1 用戶概況及項目要求 AUTOMATED ASSEMBLIES公司 （AAC）是注塑機器人和工作單元領域全球領先的設計及制造公司，其產品注冊商標為Raptor 。該公司的多款機器人產品都躋身于世界頂級工業機器人之列。為滿足全球市場對更快速、更智能、更便捷的機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械手進行設計。 根據要求，AAC計劃在下一代Raptor 機器人項目開始后的一年內即可交付最終產品。AAC公司在增值分銷商Target Electronic Supply公司的建議下，選擇了MEI公司的運動控制平臺和SynqNet 運動網絡技術。Target公司認為，將MEI運動控制平臺和SynqNet 運動網絡應用到Raptor 機 器人的設計中，不僅完全符合Raptor 技術規格，同時還可以支持客戶重要的常規平臺開發計劃。 2 MEI SynqNet解決方案 Raptor項目所采用的MEI運動控制平臺和SynqNet 運動網絡技術，實現了工業機器人運動控制系統從可編程控制器（PLC）控制到計算機控制的技術飛躍，為業界定義了下一代機器人數字運動網絡設計。這一應用正在越來越多地被應用到不同行業的工業應用中，不僅僅因為部署了全數字網絡連接的控制系統可實現速度更快、更加穩定和智能的新一代機器人，同時，還能夠縮短設計、生產、注塑及交付周期，借助自動化提高效率，從而最終節省成本，為客戶增值。 2.1 從PLC控制到計算機控制 和許多應用一樣，AAC公司以前的機器人控制系統采用的也是PLC及相應解決方案，優點是成本經濟且易于采用。然而，隨著模塑等行業對于自動化控制系統可靠性、功能性、人機界面友好性和數據可管理性的要求不斷提高，為使生產出的機器人速度更快，并最大程度地實現注塑過程自動化，一個由計算機控制的系統無疑是更加適合且先進的解決方案。 AAC要求開發功能強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 機器人或整個工作單元進行快速編程。這樣，終端用戶既可利用現代計算能力的強大功能，同時還降低了復雜性。基于各種技術可能性，AAC采用基于Linux操作系統的SynqNet運動網絡，進行Raptor 機器人生產，并已選定采用配有用于常規輸入/輸出的機載 CANOpen 接口XMP-SynqNet-PCI控制器，對系統中所有的伺服軸進行控制。該控制器的初始配置是用于未來機器人設計的常規控制平臺的基礎。 2.1.1 MEI 中央控制系統 由于定制模塑廠商的包裝產品生命周期較短，產品數量不確定，同時還面臨著為產品增值的壓力，因此，對于塑料行業廠商來說，資產利用至關重要，即在一種產品完成之后又開始生產另一種與其差別不大的產品時，工作單元可以在多大程度上重復使用。快速切換和靈活性的實現就成為其盈利的關鍵。 AAC公司總裁 Steve Braig 指出：“對我們而言，關鍵是開發出一種常規控制平臺，采用基于單臺計算機的控制器來擴展工作單元的功能，從而為定制模塑廠商增值。未來，當項目發生變化時，模塑廠商無需負擔額外的控制系統開銷，同時還能夠以最少的支出輕松實現工作單元改型。采用 MEI 技術和 SynqNet 數字網絡的計算機控制系統的靈活性能是滿足這一業界廣泛需求的理想選擇。” 圖1 2.1.2 SynqNet數字網絡 SynqNet 適用于所有的機器人伺服控制，并能支持多達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用提供了極大的靈活性。AAC采用MEI的應用編程接口（即運動編程接口，MPI）進行編程，MPI是一套功能強大、面向ANSI標準對象的C／C＋＋運動庫，并與所有的 MEI SynqNet控制器兼容。AAC隨后開發出其自有的緊湊型人機界面，以進行便捷操作。拖放式觸摸屏能夠控制并“示訓”機器人例程，同時控制基于以太網的視覺檢測設備、輸送機及應用所需的附加工作單元設備。 2.1.3 SynqNet網絡控制功能 SynqNet 基于IEEE802.3 標準，并采用標準 5 類線纜和 RJ45 連接器連接控制器和驅動裝置。該網絡的轉矩更新速率高達 48kHz，具有高超的遠程故障診斷功能，并可通過計算機上的以太網，將該功能從工廠傳送至企業。 除了實時、遠程故障診斷以外，SynqNet 還提供配置文件和固件網絡下載。AAC產品開發經理 David Lee 認為這是另一個令人興奮的性能：“它能夠更新，確保世界各地所有的設備均能采用適合的或最新版本的軟件，同時，也使得對特定現場技術支持的需求相應減少，現場的軟件版本或硬件參數設定值也不會有很大的不同。” 2.1.4 SPI 接口 Raptor機器人通過標準SPI接口與其它機械進行通信。在注塑行業采用SPI接口，可使計算機與塑料加工機械之間以電子方式進行“對話”。實質上，MEI控制器能捕獲其它機器的輸入/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器無縫協同工作。所有的MEI控制器均配置了專用輸入/輸出設備，以及可選 Syn-qNet 輸入/輸出和 CANOpen 輸入/輸出。 2.1.5 IntelimotionTM AAC 已在MEI運動技術的強大功能基礎上，開發出業界領先的最適合載荷類型和重量的運動軌跡及機器人載荷動態處理技術（IntelimotionTM），該技術能夠根據模具中取出部件的類型和重量，對產品中的差異進行處理，自動調節速度和運動軌跡，確保以最高效率生產出最優質的產品，從而減輕終端用戶的負擔。該技術通過拖放式機器界面支持Raptor 工作單元編程所采用的運動型材，便于用戶理解。 2.1.6 MEI 控制系統 XMP-SynqNet系列控制器特色在于其用于運動過程數字信號處理（DSP）的模擬裝置，及其直接存儲器映射架構，該架構位于計算機PCI 總線上，高效處理主控計算機與控制器之間任務。運動編程接口（MPI）是MEI功能強大的C/C++可移植運動庫，可對所有XMP型控制器進行編程。其他編程環境，如ActiveX和MatLab/Simulink，均可通過MEI 的插件程序實現。MEI公司先進的MechaWare伺服控制和調節軟件應用程序也有助于補償機械性異常，并提高機器性能。此外，XMP-SynqNet控制器配置了標準SynqNet接口，能實現菊花鏈或環形拓撲結構。SynqNet環形拓撲結構能進行“自修復”容錯操作，無論節點間出現任何電纜故障，均可通過來自控制器的雙工通信進行運動。目前，SynqNet 運動網絡所能提供的卓越安全可靠性能在業界獨樹一幟。 2.1.7 MEI軟件工具 除MPI以外，MEI還可提供多種輔助運動編程的應用程序。AAC尤其對MotionScopeTM 印象深刻。該軟件能實現全曲線圖繪制和實時運動數據分析，只需輕點鼠標，即可實時顯示位置、速度以及許多其它重要運動參數。MPI的數據記錄器功能（采用XMP硬件）是一種功能強大的工具，能幫助AAC遠程采用MotionScope和進行軟件調試。David Lee 解釋道：“采用MotionScope工具，可以繪制一次移動過程中多個實時運動參數的曲線圖，然后，對各移動進行比較，以定量確定用戶最終期望如何執行運動。”由于AAC應用程序是在基于Red Hat Linux的PCI架構操作系統環境下開發的，用戶可利用應用程序中的TCP/IP內置功能，通過標準以太網連接，對采用MotionScope的遠程主機進行分析。“對快速分析和提高運動性能而言，這種工具的價值是無已衡量的。” 圖2 圖3 2.2 從提高效率到節約客戶成本 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施時間，但性價比才是AAC公司此選更為重要的動因。 2.2.1 節省生產時間 由于控制器與驅動裝置之間僅通過一根單獨的電纜連接，因此，在數小時內，即可完成早期原型版本Raptor機器人的配線設置和調試。配線過程的簡化和線纜數量的減少有助于AAC在緊迫的4周時間內交付機器人。此外，由于控制器機箱空間緊湊，因此機器智能系統安裝在電機附近，進一步縮短了從驅動裝置至電機的電纜長度。創新型機器人機械CAD設計也有助于縮短Raptor機器人解決方案上市的時間。 2.2.2 縮短注塑周期 模具在加工過程中打開，即視為停機。ACC要最大限度延長模具的產品制造時間，即縮短每個周期中模具打開的時間。顯而易見的解決方案是要使機器人盡可能快地運轉，但AAC也認識到，通過增加傳感器和（或）視覺系統的使用量，以在部件離開模具時檢查產品的完整性，是生產量最大化的關鍵。SynqNet協議的性能與功能強大的MEI控制器相結合，使其能夠比以往運行地更快，并保持實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能提高整體產品質量，并改善取出時間。伺服和視覺加工能提高產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 設計周期 AAC完成Raptor機器人的銷售技術規格制定時的目標是在一年內開發出可交付產品。AAC不僅實現了這一緊迫的目標，實際上，從理念提出到交付原型僅用了6個月時間，三個月后已生產出可交付產品。創新、動力以及與增值轉售商Target Electronics公司強有力的合作關系相結合，成就了AAC這一目標的實現。將機器人控制系統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公司的現貨供應運動平臺還有助于AAC專注于機器人開發中的其它重要步驟。 2.2.4 針對效率的自動化 自動化在塑料行業中將扮演著很重要的角色，它有助于效率的最大化。Braig認為：“如果機器人配置了部件座，可利用直接連接到計算機上的‘智能攝像機‘，對運行中的部件進行檢測，這是Raptor 視覺系統的可選配置。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，并進一步進行封裝。由于MEI控制系統和SynqNet在中央體系架構中完美匹配，所有這些甚至更多自動化功能都是可能實現的，并能成本經濟地得以實現。” 2.2.5 一次性軟件投資 由于AAC用于Raptor機器人編程MPI與MEI所有的SynqNet控制器兼容，因此，AAC能夠得到在單個軟件平臺上不斷開發運動控制保證。同時，MPI也是獨立的平臺，這就意味著：如果AAC公司變更未來機器人生產線上的計算機類型或操作系統要求，MPI可以“移植”到其它環境中。此外，MPI支持CANOpen，因此，AAC不需要獨立的CAN控制器，并能夠通過一個編程接口對運動輸入/輸出和CAN輸入/輸出進行編程。由于MPI可采用各種操作系統（特別是Linux操作系統），因而是AAC常規控制平臺計劃的關鍵組成部分。由于Linux操作系統極其可靠且可移植性強，因此AAC公司選擇 Li-nux操作系統，以保證機器人在平均長達10年甚至10年以上的生命周期內都不會陳舊。這避免了持續許可證合同，也使AAC公司可從該系統中節省成本，并將成本節省傳遞到終端用戶上。 圖4 圖5 3 實施效果及用戶反饋 AAC與增值轉售商Target Electronics Supply Inc.攜手，共同完成了下一代Raptor注塑機器的項目選型和實施。Target為該機器人和常規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機器人生產線的成功。AAC能夠通過Target從多家世界級供應商的同類最佳產品和解決方案中受益。部分外包的解決方案減少了設計周期中的勞動密集型領域，使AAC內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規格，設計最優系統。我們發現，MEI中央控制系統和SynqNet數字網絡技術能極大提高產品性能，同時降低系統成本，從而使得采用Raptor機器人產品線可在提高產品性能的同時降低成本。”項目的實施最終表明：“MEI強大的軟件功能與SynqNet運動網絡技術相結合，為我們實施和構建Raptor機器人生產線指明了道路，Sy-nqNet極大實現了‘控制箱以外的靈活性‘，在未來平臺中也將是至關重要的技術。” 綜上所述，MEI SynqNet 產品能夠同時實現高速且可簡化配線的全數字運動網絡、組態技術支持、支持采用SynqNet下載配置文件、容錯、便捷的現場可服務性、遠程故障診斷及頂級供應商提供SynqNet驅動裝置和輸入/輸出設備的技術支持等功能特點，從而理想的滿足了像AAC這樣對現代高性能控制技術感興趣的客戶，實現了Raptor注塑機器人項目。