基于 EtherCAT 和 PC 的控制技術(shù)在義齒精密銑削加工中的應(yīng)用

美國口腔修復(fù)體制造商 Glidewell Dental 自 21 世紀(jì)初興起的口腔 CAD 技術(shù)革命之后得到迅猛發(fā)展，并于日前成功實現(xiàn)了高度自動化生產(chǎn)。倍福靈活的自動化解決方案幫助該公司旗下的一家義齒加工廠實現(xiàn)了現(xiàn)代化改造。在這里，C6015 超緊湊型工業(yè) PC 用作物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，通過云端提供患者專用的 NC 程序，并且每 2 秒就從總共 40 臺銑床傳輸一次生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行分析。

公司于 1970 年成立于 Jim Glidewell 位于加利福尼亞州歐文市的公寓中，目前在全球擁有 4300 多名員工，主要生產(chǎn)各種口腔修復(fù)體和醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)品。在口腔修復(fù)領(lǐng)域，例如在供應(yīng)牙冠、牙橋或義齒等口腔修復(fù)體時，每個產(chǎn)品都需要單件流生產(chǎn)。對于 Glidewell Dental 來說，每周生產(chǎn)數(shù)以萬計的患者專用設(shè)備需要耗費大量的工程工作。“我們每年都會與大約 60,000 名牙醫(yī)有業(yè)務(wù)合作，占美國修復(fù)市場上所有執(zhí)業(yè)醫(yī)師人數(shù)的近五成。”Glidewell 公司工程部副總裁 David Leeson 說道。

牙醫(yī)可以將患者口腔解剖結(jié)構(gòu)的“印模”郵寄給 Glidewell，或者掃描并上傳 3D 數(shù)字印模圖像到該公司在 Amazon Web Services（AWS）云上建立的專有數(shù)字平臺中。然后使用專有的人工智能技術(shù)生成與印模相匹配的修復(fù)體定制設(shè)計，并將每個患者專用的修復(fù)體的 CAD 文件變成一個唯一的 NC 項目。最新的 Glidewell BruxZir? 工廠根據(jù)牙齒大小、顏色和厚度等特點進(jìn)行分配，并選擇合適大小、形狀和顏色的未加工過的氧化鋯瓷塊。一個機器人將銑削坯料搬到銑削塔上進(jìn)行詳細(xì)的解剖塑形，然后給修復(fù)體上釉，使其表面看上去更加自然。條形碼掃描器和視覺應(yīng)用程序負(fù)責(zé)在整個加工過程中跟蹤檢測箱子。

“光學(xué)掃描儀會生成成品的三維幾何形狀，并通過一個算法將其與設(shè)計文件進(jìn)行比較，從而形成一個閉環(huán)過程。牙種植體的尺寸必須小于 50 微米才能通過質(zhì)檢，而大多數(shù)情況下，它的尺寸都小于 20 微米。”Glidewell 公司自動化經(jīng)理 Kunal Patil 說道。“而如果使用手工進(jìn)行上釉，就會產(chǎn)生高達(dá) 150 微米的方差。基于 PC 的自動化可以幫助我們提高精度。”

生產(chǎn)線擴(kuò)展需要更高的控制性能

在 BruxZir 工廠建設(shè)初期，Glidewell 工程團(tuán)隊就知道，所有的自動化技術(shù)都必須具有高靈活性、高可擴(kuò)展性，并具有工業(yè)級強度。另外，Glidewell 需要從一個由四臺銑床組成的單一銑床塔擴(kuò)展到一個由五臺銑床塔構(gòu)成的系統(tǒng)，最后擴(kuò)展到第二個由 5 臺銑床塔構(gòu)成的完整系統(tǒng)，共計 40 臺銑床。最后，這些組件需要長期承受大量的氧化鋯陶瓷磨料粉塵。

自 Glidewell 于 2018 年開始實施第一個銑削塔起，工程團(tuán)隊很快意識到，傳統(tǒng)的機床控制技術(shù)已經(jīng)無法滿足任務(wù)需求。“我們努力解決很多涉及機器人和多臺控制器之間的同步、調(diào)試和實時通信等問題，同時使用熟悉的控制器。”Kunal Patil 說道。“我們在對多家自動化平臺進(jìn)行評估后，選擇了倍福。”

性能強大并具有物聯(lián)網(wǎng)功能的工業(yè) PC

BruxZir 工廠配備了倍福的多款工業(yè) PC 和 TwinCAT 3 自動化軟件解決方案。一臺經(jīng)過 AWS 認(rèn)證的 C6015 超緊湊型工業(yè) PC 用作物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，從云端傳輸 NC 程序。一臺性能強大的 C6930 控制柜式工業(yè) PC 用作主系統(tǒng)控制器，與多個機器人、視覺系統(tǒng)、現(xiàn)場設(shè)備和銑床塔的機床控制器進(jìn)行通信。每個銑床塔都配備一臺 CX5140 嵌入式控制器，它通過使用 TwinCAT NC I 控制四臺銑床上的 4 軸運動，即每臺控制器控制 16 根軸。基于 PC 的控制器具有良好的連接性、處理能力和可擴(kuò)展性，可以在同一個標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中實現(xiàn) 20 臺銑床、80 根運動軸的自動化。Kunal Patil 認(rèn)為，這些控制器還符合成本效益和耐久性要求。

BruxZir 工廠需要滿足 2020 年生效的《加利福尼亞州物聯(lián)網(wǎng)安全法》中的規(guī)定和要求，David Leeson 解釋說道：“倍福工業(yè) PC 讓我們可以在 Windows 環(huán)境中運行經(jīng)過認(rèn)證的防病毒軟件。這個解決方案可以在不影響性能的情況下滿足所有網(wǎng)絡(luò)安全要求，這一點給我們留下了深刻印象。”據(jù) Kunal Patil 說，他的團(tuán)隊能夠在同一個軟件平臺上使用 C# 和.NET 編程標(biāo)準(zhǔn)機床控制邏輯、高級數(shù)控程序和 API。

TwinCAT IoT 和 C6015 工業(yè) PC（與提供開源邊緣運行時和云服務(wù)的 AWS IoT Greengrass 連接）每 2 秒發(fā)送一次有價值的生產(chǎn)數(shù)據(jù)供分析。除了便于進(jìn)行故障排除和預(yù)測性維護(hù)之外，這樣還能夠更容易發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘，以提高機床性能和產(chǎn)品品質(zhì)。

通過 TwinSAFE 和伺服技術(shù)提高精度和效率

EtherCAT 可以確保車間的實時通信速率，實現(xiàn)高性能生產(chǎn)。此外，TwinSAFE 將安全功能集成到控制系統(tǒng)中。“由于有很多加工流程同時進(jìn)行，我們不希望在按下某臺設(shè)備的急停按鈕時，每臺設(shè)備都會停止運轉(zhuǎn)。TwinSAFE 讓我們能夠停止特定的銑床和安全區(qū)域，而且我們還可以在同一個項目中創(chuàng)建這種邏輯。”Kunal Patil 說道。

倍福的 AX5000 伺服驅(qū)動器和采用單電纜技術(shù)（OCT）的 AM8000 伺服電機為取放機器人提供動力，將新的箱子送入銑床塔。銑床中使用了配備有 OCT 單電纜技術(shù)的節(jié)省空間的緊湊型驅(qū)動組件，即 AM8100 系列伺服電機和 EL7211 伺服電機端子模塊。在這個應(yīng)用中，AM8100 伺服電機已經(jīng)證明了其具有高精度、高可靠性以及堅固耐用性，而方向的不斷變化給組件帶來了巨大壓力。“如果電機稍有偏差，我們的最終產(chǎn)品就會與設(shè)計文件不一致，即便只是輕微的振動，也會讓材料出現(xiàn)破損和缺陷。”Kunal Patil 在描述修復(fù)體制作工藝的高要求時說道。

基于 PC 的控制技術(shù)有效減少了組件的使用數(shù)量和成本

自從過渡到使用倍福基于 PC 的控制技術(shù)后，BruxZir 工廠同時實現(xiàn)了高精度的制造和數(shù)據(jù)采集。每臺銑床每 10 分鐘即可完成一箱，并保持 24 小時不間斷生產(chǎn)。公司目前正在實施第三條完整的生產(chǎn)線，共計 60 臺銑床。基于 PC 的自動化系統(tǒng)顯著減少了所需的組件數(shù)量，David Leeson 說道：“我們以前的控制器每臺只能控制一臺銑床，而倍福的控制器每臺可以控制四臺銑床。此外，對于實現(xiàn)相同的數(shù)據(jù)采集和云連接，以前的控制器還需要單獨配備一臺 PC。”Kunal Patil 還補充了一點，即 Glidewell 所考察的其它控制解決方案的成本幾乎是倍福控制方案的兩倍。

Glidewell 還在繼續(xù)評估倍福的新技術(shù)，包括通過 EtherCAT G 實現(xiàn)千兆通信，以及 TwinCAT HMI 可視化軟件，以進(jìn)一步提升其解決方案的性能。“Glidewell 和倍福有著相似的歷史，都是從公司只有一個人開始，憑借著對創(chuàng)新的熱情，實現(xiàn)了快速增長。” Kunal Patil 說道。“所以，我們認(rèn)為倍福不僅是我們的供應(yīng)商，更是能夠與我們同舟共濟(jì)的合作伙伴。”