Be ck ho f f自动化技术在现代化制造车间中的应用

2012-08-18德国倍福自动化有限公司黎凌霄王建成

自动化博览 2012年1期

德国倍福自动化有限公司黎凌霄王建成

1 前言

现代制造业，是指融合了互联网、通信、计算机等信息化手段和现代管理思想与方法的制造服务业。目前，我国的制造业正处于向现代制造业转型的初级阶段。现代制造车间作为现代制造系统的子单元，只有现代制造车间转型好了，才能保证现代制造业的更好转型。在制造系统中，物料的运输操作包括原材料、半成品和成品间的存储和运输。据报道，制造系统中的物料运输操作的成本占制造总成本的20%～50%，因物料在运输过程中并不增值，所以多年来人们一直在致力研究降低物料运输成本的方法。

工欲善其事，必先利其器。物流系统的改善离不开物流设备的升级换代。其中，RGV（Rail Guided Vehicle）和AGV（Automa ted Guided Vehicle）（以下简称小车）的引入，可以大幅度的降低这一成本。首先，小车不需要人工驾驶便可以完成物料的运输操作，减少劳动人员的劳务费用；另外，作为运输机械，小车可以实现全天候运行。根据编辑好的路线和车辆管理方案，不同的小车之间可以最大限度地协调配合，在有限的时间和空间内最大限度地提升工作效率和质量。同时小车还可以克服人力搬运所受的时间限制。这些都可以降低运输费用，从而降低制造成本[1][2][3][4]。

三一集团旗下的三一重工公司，正在上海临港产业园建设一个千亿级的现代化生产基地，第一期挖掘机生产基地已经完成，挖掘机生产能力目前已成为全世界第一。而在该基地的现代化制造车间中，昆山华恒焊接公司（以下简称华恒公司）作为配套设备提供商，为其一手打造了焊接及装配加工生产线和物流控制系统。在该系统中，Beckhof f公司的自动化产品得到了全面应用，包括工控机，控制面板，TwinCAT软件，PLC，运动控制，现场总线以及IO模块，并采用了高端的无线通讯技术和机器人技术，下一步还会用到Beckhof f的XFC极速控制技术用做高性能测量。整个项目成为Beckhof f公司科技自动化战略的一个典型成功实例。

华恒公司与Beckhof f公司的合作始于新一代焊接电源设备的开发，以及一些非标设备的开发。Beckhof f 提供的基于 PC 的控制平台具有良好的开放性和扩展性，TwinCAT软件既可以做低端的IO控制，也可以做高级复杂的CNC多轴插补控制；硬件产品从工控机，控制面板，IO模块，现场总线，到伺服驱动器和伺服电机，性能可靠，结构精巧，美观大方，最大限度地满足了华恒公司各种产品开发的需求，并且能够非常方便的实现网络化，将众多设备整合在同一个平台之中，适合开发大型集成系统，符合三一临港项目的特点。这使得他们对Beckhof f公司的产品建立起了强大的信心，也促使三一临港项目全面使用Beckhof f产品。

2 性能优异，技术先进的物流控制系统

三一临港基地的挖掘机生产车间是现代化制造车间的典范，注重设备与环境的和谐，安全性与舒适性要求高，为工人创造一个良好的工作环境，如图1所示。因此，对物流控制系统的现代化程度要求非常高，要求控制先进，注重环保，外形美观，噪音低，污染少。

图1 三一临港基地的现代化车间

图2 装载着工件穿梭于不同设备之间的小车

装载着工件穿梭于不同设备之间的小车如图2所示。在挖掘机生产流水线中，由数台小车及纵横轨道构成一个物流单元。在这个单元中，按照工艺需要布置相应的加工或装配工位(站点)，在每个工位上自动完成指定的加工装配或调整工作。从准备工位开始，小车每到达一个工位，就停下来等待机器人，吊装机或者翻转机等辅助机构调整工件位置并进行上料，然后加工设备自动进行加工或装配操作，操作完成后下料，小车就会自动运行到下一个工位等待下一步操作。因此，当一台小车从准备工位运行到最后工位时，就应该有一件按照要求加工装配测试完成的成品。

这个物流控制系统中最重要的就是小车自身运动控制系统和中央调度控制台。

小车的运动要求动态性能好，速度快，加减速要求高，定位精度和重复定位精度要达到0.5毫米；同时，要求结构紧凑，体积小，负载能力大。Beckhof f公司的产品正符合这些要求：小车采用Beckhof f公司的嵌入式工业PC机CX5010作为小车自身的主控，辅之以TwinCAT PTP软件作为运动主控软件，并兼具PLC控制功能。CX5000系列控制器采用Atom处理器，能耗低，处理能力强，结构紧凑体积小，外壳经过优化处理，坚固耐用，图3所示为CX5000控制器与IPHONE的大小对比。由于小车系统中采用了多种传感器以保证工艺要求和安全防撞要求，而这些传感器采用的通讯总线都不尽相同，比如Profibus，CANopen，DeviceNET。而CX5000的扩展能力强，支持多种总线，可以很方便的把这些传感器集成到系统中去。它还自带4个USB接口和1个串口，具有大多数常见外设的通讯接入能力。伺服部分采用Beckhof f公司的高速EtherCAT总线驱动器AX5000系列和高性能同步伺服电机AM3000系列，该驱动器具有双通道功能，一个伺服驱动器可以驱动2个电机，既节约了成本，又节省了空间；电机动态性能好，负载能力大，精度高，保证了小车的使用要求。另外，AX5000供电选择多样化既可以接入380V交流电，又可以用蓄电池直接供直流电，这个特性对于伺服系统的升级尤为重要，目前小车供电尚采用滑触式供电，下一步将升级为无接触式供电，这样可以省去小车系统的动力布线，节约成本和空间，提高安全性和环境整洁度。

图3 CX 5000系列嵌入式工控机与IPHONE

中央调度控制台是系统中的调度管理员，向上可通过多种方式与上级管理计算机相连接，比如ERP系统；向下通过无线局域网与系统中的小车自身控制系统相连接。控制台可根据系统中上级管理计算机或外部配合信号情况，以及小车系统的当前状况决定是否产生系统任务，并按一定的原则指派合适的小车去完成任务。因此，控制台采用了性能更高、处理能力更强的CX5020作为主控，与上下级计算机或主控进行通讯。

无线通讯技术的采用在该项目中是一个亮点。无线网络以其灵活性高、连接简捷、调试快速等特点，目前已在工业自动移动设备上得到越来越多的应用[5]。小车系统的自身控制系统与中央调度控制台的主控之间，就是通过Beckhof f公司的WLAN控制器CU8890来进行通讯，减少了布线，节约了空间，提高整个车间的美观度。CU8890是一款工业级数据交换设备，速度快，达到54Mbit/s，传输距离达到300米，数据传输带宽大，适合大量数据的通信。将来小车如果升级搭载视觉导航系统，这些特性非常重要。

此外，从存放工件的立体仓库到生产流水线中的辅助设备，如吊装机和翻转机等，也均采用Beckhof f的主控和PLC模块，以及运动控制产品，这样在统一的Beckhof f软硬件平台上，无缝连接成为一整套生产控制系统，符合CIMS和FMS的概念。

3 Tw inCAT Kinem atics Transform ation——Beckho ff的机器人解决方案

目前，该生产车间中采用了大量的机器人设备，包括上下料机器人，焊接机器人等。Beckhof f公司基于TwinCAT NCI平台上的机器人解决方案TwinCAT Kinematics Transformation将会大有用武之地，将各种机器人控制系统改造统一到Beckhof f的产品平台中来，提高系统集成度，便于升级换代和维护。

该解决方案集成于TwinCAT软件平台之中，向下兼容TwinCAT PTP点对点运动控制，无需额外的控制器，并具有插补功能，可用G代码编程。支持常见的机器人类型，包括二维和三维类型，自由度最大可达6轴，具体如Del ta并联机器人，SCARA机器人等。

4 PC控制技术和Tw in CA T软件平台的优势

借助PC的海量存储，可以在控制器中存储一百多套工艺参数，不会增加任何额外成本。在普通PC上使用专用编程软件生成的生产程序和车辆管理方案也可以通过网络或移动存储设备转移到车辆控制单元上。此外，越来越多的用户打算或已建立自己的ERP、MES等系统，以提高自己的竞争力。设备层大量的工艺数据和诊断数据需要实时传送到上一级系统中。PC控制的网络传输带宽等潜在优势都会为实现这一规划提供极大的便利。而PC独具的远程诊断功能及Beckhof f全球销售支持网络无疑也会使售后服务节约大量的时间及成本，有利于海外市场的扩张[6]。

华恒公司从设计自己的单片机控制系统伊始，就一直努力寻求一个统一的开发平台来整合和优化开发资源。2006年底，他们逐步开始在一些非标设备上和Beckhof f中国公司合作。经过多年尝试，华恒最终选择了Beckhof f基于 PC 的控制技术及产品来开发新一代焊接电源设备的控制系统。华恒公司在追求高性能焊接工艺的同时，对设备的流线造型、人性化操作界面、体积等方面也非常考究。Beckhof f 基于 PC 和现场总线的控制系统无疑是最佳选择。

华恒公司拥有焊接电源、管焊专机、机器人等众多产品，经常需要根据客户要求进行定制开发。如何提高这些设备控制资源之间的可重用性一直是华恒公司所思索的问题。Beckhof f提供的基于PC的控制平台具有良好的开放性和扩展性，能够满足他们所有的机型要求。比如，只需在电源设备中配置添加伺服电机用以实现外围的定位，即可轻松转换成大型的管焊专机；而升级软件就可利用TwinCAT NCI、CNC功能来焊接圆弧、相贯线及样条曲线等需要插补的复杂形状；结合机器人库文件即可将此设备改造为机器人；扩展X、Y、Z轴等也都轻而易举。这将大大降低大型设备重新开发的成本和周期。

正是基于Beckhof f公司的PC控制技术和统一的TwinCAT软件平台，使得华恒公司在本次三一临港基地项目中义无反顾的采用了Beckhof f整体解决方案。