PC 控制技术“牵手”钟表珠宝行业带锯床，开启高效加工新征程
Carl Benzinger 推出的 mySaw 全自动化带锯床证明，即便是用于生产超微小尺寸的产品的小型设备，也能满载高科技元素。倍福的端到端控制系统不仅满足了珠宝行业对系统灵活性的高要求，更通过无缝集成的机器视觉与机器学习解决方案，打造了强大的质量检测系统。
Carl Benzinger 有限公司专注于研发与生产高精度自动化数控车床和铣床，所有机床全部都在其德国普福尔茨海姆总部制造。公司生产的机床主要应用于汽车制造、精密机械加工、光学仪器生产、钟表珠宝制作及航空航天等领域。珠宝加工设备应用技术与销售负责人 Sascha Jentner 解释道：“工业设备通常为生产特定零部件而设计，具有高度复杂性与自动化特点。而在珠宝行业，其关注重点更多地聚焦于特定产品，以戒指为例，这类产品需依据戒指的尺寸、宽度、材质以及合金类型，打造出极为丰富多样的款式。这种多样性使得珠宝加工设备必须具备高度定制化与精密化特性。”
据 Sascha Jentner 介绍，目前市场上尚无能与 mySaw 媲美的戒指加工设备：该系统的管材库最多可存储 54 根铂金、黄金或白银材质的管材作为原料。系统会从管材库中选取一根在材料和边角料方面最契合订单需求的管材，随后将戒指锯切至所需宽度，再根据每个戒指的尺寸或内圈周长进行扩圈处理，最后通过卸料杆将加工好的戒指传送到后续加工设备。这种全自动坯料制备工艺显著减少了所需时间、成本以及材料损耗 — 因为锯切切口非常薄，且产生的碎屑会被收集起来。Carl Benzinger 公司电气设计与软件部门主管 Christian Spieler 也证实了设备功能的全面集成性：“mySaw 在初始设计阶段，仅仅被定位为一台纯粹的锯床，为了最大程度地契合客户多样化的需求，在后续的研发与改进过程中，集成了戒指扩圈装置。戒指尺寸标定系统以及基于 AI 和视觉技术的质量检测模块，为设备的高功能性与高效运行提供了决定性的支撑。”
精准实现大量运动任务
锯床内众多精密运动功能对于保障高效加工流程至关重要。首先，旋转分度管材库会根据订单所选原料移动至正确位置。夹爪随后取出管材，使其经过光栅传感器以检测夹爪位置与尺寸，而后抵达锯切单元，按所需宽度切割戒指坯料。完成锯切后，坯料落至卸料芯轴，同时夹爪将余料送回管材库，并取出下一根管材。与此同时，锯切完成的坯料通过直接传输或集成式戒指扩圈装置输送至出料单元。
产品搬运与锯切单元的运动功能通过倍福的 AX8000 多轴伺服系统和 AM8000 伺服电机实现。此外，戒指扩圈装置采用 AA3033 电动缸 作为直驱驱动器，并通过 EtherCAT 伺服电机端子模块 EL7211-9014 控制 AM8112 伺服电机，以驱动作为戒指尺寸标定平台的小型工作台。软件层面采用安装在结构超紧凑的 CX5240 嵌入式控制器上的 TwinCAT PLC/NC PTP 10。Carl Benzinger 公司软件开发工程师 Mike Gutekunst 解释道：“所有工程软件都安装在嵌入式控制器上，我们仅需少量培训与工程适配工作。另一个显著优势是 TwinCAT 具备全面的仿真功能，便于我们逐步搭建项目。这极大地简化了我们的工作，尤其是通过 TwinCAT Drive Manager 2 工具，我们能够在一套软件中实现从紧凑型驱动技术到电动缸，乃至 AX8000 的所有运动控制系统。”
Christian Spieler 列举了倍福驱动技术的更多优势：“我们之所以选择 AX8000 多轴伺服系统，关键因素是它采用了紧凑型设计。此外还有单电缆技术（OCT）带来的空间与材料节省优势，以及电子铭牌功能。例如，系统可通过各伺服电机的电子铭牌识别不同的管材库，并自动匹配对应的物料数据库。”凭借可自动识别所有网络节点的 EtherCAT 工业以太网系统，项目实施也变得更加简便。EtherCAT 的开放性还支持各种第三方组件，并能轻松集成至控制系统中。
基于 PC 控制技术的系统开放性与 IT 技术集成
不仅是 EtherCAT 凭借其开放性简化了项目实施，倍福基于 PC 控制技术的整体控制解决方案同样如此。Mike Gutekunst 补充道：“TwinCAT 为开发与 Runtime 提供直通 TwinCAT HMI 可视化的端到端平台，这是一个巨大优势。而且，由于工程软件也安装在 mySaw 目标系统中，借助远程维护手段，能够极为便捷地在全球范围内实现对机床的访问，并在必要时开展诊断与故障排除工作。但对我们而言，开放性更意味着 TwinCAT 具备模块化和可扩展性。凭借这一优势，集成新功能以及开发像戒指扩圈装置这类新设备的工作变得极为简单。对于我这样的软件开发人员来说，与 Visual Studio 的集成无疑是一个额外的优势。”
对 Christian Spieler 而言，与上层 IT 系统便捷建立连接的能力同样体现了开放性：“这对 mySaw 至关重要，尤其是考虑到全自动化生产。本质上只需一条数据传输线路连接设备。终端客户通过配置器订购所需戒指后，会触发客户 ERP 或 MES 系统中的订单，订单以数据集形式传输至 mySaw。因此，基于 PC 控制技术的简易 IT 集成尤为关键。通过 TwinCAT Connectivity，我们还能充分满足将来客户提出的诸如通过 OPC UA 通信等需求 — 其核心优势正是可扩展性。”
AI 和视觉技术无缝集成至控制系统
除配备扩圈装置外，mySaw 锯床还具备对成品戒指进行 AI 质量检测的功能。Sascha Jentner 阐释了这一功能的重要性：“通过集成扩圈装置，即便最终产品的规格存在极大差异，我们仍能最大限度减少原材料管材用量。由于影响扩圈过程的参数众多，包括材料特性、质量、戒指宽度与厚度，以及加工过程中的戒指旋转，因此无法精确预测戒指的扩圈程度或材料何时会断裂。如果没有 AI 或机器学习技术，机床将无法判断戒指坯料是否存在裂纹，尤其是不同材料会呈现不同的缺陷模式，且切屑或冷却液残留物会加大裂纹检测的难度。最糟糕的情况是，存在缺陷的戒指坯料会进入下游设备的完整加工流程，这将导致不必要的时间与成本浪费。”
然而，在工业化戒指生产过程中，确保有缺陷的产品不会流入终端客户手中，是实现生产成功的关键所在。因此，必须探寻到一种可靠且高效的在线质量检测解决方案。Mike Gutekunst 解释道：“倍福控制技术的高性能与高度集成化让我们拥有了多种可选方案。起初，我们研究了能否通过监测扩圈装置电动缸的电流消耗进行质量检测，不过，鉴于机器学习和视觉技术，我们最后选择了最终光学检测方案。为此，我们开发了一个 AI 模型，尽管存在大量潜在误差源，但在 TwinCAT 产品经理 Nicolas Camargo Torres 的支持下，我们仅使用约 200 张良品/次品图片，就通过 TwinCAT Machine Learning Creator 完成了模型训练。总体而言，这种自动化训练方式极大提升了我们的效率，尤其是在开发资源有限且原本需要额外配备数据科学专家的情况下显得尤为重要。”
TwinCAT Machine Learning Creator 凭借其丰富的分析功能，为 AI 模型的开发提供了全面支持。Mike Gutekunst 指出，该功能对于判断错误检测的可靠性是否满足强化训练要求，或是否需要在上游流程中进行调整至关重要。训练好的 AI 模型可以通过 TwinCAT Vision Neural Network 直接在控制器中实时运行，其操作便捷性与任何其它 TwinCAT 功能无异，且无需具备专业的 AI 知识。
Carl Benzinger 同样受益于机器视觉方面的无缝集成、开放性与可扩展性优势，其机器视觉系统与 AI 扩展组件一同运行在 C6025 超紧凑型工业 PC 上，实现了始终如一的模块化机械设计。该工业 PC 通过 ADS 与作为主控制器的 CX5240 进行双向通信，借助 TwinCAT PLC 视觉与 AI 应用程序完成两台控制器之间的数据传输与握手交互。借助 TwinCAT Vision，无论是倍福机器视觉硬件还是第三方供应商的 GigE 视觉相机，都能轻松集成到控制系统中。Christian Spieler 总结了倍福机器视觉解决方案采用软硬件集成设计所带来的优势：“EtherCAT 技术使我们能够轻松集成相机，并可靠、精准地传输触发信号。即插即用功能、最小化的布线工作以及工业级硬件设计都是额外优势。此外，倍福解决方案整体上具有非常出色的性价比。”
