基于 EtherCAT 与 XTS 的电芯产线机械终检方案
在电动出行领域，不仅车载电池本身要具备极致性能，生产设备也对性能有着极高要求。由保时捷与瓦尔塔合资成立的锂离子圆柱形电池公司 V4Smart，依托倍福 EtherCAT 超高速通信与 XTS 智能输送系统，在电池电芯机械下线终检的复杂系统中成功满足了这一高要求。
总部位于诺德林根的 V4Smart 背后，是一支专注于高性能锂离子圆柱形电池研发与生产的跨学科团队。其核心工作聚焦电化学储能系统的技术进步，覆盖从材料研究到可规模化电芯量产的全产业链条。其中一个典型项目是全新的电池电芯下线终检设备，该设备产出的电芯可适配搭载混动系统的保时捷 911 Carrera GTS与Turbo S 车型。该项目由 Varta Microbattery 公司埃尔旺根机械工程部门、系统集成商 Nema Automation（布雷茨费尔德），以及位于威尔和克赖尔斯海姆的倍福团队紧密协作落地。Nema 首席技术官 Andreas Hütter 这样描述其广泛的任务范围：“作为系统集成商，我们全权负责控制系统设计、电路图绘制、控制柜设计、软件编程及调试工作，并且所有这些工作都由我们独立完成。”
系统设计与工艺流程的复杂度
整套系统由两个镜像对称的区段构成，每个区段长约 15 米、宽 3 米。通过这种设计，在保障易操作性的同时，实现了每分钟 80 件被测工件的高产能。在每个子系统中，由倍福系统工程部门全套交付的 XTS 系统循环轨道长度达 28.5 米，可将电芯快速灵活地输送至 30 余个作业与检测工站。数据的复杂性还体现在约 1000 个 I/O 数据点上，其中一半通过分布式 EtherCAT 端子盒采集，另一半通过分布在 26 个控制柜中的 EtherCAT 端子模块采集。V4Smart 化成段负责人 Michael Luber 指出，这类数据密集型的大型系统，必须依托高性能且高可靠的通信技术，而倍福研发的全球通用工业以太网协议 EtherCAT 使这一切成为可能。海量待传输数据要求一种高效且精确匹配的 EtherCAT 网络拓扑结构，即星型拓扑，所有其它网络节点均以线性方式从该拓扑中接入。
待使用的工站包含约 20 套光学检测单元，以及额外的装配区域，比如用于安装电芯底部绝缘层、套设热缩套管的工站，包括所需的加热风洞。Varta Microbattery 公司电气设计/控制技术团队负责人 Felix Eitel 解释道：“电芯要接受多项机械特性检测。会检查外壳是否存在划痕、凹痕、水渍或电解液残留污渍。电芯顶盖和底部也会同样需要检测，检测过程中电芯还会被旋转。随后安装底部绝缘层并核验安装位置是否准确，再通过热加工套设热缩套管，同步检测套管长度是否合规、是否完全包覆电芯、有无破损。最后每颗电芯会通过 UV 激光打标，由相机核验打标内容，再由一台 Delta 机器人完成电芯下料。”
Andreas Hütter 确认了对电芯生产中这最后一道工序的极高要求：“要实现每个子系统每分钟 40 件被测工件的指定产能，同时将不良率控制在 1% 以下，所需的极致速度与可靠性，本身就要求配备性能极强、高度集成的控制技术，以及 XTS 所实现的这类高柔性产品输送能力。带加热风洞的热缩套管套设工序，以及用于前序多道工序检测的大量视觉系统，同样是项目中的重大挑战。”
XTS 作为核心系统元件
该系统的核心统一元件是倍福的 XTS 智能产品输送系统。这一点不仅体现在两个子系统各自长达 28.5 米的长轨道上，也体现在每个子系统配置的超 100 个 XTS 电机模块和 100 个动子上。此外，XTS 也是最终选择倍福基于 PC 的控制技术作为自动化方案的决定性因素。“Varta Microbattery 在其封装产线中使用这种基于 PC 的控制技术已有多年，然而，对于 V4Smart 的下线终检设备，XTS 才是选型的首要考量。这款输送系统是唯一能让产品输送环节达到所需动态性能与运行速度的方案。”
Andreas Hütter 补充道：“将产品输送与设备加工周期解耦是项目的关键所在。系统包含大量不同类型的加工工站，有些是并行加工，有些是单工站加工，还有加热风洞这样的连续工序，必须与循环操作同步。这就需要 XTS 所提供的极高灵活性。此外，系统的可用安装空间十分有限，XTS 能实现极为紧凑的设备布局。若采用传统设计方案，系统体积至少会大出三分之一。”
据 Andreas Hütter 介绍，如果没有灵活的 XTS，集成用于热缩套管的 2 米长加热风洞会困难得多。动子在风洞内的运行速度为 60 毫米/秒。项目的核心挑战在于，即便前序工序出现故障，也必须将加热风洞内的所有电芯可靠移出加热区域，避免电芯因过热而损坏。传统方案中，排查故障必须等加热风洞全部清空之后才能进行。而灵活的 XTS 系统可通过额外的供电模块划分出两个安全区，彻底消除了这段等待时间。这样，在发生故障时，系统前段可以停机进行维护，而承载电芯的动子则可以不受干扰地继续驶出加热风洞。
Felix Eitel 介绍了产品输送环节的另一个特殊设计：“XTS 动子上安装的工件运载装置进一步提升了系统的灵活性。电芯采用可旋转的安装方式，通过与由 AX8000 多轴伺服系统驱动的 AM8000 伺服电机相连的磁藕，电芯抵达对应工站后即可旋转。每个子系统的 13 个工站都采用了该设计，覆盖光学检测、清洁工站以及加热风洞。”伺服电机搭载的单电缆技术（OCT）也带来了显著优势，可大幅减少布线工作量、节省安装空间，提升维护便捷性。
在工艺流程前后两端的两套 Delta 并联机器人拾放应用中同样应用了 AM8000 系列伺服电机。这些机器人的运动学运算在倍福中央机器控制器上通过 TwinCAT 3 Kinematic Transformation 完成，实际的运动规划则由 TwinCAT 3 Motion Pick-and-Place 实现。另一台倍福控制计算机通过 TwinCAT HMI 和三台倍福多点触控控制面板，提供清晰的可视化界面和便捷的系统操作。
携手合作，寻求最优解
各参与方之间的相互支持也是达成理想解决方案的关键因素。Andreas Hütter 证实，与倍福（尤其是克赖尔斯海姆销售办事处）的合作十分紧密，全程以解决问题为导向且各方地位平等，覆盖了从产品设计到各类应用场景问题的方方面面。Michael Luber 则重点提及了各方始终以目标为核心的协作模式：“尽管项目涉及四家合作方，流程复杂度很高，但所有出现的挑战都能以极具建设性的积极态度推进解决，各方响应也都高效迅速。”
