应用案例 | 加快高精度装配微型光学器件的速度

导语：位于德国 Herzogenrath 的 Aixemtec 有限公司开发各种电子光学系统精密装配自动化解决方案。

位于德国 Herzogenrath 的 Aixemtec 有限公司开发各种电子光学系统精密装配自动化解决方案。这家高科技公司于 2016 年成立，是德国弗劳恩霍夫生产技术研究所(IPT)的衍生公司，提供基于模块化系统的定制解决方案，包括进料、搬运、超精密装配的显微作和测量，以及质保。倍福基于 PC 的控制技术，包括 TwinCAT Vision 软件，确保了高精度、高速度的工艺流程。

光学系统被广泛用于各种核心技术部件日益微型化的产品。此外还可用于自动驾驶使用的传感器和相机(如 LiDAR 系统和驾驶辅助相机)、手势识别和高功率激光器的光束整形。这些光学系统的装配精度要求从几微米到几百纳米不等。再加上循环时间不到一秒钟，且每台设备每年生产几百万个部件，这对整个自动化系统提出了特别高的要求。

紧凑、灵活的自动化技术

Aixemtec 以全面的模块化系统平台为基础，为各种应用领域提供装配解决方案。每台设备都采用了可扩展的外壳设计方案，经常会使用高精度和高动态的直线驱动器。倍福的自动化组件可以优化整个平台的空间利用率，同时还能够大幅减少系统的占地面积。比如用于控制直线电机的结构紧凑的模块化 AX8000 伺服驱动器，它明显减少了控制柜中被占用的空间。

高性能的 C6032 超紧凑型工业 PC 是减小系统体积的另一个关键因素：到目前为止，除了使用 CX5130 嵌入式控制器进行设备控制之外，还使用了一台单独的 PC 进行图像处理、人机界面和顺序控制，而现在，C6032 承担了所有这些任务。倍福的紧凑型驱动技术，如驱动 AM8100 伺服电机的 EL72xx 系列 EtherCAT 伺服端子模块，以及高密度 EtherCAT 端子模块，也确保节省 DIN 导轨上的空间。“每个轴模块的尺寸都很小，可以将模块排成一列，并集成安全功能，由于采用 EtherCAT 总线系统，因此无需额外布线，比我们之前使用的解决方案相比，节省了 63% 的安装空间。当然，我们也可以用它来控制第三方驱动器。”Aixemtec 公司设备开发主管 Sebastian Sauer 解释道。

高性能 C6032 超紧凑型工业 PC 使用大量的 TwinCAT 软件功能(如 TwinCAT Vision)控制所有的设备和工艺顺序

广泛的硬件和软件接口

中央工业 PC C6032 具备强大的多核计算能力，负责控制所有设备部件。在软件方面，除了使用 TwinCAT PLC、TwinCAT NC PTP、TwinSAFE 和 TwinCAT HMI 之外，还使用了 TwinCAT Vision，它在连接多达 8 个工业相机方面发挥了关键作用。针对处理链的一些准备工作在实时环境之外一个专门开发的高级语言程序中进行。在这里，倍福基于 PC 的控制系统能够将 TwinCAT 与用户专用的程序无缝集成在同一台工业PC 上。TwinCAT 支持不同软件系统之间使用 ADS 或 OPC UA 等通用的通信接口进行所需的通信。

Sebastian Sauer 解释道：

“Aixemtec 与倍福在理念上非常契合：我们希望我们能以合作伙伴的身份为客户的整个产品链提供服务。因此，倍福已经成为我们自动化技术的主要合作伙伴，他们可以一站式提供运动控制、HMI 与图像处理等各种技术支持，双方一直保持密切沟通，避免了因沟通不畅带来的巨大损失。”

用于微透镜的高动态取放工艺

例如，微透镜的取放是一个要求很高的工艺过程。在组装随机送入的微透镜前，必须首先在刀架上按照特定方向排列这些微透镜，以便在工件库中快速、精确地定位易碎的部件。在很多情况下，这些部件的横截面只有几根头发丝宽。

微透镜在一个背光表面上被批量送入。这个表面通过 XYZ 运动学用相机进行扫描，生成一个正在被检查的区域的二维全景图。借助 EtherCAT 分布式时钟功能，实现 TwinCAT NC 轴控制与 TwinCAT Vision 的高精度时间同步，使得图像捕获可以与轴位置精确对齐。以前使用的是耗时的 PTP 运动过程，而 TwinCAT Vision 可以将该过程的设置时间至少减少 8 倍，无需因为每次的图像捕捉动作而停止运动。在“飞越”过程中创建的每个图像都被实时插入到一个具有像素级精度的整体图像中。利用这个整体图像，通过图像处理来识别微透镜，并测量它们当前的姿态。这样可以制定一个高效的工作计划，即 pick-and-place system 取放系统应如何拾取每个镜头，确定它们在所有空间维度上的姿态并将它们放好。由 AX8000 控制的直线轴能够实现高动态和高精度运动。

在接下来的步骤中，已经准备好组装的微透镜与光源粘接在一起。为此，粘合剂分配器将固定量的粘合剂涂在微透镜上。精确计量是正确装配的关键，因此，在分配过程中，必须通过相机系统对液滴流量持续进行监测和调整。未来，这项任务也将使用 TwinCAT Vision 实现，通过 EL2596 LED 闪光灯控制端子模块和分布式时钟功能可以完美同步液滴触发、图像捕捉和曝光等过程。在粘合剂变硬之前，待装配的系统的光学功能借助闭环控制的 6D 机械手进行优化。

模块化的 AX8000 伺服驱动器节省了大量控制柜空间

结论

Sebastian Sauer 总结道：“包括 TwinCAT Vision 在内的软硬件一体化解决方案对我们来说是一个十分理想的解决方案。分布式时钟功能和 XFC 技术让我们能够保留我们的模块化设计。TwinCAT Vision 能够完全在实时环境中进行图像处理。这对我们以及我们的客户来说是一个独特的优势，在实时环境之外的应用中，我们已经几乎完全依赖 OpenCV。事实上，倍福也将此作为其产品的基础，即我们可以在现有专业知识的基础上继续开发。”

倍福全面的产品系列可以确保在开发设计过程中实现统一的工作流程，同时实现高性能而又紧凑的设备设计。多样化的软件和硬件接口能够以一致的方式解决所有难题。Aixemtec 公司的开放式系统解决方案的灵活性非常高，因此可以映射出任何客户专用的工艺过程。“工业图像处理一直以来都是最先进的，也是我们设备架构的基石之一。现在，通过 TwinCAT Vision 可以用循环同步的方式将图像处理功能集成到过程控制中。”Aixemtec 公司总经理 Sebastian Haag 在解释该开发项目的优势时说道。

从左至右：Aixemtec 公司总经理 Sebastian Haag、倍福亚琛办事处应用和高校管理部的 Christian Kukla，以及 Aixemtec 公司设备开发主管 Sebastian Sauer 在部件装配系统前