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钥匙技术:倍福基于 PC 的控制技术应用于制造精度为 10 微米的高精度钥匙生产

2017/6/16 14:35:48     供稿:德国倍福自动化有限公司    
开放、灵活的控制和驱动技术应用于门锁系统行业的特种机床中。

世界上有数以百万计的人手中都持有 Wilka 生产的钥匙。不管其生产要求多么严苛,生产出来的钥匙及锁芯必须都是毫无瑕疵的。锁和钥匙产品需要非常高效和高精度的生产技术,而该生产技术甚至可以补偿好几度的温度波动,这一点让人非常震惊。Aumat 和 AST 选择了使用倍福基于 PC 的控制技术开发相应的系统来满足这些需求,确保加工精度能够达到钥匙行业所要求的 0.01 毫米,同时以最小的工程工作量轻松实现定制化特种机械。

Wilm Schadach,倍福莱茵/鲁尔区办事处;Achim IhlefeldAumat Maschinenbau 公司技术总监;Wilka Schließtechnik 公司钥匙生产主管 Manuel Krümmel 和电气维护经理 Mark Straka;以及 AST 公司总经理 Wilfried Wengenroth(从左至右)

对于钥匙行业及对于专营钥匙生产的德国费尔贝特的 Wilka Schliestechnik公司来说,最典型的特点是每天会接到大量定制生产订单。技术总监 Olaf Witte 解释道:“在某种意义上说,我们的批量生产与单件流生产可以完美结合于一体。一个订单可能包含 1000 个相同类型的产品,但每个产品又都是不同的 —直到为了某个备用钥匙的单一订单。”Wilka 的生产在结构上具有相应的灵活性,拥有多种特种机床,这些机床是由德国佐林根的 Aumat Maschinenbau 公司与乌帕塔尔的系统集成商 AST 公司共同开发的。

钥匙坯按照顺序加工,先是纵剖面,然后是钥匙片缺口

根据 Aumat 公司的技术总监 Achim Ihlefeld 所述,专业机床的基本要求是在加工钥匙坯时精度要高:“最大的钥匙公差在百分之一毫米范围内。若要可靠满足这一公差,机械工程必须要好上一个数量级。这需要最短的控制周期时间及精度非常高的伺服轴。这两者都可以使用倍福的 PC 控制技术很好地实现,因此,即使有很多平行铣削周期,也可以使用相应数量的伺服轴实现。” AST 公司软件开发工程师 Tim Themann 补充道:“精度要求非常高,即使只有几度的温度波动对加工结果也会带来重要影响。PC 控制系统通过连续监控温度来控制这一影响。”

通过两台独立的机床实现钥匙生产线的现代化改造

由两台独立的特种机床构成的 Wilka 钥匙生产线尽显了 PC 控制系统的优势 — 正如 AST 总经理 Wilfried Wengenroth 所述:“现有的一台用来切割钥匙片的钥匙切割机已经进行过一次翻修,并配备了倍福的控制和驱动技术。除此之外,还有一台用于铣钥匙边缘的仿形铣床也通过 PC 控制系统控制。所有钥匙都按照顺序加工,先是纵剖面,然后是缺口。最后,所有钥匙与配套的锁一起交付。”Achim Ihlefeld 补充说道:“Wilka 使用了两台倍福的控制器,它们都有统一的用户界面,给他们带来了很多好处;必要时,即使一台机床停止运行了,公司也可以不中断地继续运行第二台机床。”

切割机有 9 根伺服轴,而仿形铣床有 23 根伺服轴,它们都通过 AX5000 伺服驱动器和 AM3000 伺服电机控制。这两台机器互联并通过用 C# 编程的两个网关进行通讯。它们都在相应机床上的控制柜式工业 PC C6930 上运行,并通过 ADS 和 TwinCAT 自动化软件通讯。此外,工业 PC 还负责将数据传输给 Wilka 的中央数据服务器上。据 Achim Ihlefeld 介绍,仿形铣床上的每根铣轴也都有它自己的刀具管理系统:“这样,四根铣轴每根管理 12 个刀具,以便能够高效地实现多个多样化的纵铣削操作:从较薄的万能钥匙到特定门锁系统的锁所使用的较厚的特殊钥匙。通常来说,若要实现这一目的需要使用数百个刀具。而我们由于使用了刀具管理系统,可以智能协调,因此只需要使用 48 个刀具。”Tim Themann 补充说道:“刀具管理通过 TwinCAT NC I 实施,这样,不仅能够选择合适的刀具,而且还能够切割出理想的线条。因此,您可以在彼此相邻的深且平的铣削缺口之间实现细磨边,并防止加工好的钥匙不恰当地插到锁芯中。”

集成式 PC 控制系统:工业 4.0 的理想基础

“Aumat 的特种机床自 2005 年起就一直采用倍福基于 PC 的控制技术。”Wilfried Wengenroth 说道。“我们从 2004 年开始就一直与 AST 有合作。在这样的背景下,EtherCAT 也是一个重要的优势,特别是由于它具有自动扫描系统的能力,尤其是在最初调试期间。此外, EtherCAT 还可以方便快捷地诊断所有总线设备。”Wilka 公司电气维护经理Mark Straka补充道:“原本我们使用的控制器品牌种类非常庞杂,我们花了约七年时间才逐步全部采用倍福的控制器。除了高计算能力之外,系统的开放性对我们来说也是至关重要的。无需花费高昂的费用即可集成旧有的控制技术,而且也可以轻松接入更高级别的企业网络。后者正变得越来越重要,它可以确保通过标准网络调用整个生产基础设施层:从订单录入到生产,一直到维修服务。”

Aumat AST 公司共同设计的互联钥匙生产线由一台钥匙切割机和一台仿形铣床构成,可以高精度地单件流加工钥匙坯

这样,理想的前提条件是实现工业 4.0 概念。Olaf Witte 认为,在这方面,有一个重点问题不能忽略:“生产越依赖于网络,发生故障时的潜在损害可能越严重。当系统瘫痪时,高度灵活的单件流生产有什么好处呢?这也就是为什么系统可用性和控制技术服务对我们来说优先级更高。使用了倍福的技术后,单件流生产运行得既快又好。”Mark Straka 也证实了这一点:“询价响应速度对我们来说往往也是非常重要的。毕竟,停产成本可能会非常高,不仅在维修或更换生产部件时是这样的。同样关键的还有速度,为了实现这样的高速度,倍福多年来一直坚持技术创新,同时提供各种项目支持。可以说,目前还没有 PC 控制技术满足不了的应用需求。另外,与传统的 PLC 技术相比,结构紧凑的模块化系统帮助我们节省了高达 50 % 的控制柜空间以及约 20 % 的硬件成本。而且,通过 EtherCAT 端子模块或端子盒可以快速、灵活地响应新的需求,如随后的温度补偿。”

可满足各种应用需求的自动化技术

在钥匙生产线中,PC 控制系统负责处理所有自动化任务:机床运行控制、用于设置和自动操作的 HMI、故障信息显示和数据存档、通过网关进行的数据处理以及三轴铣削龙门架的 NC 控制。由 TwinCAT NC I 控制的 5 个三轴工位用于仿形铣床,另外 3 个工位用于钥匙切割机。钥匙输送由 15 个输送工位实现,钥匙坯供料则使用了 32 根伺服轴,它们由集成了安全功能的 AX5000 驱动器驱动。

每台机床都有一台 C6930 控制柜式工业 PC 进行控制,每台机床都与一台适合控制柜安装的 15 英寸控制面板 CP6902 相连,以便通过使用 TwinCAT PLC HMI实现可视化编程。Wilfried Wengenroth 认为,它甚至为未来系统扩展提供了足够的性能:“高计算能力和高速控制任务让我们能够解决很具挑战性的任务,如高精度钻削控制,或拉床应用中通过采集电机电流实现的刀具破损监控。TwinCAT Database Server 也让我们从 PC 控制技术中获得更多益处。它可以用来处理庞大的数据量,而不会缩短 PLC 周期时间。”基于 EtherCAT 的通用数据采集 — 可根据要求采用集中式或分布式 — 通过使用控制柜中的 EtherCAT 端子模块或现场的过程中直接通过EtherCAT阀岛以及 EP1008 或 EP2028 EtherCAT 端子盒可以带来更多优势。

在加工过程中,通过 EtherCAT 端子盒、EP1008 EP2028 在现场直接分布式采集 I/O 数据可以大大减少所需的控制柜空间

单电缆技术助力节省大量开支

自 2014 年起,Aumat 机床就一直依赖倍福在驱动产品领域采用的单电缆技术(OCT),它将动力和反馈系统整合在一根标准的电机电缆中,显著降低了硬件及调试成本,Mark Straka 说道:“单电缆技术在构建系统时给我们带来了巨大优势,特别是因为它可以大大降低人力成本以及出错率。另外,电缆的用量减少了一半,电缆布线更加紧凑、更具可扩展性,这本身就节约了将近 30 % 的成本。”Wilfried Wengenroth 还看到了另外两个优点:“由于单电缆技术中的数据传输非常稳定,因此电磁兼容性不再是个问题。另一个优点是单电缆技术的参数设置方便快捷。由于工作时间及原材料的节省非常可观,大大降低了程序员的工程要求。

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