1 用戶概況及項(xiàng)目要求 AUTOMATED ASSEMBLIES公司 （AAC）是注塑機(jī)器人和工作單元領(lǐng)域全球領(lǐng)先的設(shè)計(jì)及制造公司，其產(chǎn)品注冊商標(biāo)為Raptor 。該公司的多款機(jī)器人產(chǎn)品都躋身于世界頂級工業(yè)機(jī)器人之列。為滿足全球市場對更快速、更智能、更便捷的機(jī)器人日益增長的需求，AAC 著手對以前市場上所沒有的新型注塑成型機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)。 根據(jù)要求，AAC計(jì)劃在下一代Raptor 機(jī)器人項(xiàng)目開始后的一年內(nèi)即可交付最終產(chǎn)品。AAC公司在增值分銷商Target Electronic Supply公司的建議下，選擇了MEI公司的運(yùn)動控制平臺和SynqNet 運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Target公司認(rèn)為，將MEI運(yùn)動控制平臺和SynqNet 運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到Raptor 機(jī) 器人的設(shè)計(jì)中，不僅完全符合Raptor 技術(shù)規(guī)格，同時(shí)還可以支持客戶重要的常規(guī)平臺開發(fā)計(jì)劃。 2 MEI SynqNet解決方案 Raptor項(xiàng)目所采用的MEI運(yùn)動控制平臺和SynqNet 運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)從可編程控制器（PLC）控制到計(jì)算機(jī)控制的技術(shù)飛躍，為業(yè)界定義了下一代機(jī)器人數(shù)字運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。這一應(yīng)用正在越來越多地被應(yīng)用到不同行業(yè)的工業(yè)應(yīng)用中，不僅僅因?yàn)椴渴鹆巳珨?shù)字網(wǎng)絡(luò)連接的控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)速度更快、更加穩(wěn)定和智能的新一代機(jī)器人，同時(shí)，還能夠縮短設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、注塑及交付周期，借助自動化提高效率，從而最終節(jié)省成本，為客戶增值。 2.1 從PLC控制到計(jì)算機(jī)控制 和許多應(yīng)用一樣，AAC公司以前的機(jī)器人控制系統(tǒng)采用的也是PLC及相應(yīng)解決方案，優(yōu)點(diǎn)是成本經(jīng)濟(jì)且易于采用。然而，隨著模塑等行業(yè)對于自動化控制系統(tǒng)可靠性、功能性、人機(jī)界面友好性和數(shù)據(jù)可管理性的要求不斷提高，為使生產(chǎn)出的機(jī)器人速度更快，并最大程度地實(shí)現(xiàn)注塑過程自動化，一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)無疑是更加適合且先進(jìn)的解決方案。 AAC要求開發(fā)功能強(qiáng)大且直觀的圖像用戶界面（GUI），幫助終端用戶通過可視工作空間，對Raptor 機(jī)器人或整個(gè)工作單元進(jìn)行快速編程。這樣，終端用戶既可利用現(xiàn)代計(jì)算能力的強(qiáng)大功能，同時(shí)還降低了復(fù)雜性。基于各種技術(shù)可能性，AAC采用基于Linux操作系統(tǒng)的SynqNet運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行Raptor 機(jī)器人生產(chǎn)，并已選定采用配有用于常規(guī)輸入/輸出的機(jī)載 CANOpen 接口XMP-SynqNet-PCI控制器，對系統(tǒng)中所有的伺服軸進(jìn)行控制。該控制器的初始配置是用于未來機(jī)器人設(shè)計(jì)的常規(guī)控制平臺的基礎(chǔ)。 2.1.1 MEI 中央控制系統(tǒng) 由于定制模塑廠商的包裝產(chǎn)品生命周期較短，產(chǎn)品數(shù)量不確定，同時(shí)還面臨著為產(chǎn)品增值的壓力，因此，對于塑料行業(yè)廠商來說，資產(chǎn)利用至關(guān)重要，即在一種產(chǎn)品完成之后又開始生產(chǎn)另一種與其差別不大的產(chǎn)品時(shí)，工作單元可以在多大程度上重復(fù)使用。快速切換和靈活性的實(shí)現(xiàn)就成為其盈利的關(guān)鍵。 AAC公司總裁 Steve Braig 指出：“對我們而言，關(guān)鍵是開發(fā)出一種常規(guī)控制平臺，采用基于單臺計(jì)算機(jī)的控制器來擴(kuò)展工作單元的功能，從而為定制模塑廠商增值。未來，當(dāng)項(xiàng)目發(fā)生變化時(shí)，模塑廠商無需負(fù)擔(dān)額外的控制系統(tǒng)開銷，同時(shí)還能夠以最少的支出輕松實(shí)現(xiàn)工作單元改型。采用 MEI 技術(shù)和 SynqNet 數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的靈活性能是滿足這一業(yè)界廣泛需求的理想選擇。” 圖1 2.1.2 SynqNet數(shù)字網(wǎng)絡(luò) SynqNet 適用于所有的機(jī)器人伺服控制，并能支持多達(dá)32根高度同步的高性能軸。這為AAC需要額外工具端伺服的應(yīng)用提供了極大的靈活性。AAC采用MEI的應(yīng)用編程接口（即運(yùn)動編程接口，MPI）進(jìn)行編程，MPI是一套功能強(qiáng)大、面向ANSI標(biāo)準(zhǔn)對象的C／C＋＋運(yùn)動庫，并與所有的 MEI SynqNet控制器兼容。AAC隨后開發(fā)出其自有的緊湊型人機(jī)界面，以進(jìn)行便捷操作。拖放式觸摸屏能夠控制并“示訓(xùn)”機(jī)器人例程，同時(shí)控制基于以太網(wǎng)的視覺檢測設(shè)備、輸送機(jī)及應(yīng)用所需的附加工作單元設(shè)備。 2.1.3 SynqNet網(wǎng)絡(luò)控制功能 SynqNet 基于IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)，并采用標(biāo)準(zhǔn) 5 類線纜和 RJ45 連接器連接控制器和驅(qū)動裝置。該網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)矩更新速率高達(dá) 48kHz，具有高超的遠(yuǎn)程故障診斷功能，并可通過計(jì)算機(jī)上的以太網(wǎng)，將該功能從工廠傳送至企業(yè)。 除了實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程故障診斷以外，SynqNet 還提供配置文件和固件網(wǎng)絡(luò)下載。AAC產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)理 David Lee 認(rèn)為這是另一個(gè)令人興奮的性能：“它能夠更新，確保世界各地所有的設(shè)備均能采用適合的或最新版本的軟件，同時(shí)，也使得對特定現(xiàn)場技術(shù)支持的需求相應(yīng)減少，現(xiàn)場的軟件版本或硬件參數(shù)設(shè)定值也不會有很大的不同。” 2.1.4 SPI 接口 Raptor機(jī)器人通過標(biāo)準(zhǔn)SPI接口與其它機(jī)械進(jìn)行通信。在注塑行業(yè)采用SPI接口，可使計(jì)算機(jī)與塑料加工機(jī)械之間以電子方式進(jìn)行“對話”。實(shí)質(zhì)上，MEI控制器能捕獲其它機(jī)器的輸入/輸出信號，并集成到Raptor編程解決方案中，以便與其它所有類型的塑料機(jī)器無縫協(xié)同工作。所有的MEI控制器均配置了專用輸入/輸出設(shè)備，以及可選 Syn-qNet 輸入/輸出和 CANOpen 輸入/輸出。 2.1.5 IntelimotionTM AAC 已在MEI運(yùn)動技術(shù)的強(qiáng)大功能基礎(chǔ)上，開發(fā)出業(yè)界領(lǐng)先的最適合載荷類型和重量的運(yùn)動軌跡及機(jī)器人載荷動態(tài)處理技術(shù)（IntelimotionTM），該技術(shù)能夠根據(jù)模具中取出部件的類型和重量，對產(chǎn)品中的差異進(jìn)行處理，自動調(diào)節(jié)速度和運(yùn)動軌跡，確保以最高效率生產(chǎn)出最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，從而減輕終端用戶的負(fù)擔(dān)。該技術(shù)通過拖放式機(jī)器界面支持Raptor 工作單元編程所采用的運(yùn)動型材，便于用戶理解。 2.1.6 MEI 控制系統(tǒng) XMP-SynqNet系列控制器特色在于其用于運(yùn)動過程數(shù)字信號處理（DSP）的模擬裝置，及其直接存儲器映射架構(gòu)，該架構(gòu)位于計(jì)算機(jī)PCI 總線上，高效處理主控計(jì)算機(jī)與控制器之間任務(wù)。運(yùn)動編程接口（MPI）是MEI功能強(qiáng)大的C/C++可移植運(yùn)動庫，可對所有XMP型控制器進(jìn)行編程。其他編程環(huán)境，如ActiveX和MatLab/Simulink，均可通過MEI 的插件程序?qū)崿F(xiàn)。MEI公司先進(jìn)的MechaWare伺服控制和調(diào)節(jié)軟件應(yīng)用程序也有助于補(bǔ)償機(jī)械性異常，并提高機(jī)器性能。此外，XMP-SynqNet控制器配置了標(biāo)準(zhǔn)SynqNet接口，能實(shí)現(xiàn)菊花鏈或環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。SynqNet環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能進(jìn)行“自修復(fù)”容錯(cuò)操作，無論節(jié)點(diǎn)間出現(xiàn)任何電纜故障，均可通過來自控制器的雙工通信進(jìn)行運(yùn)動。目前，SynqNet 運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)所能提供的卓越安全可靠性能在業(yè)界獨(dú)樹一幟。 2.1.7 MEI軟件工具 除MPI以外，MEI還可提供多種輔助運(yùn)動編程的應(yīng)用程序。AAC尤其對MotionScopeTM 印象深刻。該軟件能實(shí)現(xiàn)全曲線圖繪制和實(shí)時(shí)運(yùn)動數(shù)據(jù)分析，只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)，即可實(shí)時(shí)顯示位置、速度以及許多其它重要運(yùn)動參數(shù)。MPI的數(shù)據(jù)記錄器功能（采用XMP硬件）是一種功能強(qiáng)大的工具，能幫助AAC遠(yuǎn)程采用MotionScope和進(jìn)行軟件調(diào)試。David Lee 解釋道：“采用MotionScope工具，可以繪制一次移動過程中多個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)動參數(shù)的曲線圖，然后，對各移動進(jìn)行比較，以定量確定用戶最終期望如何執(zhí)行運(yùn)動。”由于AAC應(yīng)用程序是在基于Red Hat Linux的PCI架構(gòu)操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)的，用戶可利用應(yīng)用程序中的TCP/IP內(nèi)置功能，通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接，對采用MotionScope的遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行分析。“對快速分析和提高運(yùn)動性能而言，這種工具的價(jià)值是無已衡量的。” 圖2 圖3 2.2 從提高效率到節(jié)約客戶成本 AAC選擇采用 SynqNet，考慮了諸多因素。最根本的原因是其良好的伺服性能、簡化的配線及縮短的實(shí)施時(shí)間，但性價(jià)比才是AAC公司此選更為重要的動因。 2.2.1 節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間 由于控制器與驅(qū)動裝置之間僅通過一根單獨(dú)的電纜連接，因此，在數(shù)小時(shí)內(nèi)，即可完成早期原型版本Raptor機(jī)器人的配線設(shè)置和調(diào)試。配線過程的簡化和線纜數(shù)量的減少有助于AAC在緊迫的4周時(shí)間內(nèi)交付機(jī)器人。此外，由于控制器機(jī)箱空間緊湊，因此機(jī)器智能系統(tǒng)安裝在電機(jī)附近，進(jìn)一步縮短了從驅(qū)動裝置至電機(jī)的電纜長度。創(chuàng)新型機(jī)器人機(jī)械CAD設(shè)計(jì)也有助于縮短Raptor機(jī)器人解決方案上市的時(shí)間。 2.2.2 縮短注塑周期 模具在加工過程中打開，即視為停機(jī)。ACC要最大限度延長模具的產(chǎn)品制造時(shí)間，即縮短每個(gè)周期中模具打開的時(shí)間。顯而易見的解決方案是要使機(jī)器人盡可能快地運(yùn)轉(zhuǎn)，但AAC也認(rèn)識到，通過增加傳感器和（或）視覺系統(tǒng)的使用量，以在部件離開模具時(shí)檢查產(chǎn)品的完整性，是生產(chǎn)量最大化的關(guān)鍵。SynqNet協(xié)議的性能與功能強(qiáng)大的MEI控制器相結(jié)合，使其能夠比以往運(yùn)行地更快，并保持實(shí)施定制工具端功能的靈活性。壓力傳感器等工具端伺服的改進(jìn)能提高整體產(chǎn)品質(zhì)量，并改善取出時(shí)間。伺服和視覺加工能提高產(chǎn)品處理的速度和精確度，并可減少工作單元中的勞動密集型工序。 2.2.3 設(shè)計(jì)周期 AAC完成Raptor機(jī)器人的銷售技術(shù)規(guī)格制定時(shí)的目標(biāo)是在一年內(nèi)開發(fā)出可交付產(chǎn)品。AAC不僅實(shí)現(xiàn)了這一緊迫的目標(biāo)，實(shí)際上，從理念提出到交付原型僅用了6個(gè)月時(shí)間，三個(gè)月后已生產(chǎn)出可交付產(chǎn)品。創(chuàng)新、動力以及與增值轉(zhuǎn)售商Target Electronics公司強(qiáng)有力的合作關(guān)系相結(jié)合，成就了AAC這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。將機(jī)器人控制系統(tǒng)的諸多集成工作外包給其他公司，不僅具有成本效益，選擇MEI公司的現(xiàn)貨供應(yīng)運(yùn)動平臺還有助于AAC專注于機(jī)器人開發(fā)中的其它重要步驟。 2.2.4 針對效率的自動化 自動化在塑料行業(yè)中將扮演著很重要的角色，它有助于效率的最大化。Braig認(rèn)為：“如果機(jī)器人配置了部件座，可利用直接連接到計(jì)算機(jī)上的‘智能攝像機(jī)‘，對運(yùn)行中的部件進(jìn)行檢測，這是Raptor 視覺系統(tǒng)的可選配置。這些部件可作為整套工作單元解決方案的一部分，直接放置到分揀盤，并進(jìn)一步進(jìn)行封裝。由于MEI控制系統(tǒng)和SynqNet在中央體系架構(gòu)中完美匹配，所有這些甚至更多自動化功能都是可能實(shí)現(xiàn)的，并能成本經(jīng)濟(jì)地得以實(shí)現(xiàn)。” 2.2.5 一次性軟件投資 由于AAC用于Raptor機(jī)器人編程MPI與MEI所有的SynqNet控制器兼容，因此，AAC能夠得到在單個(gè)軟件平臺上不斷開發(fā)運(yùn)動控制保證。同時(shí)，MPI也是獨(dú)立的平臺，這就意味著：如果AAC公司變更未來機(jī)器人生產(chǎn)線上的計(jì)算機(jī)類型或操作系統(tǒng)要求，MPI可以“移植”到其它環(huán)境中。此外，MPI支持CANOpen，因此，AAC不需要獨(dú)立的CAN控制器，并能夠通過一個(gè)編程接口對運(yùn)動輸入/輸出和CAN輸入/輸出進(jìn)行編程。由于MPI可采用各種操作系統(tǒng)（特別是Linux操作系統(tǒng)），因而是AAC常規(guī)控制平臺計(jì)劃的關(guān)鍵組成部分。由于Linux操作系統(tǒng)極其可靠且可移植性強(qiáng)，因此AAC公司選擇 Li-nux操作系統(tǒng)，以保證機(jī)器人在平均長達(dá)10年甚至10年以上的生命周期內(nèi)都不會陳舊。這避免了持續(xù)許可證合同，也使AAC公司可從該系統(tǒng)中節(jié)省成本，并將成本節(jié)省傳遞到終端用戶上。 圖4 圖5 3 實(shí)施效果及用戶反饋 AAC與增值轉(zhuǎn)售商Target Electronics Supply Inc.攜手，共同完成了下一代Raptor注塑機(jī)器的項(xiàng)目選型和實(shí)施。Target為該機(jī)器人和常規(guī)控制平臺提供了所需的一站式解決方案，推薦了MEI 公司和SynqNet的完美搭配，促成了Raptor機(jī)器人生產(chǎn)線的成功。AAC能夠通過Target從多家世界級供應(yīng)商的同類最佳產(chǎn)品和解決方案中受益。部分外包的解決方案減少了設(shè)計(jì)周期中的勞動密集型領(lǐng)域，使AAC內(nèi)部工程部門能更加專注于提高核心競爭力。 正如David指出的：“我們所要做的就是盡可能針對客戶的技術(shù)規(guī)格，設(shè)計(jì)最優(yōu)系統(tǒng)。我們發(fā)現(xiàn)，MEI中央控制系統(tǒng)和SynqNet數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能極大提高產(chǎn)品性能，同時(shí)降低系統(tǒng)成本，從而使得采用Raptor機(jī)器人產(chǎn)品線可在提高產(chǎn)品性能的同時(shí)降低成本。”項(xiàng)目的實(shí)施最終表明：“MEI強(qiáng)大的軟件功能與SynqNet運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，為我們實(shí)施和構(gòu)建Raptor機(jī)器人生產(chǎn)線指明了道路，Sy-nqNet極大實(shí)現(xiàn)了‘控制箱以外的靈活性‘，在未來平臺中也將是至關(guān)重要的技術(shù)。” 綜上所述，MEI SynqNet 產(chǎn)品能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速且可簡化配線的全數(shù)字運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)、組態(tài)技術(shù)支持、支持采用SynqNet下載配置文件、容錯(cuò)、便捷的現(xiàn)場可服務(wù)性、遠(yuǎn)程故障診斷及頂級供應(yīng)商提供SynqNet驅(qū)動裝置和輸入/輸出設(shè)備的技術(shù)支持等功能特點(diǎn)，從而理想的滿足了像AAC這樣對現(xiàn)代高性能控制技術(shù)感興趣的客戶，實(shí)現(xiàn)了Raptor注塑機(jī)器人項(xiàng)目。