脈沖電化學(xué)加工（PECM）是一種快速腐蝕技術(shù)，通過(guò)它能夠實(shí)現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(wú)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(dòng)高產(chǎn)能生產(chǎn)線(xiàn)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?！爸圃鞓I(yè)構成了能源產(chǎn)業(yè)、醫療設備乃至航空航天等眾多領(lǐng)域重大技術(shù)進(jìn)步的基石。我清晰地感受到內心深處對制造業(yè)的深切向往，并敏銳地預見(jiàn)到電化學(xué)加工所蘊含的巨大潛力?！?/p>

Voxel Innovations 位于北卡羅來(lái)納州羅利的工廠(chǎng)：(左起）應用工程師 Jack Plyler、銷(xiāo)售工程師 Chuck Padvorac（均來(lái)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(lái)納州羅利市成立以來(lái)，經(jīng)過(guò)不懈努力，現已發(fā)展成為脈沖電化學(xué)加工（PECM）領(lǐng)域成熟且備受信賴(lài)的供應商。公司憑借自主研發(fā)的設備，為遍布全美的客戶(hù)提供合同制造服務(wù)，客戶(hù)群廣泛覆蓋航空航天、醫療設備、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 )團隊便展現出非同尋常的獨特魅力與才能。在此之前，電化學(xué)專(zhuān)家 Omar Yepez 博士一直在探索如何最大限度地延長(cháng)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?，F在，Daniel Herrington 希望他能為 Voxel 實(shí)現截然相反的目標。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雜且高質(zhì)量的幾何形狀?！癙ECM 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地制造出復雜的薄壁結構幾何形狀。借助 PECM 技術(shù)，我們能夠突破傳統制造工藝的經(jīng)濟性與技術(shù)局限，生產(chǎn)出那些曾經(jīng)成本高昂或根本無(wú)法制造的復雜零件?！盌aniel Herrington 高興地說(shuō)道。

為了繼續保持目前的增長(cháng)勢頭，Voxel 需要為其系統引入一個(gè)更為先進(jìn)的自動(dòng)化平臺，以支撐產(chǎn)量的不斷攀升。在經(jīng)過(guò)全面深入的供應商調研與評估后，他們最終選擇了倍福。這一決策促使他們與南卡羅來(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(shù)與高效檢測功能于一體的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)。

內置產(chǎn)品處理和質(zhì)量控制功能

在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上，零件首先經(jīng)過(guò)精確分離，隨后，一臺 SCARA 機械手將這些零件準確無(wú)誤地裝載到托盤(pán)上。龍門(mén)式移動(dòng)托盤(pán)平穩地穿過(guò)預加工槽。緊接著(zhù)，一個(gè)高度靈活的關(guān)節型機器人精準地抓取多個(gè)工件并將它們送入 PECM 單元。在該單元內，工具下降至預定位置，工具和工件之間的微小間隙內充滿(mǎn)流動(dòng)的電解液。通過(guò)施加正確的電壓電勢，系統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，機器人將加工好的零件卸載到一個(gè)單獨的托盤(pán)上。緊接著(zhù)，第二個(gè)龍門(mén)架將托盤(pán)上的零件平穩送入后處理槽和干燥室。最后，另一個(gè) SCARA 機器人負責卸載托盤(pán)，并將零件輸送至配備有 Micro Epsilon 光學(xué)傳感器的檢測工站。

如此復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，與數據庫的無(wú)縫對接、與網(wǎng)絡(luò )平臺的連接以實(shí)現數據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(gè) SCARA 機器人負責卸載托盤(pán)，并將產(chǎn)品輸送到檢測工站

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)化軟件對設備進(jìn)行編程。TwinCAT 賦予了工程師們前所未有的靈活性，讓他們能夠依據個(gè)人的專(zhuān)業(yè)技能及應用需求，自由選擇最合適的編程語(yǔ)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行器，能夠以最高精度實(shí)現 PECM 工具的升降操作

除了標準的 PLC 功能以及支持運行過(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：

·   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(xué)測量設備和 HMI

·   PTP 運動(dòng)控制功能庫，例如，用 13 個(gè)倍福 AM8100 伺服電機驅動(dòng)滾珠絲杠執行器，以升降 PECM 工具

·   TwinCAT 3 Database Server 提供的與數據庫連接的能力，可實(shí)現與企業(yè)定制數據庫的高速連接，這對于工作進(jìn)度（WIP）控制和關(guān)鍵績(jì)效指標確定至關(guān)重要

“該系統需要與 MS-SQL 數據庫實(shí)時(shí)交互。每當一個(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，并在整個(gè)生產(chǎn)流程的每一個(gè)步驟中持續更新?！盧obert Belk 解釋道，“零件數據的詳盡記錄對于檢測機床磨損或損壞狀況以及持續優(yōu)化加工過(guò)程具有不可估量的價(jià)值。倍福數據庫客戶(hù)端軟件使用戶(hù)能夠在 TwinCAT 控制軟件中高效地執行存儲過(guò)程?！?/p>

高精度控制精密加工步驟

Voxel 公司的高性能 PECM 生產(chǎn)線(xiàn)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(guò)直接插接的 EtherCAT 端子模塊，與三個(gè)機器人、光學(xué)測量?jì)x、MS-SQL 數據庫進(jìn)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，可為應對短周期內的密集計算任務(wù)提供所需的計算能力。

倍福 EtherCAT I/O 系統中的 EL7211 伺服電機端子模塊為 AM8100 伺服電機提供了節省空間的 48 V 直流伺服驅動(dòng)解決方案

在網(wǎng)絡(luò )通信方面，EtherCAT 能夠實(shí)現高速實(shí)時(shí)通信和靈活的拓撲結構。安裝在關(guān)節型機器人上的 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(mén)和傳感器。此外，EL7211 伺服電機端子模塊還為 AM8100 伺服電機提供了節省空間的 48 V 直流伺服驅動(dòng)解決方案。機器人內置的 TwinSAFE 硬件和功能可通過(guò) EtherCAT 網(wǎng)絡(luò )實(shí)現功能安全。

針對大批量生產(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(xiàn)于 2023 年 6 月正式投入運營(yíng)，其年產(chǎn)能高達約 400 萬(wàn)個(gè)零件。Voxel 成功達到了設計階段設定的所有性能基準。該系統實(shí)現了對質(zhì)量控制數據、pH 值等關(guān)鍵參數的全方位可視化監控，同時(shí)確保了數據的可追溯性，以滿(mǎn)足 AS9100 航空航天質(zhì)量管理體系和 ISO 13485 醫療器械質(zhì)量管理體系的要求。此外，該系統還能夠在檢測到任何超出預設公差范圍的情況時(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。

“無(wú)論是制造噴氣發(fā)動(dòng)機的關(guān)鍵部件、可植入醫療裝置還是能源領(lǐng)域應用的熱交換器，我們的愿景始終如一，即為客戶(hù)提供差異化解決方案，幫助他們優(yōu)化性能和成本指標?！盌aniel 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(hù)提供全面的支持與協(xié)助。我們的定位是成為客戶(hù)值得信賴(lài)的工程開(kāi)發(fā)和批量制造合作伙伴?！毙枨笞C明他的決策是對的：為了充分滿(mǎn)足訂單需求，公司繼續采取三班制，確保生產(chǎn)線(xiàn) 24 小時(shí)持續高效運轉。