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自適應(yīng)制造——XPlanar平面磁浮輸送系統(tǒng)

發(fā)布時間:2025-02-14 作者:Jeff Johnson


圖片來源:倍福
  重新設(shè)計的生產(chǎn)線提供了完全的靈活性,以適應(yīng)各種端子類型的同步編程和測試。
  面對不斷變化的市場需求,只靠開發(fā)自動化、輸入/輸出(I/O)系統(tǒng)和機電一體化技術(shù)來幫助制造企業(yè)重新思考可能性是不夠的。使用自適應(yīng)制造解決方案,自動化內(nèi)部應(yīng)用可以提供幫助。
  01  快速提高生產(chǎn)線效率
  對于位于德國Verl的倍福全球總部演示系統(tǒng)部門的負(fù)責(zé)人Michael Golz來說,與制造業(yè)的增長保持同步是一項持續(xù)的挑戰(zhàn)。2021年秋季,Golz的團(tuán)隊和產(chǎn)品管理專家重新構(gòu)想了如何對輸入/輸出(I/O)組件進(jìn)行最終檢查。目標(biāo)是在高混合、低容量過程中成倍提高測試能力。
  他們對 I/O 端子模塊的最終檢驗系統(tǒng)采取了一種全新的自適應(yīng)解決方案:XPlanar 輸送系統(tǒng),專門開發(fā)的固件編程工站,以及使用通用測試柜的測試工站。該系統(tǒng)每個班次可以全自動編程、調(diào)整和測試約 10,000 個端子模塊。這一概念依賴于基于PC的控制和諸多EtherCAT解決方案,并與專門開發(fā)的固件和測試站協(xié)同工作。這種技術(shù)組合可以為當(dāng)前和未來提供較高的速度、吞吐量以及靈活性?!盁o論端子類型和交付順序如何,平均每隔 3 秒就有一個 I/O 端子模塊完成固件寫入并經(jīng)過測試后離開系統(tǒng)?!?Golz說。

▲倍福公司基于XPlanar的浮動塊運動控制系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化,利用無縫監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)最大吞吐量。
這可以確保實現(xiàn)倍福 I/O產(chǎn)品的高效編程、調(diào)整、校準(zhǔn)和功能測試。
倍福AMI8100尺寸緊湊,集成了伺服驅(qū)動進(jìn)料和出料托盤, 48V運行和EtherCAT通信。
  目前,該系統(tǒng)可以對大約 80% 的終端類型進(jìn)行編程和測試。系統(tǒng)中的產(chǎn)品組合在任何時候都不會影響生產(chǎn)線的吞吐量……這一點非常重要。考慮到終端的多樣性——有無現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)、控制器或模擬通道——每個端子的編程和后續(xù)功能測試所需的時間不同。
  “安裝固件和調(diào)整所有模擬通道可能需要30秒?!盨tefan Engelke說,他和他的團(tuán)隊一起開發(fā)了通用測試柜。解決這個時間問題的辦法是并行與分開固件安裝和功能測試。這本身并不是一個突破性的想法;具有開創(chuàng)性的部分是系統(tǒng)地使用 XPlanar 的自由度完成整個內(nèi)部物流并將端子模塊送入到各工站。
  由于產(chǎn)品能夠進(jìn)行自由的二維平面運動,總線端子模塊在測試工站中花費的時間是 10 秒還是 1 分鐘,都無關(guān)緊要。其余的動子簡單地經(jīng)過被占用的工站,移動到下一個空閑工站。因此,系統(tǒng)的整體輸出不受個別工序延遲的影響。
  02  更靈活、透明和簡單的輸送
  當(dāng)承載I/O端子的托盤從進(jìn)料站移動到揀選站時,過程就開始了。Delta機器人拿起端子,把它們放在等待的傳輸帶上。該系統(tǒng)有兩條主要路徑,幾乎像高速公路一樣,左右分別通往編程站和測試站。車站位于兩條車道的“停車位”。在車道之間,Xplanar動子在第三條路徑上返回?fù)焓捌?。通過這種對稱設(shè)置,即使系統(tǒng)的另一側(cè)發(fā)生故障,這一側(cè)也可以繼續(xù)運行。

▲I/O端子的編程和測試時間沒有變化,但吞吐量卻發(fā)生了顯著變化:
一個經(jīng)過編程和充分測試的端子,只需3秒就可以下線。
  Xplanar動子將讀取站下方的端子傳遞到橫向編程站。讀取站通過多個視覺硬件和軟件技術(shù),來捕獲每個端子唯一的倍福自動化識別碼(BIC)。負(fù)責(zé)系統(tǒng)編程的Ulrich Brockhaus說:“之后,系統(tǒng)獲取端子類型,并完全自主地完成所有工作——編程、必要時調(diào)整模擬通道和功能測試?!?/div>
  同時,BIC通過其ID與動子“匹配”。即使在停電后,動子的ID也可用于跟蹤每個單獨Xplanar動子或端子的位置。當(dāng)動子到達(dá)自由編程站時,它會將端子精確地定位在其接觸引腳下方。然后,根據(jù)端子的BIC將相應(yīng)的固件加載到端子上。
  然后,它移動到通用測試站,該測試站根據(jù)BIC調(diào)用設(shè)備特定的測試序列。如果軟件已正確加載并且功能測試報告沒有問題,則動子將端子通過中間軌道,運送到分揀站的第二臺Delta機器人上,該機器人將端子放置在另一個托盤上。動子第二次通過讀取站,只是方向相反。Engelke說:“由于在回程軌道上重新占據(jù)BIC,該端子已被預(yù)訂。固件的安裝和每個單獨端子的功能測試,都記錄在中央數(shù)據(jù)庫中,包括模擬端子的所有調(diào)整值?!?/div>

▲在三條通道上方配置視覺系統(tǒng),在端子通過時可以捕獲其DataMatrix代碼,
然后將其與Xplanar動子的ID匹配。
  03  在基于平面模塊的運動控制中使用所有自由度
  由100個平面模塊組成的系統(tǒng)構(gòu)成了這一快速、靈活過程的基礎(chǔ)。Golz說,這兩條主要路徑有兩條出站車道,中間是6組帶有非接觸式動子的平面模塊,每個模塊組包含3 x 4個塊。
  對于附加組件(程序員和測試人員),剩余的28個模塊被安裝到基本系統(tǒng)的側(cè)面。每個安裝位置都有一個標(biāo)準(zhǔn)化的接口,包括電源(400 Vac)、安全、以太網(wǎng)局域網(wǎng)(LAN)以及EtherCAT。負(fù)責(zé)系統(tǒng)機械設(shè)計和端子連接具體細(xì)節(jié)的Daniel Golz表示:“界面和系統(tǒng)布局使未來擴展成為可能,而無需進(jìn)行重大的轉(zhuǎn)換工作?!?/div>
  平面磁懸浮輸送系統(tǒng)實現(xiàn)了高度模塊化的機器,同時簡化了很多部分的機械結(jié)構(gòu)。例如,編程站使用XY精度定位。因此,在到達(dá)端子觸點的確切位置后,程序員可以立即降低引腳,并開始加載固件。
  在測試站,另一個減少設(shè)計工作的特點是可變高度。當(dāng)它到達(dá)測試站時,動子首先升起,以便測試站的滑入單元可以在端子下方移動。然后,動子再次降低其懸停高度,使端子停在滑入單元上,并被拉入測試儀。因此,所有接觸點都可以自由訪問并連接。測試后,端子以相反的順序返回到動子。
  在插入和移除過程中,動子的旋轉(zhuǎn)選項再次發(fā)揮作用。它可以旋轉(zhuǎn)180度,具體取決于系統(tǒng)使用的哪一側(cè)。

▲在用TwinCAT HMI創(chuàng)建的可視化視圖中,實時顯示了懸停在總共100個
XPlanar平面模塊上的33個動子的位置。
  04  平面非接觸式運動控制系統(tǒng)的優(yōu)勢
  這一功能還大大降低了機械的復(fù)雜性,并使兩側(cè)的測試儀和編程器節(jié)省空間配置成為可能。系統(tǒng)布局受益于以下四個特性:
  1.平面產(chǎn)品移動可以實現(xiàn)端子傳輸?shù)膫€性化,并促進(jìn)編程和測試站的并行處理。
  2.XY精確定位意味著編程站不需要外部機構(gòu)協(xié)助定位。
  3.借助Z軸運動(提升/降低)輸送總線端子模塊,簡化了測試工站的復(fù)雜機械裝置。
  4.360度旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)了系統(tǒng)的鏡像對稱設(shè)置。

▲電動執(zhí)行器幫助插入端子架,線性執(zhí)行器降低管腳。
  測試站不僅僅檢查端子的電氣性能和功能。Engelke說:“對于具有模擬信號的端子,還包括相應(yīng)的測試序列和校準(zhǔn)?!奔傻囊曈X系統(tǒng)檢查棱鏡是否存在并處于正確的位置,并測量端子中LED的顏色和光譜強度。
  使用通用測試柜,可以在系統(tǒng)上自動測試各種功能和不同測量范圍的EtherCAT端子。其完整的測量和測試系統(tǒng)主要針對精確測量終端。測試柜安裝在移動柜中,通過插頭連接器與系統(tǒng)相連,可以在不關(guān)閉整個系統(tǒng)的情況下快速更換。這需要定期進(jìn)行,因為終端是測量設(shè)備,必須在特定周期內(nèi)重新校準(zhǔn)和認(rèn)證。
  在整體協(xié)調(diào)和評估中,基于PC控制的優(yōu)勢顯而易見。如果測試儀檢測到端子存在差異,則通過BIC進(jìn)行登記,同時測試儀將端子發(fā)回編程站重新進(jìn)行配置。但是,如果錯誤消息在編程器或測試儀上累積,則表明存在故障。“在這種情況下,測試儀會向系統(tǒng)報告不可用。在檢查測試儀并在必要時進(jìn)行更換之前,動子無法再次接近此位置。”Brockhaus說。

▲新系統(tǒng)中的大多數(shù)系統(tǒng)元件和移動測試柜都是由倍福自動化產(chǎn)品組合中的組件構(gòu)建的。
  盡管該系統(tǒng)將在少一個站點的情況下運行,但它仍然處于啟動和運行狀態(tài),并且不會明顯變慢。“可能給客戶帶來任何問題的 I/O 終端不會離開我們的系統(tǒng)。”Michael Golz 說。
  對于基于PC的控制如何執(zhí)行各種任務(wù)和功能,該系統(tǒng)是一個典型案例。除了控制柜工業(yè)服務(wù)器用于協(xié)調(diào)100塊中的33個動子外,還有10臺超緊湊型工業(yè)PC控制其它系統(tǒng)組件。
  Delta機器人的驅(qū)動技術(shù)采用多軸伺服系統(tǒng)和伺服電機。Brockhaus說,該設(shè)計使用集成伺服驅(qū)動器來進(jìn)料和彈出托盤,因為它們非常緊湊,只需要EtherCAT和48 V即可運行。
  編程人員使用線性執(zhí)行器來接觸端子,測試人員使用電動執(zhí)行器來送入端子載體。所有機器的安全技術(shù)都是通過集成安全技術(shù)的EtherCAT I/O系統(tǒng)來實現(xiàn)的。除了許多串聯(lián)端子外,EtherCAT 測量端子模塊還安裝在四個測試柜中。
  倍福自動化 I/O生產(chǎn)主管Michael Klasmeier表示:“我們的I/O端子產(chǎn)品組合提供了豐富的功能,從2通道數(shù)字輸入端子到緊湊型驅(qū)動模塊,具有不同程度的復(fù)雜性。這些產(chǎn)品的年產(chǎn)量從幾千到幾十萬不等。我們的目標(biāo)是在現(xiàn)有員工數(shù)量和可用空間不變的情況下提高產(chǎn)量,如果沒有自動化檢測,這是不可能完成的任務(wù)。”
  關(guān)鍵概念: 
  ■ 使用平面非接觸式運動系統(tǒng)和精確定位,新系統(tǒng)的模塊化布局可以確保適應(yīng)性和運營效率,在未來無需大修就可以實施擴展。
  ■ 新系統(tǒng)顯著提高了測試能力,展示了自適應(yīng)技術(shù)集成和流程優(yōu)化的力量。
  思考一下: 
  智能輸送系統(tǒng)能為企業(yè)帶來哪些好處?

標(biāo)簽:I/O,EtherCAT,倍福,伺服驅(qū)動

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