PC-based控制技術為製造車用馬達提供動力
近日，工具機製造商GROB集團為滿足電動車需求快速成長的局面，打造大批量生產和裝配系統。GROB採用倍福PC-based和 EtherCAT 的控制和驅動技術解決了大幅縮短加工週期並相應提升加工速度等關鍵問題，成功完成這個任務。一台精密的髮夾馬達（因為馬達定子繞組的線圈形狀像髮夾而得名）專用工具機完美展示此優化的可擴展自動化解決方案的優勢。該解決方案不僅採用一台安裝有 TwinCAT 3 軟體的 C603x 超緊湊型工業 PC 作為中央控制平台，還配備XTS 磁懸浮輸送系統。
GROB集團是間跨國經營的家族企業，總部位於德國明德海姆市，自 95 年前成立以來，一直致力為全球知名的汽車製造商及其供應商研發和生產各種系統和工具機，其產品系列包括通用加工機、複雜的生產系統，以及手動裝配站和全自動裝配生產線。這其中也包括馬達生產系統，以及動力電池和燃料電池生產和裝配系統，GROB電動車業務部控制技術部門負責人 Fabian Glöckler 解釋道：「在這個領域，我們的產品可以覆蓋整個產業鏈，為客戶提供完整的客製化動力總成系統。」
電動汽車需要性能強大的控制技術
據GROB電動汽車業務部門的功能開發組負責人 Martin Ellenrieder 介紹，電動汽車的發展趨勢也對控制技術提出新的要求：「與內燃機系統相比，這些系統具有工作站更加精密、PLC 循環時間更短、裝配線中配備的驅動產品比例更高以及耦合運動更加複雜等特點。」在完全配備倍福的控制和驅動技術的第二代髮夾機也具有上述特點。除了 4 根GROB主軸外，還配有 57 根 NC 軸 — 40 根實軸和 5 根虛擬軸，以及 XTS 磁懸浮輸送系統的 12 個動子，可作為獨立的伺服軸運行。此外，還有一個由 EtherCAT 和 TwinSAFE 端子模組或端子盒組成的 I/O 層，具有270 個數位輸入和 150 個數位輸出。
C6030 或 C6032 超緊湊型工業 PC 和 TwinCAT 軟體做為控制系統核心部分，工具機在每個髮夾繞組加工週期僅為 2.3 秒的基礎上實現了極高的輸出率。每個定子需要單獨生產約 200 個髮夾式繞組。整個加工過程非常複雜，也涉及十分廣泛的控制任務範圍，從銅管線材進料到矯直、複雜的彎曲和剝線，再到精確預插入到插槽中：
- 供線（從線圈到直銅線，進行或不進行銅線絕緣層的電氣測量）：PC-based控制技術應用於張力控制
- 即時剝線：軸定位、凸輪和隨動鋸機
- 供線：軸與第二個編碼器系統耦合，根據系統的運行狀態切換編碼器系統，以及透過用於專用操作模式（帶線或不帶線運行）的介面切換軸
- 銅絲檢測：輸送和定位
- 壓裝/切割：凸輪以及在壓裝/切割過程中通過虛擬齒輪功能的動態耦合係數對材料位移進行補償
- 2D 彎曲：由髮夾式繞組參數產生的動態凸輪通過虛擬齒輪功能的動態耦合係數進行耦合
- 3D 彎曲：由髮夾式繞組參數產生的動態凸輪通過虛擬齒輪功能的動態耦合係數與 XTS 動子耦合
- 預插入髮夾式繞組：凸輪或協調運動
- 多樣化的進料方式/預插插槽和夾緊手指的定位運動：耦合虛擬軸和實際軸
GROB電動汽車業務部門電氣設計組組長 Daniel Gugenberger 在解釋生產繞組與內燃機生產的區別時說道：「如螺栓連接、壓裝和手動裝配操作等傳統裝配過程已經高度實現自動化，如果採用人工操作，則無法達到要求的品質、精度和速度。」由於系統的輸送量非常大，詳細的設備和過程數據十分重要，而這也是證明倍福PC-based控制技術有價值的地方：「如果一個完整的生產過程花費的時間僅為兩秒鐘，則需要使用合適的分析工具和高速相機實現生產檢測和誤差分析。因此，我們經常使用 TwinCAT Scope View 示波器軟體。」
製造一個定子需要大概 50 種不同設計的 200 個髮夾式繞組。這些是按照放置在預插插槽中的順序依次生產。因此，線上誤差檢測非常重要。Fabian Glöckler 解釋道：「如果出現材料或幾何形狀誤差，則必須再次生產相應的髮夾式繞組，並透過自動進料裝置將其插入到系統中，以便插入到正確的位置中。運動軸數量較大，髮夾式繞組規格較多，這也意味著控制技術需要及時計算各種參數、彎曲角度和凸輪曲線，這是一項龐大又艱巨的任務。」
成熟的自動化系統和創新的 HMI
早在 2004 年，第一台GROB加工工具機就採用倍福技術，Martin Ellenrieder 回憶道：「首先是測試台，隨後是附加刀庫，到 2017 年，第一條裝配線也採用PC-based自動化控制系統。系統具有控制週期短，以及在未來應用和需求滿足方面高度靈活等特點，同時擁有與不同總線系統連接的大量介面、豐富的運動控制和診斷功能。TwinCAT 軟體的最大優勢在於它具有良好的開放性，例如可以整合 MATLAB®，進而加快系統開發過程。因此，工程師可以將模擬功能輕鬆整合到測試設備中。TwinCAT 軟體的其它優點包括從 E-CAD 系統到 HMI 的代碼自動生成，簡單整合自主開發的運動控制功能塊，以及整合版本控制、錯誤跟蹤和軟體測試。此外，TwinCAT 軟體具備極高靈活性，讓我們能夠更輕鬆地實現軟體發展的標準化。」
超緊湊型工業 PC C6030 或 C6032（如果需要更多的介面）與配有客戶客製的按鈕擴展件的 CP3918 多點觸摸控制台連接起來使用。「工業 PC 提供充足的計算能力，幫助我們可靠地實現了將 PLC 週期時間縮短到 4 毫秒的目標。此外，它的設計非常緊湊，安裝選項靈活。」Fabian Glöckler 說道。在人機界面方面，重點是方便和無差錯的機器操作，因此公司很早就已經開始使用倍福的 TwinCAT HMI 軟體。「我們從一開始就與倍福密切合作，尤其是和倍福慕尼黑分公司，因此才能成功實施這樣一個大型 HMI 專案。彼此的合作富有成效，例如在 HMI 和 PLC 程式之間的自動關聯和多語言實施方面，最後倍福根據我們對人機界面的直觀性、易用性、一目了然的參數顯示和豐富的診斷功能等需求，量身訂做一個 HMI 軟體，最終為我們的系統提供統一和創新的操作方案。」
透過伺服軸和 XTS 實現複雜的運動控制
AX5000 伺服驅動器用於控制多個旋轉軸，部分旋轉軸由結構緊湊的 EL72xx 和 EP72xx 驅動端子模組和 AM8000 伺服馬達控制。Martin Ellenrieder 認為，單電纜技術在這種情況下為他們帶來了特殊優勢：「單電纜技術可以顯著減少佈線工作量，並大幅地降低出錯風險。AX5000 伺服驅動器相容多種編碼器介面並配備 AX5805 TwinSAFE 選項卡，能夠實現安全驅動功能，這也是我們選擇使用 AX5000 的重要原因。」除此之外，TwinCAT 軟體平台還能提供 TwinCAT NC PTP、NC Camming 或 NC Flying Saw 等豐富的功能元件，最重要的是，這些功能元件可以自由組合。
倍福 XTS 磁懸浮輸送系統為旋轉軸提供功能上的補充。一個配備了 12 個動子的 3 米長橢圓形導軌系統將各個髮夾式繞組輸送給一個線性龍門，完成最後的插入過程。 Daniel Gugenberger 認為，XTS 提高系統的靈活性，且能夠輕鬆添加新功能，帶來顯著的應用優勢。他補充道：「除了傳統的輸送任務之外，我們還使用 XTS 在不同的加工位置，像是在折彎和攝影站靈活地進行定位。XTS 系統採用模組化設計，結構緊湊，讓我們能夠輕鬆整合不同的加工工站。輸送系統還能夠根據元件狀態（無元件、第一次彎曲、第二次彎曲）進行靈活的距離控制，縮短週期時間，解耦各個加工過程，為我們帶來進一步的競爭優勢，例如，不同的加工時間不會直接影響整個工具機。」
根據 Martin Ellenrieder 介紹，TwinSAFE 系統整合式安全功能在安全應用方面具有高度靈活性。除了基於驅動器的安全技術之外，TwinSAFE 邏輯模組 EL6910 也被用作專用安全控制器。整條生產線上的各個工具機和系統的分散式安全應用通過 EtherCAT Automation Protocol（EAP）相互通訊。「這種跨控制系統的安全通訊是確保工具機安全的一個非常重要的方面，因為我們的客戶通常都會使用大量的互聯系統。」Martin Ellenrieder 總結道。