应用案例 | 基于 PC 的控制技术助力实现电化学加工的高效批量生产

脉冲电化学加工(PECM)是一种快速腐蚀技术，通过它能够实现高精度的原子级制造，打造出极其复杂的几何结构。因此，它无疑是高科技应用中制造精密金属零件的理想方案。为了将核心工艺整合到全自动高产能生产线中，Voxel Innovations 与 Palmetto Mechatronics 携手，依托倍福基于 PC 的开放式控制技术，实现技术融合与升级。

Voxel Innovations 公司 CEO Daniel Herrington 在为美国能源部高级研究计划局(ARPA-E)工作期间，突然有了新的感悟。“制造业构成了能源产业、医疗设备乃至航空航天等众多领域重大技术进步的基石。我清晰地感受到内心深处对制造业的深切向往，并敏锐地预见到电化学加工所蕴含的巨大潜力。”

Voxel Innovations 位于北卡罗来纳州罗利的工厂：(左起)应用工程师 Jack Plyler、销售工程师 Chuck Padvorac(均来自倍福美国分公司)以及 Daniel Herrington(Voxel 公司 CEO)、Robert Belk(Palmetto Mechatronics 公司所有者)和 Kevin Judd(Voxel 公司控制工程师)

Voxel 自 2015 年在北卡罗来纳州罗利市成立以来，经过不懈努力，现已发展成为脉冲电化学加工(PECM)领域成熟且备受信赖的供应商。公司凭借自主研发的设备，为遍布全美的客户提供合同制造服务，客户群广泛覆盖航空航天、医疗设备、能源等需要大量精密金属零件的行业。

初次见面，Voxel 公司的初创团队便展现出非同寻常的独特魅力与才能。在此之前，电化学专家 Omar Yepez 博士一直在探索如何最大限度地延长近海设备在恶劣环境下的抗腐蚀寿命，确保它们免受锈蚀侵扰。现在，Daniel Herrington 希望他能为 Voxel 实现截然相反的目标。毕竟，这正是脉冲电化学加工(PECM)的魅力所在：它以极快的速度和高度定向的腐蚀能力，以原子级精度塑造复杂且高质量的几何形状。“PECM 是一种非接触式、非热处理技术，能够在不引起零件变形的情况下精准地制造出复杂的薄壁结构几何形状。借助 PECM 技术，我们能够突破传统制造工艺的经济性与技术局限，生产出那些曾经成本高昂或根本无法制造的复杂零件。”Daniel Herrington 高兴地说道。

为了继续保持目前的增长势头，Voxel 需要为其系统引入一个更为先进的自动化平台，以支撑产量的不断攀升。在经过全面深入的供应商调研与评估后，他们最终选择了倍福。这一决策促使他们与南卡罗来纳州格林维尔市 Palmetto Mechatronics 公司所有者兼自动化顾问 Robert Belk 结缘。在 Voxel、Palmetto 以及倍福团队的精诚合作与不懈努力下，成功打造出了一条集尖端机器人技术与高效检测功能于一体的自动化生产线。

内置产品处理和质量控制功能

在自动化生产线上，零件首先经过精确分离，随后，一台 SCARA 机械手将这些零件准确无误地装载到托盘上。龙门式移动托盘平稳地穿过预加工槽。紧接着，一个高度灵活的关节型机器人精准地抓取多个工件并将它们送入 PECM 单元。在该单元内，工具下降至预定位置，工具和工件之间的微小间隙内充满流动的电解液。通过施加正确的电压电势，系统借助电解方式溶解金属。同时，电解液还可用作冲洗剂，有效清除加工过程中产生的废料，带走残余热量。随后，机器人将加工好的零件卸载到一个单独的托盘上。紧接着，第二个龙门架将托盘上的零件平稳送入后处理槽和干燥室。最后，另一个 SCARA 机器人负责卸载托盘，并将零件输送至配备有 Micro Epsilon 光学传感器的检测工站。

如此复杂的操作流程需要极快的周期时间和各个工序之间的高精度同步。此外，与数据库的无缝对接、与网络平台的连接以实现数据的高效提取以及与第三方设备的直接集成都是需要考量的因素。

一个 SCARA 机器人负责卸载托盘，并将产品输送到检测工站

自动化软件成为解决棘手难题的得力助手

Robert Belk 与 Voxel Controls 资深工程师 Kevin Judd 携手合作，使用倍福的 TwinCAT 3 自动化软件对设备进行编程。TwinCAT 赋予了工程师们前所未有的灵活性，让他们能够依据个人的专业技能及应用需求，自由选择最合适的编程语言。Belk 采用结构化文本和 C# 定制设计 HMI。

倍福 AM8100 伺服电机配备滚珠丝杠执行器，能够以最高精度实现 PECM 工具的升降操作

除了标准的 PLC 功能以及支持运行过程传感器的 PID 循环控制外，TwinCAT 还集成了很多其它重要功能，包括：

机器逻辑与定制的 Windows .Net 应用程序之间的 ADS 通信用于连接光学测量设备和 HMI

PTP 运动控制功能库，例如，用 13 个倍福 AM8100 伺服电机驱动滚珠丝杠执行器，以升降 PECM 工具

TwinCAT 3 Database Server 提供的与数据库连接的能力，可实现与企业定制数据库的高速连接，这对于工作进度(WIP)控制和关键绩效指标确定至关重要

“该系统需要与 MS-SQL 数据库实时交互。每当一个零件被放入第一个托盘时，都会被分配一个虚拟序列号，并在整个生产流程的每一个步骤中持续更新。”Robert Belk 解释道，“零件数据的详尽记录对于检测机床磨损或损坏状况以及持续优化加工过程具有不可估量的价值。倍福数据库客户端软件使用户能够在 TwinCAT 控制软件中高效地执行存储过程。”

高精度控制精密加工步骤

Voxel 公司的高性能 PECM 生产线将安装了 TwinCAT 软件的 CX2042 嵌入式控制器用作其机床中央控制器。CX2042 通过直接插接的 EtherCAT 端子模块，与三个机器人、光学测量仪、MS-SQL 数据库进行通信，并支撑 HMI 程序的运行。CX2042 搭载强大的 Intel® Xeon® 多核处理器，可为应对短周期内的密集计算任务提供所需的计算能力。

倍福 EtherCAT I/O 系统中的 EL7211 伺服电机端子模块为 AM8100 伺服电机提供了节省空间的 48 V 直流伺服驱动解决方案

在网络通信方面，EtherCAT 能够实现高速实时通信和灵活的拓扑结构。安装在关节型机器人上的 EtherCAT 端子模块可以精确控制机械臂末端工具以及为 24 套抓手配备的阀门和传感器。此外，EL7211 伺服电机端子模块还为 AM8100 伺服电机提供了节省空间的 48 V 直流伺服驱动解决方案。机器人内置的 TwinSAFE 硬件和功能可通过 EtherCAT 网络实现功能安全。

针对大批量生产的创新自动化解决方案

经过一年的精心筹备与研发，自动化 PECM 生产线于 2023 年 6 月正式投入运营，其年产能高达约 400 万个零件。Voxel 成功达到了设计阶段设定的所有性能基准。该系统实现了对质量控制数据、pH 值等关键参数的全方位可视化监控，同时确保了数据的可追溯性，以满足 AS9100 航空航天质量管理体系和 ISO 13485 医疗器械质量管理体系的要求。此外，该系统还能够在检测到任何超出预设公差范围的情况时，立即自动暂停生产流程，并即时向操作人员发出警报。

“无论是制造喷气发动机的关键部件、可植入医疗装置还是能源领域应用的热交换器，我们的愿景始终如一，即为客户提供差异化解决方案，帮助他们优化性能和成本指标。”Daniel Herrington 说道，“然后，我们致力于在整个生产流程及产品生命周期的每一个阶段，为客户提供全面的支持与协助。我们的定位是成为客户值得信赖的工程开发和批量制造合作伙伴。”需求证明他的决策是对的：为了充分满足订单需求，公司继续采取三班制，确保生产线 24 小时持续高效运转。