基于 XTS 的汽车装配线显著减小设备占地面积
如何设计一条全新的装配线，并继续将其占地面积再减少四分之一？又如何在日后进一步提高这条高度整合的生产线的效率？加拿大自动化专家 Eclipse 从倍福的 XTS 磁驱柔性输送系统中找到了答案。在完成第二次现代化改造后，装配线的占地面积大幅减小，并且能够同时生产两种不同类型的泵。
总部位于安大略省剑桥市的 Eclipse Automation 公司成立于 2001 年，专注提供自动化系统定制服务，公司业绩呈现指数级增长。“除了汽车及交通运输行业之外，我们的业务还覆盖生命科学、消费品甚至核能等细分市场。”Eclipse 公司总经理 Jeff Werner 说道。公司不断研究前沿解决方案，帮助客户取得成功，做行业的颠覆者和引领者。“我们对包括人工智能、远程培训、基于虚拟现实的维护系统在内的各种新兴技术以及所有能够提升精度和灵活性的组件进行了测试。”Werner 说道，“经过我们对多家供应商提供的系统进行大量测试和分析后，我们发现了一项对我们来说特别重要的技术，那就是线性输送系统。”
最近，Eclipse 为一个使用倍福的 XTS 磁驱柔性输送系统组装汽车变速泵的客户成功升级了一套系统。客户曾要求用第一套系统来取代几台旧设备。当时，这些设备无法达到这种大批量制造产品所需的产能和质量标准，Eclipse 的软件设计主管 Matthew Kelly 说道：“以前的设备使用的是旋转分度工作台及类似的部件。每个工位仅负责一道工序，如果有任何一个工位出现故障，就会影响到整条生产线。”
Eclipse 的定制解决方案不仅要提升生产线性能，还要尽量减少其占地面积。“工厂空间总是很宝贵的，但客户的装配和加工设备一体化程度非常高。当我们提议使用这套系统时，客户和我们说，‘我们喜欢这个方案，但需要把它的体积占地面积缩小 25%’。我们当时不知道这是否可行。”Jeff Werner 说道。为了解决这些难题，Eclipse 公司选择与倍福加拿大当地团队密切合作，包括区域销售经理 Dean Herron 和应用专家 Andy Burleigh。
经现场验证的初始机器设计
基于 XTS 系统的装配线具有四个独立的单元，共有 50 多个工位，用于压合、焊接、拧紧螺丝、用 LVDT 位移传感器检测平面度、点胶、等离子处理、泄漏检测等。很多工位需要与机器人精确同步。在前三个设备单元中，操作人员将泵放在与 XTS 动子连接的托盘上。第一个单元中的 XTS 系统长 12 米，有 18 个动子；第二个单元中的 XTS 系统长 6 米，有 12 个动子；第三个单元中的 XTS 系统长 10 米，有 18 个动子。经过仔细计算的托盘间距实现了微米级的定位。当所有装配过程完成后，操作人员将泵移到下一个单元。第三个单元上的小型输送机将泵移到第四个单元，在那里，机器人在两个 GigE 摄像机前升举起已装配完成的泵，进行最后的视觉检查，然后将泵放在输送机上送出。
“XTS 系统能够高速、高精度地将产品从一个工位转到另一个工位，如果加工过程中有任何一个环节出现问题，我们可以直接将工件移到其它工位，并简单地将有问题的工件移走即可。”Matthew Kelly 解释道，“我们将多个工序整合到一个工位中，这样可以帮助我们进一步减少占地面积。加上所有的工艺和工具，这是我见过的最精简的自动化系统。”
对提高生产效率提出新要求
第一台 Eclipse 装配设备超出了预期，至今仍在使用。2019 年 12 月，这家汽车供应商要购买第二台设备，并提出了新的挑战：它需要在同一个系统上制造两种类型的泵。这些泵的尺寸各不相同，并且用于不同的汽车品牌。这给之前设计的托盘带来了不小的挑战，更不用说这两种泵的一些装配顺序也不相同。为了保持高产能，不能让系统停机以清洗所有同类型的泵，然后进行漫长的转换。
Eclipse 公司与倍福当地团队合作，借助 EtherCAT 的快速循环时间和 XTS 系统的灵活性打造了一个创新的解决方案。“系统允许操作人员快速释放并替换为另一种类型的托盘。新换的托盘有一个升序排列的 ID 号，系统会测量它的具体位置，以确定偏移量。我们将这些偏移量应用于每个托盘，并确保组件和零件在加工过程中完全对齐。因此，操作人员可以很轻松地装载 A 型零件，等待一个循环周期，然后装载 B 型零件，期间的停机时间短到可以忽略不计。”Jeff Werner 说道。
此外，由于每个动子都可以作为一个单独的运动轴，无需像传统设计那样连接起来。这些动子可以根据需要在轨道上将工件自由移送到指定的加工步骤，即使两台泵的装配顺序不同。
倍福完整的自动化解决方案带来显著优势
除了这三个 XTS 系统之外，装配线还采用了倍福的其它 EtherCAT 产品和基于 PC 的自动化技术。前三个单元中每一个单元都配备了一台 C6930 控制柜式工业 PC 来控制该单元的 XTS 轨道和外围设备。TwinSAFE 用于确保整条生产线的功能安全，工业 PC 通过 EtherNet/IP 与控制生产线其它部分的二级设备控制器进行通信。EtherCAT 用于实现系统的通信和 I/O。“EtherCAT 与机器人和伺服组件实时同步，这让工程师能够为不同的点胶过程执行插补运动，尤其是在复杂的图案中喷涂胶合剂。”来自倍福公司的 Dean Herron 解释道。
TwinCAT 3 自动化软件是实现这种高级功能的关键。Eclipse 工程师可以使用倍福通用的开发和 Runtime 平台编写 G 代码，使得 XTS 系统和倍福 AM8000 伺服电机能够协同运动，实现高精度点胶。此外，Eclipse 还能够采用包括 IEC61131-3 标准语言面向对象的扩展、预制和自定义功能块，以及 Microsoft Visual Studio 中的计算机科学标准语言进行编程。“对于托盘控制编程、托盘偏移表编程及类似需求，倍福系统比其他供应商提供的系统具有更多优势，可以帮助我们节省大量开发时间。”Matthew Kelly 指出。
快速产品切换带来立竿见影的效果
通过 Eclipse 的创新设计，升级后的变速器泵装配系统可以实现每个零件 20.2 秒的规定周期时间，并达到了微米级的精度要求。自 2021 年初完成调试以来，系统每个班次大约能够生产 1000 个零件，分批生产 A 型零件和 B 型零件。托盘能够轻松拆卸和安装，再加上 XTS 系统能够实时自动确定动子 ID，因此几乎消除了转换时间：将转换时间从一个多小时大幅缩减至仅一分钟。“客户在看到系统占地面积如此小且工艺又非常复杂的情况下，还能有这么强大的转换能力，感到非常震撼。”Werner 说道。控制和机械工程确保了用户能够在无需拆下任何一个螺栓的情况下轻松释放这些托盘。托盘只需移动到存储缓冲区，如果其中一个托盘损坏，操作人员可以轻松地进行更换。
该公司的专家们认为，创新一直是 Eclipse 的 DNA。公司已经成功完成了其它很多前所未有的高速、微型装配应用，包括多个 Covid-19 快速检测套件应用，也使用了 XTS 系统和基于 PC 的控制技术进行控制。Werner 认为这对于向客户提供高效、节约成本的解决方案以及吸引更多优秀的工程技术人才加入 Eclipse 来说非常重要。“大部分学生在学校时已经不学习传统的 PLC 编程。他们在离开大学时，已经掌握了大量关于基于 PC 的控制系统的知识，而且人数每年都在增长。”他说道，“事实证明，倍福无论是在自动化人才的教育储备方面，还是自动化技术涉及到的应用领域方面，都是一个可靠、值得信赖的合作伙伴。”