2021 年秋季，倍福開(kāi)始全面重新設(shè)計(jì)了其 I/O 組件生產(chǎn)的最終檢驗(yàn)環(huán)節(jié)。其目的是大幅提升生產(chǎn)大量不同類(lèi)型的端子模塊時(shí)的測(cè)試能力和吞吐量。該系統(tǒng)完全由倍福自己的設(shè)備制造部門(mén)打造，每個(gè)班次可以全自動(dòng)編程、調(diào)整和測(cè)試約 10,000 個(gè)端子模塊。精密的系統(tǒng)方案加上 XPlanar 智能輸送系統(tǒng)、基于 PC 的控制器以及各種 EtherCAT 端子模塊共同實(shí)現(xiàn)了高速、靈活的最終檢驗(yàn)。
倍福 I/O 端子模塊生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了靈活的最終檢驗(yàn)
“與倍福每年的高增長(zhǎng)率保持同步。”對(duì)于負(fù)責(zé)建造操作設(shè)備等事項(xiàng)的演示系統(tǒng)部門(mén)的負(fù)責(zé)人 Michael Golz 及其約 40 名員工來(lái)說(shuō)，無(wú)論是過(guò)去還是現(xiàn)在，這都是一個(gè)挑戰(zhàn)。他們對(duì) I/O 端子模塊的最終檢驗(yàn)系統(tǒng)采取了一種全新的方案：XPlanar 輸送系統(tǒng)，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的固件編程工站，以及使用通用測(cè)試柜的測(cè)試工站。“無(wú)論端子模塊的類(lèi)型和交付順序如何，平均每隔 3 秒就有一個(gè) I/O 端子模塊完成固件寫(xiě)入并經(jīng)過(guò)測(cè)試后離開(kāi)系統(tǒng)。”Michael Golz 強(qiáng)調(diào)道。系統(tǒng)目前可以編程和測(cè)試 200 多種不同類(lèi)型的端子模塊。無(wú)論需要處理多少種不同類(lèi)型的模塊，都不會(huì)影響每班次 10,000 個(gè)端子模塊的產(chǎn)出率。
每個(gè) I/O 端子模塊的編程和測(cè)試時(shí)間沒(méi)有改變，但吞吐量卻大大增加：大約每 3 秒就有一個(gè)經(jīng)過(guò)編程和廣泛測(cè)試的端子模塊離開(kāi)系統(tǒng)。
倍福正著手解決這個(gè)難題，尤其是不同的端子模塊類(lèi)型（帶/不帶 FPGA、控制器或帶模擬量通道），編程以及后續(xù)的功能測(cè)試所需的時(shí)間都不相同。“安裝固件和調(diào)整所有模擬量通道可能需要 30 秒。”Stefan Engelke 解釋道，他以及他的團(tuán)隊(duì)一起開(kāi)發(fā)和編程了測(cè)試柜。
解決這個(gè)時(shí)間問(wèn)題的辦法是并行與分開(kāi)固件安裝和功能測(cè)試。這本身并不是一個(gè)突破性的想法；具有開(kāi)創(chuàng)性的部分是系統(tǒng)地使用 XPlanar 的自由度完成整個(gè)內(nèi)部物流并將端子模塊送入到各工站。由于產(chǎn)品能夠進(jìn)行自由的二維平面運(yùn)動(dòng)，總線(xiàn)端子模塊在測(cè)試工站中花費(fèi)的時(shí)間是 10 秒還是 1 分鐘，都無(wú)關(guān)緊要。其余的動(dòng)子簡(jiǎn)單地經(jīng)過(guò)被占用的工站，移動(dòng)到下一個(gè)空閑工站。因此，系統(tǒng)的整體輸出不受個(gè)別工序延遲的影響。
簡(jiǎn)單、靈活、透明的輸送
“盡管如此，這個(gè)過(guò)程仍然非常簡(jiǎn)單。”Michael Golz 說(shuō)道，“操作人員無(wú)需進(jìn)行任何設(shè)置；他們所要做的只是將一疊裝有端子模塊的托盤(pán)放在進(jìn)料工站，然后按下按鈕。“然后，這疊托盤(pán)進(jìn)入分揀工站，在那里，一個(gè) Delta 機(jī)器人從托盤(pán)上拾取模塊，并將它們分別放在等待的 XPlanar 動(dòng)子上。系統(tǒng)有兩條像高速公路一樣的主通道，分別通往編程和測(cè)試工站。這些工站位于兩條主通道側(cè)面的出口或臨時(shí)停留區(qū)域上。通道之間有第三條路徑，所有動(dòng)子都通過(guò)它返回至分揀機(jī)。這種對(duì)稱(chēng)設(shè)置的好處是，即使系統(tǒng)有一邊發(fā)生了故障，另一邊仍能繼續(xù)運(yùn)行。
動(dòng)子經(jīng)過(guò)讀取工站下方的端子模塊，到達(dá)側(cè)面的編程工站。讀取工站通過(guò)多臺(tái)相機(jī)和倍福機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)捕捉每個(gè)端子模塊唯一的倍福識(shí)別碼（BIC）。“之后，系統(tǒng)就能夠知道端子模塊的類(lèi)型，并完全自主完成所有工作：編程，必要時(shí)調(diào)整模擬量通道，以及功能測(cè)試。”負(fù)責(zé)系統(tǒng)編程的 Ulrich Brockhaus 補(bǔ)充說(shuō)道。同時(shí)，BIC 通過(guò)動(dòng)子 ID 與動(dòng)子聯(lián)系起來(lái)。這意味著，即使在斷電后，也可以用動(dòng)子 ID 跟蹤每個(gè)動(dòng)子或端子模塊的位置。
當(dāng)動(dòng)子到達(dá)一個(gè)空閑的編程工站時(shí)，它將端子模塊準(zhǔn)確地定位在其觸點(diǎn)引腳下。然后，根據(jù) BIC 將相應(yīng)的固件加載到端子模塊上。
然后移動(dòng)到通用測(cè)試工站，該工站又會(huì)根據(jù) BIC 調(diào)用每個(gè)端子模塊專(zhuān)用的設(shè)備測(cè)試序列。如果軟件加載正確，并且功能測(cè)試報(bào)告沒(méi)有問(wèn)題，動(dòng)子就會(huì)將端子模塊運(yùn)送到分揀工站的第二個(gè) Delta 機(jī)器人，后者通過(guò)中間軌道將端子模塊放在另一個(gè)托盤(pán)上。動(dòng)子第二次通過(guò)讀取工站，只是這次的方向是相反的。“端子模塊通過(guò)重新捕捉回流軌道上的 BIC 登記端子模塊的離開(kāi)，并且固件的安裝和每個(gè)端子模塊的功能測(cè)試都記錄在中央數(shù)據(jù)庫(kù)中，包括模擬量端子模塊的所有調(diào)整值。”Stefan Engelke 說(shuō)道。
橫立于三條通道上的視覺(jué)系統(tǒng)，會(huì)在每個(gè)端子模塊通過(guò)時(shí)捕捉其 DataMatrix 碼，然后將其與 XPlanar 動(dòng)子的 ID 聯(lián)系起來(lái)。
充分利用 XPlanar 的所有自由度
由 100 塊平面模塊組成的 XPlanar 系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這樣靈活、快速的生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)。“我們用六套 XPlanar 基礎(chǔ)套件（每套包含 3 x 4 塊平面模塊）建造了兩條主通道，其中有兩條出站通道，中間是回流軌道。”Michael Golz 說(shuō)道。對(duì)于擴(kuò)展組件（編程工站和測(cè)試工站），其余 28 塊平面模塊安裝在基礎(chǔ)系統(tǒng)的側(cè)面。每個(gè)安裝位置都配有一個(gè)帶電源（400 V AC）、安全、Ethernet（LAN）以及 EtherCAT 的標(biāo)準(zhǔn)接口。“這樣的接口和系統(tǒng)布局讓我們?cè)谖磥?lái)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)不需要大量的轉(zhuǎn)換。”負(fù)責(zé)系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)和端子模塊觸點(diǎn)技術(shù)細(xì)節(jié)問(wèn)題的 Daniel Golz 強(qiáng)調(diào)道。
XPlanar 實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)也簡(jiǎn)化了很多外部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如，編程工站使用 XPlanar 的 XY 精密定位器。因此，在到達(dá)準(zhǔn)確的位置后，編程工站可以立即降低引腳位置，將它們放到端子模塊觸點(diǎn)上，并開(kāi)始加載固件。
XPlanar 的另一個(gè)功能，即可變懸浮高度，簡(jiǎn)化了測(cè)試工站的設(shè)計(jì)工作。當(dāng)它到達(dá)測(cè)試工站時(shí)，動(dòng)子首先升高，以便測(cè)試工站的滑入裝至可以在端子模塊下方移動(dòng)。然后動(dòng)子再次降低其懸浮高度，端子模塊即可停留在滑入裝置上，進(jìn)入測(cè)試工站。這樣做的好處是，所有觸點(diǎn)都可以自由接觸，并且確�？梢员唤佑|到。測(cè)試結(jié)束后，端子模塊再以相反的順序被放回到動(dòng)子上。
旋轉(zhuǎn)動(dòng)子的功能選項(xiàng)在進(jìn)入和離開(kāi)系統(tǒng)時(shí)起到了重要作用。它可將動(dòng)子旋轉(zhuǎn) 180°，具體取決于系統(tǒng)使用的是哪側(cè)。“這一功能也大大降低了機(jī)械設(shè)備的復(fù)雜性，并能夠節(jié)省測(cè)試工站和編程工站兩側(cè)的空間。”Daniel Golz 指出。
總體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)布局得益于 XPlanar 的四大功能特點(diǎn)：
平面產(chǎn)品移動(dòng)能夠個(gè)性化輸送端子模塊，并實(shí)現(xiàn)了編程工站和測(cè)試工站的并行處理
XY 精密定位意味著編程工站不需要外部機(jī)構(gòu)協(xié)助定位
借助 Z 運(yùn)動(dòng)（提升/降低）輸送總線(xiàn)端子模塊，簡(jiǎn)化了測(cè)試工站的復(fù)雜機(jī)械裝置
360°旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的鏡像對(duì)稱(chēng)設(shè)置
更近距離地了解電氣和光學(xué)功能
測(cè)試工站并不僅僅只是檢測(cè)端子模塊的電氣特性和功能。“對(duì)于帶模擬量信號(hào)的端子模塊，還包括相應(yīng)的測(cè)試順序和校準(zhǔn)。”Stefan Engelke 說(shuō)道。一個(gè)集成的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)還會(huì)檢查顯示燈組是否存在且位置是否正確，并測(cè)量 LED 的顏色和光譜強(qiáng)度。
如此精密的系統(tǒng)只能由一個(gè)完整的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施才能完成（倍福專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，左起）：Daniel Golz（機(jī)械設(shè)計(jì)）、Mathis Blattner（測(cè)試柜軟件開(kāi)發(fā)）、Ulrich Brockhaus（系統(tǒng)編程）、Stefan Engelke（測(cè)試設(shè)備開(kāi)發(fā)）和 Michael Golz（演示系統(tǒng)部門(mén)主管）
各種具有不同功能和測(cè)量范圍的 EtherCAT 端子模塊都可以在系統(tǒng)上進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)試，這都要?dú)w功于通用測(cè)試柜。其完整的測(cè)量測(cè)試技術(shù)以倍福技術(shù)為基礎(chǔ)，以 ELM 系列高精度測(cè)量端子模塊為重點(diǎn)。測(cè)試模組安裝在移動(dòng)機(jī)柜中，并通過(guò)插頭連接器與系統(tǒng)相連，因此可以快速更換，無(wú)需關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)。這需要定期進(jìn)行，因?yàn)?ELM 端子模塊是測(cè)量設(shè)備，必須在特定的周期內(nèi)重新校準(zhǔn)和認(rèn)證。
基于 PC 的控制技術(shù)在整體協(xié)調(diào)和評(píng)估方面的優(yōu)勢(shì)也十分明顯。如果測(cè)試工站檢測(cè)到端子模塊上有偏差，就會(huì)通過(guò) BIC 進(jìn)行記錄，同時(shí)測(cè)試工站會(huì)將端子模塊送回到編程工站重新進(jìn)行配置。然而，如果編程工站或測(cè)試工站上累積了大量錯(cuò)誤信息，即表明出現(xiàn)了故障。“在這種情況下，測(cè)試工站被報(bào)告給系統(tǒng)為不可用，在對(duì)測(cè)試工站進(jìn)行檢查并在必要時(shí)更換之前，不再會(huì)有動(dòng)子靠近這個(gè)位置。”Ulrich Brockhaus 說(shuō)道。雖然系統(tǒng)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)少一個(gè)工站工作，但不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且速度也不會(huì)明顯變慢。“任何一個(gè)可能有問(wèn)題的 I/O 端子模塊都不會(huì)離開(kāi)我們的系統(tǒng)。”Michael Golz 補(bǔ)充說(shuō)道。
總共 100 塊 XPlanar 平面模塊上懸浮的 33 個(gè)動(dòng)子的位置在由 TwinCAT HMI 軟件創(chuàng)建的可視化界面上實(shí)時(shí)顯示。
該系統(tǒng)是一個(gè)能夠很好地說(shuō)明基于 PC 的控制技術(shù)可以用來(lái)執(zhí)行各種任務(wù)和功能的典型例子。除了一臺(tái) C6670 控制柜式工業(yè)服務(wù)器負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào) 100 塊平面模塊以及其上的 33 個(gè)動(dòng)子之外，還有 10 臺(tái) C6032 超緊湊型工業(yè) PC 用于控制其它系統(tǒng)組件。Delta 機(jī)器人的自動(dòng)化通過(guò) AX8000 多軸伺服系統(tǒng)和 AM8000 伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)。“我們使用 AMI8100 驅(qū)控一體伺服電機(jī)送入和彈出托盤(pán)，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)構(gòu)非常緊湊，只需 EtherCAT 和 48 V 電壓即可運(yùn)行。”Ulrich Brockhaus 說(shuō)道。編程工站中的 AA1000 線(xiàn)性執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于接觸端子模塊；測(cè)試工站中的 AA3000 電動(dòng)缸用于載入端子模塊載具。整個(gè)系統(tǒng)的安全都由 TwinSAFE 保障。TwinCAT Vision 可以捕捉到 DataMatrix 碼。車(chē)間內(nèi)共有四個(gè)測(cè)試柜，每個(gè)測(cè)試柜中都安裝了約 40 個(gè) ELM 系列的 EtherCAT 測(cè)量端子模塊。此外，測(cè)試柜中還使用了各種 EL 系列的 EtherCAT 端子模塊。“在這個(gè)項(xiàng)目中，基于 PC 的控制技術(shù)為我們帶來(lái)了很多便利，并為我們留下了進(jìn)一步擴(kuò)展的選項(xiàng)。”Michael Golz 說(shuō)道。
倍福公司 I/O 生產(chǎn)主管 Michael Klasmeier 補(bǔ)充說(shuō)道：“我們的 I/O 端子模塊系列產(chǎn)品種類(lèi)非常豐富：從 2 通道數(shù)字量輸入端子模塊到緊湊型驅(qū)動(dòng)模塊，其復(fù)雜程度各不相同，年產(chǎn)量從幾千到幾十萬(wàn)件不等。”我們所有的產(chǎn)品都在東威斯特伐利亞地區(qū)的威爾本地生產(chǎn)。我們的目標(biāo)是在現(xiàn)有員工人數(shù)和可用空間的基礎(chǔ)上提高產(chǎn)量，如果沒(méi)有自動(dòng)化測(cè)試，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。”
關(guān)于德國(guó)倍福
倍福（Beckhoff）是一家專(zhuān)注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開(kāi)放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過(guò) 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，中國(guó)區(qū)總部落戶(hù)于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國(guó)內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽(yáng)能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍�；� PC 的控制技術(shù)具有良好的開(kāi)放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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