Be ck ho f f自動化技術在現代化制造車間中的應用

德國倍福自動化有限公司 黎凌霄 王建成

1 前言

現代制造業，是指融合了互聯網、通信、計算機等信息化手段和現代管理思想與方法的制造服務業。目前，我國的制造業正處于向現代制造業轉型的初級階段。現代制造車間作為現代制造系統的子單元，只有現代制造車間轉型好了，才能保證現代制造業的更好轉型。在制造系統中，物料的運輸操作包括原材料、半成品和成品間的存儲和運輸。據報道，制造系統中的物料運輸操作的成本占制造總成本的20%～50%，因物料在運輸過程中并不增值，所以多年來人們一直在致力研究降低物料運輸成本的方法。

工欲善其事，必先利其器。物流系統的改善離不開物流設備的升級換代。其中，RGV（Rail Guided Vehicle）和AGV（Automa ted Guided Vehicle）（以下簡稱小車）的引入，可以大幅度的降低這一成本。首先，小車不需要人工駕駛便可以完成物料的運輸操作，減少勞動人員的勞務費用；另外，作為運輸機械，小車可以實現全天候運行。根據編輯好的路線和車輛管理方案，不同的小車之間可以最大限度地協調配合，在有限的時間和空間內最大限度地提升工作效率和質量。同時小車還可以克服人力搬運所受的時間限制。這些都可以降低運輸費用，從而降低制造成本[1][2][3][4]。

三一集團旗下的三一重工公司，正在上海臨港產業園建設一個千億級的現代化生產基地，第一期挖掘機生產基地已經完成，挖掘機生產能力目前已成為全世界第一。而在該基地的現代化制造車間中，昆山華恒焊接公司（以下簡稱華恒公司）作為配套設備提供商，為其一手打造了焊接及裝配加工生產線和物流控制系統。在該系統中，Beckhof f公司的自動化產品得到了全面應用，包括工控機，控制面板，TwinCAT軟件，PLC，運動控制，現場總線以及IO模塊，并采用了高端的無線通訊技術和機器人技術，下一步還會用到Beckhof f的XFC極速控制技術用做高性能測量。整個項目成為Beckhof f公司科技自動化戰略的一個典型成功實例。

華恒公司與Beckhof f公司的合作始于新一代焊接電源設備的開發，以及一些非標設備的開發。Beckhof f 提供的基于 PC 的控制平臺具有良好的開放性和擴展性，TwinCAT軟件既可以做低端的IO控制，也可以做高級復雜的CNC多軸插補控制；硬件產品從工控機，控制面板，IO模塊，現場總線，到伺服驅動器和伺服電機，性能可靠，結構精巧，美觀大方，最大限度地滿足了華恒公司各種產品開發的需求，并且能夠非常方便的實現網絡化，將眾多設備整合在同一個平臺之中，適合開發大型集成系統，符合三一臨港項目的特點。這使得他們對Beckhof f公司的產品建立起了強大的信心，也促使三一臨港項目全面使用Beckhof f產品。

2 性能優異，技術先進的物流控制系統

三一臨港基地的挖掘機生產車間是現代化制造車間的典范，注重設備與環境的和諧，安全性與舒適性要求高，為工人創造一個良好的工作環境，如圖1所示。因此，對物流控制系統的現代化程度要求非常高，要求控制先進，注重環保，外形美觀，噪音低，污染少。

圖1 三一臨港基地的現代化車間

圖2 裝載著工件穿梭于不同設備之間的小車

裝載著工件穿梭于不同設備之間的小車如圖2所示。在挖掘機生產流水線中，由數臺小車及縱橫軌道構成一個物流單元。在這個單元中，按照工藝需要布置相應的加工或裝配工位(站點)，在每個工位上自動完成指定的加工裝配或調整工作。從準備工位開始，小車每到達一個工位，就停下來等待機器人，吊裝機或者翻轉機等輔助機構調整工件位置并進行上料，然后加工設備自動進行加工或裝配操作，操作完成后下料，小車就會自動運行到下一個工位等待下一步操作。因此，當一臺小車從準備工位運行到最后工位時，就應該有一件按照要求加工裝配測試完成的成品。

這個物流控制系統中最重要的就是小車自身運動控制系統和中央調度控制臺。

小車的運動要求動態性能好，速度快，加減速要求高，定位精度和重復定位精度要達到0.5毫米；同時，要求結構緊湊，體積小，負載能力大。Beckhof f公司的產品正符合這些要求：小車采用Beckhof f公司的嵌入式工業PC機CX5010作為小車自身的主控，輔之以TwinCAT PTP軟件作為運動主控軟件，并兼具PLC控制功能。CX5000系列控制器采用Atom處理器，能耗低，處理能力強，結構緊湊體積小，外殼經過優化處理，堅固耐用，圖3所示為CX5000控制器與IPHONE的大小對比。由于小車系統中采用了多種傳感器以保證工藝要求和安全防撞要求，而這些傳感器采用的通訊總線都不盡相同，比如Profibus，CANopen，DeviceNET。而CX5000的擴展能力強，支持多種總線，可以很方便的把這些傳感器集成到系統中去。它還自帶4個USB接口和1個串口，具有大多數常見外設的通訊接入能力。伺服部分采用Beckhof f公司的高速EtherCAT總線驅動器AX5000系列和高性能同步伺服電機AM3000系列，該驅動器具有雙通道功能，一個伺服驅動器可以驅動2個電機，既節約了成本，又節省了空間；電機動態性能好，負載能力大，精度高，保證了小車的使用要求。另外，AX5000供電選擇多樣化既可以接入380V交流電，又可以用蓄電池直接供直流電，這個特性對于伺服系統的升級尤為重要，目前小車供電尚采用滑觸式供電，下一步將升級為無接觸式供電，這樣可以省去小車系統的動力布線，節約成本和空間，提高安全性和環境整潔度。

圖3 CX 5000系列嵌入式工控機與IPHONE

中央調度控制臺是系統中的調度管理員，向上可通過多種方式與上級管理計算機相連接，比如ERP系統；向下通過無線局域網與系統中的小車自身控制系統相連接。控制臺可根據系統中上級管理計算機或外部配合信號情況，以及小車系統的當前狀況決定是否產生系統任務，并按一定的原則指派合適的小車去完成任務。因此，控制臺采用了性能更高、處理能力更強的CX5020作為主控，與上下級計算機或主控進行通訊。

無線通訊技術的采用在該項目中是一個亮點。無線網絡以其靈活性高、連接簡捷、調試快速等特點，目前已在工業自動移動設備上得到越來越多的應用[5]。小車系統的自身控制系統與中央調度控制臺的主控之間，就是通過Beckhof f公司的WLAN控制器CU8890來進行通訊，減少了布線，節約了空間，提高整個車間的美觀度。CU8890是一款工業級數據交換設備，速度快，達到54Mbit/s，傳輸距離達到300米，數據傳輸帶寬大，適合大量數據的通信。將來小車如果升級搭載視覺導航系統，這些特性非常重要。

此外，從存放工件的立體倉庫到生產流水線中的輔助設備，如吊裝機和翻轉機等，也均采用Beckhof f的主控和PLC模塊，以及運動控制產品，這樣在統一的Beckhof f軟硬件平臺上，無縫連接成為一整套生產控制系統，符合CIMS和FMS的概念。

3 Tw inCAT Kinem atics Transform ation——Beckho ff的機器人解決方案

目前，該生產車間中采用了大量的機器人設備，包括上下料機器人，焊接機器人等。Beckhof f公司基于TwinCAT NCI平臺上的機器人解決方案TwinCAT Kinematics Transformation將會大有用武之地，將各種機器人控制系統改造統一到Beckhof f的產品平臺中來，提高系統集成度，便于升級換代和維護。

該解決方案集成于TwinCAT軟件平臺之中，向下兼容TwinCAT PTP點對點運動控制，無需額外的控制器，并具有插補功能，可用G代碼編程。支持常見的機器人類型，包括二維和三維類型，自由度最大可達6軸，具體如Del ta并聯機器人，SCARA機器人等。

4 PC控制技術和Tw in CA T軟件平臺的優勢

借助PC的海量存儲，可以在控制器中存儲一百多套工藝參數，不會增加任何額外成本。在普通PC上使用專用編程軟件生成的生產程序和車輛管理方案也可以通過網絡或移動存儲設備轉移到車輛控制單元上。此外，越來越多的用戶打算或已建立自己的ERP、MES等系統，以提高自己的競爭力。設備層大量的工藝數據和診斷數據需要實時傳送到上一級系統中。PC控制的網絡傳輸帶寬等潛在優勢都會為實現這一規劃提供極大的便利。而PC獨具的遠程診斷功能及Beckhof f全球銷售支持網絡無疑也會使售后服務節約大量的時間及成本，有利于海外市場的擴張[6]。

華恒公司從設計自己的單片機控制系統伊始，就一直努力尋求一個統一的開發平臺來整合和優化開發資源。2006年底，他們逐步開始在一些非標設備上和Beckhof f中國公司合作。經過多年嘗試，華恒最終選擇了Beckhof f基于 PC 的控制技術及產品來開發新一代焊接電源設備的控制系統。華恒公司在追求高性能焊接工藝的同時，對設備的流線造型、人性化操作界面、體積等方面也非常考究。Beckhof f 基于 PC 和現場總線的控制系統無疑是最佳選擇。

華恒公司擁有焊接電源、管焊專機、機器人等眾多產品，經常需要根據客戶要求進行定制開發。如何提高這些設備控制資源之間的可重用性一直是華恒公司所思索的問題。Beckhof f提供的基于PC的控制平臺具有良好的開放性和擴展性，能夠滿足他們所有的機型要求。比如，只需在電源設備中配置添加伺服電機用以實現外圍的定位，即可輕松轉換成大型的管焊專機；而升級軟件就可利用TwinCAT NCI、CNC功能來焊接圓弧、相貫線及樣條曲線等需要插補的復雜形狀；結合機器人庫文件即可將此設備改造為機器人；擴展X、Y、Z軸等也都輕而易舉。這將大大降低大型設備重新開發的成本和周期。

正是基于Beckhof f公司的PC控制技術和統一的TwinCAT軟件平臺，使得華恒公司在本次三一臨港基地項目中義無反顧的采用了Beckhof f整體解決方案。

5 結語

本文介紹了Beckhof f公司自動化產品在三一集團上海臨港基地現代化制造車間中的應用，項目由昆山華恒焊接公司完成。其中突出介紹了Beckhof f控制系統的特點，無線通訊技術的應用，以及機器人解決方案。對于PC控制技術的優點也做了一些討論，文中也探討了項目今后一些改進的方向。

[1] 張辰貝西，黃志球. 自動導航車（AGV）發展綜述[J]. 中國制造業信息化，2010，39(1)：53-59.

[2] 王寶華. AGV讓物流系統加速運轉[J]. 物流技術與應用，2011（10）：104-106.

[3] 唐云樹. RGV無線往復小車的設計開發方案[J]. 伺服控制，2011（2）：87-89.

[4] 王碧輝，魏生民，汪焰恩，閆小超，李西鋒. 無線數據傳輸系統在基于視覺引導的AGV系統中的應用[J]. 科學技術與工程，2010，10（4）：891-894.

[5] 高峰，劉桂娟，李明儒，曲雅楠. 無線網絡在裝配線自動小車上的應用, 物流技術與應用，2010（9）：106-107.

[6] 王建成. EtherCAT and PC Control Guarantee high quality w elding[J]. PC Control,2009（4）.