脈沖電化學加工（PECM）是一種快速腐蝕技術，通過它能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的原子級制造，打造出極其復雜的幾何結構。因此，它無疑是高科技應用中制造精密金屬零件的理想方案。為了將核心工藝整合到全自動高產(chǎn)能生產(chǎn)線中，Voxel Innovations 與 Palmetto Mechatronics 攜手，依托倍福基于 PC 的開放式控制技術，實現(xiàn)技術融合與升級。
Voxel Innovations 公司 CEO Daniel Herrington 在為美國能源部高級研究計劃局（ARPA-E）工作期間，突然有了新的感悟。“制造業(yè)構成了能源產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療設備乃至航空航天等眾多領域重大技術進步的基石。我清晰地感受到內(nèi)心深處對制造業(yè)的深切向往，并敏銳地預見到電化學加工所蘊含的巨大潛力。”Voxel Innovations 位于北卡羅來納州羅利的工廠：(左起）應用工程師 Jack Plyler、銷售工程師 Chuck Padvorac（均來自倍福美國分公司）以及 Daniel Herrington（Voxel 公司 CEO）、Robert Belk（Palmetto Mechatronics 公司所有者）和 Kevin Judd（Voxel 公司控制工程師）
Voxel 自 2015 年在北卡羅來納州羅利市成立以來，經(jīng)過不懈努力，現(xiàn)已發(fā)展成為脈沖電化學加工（PECM）領域成熟且備受信賴的供應商。公司憑借自主研發(fā)的設備，為遍布全美的客戶提供合同制造服務，客戶群廣泛覆蓋航空航天、醫(yī)療設備、能源等需要大量精密金屬零件的行業(yè)。
初次見面，Voxel 公司的初創(chuàng)團隊便展現(xiàn)出非同尋常的獨特魅力與才能。在此之前，電化學專家 Omar Yepez 博士一直在探索如何最大限度地延長近海設備在惡劣環(huán)境下的抗腐蝕壽命，確保它們免受銹蝕侵擾。現(xiàn)在，Daniel Herrington 希望他能為 Voxel 實現(xiàn)截然相反的目標。畢竟，這正是脈沖電化學加工（PECM）的魅力所在：它以極快的速度和高度定向的腐蝕能力，以原子級精度塑造復雜且高質(zhì)量的幾何形狀。“PECM 是一種非接觸式、非熱處理技術，能夠在不引起零件變形的情況下精準地制造出復雜的薄壁結構幾何形狀。借助 PECM 技術，我們能夠突破傳統(tǒng)制造工藝的經(jīng)濟性與技術局限，生產(chǎn)出那些曾經(jīng)成本高昂或根本無法制造的復雜零件。”Daniel Herrington 高興地說道。
為了繼續(xù)保持目前的增長勢頭，Voxel 需要為其系統(tǒng)引入一個更為先進的自動化平臺，以支撐產(chǎn)量的不斷攀升。在經(jīng)過全面深入的供應商調(diào)研與評估后，他們最終選擇了倍福。這一決策促使他們與南卡羅來納州格林維爾市 Palmetto Mechatronics 公司所有者兼自動化顧問 Robert Belk 結緣。在 Voxel、Palmetto 以及倍福團隊的精誠合作與不懈努力下，成功打造出了一條集尖端機器人技術與高效檢測功能于一體的自動化生產(chǎn)線。
內(nèi)置產(chǎn)品處理和質(zhì)量控制功能
在自動化生產(chǎn)線上，零件首先經(jīng)過精確分離，隨后，一臺 SCARA 機械手將這些零件準確無誤地裝載到托盤上。龍門式移動托盤平穩(wěn)地穿過預加工槽。緊接著，一個高度靈活的關節(jié)型機器人精準地抓取多個工件并將它們送入 PECM 單元。在該單元內(nèi)，工具下降至預定位置，工具和工件之間的微小間隙內(nèi)充滿流動的電解液。通過施加正確的電壓電勢，系統(tǒng)借助電解方式溶解金屬。同時，電解液還可用作沖洗劑，有效清除加工過程中產(chǎn)生的廢料，帶走殘余熱量。隨后，機器人將加工好的零件卸載到一個單獨的托盤上。緊接著，第二個龍門架將托盤上的零件平穩(wěn)送入后處理槽和干燥室。最后，另一個 SCARA 機器人負責卸載托盤，并將零件輸送至配備有 Micro Epsilon 光學傳感器的檢測工站。
如此復雜的操作流程需要極快的周期時間和各個工序之間的高精度同步。此外，與數(shù)據(jù)庫的無縫對接、與網(wǎng)絡平臺的連接以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效提取以及與第三方設備的直接集成都是需要考量的因素。
一個 SCARA 機器人負責卸載托盤，并將產(chǎn)品輸送到檢測工站
自動化軟件成為解決棘手難題的得力助手
Robert Belk 與 Voxel Controls 資深工程師 Kevin Judd 攜手合作，使用倍福的 TwinCAT 3 自動化軟件對設備進行編程。TwinCAT 賦予了工程師們前所未有的靈活性，讓他們能夠依據(jù)個人的專業(yè)技能及應用需求，自由選擇最合適的編程語言。Belk 采用結構化文本和 C# 定制設計 HMI。
倍福 AM8100 伺服電機配備滾珠絲杠執(zhí)行器，能夠以最高精度實現(xiàn) PECM 工具的升降操作
除了標準的 PLC 功能以及支持運行過程傳感器的 PID 循環(huán)控制外，TwinCAT 還集成了很多其它重要功能，包括：
機器邏輯與定制的 Windows .Net 應用程序之間的 ADS 通信用于連接光學測量設備和 HMI
PTP 運動控制功能庫，例如，用 13 個倍福 AM8100 伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠執(zhí)行器，以升降 PECM 工具
TwinCAT 3 Database Server 提供的與數(shù)據(jù)庫連接的能力，可實現(xiàn)與企業(yè)定制數(shù)據(jù)庫的高速連接，這對于工作進度（WIP）控制和關鍵績效指標確定至關重要
“該系統(tǒng)需要與 MS-SQL 數(shù)據(jù)庫實時交互。每當一個零件被放入第一個托盤時，都會被分配一個虛擬序列號，并在整個生產(chǎn)流程的每一個步驟中持續(xù)更新。”Robert Belk 解釋道，“零件數(shù)據(jù)的詳盡記錄對于檢測機床磨損或損壞狀況以及持續(xù)優(yōu)化加工過程具有不可估量的價值。倍福數(shù)據(jù)庫客戶端軟件使用戶能夠在 TwinCAT 控制軟件中高效地執(zhí)行存儲過程。”
高精度控制精密加工步驟
Voxel 公司的高性能 PECM 生產(chǎn)線將安裝了 TwinCAT 軟件的 CX2042 嵌入式控制器用作其機床中央控制器。CX2042 通過直接插接的 EtherCAT 端子模塊，與三個機器人、光學測量儀、MS-SQL 數(shù)據(jù)庫進行通信，并支撐 HMI 程序的運行。CX2042 搭載強大的 Intel® Xeon® 多核處理器，可為應對短周期內(nèi)的密集計算任務提供所需的計算能力。
倍福 EtherCAT I/O 系統(tǒng)中的 EL7211 伺服電機端子模塊為 AM8100 伺服電機提供了節(jié)省空間的 48 V 直流伺服驅(qū)動解決方案
在網(wǎng)絡通信方面，EtherCAT 能夠?qū)崿F(xiàn)高速實時通信和靈活的拓撲結構。安裝在關節(jié)型機器人上的 EtherCAT 端子模塊可以精確控制機械臂末端工具以及為 24 套抓手配備的閥門和傳感器。此外，EL7211 伺服電機端子模塊還為 AM8100 伺服電機提供了節(jié)省空間的 48 V 直流伺服驅(qū)動解決方案。機器人內(nèi)置的 TwinSAFE 硬件和功能可通過 EtherCAT 網(wǎng)絡實現(xiàn)功能安全。
針對大批量生產(chǎn)的創(chuàng)新自動化解決方案
經(jīng)過一年的精心籌備與研發(fā)，自動化 PECM 生產(chǎn)線于 2023 年 6 月正式投入運營，其年產(chǎn)能高達約 400 萬個零件。Voxel 成功達到了設計階段設定的所有性能基準。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對質(zhì)量控制數(shù)據(jù)、pH 值等關鍵參數(shù)的全方位可視化監(jiān)控，同時確保了數(shù)據(jù)的可追溯性，以滿足 AS9100 航空航天質(zhì)量管理體系和 ISO 13485 醫(yī)療器械質(zhì)量管理體系的要求。此外，該系統(tǒng)還能夠在檢測到任何超出預設公差范圍的情況時，立即自動暫停生產(chǎn)流程，并即時向操作人員發(fā)出警報。
“無論是制造噴氣發(fā)動機的關鍵部件、可植入醫(yī)療裝置還是能源領域應用的熱交換器，我們的愿景始終如一，即為客戶提供差異化解決方案，幫助他們優(yōu)化性能和成本指標。”Daniel Herrington 說道，“然后，我們致力于在整個生產(chǎn)流程及產(chǎn)品生命周期的每一個階段，為客戶提供全面的支持與協(xié)助。我們的定位是成為客戶值得信賴的工程開發(fā)和批量制造合作伙伴。”需求證明他的決策是對的：為了充分滿足訂單需求，公司繼續(xù)采取三班制，確保生產(chǎn)線 24 小時持續(xù)高效運轉(zhuǎn)。
關于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅(qū)動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作伙伴，業(yè)務遍及 70 多個國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應用于風力發(fā)電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅(qū)動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽。倍福基于 PC 的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術、互聯(lián)網(wǎng)和自動化技術完美融合在一起，為實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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