近日，機床制造商格勞博集團為幫助客戶(hù)應對消費者對電動(dòng)汽車(chē)需求的快速增長(cháng)局面，打造了大批量生產(chǎn)和裝配系統。格勞博采用倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制和驅動(dòng)技術(shù)解決了最大限度地縮短加工周期并相應加快工藝順序等關(guān)鍵問(wèn)題，成功完成了這一任務(wù)。一臺精密的發(fā)卡電機（因為電機定子繞組的線(xiàn)圈形狀像發(fā)卡而得名）專(zhuān)用機床很好地說(shuō)明了這種優(yōu)化的可擴展自動(dòng)化解決方案所具備的優(yōu)勢。該解決方案不僅采用一臺安裝有 TwinCAT 3 軟件的 C603x 超緊湊型工業(yè) PC 作為中央控制平臺，而且還配備了 XTS 磁驅柔性輸送系統。

格勞博集團是一家業(yè)務(wù)遍布全球的國際性家族企業(yè)，總部位于德國明德海姆市，自 95 年前成立以來(lái)，一直致力于為全球知名的汽車(chē)制造商及其供應商研發(fā)和生產(chǎn)各種系統和機床，其產(chǎn)品系列包括通用加工中心、復雜的生產(chǎn)系統，以及手動(dòng)裝配工位和全自動(dòng)裝配生產(chǎn)線(xiàn)。這其中也包括電機生產(chǎn)系統，以及動(dòng)力電池和燃料電池生產(chǎn)和裝配系統，格勞博電動(dòng)車(chē)業(yè)務(wù)部控制技術(shù)部門(mén)負責人 Fabian Gl?ckler 解釋道：“我們的產(chǎn)品可以覆蓋該領(lǐng)域的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，為客戶(hù)提供完整的定制化動(dòng)力總成系統?！?span style="text-indent: 2em;"> 

電動(dòng)汽車(chē)需要性能強大的控制技術(shù)

據格勞博電動(dòng)汽車(chē)業(yè)務(wù)部門(mén)的功能開(kāi)發(fā)組負責人 Martin Ellenrieder 介紹，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展趨勢也對控制技術(shù)提出了新的要求：“與針對發(fā)動(dòng)機的系統相比，這些系統具有工位更加精密、PLC 周期時(shí)間更短、裝配線(xiàn)中配備的驅動(dòng)產(chǎn)品比例更高以及耦合運動(dòng)更加復雜等特點(diǎn)?！卑l(fā)卡電機（第二代）也具有上述特點(diǎn)，它完全配備了倍福的控制和驅動(dòng)技術(shù)。除了 4 根格勞博主軸之外，它總共還配備了 57 根 NC 軸，包括 40 根實(shí)軸和 5 根虛軸，以及 XTS 磁驅柔性輸送系統的 12 個(gè)動(dòng)子（作為獨立的伺服軸運行）。此外，還有一個(gè)由 EtherCAT 和 TwinSAFE 端子模塊或端子盒（270 個(gè)數字量輸入和 150 個(gè)數字量輸出）組成的 I/O 層。

C6030 或 C6032 超緊湊型工業(yè) PC 和 TwinCAT 軟件用作控制系統核心部分，機床在每個(gè)發(fā)卡繞組加工周期僅為 2.3 秒的基礎上實(shí)現了極高的輸出率。每個(gè)定子需要單獨生產(chǎn)約 200 個(gè)發(fā)卡式繞組。整個(gè)加工過(guò)程非常復雜，涉及的控制任務(wù)范圍也很廣泛：從銅管線(xiàn)材進(jìn)料到矯直、復雜的彎曲和剝線(xiàn)，再到精確預插入到插槽中： 

供線(xiàn)（從線(xiàn)圈到直銅線(xiàn)，進(jìn)行或不進(jìn)行銅線(xiàn)絕緣層的電氣測量）：基于 PC 的控制技術(shù)應用于張力控制

實(shí)時(shí)剝線(xiàn)：軸定位、凸輪和飛鋸

送線(xiàn)：軸與第二個(gè)編碼器系統耦合，根據系統的運行狀態(tài)切換編碼器系統，以及通過(guò)用于專(zhuān)用操作模式（帶線(xiàn)或不帶線(xiàn)運行）的接口切換軸

銅絲檢測：輸送和定位

壓裝/切割：凸輪以及在壓裝/切割過(guò)程中通過(guò)虛擬齒輪功能的動(dòng)態(tài)耦合系數對材料位移進(jìn)行補償

2D 彎曲：由發(fā)卡式繞組參數產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)凸輪通過(guò)虛擬齒輪功能的動(dòng)態(tài)耦合系數進(jìn)行耦合

3D 彎曲：由發(fā)卡式繞組參數產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)凸輪通過(guò)虛擬齒輪功能的動(dòng)態(tài)耦合系數與 XTS 動(dòng)子耦合

預插入發(fā)卡式繞組：凸輪或協(xié)調運動(dòng)

多樣化的進(jìn)料方式/預插插槽和夾緊手指的定位運動(dòng)：耦合虛擬軸和實(shí)際軸 

格勞博電動(dòng)汽車(chē)業(yè)務(wù)部門(mén)電氣設計組組長(cháng) Daniel Gugenberger 在解釋繞組的生產(chǎn)與發(fā)動(dòng)機生產(chǎn)的區別時(shí)說(shuō)道：“如螺栓連接、壓裝和手動(dòng)裝配操作等傳統裝配工藝已經(jīng)在很大程度上實(shí)現了自動(dòng)化，如果采用手工操作方法，則無(wú)法達到要求的質(zhì)量、精度和速度?！庇捎谙到y的吞吐量非常大，詳細的設備和過(guò)程數據至關(guān)重要，而這也正是倍福基于 PC 的控制技術(shù)的用武之地：“如果一個(gè)完整的生產(chǎn)過(guò)程花費的時(shí)間僅為兩秒鐘，則需要使用合適的分析工具和高速相機實(shí)現生產(chǎn)檢測和誤差分析。因此，我們經(jīng)常使用 TwinCAT Scope View 示波器軟件?！?span style="text-indent: 2em;"> 

制造一個(gè)定子需要約 50 種不同設計的 200 個(gè)發(fā)卡式繞組。它們按照放置在預插插槽中的順序依次生產(chǎn)。因此，在線(xiàn)誤差檢測具有非常重要的意義。Fabian Gl?ckler 解釋道：“如果出現材料或幾何形狀誤差，則必須再次生產(chǎn)相應的發(fā)卡式繞組，并通過(guò)自動(dòng)進(jìn)料裝置將其插入到系統中，以便插入到正確的位置中。運動(dòng)軸數量較大，發(fā)卡式繞組規格較多，這也意味著(zhù)控制技術(shù)需要及時(shí)計算各種參數、彎曲角度和凸輪曲線(xiàn)，這是一項龐大又艱巨的任務(wù)?！?/p>

格勞博的電機定子（右）包含多個(gè)由發(fā)卡式繞組組成的繞組輪轂（左）

成熟的自動(dòng)化系統和創(chuàng )新的 HMI

早在 2004 年，第一臺格勞博加工機床就采用了倍福技術(shù)，Martin Ellenrieder 回憶道：“首先是試驗臺，隨后是附加刀庫，到 2017 年，第一條裝配線(xiàn)也采用了基于 PC 的自動(dòng)化控制系統。系統具有控制周期短，以及在未來(lái)應用和需求滿(mǎn)足方面高度靈活等特點(diǎn)，同時(shí)擁有與不同總線(xiàn)系統連接的大量接口以及豐富的運動(dòng)控制和診斷功能。TwinCAT 軟件的最大優(yōu)勢在于它具有良好的開(kāi)放性（例如可以集成 MATLAB?），從而可以加快系統開(kāi)發(fā)過(guò)程。因此，工藝工程師可以將仿真功能輕松集成到測試設備中。TwinCAT 軟件的其它優(yōu)點(diǎn)包括從 E-CAD 系統到 HMI 的代碼自動(dòng)生成，簡(jiǎn)單集成自主開(kāi)發(fā)的運動(dòng)控制功能塊，以及集成版本控制、錯誤跟蹤和軟件測試。此外，TwinCAT 軟件還具有很高的靈活性，讓我們能夠更輕松地實(shí)現軟件開(kāi)發(fā)的標準化?！?/p>

超緊湊型工業(yè) PC C6030 或 C6032（如果需要更多的接口）與帶客戶(hù)定制的按鈕擴展件的 CP3918 多點(diǎn)觸摸控制面板連接起來(lái)使用?！肮I(yè) PC 提供了足夠算力，幫助我們可靠地實(shí)現了將 PLC 周期時(shí)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?！盕abian Gl?ckler 說(shuō)道。在人機界面方面，重點(diǎn)是方便和無(wú)差錯的機器操作，因此公司很早就已經(jīng)開(kāi)始使用倍福的 TwinCAT HMI 軟件?！拔覀儚囊婚_(kāi)始就與倍福，尤其是倍福慕尼黑分公司密切合作，才能夠成功實(shí)施這樣一個(gè)大型 HMI 項目。我們之間的合作富有成效，例如在 HMI 和 PLC 程序之間的自動(dòng)關(guān)聯(lián)和多語(yǔ)言實(shí)施方面，最后倍福根據我們對人機界面的直觀(guān)性、易用性、一目了然的參數顯示和豐富的診斷功能等需求定制了一個(gè) HMI 軟件，最終為我們所有的系統提供了統一和創(chuàng )新的操作方案?！?/p>

一臺 C6030 超緊湊型工業(yè) PC 為集中控制所有工藝順序提供最佳算力

通過(guò)伺服軸和 XTS 實(shí)現復雜的運動(dòng)控制

AX5000 伺服驅動(dòng)器用于控制多個(gè)旋轉軸，部分旋轉軸由結構緊湊的 EL72xx 和 EP72xx 驅動(dòng)端子模塊和 AM8000 伺服電機控制。Martin Ellenrieder 認為，單電纜技術(shù)在這種情況下為他們帶來(lái)了特殊優(yōu)勢：“單電纜技術(shù)可以顯著(zhù)減少布線(xiàn)工作量，并最大限度地降低出錯風(fēng)險。AX5000 伺服驅動(dòng)器兼容多種編碼器接口并配備 AX5805 TwinSAFE 選項卡，能夠實(shí)現安全驅動(dòng)功能，這也是我們選擇使用 AX5000 的重要原因?！背酥?，TwinCAT 軟件平臺還能提供 TwinCAT NC PTP、NC Camming 或 NC Flying Saw 等豐富的功能組件，最重要的是，這些功能組件可以自由組合。

除了倍福的緊湊型驅動(dòng)產(chǎn)品之外，格勞博還使用了 AX5000 伺服驅動(dòng)器，主要用于控制采用單電纜技術(shù)（OCT）的 AM8000 伺服電機，以便最大限度地減少安裝空間和布線(xiàn)工作量

倍福的XTS系統為旋轉軸提供了功能上的補充。一個(gè)配備了 12 個(gè)動(dòng)子的 3 米長(cháng)橢圓形導軌系統將各個(gè)發(fā)卡式繞組輸送給一個(gè)線(xiàn)性龍門(mén)，完成最后的插入工序。Daniel Gugenberger 認為，XTS 提高了系統的靈活性，并且能夠輕松添加新功能，帶來(lái)了顯著(zhù)的應用優(yōu)勢。他補充道：“除了傳統的輸送任務(wù)之外，我們還使用 XTS 在不同的加工位置（折彎和相機工位）靈活進(jìn)行定位。XTS 系統采用模塊化設計，結構緊湊，讓我們能夠輕松整合不同的工位。輸送系統還能夠根據組件狀態(tài)（無(wú)組件、第一次彎曲、第二次彎曲）進(jìn)行靈活的距離控制，縮短周期時(shí)間，解耦了各個(gè)加工過(guò)程，為我們帶來(lái)了進(jìn)一步的競爭優(yōu)勢，例如，加工時(shí)間的不同不會(huì )直接影響整個(gè)機床?！?/p>

從機床內部結構圖可以看出運動(dòng)序列的復雜性和多樣性，一直到 XTS 磁驅柔性輸送系統（前景）

據 Martin Ellenrieder 介紹，TwinSAFE 系統集成式安全功能在安全應用方面具有高度靈活性。除了基于驅動(dòng)器的安全技術(shù)之外，TwinSAFE 邏輯模塊 EL6910 也被用作專(zhuān)用安全控制器。整條生產(chǎn)線(xiàn)上的各個(gè)機床和系統的分布式安全應用通過(guò) EtherCAT Automation Protocol（EAP）相互通信?！斑@種跨控制系統的安全通信是確保機床安全的一個(gè)非常重要的方面，因為我們的客戶(hù)通常都會(huì )使用大量的互聯(lián)系統?！盡artin Ellenrieder 總結道。

緊密的團隊合作（從左到右）是成功研發(fā)出精密的發(fā)卡電機加工專(zhuān)用機床的關(guān)鍵：Tilman Pla? 和 Darius Wala（來(lái)自倍福），Oliver Schernau 和 Fabian Gl?ckler（來(lái)自格勞博），Karsten Sch?tzle（倍福），Thomas Thurnhuber、Daniel Gugenberger 和 Florian Pichler（都來(lái)自格勞博），Florian Schütt（倍福），Martin Ellenrieder、Andreas Rei?er 和 Thomas Grei?el（都來(lái)自格勞博）。