機(jī)械工程行業(yè)用戶一直在努力尋找優(yōu)化機(jī)械、提升設(shè)備可用性和減少生產(chǎn)波動(dòng)的方法。將高性能測(cè)量功能集成到控制系統(tǒng)中可以幫助他們啟動(dòng)新的開發(fā)方案，攻克曾經(jīng)被認(rèn)為不可逾越的性能難關(guān)。全新的ELM314x 經(jīng)濟(jì)型EtherCAT 測(cè)量模塊系列可以開辟更寬廣的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新之路。

在設(shè)備開發(fā)過程中，程序員和工程師們經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣性能提升方面的技術(shù)屏障，然后會(huì)導(dǎo)致一系列問題 — 例如物理機(jī)械方面的，電氣方面的，等等，這些問題甚至?xí)由斓侥硞€(gè)系列的所有設(shè)備上，并且普遍存在于大多數(shù)設(shè)備供應(yīng)商中。問題的關(guān)鍵往往在于，設(shè)備設(shè)計(jì)者是怎么看待這些問題的。特別是當(dāng)面臨如何提升對(duì)設(shè)備過程控制的認(rèn)知和如何提升對(duì)控制回路的控制之類的問題時(shí)，倍福的 EtherCAT測(cè)量模塊就可以提供一個(gè)很適合的解決方案：將高性能的測(cè)量技術(shù)集成在控制系統(tǒng)中。

集成式測(cè)量技術(shù)以各種方式讓設(shè)備制造商和用戶在測(cè)試或生產(chǎn)設(shè)備的整個(gè)生命周期中受益。例如：

– 在首次調(diào)試、設(shè)備故障排除和工藝過程微調(diào)期間

– 在運(yùn)行期間，監(jiān)測(cè)操作順序和生產(chǎn)質(zhì)量，測(cè)量振動(dòng)，監(jiān)測(cè)功率，檢查結(jié)果并預(yù)測(cè)維護(hù)需求

– 在維護(hù)時(shí)，以驗(yàn)證所執(zhí)行的任務(wù)是否已達(dá)到預(yù)期結(jié)果

在所有這些情形下，測(cè)量技術(shù)可以通過精心規(guī)劃的措施更好地了解設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行情況，從而帶來附加價(jià)值。但若要取得更好的效果，必須在設(shè)備的概念設(shè)計(jì)初始階段就規(guī)劃測(cè)量應(yīng)用。畢竟，如果沒有安裝傳感器，以直接或間接地進(jìn)行測(cè)量，那么測(cè)量是無法完成的。只有完全熟悉既定流程的用戶才能明智地決定在設(shè)備內(nèi)的哪些位置進(jìn)行測(cè)量有意義。也就是說，新穎的測(cè)量類型也可能會(huì)產(chǎn)生令人驚嘆的新發(fā)現(xiàn)，從而能夠進(jìn)一步優(yōu)化流程。

經(jīng)濟(jì)型模塊開辟了更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

采樣率為 1 ksps 的經(jīng)濟(jì)型 EtherCAT ELM 測(cè)量模塊系列是倍福發(fā)布的第二類集成式測(cè)量產(chǎn)品。之前推出的 ELM3x0x 基本系列測(cè)量模塊采樣率為每通道 10 至 50 ksps，精度為 100 ppm，旨在支持高動(dòng)態(tài)測(cè)量 — 測(cè)試臺(tái)架中經(jīng)常出現(xiàn)的高速運(yùn)動(dòng)順序、負(fù)載反轉(zhuǎn)或類型變換。使用同類的端子模塊也可以很深入地了解高速生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)過程。但是，許多生產(chǎn)過程并不需要如此快的采樣率。因此我們開發(fā)了采樣率為每通道 1 ksps 的 ELM314x 系列經(jīng)濟(jì)型測(cè)量模塊。它完全符合機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)順序，同時(shí)具備相同的功能，并能夠以與 TwinCAT 軟件完全相同的方式工作。此外，它還具有兼容性優(yōu)勢(shì)。例如，如果某臺(tái)設(shè)備在將來升級(jí)換代，性能變得更強(qiáng)，那么可以輕松更換成速度更快的EtherCAT 測(cè)量模塊，并且測(cè)量可以像以前一樣繼續(xù)進(jìn)行。新的 ELM314x 經(jīng)濟(jì)型系列目前包括 2、4、6 和 8 通道型號(hào)。這些模塊可在寬溫度范圍內(nèi)以較低的每通道成本實(shí)現(xiàn) 100 ppm 精度的高精度測(cè)量，并可處理范圍從 ±1.25 至 ±10 V、0 至 10 V、±20 mA 以及 0/4 至20 mA 的模擬量信號(hào)。

具有診斷能力的測(cè)量模塊

是否具有監(jiān)測(cè)和診斷分析測(cè)量性能的能力對(duì)任何用戶來說都是至關(guān)重要的。這類性能不僅適用于不間斷連續(xù)運(yùn)行的機(jī)器，也適用于需要在周末運(yùn)行的測(cè)試臺(tái)架，甚至包括短期測(cè)試任務(wù)。線纜斷裂、短路、過和斷電只是測(cè)試任務(wù)中可能會(huì)發(fā)生的一些問題，在最好情況下，這些問題可能只會(huì)導(dǎo)致測(cè)量過程中斷；而在最壞情況下，所記錄的測(cè)量結(jié)果會(huì)被悄悄篡改。因此，深度集成在生產(chǎn)設(shè)備中且無人值守的測(cè)量系統(tǒng)必須能夠從一開始就預(yù)測(cè)到這些故障，并在無法再次獲得完美測(cè)量結(jié)果的情況下可靠地報(bào)告這些故障。

倍福的 EtherCAT 測(cè)量模塊就是專門為此而設(shè)計(jì)的，自診斷功能占設(shè)備固件和硬件的很大一部分。對(duì)于用戶而言，這意味著他們可以依靠模塊來檢測(cè)和報(bào)告常見故障，并且能夠只將可靠的測(cè)量讀數(shù)返回給控制系統(tǒng)。

充分利用 EtherCAT 的優(yōu)勢(shì)

高速、高精度的測(cè)量模塊受益于成熟的 EtherCAT 功能，是工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)的理想選擇：

– 對(duì)于約 100 個(gè)模擬量通道（每個(gè)模擬量通道的采樣速率為 10 ksps）來說，100 Mbit/s 的傳輸速率已經(jīng)足夠

– 分布式時(shí)鐘系統(tǒng)，可以長(zhǎng)距離地在大量通道和端子模塊上同步捕獲數(shù)據(jù)，精度高達(dá) ±100 ns

– 通過 CoE 對(duì) EtherCAT 從站進(jìn)行了一致的參數(shù)設(shè)置，而且用戶已經(jīng)熟悉如何使用 PDO 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸

現(xiàn)如今，倍福基于 PC 的控制技術(shù)和 EtherCAT 技術(shù)已被廣泛接受和使用，我們不僅僅可以提供測(cè)量端子模塊等硬件，也可以提供 TwinCAT軟件功能支持，同時(shí)還能提供大量用于整個(gè)測(cè)量鏈的 EtherCAT 基礎(chǔ)組件。EtherCAT 基礎(chǔ)組件包括：光傳輸設(shè)備，如用于 EMC 負(fù)載較高的環(huán)境的耦合器和光纖介質(zhì)轉(zhuǎn)換器；用于并行 EtherCAT 數(shù)據(jù)流的 CU2508系列端口倍增器，要求傳輸速率超過百兆；以及帶 ID 撥碼開關(guān)的耦合器，以支持靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常還包括容錯(cuò)的冗余 EtherCAT 線纜。

測(cè)量技術(shù)與仿真

在很多領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)仿真可以用來事先測(cè)試各種想法，從而節(jié)省后續(xù)的測(cè)試時(shí)間、人力和成本。尤其對(duì)于那些無法事先進(jìn)行廣泛測(cè)試的復(fù)雜系統(tǒng)，仿真具有非常重要的意義。而且對(duì)于這樣的系統(tǒng)來說，仿真可能是找到正確解決方案的唯一可行的方法。它還可以幫助識(shí)別設(shè)備內(nèi)傳感器的最佳位置，或者，如果可以通過其它可能間接的方式獲得它們所提供的信息，就無需使用某些特定類型的傳感器。

這樣聽起來似乎測(cè)量技術(shù)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)因?yàn)榉抡婕夹g(shù)的存在而變得多余。毫無疑問，仿真可以在各種反復(fù)變化的起始條件下運(yùn)行，并且可以節(jié)省大量時(shí)間。但事實(shí)仍然是，必須一次又一次地針對(duì)真實(shí)條件對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行測(cè)試，必須重復(fù)比較仿真模型以及它所代表的真實(shí)設(shè)備的行為。從設(shè)備本身獲得的顯示實(shí)際時(shí)間和數(shù)量的精確測(cè)量數(shù)據(jù)也是必不可少的。如果沒有這些反饋，模型演化就會(huì)在脫離真實(shí)設(shè)備的情況下進(jìn)行，任何仿真運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生不切實(shí)際的結(jié)果。高品質(zhì)的內(nèi)置測(cè)量技術(shù)可以確保設(shè)備的信息流穩(wěn)定，如果設(shè)置正確，各個(gè)測(cè)量通道可以精確提供仿真模型所需的控制數(shù)據(jù)。

高質(zhì)量的測(cè)量數(shù)據(jù)在虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合的完全不同的應(yīng)用領(lǐng)域中也同樣至關(guān)重要：硬件在環(huán)測(cè)試（參見應(yīng)用報(bào)告）。在這種測(cè)試中，測(cè)試和測(cè)量在設(shè)備上進(jìn)行，采集到的數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)反饋到測(cè)試模型

中。如果測(cè)量不正確，出現(xiàn)動(dòng)態(tài)誤差或偏差，則無法再進(jìn)行測(cè)試。現(xiàn)在，許多生產(chǎn)設(shè)備上都會(huì)進(jìn)行這種硬件在環(huán)測(cè)試，它要求在生產(chǎn)條件下以較短的循環(huán)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。這些都是真正的高速測(cè)量任務(wù)，測(cè)量

精度在此處是至關(guān)重要的，而倍福正越來越多地為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)給測(cè)試臺(tái)配備 EtherCAT 測(cè)量模塊。

結(jié)論

展望未來，隨著機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛以及傳感器技術(shù)的新發(fā)展，需要新的解決方案來滿足新的需求，為各種類型的設(shè)備配備測(cè)量技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)可能也會(huì)隨之改變。但是，某些形式的連續(xù)測(cè)量將始終是該過程的一部分。倍福推出的 EtherCAT 測(cè)量模塊，特別是全新的ELM314x 經(jīng)濟(jì)系列測(cè)量模塊可以很好地實(shí)現(xiàn)這一目的。光學(xué)測(cè)量變得越來越重要，倍福通過在 TwinCAT 中添加了機(jī)器視覺技術(shù)仍然保持先進(jìn)精密機(jī)械重要的設(shè)備供應(yīng)商的地位，助力實(shí)現(xiàn)面向未來的生產(chǎn)設(shè)備以及最終客戶工藝流程。

系統(tǒng)集成式測(cè)量技術(shù)具有高附加值

基于 EtherCAT 的測(cè)量技術(shù)直接集成在自動(dòng)化系統(tǒng)中，為設(shè)備用戶帶來了顯著的優(yōu)勢(shì)：

– 傳感器和執(zhí)行器在同一網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行；EtherCAT 作為一項(xiàng)全球標(biāo)準(zhǔn)，意味著即使對(duì)于非同尋常的測(cè)量挑戰(zhàn)，尋找合適的設(shè)備供應(yīng)商也一樣很簡(jiǎn)單

– 集中式數(shù)據(jù)處理不僅可以極方便地管理快速生成的大量數(shù)據(jù)，還可以相應(yīng)地處理多個(gè)數(shù)據(jù)流。可以集中和可持續(xù)地實(shí)施滿足分析和存儲(chǔ)要求的解決方案

– 如果測(cè)量和控制系統(tǒng)不是分開而是集成的，則開發(fā)時(shí)間會(huì)更短，且復(fù)雜性也低很多

– 如果發(fā)生故障，只能在一個(gè)系統(tǒng)和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上調(diào)用所有數(shù)據(jù)；這樣可以簡(jiǎn)化并加速故障排除

– 將測(cè)試工位集成到生產(chǎn)設(shè)備中可以減少總的設(shè)備占地面積。無需使用單獨(dú)的模塊，可以直接在生產(chǎn)工位上完成測(cè)量任務(wù)（例如連續(xù)稱重）

– 選擇將測(cè)量任務(wù)移到設(shè)備的核心控制系統(tǒng)中，一開始可能比從外部購(gòu)置模塊需要花費(fèi)更多的精力。但一旦完成，就可以確保設(shè)備制造商能夠深入了解和訪問關(guān)鍵的過程數(shù)據(jù)，確保他們能夠完全掌握他們的設(shè)備使用情況

– 重要的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù) — 例如軸位置、速度、電流、加速度和限位開關(guān)位置 — 都已存在于控制系統(tǒng)中。通過集成測(cè)量系統(tǒng)及其高質(zhì)量數(shù)據(jù)（幾何形狀，層厚，權(quán)重等），可以合并來自兩個(gè)源的數(shù)據(jù)以進(jìn)行整體分析

– 最重要的一點(diǎn)是：在密集型測(cè)量數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上更好地掌握工藝流程數(shù)據(jù)逐步成為先進(jìn)的測(cè)試和生產(chǎn)機(jī)械的關(guān)鍵。以測(cè)量結(jié)果和數(shù)據(jù)分析形式進(jìn)行的連續(xù)反饋，可以自動(dòng)地提高生產(chǎn)的零件的質(zhì)量以及產(chǎn)量：可以通過后期處理分析數(shù)據(jù)，并將結(jié)果逐步或手動(dòng)地反饋到程序中來實(shí)現(xiàn)，或者（更理想的是）實(shí)時(shí)、連續(xù)地進(jìn)行反饋來實(shí)現(xiàn)