基于 PC 的控制技术和 EtherCAT 助力将变压器铁芯制造的产能提升了 55%

在变压器铁芯制造中，生产效率的提升不能以牺牲工件加工精度为代价。因此，OEM 制造商 Micro Tool & Machine 公司（MTM）在重新设计其 X-Shear 剪切机时，将重复精度作为首要任务。在将自动化技术从传统的 PLC 转换到倍福全集成控制平台后，他们的生产效率提高了一半以上，同时加工精度也获得很大提升。

MTM 总部位于加拿大马尼托巴省温尼伯市，为生产中型电力变压器，同时也为航空航天和医疗等其它行业提供各种机械设备解决方案。公司自 1964 年成立以来，一直提供深度定制化服务，以适应独特的工艺流程或设施布局。

XS600-P20E X-Shear 剪切机通过基于 PC 的自动化技术和机器人技术实现变压器铁芯叠片的剪切、码垛和组装。在剪切单元中，设备使用 X 形刀片配置，用不同宽度的叠层线圈剪切出任何所需的几何形状。随后，两个库卡关节型机器人与两个拾放机械手一起组装铁芯。系统设计为在电子码垛模式下一次最多可剪切和组装 4 个变压器铁芯，在非电子码垛模式下，将剪切好的叠片分拣成 30 段堆放。

MTM 总经理 Gord Atamanchuk 说，X-Shear 剪切机长 13 米（43 英尺），宽 8 米（26 英尺），其占地面积已经比许多竞争对手的设备小了三倍。“我们的集成式装卸方法有效减少了设备的体积。”其它大多数设备都是以线性方式堆放码垛堆，而我们使用的是节省空间的网格方式堆放。在重新设计设备期间，MTM 公司工程师们非常注重在提升产能的同时提高剪切精度，并降低组件和人工成本。

两个库卡关节型机器人与倍福基于 PC 的控制技术进行相结合，堆放剪切好的叠片。

多任务处理能力是关键

“最关键的一点是实施一台真正的多任务控制器。我们之前使用的控制平台没有达到我们对 Runtime 系统的要求。而且系统在执行条件或指令方面的能力有限。这意味着每分钟生产的工件较少。”MTM 公司电气总工程师 Eduard Streichert 解释说道。在这次重新设计之前的五年里，工程团队已经将 MTM 产品系列中的所有其它设备都转换为配备倍福基于 PC 的控制技术。现在，他们已经准备好更新规模最大、技术最复杂的设备。

MTM 使用 TwinCAT 3 自动化软件和倍福的 C6930 控制柜式工业 PC 中实施了多任务控制系统，可以显著提升 X-Shear 剪切机性能。TwinCAT 中的多 Runtime 和内核隔离功能能够高确定性地控制并行任务，包括 X 型剪切机使用的高速协调运动。TwinCAT 将编程环境集成到 Visual Studio® 中，让程序员能够使用最适合于项目和工程师的语言，包括 IEC 61131-3 和高级语言。

据 Eduard Streichert 介绍，C6930 控制柜式工业 PC 搭载第七代 Intel® Core™ i5 四核处理器，其高算力令人印象深刻。“作为一台真正的多任务控制器，C6930 可以有效缩短设备循环时间，从而大幅提高产能。工业 PC 为 PC 和 PLC 技术提供了一个综合解决方案。包括连接上位系统、实现远程支持、存储配方以及在 Visual Basic 中运行 HMI 所需的一切。”

此外，MTM 还选择了一台带定制化按钮扩展件的 CP3921 多点触控控制面板用作操作界面。这台防护等级为 IP 65 的 21 英寸触摸屏安装在剪切单元的立柱上。“这也是 MTM 第一次使用通过一根标准的 CAT.6A 电缆供电及传输 USB 2.0 和 DVI 信号的 CP-Link 4 单电缆解决方案连接面板。”倍福区域销售工程师 Amir Kassaian 解释说道。码垛单元还具有操作便利性高的特点，内置一台 12 英寸 CP2912 多点触控控制面板。

配备定制按钮扩展件的 21.5 英寸 CP3921 多点触控控制面板用作切割单元的操作界面，堆垛单元上使用的是尺寸较小的触摸屏。

倍福的 EtherCAT 和先进的运动控制系统显著提高加工速度

倍福系统应用专家 Chris Timmermans 认为，运动控制系统和组网升级是 X-Shear 剪切机项目中最重要的部分之一。“MTM 全面转换为使用倍福控制平台，配备了 AX5000 伺服驱动器和 AM8000 伺服电机，以及各种用于剪切轴的减速机。用于控制伺服电机的 EL7211 EtherCAT 端子模块也与采用了单电缆技术的 AM8100 伺服电机结合，实现了高度紧凑的运动控制解决方案。”Timmermans 说道。TwinCAT 软件工具可以帮助微调各种运动，以实现最高精度，Eduard Streichert 解释道：“我们使用 TwinCAT Scope View 调整 X-Shear 剪切机上的电机，真正实现系统性能最大程度的提升。”

EtherCAT 系统具有通信速度快，灵活性高的特点，支持实现各种硬件解决方案。EtherCAT 端子模块产品包含各种适合安装在控制柜中的 I/O 以及可以直接安装在设备上的 IP67 级 EtherCAT 端子盒。此外，经过 TüV 认证的 TwinSAFE 安全端子盒和安全端子模块可以在 TwinCAT 中灵活编程并通过标准网络进行通信，同时省去了“黑盒子”安全开关设备硬接线所需的工程设计工作。

“集成式架构在调试和性能方面带来了许多优势。”Eduard Streichert 说道。“EtherCAT 和 TwinSAFE 解决方案与 CP-Link 4 相结合，显著减少了电缆布线和接线工作。EP 端子模块允许控制器采集传感器以及分布在整台 X-Shear 剪切机中的液压和气动设备中的信号，帮助我们在减少开支的同时，实现了性能的提升。”

倍福基于 EtherCAT 的驱动产品，其中 AX5000 伺服驱动器提升了整台设备的运动控制性能和反馈系统性能。

优化性能

在转为使用倍福控制平台后，MTM 的 XS600-P20E X-Shear 剪切机的性能和功能都得到了显著提升。剪切机的最大剪切速度提高到每分钟 34 片，速度比以前使用的基于传统 PLC 的机型提高了 55%。这些成果部分是由于 PLC 的周期时间明显快于 1 ms。除了减少布线工作量和控制柜中占用的空间以及降低相关组件的成本之外，倍福的工程师还帮助 MTM 优化了伺服电机的尺寸。因此，X-Shear 剪切机的重新设计完成了其关键目标：保持高剪切精度，并通过提高整体性能增加设备的核心竞争力。