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案例頻道 1 引言
MULTIVAC憑借其針對食品行業(yè)的巧妙設計的包裝系統(tǒng)成功滿足了極其嚴格的衛(wèi)生要求。這也適用于具有專用拾放機器人的搬運模塊。在控制技術方面，解決方案則是基于BeckhoffTwi nCAT自動化軟件及其機器人運動學功能庫以及超高速EtherCAT通訊系統(tǒng)。不僅Beckhoff AM8800系列伺服電機確保了高動態(tài)運動，它們的“衛(wèi)生型設計”還有助于讓搬運機器人能夠有一個完全開放的結構，使得它們清洗方便。
MULTIVAC Sepp Haggenmuller GmbH & Co. KG總部設在德國Wolfertschwenden，是提供針對食品、醫(yī)藥和消費品行業(yè)包裝解決方案的全方位服務供應商。除了包裝機械，MULTIVAC的產(chǎn)品組合還包括用于裝卸和輸送的搬運模塊、用于質量控制和異物檢測的檢測系統(tǒng)以及針對不同包裝類型的標記和標簽解決方案。食品行業(yè)是MULTIVAC解決方案最重要的應用領域，在這個領域，高效、準確以及最重要的衛(wèi)生型產(chǎn)品（如肉、魚、奶酪、蔬菜和即食食品）包裝是必需的。
2 基于PC的控制技術應用于高效包裝工藝
MULTIVAC依賴Beckhoff基于PC的控制技術對其所有標準型包裝機械進行自動化改造。早在2005年，公司更換了基于微處理器的控制器，以應對日益復雜的機器不斷增長的需求，通過更高的計算能力和內存實現(xiàn)了比以往任何時候都更強大的功能。除此之外，PC控制技術使得通過以太網(wǎng)和OPC實現(xiàn)的通訊連接可以通過標準接口和標準軟件庫加以簡化，最大限度地降低開發(fā)成本。
MULTIVAC公司控制技術部門主管AloisAllgaier介紹，PC控制技術的另一個優(yōu)點是其出色的可升級性：“一方面，我們總是可以為機器選用到最合適的嵌入式控制器，無論其體積是小或是大，但在軟件方面每次都提供相同的功能。另一方面，由于使用了模塊化和靈活的EtherCAT I/O系統(tǒng)，I/O設備可以精確、經(jīng)濟地根據(jù)應用需求調整。”最佳適應性對于 AloisAllgaier來說則意味著包裝機械可以通過靈活的EtherCAT端子模塊系統(tǒng)高效地進行模塊化設計：“我們的機器由CX1020或CX1030嵌入式控制器進行集中控制，并在I/O級的三個分布式控制柜之間分離。例如，一個成型工作站的所有數(shù)據(jù)采集和通信都可以在相關的控制柜模塊中實現(xiàn)。與中央控制器所需的通訊通過超高速EtherCAT系統(tǒng)實現(xiàn)，這也是決定選用PC控制技術的重要因素。最終，可以通過包裝機械實現(xiàn)的時鐘速度直接取決于能否確保控制技術盡可能短的周期時間。”
3 靈活的搬運模塊可用于眾多的機器人類型
MULTIVAC搬運模塊自動完成各種包裝任務，包括產(chǎn)品裝載、包裝的分離和定向、拒絕有瑕疵的包裹和將包裝裝箱。根據(jù)需要，系統(tǒng)可以配備兩軸、三軸或四軸機器人，并可靈活地用于各種產(chǎn)品、包裝規(guī)格、重量和周期時間。搬運系統(tǒng)可以生成幾乎任何包裝模式，以確保優(yōu)化利用二次包裝的容量。夾層和分配器也可以自動插入。由于通用型的不銹鋼機器構造符合衛(wèi)生和FDA標準，可以濕式清洗整個搬運裝置，MULTIVAC模塊非常適用于食品行業(yè)的所有產(chǎn)品和生產(chǎn)環(huán)境。
4 開放的框架結構和不銹鋼電機衛(wèi)生優(yōu)勢
MULTIVAC當時之所以開發(fā)他們自己的搬運模塊和機器人有多方面的原因，AloisAllgaier解釋道：“我們針對食品行業(yè)的包裝機械業(yè)滿足極其嚴格的衛(wèi)生要求，是我們在搬運和機器人技術領域的標桿。因為市場上沒有合適的系統(tǒng)，我們根據(jù)自己的設想和目標為進料區(qū)開發(fā)了自己的機器人手臂。最后我們設計出了一個不銹鋼框架結構，清洗起來非常方便，因為它是完全開放的。符合 FDA標準的Beckhoff AM8800不銹鋼伺服電機也發(fā)揮了作用，因為它們的安裝非常簡單，不需要額外的保護外殼。”
AM8800系列伺服電機采用不銹鋼外殼，它是根據(jù)EHEDG（歐洲衛(wèi)生工程設計組織）的指引采用“衛(wèi)生型設計”設計而成的。使用的潤滑劑符合食品安全規(guī)定（FDA）。電機繞組采用變極繞組技術實現(xiàn)。因此具有高銅線占空系數(shù)和相應的連續(xù)大扭矩。全封閉的定子為電機外殼提供了理想的繞組熱接觸。這樣做的另一個好處就是可以機械保護繞組線不會出現(xiàn)振蕩。由于外殼和電機軸用的是防刮傷的不銹鋼AISI 316L制成，涂料表面不會有爬行腐蝕或損傷。電機防護等級為IP 69K，可以使用高壓蒸汽清洗機。電機具有一個可選的密封空氣接口，以防止在電機內部有凝結水形成。
MULTIVAC使用Beckhoff AX5206型號的2通道EtherCAT伺服驅動器（如圖1所示），用于控制電機和拾放系統(tǒng)，從而可以運行兩個相同或不同尺寸的電機。所使用的不銹鋼伺服電機包括額定扭矩為3.9Nm、堵轉扭矩為4.5Nm及峰值扭矩為16.5Nm的AM8843型號以及額定扭矩為5.1Nm、堵轉扭矩為6.0Nm及峰值扭矩為22.5Nm的AM8852型號。這樣可以與高速EtherCAT通訊系統(tǒng)配套使用，實現(xiàn)高動態(tài)和高精度的搬運任務。
圖1 AM8800 電機采用的單電纜技術（OCT）不僅降低了布線成本，同時也最大限度地減少了灰塵的沉積，因為它減少了50％的電機電纜和連接器用量
5 單電纜技術提高了衛(wèi)生性，降低了成本
伺服電機的電纜接頭也和外殼一樣，采用“衛(wèi)生型設計”。在衛(wèi)生安全方面，Beckhoff的單電纜技術（OCT）在連接AM8800系列伺服電機時，還有另一個好處，AloisAllgaier指出：“由于不再需要其中的一根常用的電機連接電纜，包裝袋也就少了一個會引起污染物的地方。這也是我們決定選用OCT時的另一個重要因素。”
此外，可以充分利用OCT的重要優(yōu)點，如減少組件和調試成本。最后，由于電機的反饋信號直接沿著導體被送到電源中，可以省掉一根電纜和接頭，從而節(jié)省了材料成本和布線成本。
6 機器人技術、運動控制和PLC在同一個動態(tài)軟件平臺上運行
Beckhoff的TwinCAT自動化軟件將PLC、運動控制和機器人技術整合在一個集成式平臺中，這是PC控制技術所具備的決定性優(yōu)勢，AloisAllgaier從一開始就持這一觀點：“甚至在開發(fā)機器人手臂時，我們不希望使用一個單獨的機器人控制器。TwinCAT讓整個控制技術在一個軟件系統(tǒng)中全面實施，且調試工作可以非常迅速地完成。例如，不銹鋼電動機可以通過伺服驅動器輕松整合到軟件中，且我們的應用程序的運動順序也可以通過TwinCAT NCPTP和運動學功能庫高效實現(xiàn)。”
機器人功能可以使用“TwinCAT 運動學變換”自動化軟件進行映射。TwinCAT增補軟件被透明集成到現(xiàn)有的運動控制系統(tǒng)中。因此，機器人及運動控制功能可以在一個協(xié)調的環(huán)境中優(yōu)化同步。例如，3D Delta運動可以毫不費力地與“飛鋸”功能連接，以便與輸送帶同步，拾放包裝。各類機器人運動學都可實現(xiàn)，可以在直角坐標系中使用DIN-66025命令或者PLC中與PLCopen兼容的組件對動作進行編程。集成的動態(tài)預控制確保運動在高加速度和高速情況下仍能夠保持高精度。TwinCAT運動學變換功能庫包含直角坐標運動、二維并聯(lián)運動、剪切運動、起重機和滾軸運動、3D Delta運動和SCARA運動。
7 通過符合FDA標準的不銹鋼面板型PC實現(xiàn)直觀操作
AloisAllgaier認為，PC控制的優(yōu)點在系統(tǒng)靈活性方面不僅局限于控制軟件：“我們可以完全根據(jù)需求提供兩個具有不同控制方案的搬運模塊：一方面，這可能是一個模塊化的系統(tǒng)，換句話說，擁有其自己的嵌入式控制器。另一方面，模塊可以采用一個更深入地集成在包裝系統(tǒng)的元件的形式，并在主包裝機械的控制器上作為軟件運行。Beckhoff的自動化技術通過這種靈活性為用戶提供了一個很大的優(yōu)勢。搬運機器人相應地運行，或者通過其自身的HMI，或者通過包裝機終端。”
定制設計的CP7201面板型PC采用高品質不銹鋼設計，有一個12英寸的觸摸屏，作為顯示和操作終端，其防護等級為IP 65。該面板型PC的特點與不銹鋼伺服電機一樣，都采用“衛(wèi)生型設計”。換句話說，其外殼采用無縫設計，配有一個齊平安裝式觸摸面板。MULTIVAC的HMI 2.0用戶界面可以簡單、直觀、可靠地操作搬運模塊以及整臺包裝機械。純文本信息顯示、豐富的圖形和視頻序列、200個自由分配的程序預設、36個可用的界面語言，以及多層次的訪問權限管理也有助于在世界各地進行直觀、安全的操作。
摘自《自動化博覽》1月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號