图1  新型装配线的核心部件是一个有着两个机械手臂的三坐标机器人和能够完成汽缸盖3D空间准确定位的托板定位系统

市场对生产商提出更多要求，如产品产量的灵活增减以及快速完成新产品或变型产品的生产加工等，如此才能迅速满足用户不断变化的各种需求。带有快速更换刀具和工具机构的新型集约型生产加工中心恰恰迎合了这些需求。

传统生产线一般都是按照变型品种不多的产品来设计的，其加工工序多是相对固定的，变动起来非常困难，多数情况下难以实现或者要付出很大代价之后才能实现。为了实现生产线的柔性化，全球领先的工程设计公司Comau使用了IO-Link标准，在电力供应和信号传输方面使用了无线传输的感应式耦合器，实现了小型生产线的快速自动更换刀具和工具。

有了这一系统，就能在工作条件比较恶劣的环境中省略常规使用的电缆和数据线。目前，该设备已经在一家发动机生产厂汽缸盖的装配过程中通过了样机的实践检验。据Comau公司介绍，利用Smart-Cell系统把汽缸盖装配生产中的固定生产成本和变动生产成本降低了40%，机床占地面积也减少了60%，自动化元器件的数量减少了75%。

连续完成刀具和工具的更换

与传统装配线不同，新型装配线能够实现刀具和工具的连续更换。该装配线的核心部件是一个有着两个机械手臂的三坐标机器人和能够完成汽缸盖3D空间准确定位的托板定位系统（图1）。当机器人的一个机械手正在忙于装配汽缸盖时，另一个机械手已经换好了下一工序所需的加工装配刀具或者工具。这样就可以在小型汽缸盖装配生产线中连续完成汽缸盖的装配；在装配两个不同零部件时两个机械手甚至可以一起工作，同时参与汽缸盖的装配。传统装配线中，同样型号的汽缸盖装配需要9～12道工序，也就是需要9～12台专用机床，外加上料设备和运输设备，这些工序全部完成需要超过300s的工时。而在装有新型Smart-Cell控制系统的小型生产线中，只需52s就完成了外部装配任务。

快速更换刀具和工具对机器人的电缆和通讯都提出了很高的要求。电缆和信号线都应该在自动化生产线中随着机床部件的运动而灵活的运动。因此，在要求极高的应用中，机床的运动也要有一定时间的延迟，否则设备将会因电缆和信号线的磨损而带来更大损失。即使其替代解决方案，如滑环系统和插接连接系统等在机器人技术中经常使用的，也都不是长寿命的解决方案。插接式连接对技术要求最高，接口中的触针和接触器都必须采用弹性支撑。同时，插头的对接也要求非常精确的定位。而上面提到的滑环系统不仅使用不够灵活，而且造价相当昂贵，不耐磨损，不易更换。

图2  在IO-Link技术的帮助下大大减少了机床设备电缆的费用，提高了机床设备更换刀具和工具的性能，缩短了生产加工工时，同时也延长了设备的维修保养周期

Comau公司利用Balluff公司研发生产的BIC感应式耦合器成功解决了这一问题。整个系统安装在坚固的、安全防护等级达IP67的M30优质钢防护壳中，利用最大5mm的空气间隙无线传输信号，从而代替了固定的电缆连接。在维修和调试时，可以借助于M12插接接口实现即插即用，机床上部可见度很好的LED发光二极管能清楚的显示出设备当前的状态和工作准备情况，大大减轻了装配和标定的工作量。另外，这一系统对安装位置的精度要求也不高：允许有角度达18°的安装偏差。

机床生产厂对设备的生产率和可靠性有着很高的要求。设计初期考虑的Profibus现场总线布线方式无法满足机床传感器和机械手等部件在这些方面的要求。虽然采用了现场总线技术之后能够明显提高机床设备的工作可靠性并减少故障率，但在刀具和工具的更换方面却始终无法满足机床设备的高要求。因此，设计师们决定在这一汽缸盖装配线中采用IO-Link系统，扩展Profibus现场总线的网络功能。这样一来，刀具和工具的更换时间由原来的几秒钟缩短到了1s，同时还大大减轻了电缆布线的工作量。

IO-Link标准是一个多用途的通讯技术标准，与USB接口技术配套可以实现计算机环境下的工作。能源和数据通讯的点对点传送也采用了即插即用的主-从连接技术。Balluff公司专门研发生产的IO-Link传感器集线器也使得传感器机床设备开关控制的二进制信号能够利用串行IO-Link进行传输，使其能够经简单的插接接口和三芯电缆由IO-Link-Profibus现场总线传输到机床的控制系统之中。

减少机床的电缆布线

IO-Link系统的应用节约了成本。因为除了省略了与机床连接时的接线排和接线柱之外，还省略了机床和现场总线设备之间大量的符号标记工作量。取而代之的是在预装配好的机床上和固定的现场总线设备之间的插接式连接电缆，大大减少了电气安装的工作量，同时也延长了设备的维修保养周期（图2）。其中最大的一个特点就是：感应式的BIC耦合系统也有着IO-Link接口，这样就可以实现向16个传感器发送和接收IO-Link信号。在本文所述的实例中，机械手开、闭控制的BMF电磁传感器的信号就可以经过传感器集线器与主控计算机进行无线信号传输了。

Toolident系统保证系统无错接

采用基于RFID基础（BIS L）的Toolident系统，完全避免了刀具和工具自动更换过程中可能出现的错误。每一个刀具和工具都装有一块RFID芯片，记录着自己的编号。在每一次加工和装配操作之前，都自动对刀具和工具进行检测，以保证所安装使用的刀具和工具是正确的。这也就可靠的避免了刀具、工具、机床和工件的损伤。刀具和工具检测信息的传送采用的也是无线、无磨损的感应式传输方式。同时，接收信号的元器件也能接收能源信号，并把能源信号转换成电压信号，并将数据信息作为增量脉冲宽度信号传送带读取设备。这一数据读取设备同样也采用了IO-Link接口，同样可以利用简单的三芯电缆与IO-Link主机连接，无需中间的管理设备。