引言：有了 701S 加工中心后，威力銘-馬科黛爾公司(Willemin-Macodel)充分利用三自由度運(yùn)動(dòng)的高動(dòng)態(tài)性和剛性在小零件加工領(lǐng)域取得了飛躍。這是通過減少運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量和利用 Beckhoff 功能強(qiáng)大的基于 PC 的 CNC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。視不同的工件，能耗減少了約 90%，且加工時(shí)間縮短了將近 10 倍。
總部位于瑞士德勒蒙特的威力銘-馬科黛爾公司專業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)小型加工中心，其產(chǎn)品主要用于鐘表制造、醫(yī)療器械和航空航天工業(yè)等領(lǐng)域。技術(shù)總監(jiān) Denis Jeannerat 解釋道：“我們的核心產(chǎn)品是針對(duì)全工序加工的高精度機(jī)床。因?yàn)楣潭ㄐ⌒凸ぜ冀K是一個(gè)挑戰(zhàn)，要在同一臺(tái)機(jī)床上執(zhí)行所有加工步驟 — 無需像傳統(tǒng)機(jī)床中那樣將工藝劃分為車削、銑削和磨削。機(jī)床還負(fù)責(zé)工件搬運(yùn)，即小心插入和取出工件。這方面的一個(gè)典型例子是我們?cè)?EMO2013 展會(huì)上展出的 701S 加工中心?！?/FONT>
一個(gè)簡(jiǎn)單的想法徹底改變了微型機(jī)械加工技術(shù)從表面來看，新型機(jī)床背后的想法聽起來很簡(jiǎn)單：701S 微加工中心具有一個(gè)三自由度 Delta 機(jī)器人，可以說，它已經(jīng)顛覆了傳統(tǒng)的加工技術(shù)。該機(jī)器人負(fù)責(zé)移動(dòng)工件 — 一項(xiàng)通常由刀架處理的任務(wù)。Denis Jeannerat 解釋了這個(gè)概念背后的如下思考：“在我們的市場(chǎng)上，零部件微型化將是大勢(shì)所趨。因此，我們想要設(shè)計(jì)一臺(tái)零件尺寸和加工尺寸比值增強(qiáng)的機(jī)床，因?yàn)楫?dāng)您加工一個(gè) 2 克或 20 克的零件時(shí)，在一個(gè)重量為 12 噸的 3 米長(zhǎng)機(jī)床上移動(dòng)重達(dá) 100 公斤的刀架將毫無意義。移動(dòng)小質(zhì)量工件要比移動(dòng)刀架要簡(jiǎn)單很多。這樣，必須移動(dòng)的質(zhì)量大大降低，從大概 500 至 800 千克的傳統(tǒng)軸降低到只有大約 2 千克。也可以通過使用一臺(tái) 三自由度 Delta 機(jī)器人實(shí)現(xiàn)這樣的低慣量。
因此，新型機(jī)床的基本方案是基于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)與三角構(gòu)造，并以通過三個(gè)機(jī)械臂連接的工件承載架的形式實(shí)施。701S 就是專為加工小型工件(直徑 52 x 32 毫米)的加工中心，專注于計(jì)算密集型“圓弧插補(bǔ)”。其主要特點(diǎn)包括：軌跡精度高于 0.2μm，對(duì)溫度波動(dòng)的敏感性低，以及精度和可重復(fù)性非常高。專門設(shè)計(jì)的高性能電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá) 80,000 rpm，且無刀架，另外還具有更高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛性、極高的平衡品質(zhì)和較低的徑向跳動(dòng)(刀尖上小于 1 微米)。
使用基于 PC 的控制技術(shù)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)
實(shí)現(xiàn)過程聽起來很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上需要進(jìn)行大量工程工作和設(shè)計(jì)及掌握控制技術(shù)相關(guān)知識(shí)，Denis Jeannerat 解釋道：“對(duì)我們來說，這是長(zhǎng)期項(xiàng)目，在五年前就已經(jīng)開始。最重要的是，機(jī)械系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)需要大量的開發(fā)工作，使我們能夠提高并最終掌握動(dòng)態(tài)行為?！?/FONT>
無疑，在項(xiàng)目開始時(shí)決定選用基于 PC 的控制技術(shù)是非常正確的，因?yàn)閺囊婚_始就很清楚的是，這將是充分實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圓弧插補(bǔ)和快速控制回路的唯一方法。Denis Jeannerat 繼續(xù)說道：“畢竟，我們的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)具有極高動(dòng)態(tài)性的機(jī)床。系統(tǒng)所需的高動(dòng)態(tài)性只能通過一臺(tái)功能強(qiáng)大的工業(yè) PC 實(shí)現(xiàn)，它可以非常迅速地計(jì)算出控制回路參數(shù)。考慮到減少必須移動(dòng)的質(zhì)量時(shí)，這一優(yōu)勢(shì)就變得特別顯著?！?/FONT>
PC 控制：強(qiáng)大、成熟、開放
在決定采用高效的基于 PC 的控制技術(shù)后，合適的供應(yīng)商也很快被找到了。Denis Jeannerat 繼續(xù)說道：“我們對(duì)市場(chǎng)上的各種工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估，并立即被 PC 控制技術(shù)所深深吸引。不僅僅是因?yàn)榧夹g(shù)，對(duì)我們來說重要的是，Beckhoff 在類似我們所在的應(yīng)用領(lǐng)域里擁有大量的技術(shù)訣竅和豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)?！?/FONT>
據(jù) Denis Jeannerat 所述，威力銘-馬科黛爾特別重視機(jī)器設(shè)計(jì)是否具有高靈活性：“為了使我們的機(jī)器設(shè)計(jì)盡可能地靈活，我們需要一個(gè)在各方面都具有良好開放性的系統(tǒng) — 通過多用途 I/O 解決方案，能夠與各通信子系統(tǒng)通信且軟件具有通用性。例如，與必要的搬運(yùn)或機(jī)器人系統(tǒng)的通信是非常重要的。一方面，我們受益于那些已經(jīng)集成在 TwinCAT 軟件中的運(yùn)動(dòng)功能庫，另一方面，我們也可以在必要時(shí)輕松整合我們自己的解決方案?！辈粌H如此，每臺(tái)機(jī)床與應(yīng)用都最佳匹配，如果沒有一個(gè)開放的控制系統(tǒng)，這幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。除了允許靈活的機(jī)床配置的自動(dòng)化硬件的模塊化套件之外，動(dòng)態(tài)控制軟件 — 在這種情況下如 TwinCAT — 也必須具有模塊化結(jié)構(gòu)，并在編程上具有很大的自由度。
實(shí)踐證明，在 701S 加工中心中，PC 控制的開放性對(duì)于簡(jiǎn)單連接一個(gè)特殊的基于機(jī)器視覺的刀具測(cè)量系統(tǒng)有很大幫助。有了它的幫助，可以全速測(cè)量刀具，包括徑向跳動(dòng)。測(cè)量系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單地通過使用適當(dāng)?shù)?PCI 插卡集成到 Beckhoff 控制計(jì)算機(jī)中，從而直接、迅速地為計(jì)算機(jī)提供大量數(shù)據(jù)。除了其高運(yùn)算能力之外，機(jī)床中使用的 C6920 控制柜式工業(yè) PC 采用 1.9 GHz 的 Intel? Celeron? 處理器，Denis Jeannerat 認(rèn)為這樣還有一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)：Beckhoff 的 C6920 工業(yè) PC 結(jié)構(gòu)非常緊湊，因此機(jī)床控制柜中需要的空間很小。”
CNC 專用軟件和操作界面
除了復(fù)雜的路徑計(jì)算，PC 控制系統(tǒng)的任務(wù)還包括控制高性能主軸的速度和位置。以極快的速度控制總共四根軸 — 三自由度 Delta 機(jī)器人和主軸作為附加軸。從而能夠用主軸進(jìn)行特殊的加工操作，如刨削或倒角。這是通過使用 TwinCAT CNC 實(shí)現(xiàn)的，即通過在一臺(tái)工業(yè) PC 上運(yùn)行的帶完整的 CNC 功能的純軟件解決方案實(shí)現(xiàn)。TwinCAT CNC 可以操作分布于多達(dá) 12 個(gè)數(shù)控通道上的最多 64 根軸/被控主軸。在一個(gè) CNC 通道中，可以同時(shí)插補(bǔ)最多 32 根軸，因而可以解決最為困難的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。
有了 TwinCAT CNC，用戶也受益于它們針對(duì) I/O 外圍設(shè)備和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所具有的良好開放性，這在傳統(tǒng)的 CNC 領(lǐng)域是非常罕見的。各種 I/O 模塊都可通過所有常用的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)進(jìn)行連接。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以完全根據(jù)具體的應(yīng)用需要通過模擬量/編碼器接口或直接通過數(shù)字量驅(qū)動(dòng)接口與 CNC 系統(tǒng)連接。701S 加工中心的 I/O 系統(tǒng)由 44 個(gè) EtherCAT 端子模塊構(gòu)成，其信息通過兩個(gè) EtherCAT 耦合器 EK1100 傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。數(shù)據(jù)采集主要通過 EL1124 或 EL1008 數(shù)字量輸入端子模塊、EL2008 數(shù)字量輸出端子模塊，EL3064 或 EL3202 模擬量輸入端子模塊、EL4002 模擬量輸出端子模塊，以及通過 EL5101 增量編碼器接口實(shí)現(xiàn)。
針對(duì) CNC 操作界面，701S 配備了一臺(tái)定制的 CP7912“經(jīng)濟(jì)型”控制面板，它帶有 15 英寸觸摸屏以及集成 DVI/USBExtended 技術(shù)，與工業(yè) PC 之間的距離最遠(yuǎn)可達(dá) 50 米。面板采用鋁制外殼，防護(hù)等級(jí)為 IP 65，適合安裝臂安裝，并配備了一個(gè)附加鍵盤架，并具有 12 個(gè)功能鍵和 10 個(gè) LED 照明 PLC 專用鍵。此外，它還有一個(gè)帶急停按鈕的按鈕擴(kuò)展件、6 個(gè)發(fā)光按鈕、格雷碼開關(guān)(23 位)和增量式編碼器。Denis Jeannerat 接著說道：“控制面板使得機(jī)床的操作變得極為方便。例如，可以通過機(jī)電按鈕直接集成很多功能，使得操作更加直觀、簡(jiǎn)單。”
高效微加工解決方案
智能設(shè)計(jì)和高效自動(dòng)化的組合，不僅使得機(jī)床的結(jié)構(gòu)特別緊湊，占地面積僅為約 1 平米，而且機(jī)床也非常高效。由于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量大大減少，加工一個(gè)小型工件僅需 2 千瓦的功率，而傳統(tǒng)的機(jī)床則需要 20 千瓦以上。Denis Jeannerat 補(bǔ)充道：“其軌跡精度非常高，誤差僅為 0.2 微米 — 即使在全速情況下 — 701S 也能達(dá)到一個(gè)比常規(guī)加工中心高 10 倍的值。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以大大節(jié)省工件加工時(shí)間。視工件的復(fù)雜性而定，加工時(shí)間可以縮短 3 到 10 倍。例如，銅電極的加工現(xiàn)在僅需八分鐘即可完成，而不是以前的一個(gè)多小時(shí)?！?/FONT>
（轉(zhuǎn)載）
