近日，機床制造商格勞博集團為幫助客戶應(yīng)對消費者對電動汽車需求的快速增長局面，打造了大批量生產(chǎn)和裝配系統(tǒng)。格勞博采用倍?；?PC 和 EtherCAT 的控制和驅(qū)動技術(shù)解決了最大限度地縮短加工周期并相應(yīng)加快工藝順序等關(guān)鍵問題，成功完成了這一任務(wù)。一臺精密的發(fā)卡電機(因為電機定子繞組的線圈形狀像發(fā)卡而得名)專用機床很好地說明了這種優(yōu)化的可擴展自動化解決方案所具備的優(yōu)勢。該解決方案不僅采用一臺安裝有 TwinCAT 3 軟件的 C603x 超緊湊型工業(yè) PC 作為中央控制平臺，而且還配備了 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)。

　　靈活的、具有快速循環(huán)時間的控制技術(shù)

　　助力提升發(fā)卡電機定子生產(chǎn)線效率

　　格勞博集團是一家在全世界范圍內(nèi)運作的家族企業(yè)，總部位于德國明德海姆市，自 95 年前成立以來，一直致力于為全球知名的汽車制造商及其供應(yīng)商研發(fā)和生產(chǎn)各種系統(tǒng)和機床，其產(chǎn)品系列包括通用加工中心、復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，以及手動裝配工位和全自動裝配生產(chǎn)線。這其中也包括電機生產(chǎn)系統(tǒng)，以及動力電池和燃料電池生產(chǎn)和裝配系統(tǒng)，格勞博電動車業(yè)務(wù)部控制技術(shù)部門負責(zé)人 Fabian Gl?ckler 解釋道：“我們的產(chǎn)品可以覆蓋該領(lǐng)域的整個產(chǎn)業(yè)鏈，為客戶提供完整的定制化動力總成系統(tǒng)。”

　　電動汽車需要性能強大的控制技術(shù)

　　據(jù)格勞博電動汽車業(yè)務(wù)部門的功能開發(fā)組負責(zé)人 Martin Ellenrieder 介紹，電動汽車的發(fā)展趨勢也對控制技術(shù)提出了新的要求：“與針對發(fā)動機的系統(tǒng)相比，這些系統(tǒng)具有工位更加精密、PLC 周期時間更短、裝配線中配備的驅(qū)動產(chǎn)品比例更高以及耦合運動更加復(fù)雜等特點?！卑l(fā)卡電機(第二代)也具有上述特點，它完全配備了倍福的控制和驅(qū)動技術(shù)。除了 4 根格勞博主軸之外，它總共還配備了 57 根 NC 軸 — 40 根實軸和 5 根虛軸，以及 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)的 12 個動子(作為獨立的伺服軸運行)。此外，還有一個由 EtherCAT 和 TwinSAFE 端子模塊或端子盒(270 個數(shù)字量輸入和 150 個數(shù)字量輸出)組成的 I/O 層。

　　從機床內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出運動序列的復(fù)雜性和多樣性，一直到 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)(前景)。

　　C6030 或 C6032 超緊湊型工業(yè) PC 和 TwinCAT 軟件用作控制系統(tǒng)核心部分，機床在每個發(fā)卡繞組加工周期僅為 2.3 秒的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了極高的輸出率。每個定子需要單獨生產(chǎn)約 200 個發(fā)卡式繞組。整個加工過程非常復(fù)雜，涉及的控制任務(wù)范圍也很廣泛：從銅管線材進料到矯直、復(fù)雜的彎曲和剝線，再到精確預(yù)插入到插槽中：

　　供線(從線圈到直銅線，進行或不進行銅線絕緣層的電氣測量)：基于 PC 的控制技術(shù)應(yīng)用于張力控制

　　§ 實時剝線：軸定位、凸輪和飛鋸

　　§ 送線：軸與第二個編碼器系統(tǒng)耦合，根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)切換編碼器系統(tǒng)，以及通過用于專用操作模式(帶線或不帶線運行)的接口切換軸

　　§ 銅絲檢測：輸送和定位

　　§ 壓裝/切割：凸輪以及在壓裝/切割過程中通過虛擬齒輪功能的動態(tài)耦合系數(shù)對材料位移進行補償

　　§ 2D 彎曲：由發(fā)卡式繞組參數(shù)產(chǎn)生的動態(tài)凸輪通過虛擬齒輪功能的動態(tài)耦合系數(shù)進行耦合

　　§ 3D 彎曲：由發(fā)卡式繞組參數(shù)產(chǎn)生的動態(tài)凸輪通過虛擬齒輪功能的動態(tài)耦合系數(shù)與 XTS 動子耦合

　　§ 預(yù)插入發(fā)卡式繞組：凸輪或協(xié)調(diào)運動

　　§ 多樣化的進料方式/預(yù)插插槽和夾緊手指的定位運動：耦合虛擬軸和實際軸

　　格勞博電動汽車業(yè)務(wù)部門電氣設(shè)計組組長 Daniel Gugenberger 在解釋繞組的生產(chǎn)與發(fā)動機生產(chǎn)的區(qū)別時說道：“如螺栓連接、壓裝和手動裝配操作等傳統(tǒng)裝配工藝已經(jīng)在很大程度上實現(xiàn)了自動化，如果采用手工操作方法，則無法達到要求的質(zhì)量、精度和速度。”由于系統(tǒng)的吞吐量非常大，詳細的設(shè)備和過程數(shù)據(jù)至關(guān)重要，而這也正是倍?；? PC 的控制技術(shù)的用武之地：“如果一個完整的生產(chǎn)過程花費的時間僅為兩秒鐘，則需要使用合適的分析工具和高速相機實現(xiàn)生產(chǎn)檢測和誤差分析。因此，我們經(jīng)常使用 TwinCAT Scope View 示波器軟件?！?/p>

　　制造一個定子需要約 50 種不同設(shè)計的 200 個發(fā)卡式繞組。它們按照放置在預(yù)插插槽中的順序依次生產(chǎn)。因此，在線誤差檢測具有非常重要的意義。Fabian Gl?ckler 解釋道：“如果出現(xiàn)材料或幾何形狀誤差，則必須再次生產(chǎn)相應(yīng)的發(fā)卡式繞組，并通過自動進料裝置將其插入到系統(tǒng)中，以便插入到正確的位置中。運動軸數(shù)量較大，發(fā)卡式繞組規(guī)格較多，這也意味著控制技術(shù)需要及時計算各種參數(shù)、彎曲角度和凸輪曲線，這是一項龐大又艱巨的任務(wù)?！?/p>

　　格勞博的點擊定子(右)包含多個由發(fā)卡式繞組組成的繞組輪轂(左)。

　　成熟的自動化系統(tǒng)和創(chuàng)新的 HMI

　　早在 2004 年，第一臺格勞博加工機床就采用了倍福技術(shù)，Martin Ellenrieder 回憶道：“首先是試驗臺，隨后是附加刀庫，到 2017 年，第一條裝配線也采用了基于 PC 的自動化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有控制周期短，以及在未來應(yīng)用和需求滿足方面高度靈活等特點，同時擁有與不同總線系統(tǒng)連接的大量接口以及豐富的運動控制和診斷功能。TwinCAT 軟件的最大優(yōu)勢在于它具有良好的開放性(例如可以集成 MATLAB?)，從而可以加快系統(tǒng)開發(fā)過程。因此，工藝工程師可以將仿真功能輕松集成到測試設(shè)備中。TwinCAT 軟件的其它優(yōu)點包括從 E-CAD 系統(tǒng)到 HMI 的代碼自動生成，簡單集成自主開發(fā)的運動控制功能塊，以及集成版本控制、錯誤跟蹤和軟件測試。此外，TwinCAT 軟件還具有很高的靈活性，讓我們能夠更輕松地實現(xiàn)軟件開發(fā)的標準化?！?/p>

　　超緊湊型工業(yè) PC C6030 或 C6032(如果需要更多的接口)與帶客戶定制的按鈕擴展件的 CP3918 多點觸摸控制面板連接起來使用。“工業(yè) PC 提供了足夠算力，幫助我們可靠地實現(xiàn)了將 PLC 周期時間縮短到 4 毫秒的目標。此外，它的設(shè)計非常緊湊，安裝選項靈活?！盕abian Gl?ckler 說道。在人機界面方面，重點是方便和無差錯的機器操作，因此公司很早就已經(jīng)開始使用倍福的 TwinCAT HMI 軟件?！拔覀儚囊婚_始就與倍福，尤其是倍福慕尼黑分公司密切合作，才能夠成功實施這樣一個大型 HMI 項目。我們之間的合作富有成效，例如在 HMI 和 PLC 程序之間的自動關(guān)聯(lián)和多語言實施方面，最后倍福根據(jù)我們對人機界面的直觀性、易用性、一目了然的參數(shù)顯示和豐富的診斷功能等需求定制了一個 HMI 軟件，最終為我們所有的系統(tǒng)提供了統(tǒng)一和創(chuàng)新的操作方案。”

　　通過伺服軸和 XTS 實現(xiàn)復(fù)雜的運動控制

　　AX5000 伺服驅(qū)動器用于控制多個旋轉(zhuǎn)軸，部分旋轉(zhuǎn)軸由結(jié)構(gòu)緊湊的 EL72xx 和 EP72xx 驅(qū)動端子模塊和 AM8000 伺服電機控制。Martin Ellenrieder 認為，單電纜技術(shù)在這種情況下為他們帶來了特殊優(yōu)勢：“單電纜技術(shù)可以顯著減少布線工作量，并最大限度地降低出錯風(fēng)險。AX5000 伺服驅(qū)動器兼容多種編碼器接口并配備 AX5805 TwinSAFE 選項卡，能夠?qū)崿F(xiàn)安全驅(qū)動功能，這也是我們選擇使用 AX5000 的重要原因?！背酥猓琓winCAT 軟件平臺還能提供 TwinCAT NC PTP、NC Camming 或 NC Flying Saw 等豐富的功能組件，最重要的是，這些功能組件可以自由組合。

　　倍福的 XTS 系統(tǒng)為旋轉(zhuǎn)軸提供了功能上的補充。一個配備了 12 個動子的 3 米長橢圓形導(dǎo)軌系統(tǒng)將各個發(fā)卡式繞組輸送給一個線性龍門，完成最后的插入工序。Daniel Gugenberger 認為，XTS 提高了系統(tǒng)的靈活性，并且能夠輕松添加新功能，帶來了顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。他補充道：“除了傳統(tǒng)的輸送任務(wù)之外，我們還使用 XTS 在不同的加工位置(折彎和相機工位)靈活進行定位。XTS 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，讓我們能夠輕松整合不同的工位。輸送系統(tǒng)還能夠根據(jù)組件狀態(tài)(無組件、第一次彎曲、第二次彎曲)進行靈活的距離控制，縮短周期時間，解耦了各個加工過程，為我們帶來了進一步的競爭優(yōu)勢，例如，加工時間的不同不會直接影響整個機床?！?/p>

　　據(jù) Martin Ellenrieder 介紹，TwinSAFE 系統(tǒng)集成式安全功能在安全應(yīng)用方面具有高度靈活性。除了基于驅(qū)動器的安全技術(shù)之外，TwinSAFE 邏輯模塊 EL6910 也被用作專用安全控制器。整條生產(chǎn)線上的各個機床和系統(tǒng)的分布式安全應(yīng)用通過 EtherCAT Automation Protocol(EAP)相互通信?！斑@種跨控制系統(tǒng)的安全通信是確保機床安全的一個非常重要的方面，因為我們的客戶通常都會使用大量的互聯(lián)系統(tǒng)?！盡artin Ellenrieder 總結(jié)道。

　　一臺 C6030 超緊湊型工業(yè) PC 為集中控制所有工藝順序提供最佳算力。

　　除了倍福的緊湊型驅(qū)動產(chǎn)品之外，格勞博還使用了 AX5000 伺服驅(qū)動器，主要用于控制采用單電纜技術(shù)(OCT)的 AM8000 伺服電機，以便最大限度地減少安裝空間和布線工作量。