压力传感器的隔离膜片压印机——开放式、可扩展的控制技术可靠实现生产过程自动化

倍 福

在需要防反射的红光应用场景中，凯乐公司的隔膜压印机可以通过客户专用的 CP3921多点触摸控制面板从各个角度方便地进行操作

凯乐（Keller）测量技术有限公司是专业开发和制造各种压力传感器的瑞士制造商，公司产品种类齐全，可满足各种生产过程复杂的应用需求。他们最近完成的一个用于预制配件的隔离膜片压印机项目很好地说明了倍福的开放式控制技术（可以从一个简单的桌面装置优化扩展为大型生产设备）如何实现要求严苛的生产过程的自动化。

瑞士凯乐测量技术有限公司总部位于温特图尔，由物理学毕业生兼集成硅测量单元的发明者Hannes W.Keller于1974年创立，是欧洲领先的隔离压力传感器和变送器制造商。扩散硅压阻式压力传感器精度非常高，适用于 5 mbar～2000bar 的压力范围。凯乐除了生产 500多种标准产品之外，还可以为客户开发定制专属解决方案。凯乐拥有超过35个高度专业化的生产基地，既可批量生产工业传感器，也可以使用最新的自动化制造工艺小批量生产客户定制产品。压力传感器产品用途广泛，可应用于地下水水位监测、飞机座舱压力控制、油气两用车油气自动转换，以及实验室等诸多领域。

传感器隔离膜片的压印是一个重要的工艺步骤

压印是传感器隔离膜片生产过程中一个不可或缺的的中间加工步骤，凯乐公司项目经理 Florian Wernli解释道：“我们的大部分压力传感器都封装在充油不锈钢外壳中。隔离膜片对于通过油将周围介质的压力传输至传感器内的测量芯片中来说至关重要。”这就需要通过一台性能强大的自动压印机将隔离膜片压印成特殊的形状。凯乐公司开发与生产装备部 Bruno Thalmann补充道：“在经过泄漏检测、用压缩空气清洁和热平衡处理后，我们在同一工艺步骤中使用氢传感器在高压条件下进行压印并进行确定性泄漏试验。随后使用图像处理和人工智能进行误差检测。”压印机的核心部分是一台KUKA机器人，它用作拾放单元，将坯件送至加工位置，并将已完成的工件分成合格品（OK）和不合格品（NOK）两个部分。

Bruno Thalmann在解释这种全自动压印和检测系统的优势时说道：“我们的目标是实现以前需要三个人工工位的生产过程的自动化升级，以提高产品质量和产量。”Florian Wernli证实道：“一方面，全自动生产过程速度更快，每个工件生产所需的时间仅为15秒，另一方面，工人每天只需要工作一班，夜间系统可以继续全自动生产，这样不仅减轻了工人的夜班压力，而且还能显著提升生产效率。”

大部分运动轴都采用倍福的 EL72x1 伺服电机端子模块和 AM81xx 伺服电机控制，图中显示的是使用气动高压压力机的压花核心工艺（左侧）

开放式和模块化控制技术优势显著

凯乐自2018年起一直采用倍福基于PC 的控制技术。Bruno Thalmann看到了开放式控制系统编程简单和支持的接口多样化的优势。基于PC的控制技术还具有高可扩展性，可以轻松调整系统的复杂性或所需的模块化程度，无论是集中式架构，还是分布式架构，都可以实现。倍福的TwinCAT 3是一个现代化的、面向对象、并集成到Visual Studio®中的软件平台，与TwinCAT HMI一起提供强大的可视化功能，这些功能也可以通过平板电脑操作。凯乐除了配备具有高算力的C6920控制柜式工业PC之外，还使用了倍福的其它很多重要解决方案，包括采用单电缆技术（OCT）的紧凑型驱动产品、EtherCAT P和CP-Link 4 单电缆解决方案、TwinSAFE系统集成式安全技术，以及轻松集成具备EtherCAT功能的第三方组件，如视觉系统、流量控制器、阀岛和电动夹爪。

Florian Wernli指出，系统开放性优势的一个具体例子就是简单集成机器人：“通过使用 EL6695 EtherCAT桥接端子模块和 TwinCAT Robotics mxAutomation集成机器人后，就可以通过简单的配置实现拾放功能，而无需使用专用的机器人专业知识。在实际应用中，我们通过基于PC的控制技术全面控制机器人，这对我们来说是一个非常完美的解决方案。”自动化解决方案的硬件核心除了C6920 之外，还包括通过CP-Link 4连接、配备 21.5 英寸显示屏和按钮扩展件的CP3921多点触控控制面板。据Florian Wernli称，这为设备终端用户提供了一个操作方便、高颜值的控制单元：“对我们来说，外观设计是整个设备方案中一个极为重要的元素。此外，高分辨率显示器也是方便我们访问检测系统的必要条件。在此设备的设计中，远程控制面板安装在支撑臂上，方便从各个角度全方位灵活操作。”

EL72x1 伺服电机端子模块（顶部）和紧凑的 ZB8110 制动电阻（底部）节省控制柜空间

结构紧凑、安装灵活的驱动和 I/O 产品

由于全自动压印机只加工小型工件，倍福的紧凑型驱动产品实际上就是为这类应用而设计的。在这个应用中，凯乐共使用了 11个EL7211和 2个EL7221伺 服 电 机 端子模块、11个带ZB8110外部制动电阻的EL9576制动斩波器端子模块，以及15 个AM8100系列伺服电机。入口系统的附加运动通过三个AX5203伺服驱动器和 AM803x伺服电机实现。

Florian Wernli认为，EtherCAT在数据通信方面也有很大的优势：“我们一直支持 EtherCAT标准，我们可以使用倍福及第三方供应商提供的各种组件。另一个好处是，例如，在集成其它总线系统时，我们可以从多样化的诊断功能和开放性中获益。”他认为另一个重要的方面是可以通过各种选项减少布线工作：“我们不再需要铺设每一根电缆，这对我们来说是一个真正意义上的额外收获。除了 CP-Link 4 和 OCT 之外，EtherCAT P 也为我们提供了额外的优化潜力。在 I/O 方面，我们一直采用 EtherCAT P，即对于全自动压印机，我们采用的是 EPP 系列 I/O 端子盒。”具体来说，这些 EPP 系列 I/O 端子盒包括 1 个 EPP1004 4 通道数字量输入端子盒，5 个 EPP1018 8 通道数字量输入端子盒、9 个 EPP1809 和 2 个 EPP1816 16 通道数字量输入端子盒，以及 2 个 EPP3184 4 通道模拟量输入端子盒。

安全功能也通过 TwinSAFE 端子模块（右上）直接集成到 I/O 系统中

Bruno Thalmann也确认了EtherCAT P为他们带来的实实在在的好处：“EtherCAT P 显著简化了我们的安装和维护工作。例如，如果其中一个传感器出现故障，只需简单地将该传感器的线缆从插座上拔下即可。在更换好设备后，只需将电缆再次插上，系统就可以再次使用了。”