用德国倍福直接驱动器进行精确而经济的定位

Koch 的开发人员利用德国倍福的独门技术迅速地将旋转运动转换成了直线运动。

如果你向普通用户询问什么是可变化、可调整的带木条的门框，你看到的可能会是一脸茫然。如果你向 Koch公司的工程师提出同样的问题，答案可能会是：他们正在使用 Beckhoff 直线电机和 PC 控制的 SBFD-B-NC设备，因此，门框的生产将变得更快、更好、更便宜。由于使用了现代化的工业 PC 控制器，特别为 SBFD-BNC安装的 31 台直线电机设备可以使钻孔和磨孔都变得更加合适。 Koch Maschinenbau 公司作为德国的一家非标木工机械制造商，如果想每小时生产500个门框的话，他们绝对不能浪费时间。那么，如果他们采用 Beckhoff 的先进 PC 控制技术的话，他们就可以节约一些时间。Beckhoff 在这方面经验丰富：它曾帮助 Koch 公司应用 PC 控制技术在PC 上采用标准 Windows 软件进行调试仿真和远程服务/诊断来节约时间。为了寻找更加节省时间和更加优化的方案，他们开发了一项利用加工站里的旋转驱动来改善钻头定位的技术。技术经理 Leo G?vert 很快就想到了在电子工业中安装 SMD 元件时，精确定位 PCB 板时所采用的线性驱动技术。因为他们的合作伙伴Beckhoff 公司在该领域表现也非常出色，对于这种想法，双方一拍即合：由双方来合作开发 SBFD-B-NC 设备。Koch 的管理层为此大开绿灯，一台功能非常强大、维护工作最少、可以适应时间要求的木工设备就此诞生。在该方案开发的最开始，精力主要集中在设备定位功能的改善上。采用直线驱动取代了齿条上的旋转驱动，所以定位过程变得更快而且更加精确。这台长宽为 10mx15m 的设备，将用于板条式门框的木材分为头部、中部和底部三个部分。然后由操作员选择加工步骤，并决定是先加工左边还是右边。最后，链条传送带将木材沿 ＋Y 方向依次输送到9个加工工位。在传统的解决方案中，钻铣设备安装在顶部的搬运器上，它通过齿条来移动，对已经编好程序的孔、槽进行加工。因为在这里用直线电机替代了旋转电机，使得定位更快而且更加精确。一般来说，直线电机适用于旋转电机机械结构位置受限，或者是在动态性能、同步和加速方面有特殊要求的场合。

在半条门窗加工厂，31 台由 Beckhoff AX2000 伺服驱动控制器驱动的直线电机保证了钻孔和槽的正确定位。所有的驱动数据通过四个 Lightbus 环传送到工业 PC 进行进一步处理。 直接驱动带来了 10％ 的成本优势 控制专家 G?vert 指出，“对我们来说，看起来这是正确的技术选择。在每个工位的吊运式输送斗（吊装式托架）必须接纳多至 9 个钻头，并将它们移动到位。”对于这项作业任务来说，Beckhoff 的 AL2000 直线电机是理想之选。AL2000 的移动速度可以达到 10m/s，并且在运动过程中还可以获得很大的加速度。“从管理角度来讲，相对独立的直接驱动很容易被人遗忘，因为在一个加工工位里所有直线电机共用一条磁性轨道，使系统非常经济，” G?vert 解释说。G?vert 承认，安装外部测量系统，在一定程度上会降低成本优势，“但底线是用 8 个驱动可以节省 10％的成本”。除了经济原因以外，Koch 也明显认识到该系统的技术优势，特别是以下几个方面： │ 直线伺服电机不受机械磨损 │ 直线电机定位速度快，而且无过冲 │ 易于调试运行 │ 多个电机可以同时运行于一条轨道之上 “对于机器制造商来说，这些优点不容忽视，因为除去冠轮以后，移动距离就几乎没有限制了，”Koch 公司软件工程负责人 Oliver Bexte 补充说。他把时间优势看作另一个主要优势。实际上，二者的最大区别并不在于工件的加工，而是在于建立并改进繁重的钻孔任务。它所需要的定位精度在 0.1mm 到 0.01mm 之间。直线电机的重复精度也非常高。Bexte 对这项技术很有信心，他解释说，“在实际测试中，我们用千分表测试了几百次，通过比较表明定位精度并没有什么变化。”所有这一切并没有像旋转电机那样发生瞬变现象（无伺服抖动现象），这就意味着，设定某些简单的控制参数变得更加简单。 仪表管理更加容易 就精度来讲，Koch 设备使用的仪表技术也非常关键。在按长度切割原材料时，开发人员使用 SONY 的磁性编码器，只需把它用胶水粘到轨道上就可以了。这样做的优势是拥有参考凸轮的和高分辨率阅读器。Bexte 指出，“这种传感器的优点是可以调整，只要练习一下就行，时间不超过5分钟。”软件工程师警告说，在调整的时候必须小心，因为磁性工具可以损坏整个测量系统。Beckhoff 公司研发人员目前正在为突破这项限制而努力。Beckhoff 的工程师们正在进行一项工作：在直线电机内部采取措施使电机免受外部干扰。其测量原理包括使用次极磁铁的截面来确定位置和速度。增量式编码器使用它们的磁场强度可以每24mm 发出 1000 个脉冲（24mm 对应于旋转电机的一周）。将信号输入到 AX2000 驱动放大器，就可以获得 0.1mm 的定位精度。

与需要水冷直线驱动的大功率机床以及需要昂贵的光电测量系统的高精度机床应用相比，这里所讲的解决方案对于木工机械和包装机械来讲是理想的。Koch 的控制工程师更喜欢直接驱动的另一个原因是，使用 TwinCAT 可以直接将其无缝集成到现有的自动化系统当中。伺服放大器通过Beckhoff 的 Lightbus 来实现定位，而简单定位任务的驱动则可以通过 CANopen 来操作。 Beckhoff 工业 PC控制 69 根轴 SBFD-B-NC木工机械是用来钻铣木工部件的自动化机器，然后再由部件制成板条门窗。该设备由一台装有 PENTIUM4 和 15” 面板的工业 PC 来控制。操作系统采用 WINDOWS 2000 SERVER，自动化软件采用 TwinCAT NC PTP，PLC 循环时间为 10ms。 总共使用 31 台 AL 2000 直线电机的 5个机械加工工位，可以提供的最大移动速度为 1000mm/s，可以确保加工头的精确定位。这些电机和另外 3 台旋转电机一起通过四个 Lightbus 环耦合到系统中。 通过 CANopen 总线连接用于静态定位的链式输送机。这台设备同时包括 27个带有 CANopen 总线接口的驱动、7根快速和爬行轴。输入和输出点总数为 1134 个。 装有 PLC/NC TwinCAT 软件的 Beckhoff工业 PC C6150 是 69 根轴的主控制站。

实践小技巧：从直线电机期望得到什么样的优势？

我们问 Leo G?vert 和 Oliver Bexte，当转换为直线驱动技术的时候，需要特别注意什么?

PC-Control：G?ver 先生，你已经采用Beckhoff 的直接驱动直线电机在钻孔工作站进行定位 一年了。你后悔这一步吗？ Leo G?ver：不，恰恰相反。我们采用的不仅是精确、低维护量 的技术，而且对我们的项目来说 它几乎是最经济的技术。 PC-Control：这么说来，是直线 电机比旋转电机更便宜？ Leo G?ver：如果你仅仅是比较每种技术的驱动的话，那么现在并不是时候。但是，在我们的加工站里，在一条轨道上有9台直线电机工作，这才是节省开支的地方。 PC-Control：考虑成本的话，每条轨道上你必须采用多少个电机？ Oliver Bexte：粗略地说，我们可以讲平衡点是4个。我们可以节省10％的成本。 PC-Control：那么提高的精度又是来自于哪里呢？ Oliver Bexte：我们通过一个非常好的推力重量比系数，得到了一个有利于精确定位的推力常数。在这之上，有直接测量系统，和传统旋转电机采用的旋转变压器相比有着更高的分辨率。直线电机是没有磨损的，如果我们拿它和齿条、轴承的磨损相比，长时间来看我们也可以得到一个好的结果。 PC-Control：必须考虑哪些变化条件？ Oliver Bexte：如果设备要承受来自直线电机的更大的作用力， 而且没有振动的话，那么设备的基础就必须做得更加稳定。 PC-Control：那是唯一的困难吗？ Leo G?ver：我们必须屏蔽用于位移测量系统的磁性编码器，以免受到来自电力线路的电磁辐射干扰。一旦你知道这是必需的话，那就不再是问题了。 PC-Control：你能够再概括一下直线电机的优势吗？ Leo G?ver：正如我们所说的，用31台直线伺服驱动我们不仅仅在一个小的项目中获得了精确定位，参数化也变得更加容易了。除此之外，该驱动还能够平滑地集成到TwinCAT自动化架构中。