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近日，機(jī)床制造商格勞博集團(tuán)為幫助客戶應(yīng)對(duì)消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車需求的快速增長(zhǎng)局面，打造了大批量生產(chǎn)和裝配系統(tǒng)。格勞博采用倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制和驅(qū)動(dòng)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(wèn)題，成功完成了這一任務(wù)。一臺(tái)精密的發(fā)卡電機(jī)（因?yàn)殡姍C(jī)定子繞組的線圈形狀像發(fā)卡而得名）專用機(jī)床很好地說(shuō)明了這種優(yōu)化的可擴(kuò)展自動(dòng)化解決方案所具備的優(yōu)勢(shì)。該解決方案不僅采用一臺(tái)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(tái)，而且還配備了 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)。

格勞博集團(tuán)是一家業(yè)務(wù)遍布全球的國(guó)際性家族企業(yè)，總部位于德國(guó)明德海姆市，自 95 年前成立以來(lái)，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(jī)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(dòng)裝配工位和全自動(dòng)裝配生產(chǎn)線。這其中也包括電機(jī)生產(chǎn)系統(tǒng)，以及動(dòng)力電池和燃料電池生產(chǎn)和裝配系統(tǒng)，格勞博電動(dòng)車業(yè)務(wù)部控制技術(shù)部門負(fù)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(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，為客戶提供完整的定制化動(dòng)力總成系統(tǒng)。” 

電動(dòng)汽車需要性能強(qiáng)大的控制技術(shù)

據(jù)格勞博電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)部門的功能開(kāi)發(fā)組負(fù)責(zé)人 Martin Ellenrieder 介紹，電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)也對(duì)控制技術(shù)提出了新的要求：“與針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)相比，這些系統(tǒng)具有工位更加精密、PLC 周期時(shí)間更短、裝配線中配備的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品比例更高以及耦合運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜等特點(diǎn)。”發(fā)卡電機(jī)（第二代）也具有上述特點(diǎn)，它完全配備了倍福的控制和驅(qū)動(dòng)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，包括 40 根實(shí)軸和 5 根虛軸，以及 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)的 12 個(gè)動(dòng)子（作為獨(dú)立的伺服軸運(yùn)行）。此外，還有一個(gè)由 EtherCAT 和 TwinSAFE 端子模塊或端子盒（270 個(gè)數(shù)字量輸入和 150 個(gè)數(shù)字量輸出）組成的 I/O 層。

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(jī)床在每個(gè)發(fā)卡繞組加工周期僅為 2.3 秒的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了極高的輸出率。每個(gè)定子需要單獨(dú)生產(chǎn)約 200 個(gè)發(fā)卡式繞組。整個(gè)加工過(guò)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(jìn)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(jìn)行或不進(jìn)行銅線絕緣層的電氣測(cè)量）：基于 PC 的控制技術(shù)應(yīng)用于張力控制

實(shí)時(shí)剝線：軸定位、凸輪和飛鋸

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

銅絲檢測(cè)：輸送和定位

壓裝/切割：凸輪以及在壓裝/切割過(guò)程中通過(guò)虛擬齒輪功能的動(dòng)態(tài)耦合系數(shù)對(duì)材料位移進(jìn)行補(bǔ)償

2D 彎曲：由發(fā)卡式繞組參數(shù)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)凸輪通過(guò)虛擬齒輪功能的動(dòng)態(tài)耦合系數(shù)進(jìn)行耦合

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

預(yù)插入發(fā)卡式繞組：凸輪或協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)

多樣化的進(jìn)料方式/預(yù)插插槽和夾緊手指的定位運(yùn)動(dòng)：耦合虛擬軸和實(shí)際軸 

格勞博電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)部門電氣設(shè)計(jì)組組長(zhǎng) Daniel Gugenberger 在解釋繞組的生產(chǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的區(qū)別時(shí)說(shuō)道：“如螺栓連接、壓裝和手動(dòng)裝配操作等傳統(tǒng)裝配工藝已經(jīng)在很大程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，如果采用手工操作方法，則無(wú)法達(dá)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(xì)的設(shè)備和過(guò)程數(shù)據(jù)至關(guān)重要，而這也正是倍福基于 PC 的控制技術(shù)的用武之地：“如果一個(gè)完整的生產(chǎn)過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間僅為兩秒鐘，則需要使用合適的分析工具和高速相機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)檢測(cè)和誤差分析。因此，我們經(jīng)常使用 TwinCAT Scope View 示波器軟件。” 

制造一個(gè)定子需要約 50 種不同設(shè)計(jì)的 200 個(gè)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(cè)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(guò)自動(dòng)進(jìn)料裝置將其插入到系統(tǒng)中，以便插入到正確的位置中。運(yùn)動(dòng)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(shí)計(jì)算各種參數(shù)、彎曲角度和凸輪曲線，這是一項(xiàng)龐大又艱巨的任務(wù)。”

格勞博的電機(jī)定子（右）包含多個(gè)由發(fā)卡式繞組組成的繞組輪轂（左）

成熟的自動(dòng)化系統(tǒng)和創(chuàng)新的 HMI

早在 2004 年，第一臺(tái)格勞博加工機(jī)床就采用了倍福技術(shù)，Martin Ellenrieder 回憶道：“首先是試驗(yàn)臺(tái)，隨后是附加刀庫(kù)，到 2017 年，第一條裝配線也采用了基于 PC 的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有控制周期短，以及在未來(lái)應(yīng)用和需求滿足方面高度靈活等特點(diǎn)，同時(shí)擁有與不同總線系統(tǒng)連接的大量接口以及豐富的運(yùn)動(dòng)控制和診斷功能。TwinCAT 軟件的最大優(yōu)勢(shì)在于它具有良好的開(kāi)放性（例如可以集成 MATLAB?），從而可以加快系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程。因此，工藝工程師可以將仿真功能輕松集成到測(cè)試設(shè)備中。TwinCAT 軟件的其它優(yōu)點(diǎn)包括從 E-CAD 系統(tǒng)到 HMI 的代碼自動(dòng)生成，簡(jiǎn)單集成自主開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制功能塊，以及集成版本控制、錯(cuò)誤跟蹤和軟件測(cè)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(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化。”

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(kuò)展件的 CP3918 多點(diǎn)觸摸控制面板連接起來(lái)使用。“工業(yè) PC 提供了足夠算力，幫助我們可靠地實(shí)現(xiàn)了將 PLC 周期時(shí)間縮短到 4 毫秒的目標(biāo)。此外，它的設(shè)計(jì)非常緊湊，安裝選項(xiàng)靈活。”Fabian Gl?ckler 說(shuō)道。在人機(jī)界面方面，重點(diǎn)是方便和無(wú)差錯(cuò)的機(jī)器操作，因此公司很早就已經(jīng)開(kāi)始使用倍福的 TwinCAT HMI 軟件。“我們從一開(kāi)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(shí)施這樣一個(gè)大型 HMI 項(xiàng)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(dòng)關(guān)聯(lián)和多語(yǔ)言實(shí)施方面，最后倍福根據(jù)我們對(duì)人機(jī)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(gè) 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。”

一臺(tái) 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

通過(guò)伺服軸和 XTS 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制

AX5000 伺服驅(qū)動(dòng)器用于控制多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，部分旋轉(zhuǎn)軸由結(jié)構(gòu)緊湊的 EL72xx 和 EP72xx 驅(qū)動(dòng)端子模塊和 AM8000 伺服電機(jī)控制。Martin Ellenrieder 認(rèn)為，單電纜技術(shù)在這種情況下為他們帶來(lái)了特殊優(yōu)勢(shì)：“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(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。AX5000 伺服驅(qū)動(dòng)器兼容多種編碼器接口并配備 AX5805 TwinSAFE 選項(xiàng)卡，能夠?qū)崿F(xiàn)安全驅(qū)動(dòng)功能，這也是我們選擇使用 AX5000 的重要原因。”除此之外，TwinCAT 軟件平臺(tái)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。

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

倍福的XTS系統(tǒng)為旋轉(zhuǎn)軸提供了功能上的補(bǔ)充。一個(gè)配備了 12 個(gè)動(dòng)子的 3 米長(zhǎng)橢圓形導(dǎo)軌系統(tǒng)將各個(gè)發(fā)卡式繞組輸送給一個(gè)線性龍門，完成最后的插入工序。Daniel Gugenberger 認(rèn)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(lái)了顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。他補(bǔ)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(jī)工位）靈活進(jìn)行定位。XTS 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，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(wú)組件、第一次彎曲、第二次彎曲）進(jìn)行靈活的距離控制，縮短周期時(shí)間，解耦了各個(gè)加工過(guò)程，為我們帶來(lái)了進(jìn)一步的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，例如，加工時(shí)間的不同不會(huì)直接影響整個(gè)機(jī)床。”

從機(jī)床內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出運(yùn)動(dòng)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）

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(dòng)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(gè)機(jī)床和系統(tǒng)的分布式安全應(yīng)用通過(guò) EtherCAT Automation Protocol（EAP）相互通信。“這種跨控制系統(tǒng)的安全通信是確保機(jī)床安全的一個(gè)非常重要的方面，因?yàn)槲覀兊目蛻敉ǔ６紩?huì)使用大量的互聯(lián)系統(tǒng)。”Martin Ellenrieder 總結(jié)道。

緊密的團(tuán)隊(duì)合作（從左到右）是成功研發(fā)出精密的發(fā)卡電機(jī)加工專用機(jī)床的關(guān)鍵：Tilman Pla? 和 Darius Wala（來(lái)自倍福），Oliver Schernau 和 Fabian Gl?ckler（來(lái)自格勞博），Karsten Sch?tzle（倍福），Thomas Thurnhuber、Daniel Gugenberger 和 Florian Pichler（都來(lái)自格勞博），F(xiàn)lorian Schütt（倍福），Martin Ellenrieder、Andreas Rei?er 和 Thomas Grei?el（都來(lái)自格勞博）。