德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司 黎凌霄 王建成

1 前言

現(xiàn)代制造業(yè)，是指融合了互聯(lián)網(wǎng)、通信、計(jì)算機(jī)等信息化手段和現(xiàn)代管理思想與方法的制造服務(wù)業(yè)。目前，我國(guó)的制造業(yè)正處于向現(xiàn)代制造業(yè)轉(zhuǎn)型的初級(jí)階段?，F(xiàn)代制造車間作為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的子單元，只有現(xiàn)代制造車間轉(zhuǎn)型好了，才能保證現(xiàn)代制造業(yè)的更好轉(zhuǎn)型。在制造系統(tǒng)中，物料的運(yùn)輸操作包括原材料、半成品和成品間的存儲(chǔ)和運(yùn)輸。據(jù)報(bào)道，制造系統(tǒng)中的物料運(yùn)輸操作的成本占制造總成本的20%～50%，因物料在運(yùn)輸過程中并不增值，所以多年來人們一直在致力研究降低物料運(yùn)輸成本的方法。

工欲善其事，必先利其器。物流系統(tǒng)的改善離不開物流設(shè)備的升級(jí)換代。其中，RGV（Rail Guided Vehicle）和AGV（Automa ted Guided Vehicle）（以下簡(jiǎn)稱小車）的引入，可以大幅度的降低這一成本。首先，小車不需要人工駕駛便可以完成物料的運(yùn)輸操作，減少勞動(dòng)人員的勞務(wù)費(fèi)用；另外，作為運(yùn)輸機(jī)械，小車可以實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)行。根據(jù)編輯好的路線和車輛管理方案，不同的小車之間可以最大限度地協(xié)調(diào)配合，在有限的時(shí)間和空間內(nèi)最大限度地提升工作效率和質(zhì)量。同時(shí)小車還可以克服人力搬運(yùn)所受的時(shí)間限制。這些都可以降低運(yùn)輸費(fèi)用，從而降低制造成本[1][2][3][4]。

三一集團(tuán)旗下的三一重工公司，正在上海臨港產(chǎn)業(yè)園建設(shè)一個(gè)千億級(jí)的現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，第一期挖掘機(jī)生產(chǎn)基地已經(jīng)完成，挖掘機(jī)生產(chǎn)能力目前已成為全世界第一。而在該基地的現(xiàn)代化制造車間中，昆山華恒焊接公司（以下簡(jiǎn)稱華恒公司）作為配套設(shè)備提供商，為其一手打造了焊接及裝配加工生產(chǎn)線和物流控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，Beckhof f公司的自動(dòng)化產(chǎn)品得到了全面應(yīng)用，包括工控機(jī)，控制面板，TwinCAT軟件，PLC，運(yùn)動(dòng)控制，現(xiàn)場(chǎng)總線以及IO模塊，并采用了高端的無線通訊技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，下一步還會(huì)用到Beckhof f的XFC極速控制技術(shù)用做高性能測(cè)量。整個(gè)項(xiàng)目成為Beckhof f公司科技自動(dòng)化戰(zhàn)略的一個(gè)典型成功實(shí)例。

華恒公司與Beckhof f公司的合作始于新一代焊接電源設(shè)備的開發(fā)，以及一些非標(biāo)設(shè)備的開發(fā)。Beckhof f 提供的基于 PC 的控制平臺(tái)具有良好的開放性和擴(kuò)展性，TwinCAT軟件既可以做低端的IO控制，也可以做高級(jí)復(fù)雜的CNC多軸插補(bǔ)控制；硬件產(chǎn)品從工控機(jī)，控制面板，IO模塊，現(xiàn)場(chǎng)總線，到伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，性能可靠，結(jié)構(gòu)精巧，美觀大方，最大限度地滿足了華恒公司各種產(chǎn)品開發(fā)的需求，并且能夠非常方便的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，將眾多設(shè)備整合在同一個(gè)平臺(tái)之中，適合開發(fā)大型集成系統(tǒng)，符合三一臨港項(xiàng)目的特點(diǎn)。這使得他們對(duì)Beckhof f公司的產(chǎn)品建立起了強(qiáng)大的信心，也促使三一臨港項(xiàng)目全面使用Beckhof f產(chǎn)品。

2 性能優(yōu)異，技術(shù)先進(jìn)的物流控制系統(tǒng)

三一臨港基地的挖掘機(jī)生產(chǎn)車間是現(xiàn)代化制造車間的典范，注重設(shè)備與環(huán)境的和諧，安全性與舒適性要求高，為工人創(chuàng)造一個(gè)良好的工作環(huán)境，如圖1所示。因此，對(duì)物流控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化程度要求非常高，要求控制先進(jìn)，注重環(huán)保，外形美觀，噪音低，污染少。

圖1 三一臨港基地的現(xiàn)代化車間

圖2 裝載著工件穿梭于不同設(shè)備之間的小車

裝載著工件穿梭于不同設(shè)備之間的小車如圖2所示。在挖掘機(jī)生產(chǎn)流水線中，由數(shù)臺(tái)小車及縱橫軌道構(gòu)成一個(gè)物流單元。在這個(gè)單元中，按照工藝需要布置相應(yīng)的加工或裝配工位(站點(diǎn))，在每個(gè)工位上自動(dòng)完成指定的加工裝配或調(diào)整工作。從準(zhǔn)備工位開始，小車每到達(dá)一個(gè)工位，就停下來等待機(jī)器人，吊裝機(jī)或者翻轉(zhuǎn)機(jī)等輔助機(jī)構(gòu)調(diào)整工件位置并進(jìn)行上料，然后加工設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行加工或裝配操作，操作完成后下料，小車就會(huì)自動(dòng)運(yùn)行到下一個(gè)工位等待下一步操作。因此，當(dāng)一臺(tái)小車從準(zhǔn)備工位運(yùn)行到最后工位時(shí)，就應(yīng)該有一件按照要求加工裝配測(cè)試完成的成品。

這個(gè)物流控制系統(tǒng)中最重要的就是小車自身運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和中央調(diào)度控制臺(tái)。

小車的運(yùn)動(dòng)要求動(dòng)態(tài)性能好，速度快，加減速要求高，定位精度和重復(fù)定位精度要達(dá)到0.5毫米；同時(shí)，要求結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，負(fù)載能力大。Beckhof f公司的產(chǎn)品正符合這些要求：小車采用Beckhof f公司的嵌入式工業(yè)PC機(jī)CX5010作為小車自身的主控，輔之以TwinCAT PTP軟件作為運(yùn)動(dòng)主控軟件，并兼具PLC控制功能。CX5000系列控制器采用Atom處理器，能耗低，處理能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊體積小，外殼經(jīng)過優(yōu)化處理，堅(jiān)固耐用，圖3所示為CX5000控制器與IPHONE的大小對(duì)比。由于小車系統(tǒng)中采用了多種傳感器以保證工藝要求和安全防撞要求，而這些傳感器采用的通訊總線都不盡相同，比如Profibus，CANopen，DeviceNET。而CX5000的擴(kuò)展能力強(qiáng)，支持多種總線，可以很方便的把這些傳感器集成到系統(tǒng)中去。它還自帶4個(gè)USB接口和1個(gè)串口，具有大多數(shù)常見外設(shè)的通訊接入能力。伺服部分采用Beckhof f公司的高速EtherCAT總線驅(qū)動(dòng)器AX5000系列和高性能同步伺服電機(jī)AM3000系列，該驅(qū)動(dòng)器具有雙通道功能，一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，既節(jié)約了成本，又節(jié)省了空間；電機(jī)動(dòng)態(tài)性能好，負(fù)載能力大，精度高，保證了小車的使用要求。另外，AX5000供電選擇多樣化既可以接入380V交流電，又可以用蓄電池直接供直流電，這個(gè)特性對(duì)于伺服系統(tǒng)的升級(jí)尤為重要，目前小車供電尚采用滑觸式供電，下一步將升級(jí)為無接觸式供電，這樣可以省去小車系統(tǒng)的動(dòng)力布線，節(jié)約成本和空間，提高安全性和環(huán)境整潔度。

圖3 CX 5000系列嵌入式工控機(jī)與IPHONE

中央調(diào)度控制臺(tái)是系統(tǒng)中的調(diào)度管理員，向上可通過多種方式與上級(jí)管理計(jì)算機(jī)相連接，比如ERP系統(tǒng)；向下通過無線局域網(wǎng)與系統(tǒng)中的小車自身控制系統(tǒng)相連接?？刂婆_(tái)可根據(jù)系統(tǒng)中上級(jí)管理計(jì)算機(jī)或外部配合信號(hào)情況，以及小車系統(tǒng)的當(dāng)前狀況決定是否產(chǎn)生系統(tǒng)任務(wù)，并按一定的原則指派合適的小車去完成任務(wù)。因此，控制臺(tái)采用了性能更高、處理能力更強(qiáng)的CX5020作為主控，與上下級(jí)計(jì)算機(jī)或主控進(jìn)行通訊。

無線通訊技術(shù)的采用在該項(xiàng)目中是一個(gè)亮點(diǎn)。無線網(wǎng)絡(luò)以其靈活性高、連接簡(jiǎn)捷、調(diào)試快速等特點(diǎn)，目前已在工業(yè)自動(dòng)移動(dòng)設(shè)備上得到越來越多的應(yīng)用[5]。小車系統(tǒng)的自身控制系統(tǒng)與中央調(diào)度控制臺(tái)的主控之間，就是通過Beckhof f公司的WLAN控制器CU8890來進(jìn)行通訊，減少了布線，節(jié)約了空間，提高整個(gè)車間的美觀度。CU8890是一款工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)交換設(shè)備，速度快，達(dá)到54Mbit/s，傳輸距離達(dá)到300米，數(shù)據(jù)傳輸帶寬大，適合大量數(shù)據(jù)的通信。將來小車如果升級(jí)搭載視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，這些特性非常重要。

此外，從存放工件的立體倉庫到生產(chǎn)流水線中的輔助設(shè)備，如吊裝機(jī)和翻轉(zhuǎn)機(jī)等，也均采用Beckhof f的主控和PLC模塊，以及運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，這樣在統(tǒng)一的Beckhof f軟硬件平臺(tái)上，無縫連接成為一整套生產(chǎn)控制系統(tǒng)，符合CIMS和FMS的概念。

3 Tw inCAT Kinem atics Transform ation——Beckho ff的機(jī)器人解決方案

目前，該生產(chǎn)車間中采用了大量的機(jī)器人設(shè)備，包括上下料機(jī)器人，焊接機(jī)器人等。Beckhof f公司基于TwinCAT NCI平臺(tái)上的機(jī)器人解決方案TwinCAT Kinematics Transformation將會(huì)大有用武之地，將各種機(jī)器人控制系統(tǒng)改造統(tǒng)一到Beckhof f的產(chǎn)品平臺(tái)中來，提高系統(tǒng)集成度，便于升級(jí)換代和維護(hù)。

該解決方案集成于TwinCAT軟件平臺(tái)之中，向下兼容TwinCAT PTP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制，無需額外的控制器，并具有插補(bǔ)功能，可用G代碼編程。支持常見的機(jī)器人類型，包括二維和三維類型，自由度最大可達(dá)6軸，具體如Del ta并聯(lián)機(jī)器人，SCARA機(jī)器人等。

4 PC控制技術(shù)和Tw in CA T軟件平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

借助PC的海量存儲(chǔ)，可以在控制器中存儲(chǔ)一百多套工藝參數(shù)，不會(huì)增加任何額外成本。在普通PC上使用專用編程軟件生成的生產(chǎn)程序和車輛管理方案也可以通過網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備轉(zhuǎn)移到車輛控制單元上。此外，越來越多的用戶打算或已建立自己的ERP、MES等系統(tǒng)，以提高自己的競(jìng)爭(zhēng)力。設(shè)備層大量的工藝數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)傳送到上一級(jí)系統(tǒng)中。PC控制的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬等潛在優(yōu)勢(shì)都會(huì)為實(shí)現(xiàn)這一規(guī)劃提供極大的便利。而PC獨(dú)具的遠(yuǎn)程診斷功能及Beckhof f全球銷售支持網(wǎng)絡(luò)無疑也會(huì)使售后服務(wù)節(jié)約大量的時(shí)間及成本，有利于海外市場(chǎng)的擴(kuò)張[6]。

華恒公司從設(shè)計(jì)自己的單片機(jī)控制系統(tǒng)伊始，就一直努力尋求一個(gè)統(tǒng)一的開發(fā)平臺(tái)來整合和優(yōu)化開發(fā)資源。2006年底，他們逐步開始在一些非標(biāo)設(shè)備上和Beckhof f中國(guó)公司合作。經(jīng)過多年嘗試，華恒最終選擇了Beckhof f基于 PC 的控制技術(shù)及產(chǎn)品來開發(fā)新一代焊接電源設(shè)備的控制系統(tǒng)。華恒公司在追求高性能焊接工藝的同時(shí)，對(duì)設(shè)備的流線造型、人性化操作界面、體積等方面也非?？季?。Beckhof f 基于 PC 和現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)無疑是最佳選擇。

華恒公司擁有焊接電源、管焊專機(jī)、機(jī)器人等眾多產(chǎn)品，經(jīng)常需要根據(jù)客戶要求進(jìn)行定制開發(fā)。如何提高這些設(shè)備控制資源之間的可重用性一直是華恒公司所思索的問題。Beckhof f提供的基于PC的控制平臺(tái)具有良好的開放性和擴(kuò)展性，能夠滿足他們所有的機(jī)型要求。比如，只需在電源設(shè)備中配置添加伺服電機(jī)用以實(shí)現(xiàn)外圍的定位，即可輕松轉(zhuǎn)換成大型的管焊專機(jī)；而升級(jí)軟件就可利用TwinCAT NCI、CNC功能來焊接圓弧、相貫線及樣條曲線等需要插補(bǔ)的復(fù)雜形狀；結(jié)合機(jī)器人庫文件即可將此設(shè)備改造為機(jī)器人；擴(kuò)展X、Y、Z軸等也都輕而易舉。這將大大降低大型設(shè)備重新開發(fā)的成本和周期。

正是基于Beckhof f公司的PC控制技術(shù)和統(tǒng)一的TwinCAT軟件平臺(tái)，使得華恒公司在本次三一臨港基地項(xiàng)目中義無反顧的采用了Beckhof f整體解決方案。

5 結(jié)語

本文介紹了Beckhof f公司自動(dòng)化產(chǎn)品在三一集團(tuán)上海臨港基地現(xiàn)代化制造車間中的應(yīng)用，項(xiàng)目由昆山華恒焊接公司完成。其中突出介紹了Beckhof f控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，無線通訊技術(shù)的應(yīng)用，以及機(jī)器人解決方案。對(duì)于PC控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)也做了一些討論，文中也探討了項(xiàng)目今后一些改進(jìn)的方向。

[1] 張辰貝西，黃志球. 自動(dòng)導(dǎo)航車（AGV）發(fā)展綜述[J]. 中國(guó)制造業(yè)信息化，2010，39(1)：53-59.

[2] 王寶華. AGV讓物流系統(tǒng)加速運(yùn)轉(zhuǎn)[J]. 物流技術(shù)與應(yīng)用，2011（10）：104-106.

[3] 唐云樹. RGV無線往復(fù)小車的設(shè)計(jì)開發(fā)方案[J]. 伺服控制，2011（2）：87-89.

[4] 王碧輝，魏生民，汪焰恩，閆小超，李西鋒. 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在基于視覺引導(dǎo)的AGV系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（4）：891-894.

[5] 高峰，劉桂娟，李明儒，曲雅楠. 無線網(wǎng)絡(luò)在裝配線自動(dòng)小車上的應(yīng)用, 物流技術(shù)與應(yīng)用，2010（9）：106-107.

[6] 王建成. EtherCAT and PC Control Guarantee high quality w elding[J]. PC Control,2009（4）.