加入效率革命

智能机器制造商正在利用创新设计、组件、软件以及生产方法来节约能源、材料和费用。

智能只是像一把瑞士军刀或其他多功能工具,你可以在不同情况下利用它来解决各种类型的问题。

现在不同的是一些机器及其控制器被赋予了更多人类的分析能力,因此它们可以做出更好的操作决策,并且能更快速而有效的节省电力和其他费用。这些技术可能会植根于更强大的微处理器、更好的软件、更先进的机器人、更普及的网络或云数据处理中,但是无论来自于何处,它们正在为机器制造商及其最终用户带来更高的效率。

节约从运动开始

近年来,让机器更加节能的最佳方法可能就是停止使用不灵活的感应电机和驱动器,改为使用变频驱动器(VFD)和伺服电机。前者往往只能全功率运行或者关闭,而后者具有多种速度和功率模式,完成同样的工作可以节省大量能源。

例如,BW Container Systems公司最近开发出新型AdaptA系列迷你缓冲(MB)和多线(ML)输送系统,它可以防止容器在紧密耦合的机器上运行时出现打滑、缝隙、碰撞、受压、损伤及其他生产线的低效情况。AdaptA MB让容器在U形轮上运行,它能自动伸缩以延长或缩短容器的单文件路径,这有助于排队和给料以减少损失(图1)。该缓冲也能帮助AdaptA ML,它采用无压力进料技术在拥有4至24线的中转站里积累容器。

“机器之间的效率存在区别,但这意味着输送机通常运行效率低下,所以容器需要缓冲,” BW Container Systems公司业务部主管Tom Spangenberg说。“缓冲的方法有很多,但用户也希望拥有轻松、稳定操作多种不同产品和容器的能力。”

为了获得最佳效率,简化控制并减少能源使用,AdaptA MB由一个带VFD的2-hp诺德电机和一个开关链驱动,而AdaptA ML采用两个伺服电机和一个ControlLogix PLC。同时,AdaptA MB的转轮使用双电机、双VFD以及依靠三个伺服的中转站。

到目前为止,AdaptA已经被大约12家食品、饮料和消费品制造商采用,Spangenberg称其提高了5%至20%的效率。“一位顾客说他们节省了大约20万美元的食品容器损失,”Spangenberg补充道。“然而AdaptA不仅仅提供机器,它还在改变我们,让我们为客户采集数据,并且提供更高水准的生产线效率和整体系统改良。”

与此同时,新泽西州Komo机械公司最近计划制造一种更实惠的新式Mach One GT MTX开床型龙门式刳刨机,它以每天大约80片的速度铣削木材、塑料、复合材料和金属片(图2)。因此,Komo公司决定通过集成博世力士乐的IndraMotion MTX微型数控系统和IndraDyn S MSK 60伺服电机来控制其x和y龙门轴以及z主轴。
MTX微型数控系统包括大容量数控控制器、一个符合IEC 61131-C编程标准的集成PLC、集成HMI,以及一个支持多达六个数控运动轴并能随时控制多达四个内插轴运动的32位处理器。MTX微型数控系统为铣削应用进行了优化,它支持2.5D和3D铣削以及工件坐标系的自由空间定位,还在一个紧凑的平台上集成了许多数控功能,比如具备超前功能的1000个数控模块、对指定轴的冲击限制、控制内插铣削序列达到纳米级别。

“这些超前的功能使铣削厂的机器运行得更快,同时保持对轴的精确控制,”Komo公司副总裁Jeff Erickson说道。“Mach One GT MTX支持每分钟1500英寸的高给料速度,在遇到转角时它会减速以精确地切割尖角,然后很快加速到每分钟1500英寸的速度,同时保持对所有轴的控制。这使其能保持一个较高的生产速度,而不会牺牲铣削品质,提高了Komo公司客户的投资回报。”

除了减少铣削时间,Komo公司工程经理Steve Ostermann称Mach One和MTX微型数控系统还通过一个接口为所有四个轴供电来节能,而不是为每个驱动器单独供电。“MTX微型数控系统具有足够的I/O接口来满足Mach One的要求,完全集成的HMI比单独封装的HMI更易于配置,”Ostermann解释说。

精确控制

当然,提高效率和节约能源的主要途径始终是更为严格的控制,以及让机器和应用程序按照所需要求运行。

例如,德国Gehring技术公司成立于1926年,它发明了珩磨机并一直致力于制造高精度珩磨机以确保用于发动机、液压装置、泵、起落架和连杆的气缸尽可能接近临界公差,这样所有配备了该气缸的设备都能优化燃料与能源消耗,并且减少使用润滑油。研磨通常是制造气缸的最后一个步骤。

Gehring的形状研磨加工使用镶嵌了8至12颗钻石以及碳化物导轨的工具,以每分钟400转的速度运行,用于专门制造“不规则的形变”以确保在高温情况下运行时气缸更接近完美的圆柱体。与使用固定主轴和单/双轴桌面的一般珩磨机不同,Gehring公司的Lifehone系列以及Hexahone与Octohone型机器采用位于六面或八面内柱内的一个双轴主轴和三轴桌面,它们可以完成多达16项的任务,包括预先测量和后续测量(图3)。

“我们的机器可以自动修正孔的形状以提高精度并使其笔直,这减轻了操作员的负担,”Gehring公司的大客户经理Thorsten Botzenhardt说道。“我们还发明了一种压电式进料头,它可以独立伸出研磨工具上的每一个研磨石,这比传统进料头同时伸出所有研磨工具更好。”

这些复杂组件和工艺由Gehring公司的专用研磨软件控制,并由西门子Simatic S7 320 DP安全集成PLC协调,它还可以与用户的支持机器人互动,用于装卸加工中心。据Botzenhardt称,过程内的空气计量为控制与反馈系统提供结果,与普通数控系统相比它们能更好的管理速度、给料、力控制和压力。Lifehone系列还在导轨上使用了Festo气动安全制动器用于风式上浆和处理任务,它还为接近开关与减少布线使用了Lumberg分布块,同时为远程监控与诊断等网络通讯采用了Profinet协议。

“集成了安全PLC和常规控制等所有功能让我们的机器工作速度更快、效率更高,”Botzenhardt补充道。

节约能源的基本措施

设计与制造更节能的机器、生产线、设备和终端产品要求用户、系统集成商和供应商实施改良的做法。虽然机器和应用各有不同,但下面这些基本步骤可以用于许多应用和行业。

• 调查并记录加工过程和公司正在使用的电源、原材料、水、压缩空气及其他资源,然后起草一个保存它们的计划。典型的解决方案包括在不使用时选择性关闭或完全关闭设备,或者切换到配备变速电机和驱动器/伺服驱动器的感应电机与驱动器,它们可以更精确的按生产要求来消耗能源。

• 评估你的机器、加工过程或工厂是否能安装再生设备,这通常需要一个集成电源和驱动器来保护电源免受减速装置影响,同时用它来驱动或增强其他组件。

• 对单个机器或生产线进行审计,确定哪些选项可以帮助它节约能源或材料,进行测试并评估其产生的效果。

• 重新评估机器使用或用于制造产品的原材料和组件,同时探寻消除浪费的方法,这可能是通过重新设计或更接近公差的操作或回收材料。此外,调查是否能使用更环保的材料,并且检查在你的机器或生产线上它们需要哪些设计改良。

救援机器人

除了节约能源并提升生产力,许多制造商提到用户还需要更大灵活性,希望机器进行更少的转换,适应并生产更多不同类型和尺寸的产品。同时节约能源并提高灵活性的方法之一是为以前需要多个集成组件的任务使用机器人。

例如,Sugino公司制造钻削、攻丝、加工和高压去毛刺设备,最近通过增加机器人功能它改良了其解决方案。该公司的JCC-Wide高压清洗机运行时压强高达7000 psi,但公司最近通过机器人型数控软件对其进行升级并改名为JCC-Robo。该升级使速技能公司超越了常规的x、y、z轴,连接了水平与垂直旋转轴,同时让用户能从任何角度清洗零件的任何位置(图4)。

“使用数控编程我们可以到达零件的任何位置,并且以6.4兆帕斯卡的压力对其进行清洗,这几乎相当于1000 psi,” Sugino公司销售经理David Becker说道。“除了机器人的灵活性,一些客户甚至在模拟将标准钻头(比如ES2空气/电动)安装在Fanuc M710iC机器人的尾部,这样它能更灵活的定位,可以应用在更大的飞机、复合材料或超大型零件上,而且无需增加过多操作或能源成本”。

John Kalkowski是Delkor系统公司的营销总监,他的包装客户一直在要求相似的灵活性和更高的生产力。因此,Delkor公司也选择了采用机器人解决方案来实现这些目标,合并之前的独立操作,同时减少材料和能源成本。

“几年前我们的用户开始要求更快、种类更多的包装格式转换,这样他们就能满足更多意想不到的要求,”Kalkowski说道。“因此我们开发了MSP-200装箱机,它依靠机器人将以前独立的托盘成型机、装载机和封口机组合为一个统一的解决方案。”

例如,MSP-200采用Fanuc M-2iA 3SL三角形视觉引导机器人来调整和设置拾放袋,然后Fanuc M710iC 50H机器人将它们放入盒中。两者都由Fanuc公司的R-30iB控制器协调,每分钟可装载多达150个袋子。

基于PC的智能展示

由于机器智能越来越受到重视,基于PC的控制必将出现并帮助改善机器与生产线的效率,同时节约能源。

例如,Fabri-Kal公司设计和制造塑料加工与热成型设备,用于生产酸奶、果汁、奶昔及其他食品的塑料杯和包装。尽管如此,Fabri-Kal还需要提高生产量和速度,同时减少能源消耗。

Fabri-Kal使用挤出机来制作精确厚度的深冲塑料板材,然后在一个单独的深冲机内塑形。基于PC的控制技术在挤出机中调节温度、压力以及变频器的设定值。因此,Fabri-Kal采用倍福自动化公司的CX2030与CX1020嵌入式PC作为其机器的控制硬件。在深冲机内,配备了倍福TwinCAT NC的PC控制平台管理拉丝机组,还控制最终产品的构成和分离。此外,基于PC的自动化技术监控并记录工厂的整个生产过程。

“我们的目标是一个动态控制系统,它能够为连接工厂内的其他设备提供灵活的连接性解决方案,而且还能获取并集中管理一个SQL数据库中的海量数据,”Fabri-Kal公司的电气工程师Dale Michaels谈到。“多亏了TwinCAT的开放式架构我们才得以实现这一切。CX2030配备了1.5GHz的英特尔酷睿i7双核CPU,这为紧凑的设计提供了高性能。除了处理PLC和运动控制,嵌入式PC还能管理整个生产过程中的温度和压力。”

Fabri-Kal还采用EtherCAT作为现场总线网络,这使通信速度达到微秒级别。“EtherCAT显著提高了我们机器的性能,”Michaels补充道。“此外,在运动控制领域我们越来越多地使用AX5000系列EtherCAT伺服驱动器,它能为我们提供高速和高精度。”

此外,散布在一系列设备周围的I/O站和驱动器通过EK1100 EtherCAT耦合器连接。精确的温度控制和性能监控确保了能源的有效利用(图5)。精确的温度控制在挤出优质塑料的过程中起到了关键作用,影响着资源消耗和产品质量。“现在我们拥有一个配备EtherCAT热电偶I/O模块的完整PC控制平台,我们可以根据实时获取的过程数据精确维持所需温度,”Michaels补充说。“集成的PC控制硬件与软件让我们可以灵活的升级我们的机器,而不会在迁移技术时与现有控制系统发生冲突。”

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