1 用戶概況及項目要求 AUTOMATED ASSEMBLIES公司 （AAC）是注塑機器人和工作單元領(lǐng)域全球領(lǐng)先的設(shè)計及制造公司，其產(chǎn)品注冊商標為Raptor 。該公司的多款機器人產(chǎn)品都躋身于世界頂級工業(yè)機器人之列。為滿足全球市場對更快速、更智能、更便捷的機器人日益增長的需求，AAC 著手對以前市場上所沒有的新型注塑成型機械手進行設(shè)計。 根據(jù)要求，AAC計劃在下一代Raptor 機器人項目開始后的一年內(nèi)即可交付最終產(chǎn)品。AAC公司在增值分銷商Target Electronic Supply公司的建議下，選擇了MEI公司的運動控制平臺和SynqNet 運動網(wǎng)絡技術(shù)。Target公司認為，將MEI運動控制平臺和SynqNet 運動網(wǎng)絡應用到Raptor 機 器人的設(shè)計中，不僅完全符合Raptor 技術(shù)規(guī)格，同時還可以支持客戶重要的常規(guī)平臺開發(fā)計劃。 2 MEI SynqNet解決方案 Raptor項目所采用的MEI運動控制平臺和SynqNet 運動網(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)了工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)從可編程控制器（PLC）控制到計算機控制的技術(shù)飛躍，為業(yè)界定義了下一代機器人數(shù)字運動網(wǎng)絡設(shè)計。這一應用正在越來越多地被應用到不同行業(yè)的工業(yè)應用中，不僅僅因為部署了全數(shù)字網(wǎng)絡連接的控制系統(tǒng)可實現(xiàn)速度更快、更加穩(wěn)定和智能的新一代機器人，同時，還能夠縮短設(shè)計、生產(chǎn)、注塑及交付周期，借助自動化提高效率，從而最終節(jié)省成本，為客戶增值。 2.1 從PLC控制到計算機控制 和許多應用一樣，AAC公司以前的機器人控制系統(tǒng)采用的也是PLC及相應解決方案，優(yōu)點是成本經(jīng)濟且易于采用。然而，隨著模塑等行業(yè)對于自動化控制系統(tǒng)可靠性、功能性、人機界面友好性和數(shù)據(jù)可管理性的要求不斷提高，為使生產(chǎn)出的機器人速度更快，并最大程度地實現(xiàn)注塑過程自動化，一個由計算機控制的系統(tǒng)無疑是更加適合且先進的解決方案。 AAC要求開發(fā)功能強大且直觀的圖像用戶界面（GUI），幫助終端用戶通過可視工作空間，對Raptor 機器人或整個工作單元進行快速編程。這樣，終端用戶既可利用現(xiàn)代計算能力的強大功能，同時還降低了復雜性?；诟鞣N技術(shù)可能性，AAC采用基于Linux操作系統(tǒng)的SynqNet運動網(wǎng)絡，進行Raptor 機器人生產(chǎn)，并已選定采用配有用于常規(guī)輸入/輸出的機載 CANOpen 接口XMP-SynqNet-PCI控制器，對系統(tǒng)中所有的伺服軸進行控制。該控制器的初始配置是用于未來機器人設(shè)計的常規(guī)控制平臺的基礎(chǔ)。 2.1.1 MEI 中央控制系統(tǒng) 由于定制模塑廠商的包裝產(chǎn)品生命周期較短，產(chǎn)品數(shù)量不確定，同時還面臨著為產(chǎn)品增值的壓力，因此，對于塑料行業(yè)廠商來說，資產(chǎn)利用至關(guān)重要，即在一種產(chǎn)品完成之后又開始生產(chǎn)另一種與其差別不大的產(chǎn)品時，工作單元可以在多大程度上重復使用?？焖偾袚Q和靈活性的實現(xiàn)就成為其盈利的關(guān)鍵。 AAC公司總裁 Steve Braig 指出：“對我們而言，關(guān)鍵是開發(fā)出一種常規(guī)控制平臺，采用基于單臺計算機的控制器來擴展工作單元的功能，從而為定制模塑廠商增值。未來，當項目發(fā)生變化時，模塑廠商無需負擔額外的控制系統(tǒng)開銷，同時還能夠以最少的支出輕松實現(xiàn)工作單元改型。采用 MEI 技術(shù)和 SynqNet 數(shù)字網(wǎng)絡的計算機控制系統(tǒng)的靈活性能是滿足這一業(yè)界廣泛需求的理想選擇?！? 圖1 2.1.2 SynqNet數(shù)字網(wǎng)絡 SynqNet 適用于所有的機器人伺服控制，并能支持多達32根高度同步的高性能軸。這為AAC需要額外工具端伺服的應用提供了極大的靈活性。AAC采用MEI的應用編程接口（即運動編程接口，MPI）進行編程，MPI是一套功能強大、面向ANSI標準對象的C／C＋＋運動庫，并與所有的 MEI SynqNet控制器兼容。AAC隨后開發(fā)出其自有的緊湊型人機界面，以進行便捷操作。拖放式觸摸屏能夠控制并“示訓”機器人例程，同時控制基于以太網(wǎng)的視覺檢測設(shè)備、輸送機及應用所需的附加工作單元設(shè)備。 2.1.3 SynqNet網(wǎng)絡控制功能 SynqNet 基于IEEE802.3 標準，并采用標準 5 類線纜和 RJ45 連接器連接控制器和驅(qū)動裝置。該網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)矩更新速率高達 48kHz，具有高超的遠程故障診斷功能，并可通過計算機上的以太網(wǎng)，將該功能從工廠傳送至企業(yè)。 除了實時、遠程故障診斷以外，SynqNet 還提供配置文件和固件網(wǎng)絡下載。AAC產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)理 David Lee 認為這是另一個令人興奮的性能：“它能夠更新，確保世界各地所有的設(shè)備均能采用適合的或最新版本的軟件，同時，也使得對特定現(xiàn)場技術(shù)支持的需求相應減少，現(xiàn)場的軟件版本或硬件參數(shù)設(shè)定值也不會有很大的不同。” 2.1.4 SPI 接口 Raptor機器人通過標準SPI接口與其它機械進行通信。在注塑行業(yè)采用SPI接口，可使計算機與塑料加工機械之間以電子方式進行“對話”。實質(zhì)上，MEI控制器能捕獲其它機器的輸入/輸出信號，并集成到Raptor編程解決方案中，以便與其它所有類型的塑料機器無縫協(xié)同工作。所有的MEI控制器均配置了專用輸入/輸出設(shè)備，以及可選 Syn-qNet 輸入/輸出和 CANOpen 輸入/輸出。 2.1.5 IntelimotionTM AAC 已在MEI運動技術(shù)的強大功能基礎(chǔ)上，開發(fā)出業(yè)界領(lǐng)先的最適合載荷類型和重量的運動軌跡及機器人載荷動態(tài)處理技術(shù)（IntelimotionTM），該技術(shù)能夠根據(jù)模具中取出部件的類型和重量，對產(chǎn)品中的差異進行處理，自動調(diào)節(jié)速度和運動軌跡，確保以最高效率生產(chǎn)出最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，從而減輕終端用戶的負擔。該技術(shù)通過拖放式機器界面支持Raptor 工作單元編程所采用的運動型材，便于用戶理解。 2.1.6 MEI 控制系統(tǒng) XMP-SynqNet系列控制器特色在于其用于運動過程數(shù)字信號處理（DSP）的模擬裝置，及其直接存儲器映射架構(gòu)，該架構(gòu)位于計算機PCI 總線上，高效處理主控計算機與控制器之間任務。運動編程接口（MPI）是MEI功能強大的C/C++可移植運動庫，可對所有XMP型控制器進行編程。其他編程環(huán)境，如ActiveX和MatLab/Simulink，均可通過MEI 的插件程序?qū)崿F(xiàn)。MEI公司先進的MechaWare伺服控制和調(diào)節(jié)軟件應用程序也有助于補償機械性異常，并提高機器性能。此外，XMP-SynqNet控制器配置了標準SynqNet接口，能實現(xiàn)菊花鏈或環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)。SynqNet環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)能進行“自修復”容錯操作，無論節(jié)點間出現(xiàn)任何電纜故障，均可通過來自控制器的雙工通信進行運動。目前，SynqNet 運動網(wǎng)絡所能提供的卓越安全可靠性能在業(yè)界獨樹一幟。 2.1.7 MEI軟件工具 除MPI以外，MEI還可提供多種輔助運動編程的應用程序。AAC尤其對MotionScopeTM 印象深刻。該軟件能實現(xiàn)全曲線圖繪制和實時運動數(shù)據(jù)分析，只需輕點鼠標，即可實時顯示位置、速度以及許多其它重要運動參數(shù)。MPI的數(shù)據(jù)記錄器功能（采用XMP硬件）是一種功能強大的工具，能幫助AAC遠程采用MotionScope和進行軟件調(diào)試。David Lee 解釋道：“采用MotionScope工具，可以繪制一次移動過程中多個實時運動參數(shù)的曲線圖，然后，對各移動進行比較，以定量確定用戶最終期望如何執(zhí)行運動?！庇捎贏AC應用程序是在基于Red Hat Linux的PCI架構(gòu)操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)的，用戶可利用應用程序中的TCP/IP內(nèi)置功能，通過標準以太網(wǎng)連接，對采用MotionScope的遠程主機進行分析。“對快速分析和提高運動性能而言，這種工具的價值是無已衡量的?！? 圖2 圖3 2.2 從提高效率到節(jié)約客戶成本 AAC選擇采用 SynqNet，考慮了諸多因素。最根本的原因是其良好的伺服性能、簡化的配線及縮短的實施時間，但性價比才是AAC公司此選更為重要的動因。 2.2.1 節(jié)省生產(chǎn)時間 由于控制器與驅(qū)動裝置之間僅通過一根單獨的電纜連接，因此，在數(shù)小時內(nèi)，即可完成早期原型版本Raptor機器人的配線設(shè)置和調(diào)試。配線過程的簡化和線纜數(shù)量的減少有助于AAC在緊迫的4周時間內(nèi)交付機器人。此外，由于控制器機箱空間緊湊，因此機器智能系統(tǒng)安裝在電機附近，進一步縮短了從驅(qū)動裝置至電機的電纜長度。創(chuàng)新型機器人機械CAD設(shè)計也有助于縮短Raptor機器人解決方案上市的時間。 2.2.2 縮短注塑周期 模具在加工過程中打開，即視為停機。ACC要最大限度延長模具的產(chǎn)品制造時間，即縮短每個周期中模具打開的時間。顯而易見的解決方案是要使機器人盡可能快地運轉(zhuǎn)，但AAC也認識到，通過增加傳感器和（或）視覺系統(tǒng)的使用量，以在部件離開模具時檢查產(chǎn)品的完整性，是生產(chǎn)量最大化的關(guān)鍵。SynqNet協(xié)議的性能與功能強大的MEI控制器相結(jié)合，使其能夠比以往運行地更快，并保持實施定制工具端功能的靈活性。壓力傳感器等工具端伺服的改進能提高整體產(chǎn)品質(zhì)量，并改善取出時間。伺服和視覺加工能提高產(chǎn)品處理的速度和精確度，并可減少工作單元中的勞動密集型工序。 2.2.3 設(shè)計周期 AAC完成Raptor機器人的銷售技術(shù)規(guī)格制定時的目標是在一年內(nèi)開發(fā)出可交付產(chǎn)品。AAC不僅實現(xiàn)了這一緊迫的目標，實際上，從理念提出到交付原型僅用了6個月時間，三個月后已生產(chǎn)出可交付產(chǎn)品。創(chuàng)新、動力以及與增值轉(zhuǎn)售商Target Electronics公司強有力的合作關(guān)系相結(jié)合，成就了AAC這一目標的實現(xiàn)。將機器人控制系統(tǒng)的諸多集成工作外包給其他公司，不僅具有成本效益，選擇MEI公司的現(xiàn)貨供應運動平臺還有助于AAC專注于機器人開發(fā)中的其它重要步驟。 2.2.4 針對效率的自動化 自動化在塑料行業(yè)中將扮演著很重要的角色，它有助于效率的最大化。Braig認為：“如果機器人配置了部件座，可利用直接連接到計算機上的‘智能攝像機‘，對運行中的部件進行檢測，這是Raptor 視覺系統(tǒng)的可選配置。這些部件可作為整套工作單元解決方案的一部分，直接放置到分揀盤，并進一步進行封裝。由于MEI控制系統(tǒng)和SynqNet在中央體系架構(gòu)中完美匹配，所有這些甚至更多自動化功能都是可能實現(xiàn)的，并能成本經(jīng)濟地得以實現(xiàn)?！? 2.2.5 一次性軟件投資 由于AAC用于Raptor機器人編程MPI與MEI所有的SynqNet控制器兼容，因此，AAC能夠得到在單個軟件平臺上不斷開發(fā)運動控制保證。同時，MPI也是獨立的平臺，這就意味著：如果AAC公司變更未來機器人生產(chǎn)線上的計算機類型或操作系統(tǒng)要求，MPI可以“移植”到其它環(huán)境中。此外，MPI支持CANOpen，因此，AAC不需要獨立的CAN控制器，并能夠通過一個編程接口對運動輸入/輸出和CAN輸入/輸出進行編程。由于MPI可采用各種操作系統(tǒng)（特別是Linux操作系統(tǒng)），因而是AAC常規(guī)控制平臺計劃的關(guān)鍵組成部分。由于Linux操作系統(tǒng)極其可靠且可移植性強，因此AAC公司選擇 Li-nux操作系統(tǒng)，以保證機器人在平均長達10年甚至10年以上的生命周期內(nèi)都不會陳舊。這避免了持續(xù)許可證合同，也使AAC公司可從該系統(tǒng)中節(jié)省成本，并將成本節(jié)省傳遞到終端用戶上。 圖4 圖5 3 實施效果及用戶反饋 AAC與增值轉(zhuǎn)售商Target Electronics Supply Inc.攜手，共同完成了下一代Raptor注塑機器的項目選型和實施。Target為該機器人和常規(guī)控制平臺提供了所需的一站式解決方案，推薦了MEI 公司和SynqNet的完美搭配，促成了Raptor機器人生產(chǎn)線的成功。AAC能夠通過Target從多家世界級供應商的同類最佳產(chǎn)品和解決方案中受益。部分外包的解決方案減少了設(shè)計周期中的勞動密集型領(lǐng)域，使AAC內(nèi)部工程部門能更加專注于提高核心競爭力。 正如David指出的：“我們所要做的就是盡可能針對客戶的技術(shù)規(guī)格，設(shè)計最優(yōu)系統(tǒng)。我們發(fā)現(xiàn)，MEI中央控制系統(tǒng)和SynqNet數(shù)字網(wǎng)絡技術(shù)能極大提高產(chǎn)品性能，同時降低系統(tǒng)成本，從而使得采用Raptor機器人產(chǎn)品線可在提高產(chǎn)品性能的同時降低成本?！表椖康膶嵤┳罱K表明：“MEI強大的軟件功能與SynqNet運動網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合，為我們實施和構(gòu)建Raptor機器人生產(chǎn)線指明了道路，Sy-nqNet極大實現(xiàn)了‘控制箱以外的靈活性‘，在未來平臺中也將是至關(guān)重要的技術(shù)?！? 綜上所述，MEI SynqNet 產(chǎn)品能夠同時實現(xiàn)高速且可簡化配線的全數(shù)字運動網(wǎng)絡、組態(tài)技術(shù)支持、支持采用SynqNet下載配置文件、容錯、便捷的現(xiàn)場可服務性、遠程故障診斷及頂級供應商提供SynqNet驅(qū)動裝置和輸入/輸出設(shè)備的技術(shù)支持等功能特點，從而理想的滿足了像AAC這樣對現(xiàn)代高性能控制技術(shù)感興趣的客戶，實現(xiàn)了Raptor注塑機器人項目。