微秒精度的調(diào)味汁定量分配

　　和完美的重復(fù)定位精度

　　在處理連續(xù)產(chǎn)品流時(shí)，如何將番茄醬涂在比薩餅底或?qū)⒋笏忉u涂在皮塔餅上？如何飛速裝飾好圣誕節(jié)或復(fù)活節(jié)餅干？總部位于荷蘭奈梅亨的 Foodjet 公司已研發(fā)出各種食物分配系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)上述這些挑戰(zhàn)，其中一款就是大型可移動(dòng)沉積裝置（MDL）。

　　“我們的 MDL 定量加料裝置的優(yōu)點(diǎn)是，可以靈活地根據(jù)每個(gè)產(chǎn)品的尺寸和形狀調(diào)整打印圖案。”Foodjet 公司銷售和市場(chǎng)主管 Dirk Schindler 解釋道。例如，隨著越來(lái)越多的供應(yīng)商傾向于使用手工制作比薩面餅，傳統(tǒng)的圓形比薩餅底正逐步被非標(biāo)準(zhǔn)圓形的餅底所取代。事實(shí)上，很多食物的形狀都不是圓形的，但這些產(chǎn)品仍應(yīng)始終保持邊緣干凈。“這意味著我們必須精確掃描裝配線上的每一個(gè)比薩餅座，這樣我們的打印頭就能準(zhǔn)確地知道在哪里沉積調(diào)味汁。”Dirk Schindler 指出了第一個(gè)挑戰(zhàn)。畢竟，確保設(shè)備產(chǎn)能不受影響是至關(guān)重要的。

　　???　　裝配線上不再有不受歡迎的手工作業(yè)

　　“MDL 能夠幫助客戶解決其中一個(gè)痛點(diǎn)問(wèn)題。”Dirk Schindler 強(qiáng)調(diào)道。盡管一些工藝流程已完全自動(dòng)化，但很多情況下，仍需要有人員站在裝配線上用勺子將調(diào)味汁涂在餅底四周。“這項(xiàng)工作不僅壓力很大，而且涂抹量也會(huì)不精確，會(huì)造成重量上下波動(dòng)。”如果需要，F(xiàn)oodjet 可以很輕松地為有興趣的買家量化這個(gè)成本池。

　　裝飾品的投資回報(bào)率也很難計(jì)算：裝飾品實(shí)際能貢獻(xiàn)多少銷售額？這真的是一種爭(zhēng)取更多市場(chǎng)份額的有效方式嗎？“可能是的。”這是 Dirk Schindler 一直以來(lái)聽(tīng)到的最多的答案。

　　Foodjet 注意到，這是市場(chǎng)目前高度關(guān)注的話題，因?yàn)橐呀?jīng)有第一批食品制造商做出了改變，沒(méi)有人愿意、也不應(yīng)該被甩在身后。因此，企業(yè)現(xiàn)在必須能夠根據(jù)季節(jié)調(diào)整配料，靈活地裝飾自己的產(chǎn)品，比如圣誕節(jié)的星星、復(fù)活節(jié)的兔子以及情人節(jié)的愛(ài)心，等等。倍福基于 PC 的控制技術(shù)幫助 Foodjet 克服了這類技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　例如，為了保持比薩餅生產(chǎn)線高速運(yùn)轉(zhuǎn)，F(xiàn)oodjet 的設(shè)備必須能夠以閃電般的速度確定配料模式。相機(jī)系統(tǒng)和分配頭之間的距離通常為 85 厘米，只有半秒鐘的時(shí)間進(jìn)行所需的計(jì)算。“相機(jī)必須在一幀內(nèi)捕捉到比薩餅。”控制系統(tǒng)工程師 Ed de Leur 解釋道。只有在比薩餅底被全部掃描后，才能創(chuàng)建圖案并計(jì)算打印頭的各個(gè)點(diǎn)，讓一切與正在運(yùn)行中的傳送帶同步。

　　由 AX8000 多軸伺服系統(tǒng)控制的 AM8800 不銹鋼伺服電機(jī)將調(diào)味汁可靠地泵送給打印頭。

　　???　　以微秒精度單獨(dú)控制 48 個(gè)打印頭

　　第二個(gè)挑戰(zhàn)是需要高重復(fù)精度。“我們對(duì)伺服泵進(jìn)行了研究，以便能夠在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將所需的調(diào)味汁推過(guò)噴嘴。”Ed de Leur 說(shuō)道。將這些噴嘴精確控制在毫升范圍內(nèi)對(duì)液滴形狀有重要影響，因此也會(huì)影響調(diào)味汁的沉積整齊程度。“通過(guò) MDL 中集成的倍福控制系統(tǒng)，這個(gè)精度可以達(dá)到 20 μs。”Ed de Leur 說(shuō)道。

　　此外還須考慮打印頭的特殊布局：最多可有 48 個(gè)打印頭布署在多個(gè)平版印刷排中，并向著傳送帶的行進(jìn)方向傾斜。這樣就可以通過(guò)縮短噴嘴之間的有效作用距離來(lái)提高分辨率；但前排的噴嘴必須比后排的噴嘴更早開(kāi)始工作。這意味著：“我們必須單獨(dú)控制每個(gè)噴嘴，同時(shí)確保每個(gè)噴嘴分配相同份量的調(diào)味汁。”Ed de Leur 解釋道。

　　???　　用軟件功能取代機(jī)械裝置

　　“我們經(jīng)常看到制造商會(huì)想出各種花樣，將面餅底整整齊齊地排列在傳送帶上。”Dirk Schindler 透露道。而使用 MDL 就完全不需要這些工作，因?yàn)槊骘灥男螤詈头较虿辉僦匾Ｔ谑褂?Foodjet Food Designer 軟件創(chuàng)建配方時(shí)，只需要設(shè)置調(diào)味汁和餅底邊緣之間的距離參數(shù)。隨后，系統(tǒng)就可以精準(zhǔn)地分層放置每個(gè)產(chǎn)品。Ed de Leur 解釋道：“對(duì)客戶來(lái)說(shuō)，他們不再需要示教設(shè)備各種式樣，這是一個(gè)重大的勝利。”

　　如果需要，甚至是比薩和法棍也可以在傳送帶上一個(gè)接一個(gè)地隨機(jī)運(yùn)行，并且仍能在上面添加配料。更重要的是，MDL 可以在掃描過(guò)程中識(shí)別出不符合規(guī)格要求的餅底，并能夠在添加配料之前將這些餅底分揀出來(lái)。“這種控制方法已經(jīng)成為我們的固定工作流程。”Dirk Schindler 說(shuō)道。

　　MDL 系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)計(jì)算出各種式樣，Ed de Leur 很清楚的一點(diǎn)是：“控制技術(shù)必須來(lái)自倍福。我對(duì)所有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都很熟悉，但由于我們的應(yīng)用非常特殊，因而沒(méi)有幾家控制器廠家提供的產(chǎn)品是我們真正需要的。倍福產(chǎn)品不僅能夠提供足夠的算力，還可以直接在 Windows 內(nèi)核上編程，這是其他 PLC 廠家根本無(wú)法提供的，就算有，價(jià)格也太貴，根本買不起。”倍福荷蘭分公司業(yè)務(wù)拓展專員 Nikolas Eimer 補(bǔ)充道：“不是每個(gè)客戶都需要如此大規(guī)模地使用我們的嵌入式控制器產(chǎn)品。Foodjet 的工藝是速度最快的高端應(yīng)用之一。”

　　Foodjet 公司使用了一臺(tái)搭載 Intel® CoreTM i7 四核處理器的 CX2040 嵌入式控制器，確保在 150 μs 內(nèi)完成計(jì)算過(guò)程，并通過(guò) EtherCAT 傳輸計(jì)算結(jié)果，完成最重要的實(shí)際打印任務(wù)。填充打印頭中的緩沖區(qū)可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間，而伺服泵的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，Ed de Leur 估計(jì)需要 500 μs。最后，還有 HMI、安全功能和壓力測(cè)量等一些常規(guī)任務(wù)，對(duì)于這些任務(wù)，50 毫秒的周期時(shí)間就足夠了。Ed de Leur 對(duì)倍福平臺(tái)提供的自由選擇非常滿意：“倍福的 I/O 產(chǎn)品種類非常豐富，不僅有用于控制閥門或泵的標(biāo)準(zhǔn)端子模塊，還有一些特殊型號(hào)。”

　　對(duì)于 HMI，F(xiàn)oodjet 決定使用 C# 開(kāi)發(fā)可視化應(yīng)用，并在 Windows 環(huán)境下運(yùn)行。基于 PC 的控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，盡管對(duì)于打印頭的實(shí)時(shí)性要求很高，但應(yīng)用程序可以在同一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這是因?yàn)?HMI 在不同的 CPU 內(nèi)核上運(yùn)行。“基于 PC 的控制技術(shù)的另一個(gè)真正優(yōu)勢(shì)是，軟件開(kāi)發(fā)人員可以在同一個(gè)硬件平臺(tái)上自由運(yùn)行不同的應(yīng)用程序。” Ed de Leur 說(shuō)道。這位自動(dòng)化專家對(duì)于與倍福的合作也稱贊不已：“我是一個(gè)典型的軟件工程師，喜歡直接上手并嘗試解決一些問(wèn)題。”由于交付周期很短，問(wèn)題往往出現(xiàn)在交付后。因此，對(duì)于 Ed de Leur 來(lái)說(shuō)，迅速獲得解決問(wèn)題的辦法和支持最為重要。“與倍福的合作在這方面也卓有成效。”Ed de Leur 強(qiáng)調(diào)道。

　　Foodjet 公司的視覺(jué)系統(tǒng)目前仍在使用單獨(dú)的 PC；但他們的目標(biāo)是將圖像處理系統(tǒng)也整合到倍福平臺(tái)中，因?yàn)閮蓚€(gè)系統(tǒng)之間的定時(shí)同步可能相當(dāng)復(fù)雜。“倍福技術(shù)已經(jīng)為集成做好了準(zhǔn)備，只是我們還沒(méi)有時(shí)間來(lái)落實(shí)。”Ed de Leur 解釋道。

　　Foodjet 公司工程師 Ed de Leur 正在設(shè)置 MDL 系統(tǒng)。“我們必須在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將適量的調(diào)味汁推過(guò)數(shù)十個(gè)噴嘴。我實(shí)在想不出還有什么比基于 PC 的控制技術(shù)更適合實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。”

　　???　　從全表面繪畫(huà)到復(fù)雜的繪圖

　　“下一個(gè)邏輯步驟是將 MDL 技術(shù)也應(yīng)用于食物裝飾，但這將涉及到不同的速度、分辨率和產(chǎn)量。”Dirk Schindler 說(shuō)道，這是目前面臨的挑戰(zhàn)。Foodjet 已經(jīng)順應(yīng)這一市場(chǎng)需求成功研發(fā)出了設(shè)備，并決定為這些設(shè)備全部配備基于 PC 的控制技術(shù)。我們的目標(biāo)是針對(duì)所有行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)一個(gè)通用的控制平臺(tái)。

　　Foodjet 還在研究通過(guò)兩套依次放置的 MDL 系統(tǒng)混合不同的調(diào)味汁。第一臺(tái) MDL 用于打印番茄醬，第二臺(tái)設(shè)備用于添加意大利乳清干酪、法式白醬或橄欖油。“這樣的效果已經(jīng)很好了，”Dirk Schindler 說(shuō)道，“但還有改進(jìn)空間。”例如，如果在依次涂抹完奶酪的餅底上再添加少量的番茄醬，就可以保證比薩餅口味的一致性。或者可以將配料分成兩半，在比薩餅的一邊涂上番茄醬，將另一邊做成較辣的版本。有了 Foodjet Designer Studio 軟件和基于 PC 的控制技術(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)這些改變，滿足各種個(gè)性化需求。

　　關(guān)于德國(guó)倍福

　　倍福（Beckhoff）是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)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(gè)工控領(lǐng)域提供開(kāi)放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過(guò) 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

　　倍福于 1997 年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，中國(guó)區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國(guó)內(nèi) 30 座大中城市。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(yáng)能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。

　　公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開(kāi)放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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