自適應(yīng)制造——XPlanar平面磁浮輸送系統(tǒng)
發(fā)布時(shí)間：2025-02-14 作者：Jeff Johnson
圖片來源：倍福
重新設(shè)計(jì)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(cè)試。
面對(duì)不斷變化的市場(chǎng)需求，只靠開發(fā)自動(dòng)化、輸入/輸出（I/O）系統(tǒng)和機(jī)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(dòng)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(duì)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(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)。2021年秋季，Golz的團(tuán)隊(duì)和產(chǎn)品管理專家重新構(gòu)想了如何對(duì)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(cè)試能力。
他們對(duì) I/O 端子模塊的最終檢驗(yàn)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(cè)試柜的測(cè)試工站。該系統(tǒng)每個(gè)班次可以全自動(dòng)編程、調(diào)整和測(cè)試約 10,000 個(gè)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(cè)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。“無論端子類型和交付順序如何，平均每隔 3 秒就有一個(gè) I/O 端子模塊完成固件寫入并經(jīng)過測(cè)試后離開系統(tǒng)。” Golz說。
▲倍福公司基于XPlanar的浮動(dòng)塊運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化，利用無縫監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大吞吐量。
這可以確保實(shí)現(xiàn)倍福 I/O產(chǎn)品的高效編程、調(diào)整、校準(zhǔn)和功能測(cè)試。
倍福AMI8100尺寸緊湊，集成了伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)料和出料托盤， 48V運(yùn)行和EtherCAT通信。
目前，該系統(tǒng)可以對(duì)大約 80% 的終端類型進(jìn)行編程和測(cè)試。系統(tǒng)中的產(chǎn)品組合在任何時(shí)候都不會(huì)影響生產(chǎn)線的吞吐量……這一點(diǎn)非常重要。考慮到終端的多樣性——有無現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)、控制器或模擬通道——每個(gè)端子的編程和后續(xù)功能測(cè)試所需的時(shí)間不同。
“安裝固件和調(diào)整所有模擬通道可能需要30秒。”Stefan Engelke說，他和他的團(tuán)隊(duì)一起開發(fā)了通用測(cè)試柜。解決這個(gè)時(shí)間問題的辦法是并行與分開固件安裝和功能測(cè)試。這本身并不是一個(gè)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(gè)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(yùn)動(dòng)，總線端子模塊在測(cè)試工站中花費(fèi)的時(shí)間是 10 秒還是 1 分鐘，都無關(guān)緊要。其余的動(dòng)子簡(jiǎn)單地經(jīng)過被占用的工站，移動(dòng)到下一個(gè)空閑工站。因此，系統(tǒng)的整體輸出不受個(gè)別工序延遲的影響。
02 更靈活、透明和簡(jiǎn)單的輸送
當(dāng)承載I/O端子的托盤從進(jìn)料站移動(dòng)到揀選站時(shí)，過程就開始了。Delta機(jī)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(cè)試站。車站位于兩條車道的“停車位”。在車道之間，Xplanar動(dòng)子在第三條路徑上返回?fù)焓捌鳌Ｍㄟ^這種對(duì)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(yùn)行。
▲I/O端子的編程和測(cè)試時(shí)間沒有變化，但吞吐量卻發(fā)生了顯著變化：
一個(gè)經(jīng)過編程和充分測(cè)試的端子，只需3秒就可以下線。
Xplanar動(dòng)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(gè)視覺硬件和軟件技術(shù)，來捕獲每個(gè)端子唯一的倍福自動(dòng)化識(shí)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(shí)調(diào)整模擬通道和功能測(cè)試。”
同時(shí)，BIC通過其ID與動(dòng)子“匹配”。即使在停電后，動(dòng)子的ID也可用于跟蹤每個(gè)單獨(dú)Xplanar動(dòng)子或端子的位置。當(dāng)動(dòng)子到達(dá)自由編程站時(shí)，它會(huì)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(dòng)到通用測(cè)試站，該測(cè)試站根據(jù)BIC調(diào)用設(shè)備特定的測(cè)試序列。如果軟件已正確加載并且功能測(cè)試報(bào)告沒有問題，則動(dòng)子將端子通過中間軌道，運(yùn)送到分揀站的第二臺(tái)Delta機(jī)器人上，該機(jī)器人將端子放置在另一個(gè)托盤上。動(dòng)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(gè)單獨(dú)端子的功能測(cè)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。”
▲在三條通道上方配置視覺系統(tǒng)，在端子通過時(shí)可以捕獲其DataMatrix代碼，
然后將其與Xplanar動(dòng)子的ID匹配。
03 在基于平面模塊的運(yùn)動(dòng)控制中使用所有自由度
由100個(gè)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(dòng)子的平面模塊，每個(gè)模塊組包含3 x 4個(gè)塊。
對(duì)于附加組件（程序員和測(cè)試人員），剩余的28個(gè)模塊被安裝到基本系統(tǒng)的側(cè)面。每個(gè)安裝位置都有一個(gè)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(jī)械設(shè)計(jì)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(kuò)展成為可能，而無需進(jìn)行重大的轉(zhuǎn)換工作。”
平面磁懸浮輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高度模塊化的機(jī)器，同時(shí)簡(jiǎn)化了很多部分的機(jī)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(diǎn)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(cè)試站，另一個(gè)減少設(shè)計(jì)工作的特點(diǎn)是可變高度。當(dāng)它到達(dá)測(cè)試站時(shí)，動(dòng)子首先升起，以便測(cè)試站的滑入單元可以在端子下方移動(dòng)。然后，動(dòng)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(cè)試儀。因此，所有接觸點(diǎn)都可以自由訪問并連接。測(cè)試后，端子以相反的順序返回到動(dòng)子。
在插入和移除過程中，動(dòng)子的旋轉(zhuǎn)選項(xiàng)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(shí)時(shí)顯示了懸停在總共100個(gè)
XPlanar平面模塊上的33個(gè)動(dòng)子的位置。
04 平面非接觸式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)
這一功能還大大降低了機(jī)械的復(fù)雜性，并使兩側(cè)的測(cè)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(gè)特性：
1.平面產(chǎn)品移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)端子傳輸?shù)膫€(gè)性化，并促進(jìn)編程和測(cè)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(jī)構(gòu)協(xié)助定位。
3.借助Z軸運(yùn)動(dòng)（提升/降低）輸送總線端子模塊，簡(jiǎn)化了測(cè)試工站的復(fù)雜機(jī)械裝置。
4.360度旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的鏡像對(duì)稱設(shè)置。
▲電動(dòng)執(zhí)行器幫助插入端子架，線性執(zhí)行器降低管腳。
測(cè)試站不僅僅檢查端子的電氣性能和功能。Engelke說：“對(duì)于具有模擬信號(hào)的端子，還包括相應(yīng)的測(cè)試序列和校準(zhǔn)。”集成的視覺系統(tǒng)檢查棱鏡是否存在并處于正確的位置，并測(cè)量端子中LED的顏色和光譜強(qiáng)度。
使用通用測(cè)試柜，可以在系統(tǒng)上自動(dòng)測(cè)試各種功能和不同測(cè)量范圍的EtherCAT端子。其完整的測(cè)量和測(cè)試系統(tǒng)主要針對(duì)精確測(cè)量終端。測(cè)試柜安裝在移動(dòng)柜中，通過插頭連接器與系統(tǒng)相連，可以在不關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)的情況下快速更換。這需要定期進(jìn)行，因?yàn)榻K端是測(cè)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(píng)估中，基于PC控制的優(yōu)勢(shì)顯而易見。如果測(cè)試儀檢測(cè)到端子存在差異，則通過BIC進(jìn)行登記，同時(shí)測(cè)試儀將端子發(fā)回編程站重新進(jìn)行配置。但是，如果錯(cuò)誤消息在編程器或測(cè)試儀上累積，則表明存在故障。“在這種情況下，測(cè)試儀會(huì)向系統(tǒng)報(bào)告不可用。在檢查測(cè)試儀并在必要時(shí)進(jìn)行更換之前，動(dòng)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(dòng)測(cè)試柜都是由倍福自動(dòng)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(gè)站點(diǎn)的情況下運(yùn)行，但它仍然處于啟動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)，并且不會(huì)明顯變慢。“可能給客戶帶來任何問題的 I/O 終端不會(huì)離開我們的系統(tǒng)。”Michael Golz 說。
對(duì)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(gè)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(gè)動(dòng)子外，還有10臺(tái)超緊湊型工業(yè)PC控制其它系統(tǒng)組件。
Delta機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)采用多軸伺服系統(tǒng)和伺服電機(jī)。Brockhaus說，該設(shè)計(jì)使用集成伺服驅(qū)動(dòng)器來進(jìn)料和彈出托盤，因?yàn)樗鼈兎浅＞o湊，只需要EtherCAT和48 V即可運(yùn)行。
編程人員使用線性執(zhí)行器來接觸端子，測(cè)試人員使用電動(dòng)執(zhí)行器來送入端子載體。所有機(jī)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(shí)現(xiàn)的。除了許多串聯(lián)端子外，EtherCAT 測(cè)量端子模塊還安裝在四個(gè)測(cè)試柜中。
倍福自動(dòng)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(dòng)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(dòng)化檢測(cè)，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(yùn)動(dòng)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(yùn)營效率，在未來無需大修就可以實(shí)施擴(kuò)展。
■ 新系統(tǒng)顯著提高了測(cè)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？