倍福基于PC的自動化技術在全自動超聲波PVC篷布焊接和切割機中的應用

JenTSChmann AG 總部位于瑞士的 Hüntwangen，專業(yè)制造各種篷布生產設備。使用 3796 型聯(lián)合全自動超聲波切割和焊接機可生產最長為6 米（19.7 英尺）、最寬為 2.5 米-3.2 米（8.2-10.5 英尺）的房車篷布。根據(jù)所需的寬度，該設備將兩幅熱塑涂層的布和管縫精確地焊接在一起并切割成所需的尺寸。為了確保整個焊接過程連續(xù)、不中斷，Jentschmann 公司采用了一種帶有徑向振蕩（振幅）的“輥式超聲波發(fā)生器”來加熱和焊接 PVC 織物。篷布材料可在同步驅動的輥式超聲波發(fā)生器和支承輥之間連續(xù)向前滾動。精確的織物導向裝置是實現(xiàn)該動態(tài)過程的先決條件；必須準確設置不同的焊接參數(shù)，并且在焊接過程中，這些參數(shù)設置能夠自動進行調整。

在幾秒鐘內全自動完成縫合、焊接和切割過程

機器連續(xù)生產布卷，即以 8 米/ 分鐘（26.2 英尺/ 分鐘）的速度加工一個長為 180 米（590.5 英尺）的布卷，總過程大概需要 23 分鐘。“布卷的裝載、布幅和軸的進給以及超聲波焊接頭的定位均通過手動操作進行。”Jentschmann AG 公司負責機器設計的 Pierre Bartholdi 解釋說道：“根據(jù)訂單指定的拉出長度和批次大小可通過操作面板從產品數(shù)據(jù)庫裝載并上傳至控制器。”

設備啟動后，牽引小車立即向前移動。“在運輸過程中，通過機械引導裝置引導后，篷布的兩邊先向上翻轉然后再向里翻轉。”Pierre Bartholdi 在描述篷布的進給時說道：“軸在這一工藝過程中進行同步。隨后，帶輥式超聲波發(fā)生器的超聲波焊接頭焊接裝配縫和管縫。”

Beckhoff AX5000 系列伺服驅動器

已切斷的篷布布幅通過牽引小車移動并放下；篷布通過切割臺架張緊并進一步向前輸送

達到規(guī)定的布長后，使用 TwinCAT 飛鋸自動化軟件編程的十字切割臺架根據(jù)拉出速度自動進行同步，并通過氣動支架將布固定，并橫向切割。“布長是否精確是衡量我們的設備質量的一個重要標準。”Pierre Bartholdi 解釋說道：“我們設備的切割精度為 ± 1-2 毫米。布的進給可通過布邊控制器進行調節(jié)。”進行完橫切后，牽引小車拖著成品篷布高速向前移動，并將布放在傳送臺上，而十字切割機將繼續(xù)拉動焊接后的布幅，直到牽引小車返回后再次牽引布匹。之后，十字切割裝置返回到原位置，并等待下一次橫向切割。
生產 3.5 米（11.5 英尺）長的成品布大約需要 26.25 秒鐘的時間。

伺服電機，用于帶有通過耦合器和主軸實現(xiàn)開卷機機械鎖定（右前）和定位的布邊控制系統(tǒng)

高速向前移動，并將布放在傳送臺上，而十字切割機將繼續(xù)拉動焊接后的布幅，直到牽引小車返回后再次牽引布匹。之后，十字切割裝置返回到原位置，并等待下一次橫向切割。生產 3.5 米（11.5 英尺）長的成品布大約需要 26.25 秒鐘的時間。

先進的驅動技術是其核心特色

篷布設置完成后, 所有生產工序均全自動完成。五臺來自Beckhoff 的 AX5000 系列 EtherCAT 伺服驅動器以及 AM3000 伺服電動機 — 配備雙級行星齒輪減速機，集成有單圈 Biss 絕對值編碼器 — 用來驅動開卷機、布邊控制器、用于縫壓的皮帶驅動系統(tǒng)、橫向切割裝置和牽引小車。皮帶驅動系統(tǒng)即所謂的“導向驅動系統(tǒng)”，進給速率作為固定值輸入。開卷機驅動的速度根據(jù)進給速率和卷筒的直徑加以控制。為此，布料厚度如果已知，那么設置過程中測量到的布卷的直徑將在設備控制器的控制回路中被采用。由于布卷的直徑會隨著篷布的展開而縮小，因此開卷機驅動的速度必須相應提高。

根據(jù)客戶要求進行的機器設計需要開放、可升級的控制技術在自動化問題上，針對復雜的設備，Jentschmann AG 一直實行勞動分工的措施。為了實現(xiàn)控制技術和所有電氣工程方面的改造任務，他們引入了來自 Spreitenbach 的 Indutron AG 公司。作為系統(tǒng)合作伙伴，該公司專門從事設備工藝的自動化改造，采用的是 Beckhoff 基于 PC 的控制技術。Indutron 公司總經理 Harry A. Stirnemann 表示，與 Jentschmann AG 的合作在許多共同的項目上已經證明了其價值。“Jentschmann AG 的 3796 型全自動切割和焊接機的自動化改造是一個特殊的項目，因為該設備采用的是概念設計，所以它允許添加額外的選項。”原則上，每臺設備都是獨一無二的，而不是一個系列產品，這使得使用具有良好開放性、可升級的控制解決方案成為必須。作為一家 Beckhoff 解決方案的供應商，Indutron AG 負責整個控制解決方案的實施 — 從項目設計到試運行，他們對 Beckhoff 的自動化平臺有非常深入的了解。

來自 Jentschmann AG 的 Pierre Bartholdi 解釋說道：“布長是否精確是衡量我們的設備質量的一個重要標準。我們設備的切割精度為 ± 1-2 毫米。布的寬度可通過布邊控制器進行調節(jié)。”

項目設計和開發(fā)時間大大縮短

Beckhoff 帶 12 英寸觸摸屏并裝有 TwinCAT 軟件的 CP6201 面板型 PC 用作為 Jentschmann 3796 型自動切割和焊接機的控制器。TwinCAT NC PTP 用于控制驅動系統(tǒng)。此外，TwinCAT 飛鋸軟件庫用于控制切割臺架，而 TwinCAT PLC 控制器工具箱則用于控制調布輥。來自 Indutron 公司的 Harry Stirnemann 如此說道：“TwinCAT 軟件中的這些功能模塊給我們帶來了很大的優(yōu)勢。因為很多控制任務無法用標準的控制器實現(xiàn)，而這些模塊的使用為我們節(jié)約了大量的項目工程和開發(fā)時間。使用 TwinCAT PLC 控制器工具箱后，我們能夠使用基本軟件構建模塊創(chuàng)建復雜的驅動協(xié)調控制系統(tǒng)。

整個機器外圍設備可通過 Beckhoff 的 EtherCAT 端子模塊進行檢測。EtherCAT 耦合器 EK1100 通過 EtherCAT 總線系統(tǒng)將外圍連接至面板型 PC 。同樣，伺服控制器和伺服電機中集成的絕對值編碼器可通過 EtherCAT 與系統(tǒng)相連。

此外，該面板型 PC 具有一個調制解調器，當出現(xiàn)故障時，Indutron 的服務專員可撥入到機器的控制器。Harry Stirnemann 解釋說：“這樣我們就不需要趕到客戶所在地進行現(xiàn)場維修，為我們節(jié)省了大量的人力和物力。”

回路已閉合，管帶由導輥拉緊

方便、易懂的操作概念

Indutron 特別注重為自行開發(fā)易用、友好、直觀的多語言用戶界面。一方面，操作員可以調用各種機器功能，另一方面，他還可以集成與任務相關的一些特殊功能。用戶界面可顯示包括故障信息在內的各種信息，并且可以選擇或創(chuàng)建配方，例如，所有待加工遮篷材料的工藝和產品相關的數(shù)據(jù)。這些都與焊接速度、布寬或溫度相關。雖然所有工藝均已分類存儲在機器控制器中，但機器操作人員必須能夠輸入新的程序。為此，可復制并修改現(xiàn)有的程序，從而能夠焊接并精確切割新的篷布。一旦出現(xiàn)輸入錯誤，用戶界面將終止其開放性，從而確保系統(tǒng)運行安全。“操作人員不能修改機器控制器的任何部分；這一級別的訪問受密碼保護。”Harry Stirnemann 評論道。

實現(xiàn)與客戶 IT 系統(tǒng)的連接

他們也準備了一套 HMI 解決方案來連接 ERP 或 MES 系統(tǒng)。Harry Stirnemann 表示：“這樣一來，我們就可以連接 IT 系統(tǒng)，例如，那些操作切割機的客戶的 IT 系統(tǒng)。這一點變得越來越重要，控制器通過集成的接口接收來自客戶 IT 系統(tǒng)的切割數(shù)據(jù)。用戶界面和客戶 IT 系統(tǒng)之間的連接通過Visual BAsic 實現(xiàn)；TwinCAT 系統(tǒng)和用戶界面之間的通訊通過TwinCAT ADS 實現(xiàn)。”

未來前景

Beckhoff 基于 PC 的自動化技術為最新一代的 Jentschmann 全自動超聲波焊接和切割機的開辟了更多機械和工藝方面的可能性。例如，這些可能性包括布卷進給的自動化、帶寬控制或連接工藝的選擇。在機器安全方面，Beckhoff 安全技術可提供更多的可能性。目前，諸如“安全停止（Safe Stop ）”等安全相關的技術已在現(xiàn)有的軸驅動器中得到應用。