MULTIVAC：不锈钢电机是卫生安全的最佳保障

德国倍福自动化有限公司

MULTIVAC：不锈钢电机是卫生安全的最佳保障

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1　引言

MULTIVAC凭借其针对食品行业的巧妙设计的包装系统成功满足了极其严格的卫生要求。这也适用于具有专用拾放机器人的搬运模块。在控制技术方面，解决方案则是基于Beckhoff TwinCAT自动化软件及其机器人运动学功能库以及超高速EtherCAT通讯系统。不仅Beckhoff AM8800系列伺服电机确保了高动态运动，它们的“卫生型设计”还有助于让搬运机器人能够有一个完全开放的结构，使得它们清洗方便。

MULTIVAC Sepp Haggenmuller GmbH & Co. KG总部设在德国Wolfertschwenden，是提供针对食品、医药和消费品行业包装解决方案的全方位服务供应商。除了包装机械，MULTIVAC的产品组合还包括用于装卸和输送的搬运模块、用于质量控制和异物检测的检测系统以及针对不同包装类型的标记和标签解决方案。食品行业是MULTIVAC解决方案最重要的应用领域，在这个领域，高效、准确以及最重要的卫生型产品（如肉、鱼、奶酪、蔬菜和即食食品）包装是必需的。

2　基于PC的控制技术应用于高效包装工艺

MULTIVAC依赖Beckhoff基于PC的控制技术对其所有标准型包装机械进行自动化改造。早在2005年，公司更换了基于微处理器的控制器，以应对日益复杂的机器不断增长的需求，通过更高的计算能力和内存实现了往任何时候都更强大的功能。除此之外，PC控制技术使得通过以太网和OPC实现的通讯连接可以通过标准接口和标准软件库加以简化，最大限度地降低开发成本。

MULTIVAC公司控制技术部门主管AloisAllgaier介绍，PC控制技术的另一个优点是其出色的可升级性：“一方面，我们总是可以为机器选用到最合适的嵌入式控制器，无论其体积是小或是大，但在软件方面每次都提供相同的功能。另一方面，由于使用了模块化和灵活的EtherCAT I/O系统，I/O设备可以精确、经济地根据应用需求调整。”最佳适应性对于 AloisAllgaier来说则意味着包装机械可以通过灵活的EtherCAT端子模块系统高效地进行模块化设计：“我们的机器由CX1020或CX1030嵌入式控制器进行集中控制，并在I/O级的三个分布式控制柜之间分离。例如，一个成型工作站的所有数据采集和通信都可以在相关的控制柜模块中实现。与中央控制器所需的通讯通过超高速EtherCAT系统实现，这也是决定选用PC控制技术的重要因素。最终，可以通过包装机械实现的时钟速度直接取决于能否确保控制技术尽可能短的周期时间。”

3　灵活的搬运模块可用于众多的机器人类型

MULTIVAC搬运模块自动完成各种包装任务，包括产品装载、包装的分离和定向、拒绝有瑕疵的包裹和将包装装箱。根据需要，系统可以配备两轴、三轴或四轴机器人，并可灵活地用于各种产品、包装规格、重量和周期时间。

搬运系统可以生成几乎任何包装模式，以确保优化利用二次包装的容量。夹层和分配器也可以自动插入。由于通用型的不锈钢机器构造符合卫生和FDA标准，可以湿式清洗整个搬运装置，MULTIVAC模块非常适用于食品行业的所有产品和生产环境。

4　开放的框架结构和不锈钢电机卫生优势

MULTIVAC当时之所以开发他们自己的搬运模块和机器人有多方面的原因，AloisAllgaier解释道：“我们针对食品行业的包装机械业满足极其严格的卫生要求，是我们在搬运和机器人技术领域的标杆。因为市场上没有合适的系统，我们根据自己的设想和目标为进料区开发了自己的机器人手臂。最后我们设计出了一个不锈钢框架结构，清洗起来非常方便，因为它是完全开放的。符合 FDA标准的Beckhoff AM8800不锈钢伺服电机也发挥了作用，因为它们的安装非常简单，不需要额外的保护外壳。”

AM8800系列伺服电机采用不锈钢外壳，它是根据EHEDG（欧洲卫生工程设计组织）的指引采用“卫生型设计”设计而成的。使用的润滑剂符合食品安全规定（FDA）。电机绕组采用变极绕组技术实现。因此具有高铜线占空系数和相应的连续大扭矩。全封闭的定子为电机外壳提供了理想的绕组热接触。这样做的另一个好处就是可以机械保护绕组线不会出现振荡。由于外壳和电机轴用的是防刮伤的不锈钢AISI 316L制成，涂料表面不会有爬行腐蚀或损伤。电机防护等级为IP 69K，可以使用高压蒸汽清洗机。电机具有一个可选的密封空气接口，以防止在电机内部有凝结水形成。

MULTIVAC使用Beckhoff AX5206型号的2通道EtherCAT伺服驱动器（如图1所示），用于控制电机和拾放系统，从而可以运行两个相同或不同尺寸的电机。所使用的不锈钢伺服电机包括额定扭矩为3.9Nm、堵转扭矩为4.5Nm及峰值扭矩为16.5Nm的AM8843型号以及额定扭矩为5.1Nm、堵转扭矩为6.0Nm及峰值扭矩为22.5Nm的AM8852型号。这样可以与高速EtherCAT通讯系统配套使用，实现高动态和高精度的搬运任务。

图1 AM8800 电机采用的单电缆技术（OCT）不仅降低了布线成本，同时也最大限度地减少了灰尘的沉积，因为它减少了50%的电机电缆和连接器用量

5　单电缆技术提高了卫生性，降低了成本

伺服电机的电缆接头也和外壳一样，采用“卫生型设计”。在卫生安全方面，Beckhoff的单电缆技术（OCT）在连接AM8800系列伺服电机时，还有另一个好处，AloisAllgaier指出：“由于不再需要其中的一根常用的电机连接电缆，包装袋也就少了一个会引起污染物的地方。这也是我们决定选用OCT时的另一个重要因素。”

此外，可以充分利用OCT的重要优点，如减少组件和调试成本。最后，由于电机的反馈信号直接沿着导体被送到电源中，可以省掉一根电缆和接头，从而节省了材料成本和布线成本。

6　机器人技术、运动控制和PLC在同一个动态软件平台上运行

Beckhoff的TwinCAT自动化软件将PLC、运动控制和机器人技术整合在一个集成式平台中，这是PC控制技术所具备的决定性优势，AloisAllgaier从一开始就持这一观点：“甚至在开发机器人手臂时，我们不希望使用一个单独的机器人控制器。TwinCAT让整个控制技术在一个软件系统中全面实施，且调试工作可以非常迅速地完成。例如，不锈钢电动机可以通过伺服驱动器轻松整合到软件中，且我们的应用程序的运动顺序也可以通过TwinCAT NC PTP和运动学功能库高效实现。”

机器人功能可以使用“TwinCAT 运动学变换”自动化软件进行映射。TwinCAT增补软件被透明集成到现有的运动控制系统中。因此，机器人及运动控制功能可以在一个协调的环境中优化同步。例如，3D Delta运动可以毫不费力地与“飞锯”功能连接，以便与输送带同步，拾放包装。各类机器人运动学都可实现，可以在直角坐标系中使用DIN-66025命令或者PLC中与PLCopen兼容的组件对动作进行编程。集成的动态预控制确保运动在高加速度和高速情况下仍能够保持高精度。TwinCAT运动学变换功能库包含直角坐标运动、二维并联运动、剪切运动、起重机和滚轴运动、3D Delta运动和SCARA运动。

7　通过符合FDA标准的不锈钢面板型PC实现直观操作

AloisAllgaier认为，PC控制的优点在系统灵活性方面不仅局限于控制软件：“我们可以完全根据需求提供两个具有不同控制方案的搬运模块：一方面，这可能是一个模块化的系统，换句话说，拥有其自己的嵌入式控制器。另一方面，模块可以采用一个更深入地集成在包装系统的元件的形式，并在主包装机械的控制器上作为软件运行。Beckhoff的自动化技术通过这种灵活性为用户提供了一个很大的优势。搬运机器人相应地运行，或者通过其自身的HMI，或者通过包装机终端。”

定制设计的CP7201面板型PC采用高品质不锈钢设计，有一个12英寸的触摸屏，作为显示和操作终端，其防护等级为IP 65。该面板型PC的特点与不锈钢伺服电机一样，都采用“卫生型设计”。换句话说，其外壳采用无缝设计，配有一个齐平安装式触摸面板。MULTIVAC的HMI 2.0用户界面可以简单、直观、可靠地操作搬运模块以及整台包装机械。纯文本信息显示、丰富的图形和视频序列、200个自由分配的程序预设、36个可用的界面语言，以及多层次的访问权限管理也有助于在世界各地进行直观、安全的操作。