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)成功滿足了極其嚴格的衛(wèi)生要求。這也適用于具有專用拾放機器人的搬運模塊。在控制技術(shù)方面，解決方案則是基于BeckhoffTwinCAT自動化軟件及其機器人運動學(xué)功能庫以及超高速EtherCAT通訊系統(tǒng)。不僅BeckhoffAM8800系列伺服電機確保了高動態(tài)運動，它們的“衛(wèi)生型設(shè)計”還有助于讓搬運機器人能夠有一個完全開放的結(jié)構(gòu)，使得它們清洗方便。如圖1所示。

圖1

MULTIVACSeppHaggenmullerGmbH&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。除了包裝機械，MULTIVAC的產(chǎn)品組合還包括用于裝卸和輸送的搬運模塊、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記和標簽解決方案。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)對其所有標準型包裝機械進行自動化改造。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準接口和標準軟件庫加以簡化，最大限度地降低開發(fā)成本。

根據(jù)MULTIVAC公司控制技術(shù)部門主管AloisAllgaier，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EtherCATI/O系統(tǒng)，I/O設(shè)備可以精確、經(jīng)濟地根據(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械可以通過靈活的EtherCAT端子模塊系統(tǒng)高效地進行模塊化設(shè)計：“我們的機器由CX1020或CX1030嵌入式控制器進行集中控制，并在I/O級的三個分布式控制柜之間分離。這意味著，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，可以通過包裝機械實現(xiàn)的時鐘速度直接取決于能否確?？刂萍夹g(shù)盡可能短的周期時間。”

3.靈活的搬運模塊可用于眾多的機器人類型

MULTIVAC搬運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器構(gòu)造符合衛(wèi)生和FDA標準，可以濕式清洗整個搬運裝置，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。如圖2所示。

圖2

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

MULTIVAC當時之所以開發(fā)他們自己的搬運模塊和機器人有好幾個原因，AloisAllgaier解釋道：“我們針對食品行業(yè)的包裝機械業(yè)滿足極其嚴格的衛(wèi)生要求，這也是我們在搬運和機器人技術(shù)領(lǐng)域的標桿。因為市場上沒有合適的系統(tǒng)，我們根據(jù)自己的設(shè)想和目標為進料區(qū)開發(fā)了自己的機器人手臂。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標準的BeckhoffAM8800不銹鋼伺服電機也發(fā)揮了作用，因為它們的安裝非常簡單，不需要額外的保護外殼。”

AM8800系列伺服電機采用不銹鋼外殼，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械保護繞組線不會出現(xiàn)振蕩。由于外殼和電機軸用的是防刮傷的不銹鋼AISI316L制成，涂料表面不會有爬行腐蝕或損傷。電機防護等級為IP69K，可以使用高壓蒸汽清洗機。電機具有一個可選的密封空氣接口，以防止在電機內(nèi)部有凝結(jié)水形成。

MULTIVAC使用BeckhoffAX5206型號的2通道EtherCAT伺服驅(qū)動器，用于控制電機和拾放系統(tǒng)，從而可以運行兩個相同或不同尺寸的電機。所使用的不銹鋼伺服電機包括額定扭矩為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)和高精度的搬運任務(wù)。如圖3所示。

圖3

5.單電纜技術(shù)提高了衛(wèi)生性，降低了成本

伺服電機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.機器人技術(shù)、運動控制和PLC在同一個動態(tài)軟件平臺上運行

Beckhoff的TwinCAT自動化軟件將PLC、運動控制和機器人技術(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)機器人手臂時，我們確定我們不希望使用一個單獨的機器人控制器。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)用程序的運動順序也可以通過TwinCATNCPTP和運動學(xué)功能庫高效實現(xiàn)。”

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

7.通過符合FDA標準的不銹鋼面板型PC實現(xiàn)直觀操作

AloisAllgaier認為，PC控制的優(yōu)點在系統(tǒng)靈活性方面不僅僅局限于控制軟件：“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，并在主包裝機械的控制器上作為軟件運行。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。搬運機器人相應(yīng)地運行，或者通過其自身的HMI，或者通過包裝機終端。”

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，被用作為顯示和操作終端，其防護等級為IP65。該面板型PC的特點與不銹鋼伺服電機一樣，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HMI2.0用戶界面可以簡單、直觀、可靠地操作搬運模塊以及整臺包裝機械。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行直觀、安全的操作。如圖4/5/6所示。

圖4

圖5

圖6