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位于德國(guó) Herzogenrath 的 Aixemtec 有限公司開發(fā)各種電子光學(xué)系統(tǒng)精密裝配自動(dòng)化解決方案。這家高科技公司于 2016 年成立，是德國(guó)弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所（IPT）的衍生公司，提供基于模塊化系統(tǒng)的定制解決方案，包括進(jìn)料、搬運(yùn)、超精密裝配的顯微作和測(cè)量，以及質(zhì)保。倍福基于 PC 的控制技術(shù)，包括 TwinCAT Vision 軟件，確保了高精度、高速度的工藝流程。

光學(xué)系統(tǒng)被廣泛用于各種核心技術(shù)部件日益微型化的產(chǎn)品。此外還可用于自動(dòng)駕駛使用的傳感器和相機(jī)（如 LiDAR 系統(tǒng)和駕駛輔助相機(jī)）、手勢(shì)識(shí)別和高功率激光器的光束整形。這些光學(xué)系統(tǒng)的裝配精度要求從幾微米到幾百納米不等。再加上循環(huán)時(shí)間不到一秒鐘，且每臺(tái)設(shè)備每年生產(chǎn)幾百萬(wàn)個(gè)部件，這對(duì)整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)提出了特別高的要求。

緊湊、靈活的自動(dòng)化技術(shù)

Aixemtec 以全面的模塊化系統(tǒng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，為各種應(yīng)用領(lǐng)域提供裝配解決方案。每臺(tái)設(shè)備都采用了可擴(kuò)展的外殼設(shè)計(jì)方案，經(jīng)常會(huì)使用高精度和高動(dòng)態(tài)的直線驅(qū)動(dòng)器。倍福的自動(dòng)化組件可以優(yōu)化整個(gè)平臺(tái)的空間利用率，同時(shí)還能夠大幅減少系統(tǒng)的占地面積。比如用于控制直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊的模塊化 AX8000 伺服驅(qū)動(dòng)器，它明顯減少了控制柜中被占用的空間。

高性能的 C6032 超緊湊型工業(yè) PC 是減小系統(tǒng)體積的另一個(gè)關(guān)鍵因素：到目前為止，除了使用 CX5130 嵌入式控制器進(jìn)行設(shè)備控制之外，還使用了一臺(tái)單獨(dú)的 PC 進(jìn)行圖像處理、人機(jī)界面和順序控制，而現(xiàn)在，C6032 承擔(dān)了所有這些任務(wù)。倍福的緊湊型驅(qū)動(dòng)技術(shù)，如驅(qū)動(dòng) AM8100 伺服電機(jī)的 EL72xx 系列 EtherCAT 伺服端子模塊，以及高密度 EtherCAT 端子模塊，也確保節(jié)省 DIN 導(dǎo)軌上的空間。“每個(gè)軸模塊的尺寸都很小，可以將模塊排成一列，并集成安全功能，由于采用 EtherCAT 總線系統(tǒng)，因此無需額外布線，比我們之前使用的解決方案相比，節(jié)省了 63% 的安裝空間。當(dāng)然，我們也可以用它來控制第三方驅(qū)動(dòng)器。”Aixemtec 公司設(shè)備開發(fā)主管 Sebastian Sauer 解釋道。

高性能 C6032 超緊湊型工業(yè) PC 使用大量的 TwinCAT 軟件功能

（如 TwinCAT Vision）控制所有的設(shè)備和工藝順序

廣泛的硬件和軟件接口

中央工業(yè) PC C6032 具備強(qiáng)大的多核計(jì)算能力，負(fù)責(zé)控制所有設(shè)備部件。在軟件方面，除了使用 TwinCAT PLC、TwinCAT NC PTP、TwinSAFE 和 TwinCAT HMI 之外，還使用了 TwinCAT Vision，它在連接多達(dá) 8 個(gè)工業(yè)相機(jī)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。針對(duì)處理鏈的一些準(zhǔn)備工作在實(shí)時(shí)環(huán)境之外一個(gè)專門開發(fā)的高級(jí)語(yǔ)言程序中進(jìn)行。在這里，倍福基于 PC 的控制系統(tǒng)能夠?qū)?TwinCAT 與用戶專用的程序無縫集成在同一臺(tái)工業(yè)PC 上。TwinCAT 支持不同軟件系統(tǒng)之間使用 ADS 或 OPC UA 等通用的通信接口進(jìn)行所需的通信。

Sebastian Sauer 解釋道：“Aixemtec 與倍福在理念上非常契合：我們希望我們能以合作伙伴的身份為客戶的整個(gè)產(chǎn)品鏈提供服務(wù)。因此，倍福已經(jīng)成為我們自動(dòng)化技術(shù)的主要合作伙伴，他們可以一站式提供運(yùn)動(dòng)控制、HMI 與圖像處理等各種技術(shù)支持，雙方一直保持密切溝通，避免了因溝通不暢帶來的巨大損失。”

用于微透鏡的高動(dòng)態(tài)取放工藝

例如，微透鏡的取放是一個(gè)要求很高的工藝過程。在組裝隨機(jī)送入的微透鏡前，必須首先在刀架上按照特定方向排列這些微透鏡，以便在工件庫(kù)中快速、精確地定位易碎的部件。在很多情況下，這些部件的橫截面只有幾根頭發(fā)絲寬。

微透鏡在一個(gè)背光表面上被批量送入。這個(gè)表面通過 XYZ 運(yùn)動(dòng)學(xué)用相機(jī)進(jìn)行掃描，生成一個(gè)正在被檢查的區(qū)域的二維全景圖。借助 EtherCAT 分布式時(shí)鐘功能，實(shí)現(xiàn) TwinCAT NC 軸控制與 TwinCAT Vision 的高精度時(shí)間同步，使得圖像捕獲可以與軸位置精確對(duì)齊。以前使用的是耗時(shí)的 PTP 運(yùn)動(dòng)過程，而 TwinCAT Vision 可以將該過程的設(shè)置時(shí)間至少減少 8 倍，無需因?yàn)槊看蔚膱D像捕捉動(dòng)作而停止運(yùn)動(dòng)。在“飛越”過程中創(chuàng)建的每個(gè)圖像都被實(shí)時(shí)插入到一個(gè)具有像素級(jí)精度的整體圖像中。利用這個(gè)整體圖像，通過圖像處理來識(shí)別微透鏡，并測(cè)量它們當(dāng)前的姿態(tài)。這樣可以制定一個(gè)高效的工作計(jì)劃，即 pick-and-place system 取放系統(tǒng)應(yīng)如何拾取每個(gè)鏡頭，確定它們?cè)谒锌臻g維度上的姿態(tài)并將它們放好。由 AX8000 控制的直線軸能夠?qū)崿F(xiàn)高動(dòng)態(tài)和高精度運(yùn)動(dòng)。 

在接下來的步驟中，已經(jīng)準(zhǔn)備好組裝的微透鏡與光源粘接在一起。為此，粘合劑分配器將固定量的粘合劑涂在微透鏡上。精確計(jì)量是正確裝配的關(guān)鍵，因此，在分配過程中，必須通過相機(jī)系統(tǒng)對(duì)液滴流量持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整。未來，這項(xiàng)任務(wù)也將使用 TwinCAT Vision 實(shí)現(xiàn)，通過 EL2596 LED 閃光燈控制端子模塊和分布式時(shí)鐘功能可以完美同步液滴觸發(fā)、圖像捕捉和曝光等過程。在粘合劑變硬之前，待裝配的系統(tǒng)的光學(xué)功能借助閉環(huán)控制的 6D 機(jī)械手進(jìn)行優(yōu)化。

模塊化的 AX8000 伺服驅(qū)動(dòng)器節(jié)省了大量控制柜空間

結(jié)論

Sebastian Sauer 總結(jié)道：“包括 TwinCAT Vision 在內(nèi)的軟硬件一體化解決方案對(duì)我們來說是一個(gè)十分理想的解決方案。分布式時(shí)鐘功能和 XFC 技術(shù)讓我們能夠保留我們的模塊化設(shè)計(jì)。TwinCAT Vision 能夠完全在實(shí)時(shí)環(huán)境中進(jìn)行圖像處理。這對(duì)我們以及我們的客戶來說是一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)時(shí)環(huán)境之外的應(yīng)用中，我們已經(jīng)幾乎完全依賴 OpenCV。事實(shí)上，倍福也將此作為其產(chǎn)品的基礎(chǔ)，即我們可以在現(xiàn)有專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上繼續(xù)開發(fā)。” 

倍福全面的產(chǎn)品系列可以確保在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的工作流程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能而又緊湊的設(shè)備設(shè)計(jì)。多樣化的軟件和硬件接口能夠以一致的方式解決所有難題。Aixemtec 公司的開放式系統(tǒng)解決方案的靈活性非常高，因此可以映射出任何客戶專用的工藝過程。“工業(yè)圖像處理一直以來都是最先進(jìn)的，也是我們?cè)O(shè)備架構(gòu)的基石之一。現(xiàn)在，通過 TwinCAT Vision 可以用循環(huán)同步的方式將圖像處理功能集成到過程控制中。”Aixemtec 公司總經(jīng)理 Sebastian Haag 在解釋該開發(fā)項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)時(shí)說道。

從左至右：Aixemtec 公司總經(jīng)理 Sebastian Haag、倍福亞琛辦事處應(yīng)用和高校管理部的 Christian Kukla，以及 Aixemtec 公司設(shè)備開發(fā)主管 Sebastian Sauer 在部件裝配系統(tǒng)前