基于 PC 的開放式控制和驅(qū)動技術(shù)在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用

格勞博集團(tuán)是一家在全球范圍內(nèi)運(yùn)作的家族企業(yè)，自 95 年前成立以來，一直致力于為全球知名的汽車制造商研發(fā)以及生產(chǎn)各種系統(tǒng)和機(jī)床。在當(dāng)今這個日新月異的時代，他們不僅致力于追求技術(shù)創(chuàng)新，更具有很強(qiáng)的市場開拓能力。他們于 2019 年成功研制出的增材制造領(lǐng)域的第一臺機(jī)床樣機(jī)。其新型液態(tài)金屬打印機(jī) GMP300 配備了基于 PC 的自動化控制技術(shù)，它能夠經(jīng)濟(jì)高效地使用鋁合金線材進(jìn)行高精度、高速度的 3D 打印。

格勞博集團(tuán)總部位于德國明德海姆市，其產(chǎn)品范圍包括通用加工中心、高度靈活的生產(chǎn)系統(tǒng)和手動裝配站，以及主要針對汽車行業(yè)的全自動裝配生產(chǎn)線。2018 年，公司出于創(chuàng)新考慮，將重點(diǎn)放在增材制造設(shè)備上，以評估電動汽車和燃料電池等未來技術(shù)。

使用 GMP300 液態(tài)金屬印刷機(jī)生產(chǎn)的部件示例

經(jīng)濟(jì)靈活的增材制造技術(shù)

GMP300 液態(tài)金屬打印機(jī)采用無粉制造工藝，可安全快速地生產(chǎn)形狀接近成品的部件，為客戶提供可靠、高效且經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)技術(shù)（采用 3 軸運(yùn)動學(xué)，最大軸速度為 30 米/分），同時還提供了最大的生產(chǎn)靈活性。此外，該系統(tǒng)還配備了一個含惰性氣體的裝配空間，以及大量用于監(jiān)測液滴、噴嘴和部件高度的傳感器。同時，它還可加工鋁合金線材，由于無需處理粉末，從而降低了潛在風(fēng)險。格勞博增材制造團(tuán)隊負(fù)責(zé)人 Johannes Glasschr?der 博士解釋道：“我們?yōu)榇碎_發(fā)了一種全新的技術(shù)，與傳統(tǒng)工藝相比，具有更加廣闊的發(fā)展前景。例如，線材原料要比常用的粉末原料便宜得多。這為快速、經(jīng)濟(jì)地小批量加工制造鋁合金部件提供了理想條件。”

格勞博增材制造團(tuán)隊的 Emanuel Engelsberger 在談及所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)時補(bǔ)充道：“ CNC 系統(tǒng)與每個鋁滴精準(zhǔn)同步是關(guān)鍵。例如，為了實現(xiàn)高精度定位，必須精確補(bǔ)償鋁滴從打印頭到形成部件之間的下落時間。我們?yōu)檫@項研發(fā)投入了大量的時間和精力，特別是為了能夠以最大速度精確地生產(chǎn)邊角和尖銳邊緣。液滴頻率與軸速度的匹配也起著極其重要的作用。同樣，大量的傳感器數(shù)據(jù)不僅可用于分析，而且也是參數(shù)調(diào)整和過程控制的基礎(chǔ)。只有這樣，才能在部件制造過程中直接補(bǔ)償任何可能的微小誤差。”Johannes Glasschr?der 博士認(rèn)為，該技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，幾乎沒有任何限制，但它對打印速度的要求各不相同。目前已經(jīng)實現(xiàn)了每秒 1000 個鋁滴的打印速度，但通常打印速度為每秒 250 個鋁滴。使用較慢的打印速度時，結(jié)果通常會更精確，并且也可以使用更大的鋁滴體積快速實現(xiàn)所需效果。

基于 PC 的控制技術(shù)具有速度快、精度高的特點(diǎn)

繼格勞博在電動汽車領(lǐng)域采用倍福基于 PC 的控制技術(shù)獲得成功之后，增材制造團(tuán)隊也決定選用這項技術(shù)。Emanuel Engelsberger 解釋道：“我們不僅能滿足傳統(tǒng)要求和內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，而且基于 PC 的控制技術(shù)還能夠完全滿足我們對速度和精度的要求。”Johannes Glasschr?der 博士也證實了這一點(diǎn)：“最重要的是，倍福的控制平臺易于使用，開放性強(qiáng)，并且可以集成我們自己的擴(kuò)展功能，這意味著它是經(jīng)得起未來考驗的。”

AX5000 伺服驅(qū)動器與 AM8000 系列伺服電機(jī)配合使用，確保實現(xiàn)高精度、高動態(tài)的運(yùn)動

C6030 超緊湊型工業(yè) PC，其單核計算能力很高，非常適合這個應(yīng)用。Johannes Glasschr?der 博士還認(rèn)為，Beckhoff工業(yè) PC 搭載的處理器種類非常豐富且定期更新，能夠滿足未來發(fā)展需求以及可持續(xù)發(fā)展方面的要求。格勞博選擇了一臺CP3918 多點(diǎn)觸控控制面板，配備 18.5 英寸顯示屏和定制化按鈕擴(kuò)展件，確保機(jī)器操作方便。

總共七個伺服軸所需的高精度和高動態(tài)運(yùn)動通過 3 個單通道和 2 個雙通道 AX5000 伺服驅(qū)動器以及 AM8000 伺服電機(jī)實現(xiàn)。此外，格勞博還使用了倍福的安全產(chǎn)品：在伺服驅(qū)動器方面，使用的是 AX5805 TwinSAFE 驅(qū)動器選項卡，而在 I/O 方面，使用的則是 EL6910 TwinSAFE 邏輯端子模塊和多個 TwinSAFE 端子模塊。總體而言，I/O 層由大量數(shù)字量和模擬量 EtherCAT 端子模塊以及 EtherCAT 端子盒構(gòu)成。Emanuel Engelsberger 在描述它們的重要優(yōu)勢時說道：“對我們來說，數(shù)據(jù)采集、處理的速度和精度至關(guān)重要。只有采用倍福的 XFC 極速控制技術(shù)，即 EL2262 超采樣端子模塊，我們才能根據(jù)軌跡規(guī)劃精確設(shè)置相應(yīng)的觸發(fā)信號，并實現(xiàn)與視覺系統(tǒng)同步等要求。而這正是 GMP300 的核心應(yīng)用。” 此外，另一個優(yōu)勢是倍福的 I/O 產(chǎn)品具有各種接口，便于集成 IO-link 傳感器（通過 El6224）等設(shè)備。

性能強(qiáng)大且操作便捷的軟件組件

Emanuel Engelsberger 認(rèn)為，倍福 TwinCAT 自動化軟件已經(jīng)通過大量應(yīng)用證明了其優(yōu)勢，尤其是在與各種 EtherCAT 模擬量模塊配合使用時，TwinCAT 3 組件（TF4100）提供了豐富的控制算法。例如，在用打印頭的線材原料生產(chǎn)均勻的鋁熔體時，正確的溫度控制至關(guān)重要。在工程環(huán)境中，其優(yōu)勢在于無需花時間切換開發(fā)環(huán)境就能預(yù)仿真機(jī)器序列，并且擁有豐富的虛擬化功能選項。

TwinCAT 3 CNC (TF5200) 是應(yīng)用核心（軌跡計算）的基礎(chǔ)，Emanuel Engelsberger 解釋道：“TwinCAT 的開發(fā)界面、軟件架構(gòu)和易用性在我們熟悉期間就給了我很大支持。在 TcXaeShell 中可以簡單方便來實現(xiàn)我們的核心專業(yè)技術(shù)。因此，如前所述，為了在數(shù)控系統(tǒng)中精確定位鋁液滴必須進(jìn)行類似于預(yù)計算的操作，以便正確計算出液滴的下落時間。因此，我們需要準(zhǔn)確地知道下一個液滴在軌跡曲線中的位置，然后相應(yīng)地設(shè)置觸發(fā)器。”