壓力傳感器的隔離膜片壓印機(jī)
——開放式、可擴(kuò)展的控制技術(shù)可靠實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化

倍 福

在需要防反射的紅光應(yīng)用場景中，凱樂公司的隔膜壓印機(jī)可以通過客戶專用的 CP3921多點觸摸控制面板從各個角度方便地進(jìn)行操作

凱樂（Keller）測量技術(shù)有限公司是專業(yè)開發(fā)和制造各種壓力傳感器的瑞士制造商，公司產(chǎn)品種類齊全，可滿足各種生產(chǎn)過程復(fù)雜的應(yīng)用需求。他們最近完成的一個用于預(yù)制配件的隔離膜片壓印機(jī)項目很好地說明了倍福的開放式控制技術(shù)（可以從一個簡單的桌面裝置優(yōu)化擴(kuò)展為大型生產(chǎn)設(shè)備）如何實現(xiàn)要求嚴(yán)苛的生產(chǎn)過程的自動化。

瑞士凱樂測量技術(shù)有限公司總部位于溫特圖爾，由物理學(xué)畢業(yè)生兼集成硅測量單元的發(fā)明者Hannes W.Keller于1974年創(chuàng)立，是歐洲領(lǐng)先的隔離壓力傳感器和變送器制造商。擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器精度非常高，適用于 5 mbar～2000bar 的壓力范圍。凱樂除了生產(chǎn) 500多種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品之外，還可以為客戶開發(fā)定制專屬解決方案。凱樂擁有超過35個高度專業(yè)化的生產(chǎn)基地，既可批量生產(chǎn)工業(yè)傳感器，也可以使用最新的自動化制造工藝小批量生產(chǎn)客戶定制產(chǎn)品。壓力傳感器產(chǎn)品用途廣泛，可應(yīng)用于地下水水位監(jiān)測、飛機(jī)座艙壓力控制、油氣兩用車油氣自動轉(zhuǎn)換，以及實驗室等諸多領(lǐng)域。

傳感器隔離膜片的壓印是一個重要的工藝步驟

壓印是傳感器隔離膜片生產(chǎn)過程中一個不可或缺的的中間加工步驟，凱樂公司項目經(jīng)理 Florian Wernli解釋道：“我們的大部分壓力傳感器都封裝在充油不銹鋼外殼中。隔離膜片對于通過油將周圍介質(zhì)的壓力傳輸至傳感器內(nèi)的測量芯片中來說至關(guān)重要?！边@就需要通過一臺性能強(qiáng)大的自動壓印機(jī)將隔離膜片壓印成特殊的形狀。凱樂公司開發(fā)與生產(chǎn)裝備部 Bruno Thalmann補(bǔ)充道：“在經(jīng)過泄漏檢測、用壓縮空氣清潔和熱平衡處理后，我們在同一工藝步驟中使用氫傳感器在高壓條件下進(jìn)行壓印并進(jìn)行確定性泄漏試驗。隨后使用圖像處理和人工智能進(jìn)行誤差檢測?！眽河C(jī)的核心部分是一臺KUKA機(jī)器人，它用作拾放單元，將坯件送至加工位置，并將已完成的工件分成合格品（OK）和不合格品（NOK）兩個部分。

Bruno Thalmann在解釋這種全自動壓印和檢測系統(tǒng)的優(yōu)勢時說道：“我們的目標(biāo)是實現(xiàn)以前需要三個人工工位的生產(chǎn)過程的自動化升級，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。”Florian Wernli證實道：“一方面，全自動生產(chǎn)過程速度更快，每個工件生產(chǎn)所需的時間僅為15秒，另一方面，工人每天只需要工作一班，夜間系統(tǒng)可以繼續(xù)全自動生產(chǎn)，這樣不僅減輕了工人的夜班壓力，而且還能顯著提升生產(chǎn)效率?！?/p>

大部分運動軸都采用倍福的 EL72x1 伺服電機(jī)端子模塊和 AM81xx 伺服電機(jī)控制，圖中顯示的是使用氣動高壓壓力機(jī)的壓花核心工藝（左側(cè)）

開放式和模塊化控制技術(shù)優(yōu)勢顯著

凱樂自2018年起一直采用倍福基于PC 的控制技術(shù)。Bruno Thalmann看到了開放式控制系統(tǒng)編程簡單和支持的接口多樣化的優(yōu)勢?；赑C的控制技術(shù)還具有高可擴(kuò)展性，可以輕松調(diào)整系統(tǒng)的復(fù)雜性或所需的模塊化程度，無論是集中式架構(gòu)，還是分布式架構(gòu)，都可以實現(xiàn)。倍福的TwinCAT 3是一個現(xiàn)代化的、面向?qū)ο?、并集成到Visual Studio?中的軟件平臺，與TwinCAT HMI一起提供強(qiáng)大的可視化功能，這些功能也可以通過平板電腦操作。凱樂除了配備具有高算力的C6920控制柜式工業(yè)PC之外，還使用了倍福的其它很多重要解決方案，包括采用單電纜技術(shù)（OCT）的緊湊型驅(qū)動產(chǎn)品、EtherCAT P和CP-Link 4 單電纜解決方案、TwinSAFE系統(tǒng)集成式安全技術(shù)，以及輕松集成具備EtherCAT功能的第三方組件，如視覺系統(tǒng)、流量控制器、閥島和電動夾爪。

Florian Wernli指出，系統(tǒng)開放性優(yōu)勢的一個具體例子就是簡單集成機(jī)器人：“通過使用 EL6695 EtherCAT橋接端子模塊和 TwinCAT Robotics mxAutomation集成機(jī)器人后，就可以通過簡單的配置實現(xiàn)拾放功能，而無需使用專用的機(jī)器人專業(yè)知識。在實際應(yīng)用中，我們通過基于PC的控制技術(shù)全面控制機(jī)器人，這對我們來說是一個非常完美的解決方案?！弊詣踊鉀Q方案的硬件核心除了C6920 之外，還包括通過CP-Link 4連接、配備 21.5 英寸顯示屏和按鈕擴(kuò)展件的CP3921多點觸控控制面板。據(jù)Florian Wernli稱，這為設(shè)備終端用戶提供了一個操作方便、高顏值的控制單元：“對我們來說，外觀設(shè)計是整個設(shè)備方案中一個極為重要的元素。此外，高分辨率顯示器也是方便我們訪問檢測系統(tǒng)的必要條件。在此設(shè)備的設(shè)計中，遠(yuǎn)程控制面板安裝在支撐臂上，方便從各個角度全方位靈活操作?！?/p>

EL72x1 伺服電機(jī)端子模塊（頂部）和緊湊的 ZB8110 制動電阻（底部）節(jié)省控制柜空間

結(jié)構(gòu)緊湊、安裝靈活的驅(qū)動和 I/O 產(chǎn)品

由于全自動壓印機(jī)只加工小型工件，倍福的緊湊型驅(qū)動產(chǎn)品實際上就是為這類應(yīng)用而設(shè)計的。在這個應(yīng)用中，凱樂共使用了 11個EL7211和 2個EL7221伺 服 電 機(jī) 端子模塊、11個帶ZB8110外部制動電阻的EL9576制動斬波器端子模塊，以及15 個AM8100系列伺服電機(jī)。入口系統(tǒng)的附加運動通過三個AX5203伺服驅(qū)動器和 AM803x伺服電機(jī)實現(xiàn)。

Florian Wernli認(rèn)為，EtherCAT在數(shù)據(jù)通信方面也有很大的優(yōu)勢：“我們一直支持 EtherCAT標(biāo)準(zhǔn)，我們可以使用倍福及第三方供應(yīng)商提供的各種組件。另一個好處是，例如，在集成其它總線系統(tǒng)時，我們可以從多樣化的診斷功能和開放性中獲益?！彼J(rèn)為另一個重要的方面是可以通過各種選項減少布線工作：“我們不再需要鋪設(shè)每一根電纜，這對我們來說是一個真正意義上的額外收獲。除了 CP-Link 4 和 OCT 之外，EtherCAT P 也為我們提供了額外的優(yōu)化潛力。在 I/O 方面，我們一直采用 EtherCAT P，即對于全自動壓印機(jī)，我們采用的是 EPP 系列 I/O 端子盒?！本唧w來說，這些 EPP 系列 I/O 端子盒包括 1 個 EPP1004 4 通道數(shù)字量輸入端子盒，5 個 EPP1018 8 通道數(shù)字量輸入端子盒、9 個 EPP1809 和 2 個 EPP1816 16 通道數(shù)字量輸入端子盒，以及 2 個 EPP3184 4 通道模擬量輸入端子盒。

安全功能也通過 TwinSAFE 端子模塊（右上）直接集成到 I/O 系統(tǒng)中

Bruno Thalmann也確認(rèn)了EtherCAT P為他們帶來的實實在在的好處：“EtherCAT P 顯著簡化了我們的安裝和維護(hù)工作。例如，如果其中一個傳感器出現(xiàn)故障，只需簡單地將該傳感器的線纜從插座上拔下即可。在更換好設(shè)備后，只需將電纜再次插上，系統(tǒng)就可以再次使用了。”