2021 年秋季，倍福開始全面重新設計了其 I/O 組件生產的最終檢驗環(huán)節(jié)。其目的是大幅提升生產大量不同類型的端子模塊時的測試能力和吞吐量。該系統(tǒng)完全由倍福自己的設備制造部門打造，每個班次可以全自動編程、調整和測試約 10,000 個端子模塊。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 端子模塊共同實現了高速、靈活的最終檢驗。
倍福 I/O 端子模塊生產實現了靈活的最終檢驗
“與倍福每年的高增長率保持同步。”對于負責建造操作設備等事項的演示系統(tǒng)部門的負責人 Michael Golz 及其約 40 名員工來說，無論是過去還是現在，這都是一個挑戰(zhàn)。他們對 I/O 端子模塊的最終檢驗系統(tǒng)采取了一種全新的方案：XPlanar 輸送系統(tǒng)，專門開發(fā)的固件編程工站，以及使用通用測試柜的測試工站。“無論端子模塊的類型和交付順序如何，平均每隔 3 秒就有一個 I/O 端子模塊完成固件寫入并經過測試后離開系統(tǒng)。”Michael Golz 強調道。系統(tǒng)目前可以編程和測試 200 多種不同類型的端子模塊。無論需要處理多少種不同類型的模塊，都不會影響每班次 10,000 個端子模塊的產出率。
每個 I/O 端子模塊的編程和測試時間沒有改變，但吞吐量卻大大增加：大約每 3 秒就有一個經過編程和廣泛測試的端子模塊離開系統(tǒng)。
倍福正著手解決這個難題，尤其是不同的端子模塊類型（帶/不帶 FPGA、控制器或帶模擬量通道），編程以及后續(xù)的功能測試所需的時間都不相同。“安裝固件和調整所有模擬量通道可能需要 30 秒。”Stefan Engelke 解釋道，他以及他的團隊一起開發(fā)和編程了測試柜。
解決這個時間問題的辦法是并行與分開固件安裝和功能測試。這本身并不是一個突破性的想法；具有開創(chuàng)性的部分是系統(tǒng)地使用 XPlanar 的自由度完成整個內部物流并將端子模塊送入到各工站。由于產品能夠進行自由的二維平面運動，總線端子模塊在測試工站中花費的時間是 10 秒還是 1 分鐘，都無關緊要。其余的動子簡單地經過被占用的工站，移動到下一個空閑工站。因此，系統(tǒng)的整體輸出不受個別工序延遲的影響。
簡單、靈活、透明的輸送
“盡管如此，這個過程仍然非常簡單。”Michael Golz 說道，“操作人員無需進行任何設置；他們所要做的只是將一疊裝有端子模塊的托盤放在進料工站，然后按下按鈕。“然后，這疊托盤進入分揀工站，在那里，一個 Delta 機器人從托盤上拾取模塊，并將它們分別放在等待的 XPlanar 動子上。系統(tǒng)有兩條像高速公路一樣的主通道，分別通往編程和測試工站。這些工站位于兩條主通道側面的出口或臨時停留區(qū)域上。通道之間有第三條路徑，所有動子都通過它返回至分揀機。這種對稱設置的好處是，即使系統(tǒng)有一邊發(fā)生了故障，另一邊仍能繼續(xù)運行。
動子經過讀取工站下方的端子模塊，到達側面的編程工站。讀取工站通過多臺相機和倍福機器視覺系統(tǒng)捕捉每個端子模塊唯一的倍福識別碼（BIC）。“之后，系統(tǒng)就能夠知道端子模塊的類型，并完全自主完成所有工作：編程，必要時調整模擬量通道，以及功能測試。”負責系統(tǒng)編程的 Ulrich Brockhaus 補充說道。同時，BIC 通過動子 ID 與動子聯(lián)系起來。這意味著，即使在斷電后，也可以用動子 ID 跟蹤每個動子或端子模塊的位置。
當動子到達一個空閑的編程工站時，它將端子模塊準確地定位在其觸點引腳下。然后，根據 BIC 將相應的固件加載到端子模塊上。
然后移動到通用測試工站，該工站又會根據 BIC 調用每個端子模塊專用的設備測試序列。如果軟件加載正確，并且功能測試報告沒有問題，動子就會將端子模塊運送到分揀工站的第二個 Delta 機器人，后者通過中間軌道將端子模塊放在另一個托盤上。動子第二次通過讀取工站，只是這次的方向是相反的。“端子模塊通過重新捕捉回流軌道上的 BIC 登記端子模塊的離開，并且固件的安裝和每個端子模塊的功能測試都記錄在中央數據庫中，包括模擬量端子模塊的所有調整值。”Stefan Engelke 說道。
橫立于三條通道上的視覺系統(tǒng)，會在每個端子模塊通過時捕捉其 DataMatrix 碼，然后將其與 XPlanar 動子的 ID 聯(lián)系起來。
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)是實現這樣靈活、快速的生產流程的基礎。“我們用六套 XPlanar 基礎套件（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 說道。對于擴展組件（編程工站和測試工站），其余 28 塊平面模塊安裝在基礎系統(tǒng)的側面。每個安裝位置都配有一個帶電源（400 V AC）、安全、Ethernet（LAN）以及 EtherCAT 的標準接口。“這樣的接口和系統(tǒng)布局讓我們在未來進行擴展時不需要大量的轉換。”負責系統(tǒng)機械設計和端子模塊觸點技術細節(jié)問題的 Daniel Golz 強調道。
XPlanar 實現了設備的模塊化設計，同時也簡化了很多外部機構設計。例如，編程工站使用 XPlanar 的 XY 精密定位器。因此，在到達準確的位置后，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上，并開始加載固件。
XPlanar 的另一個功能，即可變懸浮高度，簡化了測試工站的設計工作。當它到達測試工站時，動子首先升高，以便測試工站的滑入裝至可以在端子模塊下方移動。然后動子再次降低其懸浮高度，端子模塊即可停留在滑入裝置上，進入測試工站。這樣做的好處是，所有觸點都可以自由接觸，并且確保可以被接觸到。測試結束后，端子模塊再以相反的順序被放回到動子上。
旋轉動子的功能選項在進入和離開系統(tǒng)時起到了重要作用。它可將動子旋轉 180°，具體取決于系統(tǒng)使用的是哪側。“這一功能也大大降低了機械設備的復雜性，并能夠節(jié)省測試工站和編程工站兩側的空間。”Daniel Golz 指出。
總體來說，系統(tǒng)布局得益于 XPlanar 的四大功能特點：
平面產品移動能夠個性化輸送端子模塊，并實現了編程工站和測試工站的并行處理
XY 精密定位意味著編程工站不需要外部機構協(xié)助定位
借助 Z 運動（提升/降低）輸送總線端子模塊，簡化了測試工站的復雜機械裝置
360°旋轉實現了系統(tǒng)的鏡像對稱設置
更近距離地了解電氣和光學功能
測試工站并不僅僅只是檢測端子模塊的電氣特性和功能。“對于帶模擬量信號的端子模塊，還包括相應的測試順序和校準。”Stefan Engelke 說道。一個集成的機器視覺系統(tǒng)還會檢查顯示燈組是否存在且位置是否正確，并測量 LED 的顏色和光譜強度。
如此精密的系統(tǒng)只能由一個完整的團隊進行設計和實施才能完成（倍福專家團隊，左起）：Daniel Golz（機械設計）、Mathis Blattner（測試柜軟件開發(fā)）、Ulrich Brockhaus（系統(tǒng)編程）、Stefan Engelke（測試設備開發(fā)）和 Michael Golz（演示系統(tǒng)部門主管）
各種具有不同功能和測量范圍的 EtherCAT 端子模塊都可以在系統(tǒng)上進行全自動測試，這都要歸功于通用測試柜。其完整的測量測試技術以倍福技術為基礎，以 ELM 系列高精度測量端子模塊為重點。測試模組安裝在移動機柜中，并通過插頭連接器與系統(tǒng)相連，因此可以快速更換，無需關閉整個系統(tǒng)。這需要定期進行，因為 ELM 端子模塊是測量設備，必須在特定的周期內重新校準和認證。
基于 PC 的控制技術在整體協(xié)調和評估方面的優(yōu)勢也十分明顯。如果測試工站檢測到端子模塊上有偏差，就會通過 BIC 進行記錄，同時測試工站會將端子模塊送回到編程工站重新進行配置。然而，如果編程工站或測試工站上累積了大量錯誤信息，即表明出現了故障。“在這種情況下，測試工站被報告給系統(tǒng)為不可用，在對測試工站進行檢查并在必要時更換之前，不再會有動子靠近這個位置。”Ulrich Brockhaus 說道。雖然系統(tǒng)會在短時間內少一個工站工作，但不會影響系統(tǒng)的正常運行，而且速度也不會明顯變慢。“任何一個可能有問題的 I/O 端子模塊都不會離開我們的系統(tǒng)。”Michael Golz 補充說道。
總共 100 塊 XPlanar 平面模塊上懸浮的 33 個動子的位置在由 TwinCAT HMI 軟件創(chuàng)建的可視化界面上實時顯示。
該系統(tǒng)是一個能夠很好地說明基于 PC 的控制技術可以用來執(zhí)行各種任務和功能的典型例子。除了一臺 C6670 控制柜式工業(yè)服務器負責控制和協(xié)調 100 塊平面模塊以及其上的 33 個動子之外，還有 10 臺 C6032 超緊湊型工業(yè) PC 用于控制其它系統(tǒng)組件。Delta 機器人的自動化通過 AX8000 多軸伺服系統(tǒng)和 AM8000 伺服電機實現。“我們使用 AMI8100 驅控一體伺服電機送入和彈出托盤，因為它們結構非常緊湊，只需 EtherCAT 和 48 V 電壓即可運行。”Ulrich Brockhaus 說道。編程工站中的 AA1000 線性執(zhí)行機構用于接觸端子模塊；測試工站中的 AA3000 電動缸用于載入端子模塊載具。整個系統(tǒng)的安全都由 TwinSAFE 保障。TwinCAT Vision 可以捕捉到 DataMatrix 碼。車間內共有四個測試柜，每個測試柜中都安裝了約 40 個 ELM 系列的 EtherCAT 測量端子模塊。此外，測試柜中還使用了各種 EL 系列的 EtherCAT 端子模塊。“在這個項目中，基于 PC 的控制技術為我們帶來了很多便利，并為我們留下了進一步擴展的選項。”Michael Golz 說道。
倍福公司 I/O 生產主管 Michael Klasmeier 補充說道：“我們的 I/O 端子模塊系列產品種類非常豐富：從 2 通道數字量輸入端子模塊到緊湊型驅動模塊，其復雜程度各不相同，年產量從幾千到幾十萬件不等。”我們所有的產品都在東威斯特伐利亞地區(qū)的威爾本地生產。我們的目標是在現有員工人數和可用空間的基礎上提高產量，如果沒有自動化測試，這是不可能實現的。”
關于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產的工業(yè) PC、現場總線模塊、驅動產品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。經過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作伙伴，業(yè)務遍及 70 多個國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產業(yè)園區(qū)，現有員工 300 人，辦事處遍及國內 30 座大中城市。創(chuàng)新產品和解決方案廣泛應用于風力發(fā)電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網于 2014 年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內享有“創(chuàng)新引擎”的美譽。倍福基于 PC 的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術、互聯(lián)網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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