利樂公司所生產(chǎn)的牛奶、果汁等多種飲品的經(jīng)典紙盒包裝，幾乎已經(jīng)為我們所有人所熟知。盡管這些紙盒在運(yùn)輸及日常使用中展現(xiàn)出了極高的效率與耐用性，但它們的制造過程卻對(duì)生產(chǎn)技術(shù)提出了極為嚴(yán)苛的要求。利樂公司位于意大利摩德納的研發(fā)與技術(shù)專家團(tuán)隊(duì)，在為其紙盒包裝開發(fā)的新一代加蓋機(jī)中，創(chuàng)新性地融入了倍福的 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)，成功達(dá)成了高質(zhì)量、高產(chǎn)量以及高工藝靈活性這三大核心目標(biāo)。系統(tǒng)取得了巨大成功，利樂的試點(diǎn)客戶對(duì)其可靠性、高性能和靈活性贊譽(yù)有加，親切地稱之為“魔法機(jī)”。
利樂是全球領(lǐng)先的食品加工和包裝解決方案提供商,公司秉承與客戶及供應(yīng)商緊密合作的宗旨，致力于每日為全球超過 160 個(gè)國(guó)家的數(shù)億人口提供安全、富含營(yíng)養(yǎng)的食品，同時(shí)竭力將對(duì)環(huán)境的影響降至最低水平。在摩德納工廠，利樂團(tuán)隊(duì)?wèi){借利樂®超高速 CAP40 型加蓋機(jī)成功達(dá)成了這一目標(biāo)。該解決方案能能夠根據(jù)實(shí)際需求，每小時(shí)能完成 25,000 包飲料紙盒的加蓋任務(wù)。利樂公司產(chǎn)品負(fù)責(zé)人 Gianmarco Di Eusebio 解釋道：“在新產(chǎn)品開發(fā)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，我們都堅(jiān)定不移地認(rèn)為，認(rèn)真傾聽并深入理解客戶的意見是至關(guān)重要的。鑒于這一點(diǎn)，我們迫切需要一臺(tái)更加靈活、占地面積更小且系統(tǒng)產(chǎn)能更高的設(shè)備。目前采用的一次用量包裝解決方案每小時(shí)僅能處理 9000 件產(chǎn)品，若要達(dá)到每小時(shí) 25,000 件的處理需求，就意味著需要安裝三臺(tái)設(shè)備，且每臺(tái)設(shè)備都需要配備完整的送料系統(tǒng)等輔助設(shè)備，同時(shí)，還需要騰出足夠的空間來安置這些設(shè)備。”他補(bǔ)充道，這臺(tái)新設(shè)備面臨著非常嚴(yán)苛的要求：一方面，它必須實(shí)現(xiàn)極高的處理速度；另一方面，蓋體的復(fù)雜 3D 幾何形狀對(duì)涂膠作業(yè)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出了極高的挑戰(zhàn)。
利樂公司技術(shù)專家 Fabio Bassissi
XTS 動(dòng)子可以作為獨(dú)立的伺服軸進(jìn)行控制，從而極大地簡(jiǎn)化和加速了新產(chǎn)品格式的引入，并且能夠充分利用軟件的靈活性。此外，結(jié)合用于涂膠監(jiān)測(cè)的視覺系統(tǒng)，我們還能夠極為高效地補(bǔ)償任何機(jī)械公差。
基于 PC 的解決方案打破
既有局限性并顯著提升數(shù)據(jù)透明度
利樂公司決定采用倍福基于 PC 的控制技術(shù)，主要基于對(duì)其出色計(jì)算能力的深刻考量，這無疑是促成這一選擇的決定性因素之一。利樂公司創(chuàng)新與分析生產(chǎn)線解決方案總監(jiān) Paolo Scarabelli 強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)的一個(gè)重要方面：“我們的客戶對(duì)于高度數(shù)字化且互聯(lián)互通的系統(tǒng)的需求正不斷攀升。倍福基于 PC 的控制技術(shù)為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)提供了理想的基礎(chǔ)。在利樂®超高速 CAP40 型加蓋機(jī)上，我們憑借先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，成功打破了數(shù)字組件與機(jī)械部件之間的傳統(tǒng)界限。在我們這個(gè)具體案例中，這意味著我們能夠更全面地實(shí)現(xiàn)更多設(shè)備功能的數(shù)字化控制，從而確保提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。”
倍福基于 PC 的控制技術(shù)為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)提供了理想的基礎(chǔ)。XTS 還使得原本依賴機(jī)械手段完成的工作能夠輕松地被先進(jìn)的軟件功能所替代，這標(biāo)志著我們?cè)跇?gòu)建數(shù)字化機(jī)器方面又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。
—— 利樂公司創(chuàng)新與分析生產(chǎn)線解決方案總監(jiān)
Paolo Scarabelli
總體而言，更高水平的數(shù)字化極大地提升了數(shù)據(jù)的透明度，這不僅顯著加速了產(chǎn)品更換的流程，還切實(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量。如果視覺檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到涂膠位置偏離了預(yù)定位置，軟件將在系統(tǒng)運(yùn)行中即時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，通過調(diào)整雙層動(dòng)子中與之相鏈接的動(dòng)子凸輪表修正位置，以確保涂膠位置精準(zhǔn)無誤。Fabio Bassissi 繼續(xù)說道：“我們還采用了先進(jìn)的設(shè)備健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以全面檢查設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。所有這些因素對(duì)于確保產(chǎn)品質(zhì)量及其最終成功都起著至關(guān)重要的作用。最終，飲料容器必須達(dá)到密封可靠且無任何泄漏的標(biāo)準(zhǔn)，方可被允許發(fā)送給終端客戶。”
利樂®超高速 CAP40 型加蓋機(jī)中還配備了多臺(tái)倍福 PS3031 電源
實(shí)現(xiàn)高精度復(fù)雜運(yùn)動(dòng)序列的可靠控制
利樂®超高速 CAP40 型加蓋機(jī)關(guān)聯(lián)的軸數(shù)量極為龐大，實(shí)軸數(shù)量超過 120 個(gè)，并配有 10 個(gè)虛擬主軸，充分彰顯了其運(yùn)動(dòng)控制過程的高度復(fù)雜性。其中的大部分軸都用于配置兩條并行的 XTS 系統(tǒng)，系統(tǒng)每條軌道長(zhǎng) 4.5 米，并配備 55 個(gè)動(dòng)子。此外，系統(tǒng)還配備了約 10 個(gè)旋轉(zhuǎn)伺服軸，專門用于包裝輸送、熱熔膠涂膠等任務(wù)。
兩臺(tái)并行運(yùn)行的 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)能夠以極高的速度和精度將塑料蓋精確貼合到包裝盒上，這一過程中還得到了由 AM8000 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的其它運(yùn)動(dòng)軸的輔助（如上圖所示）
為了確保蓋體能夠精準(zhǔn)地依據(jù)其三維幾何形狀進(jìn)行粘合，必須精確同步控制 XTS 動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)以及 X、Y、Z 方向上的各類旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此處的獨(dú)特之處在于，每對(duì)動(dòng)子都通過專門的工具結(jié)構(gòu)相互連接，但它們卻能在兩個(gè)平行安裝的 XTS 單元上獨(dú)立且協(xié)調(diào)地運(yùn)行。無論動(dòng)子是在單個(gè)系統(tǒng)上排列成一行，還是分布在兩個(gè)不同的系統(tǒng)上，控制軟件都能充分利用其靈活性，確保所有動(dòng)子始終保持完全同步的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。據(jù)利樂公司包裝線嵌入式自動(dòng)化部門總監(jiān) Stefano Flore 介紹，XTS 憑借其模塊化設(shè)計(jì)和出色的軟件功能，往往能夠?qū)崿F(xiàn)極高的靈活性。例如，XTS 系統(tǒng)的軌道長(zhǎng)度及動(dòng)子數(shù)量可根據(jù)具體需求調(diào)整，因此在開發(fā)產(chǎn)量更高或更低的設(shè)備型號(hào)時(shí)，幾乎不會(huì)增加額外的工作量。此外，更換不同的包裝格式以適應(yīng)各種填充量、包裝頂部形狀或蓋體等需求，變得異常簡(jiǎn)便快捷。我們只需在軟件中設(shè)定耦合動(dòng)子間距及兩個(gè) XTS 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的新值即可。
Stefano Flore 還特別強(qiáng)調(diào)，XTS 動(dòng)子所具備的獨(dú)立控制能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單純的產(chǎn)品輸送范疇：“當(dāng)蓋體被動(dòng)子上對(duì)應(yīng)的固定支架拾起后，最多六個(gè)同步動(dòng)子組成一個(gè)作業(yè)批次，協(xié)同進(jìn)行輪廓涂膠。為此，蓋體支架會(huì)通過機(jī)械耦合的方式，與并行運(yùn)行的 XTS 系統(tǒng)的相關(guān)動(dòng)子一起，在 X 軸和 Y 軸上移動(dòng)。在這個(gè)過程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償任何可能存在的公差，例如熱熔膠槍噴嘴所產(chǎn)生的公差。然后，將蓋體貼合于包裝盒，并通過圖像處理技術(shù)嚴(yán)格監(jiān)測(cè)整個(gè)過程。XTS 還會(huì)利用動(dòng)子中精確控制的橫向力來維持恰當(dāng)?shù)慕佑|壓力，從而確保涂膠過程的精準(zhǔn)無誤。”這種力源自兩個(gè)相互耦合的龍門式動(dòng)子之間精確的相互作用。XTS 相較于機(jī)械系統(tǒng)的另一大顯著優(yōu)勢(shì)在于，它能夠在軟件中集中獲取和處理海量信息。這樣不僅能迅速定位系統(tǒng)參數(shù)的偏差，還能通過采取相應(yīng)措施來徹底規(guī)避這些偏差。關(guān)于故障問題，Gianmarco Di Eusebio 補(bǔ)充道：“該系統(tǒng)的平均無故障工作時(shí)間（MTBF） 實(shí)現(xiàn)了超過一倍的增長(zhǎng)。”
在 XTS 系統(tǒng)的上部區(qū)域，塑料蓋體被均勻地涂抹上了膠水，隨后，在系統(tǒng)的下部區(qū)域，塑料蓋體以肉眼幾乎難以辨識(shí)的超高速度被精準(zhǔn)無誤地粘貼到包裝盒上
控制技術(shù)確保了持續(xù)的高性能表現(xiàn)
利樂之所以選擇倍福的控制技術(shù)，是因?yàn)樗信c系統(tǒng)緊密相關(guān)的組件都可以一站式獲取，從而確保了集成過程的無縫對(duì)接與高效運(yùn)行。設(shè)備控制系統(tǒng)的核心組件是兩臺(tái) C6032 超緊湊型工業(yè) PC ，它們用于運(yùn)行 HMI 應(yīng)用程序、兩個(gè) XTS 系統(tǒng)、基于 TwinCAT NC PTP 的運(yùn)動(dòng)控制以及 TwinCAT PLC。此外，單個(gè)控制單元還具備將多種功能（如設(shè)備仿真等）進(jìn)行組合的能力。此外，所選的硬件平臺(tái)為日后擴(kuò)展更多功能預(yù)留了廣闊的空間和潛力。更為關(guān)鍵的是，倍福的產(chǎn)品種類極為豐富，能夠精準(zhǔn)滿足用戶在計(jì)算能力、內(nèi)存擴(kuò)展以及外形規(guī)格等多個(gè)方面的需求，從而確保系統(tǒng)能夠靈活適應(yīng)未來的發(fā)展趨勢(shì)與需求。
利樂公司強(qiáng)大的專家團(tuán)隊(duì)（從左至右）：Davide Borghi、Paolo Scarabelli、Francesco Venturi、Stefano Flore、Andrej Burieta、Stefano Mittarelli、Pierluigi Canalini、Paolo Goldoni、Andrea Lestini、Elena Sachetti 和 Gianmarco Di Eusebio 以及倍福大客戶經(jīng)理 Alexander Mönchmeier（左）在利樂®超高速 CAP40 型加蓋機(jī)前
在談及 TwinCAT 軟件的應(yīng)用體驗(yàn)時(shí)，Paolo Scarabelli 表示：“TwinCAT 能夠充分發(fā)掘并釋放基于 PC 的控制技術(shù)的全部潛能，包括支持面向?qū)ο蟮恼Z言在內(nèi)的多種編程語言、與 Visual Studio 的無縫集成、全面的網(wǎng)絡(luò)配置選項(xiàng)，以及出色的多核處理能力。此外，該軟件結(jié)構(gòu)清晰，其良好的開放性不僅讓我們能夠充分利用倍福提供的軟件庫資源，還能輕松實(shí)現(xiàn)自有庫的無縫集成，從而打造出貼合特定設(shè)備需求的定制化狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。我們?cè)陂_發(fā)過程中廣泛采用 TwinCAT Scope 進(jìn)行深入的分析工作。總體而言，TwinCAT 為我們提供了極為全面的支持，尤其是在實(shí)現(xiàn)我們標(biāo)準(zhǔn)化軟件開發(fā)目標(biāo)的過程中。”
基于 PC 的控制技術(shù)憑借其開放性和靈活性，在整個(gè)領(lǐng)域中都發(fā)揮著重要作用，他進(jìn)一步補(bǔ)充道：強(qiáng)大且開放的 EtherCAT 通信系統(tǒng)為各類應(yīng)用提供了理想支持，它能夠無縫集成 I/O 端子模塊網(wǎng)段、安全功能以及驅(qū)動(dòng)組件。Stefano Flore 表示：“AX8000 憑借其極高的動(dòng)態(tài)性能和精確的運(yùn)動(dòng)控制能力，展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。另外，它采用了模塊化設(shè)計(jì)，外形小巧且應(yīng)用靈活多變，當(dāng)有需要時(shí)，能夠輕松添加更多軸。AM8000 伺服電機(jī)在電機(jī)類型、功率、繞組類型等方面都可以定制配置，為達(dá)成上述目標(biāo)提供了有力支持。”
設(shè)備中的 AM8000 伺服電機(jī)通過 AX8000 多軸伺服系統(tǒng)控制
提供全方位支持，未來潛力無限
利樂公司高級(jí)設(shè)備分析經(jīng)理 Davide Borghi 認(rèn)為，在面對(duì)要求如此嚴(yán)苛的應(yīng)用時(shí)，自動(dòng)化合作伙伴所提供的支持同樣起著至關(guān)重要的作用：“在修改設(shè)備方案時(shí)，技術(shù)支持的作用尤為重要。對(duì)于利樂®超高速 CAP40 型加蓋機(jī)而言，從可行性測(cè)試階段伊始，這一點(diǎn)就顯得至關(guān)重要，尤其對(duì)于配備 XTS 系統(tǒng)及其大量功能的應(yīng)用場(chǎng)景來說，更是具有特別的意義。在任何情況下，所提供的技術(shù)支持都無可挑剔，無論是與倍福意大利公司和德國(guó)專家的現(xiàn)場(chǎng)合作，還是與各層級(jí)管理人員的協(xié)作配合，都表現(xiàn)出色。”
雙方之間的緊密合作關(guān)系將在未來得到進(jìn)一步的深化，因?yàn)?Stefano Flore 仍然堅(jiān)信，在利樂®設(shè)備中采用基于 PC 的控制技術(shù)蘊(yùn)含著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?ldquo;我們認(rèn)為，無電纜技術(shù)（NCT）是 XTS 系統(tǒng)的一項(xiàng)極具前景的進(jìn)一步升級(jí)發(fā)展。我們已經(jīng)著手測(cè)試 XPlanar 技術(shù)為多種應(yīng)用場(chǎng)景所帶來的各種可能性。我們還看到了 MX-System 無控制柜解決方案以及 TwinCAT Runtime for Linux®極具吸引力的優(yōu)勢(shì)。我們擁有巨大的潛力，能夠像在這個(gè)案例中的試點(diǎn)客戶所體驗(yàn)的那樣，給用戶帶去驚喜，為他們精心打造出一臺(tái)充滿魔力的‘魔法機(jī)’。”
關(guān)于德國(guó)倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，中國(guó)區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國(guó)內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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