 TwinSAFE 端子模塊(右上)直接集成到 I/O 系統(tǒng)中

EL72x1 伺服電機端子模塊(頂部)和緊湊的 ZB8110 制動電阻(底部)節(jié)省控制柜空間