Koch 的開(kāi)發(fā)人員利用德國(guó)倍福的獨(dú)門技術(shù)迅速地將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成了直線運(yùn)動(dòng)。

如果你向普通用戶詢問(wèn)什么是可變化、可調(diào)整的帶木條的門框，你看到的可能會(huì)是一臉茫然。如果你向 Koch公司的工程師提出同樣的問(wèn)題，答案可能會(huì)是：他們正在使用 Beckhoff 直線電機(jī)和 PC 控制的 SBFD-B-NC設(shè)備，因此，門框的生產(chǎn)將變得更快、更好、更便宜。由于使用了現(xiàn)代化的工業(yè) PC 控制器，特別為 SBFD-BNC安裝的 31 臺(tái)直線電機(jī)設(shè)備可以使鉆孔和磨孔都變得更加合適。 Koch Maschinenbau 公司作為德國(guó)的一家非標(biāo)木工機(jī)械制造商，如果想每小時(shí)生產(chǎn)500個(gè)門框的話，他們絕對(duì)不能浪費(fèi)時(shí)間。那么，如果他們采用 Beckhoff 的先進(jìn) PC 控制技術(shù)的話，他們就可以節(jié)約一些時(shí)間。Beckhoff 在這方面經(jīng)驗(yàn)豐富：它曾幫助 Koch 公司應(yīng)用 PC 控制技術(shù)在PC 上采用標(biāo)準(zhǔn) Windows 軟件進(jìn)行調(diào)試仿真和遠(yuǎn)程服務(wù)/診斷來(lái)節(jié)約時(shí)間。為了尋找更加節(jié)省時(shí)間和更加優(yōu)化的方案，他們開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)利用加工站里的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)來(lái)改善鉆頭定位的技術(shù)。技術(shù)經(jīng)理 Leo G?vert 很快就想到了在電子工業(yè)中安裝 SMD 元件時(shí)，精確定位 PCB 板時(shí)所采用的線性驅(qū)動(dòng)技術(shù)。因?yàn)樗麄兊暮献骰锇锽eckhoff 公司在該領(lǐng)域表現(xiàn)也非常出色，對(duì)于這種想法，雙方一拍即合：由雙方來(lái)合作開(kāi)發(fā) SBFD-B-NC 設(shè)備。Koch 的管理層為此大開(kāi)綠燈，一臺(tái)功能非常強(qiáng)大、維護(hù)工作最少、可以適應(yīng)時(shí)間要求的木工設(shè)備就此誕生。在該方案開(kāi)發(fā)的最開(kāi)始，精力主要集中在設(shè)備定位功能的改善上。采用直線驅(qū)動(dòng)取代了齒條上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，所以定位過(guò)程變得更快而且更加精確。這臺(tái)長(zhǎng)寬為 10mx15m 的設(shè)備，將用于板條式門框的木材分為頭部、中部和底部三個(gè)部分。然后由操作員選擇加工步驟，并決定是先加工左邊還是右邊。最后，鏈條傳送帶將木材沿 ＋Y 方向依次輸送到9個(gè)加工工位。在傳統(tǒng)的解決方案中，鉆銑設(shè)備安裝在頂部的搬運(yùn)器上，它通過(guò)齒條來(lái)移動(dòng)，對(duì)已經(jīng)編好程序的孔、槽進(jìn)行加工。因?yàn)樵谶@里用直線電機(jī)替代了旋轉(zhuǎn)電機(jī)，使得定位更快而且更加精確。一般來(lái)說(shuō)，直線電機(jī)適用于旋轉(zhuǎn)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)位置受限，或者是在動(dòng)態(tài)性能、同步和加速方面有特殊要求的場(chǎng)合。

在半條門窗加工廠，31 臺(tái)由 Beckhoff AX2000 伺服驅(qū)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)的直線電機(jī)保證了鉆孔和槽的正確定位。所有的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)四個(gè) Lightbus 環(huán)傳送到工業(yè) PC 進(jìn)行進(jìn)一步處理。 直接驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了 10％ 的成本優(yōu)勢(shì) 控制專家 G?vert 指出，“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，看起來(lái)這是正確的技術(shù)選擇。在每個(gè)工位的吊運(yùn)式輸送斗（吊裝式托架）必須接納多至 9 個(gè)鉆頭，并將它們移動(dòng)到位。”對(duì)于這項(xiàng)作業(yè)任務(wù)來(lái)說(shuō)，Beckhoff 的 AL2000 直線電機(jī)是理想之選。AL2000 的移動(dòng)速度可以達(dá)到 10m/s，并且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還可以獲得很大的加速度。“從管理角度來(lái)講，相對(duì)獨(dú)立的直接驅(qū)動(dòng)很容易被人遺忘，因?yàn)樵谝粋€(gè)加工工位里所有直線電機(jī)共用一條磁性軌道，使系統(tǒng)非常經(jīng)濟(jì)，” G?vert 解釋說(shuō)。G?vert 承認(rèn)，安裝外部測(cè)量系統(tǒng)，在一定程度上會(huì)降低成本優(yōu)勢(shì)，“但底線是用 8 個(gè)驅(qū)動(dòng)可以節(jié)省 10％的成本”。除了經(jīng)濟(jì)原因以外，Koch 也明顯認(rèn)識(shí)到該系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是以下幾個(gè)方面： │ 直線伺服電機(jī)不受機(jī)械磨損 │ 直線電機(jī)定位速度快，而且無(wú)過(guò)沖 │ 易于調(diào)試運(yùn)行 │ 多個(gè)電機(jī)可以同時(shí)運(yùn)行于一條軌道之上 “對(duì)于機(jī)器制造商來(lái)說(shuō)，這些優(yōu)點(diǎn)不容忽視，因?yàn)槌ス谳喴院螅苿?dòng)距離就幾乎沒(méi)有限制了，”Koch 公司軟件工程負(fù)責(zé)人 Oliver Bexte 補(bǔ)充說(shuō)。他把時(shí)間優(yōu)勢(shì)看作另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，二者的最大區(qū)別并不在于工件的加工，而是在于建立并改進(jìn)繁重的鉆孔任務(wù)。它所需要的定位精度在 0.1mm 到 0.01mm 之間。直線電機(jī)的重復(fù)精度也非常高。Bexte 對(duì)這項(xiàng)技術(shù)很有信心，他解釋說(shuō)，“在實(shí)際測(cè)試中，我們用千分表測(cè)試了幾百次，通過(guò)比較表明定位精度并沒(méi)有什么變化。”所有這一切并沒(méi)有像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣發(fā)生瞬變現(xiàn)象（無(wú)伺服抖動(dòng)現(xiàn)象），這就意味著，設(shè)定某些簡(jiǎn)單的控制參數(shù)變得更加簡(jiǎn)單。 儀表管理更加容易 就精度來(lái)講，Koch 設(shè)備使用的儀表技術(shù)也非常關(guān)鍵。在按長(zhǎng)度切割原材料時(shí)，開(kāi)發(fā)人員使用 SONY 的磁性編碼器，只需把它用膠水粘到軌道上就可以了。這樣做的優(yōu)勢(shì)是擁有參考凸輪的和高分辨率閱讀器。Bexte 指出，“這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可以調(diào)整，只要練習(xí)一下就行，時(shí)間不超過(guò)5分鐘。”軟件工程師警告說(shuō)，在調(diào)整的時(shí)候必須小心，因?yàn)榇判怨ぞ呖梢該p壞整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。Beckhoff 公司研發(fā)人員目前正在為突破這項(xiàng)限制而努力。Beckhoff 的工程師們正在進(jìn)行一項(xiàng)工作：在直線電機(jī)內(nèi)部采取措施使電機(jī)免受外部干擾。其測(cè)量原理包括使用次極磁鐵的截面來(lái)確定位置和速度。增量式編碼器使用它們的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以每24mm 發(fā)出 1000 個(gè)脈沖（24mm 對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一周）。將信號(hào)輸入到 AX2000 驅(qū)動(dòng)放大器，就可以獲得 0.1mm 的定位精度。

與需要水冷直線驅(qū)動(dòng)的大功率機(jī)床以及需要昂貴的光電測(cè)量系統(tǒng)的高精度機(jī)床應(yīng)用相比，這里所講的解決方案對(duì)于木工機(jī)械和包裝機(jī)械來(lái)講是理想的。Koch 的控制工程師更喜歡直接驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)原因是，使用 TwinCAT 可以直接將其無(wú)縫集成到現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)中。伺服放大器通過(guò)Beckhoff 的 Lightbus 來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，而簡(jiǎn)單定位任務(wù)的驅(qū)動(dòng)則可以通過(guò) CANopen 來(lái)操作。 Beckhoff 工業(yè) PC控制 69 根軸 SBFD-B-NC木工機(jī)械是用來(lái)鉆銑木工部件的自動(dòng)化機(jī)器，然后再由部件制成板條門窗。該設(shè)備由一臺(tái)裝有 PENTIUM4 和 15” 面板的工業(yè) PC 來(lái)控制。操作系統(tǒng)采用 WINDOWS 2000 SERVER，自動(dòng)化軟件采用 TwinCAT NC PTP，PLC 循環(huán)時(shí)間為 10ms。 總共使用 31 臺(tái) AL 2000 直線電機(jī)的 5個(gè)機(jī)械加工工位，可以提供的最大移動(dòng)速度為 1000mm/s，可以確保加工頭的精確定位。這些電機(jī)和另外 3 臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)一起通過(guò)四個(gè) Lightbus 環(huán)耦合到系統(tǒng)中。 通過(guò) CANopen 總線連接用于靜態(tài)定位的鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)。這臺(tái)設(shè)備同時(shí)包括 27個(gè)帶有 CANopen 總線接口的驅(qū)動(dòng)、7根快速和爬行軸。輸入和輸出點(diǎn)總數(shù)為 1134 個(gè)。 裝有 PLC/NC TwinCAT 軟件的 Beckhoff工業(yè) PC C6150 是 69 根軸的主控制站。

實(shí)踐小技巧：從直線電機(jī)期望得到什么樣的優(yōu)勢(shì)？

我們問(wèn) Leo G?vert 和 Oliver Bexte，當(dāng)轉(zhuǎn)換為直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)的時(shí)候，需要特別注意什么?

PC-Control：G?ver 先生，你已經(jīng)采用Beckhoff 的直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)在鉆孔工作站進(jìn)行定位 一年了。你后悔這一步嗎？ Leo G?ver：不，恰恰相反。我們采用的不僅是精確、低維護(hù)量 的技術(shù)，而且對(duì)我們的項(xiàng)目來(lái)說(shuō) 它幾乎是最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。 PC-Control：這么說(shuō)來(lái)，是直線 電機(jī)比旋轉(zhuǎn)電機(jī)更便宜？ Leo G?ver：如果你僅僅是比較每種技術(shù)的驅(qū)動(dòng)的話，那么現(xiàn)在并不是時(shí)候。但是，在我們的加工站里，在一條軌道上有9臺(tái)直線電機(jī)工作，這才是節(jié)省開(kāi)支的地方。 PC-Control：考慮成本的話，每條軌道上你必須采用多少個(gè)電機(jī)？ Oliver Bexte：粗略地說(shuō)，我們可以講平衡點(diǎn)是4個(gè)。我們可以節(jié)省10％的成本。 PC-Control：那么提高的精度又是來(lái)自于哪里呢？ Oliver Bexte：我們通過(guò)一個(gè)非常好的推力重量比系數(shù)，得到了一個(gè)有利于精確定位的推力常數(shù)。在這之上，有直接測(cè)量系統(tǒng)，和傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用的旋轉(zhuǎn)變壓器相比有著更高的分辨率。直線電機(jī)是沒(méi)有磨損的，如果我們拿它和齒條、軸承的磨損相比，長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看我們也可以得到一個(gè)好的結(jié)果。 PC-Control：必須考慮哪些變化條件？ Oliver Bexte：如果設(shè)備要承受來(lái)自直線電機(jī)的更大的作用力， 而且沒(méi)有振動(dòng)的話，那么設(shè)備的基礎(chǔ)就必須做得更加穩(wěn)定。 PC-Control：那是唯一的困難嗎？ Leo G?ver：我們必須屏蔽用于位移測(cè)量系統(tǒng)的磁性編碼器，以免受到來(lái)自電力線路的電磁輻射干擾。一旦你知道這是必需的話，那就不再是問(wèn)題了。 PC-Control：你能夠再概括一下直線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)嗎？ Leo G?ver：正如我們所說(shuō)的，用31臺(tái)直線伺服驅(qū)動(dòng)我們不僅僅在一個(gè)小的項(xiàng)目中獲得了精確定位，參數(shù)化也變得更加容易了。除此之外，該驅(qū)動(dòng)還能夠平滑地集成到TwinCAT自動(dòng)化架構(gòu)中。