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圖片來源：Beckhoff Automation

通過部署EtherCAT、機(jī)器人和AI技術(shù)，重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)機(jī)器以進(jìn)行質(zhì)量控制，無菌采樣袋工廠的機(jī)器生產(chǎn)能力提高了15%到35%。

關(guān)注生產(chǎn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和靈活性，對于無菌采樣行業(yè)至關(guān)重要。畢竟，采樣袋需要容納各種尺寸的采樣海綿、食品、藥品或有機(jī)物，以便在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試并防止污染，以確保消費(fèi)者安全。

Labplas公司在其蒙特利爾地區(qū)的生產(chǎn)設(shè)施中構(gòu)建了一條量身定制的機(jī)器生產(chǎn)線，不僅可以生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的采樣袋和套件，還可以在幾乎不需要轉(zhuǎn)換的情況下，生產(chǎn)從3到33英寸寬的各類材料的定制產(chǎn)品。

Labplas公司的總經(jīng)理Benoit Brouillette表示：“通過自動(dòng)化不斷改進(jìn)我們的系統(tǒng)，以在保持敏捷性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更多產(chǎn)品、更高的吞吐量?！?/p>

該公司總部位于加拿大魁北克省的Sainte-Julie,，在大約55個(gè)國家/地區(qū)擁有獨(dú)立的分銷商網(wǎng)絡(luò)，為食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、獸醫(yī)和制藥等行業(yè)的客戶提供服務(wù)。產(chǎn)品包括無菌采樣袋、檢測棒套件、食品工業(yè)袋和環(huán)?？缮锝到獯?。

從20年前投產(chǎn)的臺(tái)機(jī)器，到公司現(xiàn)在的24條MM系列機(jī)器生產(chǎn)線，經(jīng)歷了多次迭代。Labplas研發(fā)部門經(jīng)理Christian Fontaine表示，近重新設(shè)計(jì)了幾條MM生產(chǎn)線，工程部門額外增加了機(jī)器人和GigE攝像頭以提高產(chǎn)量和可重復(fù)性，還正在部署人工智能(AI)以實(shí)現(xiàn)更好的質(zhì)量控制。對Labplas來講，任何升級的關(guān)鍵是需要仔細(xì)考慮控制平臺(tái)直到組件的各個(gè)層面。

“為了保持足夠的多樣性以生產(chǎn)定制產(chǎn)品，MM生產(chǎn)線必須保持高度的復(fù)雜性。如果您不信任機(jī)器的每個(gè)部分，就不會(huì)信任終結(jié)果。”Fontaine說。

01 采用可靠、開放的技術(shù)

工程團(tuán)隊(duì)優(yōu)先考慮系統(tǒng)開放性，這是增加數(shù)據(jù)采集和集成第三方組件和實(shí)時(shí)軟件所必需的。例如，Labplas想升級其組裝技術(shù)，以生產(chǎn)采樣袋并裝入采樣附件，如海綿、布、勺子或帶有機(jī)械臂的剪刀。

以前，運(yùn)行人員需要手動(dòng)裝入海綿并將套件放入成品敞口袋中。為了實(shí)現(xiàn)MM生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)升級，Labplas考慮了不同類型的成型、填充和密封，并設(shè)計(jì)了一種將該設(shè)備與6軸機(jī)器人集成的方法。

所有組件都需要在沒有不同供應(yīng)商通信問題的情況下實(shí)時(shí)協(xié)同工作，同時(shí)在公司服務(wù)器或?qū)Ｓ糜?jì)算硬件上收集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以進(jìn)行報(bào)告和流程改進(jìn)。

此外，在未來的全廠改造中，重新設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線將作為全廠未來改進(jìn)的模型，可以提高產(chǎn)量并使運(yùn)行和維護(hù)人員更容易從一條生產(chǎn)線轉(zhuǎn)移到另一條生產(chǎn)線。

Brouillette說：“我們的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器將盡可能固定不變，即使我們擁有能夠生產(chǎn)1000多種不同產(chǎn)品類型的多功能生產(chǎn)線?！?/p>

由于之前供應(yīng)商的傳統(tǒng)可編程邏輯控制器(PLC)無法支持機(jī)器人要求，也無法支持AI，因此從2015年開始，Labplas開始尋求新的合作伙伴。工程團(tuán)隊(duì)認(rèn)為基于PC的控制是佳途徑。

▲ 圖2：通過配置了TwinCAT軟件以及其它先進(jìn)技術(shù)的拾取和放置機(jī)器人，使插入采樣工具的速度提高了6倍。

02 機(jī)器人和軟件促進(jìn)生產(chǎn)

新機(jī)器的設(shè)計(jì)包括多個(gè)基于PC的控制解決方案、運(yùn)動(dòng)控制硬件和具有運(yùn)動(dòng)功能的通用自動(dòng)化軟件。Labplas在15條生產(chǎn)線上配置了機(jī)器人。拾放機(jī)器人和其它運(yùn)動(dòng)軸配備了由EtherCAT伺服驅(qū)動(dòng)器控制的伺服電機(jī)。

高性能同步伺服電機(jī)為動(dòng)態(tài)應(yīng)用提供非常低的轉(zhuǎn)子慣量和非常高的過載能力。該設(shè)計(jì)用單電纜連接到驅(qū)動(dòng)器，電源和反饋信號在同一條線纜中傳輸，從而減少了接線數(shù)量。伺服驅(qū)動(dòng)器的快速控制算法，小電流控制、速度控制和位置控制為62.5μs。

“伺服驅(qū)動(dòng)器必須為伺服電機(jī)提供極高的精度和加速度，尤其是delta機(jī)器人。”Fontaine說。同時(shí)，還使用了具有內(nèi)置安全斷開扭矩(STO)和安全停止1(SS1)功能的集成功能安全驅(qū)動(dòng)卡，可選擇通過標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化軟件來添加具有編程功能的安全I(xiàn)/O硬件。

除了安全之外，該自動(dòng)化軟件還可作為MM生產(chǎn)線的PLC、運(yùn)動(dòng)控制和其它要求的通用軟件平臺(tái)。該軟件的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能支持各類機(jī)器人的設(shè)計(jì)和調(diào)試，包括delta拾放機(jī)器人。

“由于集成了動(dòng)態(tài)預(yù)控制，即使在高速和加速情況下，也可以通過運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換進(jìn)行高精度運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)化軟件套件可以實(shí)時(shí)控制機(jī)器人和機(jī)器生產(chǎn)線。”Beckhoff Automation公司的區(qū)域銷售經(jīng)理Ted Sarazin說。

該軟件支持同時(shí)使用多種語言進(jìn)行編程，包括從具有面向?qū)ο髷U(kuò)展的IEC61131-3到C語言的所有內(nèi)容，因此用戶可以為每個(gè)應(yīng)用使用合適的語言。免費(fèi)試用機(jī)會(huì)有助于在購買前確定設(shè)計(jì)需求并降低風(fēng)險(xiǎn)。

▲圖3：AM8000伺服驅(qū)動(dòng)器為Codian機(jī)器人提供出色的響應(yīng)能力。

03 跳出工業(yè)硬件的傳統(tǒng)思維

為了提高靈活性和可重復(fù)性，MM機(jī)器生產(chǎn)線采用了很多先進(jìn)控制解決方案。工程師和運(yùn)行人員通過內(nèi)置的寬屏面板與MM機(jī)器進(jìn)行交互，該面板對外提供具有IP65防護(hù)等級的多點(diǎn)觸控顯示硬件。單電纜設(shè)計(jì)整合了電源、USB 3.0信號和DVI信號，可用于從基于PC的機(jī)器控制器到控制面板的傳輸，遠(yuǎn)可達(dá)100m。

DIN導(dǎo)軌安裝的嵌入式PC，是MM生產(chǎn)線的主要機(jī)器控制器。這種基于PC的控制器具有雙核處理器，可通過通用自動(dòng)化軟件自動(dòng)生產(chǎn)樣品。

這些工業(yè)級PC控制著所有自動(dòng)化設(shè)備，包括MM生產(chǎn)線上的伺服驅(qū)動(dòng)器、傳感器等。例如在MM9系列中，小型嵌入式控制器必須提供可以驅(qū)動(dòng)復(fù)雜機(jī)器所需的處理能力，該機(jī)器具有7個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以及一個(gè)5軸和2個(gè)3軸Delta機(jī)器人，并且需要具有可用于質(zhì)量監(jiān)控和潛在自我修復(fù)軟件的CPU算力。

嵌入式PC還為運(yùn)行在微軟Windows環(huán)境下的第三方軟件提供了安裝和處理能力。這包括客戶定制的、用于質(zhì)量控制的Laplas AI應(yīng)用。

04 部署AI工具

“我們在采樣袋生產(chǎn)線上部署AI工具，主要是為了自動(dòng)檢測和處理產(chǎn)品缺陷，并通過來自電機(jī)、傳感器和攝像頭的設(shè)備狀況監(jiān)視數(shù)據(jù)來預(yù)測質(zhì)量，如果沒有強(qiáng)大的計(jì)算能力，這是不可能實(shí)現(xiàn)的?！?Brouillette說。

EtherCAT為MM機(jī)器生產(chǎn)線提供實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)和I/O解決方案，也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)開放性。Fontaine解釋說，DIN導(dǎo)軌安裝的I/O端子，連接到嵌入式PC并連接到MM機(jī)器上的傳感器、閥門、端子卡件、固態(tài)繼電器(SSR)和其它設(shè)備。

通過單根以太網(wǎng)電纜，EtherCAT協(xié)議使用戶能夠在組件之間傳輸信息，傳輸速度快于控制器周期，包括安全功能所需的信息。

05 開啟未來生產(chǎn)力和靈活性

通過實(shí)施基于PC的開放式解決方案，每條產(chǎn)品線在升級后不到一年的時(shí)間內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了投資回報(bào)。他們還提高了MM機(jī)器的靈活性，能夠以更少的轉(zhuǎn)換工作生產(chǎn)更多的規(guī)格，并能夠充分利用AI和機(jī)器人技術(shù)，以高質(zhì)量快速完成流程。

“通過直接在機(jī)器上應(yīng)用AI進(jìn)行質(zhì)量控制，運(yùn)行人員可以專注于產(chǎn)品的供應(yīng)和包裝，而不是質(zhì)量控制。這也使我們能夠?qū)嵤╊A(yù)測性維護(hù)，在任何設(shè)備和流程問題導(dǎo)致停止生產(chǎn)之前解決它們。” Brouillette說。

除了能提高質(zhì)保水平，Labplas公司還提高了所有規(guī)格采樣袋的產(chǎn)量，重新設(shè)計(jì)的MM機(jī)器的生產(chǎn)率平均提高了25%。隨著袋子尺寸變得更寬，效率的提高會(huì)略有下降。例如，對于10英寸以上的袋子，生產(chǎn)率平均提高了15%，對于尺寸較小的袋子，生產(chǎn)率提高了35%。此外，通過添加機(jī)器人和其它升級，在MM8機(jī)器上插入采樣套件的速度提高了6倍。

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