用德國倍福直接驅動器進行精確而經濟的定位

Koch 的開發人員利用德國倍福的獨門技術迅速地將旋轉運動轉換成了直線運動。

如果你向普通用戶詢問什么是可變化、可調整的帶木條的門框，你看到的可能會是一臉茫然。如果你向 Koch公司的工程師提出同樣的問題，答案可能會是：他們正在使用 Beckhoff 直線電機和 PC 控制的 SBFD-B-NC設備，因此，門框的生產將變得更快、更好、更便宜。由于使用了現代化的工業 PC 控制器，特別為 SBFD-BNC安裝的 31 臺直線電機設備可以使鉆孔和磨孔都變得更加合適。 Koch Maschinenbau 公司作為德國的一家非標木工機械制造商，如果想每小時生產500個門框的話，他們絕對不能浪費時間。那么，如果他們采用 Beckhoff 的先進 PC 控制技術的話，他們就可以節約一些時間。Beckhoff 在這方面經驗豐富：它曾幫助 Koch 公司應用 PC 控制技術在PC 上采用標準 Windows 軟件進行調試仿真和遠程服務/診斷來節約時間。為了尋找更加節省時間和更加優化的方案，他們開發了一項利用加工站里的旋轉驅動來改善鉆頭定位的技術。技術經理 Leo G?vert 很快就想到了在電子工業中安裝 SMD 元件時，精確定位 PCB 板時所采用的線性驅動技術。因為他們的合作伙伴Beckhoff 公司在該領域表現也非常出色，對于這種想法，雙方一拍即合：由雙方來合作開發 SBFD-B-NC 設備。Koch 的管理層為此大開綠燈，一臺功能非常強大、維護工作最少、可以適應時間要求的木工設備就此誕生。在該方案開發的最開始，精力主要集中在設備定位功能的改善上。采用直線驅動取代了齒條上的旋轉驅動，所以定位過程變得更快而且更加精確。這臺長寬為 10mx15m 的設備，將用于板條式門框的木材分為頭部、中部和底部三個部分。然后由操作員選擇加工步驟，并決定是先加工左邊還是右邊。最后，鏈條傳送帶將木材沿 ＋Y 方向依次輸送到9個加工工位。在傳統的解決方案中，鉆銑設備安裝在頂部的搬運器上，它通過齒條來移動，對已經編好程序的孔、槽進行加工。因為在這里用直線電機替代了旋轉電機，使得定位更快而且更加精確。一般來說，直線電機適用于旋轉電機機械結構位置受限，或者是在動態性能、同步和加速方面有特殊要求的場合。

在半條門窗加工廠，31 臺由 Beckhoff AX2000 伺服驅動控制器驅動的直線電機保證了鉆孔和槽的正確定位。所有的驅動數據通過四個 Lightbus 環傳送到工業 PC 進行進一步處理。 直接驅動帶來了 10％ 的成本優勢 控制專家 G?vert 指出，“對我們來說，看起來這是正確的技術選擇。在每個工位的吊運式輸送斗（吊裝式托架）必須接納多至 9 個鉆頭，并將它們移動到位。”對于這項作業任務來說，Beckhoff 的 AL2000 直線電機是理想之選。AL2000 的移動速度可以達到 10m/s，并且在運動過程中還可以獲得很大的加速度。“從管理角度來講，相對獨立的直接驅動很容易被人遺忘，因為在一個加工工位里所有直線電機共用一條磁性軌道，使系統非常經濟，” G?vert 解釋說。G?vert 承認，安裝外部測量系統，在一定程度上會降低成本優勢，“但底線是用 8 個驅動可以節省 10％的成本”。除了經濟原因以外，Koch 也明顯認識到該系統的技術優勢，特別是以下幾個方面： │ 直線伺服電機不受機械磨損 │ 直線電機定位速度快，而且無過沖 │ 易于調試運行 │ 多個電機可以同時運行于一條軌道之上 “對于機器制造商來說，這些優點不容忽視，因為除去冠輪以后，移動距離就幾乎沒有限制了，”Koch 公司軟件工程負責人 Oliver Bexte 補充說。他把時間優勢看作另一個主要優勢。實際上，二者的最大區別并不在于工件的加工，而是在于建立并改進繁重的鉆孔任務。它所需要的定位精度在 0.1mm 到 0.01mm 之間。直線電機的重復精度也非常高。Bexte 對這項技術很有信心，他解釋說，“在實際測試中，我們用千分表測試了幾百次，通過比較表明定位精度并沒有什么變化。”所有這一切并沒有像旋轉電機那樣發生瞬變現象（無伺服抖動現象），這就意味著，設定某些簡單的控制參數變得更加簡單。 儀表管理更加容易 就精度來講，Koch 設備使用的儀表技術也非常關鍵。在按長度切割原材料時，開發人員使用 SONY 的磁性編碼器，只需把它用膠水粘到軌道上就可以了。這樣做的優勢是擁有參考凸輪的和高分辨率閱讀器。Bexte 指出，“這種傳感器的優點是可以調整，只要練習一下就行，時間不超過5分鐘。”軟件工程師警告說，在調整的時候必須小心，因為磁性工具可以損壞整個測量系統。Beckhoff 公司研發人員目前正在為突破這項限制而努力。Beckhoff 的工程師們正在進行一項工作：在直線電機內部采取措施使電機免受外部干擾。其測量原理包括使用次極磁鐵的截面來確定位置和速度。增量式編碼器使用它們的磁場強度可以每24mm 發出 1000 個脈沖（24mm 對應于旋轉電機的一周）。將信號輸入到 AX2000 驅動放大器，就可以獲得 0.1mm 的定位精度。

與需要水冷直線驅動的大功率機床以及需要昂貴的光電測量系統的高精度機床應用相比，這里所講的解決方案對于木工機械和包裝機械來講是理想的。Koch 的控制工程師更喜歡直接驅動的另一個原因是，使用 TwinCAT 可以直接將其無縫集成到現有的自動化系統當中。伺服放大器通過Beckhoff 的 Lightbus 來實現定位，而簡單定位任務的驅動則可以通過 CANopen 來操作。 Beckhoff 工業 PC控制 69 根軸 SBFD-B-NC木工機械是用來鉆銑木工部件的自動化機器，然后再由部件制成板條門窗。該設備由一臺裝有 PENTIUM4 和 15” 面板的工業 PC 來控制。操作系統采用 WINDOWS 2000 SERVER，自動化軟件采用 TwinCAT NC PTP，PLC 循環時間為 10ms。 總共使用 31 臺 AL 2000 直線電機的 5個機械加工工位，可以提供的最大移動速度為 1000mm/s，可以確保加工頭的精確定位。這些電機和另外 3 臺旋轉電機一起通過四個 Lightbus 環耦合到系統中。 通過 CANopen 總線連接用于靜態定位的鏈式輸送機。這臺設備同時包括 27個帶有 CANopen 總線接口的驅動、7根快速和爬行軸。輸入和輸出點總數為 1134 個。 裝有 PLC/NC TwinCAT 軟件的 Beckhoff工業 PC C6150 是 69 根軸的主控制站。

實踐小技巧：從直線電機期望得到什么樣的優勢？

我們問 Leo G?vert 和 Oliver Bexte，當轉換為直線驅動技術的時候，需要特別注意什么?

PC-Control：G?ver 先生，你已經采用Beckhoff 的直接驅動直線電機在鉆孔工作站進行定位 一年了。你后悔這一步嗎？ Leo G?ver：不，恰恰相反。我們采用的不僅是精確、低維護量 的技術，而且對我們的項目來說 它幾乎是最經濟的技術。 PC-Control：這么說來，是直線 電機比旋轉電機更便宜？ Leo G?ver：如果你僅僅是比較每種技術的驅動的話，那么現在并不是時候。但是，在我們的加工站里，在一條軌道上有9臺直線電機工作，這才是節省開支的地方。 PC-Control：考慮成本的話，每條軌道上你必須采用多少個電機？ Oliver Bexte：粗略地說，我們可以講平衡點是4個。我們可以節省10％的成本。 PC-Control：那么提高的精度又是來自于哪里呢？ Oliver Bexte：我們通過一個非常好的推力重量比系數，得到了一個有利于精確定位的推力常數。在這之上，有直接測量系統，和傳統旋轉電機采用的旋轉變壓器相比有著更高的分辨率。直線電機是沒有磨損的，如果我們拿它和齒條、軸承的磨損相比，長時間來看我們也可以得到一個好的結果。 PC-Control：必須考慮哪些變化條件？ Oliver Bexte：如果設備要承受來自直線電機的更大的作用力， 而且沒有振動的話，那么設備的基礎就必須做得更加穩定。 PC-Control：那是唯一的困難嗎？ Leo G?ver：我們必須屏蔽用于位移測量系統的磁性編碼器，以免受到來自電力線路的電磁輻射干擾。一旦你知道這是必需的話，那就不再是問題了。 PC-Control：你能夠再概括一下直線電機的優勢嗎？ Leo G?ver：正如我們所說的，用31臺直線伺服驅動我們不僅僅在一個小的項目中獲得了精確定位，參數化也變得更加容易了。除此之外，該驅動還能夠平滑地集成到TwinCAT自動化架構中。