基于 PC 的開(kāi)放式控制和驅(qū)動(dòng)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(lái)，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(gè)日新月異的時(shí)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(chǎng)開(kāi)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(tái)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(dòng)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(guó)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(dòng)裝配站，以及主要針對(duì)汽車行業(yè)的全自動(dòng)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(píng)估電動(dòng)汽車和燃料電池等未來(lái)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(wú)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(dòng)學(xué)，最大軸速度為 30 米/分），同時(shí)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(gè)含惰性氣體的裝配空間，以及大量用于監(jiān)測(cè)液滴、噴嘴和部件高度的傳感器。同時(shí)，它還可加工鋁合金線材，由于無(wú)需處理粉末，從而降低了潛在風(fēng)險(xiǎn)。格勞博增材制造團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Johannes Glasschr?der 博士解釋道：“我們?yōu)榇碎_(kāi)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(duì)的 Emanuel Engelsberger 在談及所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)時(shí)補(bǔ)充道：“ CNC 系統(tǒng)與每個(gè)鋁滴精準(zhǔn)同步是關(guān)鍵。例如，為了實(shí)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(shí)間。我們?yōu)檫@項(xiàng)研發(fā)投入了大量的時(shí)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(guò)程控制的基礎(chǔ)。只有這樣，才能在部件制造過(guò)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(méi)有任何限制，但它對(duì)打印速度的要求各不相同。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了每秒 1000 個(gè)鋁滴的打印速度，但通常打印速度為每秒 250 個(gè)鋁滴。使用較慢的打印速度時(shí)，結(jié)果通常會(huì)更精確，并且也可以使用更大的鋁滴體積快速實(shí)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(dòng)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(duì)也決定選用這項(xiàng)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(duì)速度和精度的要求。”Johannes Glasschr?der 博士也證實(shí)了這一點(diǎn)：“最重要的是，倍福的控制平臺(tái)易于使用，開(kāi)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(lái)考驗(yàn)的。”

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

C6030 超緊湊型工業(yè) PC，其單核計(jì)算能力很高，非常適合這個(gè)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(lái)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(tái)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(gè)伺服軸所需的高精度和高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)通過(guò) 3 個(gè)單通道和 2 個(gè)雙通道 AX5000 伺服驅(qū)動(dòng)器以及 AM8000 伺服電機(jī)實(shí)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(dòng)器方面，使用的是 AX5805 TwinSAFE 驅(qū)動(dòng)器選項(xiàng)卡，而在 I/O 方面，使用的則是 EL6910 TwinSAFE 邏輯端子模塊和多個(gè) 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(shì)時(shí)說(shuō)道：“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，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(hào)，并實(shí)現(xiàn)與視覺(jué)系統(tǒng)同步等要求。而這正是 GMP300 的核心應(yīng)用。” 此外，另一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(guò) 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(dòng)化軟件已經(jīng)通過(guò)大量應(yīng)用證明了其優(yōu)勢(shì)，尤其是在與各種 EtherCAT 模擬量模塊配合使用時(shí)，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(shí)，正確的溫度控制至關(guān)重要。在工程環(huán)境中，其優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需花時(shí)間切換開(kāi)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(xiàng)。

TwinCAT 3 CNC (TF5200) 是應(yīng)用核心（軌跡計(jì)算）的基礎(chǔ)，Emanuel Engelsberger 解釋道：“TwinCAT 的開(kāi)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(jiǎn)單方便來(lái)實(shí)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(jì)算的操作，以便正確計(jì)算出液滴的下落時(shí)間。因此，我們需要準(zhǔn)確地知道下一個(gè)液滴在軌跡曲線中的位置，然后相應(yīng)地設(shè)置觸發(fā)器。”