Beckhoff TwinCAT機器人運動學功能庫和伺服技術提高了食品包裝行業(yè)的效率

時間:2014-12-04

來源:德國倍福自動化有限公司

導語:不僅BeckhoffAM8800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(jié)構,使得它們清洗方便。

(多機器人H240搬運模塊對包裝工藝過程中的搬運高效、高動態(tài)地進行自動化改造,

最多可有240個拾放循環(huán)。由于使用了BeckhoffAM8800不銹鋼伺服電機,它也非常衛(wèi)生。)

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BeckhoffTwinCAT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BeckhoffAM8800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(jié)構,使得它們清洗方便。

MULTIVACSeppHaggenmullerGmbH&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(zhì)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。

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(nèi)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。

根據(jù)MULTIVAC公司控制技術部門主管AloisAllgaier,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EtherCATI/O系統(tǒng),I/O設備可以精確、經(jīng)濟地根據(jù)應用需求調(diào)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。這意味著,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??刂萍夹g盡可能短的周期時間。”

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。

(AM8800不銹鋼電機可以在開放式設計中使用,即沒有防護罩,方便拾放機器人的清潔)

開放的框架結(jié)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好幾個原因,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,這也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(jié)構,清洗起來非常方便,因為它是完全開放的。符合FDA標準的BeckhoffAM8800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AISI316L制成,涂料表面不會有爬行腐蝕或損傷。電機防護等級為IP69K,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(nèi)部有凝結(jié)水形成。

MULTIVAC使用BeckhoffAX5206型號的2通道EtherCAT伺服驅(qū)動器,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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。

(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)

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(diào)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。

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,我們確定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(diào)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(qū)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TwinCATNCPTP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(diào)的環(huán)境中優(yōu)化同步。例如,3DDelta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,3DDelta運動和SCARA運動。

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(zhì)不銹鋼設計,有一個12英寸的觸摸屏,被用作為顯示和操作終端,其防護等級為IP65。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HMI2.0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。

(MULTIVAC使用2通道EtherCAT伺服驅(qū)動器AX5206完成精確的拾放任務)

(一臺CX1030嵌入式控制器、TwinCATNCPTP和EtherCAT通訊系統(tǒng)確保高速、高精度地控制搬運模塊的順序)

(AloisAllgaier,MULTIVAC公司控制技術部門主管:“多虧了我們自己的機器人系統(tǒng),

我們的包裝和搬運系統(tǒng)可以滿足嚴格的衛(wèi)生安全標準。”)

(搬運模塊既可以通過包裝機的HMI2.0用戶界面操作,

也可以配備Beckhoff為MULTIVAC量身定制的CP7201面板型PC)

關于德國倍福(BECKHOFF)

德國倍福自動化有限公司的總部位于德國威爾市。公司在世界各地設有分支機構,加上全球的合作伙伴,目前公司業(yè)務已遍及70多個國家和地區(qū)。

倍福始終以基于PC的自動化新技術作為公司的發(fā)展理念,所生產(chǎn)的工業(yè)PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和TwinCAT自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng),可為各個工控領域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。30多年來,倍福公司的元件和系統(tǒng)解決方案在世界各地得到了廣泛的應用。自2001年3月德國倍福在北京成立中國第一個代表處,2007年5月,德國倍福在上海成立獨資公司,并將倍福中國區(qū)總部遷至上海,此后公司業(yè)務進入一個快速發(fā)展時期,目前倍福已經(jīng)在北京、廣州、成都、武漢、南京等全國21個大中城市設立了辦事處。隨著各種具有良好性價比的新產(chǎn)品、新技術不斷進入中國市場,其勇于打破傳統(tǒng)控制模式,傾力推廣PC控制新技術的理念已被越來越多的中國用戶所接受。

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