应用案例 | TwinCAT 优化自动化装配系统的性能

STIWA 集团自 20 世纪 90 年代以来一直采用倍福基于 PC 的控制技术，通过不断提升计算机算力突破技术极限，实现周期时间小于一秒，定位精度在百分之一毫米范围内，并且使用先进的分析和人工智能方法进行主动系统监测，以确保基于数据优化调度生产过程。

主动系统监控助力实现快速装配

引用 STIWA 集团决策者的话说：创办一家成功的企业意味着要抓住机遇，对前瞻性技术和发展趋势及时做出判断，并将它们应用到具体的解决方案中。STIWA 集团至今 50 年的历史完美地说明了这一点。换句话说，这家位于奥地利阿特南•普赫海姆的小型机械工程公司崛起为制造及高性能自动化领域的国际知名专家绝非偶然。“集团创始人 Walter Sticht 的性格决定了公司能够取得如此成功的发展。他是一个天才级的技术员，才华横溢，壮志凌云，很早就认识到了倍福基于 PC 的控制技术的潜力，并且是第一批开始探索倍福于上世纪 90 年代投入到市场的新型解决方案的人之一。”STIWA 集团软件开发和创新业务部门负责人 Michael Pauditz 在回忆公司如何开始与倍福紧密合作时说道。

当时，倍福还只是自动化领域一个名不见经传的“新面孔”，但他们从一开始就承诺：不断研发具有革命性意义的自动化产品，以永久改变工业自动化领域。“自那时起，我们就一直齐心协力，突破各种技术极限。”Michael Pauditz 补充道。事实上，STIWA 通过使用可灵活匹配的模块化硬件和软件以及企业集团内部的闭环反馈回路突破了其系统的性能限制。

STIWA 系统配备了先进的 I/O 组件，包括带时间戳功能的 EP1258 EtherCAT 端子盒（顶部），因此可以直接安装在机器设备上。

品质超群的“隐形冠军”

STIWA 集团的独特之处在于它既是高性能自动化设备制造商，同时也是运营商，集团旗下公司众多，有自动化设备制造公司 STIWA Automation GmbH、软件方案开发公司 STIWA AMS GmbH 以及汽车零部件制造公司 STIWA Advanced Products GmbH，彼此之间通力合作。这意味着，这家位于奥地利的集团可以在自己的生产环境中进行概念验证。持续记录所有相关的设备和工艺参数并对其进行详细分析，确保能够将从持续运行中获得的经验立即作为优化建议反馈给研发部门。“我们一直与甘珀恩工厂保持着密切互动，建立了深厚的专业知识根基，否则就不可能实现如此先进的自动化。”STIWA Automation GmbH 公司 CEO Michael Fuchshuber 认为，STIWA 系统中每一微秒、每百分之一毫米、哪怕只是一点点的性能提升都有着非常重要的意义。

“我们一直致力于推动我们的系统超越传统极限。”Michael Pauditz 补充道，他证实了集团作为全球公认的高性能自动化领域的“隐形冠军”地位，感到有义务在每一种情况下提供最大可能。”Michael Pauditz 补充道。LTM-CI 这几个字母如果转换成技术关键数字，意思是采用微型设计（M）的线性（L）输送系统（T），设计用于超快速装配尺寸不超过 30 x 30 x 30 mm 的小型零部件：每个系统最多可有 24 个加工模块，可在亚秒范围内以三到五个自由度完成激光焊接、用螺丝固定、压装、贴标、测试、测量以及 0.08 mm 的送料和定位精度。

EtherCAT 总线以及相应的 I/O 端子模块可以实现可靠、超快速的数据传输。

高性能、标准化的软件架构

STIWA 表示，他们找到了倍福，找到了实施这个在很多方面都很出色的高科技解决方案的完美合作伙伴。两家公司凭借他们的协作创新思维，基于 TwinCAT 创建了一个模块化的 PLC 框架，可以根据客户的具体需求快速调整。“我们总共花费了约 500 人/年进行基础开发，设计出了一款高性能的一体化解决方案，可用于机械工程以及建筑自动化、过程自动化或实验室自动化。”Michael Pauditz 在描述 97% 基于全集成、一致的并经过广泛测试的软件架构的系统蓝图时说道。只有剩余的 3% 需要根据具体的应用情况进行调整。倍福 PC 控制器的存储或计算能力得到了充分利用。

“我们通过一台工业 PC 以 0.5 秒的周期时间协调多达 50 根 NC 轴。同时，系统可以监测每一根轴的运动，从而能够进行基于事件驱动的生产过程调整，并进行进一步的分析。”Michael Pauditz 详述道。倍福的 EtherCAT 总线和分布式时钟原理为实现从轴位置到实时值的 PLC 转换奠定了技术基础。STIWA 利用此项技术识别以高达 3 米/秒的输送速度向下一个加工工位移动的工件运载装置。倍福的各种 EtherCAT 超采样端子模块和带时间戳功能的 EP1258 EtherCAT 端子盒（8 通道数字量输入）都展示了它们强大的信号处理能力。

在一个典型的 STIWA 系统中，必须每隔 0.5 秒就将超过 10 MB 的原始数据转发给各种系统设备。为此，自动化设备规范（ADS）协议在 TwinCAT 系统中提供了一个传输层，使得 TwinCAT NC 和 TwinCAT PLC 之间能够直接通信。各个生产过程的控制算法（如激光硬化中激光扫描镜的控制算法）都存储在 PLC 中。任何偏离目标时间的情况都会被系统检测出来，并报告为可以误差指标，以便实施主动误差监测。“倍福针对 STIWA 集团的特定需求开发了一些 TwinCAT 软件功能，包括用于非周期性循环过程的 FIFO 功能块，在这里，可以通过 PLC 程序永久‘重新填充’轴当前位置。”倍福奥地利分公司销售代表 Andreas Bernreitner 表示。

从传统的合同制造商到创新驱动者

STIWA 集团的成功秘诀在于，在公司的 50 年发展历史中，它不仅仅是一家合同制造商，更一直是创新驱动者。他们很早就转为使用基于软件的 PLC 技术，当时只有少数先驱者认识到这项技术具有前瞻性，并在公司一直追求的数字化转型战略中延用下去。STIWA 通过使用人工智能（AI）和机器学习（ML）实现了车间主动系统监控和自动流程优化等目标。集团收获的最大附加值是一个全集成系统，它可以持续为客户带来显著的成本优势和竞争优势。老客户的大量需求以及新市场和新行业的进一步增长证明了 STIWA 集团发展方向的正确性：“当然，我们对未来有很多规划，而 TwinCAT 则是我们解决方案的重要组成部分。否则，我们就无法以目前取得的质量水平调节高度复杂的生产过程。”Michael Fuchshuber 强调道。

STIWA 以前只是一家传统设备制造商时，主要满足客户的一些特殊需求（来图加工方式），但未来，他们作为一个集团公司，将主要关注自己的产品开发，Michael Fuchshuber 解释道：“近年来，全球汽车制造业危机等挑战充分说明，我们正面临着一个非常动态的市场和技术环境。这正是我们需要应对的。因此，我们正越来越多地推动自主生产高度创新的新型解决方案。我们与 STIWA Advanced Products 公司一起，为甘珀恩工厂打造了从产品原型到规模量产的创新产品理念。近年来我们还与总部位于福拉尔贝格州的 Inventus 公司合作并成立了合资企业。”此外，成立于 2019 年的 XeelTech 公司正在研发革命性的新产品，如基于磁流变液（MRF）的旋转编码器，它可为操作者提供触觉反馈，反馈模式的类型可通过软件自由编程。

倍福奥地利分公司的 Andreas Bernreiter 以及 STIWA 集团的 Michael Fuchshuber 和 Michael Pauditz 对双方长期以来的成功合作感到非常高兴（从左至右）。