當(dāng) Innerspec Technologies 受一家大型航空航天終端用戶的委托，著手開發(fā)一套無損檢測(cè)（NDT）系統(tǒng)時(shí)，該公司決定選用倍福靈活的基于 PC 的自動(dòng)化控制解決方案。該機(jī)器人解決方案憑借其先進(jìn)的開放式控制架構(gòu)、出色的運(yùn)動(dòng)控制性能以及高效的通信能力，能夠輕松應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜幾何形狀部件的檢測(cè)需求，大幅提升了系統(tǒng)整體吞吐量。

　　為航空航天領(lǐng)域的客戶設(shè)計(jì)無損檢測(cè)系統(tǒng)無疑是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。即便待檢測(cè)的部件不涉及機(jī)密，但隨著企業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，它們也可能快速變化。“檢測(cè)類型的選擇取決于部件的幾何形狀、材料成分以及需要檢測(cè)的缺陷類型。”Innerspec 系統(tǒng)工程總監(jiān) Cory Grant 表示。“我們或許僅能接收到有限數(shù)量的樣品以供驗(yàn)收測(cè)試之用，但我們必須為各種前所未見的部件設(shè)計(jì)設(shè)備。因此，可以說，我們是在圍繞未知參數(shù)進(jìn)行工作，力求讓設(shè)備具備盡可能多的通用性。”

　　Innerspec 公司自 1989 年成立以來，始終保持著無損檢測(cè)系統(tǒng)領(lǐng)域先驅(qū)者的角色。該公司總部位于弗吉尼亞州的福里斯特，其工程師團(tuán)隊(duì)專注于為航空航天、交通運(yùn)輸、能源等多個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)設(shè)計(jì)并打造定制化的無損檢測(cè)系統(tǒng)。他們還開發(fā)了電磁超聲（EMAT）等先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)在應(yīng)用時(shí)無需依賴液體超聲耦合劑。為了滿足不同客戶的多樣化需求，該公司提供了多種檢測(cè)類型，包括超聲波檢測(cè)（UT）、渦流檢測(cè)和相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）。

　　借助 EtherCAT 的熱連接功能，雙機(jī)器人系統(tǒng)能夠迅速更換機(jī)械臂末端工具，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)類型的快速切換，從而大幅提升系統(tǒng)的靈活性。

　　Innerspec 憑借倍福提供的開放且可擴(kuò)展技術(shù)的高度靈活性，成功滿足了各類部件及檢測(cè)方法的實(shí)際需求。“倍福的自動(dòng)化技術(shù)理念與我們不謀而合。”Cory Grant 說道，“他們提供開放靈活的工具以及詳盡全面的文檔資料，使用戶能夠根據(jù)具體的應(yīng)用需求定制和優(yōu)化產(chǎn)品。”

　　對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行全面測(cè)試

　　Innerspec 研發(fā)的 Robotic Twin 系統(tǒng)總計(jì)集成了 18 個(gè)協(xié)同運(yùn)動(dòng)的軸，包括兩個(gè)安裝在軌道上的機(jī)器人、一個(gè)用于渦流檢測(cè)的轉(zhuǎn)盤、一個(gè)線性旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，以及一個(gè)容量達(dá) 5000 加侖（約 19000 升）的超聲檢測(cè)水箱，該水箱內(nèi)部還配備了一個(gè)轉(zhuǎn)盤，能夠處理重量高達(dá) 3000 磅（1360 千克）的部件。

　　Innerspec Technologies 設(shè)計(jì)了一套雙機(jī)器人無損檢測(cè)系統(tǒng)，旨在滿足其航空航天領(lǐng)域重要客戶的復(fù)雜檢測(cè)需求。

　　在這個(gè)系統(tǒng)中，自動(dòng)化組件能夠確保測(cè)試數(shù)據(jù)在工業(yè)服務(wù)器及兩臺(tái)第三方 PC 之間實(shí)現(xiàn)無縫共享。其中，一臺(tái) PC 負(fù)責(zé)采集和安全存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而另一臺(tái) PC 則供具備專業(yè)技能的人員進(jìn)行手動(dòng)分析。

　　Cory Grant 在無損檢測(cè)系統(tǒng)建造領(lǐng)域的初次嘗試，是與一家系統(tǒng)集成商攜手合作完成的。在那里，他親眼見證了倍福的 EtherCAT 技術(shù)和基于 PC 的控制技術(shù)如何為測(cè)試測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域打造一個(gè)既強(qiáng)大又靈活的平臺(tái)。自 2021 年加入 Innerspec 以來，他便與公司內(nèi)部的工程團(tuán)隊(duì)合作，開始轉(zhuǎn)向采用倍福技術(shù)。

　　早在 2015 年，我就開始尋找那些融入了軟件開發(fā)原則、版本控制、結(jié)構(gòu)化文本以及面向?qū)ο缶幊趟枷氲母鼮殪`活的控制系統(tǒng)。在這些方面，與倍福的合作一直為我們帶來了巨大的優(yōu)勢(shì)。

　　—— Grant

　　自動(dòng)化軟件加速開發(fā)進(jìn)程

　　據(jù) Innerspec 專家介紹，倍福的 TwinCAT 軟件是提升無損檢測(cè)系統(tǒng)性能和靈活性的關(guān)鍵所在。該軟件不僅簡(jiǎn)化了 PLC 和 PTP 運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)，還為自動(dòng)化的各個(gè)層面提供了端到端的開發(fā)和 Runtime 環(huán)境。“得益于 TwinCAT 與 Microsoft Visual Studio® 的集成，工程師們能夠使用最適合其應(yīng)用需求的編程語言進(jìn)行開發(fā)。”倍福銷售經(jīng)理 Rodney Reid 說道，“這些語言包括面向?qū)ο蟮?IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)語言、自定義和預(yù)定義的功能塊，以及 C#、C++ 和 Python 等計(jì)算機(jī)科學(xué)語言。”Cory Grant 充分利用了這一優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了控制工程師與軟件工程師之間的協(xié)同合作。他們共同在 TwinCAT HMI 中搭建了設(shè)備的操作界面，該界面支持 HTML5 和 JavaScript 等網(wǎng)頁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，能夠打造出具有現(xiàn)代感的用戶體驗(yàn)（UX）。

　　TwinCAT XML Server 也為 Innerspec 的系統(tǒng)增添了優(yōu)勢(shì)。此功能包含一個(gè) PLC 庫，使得用戶可以方便地讀寫訪問作為變量存儲(chǔ)在 PLC 中的 XML 數(shù)據(jù)。“通過這種方式，我能夠?qū)⑺信渲迷O(shè)置添加到 XML 文件中。因此，無論客戶是在進(jìn)行新部件的設(shè)置還是維護(hù)工作，TwinCAT XML Server 都能顯著提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、透明度以及可控性。”Cory Grant 解釋道。

　　位于弗吉尼亞州福里斯特的機(jī)器人無損檢測(cè)中心項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)（從左至右）：制造經(jīng)理 Jim Fenton、項(xiàng)目工程師 Joseph Ziedas 和系統(tǒng)工程總監(jiān) Cory Grant（均來自 Innerspec 公司），以及來自倍福的銷售工程師 Rodney Reid 和應(yīng)用工程師 Jack Plyler。

　　航空航天測(cè)試中心的核心控制系統(tǒng)

　　倍福 CX5130 嵌入式控制器用作整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備控制器。CX5130 通過直接連接的 EtherCAT 端子模塊從機(jī)械臂末端工具的各類傳感器中采集數(shù)據(jù)，并使用 TwinCAT IoT 中的 OPC UA 和 MQTT 功能將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)的服務(wù)器和分析 PC 中。這款多核設(shè)備控制器憑借其極快的周期時(shí)間，能夠支持由 AM8000 伺服電機(jī)和 AX5206 伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的四個(gè)伺服軸以及 16 個(gè)第三方電機(jī)和兩個(gè)機(jī)器人控制器實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制。

　　最終構(gòu)建了一個(gè)能夠在水下檢測(cè)直徑達(dá) 100 英寸（250 厘米）、重量達(dá) 2500 磅（超過一噸）的部件的高性能系統(tǒng)。“在轉(zhuǎn)盤升降過程中，TwinCAT 的軟件齒輪庫能夠完美地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步控制。”Cory Grant 說道，“當(dāng)轉(zhuǎn)盤接近水箱底部時(shí)，伺服系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從位置控制模式切換至扭矩控制模式。我們通過調(diào)整電機(jī)至預(yù)設(shè)扭矩，將框架推送至水箱底部，使其與楔形硬質(zhì)擋塊緊密接觸，進(jìn)而將其固定到位。這樣，巨大的部件即便以每分鐘 30 轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)，依然能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)。”

　　倍福的 CX5130 嵌入式控制器用作機(jī)器人測(cè)試中心的核心設(shè)備控制器。

　　兩個(gè)雙通道 AX5206 伺服驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)為全部四臺(tái)倍福電機(jī)提供動(dòng)力。它們還通過 TwinSAFE。直接在驅(qū)動(dòng)器組件中集成了安全功能。通過采用 Safety over EtherCAT（FSoE）通信協(xié)議，系統(tǒng)能夠支持一系列安全相關(guān)的驅(qū)動(dòng)功能，包括 STO、SS1 和 SS2。

　　EtherCAT 的實(shí)時(shí)通信功能使得各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸之間能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的同步控制。此外，通過單電纜技術(shù) (OCT）將供電和通信功能集于一體，有助于減少這個(gè)約 120 英尺（或約 36 米）長的系統(tǒng)所需的布線時(shí)間和成本。

　　由于系統(tǒng)原生支持 EtherCAT，因此完全消除了與機(jī)器人之間的通信障礙，從而使我們能夠更輕松地即時(shí)更換機(jī)械臂末端工具。在這里，EtherCAT 的熱連接功能助力我們靈活適應(yīng)各類檢測(cè)需求。

　　—— Innerspec 公司項(xiàng)目工程師

　　Joseph Ziedas

　　無縫集成帶來性能顯著提升

　　Innerspec 成功滿足了其航空航天領(lǐng)域重要客戶所有極為嚴(yán)格的技術(shù)要求。雙機(jī)器人無損檢測(cè)系統(tǒng)具備極高的靈活性，能夠輕松應(yīng)對(duì)未來可能出現(xiàn)的各種新部件或新工藝挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)向采用倍福技術(shù)確保了系統(tǒng)性能的顯著提升。例如，Cory Grant 能夠編寫自定義的 C++ 代碼，并利用 TwinCAT 功能進(jìn)行部署，而無需依賴機(jī)器人控制器的基礎(chǔ)功能來觸發(fā)工具：“借助庫卡的 Fast Send Driver，每次更新的時(shí)間可以縮短至 1 毫秒，但使用我們?cè)?TwinCAT 的 C++ 模塊中實(shí)現(xiàn)的軟件算法，僅需約 100 微秒即可完成更新。因此，我們基本上能夠以比以往快 10 倍的速度觸發(fā)儀器，從而極大提升了檢測(cè)速度和準(zhǔn)確性。”

　　倍福基于 PC 的控制技術(shù)還通過 TwinCAT HMI（內(nèi)置 EtherCAT 診斷視圖）和 TwinCAT XML Server 進(jìn)一步增強(qiáng)了操作人員的交互體驗(yàn)，Cory Grant 解釋道：“我在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)設(shè)定了兩個(gè)主要目標(biāo)：一是讓設(shè)備操作人員滿意，二是讓維護(hù)人員滿意。對(duì)于雙機(jī)器人系統(tǒng)，我們深知操作人員偏愛機(jī)器的外觀設(shè)計(jì)、操作手感、用戶界面，以及其卓越的穩(wěn)定性和靈活性。”

　　關(guān)于德國倍福

　　倍福（Beckhoff）是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國家和地區(qū)。

　　倍福于 1997 年進(jìn)入中國市場(chǎng)，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。

　　公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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