印刷的设备成本降低了 40%

创新型 Tesseract 打印机的诞生，最初源于一张餐巾纸上的草图，当时 Norwalt Automation 的工程师们正在观看倍福 XPlanar 系统的演示。该系统采用磁悬浮动子，能够以六自由度运动精准定位印刷部件，使得单个打印引擎即可覆盖多种几何形状的产品，且通过软件便能快速、轻松地完成不同格式之间的切换。

五十年来，Norwalt Automation Group 始终凭借其定制化设备自动化铸就成功。这家家族企业已传承三代，在美国新泽西州兰道夫市与佛罗里达州坦帕市均设有工厂，业务覆盖数字印刷、包装、制药及食品饮料等多个行业。公司的核心优势在于为大型快消品客户（多为财富 50 强企业）攻克复杂的定制化自动化难题。尤其对于各大品牌而言，他们迫切需要更快速地推出区域性和季节性产品，同时有效降低库存风险。

从标签到直接印刷

采用塑料和纸质标签的传统印刷方式，不仅设置耗时漫长、人工干预频繁，而且因印刷错误或换单效率低下会产生大量材料浪费。那些希望尝试限量版、区域化设计或快速促销活动的品牌，往往只能将小批量订单外包给合同包装商，要么就不得不承受高昂的沉没成本与漫长的交付周期。

Norwalt 意识到，必须从根本上重新思考标签印刷机的设计理念 — 转向能够提升印刷速度、最大限度减少浪费并切实降低成本的解决方案。由此催生的，正是直接印刷技术。“在快消品市场中，成本常常会急剧攀升，因为你需要订购大量成卷的标签，还得将它们存放在恒温仓库中，这会占用大量本可用于其它制造环节的宝贵空间。”技术销售总监 Kyle Seitel 解释道，“而转向直接印刷，本质上就是用油墨替代了标签卷。一盒油墨可以使用很长时间，且保存无需特殊环境控制，成本自然就降下来了。”

然而，很多直接印刷系统仅能适配单一几何形状的产品，面对锥形、不规则或复杂造型的物体便无能为力，除非借助大量机械夹具。Norwalt 的目标十分明确：一台灵活的设备支持多种几何形状，通过软件实现快速换单，并支持在现场按需添加模块以扩展产能。

印刷中的六自由度

Norwalt 开发的直接印刷解决方案如今被称为 Tesseract，它是一款基于倍福 XPlanar 智能输送系统与 PC 控制技术构建的模块化设备。在几何学中，“tesseract”（超正方体）指的是将二维正方形与三维立方体延展至第四维度的四维超正方体，其在旋转时呈现出复杂而迷人的特性。Norwalt 这款同样尖端的 Tesseract 印刷机，最初却诞生于工程师们在酒吧餐巾纸上绘就的草图 — 当时，他们正观看 XPlanar 系统的机电一体化运动演示，由此萌生了一个大胆设想：利用磁悬浮动子以六自由度动态定位工件，使单个打印引擎即可适配更多几何形状。他们通过以下方式逐步验证了这一构想：先以一个 3 x 3 的 XPlanar 平面模块阵列搭配单个打印头进行测试，再根据需求逐步增加模块与打印头以扩展规模。这种模块化方法使 Norwalt 能够以最少的返工在现场快速提升产能。“这正是 XPlanar 真正的魅力所在 — 当空间不够时，我们只需不断添加平面模块即可。”Kyle Seitel 表示。

XPlanar 的“飞行”动子与运行于 CX2062 嵌入式控制器上的 TwinCAT 软件相结合，为 Norwalt 提供了所需的灵活、软件驱动且自适应的零件输送能力。动子可 360 度旋转零件，在 X、Y 坐标上自由平移，甚至最多可将 Z 轴高度调节至 5 毫米，因此，即便是复杂几何形状的物体，也能在印头周围实现最优运动轨迹，从而确保高印刷质量。凭借六自由度运动，XPlanar 确保持续一致的印刷效果，精度可达亚毫米级。机械臂负责将容器装载、卸放至悬浮运行的 XPlanar 动子上。

运动曲线通过软件控制，因此将运动轨迹从圆形切换为线性、或调整停留点，只需在 HMI 上轻按按钮即可完成 — 无需任何繁琐的机械更换。

在运动控制方面，ELM7212 伺服电机端子模块搭配 AM8100 系列伺服电机，负责控制印头定位及所有需要高精度的直线轴；这些超紧凑型驱动器通过 EtherCAT 联网，确保低延迟触发与多色油墨的平滑叠加。EtherCAT 同时为 Tesseract 的一系列分布式 I/O 模块提供确定性高速通信，实现整个系统极其紧密的同步。借助 EtherCAT 的诊断功能，工程师无需再耗费数小时逐一分配 IP 地址、排查接线错误，只需扫描 EtherCAT 网络，即可快速识别所有连接的设备，并精确定位布线问题，从而在许多情况下将调试时间从数天缩短至数分钟。设备安全功能则通过 TwinSAFE I/O 端子模块与 Safety over EtherCAT（FSoE）集成。

TwinCAT HMI 软件（内含 PackML 状态机）运行于 CP22xx 系列多点触控控制面板及 CP3xxx 系列面板型 PC 之上。TwinCAT 自动化软件成为 XPlanar、PLC、所有运动控制功能、HMI、设备安全及上层 PC 任务的统一开发环境。Norwalt 的工程师利用了 TwinCAT 的结构化文本和面向对象编程（OOP）功能，构建了模块化、可复用的功能块、属性和方法，以及可跨设备应用的标准化运动曲线。此外，基于文本的工作流程还使 Norwalt 能够采用标准的软件版本控制实践 — 分支、提交与合并 — 从而加快开发节奏，并使回滚与审计变得简单直接。

这大幅缩短了编程时间；过去需要数小时精心手动完成的工作，如今借助标准化软件工作流程，仅需几分钟即可实现。这种生产力的飞跃，转化为更快的设备迭代、更迅速的现场修复，以及更可预期的交付周期。

通过与倍福美国分公司特别项目组（SPT）及技术支持部门的紧密协作，Norwalt 的控制工程师们迅速跨越学习曲线，并在复杂的系统集成过程中获得了切实的帮助。“能遇到这样优秀的团队，让我能够独立接手并顺利推进项目，我对此深感满意。”Norwalt 控制工程师 Michael Forte 说道。

实践出真知

Tesseract 项目收获了多项亮眼成果。其中最显著的影响在于操作灵活性：直接印刷省去了大量成卷标签及其带来的废料，大幅降低了库存持有成本，并让企业得以按需生产定制化产品。

Norwalt 还大幅降低了机械复杂度并提升了可维护性，因为 XPlanar 取代了许多传统机械部件与齿轮箱。“从机械角度来看，这使设备成本降低了 30% 至 40%，相当于节省了数十万美元。”Norwalt 公司业务拓展执行总监 Keith Harman 表示。更小的机械占用空间也缩小了整机尺寸，节省了厂房面积，而更少的机械部件则意味着更低的故障率。“而对于确实出现的故障，95% 都可以远程处理，因为根本不存在需要校正的机械故障。”Keith Harman 说道。

产品质量和印刷性能同样得到了显著提升。精准的控制与高度同步的 EtherCAT 通信，确保了多色叠印仍能满足高质量印刷所需的套准精度。最终，这台设备及其整套工艺，完美契合了公司的长期愿景：借助适应性强、面向未来的自动化与机电一体化技术，为快消品及制药企业打造未来工厂。