همگام‌سازی ۱۲۰ محور در سیستم انتقال خطی Beckhoff برای دستگاه درب‌زن فوق‌سریع جدید تتراپک؛ «ماشین جادویی»

مقدمه

صنعت بسته‌بندی نوشیدنی در سال‌های اخیر با تحولی بنیادین در حوزه اتوماسیون، دیجیتالی‌سازی و کنترل حرکت روبه‌رو شده است. افزایش تقاضا برای سرعت تولید بالاتر، انعطاف‌پذیری بیشتر در تغییر فرمت محصولات، کاهش فضای اشغال‌شده در خطوط تولید و در عین حال تضمین کیفیت و آب‌بندی کامل بسته‌ها، تولیدکنندگان ماشین‌آلات را وادار کرده است تا به راهکارهایی فراتر از طراحی‌های مکانیکی سنتی بیندیشند.در این میان، جایگزینی سامانه‌های مکانیکی پیچیده با سیستم‌های مبتنی بر نرم‌افزار و کنترل دیجیتال، به یکی از مهم‌ترین روندهای فناورانه در ماشین‌سازی پیشرفته تبدیل شده است. استفاده از سیستم‌های انتقال خطی هوشمند، همگام‌سازی ده‌ها و حتی صدها محور حرکتی، یکپارچه‌سازی بینایی ماشین با کنترل حرکت، و بهره‌گیری از پلتفرم‌های باز و مبتنی بر PC، اکنون استانداردهای جدیدی در عملکرد، قابلیت اطمینان و بهره‌وری تعریف کرده‌اند.شرکت تتراپک، به‌عنوان یکی از پیشگامان جهانی در حوزه راهکارهای فرآوری و بسته‌بندی مواد غذایی، در مرکز توسعه خود در مودنا ایتالیا، نسل جدیدی از دستگاه‌های درب‌زن را معرفی کرده است که با تکیه بر فناوری سیستم انتقال خطی XTS شرکت Beckhoff، موفق به همگام‌سازی بیش از ۱۲۰ محور حرکتی شده است. نتیجه این نوآوری، دستیابی به سرعتی معادل ۲۵٬۰۰۰ واحد در ساعت، افزایش چشمگیر قابلیت اطمینان و انعطاف‌پذیری بی‌سابقه در تغییر فرمت‌های بسته‌بندی بوده است؛ سیستمی که یکی از مشتریان اولیه آن را «ماشین جادویی» نامیده است.آنچه در ادامه می‌آید، بررسی فنی و تحلیلی این پروژه پیشرفته است؛ پروژه‌ای که نمونه‌ای شاخص از حرکت صنعت بسته‌بندی به‌سوی اتوماسیون هوشمند، دیجیتالی‌سازی عمیق و معماری‌های کنترل کاملاً یکپارچه به‌شمار می‌رود.در مرکز توسعه تتراپک در مودنا ایتالیا، مهندسان این شرکت به‌تازگی نسل جدیدی از دستگاه‌های درب‌زن را طراحی کرده‌اند که درب‌های پلاستیکی را با سرعت و دقتی بی‌سابقه بر روی بسته‌های نوشیدنی نصب می‌کند. دستگاه جدید Tetra Pak Cap Applicator 40 Speed Hyper از سیستم انتقال خطی سروو XTS شرکت Beckhoff استفاده می‌کند که بیش از ۱۲۰ محور حرکتی را با دقت کامل همگام‌سازی می‌کند. این فناوری موجب دو برابر شدن قابلیت اطمینان سیستم و امکان تغییر سریع بین فرمت‌های مختلف بسته‌بندی شده است.این سیستم تا حدی موفق بوده که مشتری پایلوت تتراپک (که نامش فاش نشده) آن را به دلیل قابلیت اطمینان، عملکرد و انعطاف‌پذیری بالا، یک «ماشین جادویی» توصیف کرده است.

پاسخ به نیاز مشتریان

جیان‌مارکو دی اوزبیو، مدیر محصول در تتراپک، می‌گوید:

در توسعه‌های جدید، همواره گوش دادن دقیق به نیازهای مشتریان برای ما اهمیت دارد. در این پروژه، نیاز به دستگاهی انعطاف‌پذیرتر، با اشغال فضای کمتر و ظرفیت تولید بالاتر وجود داشت. راهکارهای فعلی برای بسته‌های تک‌نفره حدود ۹۰۰۰ واحد در ساعت تولید دارند؛ بنابراین رسیدن به ظرفیت ۲۵٬۰۰۰ واحد در ساعت مستلزم نصب سه دستگاه مجزا با سیستم‌های تغذیه جداگانه و فضای اضافی بود.در این دستگاه جدید، دو سیستم انتقال خطی XTS به‌صورت موازی نصب شده‌اند تا اتصال بسیار سریع و دقیق درب پلاستیکی به بسته را امکان‌پذیر کنند. این فرآیند با پشتیبانی محورهای حرکتی اضافی مبتنی بر سرووموتورهای AM8000 انجام می‌شود.دی اوزبیو تأکید می‌کند که الزامات این پروژه بسیار چالش‌برانگیز بوده است؛ هم به دلیل نرخ پردازش بسیار بالا و هم به‌دلیل هندسه سه‌بعدی پیچیده درب‌ها که باید با استانداردهای کیفی بسیار بالا و با چسب‌کاری دقیق اعمال شوند.

حرکت به سوی دیجیتالی‌سازی کامل

برای دستیابی به این اهداف، تیم مهندسی تتراپک فناوری کنترل مبتنی بر PC شرکت Beckhoff را انتخاب کرد تا توان پردازشی و انعطاف‌پذیری لازم را فراهم کند.

پائولو اسکارابلی، مدیر نوآوری و تحلیل داده در تتراپک، می‌گوید:

مشتریان ما به‌طور فزاینده‌ای خواهان سیستم‌هایی با سطح بالایی از دیجیتالی‌سازی و اتصال‌پذیری هستند. فناوری کنترل مبتنی بر PC بکهف پایه‌ای ایده‌آل برای این هدف فراهم می‌کند. سیستم XTS این امکان را می‌دهد که عملکردهایی که پیش‌تر به‌صورت مکانیکی انجام می‌شدند، اکنون در قالب نرم‌افزار پیاده‌سازی شوند. این گامی دیگر به سوی دیجیتالی‌سازی ماشین‌آلات است.

او اضافه می‌کند:در دستگاه Cap Applicator 40 Speed Hyper توانستیم مرز میان اجزای مکانیکی و دیجیتال را به نفع دیجیتالی‌سازی جابه‌جا کنیم. اکنون کنترل کامل دیجیتال بر تعداد بیشتری از عملکردهای ماشین داریم و می‌توانیم سیستم را با اطمینان بالاتری راهبری کنیم.این سطح بالاتر دیجیتالی‌سازی موجب شفافیت داده‌ها و کاهش زمان تغییر محصول شده است.

انعطاف‌پذیری نرم‌افزاری و کنترل دقیق چسب

فابیو باسیسی، متخصص فناوری در تتراپک، توضیح می‌دهد:

حرکت‌دهنده‌های XTS را می‌توان به‌صورت محورهای سرووی مستقل کنترل کرد. این موضوع اجازه می‌دهد فرمت‌های جدید محصول به‌سرعت و به‌سادگی از طریق نرم‌افزار تعریف شوند. همچنین در ترکیب با سیستم بینایی برای پایش چسب، می‌توانیم تلرانس‌های مکانیکی را به‌خوبی جبران کنیم.چسب در بخش بالایی سیستم XTS روی درب‌های پلاستیکی اعمال می‌شود و سپس در بخش پایینی، درب‌ها با دقت بسیار بالا روی بسته‌ها نصب می‌شوند — فرآیندی که در سرعت کامل تقریباً با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست.در صورت تشخیص انحراف در میزان یا محل چسب توسط سیستم بینایی، نرم‌افزار به‌طور خودکار صفحات بادامکی (Cam Plates) را برای جفت حرکت‌دهنده‌ها در حین کار تغییر می‌دهد و مسیر دقیق را بازیابی می‌کند.همچنین سیستم پایش سلامت تجهیزات (Asset Health Monitoring) وضعیت تجهیزات را بررسی می‌کند که این امر برای تضمین کیفیت نهایی حیاتی است؛ زیرا بسته‌های نوشیدنی تنها زمانی قابل عرضه به مصرف‌کننده هستند که کاملاً آب‌بند و بدون نشتی باشند.

معماری حرکتی پیچیده

معماری حرکتی دستگاه شامل:

• بیش از ۱۲۰ محور واقعی
• ۱۰ محور مستر مجازی
• دو مسیر خطی ۴٫۵ متری موازی
• هر مسیر شامل ۵۵ حرکت‌دهنده
• حدود ۱۰ محور سرووی چرخشی برای انتقال بسته و اعمال چسب حرارتی

به دلیل شکل سه‌بعدی درب‌ها، حرکات X، Y و Z باید با مسیر حرکت‌دهنده‌ها کاملاً همگام باشند. هر جفت حرکت‌دهنده به‌صورت مکانیکی به هم متصل هستند اما روی دو سیستم انتقال موازی عمل می‌کنند.

استفانو فلوره، مدیر خطوط بسته‌بندی، می‌گوید:

برای نرم‌افزار کنترل تفاوتی ندارد که حرکت‌دهنده‌ها روی یک سیستم باشند یا روی دو سیستم موازی؛ همواره آن‌ها را کاملاً همگام حرکت می‌دهد.

انعطاف‌پذیری ماژولار

سیستم انتقال خطی به‌دلیل طراحی ماژولار خود انعطاف‌پذیری بالایی دارد:

• امکان تغییر طول مسیر
• افزایش یا کاهش تعداد حرکت‌دهنده‌ها
• ایجاد نسخه‌های مختلف ماشین با ظرفیت‌های متفاوت
• تغییر سریع به فرمت‌های بسته‌بندی دیگر

تمام پیکربندی‌های جدید صرفاً از طریق تنظیم فاصله حرکت‌دهنده‌ها و پارامترهای حرکتی در نرم‌افزار انجام می‌شود.در مرحله اعمال چسب، حداکثر شش حرکت‌دهنده هماهنگ می‌شوند تا یک دسته (Batch) تشکیل دهند. براکت نگهدارنده درب با استفاده از کوپلینگ مکانیکی همراه با حرکت‌دهنده سیستم موازی، در محورهای X و Y حرکت می‌کند و تلرانس‌های احتمالی (مانند خطای نازل چسب) را جبران می‌کند. سپس درب با دقت بالا روی بسته نصب و توسط سیستم بینایی کنترل می‌شود. فشار تماس مناسب نیز از طریق نیروی عرضی دقیق و کنترل‌شده تأمین می‌شود.

افزایش قابلیت اطمینان

تعامل هماهنگ میان دو گنتری کوپل‌شده، فشار تماس لازم را ایجاد می‌کند. کنترل دیجیتال گسترده امکان انتقال مستقیم داده‌های حرکتی به سیستم عیب‌یابی را فراهم کرده است. انحرافات به‌سرعت شناسایی یا حتی پیشگیری می‌شوند.

دی اوزبیو می‌گوید:میانگین زمان بین خرابی‌ها (MTBF) در این سیستم بیش از دو برابر شده است.

پلتفرم کنترل و درایوها

تتراپک فناوری Beckhoff را به دلیل یکپارچگی کامل اجزا انتخاب کرد. قلب سیستم کنترل شامل:

• دو کامپیوتر صنعتی فشرده C6032
• نرم‌افزار TwinCAT NC PTP و TwinCAT PLC
• درایوهای چندمحوره AX8000
• سرووموتورهای AM8000
• شبکه ارتباطی EtherCAT

پلتفرم TwinCAT امکاناتی نظیر:

• پشتیبانی از زبان‌های برنامه‌نویسی متنوع از جمله شی‌گرا
• یکپارچگی با Microsoft Visual Studio
• پشتیبانی قوی از پردازنده‌های چند هسته‌ای
• کتابخانه‌های گسترده و امکان توسعه کتابخانه‌های سفارشی
• ابزار تحلیل TwinCAT Scope
• قابلیت شبیه‌سازی ماشین

را فراهم می‌کند. فلوره تأکید می‌کند که باز بودن پلتفرم و ارتباط EtherCAT نقش کلیدی در یکپارچه‌سازی I/O، ایمنی عملکردی و فناوری درایو داشته است.

پشتیبانی و آینده توسعه

داویده بورگی، مدیر تحلیل پیشرفته تجهیزات در تتراپک، می‌گوید:

در معرفی تجهیزات جدید با پلتفرم نرم‌افزاری جدید، پشتیبانی فنی اهمیت بالایی دارد. در این پروژه، پشتیبانی از مرحله آزمون امکان‌سنجی تا پیکربندی سیستم و عملکردهای گسترده آن، چه در ایتالیا و چه از سوی متخصصان آلمان، به‌صورت بی‌نقص انجام شد.

چشم‌انداز آینده

تتراپک در حال بررسی فناوری‌های نوین زیر است:

• No Cable Technology (NCT)
• XPlanar))سیستم حرکت‌دهنده شناور مغناطیسی
• (MX-System)  اتوماسیون بدون تابلو برق
• TwinCAT Runtime for Linux

فلوره می‌گوید:

پتانسیل بسیار زیادی برای شگفت‌زده کردن مشتریان وجود دارد — همان‌طور که در این پروژه توانستیم یک “ماشین جادویی” ارائه دهیم.

جمع‌بندی

دستگاه Cap Applicator 40 Speed Hyper نمونه‌ای شاخص از تحول صنعت ماشین‌سازی به‌سوی:

• جایگزینی مکانیک پیچیده با نرم‌افزار هوشمند
• همگام‌سازی گسترده محورها در سرعت‌های بسیار بالا
• کنترل کیفیت بلادرنگ با بینایی ماشین
• طراحی ماژولار و مقیاس‌پذیر
• دیجیتالی‌سازی کامل پلتفرم حرکتی

این پروژه نشان می‌دهد آینده اتوماسیون پیشرفته در ترکیب هوشمندانه نرم‌افزار، کنترل مبتنی بر PC و سیستم‌های انتقال خطی نهفته است.