脈沖電化學(xué)加工(PECM)是一種快速腐蝕技術(shù)，通過(guò)它能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的原子級(jí)制造，打造出極其復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。因此，它無(wú)疑是高科技應(yīng)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(dòng)高產(chǎn)能生產(chǎn)線中，Voxel Innovations 與 Palmetto Mechatronics 攜手，依托倍?；?PC 的開(kāi)放式控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)融合與升級(jí)。

　　文/倍福中國(guó)自動(dòng)化有限公司

　　Voxel Innovations 公司 CEO Daniel Herrington 在為美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃局(ARPA-E)工作期間，突然有了新的感悟?！爸圃鞓I(yè)構(gòu)成了能源產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療設(shè)備乃至航空航天等眾多領(lǐng)域重大技術(shù)進(jìn)步的基石。我清晰地感受到內(nèi)心深處對(duì)制造業(yè)的深切向往，并敏銳地預(yù)見(jiàn)到電化學(xué)加工所蘊(yùn)含的巨大潛力?！?/p>

　　Voxel 自 2015 年在北卡羅來(lái)納州羅利市成立以來(lái)，經(jīng)過(guò)不懈努力，現(xiàn)已發(fā)展成為脈沖電化學(xué)加工(PECM)領(lǐng)域成熟且備受信賴的供應(yīng)商。公司憑借自主研發(fā)的設(shè)備，為遍布全美的客戶提供合同制造服務(wù)，客戶群廣泛覆蓋航空航天、醫(yī)療設(shè)備、能源等需要大量精密金屬零件的行業(yè)。

　　初次見(jiàn)面，Voxel 公司的初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)便展現(xiàn)出非同尋常的獨(dú)特魅力與才能。在此之前，電化學(xué)專家 Omar Yepez 博士一直在探索如何最大限度地延長(zhǎng)近海設(shè)備在惡劣環(huán)境下的抗腐蝕壽命，確保它們免受銹蝕侵?jǐn)_。現(xiàn)在，Daniel Herrington 希望他能為 Voxel 實(shí)現(xiàn)截然相反的目標(biāo)。畢竟，這正是脈沖電化學(xué)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(jí)精度塑造復(fù)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(shù)，能夠在不引起零件變形的情況下精準(zhǔn)地制造出復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)幾何形狀。借助 PECM 技術(shù)，我們能夠突破傳統(tǒng)制造工藝的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)局限，生產(chǎn)出那些曾經(jīng)成本高昂或根本無(wú)法制造的復(fù)雜零件?！盌aniel Herrington 高興地說(shuō)道。

　　為了繼續(xù)保持目前的增長(zhǎng)勢(shì)頭，Voxel 需要為其系統(tǒng)引入一個(gè)更為先進(jìn)的自動(dòng)化平臺(tái)，以支撐產(chǎn)量的不斷攀升。在經(jīng)過(guò)全面深入的供應(yīng)商調(diào)研與評(píng)估后，他們最終選擇了倍福。這一決策促使他們與南卡羅來(lái)納州格林維爾市 Palmetto Mechatronics 公司所有者兼自動(dòng)化顧問(wèn) Robert Belk 結(jié)緣。在 Voxel、Palmetto 以及倍福團(tuán)隊(duì)的精誠(chéng)合作與不懈努力下，成功打造出了一條集尖端機(jī)器人技術(shù)與高效檢測(cè)功能于一體的自動(dòng)化生產(chǎn)線。

　　1 內(nèi)置產(chǎn)品處理和質(zhì)量控制功能

　　在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，零件首先經(jīng)過(guò)精確分離，隨后，一臺(tái) SCARA 機(jī)械手將這些零件準(zhǔn)確無(wú)誤地裝載到托盤(pán)上。龍門(mén)式移動(dòng)托盤(pán)平穩(wěn)地穿過(guò)預(yù)加工槽。緊接著，一個(gè)高度靈活的關(guān)節(jié)型機(jī)器人精準(zhǔn)地抓取多個(gè)工件并將它們送入 PECM 單元。在該單元內(nèi)，工具下降至預(yù)定位置，工具和工件之間的微小間隙內(nèi)充滿流動(dòng)的電解液。通過(guò)施加正確的電壓電勢(shì)，系統(tǒng)借助電解方式溶解金屬。同時(shí)，電解液還可用作沖洗劑，有效清除加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢料，帶走殘余熱量。隨后，機(jī)器人將加工好的零件卸載到一個(gè)單獨(dú)的托盤(pán)上。緊接著，第二個(gè)龍門(mén)架將托盤(pán)上的零件平穩(wěn)送入后處理槽和干燥室。最后，另一個(gè) SCARA 機(jī)器人負(fù)責(zé)卸載托盤(pán)，并將零件輸送至配備有 Micro Epsilon 光學(xué)傳感器的檢測(cè)工站。

　　如此復(fù)雜的操作流程需要極快的周期時(shí)間和各個(gè)工序之間的高精度同步。此外，與數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)縫對(duì)接、與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的連接以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效提取以及與第三方設(shè)備的直接集成都是需要考量的因素。

　　2 自動(dòng)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(dòng)化軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)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(gè)人的專業(yè)技能及應(yīng)用需求，自由選擇最合適的編程語(yǔ)言。Belk 采用結(jié)構(gòu)化文本和 C# 定制設(shè)計(jì) HMI。

　　除了標(biāo)準(zhǔn)的 PLC 功能以及支持運(yùn)行過(guò)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：

　　l 機(jī)器邏輯與定制的 Windows .Net 應(yīng)用程序之間的 ADS 通信用于連接光學(xué)測(cè)量設(shè)備和 HMI;

　　l PTP 運(yùn)動(dòng)控制功能庫(kù)，例如，用 13 個(gè)倍福 AM8100 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠執(zhí)行器，以升降 PECM 工具;

　　l TwinCAT 3 Database Server 提供的與數(shù)據(jù)庫(kù)連接的能力，可實(shí)現(xiàn)與企業(yè)定制數(shù)據(jù)庫(kù)的高速連接，這對(duì)于工作進(jìn)度(WIP)控制和關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)確定至關(guān)重要。

　　“該系統(tǒng)需要與 MS-SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)交互。每當(dāng)一個(gè)零件被放入第一個(gè)托盤(pán)時(shí)，都會(huì)被分配一個(gè)虛擬序列號(hào)，并在整個(gè)生產(chǎn)流程的每一個(gè)步驟中持續(xù)更新?！盧obert Belk 解釋道，“零件數(shù)據(jù)的詳盡記錄對(duì)于檢測(cè)機(jī)床磨損或損壞狀況以及持續(xù)優(yōu)化加工過(guò)程具有不可估量的價(jià)值。倍福數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)過(guò)程。”

　　3 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(jī)床中央控制器。CX2042 通過(guò)直接插接的 EtherCAT 端子模塊，與三個(gè)機(jī)器人、光學(xué)測(cè)量?jī)x、MS-SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信，并支撐 HMI 程序的運(yùn)行。CX2042 搭載強(qiáng)大的 Intel? Xeon? 多核處理器，可為應(yīng)對(duì)短周期內(nèi)的密集計(jì)算任務(wù)提供所需的計(jì)算能力。

　　在網(wǎng)絡(luò)通信方面，EtherCAT 能夠?qū)崿F(xiàn)高速實(shí)時(shí)通信和靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。安裝在關(guān)節(jié)型機(jī)器人上的 EtherCAT 端子模塊可以精確控制機(jī)械臂末端工具以及為 24 套抓手配備的閥門(mén)和傳感器。此外，EL7211 伺服電機(jī)端子模塊還為 AM8100 伺服電機(jī)提供了節(jié)省空間的 48 V 直流伺服驅(qū)動(dòng)解決方案。機(jī)器人內(nèi)置的 TwinSAFE 硬件和功能可通過(guò) EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功能安全。

　　4 針對(duì)大批量生產(chǎn)的創(chuàng)新自動(dòng)化解決方案

　　經(jīng)過(guò)一年的精心籌備與研發(fā)，自動(dòng)化 PECM 生產(chǎn)線于 2023 年 6 月正式投入運(yùn)營(yíng)，其年產(chǎn)能高達(dá)約 400 萬(wàn)個(gè)零件。Voxel 成功達(dá)到了設(shè)計(jì)階段設(shè)定的所有性能基準(zhǔn)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)質(zhì)量控制數(shù)據(jù)、pH 值等關(guān)鍵參數(shù)的全方位可視化監(jiān)控，同時(shí)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(cè)到任何超出預(yù)設(shè)公差范圍的情況時(shí)，立即自動(dòng)暫停生產(chǎn)流程，并即時(shí)向操作人員發(fā)出警報(bào)。

　　“無(wú)論是制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件、可植入醫(yī)療裝置還是能源領(lǐng)域應(yīng)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(biāo)。”Daniel Herrington 說(shuō)道，“然后，我們致力于在整個(gè)生產(chǎn)流程及產(chǎn)品生命周期的每一個(gè)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(kāi)發(fā)和批量制造合作伙伴?！毙枨笞C明他的決策是對(duì)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(shí)持續(xù)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　龍門(mén)架在加工前后將產(chǎn)品托盤(pán)移動(dòng)到不同的加工槽中。

　　一個(gè)SCARA 機(jī)器人負(fù)責(zé)卸載產(chǎn)品托盤(pán)，并將產(chǎn)品輸送到檢測(cè)工站。

　　倍福 AM8100 伺服電機(jī)配備滾珠絲杠執(zhí)行器，能夠以最高精度實(shí)現(xiàn) PECM 工具的升降操作。

　　倍福 EtherCAT I/0 系統(tǒng)中的 EL7211 伺服電機(jī)端子模塊為 AM8100 伺服電機(jī)提供了節(jié)省空間的 48V直流伺服驅(qū)動(dòng)解決方案。