1　引言

    MULTIVAC憑借其針對食品行業(yè)的巧妙設(shè)計的包裝系統(tǒng)成功滿足了極其嚴(yán)格的衛(wèi)生要求。這也適用于具有專用拾放機(jī)器人的搬運(yùn)模塊。在控制技術(shù)方面，解決方案則是基于BeckhoffTwi nCAT自動化軟件及其機(jī)器人運(yùn)動學(xué)功能庫以及超高速EtherCAT通訊系統(tǒng)。不僅Beckhoff AM8800系列伺服電機(jī)確保了高動態(tài)運(yùn)動，它們的“衛(wèi)生型設(shè)計”還有助于讓搬運(yùn)機(jī)器人能夠有一個完全開放的結(jié)構(gòu)，使得它們清洗方便。

    MULTIVAC Sepp Haggenmuller GmbH & Co. KG總部設(shè)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(wù)供應(yīng)商。除了包裝機(jī)械，MULTIVAC的產(chǎn)品組合還包括用于裝卸和輸送的搬運(yùn)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(biāo)記和標(biāo)簽解決方案。食品行業(yè)是MULTIVAC解決方案最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，在這個領(lǐng)域，高效、準(zhǔn)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。

    2　基于PC的控制技術(shù)應(yīng)用于高效包裝工藝

    MULTIVAC依賴Beckhoff基于PC的控制技術(shù)對其所有標(biāo)準(zhǔn)型包裝機(jī)械進(jìn)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(yīng)對日益復(fù)雜的機(jī)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(qiáng)大的功能。除此之外，PC控制技術(shù)使得通過以太網(wǎng)和OPC實現(xiàn)的通訊連接可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口和標(biāo)準(zhǔn)軟件庫加以簡化，最大限度地降低開發(fā)成本。

    MULTIVAC公司控制技術(shù)部門主管AloisAllgaier介紹，PC控制技術(shù)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(jī)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EtherCAT I/O系統(tǒng)，I/O設(shè)備可以精確、經(jīng)濟(jì)地根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)整。”最佳適應(yīng)性對于 AloisAllgaier來說則意味著包裝機(jī)械可以通過靈活的EtherCAT端子模塊系統(tǒng)高效地進(jìn)行模塊化設(shè)計：“我們的機(jī)器由CX1020或CX1030嵌入式控制器進(jìn)行集中控制，并在I/O級的三個分布式控制柜之間分離。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(guān)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(shù)的重要因素。最終，可以通過包裝機(jī)械實現(xiàn)的時鐘速度直接取決于能否確保控制技術(shù)盡可能短的周期時間。”

    3　靈活的搬運(yùn)模塊可用于眾多的機(jī)器人類型

    MULTIVAC搬運(yùn)模塊自動完成各種包裝任務(wù)，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(jī)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(yùn)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(jī)器構(gòu)造符合衛(wèi)生和FDA標(biāo)準(zhǔn)，可以濕式清洗整個搬運(yùn)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。

    4　開放的框架結(jié)構(gòu)和不銹鋼電機(jī)衛(wèi)生優(yōu)勢

    MULTIVAC當(dāng)時之所以開發(fā)他們自己的搬運(yùn)模塊和機(jī)器人有多方面的原因，AloisAllgaier解釋道：“我們針對食品行業(yè)的包裝機(jī)械業(yè)滿足極其嚴(yán)格的衛(wèi)生要求，是我們在搬運(yùn)和機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)桿。因為市場上沒有合適的系統(tǒng)，我們根據(jù)自己的設(shè)想和目標(biāo)為進(jìn)料區(qū)開發(fā)了自己的機(jī)器人手臂。最后我們設(shè)計出了一個不銹鋼框架結(jié)構(gòu)，清洗起來非常方便，因為它是完全開放的。符合 FDA標(biāo)準(zhǔn)的Beckhoff AM8800不銹鋼伺服電機(jī)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(hù)外殼。”

    AM8800系列伺服電機(jī)采用不銹鋼外殼，它是根據(jù)EHEDG（歐洲衛(wèi)生工程設(shè)計組織）的指引采用“衛(wèi)生型設(shè)計”設(shè)計而成的。使用的潤滑劑符合食品安全規(guī)定（FDA）。電機(jī)繞組采用變極繞組技術(shù)實現(xiàn)。因此具有高銅線占空系數(shù)和相應(yīng)的連續(xù)大扭矩。全封閉的定子為電機(jī)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(jī)械保護(hù)繞組線不會出現(xiàn)振蕩。由于外殼和電機(jī)軸用的是防刮傷的不銹鋼AISI 316L制成，涂料表面不會有爬行腐蝕或損傷。電機(jī)防護(hù)等級為IP 69K，可以使用高壓蒸汽清洗機(jī)。電機(jī)具有一個可選的密封空氣接口，以防止在電機(jī)內(nèi)部有凝結(jié)水形成。

    MULTIVAC使用Beckhoff AX5206型號的2通道EtherCAT伺服驅(qū)動器（如圖1所示），用于控制電機(jī)和拾放系統(tǒng)，從而可以運(yùn)行兩個相同或不同尺寸的電機(jī)。所使用的不銹鋼伺服電機(jī)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(yùn)任務(wù)。
 

    圖1 AM8800 電機(jī)采用的單電纜技術(shù)（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(jī)電纜和連接器用量

    5　單電纜技術(shù)提高了衛(wèi)生性，降低了成本

    伺服電機(jī)的電纜接頭也和外殼一樣，采用“衛(wèi)生型設(shè)計”。在衛(wèi)生安全方面，Beckhoff的單電纜技術(shù)（OCT）在連接AM8800系列伺服電機(jī)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(jī)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(jī)的反饋信號直接沿著導(dǎo)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(jī)器人技術(shù)、運(yùn)動控制和PLC在同一個動態(tài)軟件平臺上運(yùn)行

    Beckhoff的TwinCAT自動化軟件將PLC、運(yùn)動控制和機(jī)器人技術(shù)整合在一個集成式平臺中，這是PC控制技術(shù)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(jī)器人手臂時，我們不希望使用一個單獨的機(jī)器人控制器。TwinCAT讓整個控制技術(shù)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(jī)可以通過伺服驅(qū)動器輕松整合到軟件中，且我們的應(yīng)用程序的運(yùn)動順序也可以通過TwinCAT NCPTP和運(yùn)動學(xué)功能庫高效實現(xiàn)。”

    機(jī)器人功能可以使用“TwinCAT 運(yùn)動學(xué)變換”自動化軟件進(jìn)行映射。TwinCAT增補(bǔ)軟件被透明集成到現(xiàn)有的運(yùn)動控制系統(tǒng)中。因此，機(jī)器人及運(yùn)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，3D Delta運(yùn)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(jī)器人運(yùn)動學(xué)都可實現(xiàn)，可以在直角坐標(biāo)系中使用DIN-66025命令或者PLC中與PLCopen兼容的組件對動作進(jìn)行編程。集成的動態(tài)預(yù)控制確保運(yùn)動在高加速度和高速情況下仍能夠保持高精度。TwinCAT運(yùn)動學(xué)變換功能庫包含直角坐標(biāo)運(yùn)動、二維并聯(lián)運(yùn)動、剪切運(yùn)動、起重機(jī)和滾軸運(yùn)動、3D Delta運(yùn)動和SCARA運(yùn)動。

    7　通過符合FDA標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼面板型PC實現(xiàn)直觀操作

    AloisAllgaier認(rèn)為，PC控制的優(yōu)點在系統(tǒng)靈活性方面不僅局限于控制軟件：“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(yùn)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(jī)械的控制器上作為軟件運(yùn)行。Beckhoff的自動化技術(shù)通過這種靈活性為用戶提供了一個很大的優(yōu)勢。搬運(yùn)機(jī)器人相應(yīng)地運(yùn)行，或者通過其自身的HMI，或者通過包裝機(jī)終端。”

    定制設(shè)計的CP7201面板型PC采用高品質(zhì)不銹鋼設(shè)計，有一個12英寸的觸摸屏，作為顯示和操作終端，其防護(hù)等級為IP 65。該面板型PC的特點與不銹鋼伺服電機(jī)一樣，都采用“衛(wèi)生型設(shè)計”。換句話說，其外殼采用無縫設(shè)計，配有一個齊平安裝式觸摸面板。MULTIVAC的HMI 2.0用戶界面可以簡單、直觀、可靠地操作搬運(yùn)模塊以及整臺包裝機(jī)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(yù)設(shè)、36個可用的界面語言，以及多層次的訪問權(quán)限管理也有助于在世界各地進(jìn)行直觀、安全的操作。

    摘自《自動化博覽》1月刊