脈衝電化學加工（PECM）是shi一yi種zhong快kuai速su腐fu蝕shi技ji術shu，通tong過guo它ta能neng夠gou實shi現xian高gao精jing度du的de原yuan子zi級ji製zhi造zao，打da造zao出chu極ji其qi複fu雜za的de幾ji何he結jie構gou。因yin此ci，它ta無wu疑yi是shi高gao科ke技ji應ying用yong中zhong製zhi造zao精jing密mi金jin屬shu零ling件jian的de理li想xiang方fang案an。為了將核心工藝整合到全自動高產能生產線中，Voxel Innovations 與 Palmetto Mechatronics 攜手，依托倍福基於 PC 的開放式控製技術，實現技術融合與升級。
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。“製造業構成了能源產業、醫yi療liao設she備bei乃nai至zhi航hang空kong航hang天tian等deng眾zhong多duo領ling域yu重zhong大da技ji術shu進jin步bu的de基ji石shi。我wo清qing晰xi地di感gan受shou到dao內nei心xin深shen處chu對dui製zhi造zao業ye的de深shen切qie向xiang往wang，並bing敏min銳rui地di預yu見jian到dao電dian化hua學xue加jia工gong所suo蘊yun含han的de巨ju大da潛qian力li。”Voxel Innovations 位於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 公司控製工程師）
Voxel 自 2015 年在北卡羅來納州羅利市成立以來，經過不懈努力，現已發展成為脈衝電化學加工（PECM）領域成熟且備受信賴的供應商。公司憑借自主研發的設備，為遍布全美的客戶提供合同製造服務，客戶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。
初次見麵，Voxel 公司的初創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境下的抗腐蝕壽命，確保它們免受鏽蝕侵擾。現在，Daniel Herrington 希望他能為 Voxel 實現截然相反的目標。畢竟，這正是脈衝電化學加工（PECM）的魅力所在：它以極快的速度和高度定向的腐蝕能力，以原子級精度塑造複雜且高質量的幾何形狀。“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製造出複雜的薄壁結構幾何形狀。借助 PECM 技術，我們能夠突破傳統製造工藝的經濟性與技術局限，生產出那些曾經成本高昂或根本無法製造的複雜零件。”Daniel Herrington 高興地說道。
為了繼續保持目前的增長勢頭，Voxel 需(xu)要(yao)為(wei)其(qi)係(xi)統(tong)引(yin)入(ru)一(yi)個(ge)更(geng)為(wei)先(xian)進(jin)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)平(ping)台(tai)，以(yi)支(zhi)撐(cheng)產(chan)量(liang)的(de)不(bu)斷(duan)攀(pan)升(sheng)。在(zai)經(jing)過(guo)全(quan)麵(mian)深(shen)入(ru)的(de)供(gong)應(ying)商(shang)調(tiao)研(yan)與(yu)評(ping)估(gu)後(hou)，他(ta)們(men)最(zui)終(zhong)選(xuan)擇(ze)了(le)倍(bei)福(fu)。這(zhe)一(yi)決(jue)策(ce)促(cu)使(shi)他(ta)們(men)與(yu)南(nan)卡(ka)羅(luo)來(lai)納(na)州(zhou)格(ge)林(lin)維(wei)爾(er)市(shi) 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於一體的自動化生產線。
內置產品處理和質量控製功能
在自動化生產線上，零件首先經過精確分離，隨後，一台 SCARA 機ji械xie手shou將jiang這zhe些xie零ling件jian準zhun確que無wu誤wu地di裝zhuang載zai到dao托tuo盤pan上shang。龍long門men式shi移yi動dong托tuo盤pan平ping穩wen地di穿chuan過guo預yu加jia工gong槽cao。緊jin接jie著zhe，一yi個ge高gao度du靈ling活huo的de關guan節jie型xing機ji器qi人ren精jing準zhun地di抓zhua取qu多duo個ge工gong件jian並bing將jiang它ta們men送song入ru PECM 單dan元yuan。在zai該gai單dan元yuan內nei，工gong具ju下xia降jiang至zhi預yu定ding位wei置zhi，工gong具ju和he工gong件jian之zhi間jian的de微wei小xiao間jian隙xi內nei充chong滿man流liu動dong的de電dian解jie液ye。通tong過guo施shi加jia正zheng確que的de電dian壓ya電dian勢shi，係xi統tong借jie助zhu電dian解jie方fang式shi溶rong解jie金jin屬shu。同tong時shi，電dian解jie液ye還hai可ke用yong作zuo衝chong洗xi劑ji，有you效xiao清qing除chu加jia工gong過guo程cheng中zhong產chan生sheng的de廢fei料liao，帶dai走zou殘can餘yu熱re量liang。隨sui後hou，機ji器qi人ren將jiang加jia工gong好hao的de零ling件jian卸xie載zai到dao一yi個ge單dan獨du的de托tuo盤pan上shang。緊jin接jie著zhe，第di二er個ge龍long門men架jia將jiang托tuo盤pan上shang的de零ling件jian平ping穩wen送song入ru後hou處chu理li槽cao和he幹gan燥zao室shi。最zui後hou，另ling一yi個ge SCARA 機器人負責卸載托盤，並將零件輸送至配備有 Micro Epsilon 光學傳感器的檢測工站。
如此複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，與數據庫的無縫對接、與網絡平台的連接以實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 SCARA 機器人負責卸載托盤，並將產品輸送到檢測工站
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，讓他們能夠依據個人的專業技能及應用需求，自由選擇最合適的編程語言。Belk 采用結構化文本和 C# 定製設計 HMI。
倍福 AM8100 伺服電機配備滾珠絲杠執行器，能夠以最高精度實現 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 循環控製外，TwinCAT 還集成了很多其它重要功能，包括：
機器邏輯與定製的 Windows .Net 應用程序之間的 ADS 通信用於連接光學測量設備和 HMI
PTP 運動控製功能庫，例如，用 13 個倍福 AM8100 伺服電機驅動滾珠絲杠執行器，以升降 PECM 工具
TwinCAT 3 Database Server 提供的與數據庫連接的能力，可實現與企業定製數據庫的高速連接，這對於工作進度（WIP）控製和關鍵績效指標確定至關重要
“該係統需要與 MS-SQL 數據庫實時交互。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，並在整個生產流程的每一個步驟中持續更新。”Robert Belk 解釋道，“零件數據的詳盡記錄對於檢測機床磨損或損壞狀況以及持續優化加工過程具有不可估量的價值。倍福數據庫客戶端軟件使用戶能夠在 TwinCAT 控製軟件中高效地執行存儲過程。”
高精度控製精密加工步驟
Voxel 公司的高性能 PECM 生產線將安裝了 TwinCAT 軟件的 CX2042 嵌入式控製器用作其機床中央控製器。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 數據庫進行通信，並支撐 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提供所需的計算能力。
倍福 EtherCAT I/O 係統中的 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 直流伺服驅動解決方案
在網絡通信方麵，EtherCAT 能夠實現高速實時通信和靈活的拓撲結構。安裝在關節型機器人上的 EtherCAT 端子模塊可以精確控製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 伺服電機提供了節省空間的 48 V 直流伺服驅動解決方案。機器人內置的 TwinSAFE 硬件和功能可通過 EtherCAT 網絡實現功能安全。
針對大批量生產的創新自動化解決方案
經過一年的精心籌備與研發，自動化 PECM 生產線於 2023 年 6 月正式投入運營，其年產能高達約 400 萬個零件。Voxel 成功達到了設計階段設定的所有性能基準。該係統實現了對質量控製數據、pH 值等關鍵參數的全方位可視化監控，同時確保了數據的可追溯性，以滿足 AS9100 航空航天質量管理體係和 ISO 13485 醫yi療liao器qi械xie質zhi量liang管guan理li體ti係xi的de要yao求qiu。此ci外wai，該gai係xi統tong還hai能neng夠gou在zai檢jian測ce到dao任ren何he超chao出chu預yu設she公gong差cha範fan圍wei的de情qing況kuang時shi，立li即ji自zi動dong暫zan停ting生sheng產chan流liu程cheng，並bing即ji時shi向xiang操cao作zuo人ren員yuan發fa出chu警jing報bao。
“無論是製造噴氣發動機的關鍵部件、可植入醫療裝置還是能源領域應用的熱交換器，我們的願景始終如一，即為客戶提供差異化解決方案，幫助他們優化性能和成本指標。”Daniel Herrington 說道，“ranhou，womenzhiliyuzaizhenggeshengchanliuchengjichanpinshengmingzhouqidemeiyigejieduan，weikehutigongquanmiandezhichiyuxiezhu。womendedingweishichengweikehuzhidexinlaidegongchengkaifahepiliangzhizaohezuohuoban。”需求證明他的決策是對的：為了充分滿足訂單需求，公司繼續采取三班製，確保生產線 24 小時持續高效運轉。
關於德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注於自動化新技術的德資企業，創立於 1980 年(nian)，總(zong)部(bu)位(wei)於(yu)德(de)國(guo)威(wei)爾(er)市(shi)。作(zuo)為(wei)全(quan)球(qiu)自(zi)動(dong)化(hua)技(ji)術(shu)的(de)驅(qu)動(dong)者(zhe)，倍(bei)福(fu)定(ding)義(yi)了(le)自(zi)動(dong)化(hua)領(ling)域(yu)的(de)許(xu)多(duo)標(biao)準(zhun)，是(shi)國(guo)際(ji)標(biao)準(zhun)的(de)製(zhi)定(ding)者(zhe)和(he)推(tui)動(dong)者(zhe)。公(gong)司(si)所(suo)生(sheng)產(chan)的(de)工(gong)業(ye) PC、現場總線模塊、驅動產品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控製係統，可為各個工控領域提供開放式自動化係統和完整的解決方案。經過 40 年的發展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作夥伴，業務遍及 70 多個國家和地區。
倍福於 1997 年進入中國市場，中國區總部落戶於上海市北高新產業園區，現有員工 300 人，辦事處遍及國內 30 座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用於風力發電、半導體、光伏太陽能、電子製造、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 實時工業以太網於 2014 年成為中國國家推薦性標準，並已入編工信部的《國家智能製造標準體係建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基於 PC 的控製技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業通信協議，將 IT 技術、互聯網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業 4.0 和智能製造奠定了堅實的技術基礎。
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