1.引言

MULTIVAC憑借其針對食品行業(yè)的巧妙設計的包裝系統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。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構，使得它們清洗方便。如圖1所示。

圖1

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和OPC實現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，I/O設備可以精確、經濟地根據應用需求調整。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據采集和通信都可以在相關的控制柜模塊中實現。與中央控制器所需的通訊通過超高速EtherCAT系統實現，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。根據需要，系統可以配備兩軸、三軸或四軸機器人，并可靈活地用于各種產品、包裝規(guī)格、重量和周期時間。

搬運系統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)的所有產品和生產環(huán)境。如圖2所示。

圖2

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，我們根據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。因此具有高銅線占空系數和相應的連續(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，以防止在電機內部有凝結水形成。

MULTIVAC使用BeckhoffAX5206型號的2通道EtherCAT伺服驅動器，用于控制電機和拾放系統，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通訊系統配套使用，實現高動態(tài)和高精度的搬運任務。如圖3所示。

圖3

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TwinCATNCPTP和運動學功能庫高效實現。”

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有的運動控制系統中。因此，機器人及運動控制功能可以在一個協調的環(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，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、二維并聯運動、剪切運動、起重機和滾軸運動，3DDelta運動和SCARA運動。

7.通過符合FDA標準的不銹鋼面板型PC實現直觀操作

AloisAllgaier認為，PC控制的優(yōu)點在系統靈活性方面不僅僅局限于控制軟件：“我們可以完全根據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，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，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。如圖4/5/6所示。

圖4

圖5

圖6