基于 EtherCAT 和 PC 的控制技术在义齿精密铣削加工中的应用
美国口腔修复体制造商 Glidewell Dental 自 21 世纪初兴起的口腔 CAD 技术革命之后得到迅猛发展，并于日前成功实现了高度自动化生产。倍福灵活的自动化解决方案帮助该公司旗下的一家义齿加工厂实现了现代化改造。在这里，C6015 超紧凑型工业 PC 用作物联网网关，通过云端提供患者专用的 NC 程序，并且每 2 秒就从总共 40 台铣床传输一次生产数据，以便进行分析。
公司于 1970 年成立于 Jim Glidewell 位于加利福尼亚州欧文市的公寓中，目前在全球拥有 4300 多名员工，主要生产各种口腔修复体和医疗设备产品。在口腔修复领域，例如在供应牙冠、牙桥或义齿等口腔修复体时，每个产品都需要单件流生产。对于 Glidewell Dental 来说，每周生产数以万计的患者专用设备需要耗费大量的工程工作。“我们每年都会与大约 60,000 名牙医有业务合作，占美国修复市场上所有执业医师人数的近五成。”Glidewell 公司工程部副总裁 David Leeson 说道。
牙医可以将患者口腔解剖结构的“印模”邮寄给 Glidewell，或者扫描并上传 3D 数字印模图像到该公司在 Amazon Web Services（AWS）云上建立的专有数字平台中。然后使用专有的人工智能技术生成与印模相匹配的修复体定制设计，并将每个患者专用的修复体的 CAD 文件变成一个唯一的 NC 项目。最新的 Glidewell BruxZir® 工厂根据牙齿大小、颜色和厚度等特点进行分配，并选择合适大小、形状和颜色的未加工过的氧化锆瓷块。一个机器人将铣削坯料搬到铣削塔上进行详细的解剖塑形，然后给修复体上釉，使其表面看上去更加自然。条形码扫描器和视觉应用程序负责在整个加工过程中跟踪检测箱子。
“光学扫描仪会生成成品的三维几何形状，并通过一个算法将其与设计文件进行比较，从而形成一个闭环过程。牙种植体的尺寸必须小于 50 微米才能通过质检，而大多数情况下，它的尺寸都小于 20 微米。”Glidewell 公司自动化经理 Kunal Patil 说道。“而如果使用手工进行上釉，就会产生高达 150 微米的方差。基于 PC 的自动化可以帮助我们提高精度。”
生产线扩展需要更高的控制性能
在 BruxZir 工厂建设初期，Glidewell 工程团队就知道，所有的自动化技术都必须具有高灵活性、高可扩展性，并具有工业级强度。另外，Glidewell 需要从一个由四台铣床组成的单一铣床塔扩展到一个由五台铣床塔构成的系统，最后扩展到第二个由 5 台铣床塔构成的完整系统，共计 40 台铣床。最后，这些组件需要长期承受大量的氧化锆陶瓷磨料粉尘。
自 Glidewell 于 2018 年开始实施第一个铣削塔起，工程团队很快意识到，传统的机床控制技术已经无法满足任务需求。“我们努力解决很多涉及机器人和多台控制器之间的同步、调试和实时通信等问题，同时使用熟悉的控制器。”Kunal Patil 说道。“我们在对多家自动化平台进行评估后，选择了倍福。”
性能强大并具有物联网功能的工业 PC
BruxZir 工厂配备了倍福的多款工业 PC 和 TwinCAT 3 自动化软件解决方案。一台经过 AWS 认证的 C6015 超紧凑型工业 PC 用作物联网网关，从云端传输 NC 程序。一台性能强大的 C6930 控制柜式工业 PC 用作主系统控制器，与多个机器人、视觉系统、现场设备和铣床塔的机床控制器进行通信。每个铣床塔都配备一台 CX5140 嵌入式控制器，它通过使用 TwinCAT NC I 控制四台铣床上的 4 轴运动，即每台控制器控制 16 根轴。基于 PC 的控制器具有良好的连接性、处理能力和可扩展性，可以在同一个标准系统中实现 20 台铣床、80 根运动轴的自动化。Kunal Patil 认为，这些控制器还符合成本效益和耐久性要求。
BruxZir 工厂需要满足 2020 年生效的《加利福尼亚州物联网安全法》中的规定和要求，David Leeson 解释说道：“倍福工业 PC 让我们可以在 Windows 环境中运行经过认证的防病毒软件。这个解决方案可以在不影响性能的情况下满足所有网络安全要求，这一点给我们留下了深刻印象。”据 Kunal Patil 说，他的团队能够在同一个软件平台上使用 C# 和.NET 编程标准机床控制逻辑、高级数控程序和 API。
TwinCAT IoT 和 C6015 工业 PC（与提供开源边缘运行时和云服务的 AWS IoT Greengrass 连接）每 2 秒发送一次有价值的生产数据供分析。除了便于进行故障排除和预测性维护之外，这样还能够更容易发现数据挖掘，以提高机床性能和产品品质。
通过 TwinSAFE 和伺服技术提高精度和效率
EtherCAT 可以确保车间的实时通信速率，实现高性能生产。此外，TwinSAFE 将安全功能集成到控制系统中。“由于有很多加工流程同时进行，我们不希望在按下某台设备的急停按钮时，每台设备都会停止运转。TwinSAFE 让我们能够停止特定的铣床和安全区域，而且我们还可以在同一个项目中创建这种逻辑。”Kunal Patil 说道。
倍福的 AX5000 伺服驱动器和采用单电缆技术（OCT）的 AM8000 伺服电机为取放机器人提供动力，将新的箱子送入铣床塔。铣床中使用了配备有 OCT 单电缆技术的节省空间的紧凑型驱动组件，即 AM8100 系列伺服电机和 EL7211 伺服电机端子模块。在这个应用中，AM8100 伺服电机已经证明了其具有高精度、高可靠性以及坚固耐用性，而方向的不断变化给组件带来了巨大压力。“如果电机稍有偏差，我们的最终产品就会与设计文件不一致，即便只是轻微的振动，也会让材料出现破损和缺陷。”Kunal Patil 在描述修复体制作工艺的高要求时说道。
基于 PC 的控制技术有效减少了组件的使用数量和成本
自从过渡到使用倍福基于 PC 的控制技术后，BruxZir 工厂同时实现了高精度的制造和数据采集。每台铣床每 10 分钟即可完成一箱，并保持 24 小时不间断生产。公司目前正在实施第三条完整的生产线，共计 60 台铣床。基于 PC 的自动化系统显著减少了所需的组件数量，David Leeson 说道：“我们以前的控制器每台只能控制一台铣床，而倍福的控制器每台可以控制四台铣床。此外，对于实现相同的数据采集和云连接，以前的控制器还需要单独配备一台 PC。”Kunal Patil 还补充了一点，即 Glidewell 所考察的其它控制解决方案的成本几乎是倍福控制方案的两倍。
Glidewell 还在继续评估倍福的新技术，包括通过 EtherCAT G 实现千兆通信，以及 TwinCAT HMI 可视化软件，以进一步提升其解决方案的性能。“Glidewell 和倍福有着相似的历史，都是从公司只有一个人开始，凭借着对创新的热情，实现了快速增长。” Kunal Patil 说道。“所以，我们认为倍福不仅是我们的供应商，更是能够与我们同舟共济的合作伙伴。”