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脈沖電化學(xué)加工（PECM）是一種快速腐蝕技術(shù)，通過它能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的原子級制造，打造出極其復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。因此，它無疑是高科技應(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(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)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(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)心深處對制造業(yè)的深切向往，并敏銳地預(yù)見到電化學(xué)加工所蘊(yùn)含的巨大潛力。”

Voxel Innovations 位于北卡羅來納州羅利的工廠：(左起）應(yīng)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(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)成本高昂或根本無法制造的復(fù)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(jìn)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(yīng)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(jié)緣。在 Voxel、Palmetto 以及倍福團(tuán)隊(duì)的精誠合作與不懈努力下，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(jī)械手將這些零件準(zhǔn)確無誤地裝載到托盤上。龍門式移動托盤平穩(wěn)地穿過預(yù)加工槽。緊接著，一個高度靈活的關(guān)節(jié)型機(jī)器人精準(zhǔn)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(yù)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(jī)器人將加工好的零件卸載到一個單獨(dú)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(jī)器人負(fù)責(zé)卸載托盤，并將零件輸送至配備有 Micro Epsilon 光學(xué)傳感器的檢測工站。

如此復(fù)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(luò)平臺的連接以實(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。

一個 SCARA 機(jī)器人負(fù)責(zé)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(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)個人的專業(yè)技能及應(yīng)用需求，自由選擇最合適的編程語言。Belk 采用結(jié)構(gòu)化文本和 C# 定制設(shè)計 HMI。

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

除了標(biāo)準(zhǔn)的 PLC 功能以及支持運(yùn)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(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)測量設(shè)備和 HMI

·   PTP 運(yùn)動控制功能庫，例如，用 13 個倍福 AM8100 伺服電機(jī)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(shí)現(xiàn)與企業(yè)定制數(shù)據(jù)庫的高速連接，這對于工作進(jìn)度（WIP）控制和關(guān)鍵績效指標(biāo)確定至關(guān)重要

“該系統(tǒng)需要與 MS-SQL 數(shù)據(jù)庫實(shí)時交互。每當(dāng)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(jī)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(jī)床中央控制器。CX2042 通過直接插接的 EtherCAT 端子模塊，與三個機(jī)器人、光學(xué)測量儀、MS-SQL 數(shù)據(jù)庫進(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)對短周期內(nèi)的密集計算任務(wù)提供所需的計算能力。

倍福 EtherCAT I/O 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 48 V 直流伺服驅(qū)動解決方案

在網(wǎng)絡(luò)通信方面，EtherCAT 能夠?qū)崿F(xiàn)高速實(shí)時通信和靈活的拓?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)動解決方案。機(jī)器人內(nèi)置的 TwinSAFE 硬件和功能可通過 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(yùn)營，其年產(chǎn)能高達(dá)約 400 萬個零件。Voxel 成功達(dá)到了設(shè)計階段設(shè)定的所有性能基準(zhǔn)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對質(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(yù)設(shè)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(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(yùn)轉(zhuǎn)。