全集成控制平臺在高效、高精度變壓器鐵芯生成設(shè)備中的應(yīng)用
在變壓器鐵芯制造中，生產(chǎn)效率的提升不能以犧牲工件加工精度為代價。因此，OEM 制造商 Micro Tool & Machine 公司（MTM）在重新設(shè)計其 X-Shear 剪切機(jī)時，將重復(fù)精度作為首要任務(wù)。在將自動化技術(shù)從傳統(tǒng)的 PLC 轉(zhuǎn)換到倍福全集成控制平臺后，他們的生產(chǎn)效率提高了一半以上，同時加工精度也獲得很大提升。
MTM 總部位于加拿大馬尼托巴省溫尼伯市，為生產(chǎn)中型電力變壓器，同時也為航空航天和醫(yī)療等其它行業(yè)提供各種機(jī)械設(shè)備解決方案。公司自 1964 年成立以來，一直提供深度定制化服務(wù)，以適應(yīng)獨(dú)特的工藝流程或設(shè)施布局。
兩個庫卡關(guān)節(jié)型機(jī)器人與倍福基于 PC 的控制技術(shù)進(jìn)行相結(jié)合，堆放剪切好的疊片。
XS600-P20E X-Shear 剪切機(jī)通過基于 PC 的自動化技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)變壓器鐵芯疊片的剪切、碼垛和組裝。在剪切單元中，設(shè)備使用 X 形刀片配置，用不同寬度的疊層線圈剪切出任何所需的幾何形狀。隨后，兩個庫卡關(guān)節(jié)型機(jī)器人與兩個拾放機(jī)械手一起組裝鐵芯。系統(tǒng)設(shè)計為在電子碼垛模式下一次最多可剪切和組裝 4 個變壓器鐵芯，在非電子碼垛模式下，將剪切好的疊片分揀成 30 段堆放。
MTM 總經(jīng)理 Gord Atamanchuk 說，X-Shear 剪切機(jī)長 13 米（43 英尺），寬 8 米（26 英尺），其占地面積已經(jīng)比許多競爭對手的設(shè)備小了三倍。“我們的集成式裝卸方法有效減少了設(shè)備的體積。”其它大多數(shù)設(shè)備都是以線性方式堆放碼垛堆，而我們使用的是節(jié)省空間的網(wǎng)格方式堆放。在重新設(shè)計設(shè)備期間，MTM 公司工程師們非常注重在提升產(chǎn)能的同時提高剪切精度，并降低組件和人工成本。
多任務(wù)處理能力是關(guān)鍵
“最關(guān)鍵的一點(diǎn)是實(shí)施一臺真正的多任務(wù)控制器。我們之前使用的控制平臺沒有達(dá)到我們對 Runtime 系統(tǒng)的要求。而且系統(tǒng)在執(zhí)行條件或指令方面的能力有限。這意味著每分鐘生產(chǎn)的工件較少。”MTM 公司電氣總工程師 Eduard Streichert 解釋說道。在這次重新設(shè)計之前的五年里，工程團(tuán)隊已經(jīng)將 MTM 產(chǎn)品系列中的所有其它設(shè)備都轉(zhuǎn)換為配備倍福基于 PC 的控制技術(shù)。現(xiàn)在，他們已經(jīng)準(zhǔn)備好更新規(guī)模最大、技術(shù)最復(fù)雜的設(shè)備。
配備定制按鈕擴(kuò)展件的 21.5 英寸 CP3921 多點(diǎn)觸控控制面板用作切割單元的操作界面，堆垛單元上使用的是尺寸較小的觸摸屏。
MTM 使用 TwinCAT 3 自動化軟件和倍福的 C6930 控制柜式工業(yè) PC 中實(shí)施了多任務(wù)控制系統(tǒng)，可以顯著提升 X-Shear 剪切機(jī)性能。TwinCAT 中的多 Runtime 和內(nèi)核隔離功能能夠高確定性地控制并行任務(wù)，包括 X 型剪切機(jī)使用的高速協(xié)調(diào)運(yùn)動。TwinCAT 將編程環(huán)境集成到 Visual Studio® 中，讓程序員能夠使用最適合于項目和工程師的語言，包括 IEC 61131-3 和高級語言。
據(jù) Eduard Streichert 介紹，C6930 控制柜式工業(yè) PC 搭載第七代 Intel® Core™ i5 四核處理器，其高算力令人印象深刻。“作為一臺真正的多任務(wù)控制器，C6930 可以有效縮短設(shè)備循環(huán)時間，從而大幅提高產(chǎn)能。工業(yè) PC 為 PC 和 PLC 技術(shù)提供了一個綜合解決方案。包括連接上位系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程支持、存儲配方以及在 Visual Basic 中運(yùn)行 HMI 所需的一切。”
此外，MTM 還選擇了一臺帶定制化按鈕擴(kuò)展件的 CP3921 多點(diǎn)觸控控制面板用作操作界面。這臺防護(hù)等級為 IP 65 的 21 英寸觸摸屏安裝在剪切單元的立柱上。“這也是 MTM 第一次使用通過一根標(biāo)準(zhǔn)的 CAT.6A 電纜供電及傳輸 USB 2.0 和 DVI 信號的 CP-Link 4 單電纜解決方案連接面板。”倍福區(qū)域銷售工程師 Amir Kassaian 解釋說道。碼垛單元還具有操作便利性高的特點(diǎn)，內(nèi)置一臺 12 英寸 CP2912 多點(diǎn)觸控控制面板。
倍福的 EtherCAT 和先進(jìn)的運(yùn)動控制系統(tǒng)顯著提高加工速度
倍福系統(tǒng)應(yīng)用專家 Chris Timmermans 認(rèn)為，運(yùn)動控制系統(tǒng)和組網(wǎng)升級是 X-Shear 剪切機(jī)項目中最重要的部分之一。“MTM 全面轉(zhuǎn)換為使用倍福控制平臺，配備了 AX5000 伺服驅(qū)動器和 AM8000 伺服電機(jī)，以及各種用于剪切軸的減速機(jī)。用于控制伺服電機(jī)的 EL7211 EtherCAT 端子模塊也與采用了單電纜技術(shù)的 AM8100 伺服電機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高度緊湊的運(yùn)動控制解決方案。”Timmermans 說道。TwinCAT 軟件工具可以幫助微調(diào)各種運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)最高精度，Eduard Streichert 解釋道：“我們使用 TwinCAT Scope View 調(diào)整 X-Shear 剪切機(jī)上的電機(jī)，真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能最大程度的提升。”
倍福基于 EtherCAT 的驅(qū)動產(chǎn)品，其中 AX5000 伺服驅(qū)動器提升了整臺設(shè)備的運(yùn)動控制性能和反饋系統(tǒng)性能。
EtherCAT 系統(tǒng)具有通信速度快，靈活性高的特點(diǎn)，支持實(shí)現(xiàn)各種硬件解決方案。EtherCAT 端子模塊產(chǎn)品包含各種適合安裝在控制柜中的 I/O 以及可以直接安裝在設(shè)備上的 IP67 級 EtherCAT 端子盒。此外，經(jīng)過 TüV 認(rèn)證的 TwinSAFE 安全端子盒和安全端子模塊可以在 TwinCAT 中靈活編程并通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，同時省去了“黑盒子”安全開關(guān)設(shè)備硬接線所需的工程設(shè)計工作。
“集成式架構(gòu)在調(diào)試和性能方面帶來了許多優(yōu)勢。”Eduard Streichert 說道。“EtherCAT 和 TwinSAFE 解決方案與 CP-Link 4 相結(jié)合，顯著減少了電纜布線和接線工作。EP 端子模塊允許控制器采集傳感器以及分布在整臺 X-Shear 剪切機(jī)中的液壓和氣動設(shè)備中的信號，幫助我們在減少開支的同時，實(shí)現(xiàn)了性能的提升。”
優(yōu)化性能
在轉(zhuǎn)為使用倍福控制平臺后，MTM 的 XS600-P20E X-Shear 剪切機(jī)的性能和功能都得到了顯著提升。剪切機(jī)的最大剪切速度提高到每分鐘 34 片，速度比以前使用的基于傳統(tǒng) PLC 的機(jī)型提高了 55%。這些成果部分是由于 PLC 的周期時間明顯快于 1 ms。除了減少布線工作量和控制柜中占用的空間以及降低相關(guān)組件的成本之外，倍福的工程師還幫助 MTM 優(yōu)化了伺服電機(jī)的尺寸。因此，X-Shear 剪切機(jī)的重新設(shè)計完成了其關(guān)鍵目標(biāo)：保持高剪切精度，并通過提高整體性能增加設(shè)備的核心競爭力。
關(guān)于德國倍福
倍福（Beckhoff）公司總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術(shù)的驅(qū)動者，倍福定義了自動化領(lǐng)域的許多國際標(biāo)準(zhǔn)。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和TwinCAT自動化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領(lǐng)域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。倍福于1997年進(jìn)入中國市場，致力于幫助制造企業(yè)提升競爭優(yōu)勢，加速轉(zhuǎn)型升級。倍福在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)，公司所倡導(dǎo)的PC控制技術(shù)具有良好的開放性，將IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動化技術(shù)完美融合，助力實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造。憑借領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢和豐富的行業(yè)知識，倍福的創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、物流輸送以及樓宇自控等眾多領(lǐng)域。
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