上下颠倒的设计和自动化解决了古老的精密磨削挑战

随着自动化技术使机械在更小的产品运行中达到更高的精度，对“批量1”的自动化制造的需求越来越大。“无心磨削”技术，一种精密磨削圆柱机器零件的特殊技术，就是这些制造商的需求可以达到最大的一个例子。Echo Hill Automation总部位于加拿大安大略省的Beamsville，在研磨技术方面拥有超过20年的经验，迅速度过了加工精密零件需要大量手工技能才能制造出非常苛刻的规格部件的时代。

今天，许多精密零件在初级加工过程中首先加工，例如用车床;然后用研磨机把它们加工成精确的尺寸。无中心磨床，如来自Echo Hill的那些，使用高性能砂轮在微米级公差要求的最高水平上完成组件。无心磨削的应用范围从汽车零部件制造到航空航天零件的加工，具有最高的公差要求。

自动打磨挑战

市场上的大多数磨床一次只能磨一个零件，质量和效率都可以接受。由于夹具(持有零件)的变化，还必须对所有零件的磨削轮廓进行更新，以便精确加工。直到最近，这些更新大多是通过计算机辅助制造(CAM)轮廓或计算机数控(CNC)修整器手动输入的。机器操作员必须输入微米级的增量，才能将零件研磨到正确的尺寸和精度。

整个无心磨削行业的另一个显著不足是零件的测量。为了解决这一问题并创造竞争优势，Echo Hill投入了大量的研发(R&D)工作来改进公司机械上的测量技术。Echo Hill Automation总裁Harry Schellenberg表示:“更复杂的是，客户通常有各种不同的部件，因此他们要求短时间的生产周期和频繁的产品更换。这些要求要求Echo Hill使其无心磨削系统更加灵活，以适应无数的零件尺寸和尺寸。

磨床进行壮观的180度

多年来，加工零件的公差变得越来越严格，以增加最终使用期间的可靠性。此外，今天的制造商通常要求“零缺陷”生产，这对机器制造商提出了更多的要求，以消除生产缺陷和浪费。如今，高度专业化的机械师越来越少，这让机器制造商和自动化系统承担了更多的责任，以制造出没有缺陷的高精度零件。

这些类型的机器的磨头重量超过1000磅，因此随着反复运动，在驱动机器部件来回的滑动机构和滚珠丝杠上可能会产生强烈的磨损点。除了机械磨损，磨削应用是出了名的脏，因为来自机械加工过程的污垢和液体很难管理。在许多机器中，冷却剂被连续地喷洒在滚珠丝杠外壳和滑动机构上。随着时间的推移，这些因素使得即使使用高精度磨床也越来越难以满足严格的公差。

2009年，经过多年在机器和控制设计各个领域的密集研发工作，Echo Hill在其新的8寸战术8机器中提出了创新的解决方案，以应对这些挑战。-宽砂轮。战术8的设计通过安装在机器顶部的高精度直线电机使移动设备“上下颠倒”。而不是有主轴马车下面的砂轮，回声山而是安装在砂轮上面。艾可·希尔发明了这种专利的新思维方式，“来自上方的动力”。

直线电机的磁性吸引力抵消了滑块的重量，最大限度地减少了磨损，基本上中和了循环滚轮滑块机构的重量，从而极大地延长了滑块的寿命。设备和机制也保持清洁，因为它们悬浮在过程上方。重力阻止了研磨过程中大多数污垢和冷却剂的接触。

精简的控制体系结构

除了机械方面的进步，Echo Hill公司的新战术8还成功地减少了不同控制平台的数量，提高了整体效率。

哈里·谢伦伯格(Harry Schellenberg)说，Echo Hill最初在2008年研究了新的自动化技术，用于“控制用于将零件装入磨床的机器人”。“到目前为止，我们为机器、机器人配备了独立的控制器，还有一个控制器用于控制测量数据，这需要所有控制器之间进行复杂的通信。Echo Hill通过设计一个平台，可以在一个控制器、一个软件平台和一个网络中处理机器人、测量和机器自动化，为我们提供了一个交钥匙包，从而获得了竞争优势。”

为了实现这一目标，Echo Hill使用了配备第二代英特尔酷睿i3处理器(2.2 GHz, 2核)的工业PC (IPC)，该处理器运行统一的软件平台，用于全面的机器控制，包括机器人和测量系统。通过使用CFast(串行ATA总线的CompactFlash变体)卡作为引导和存储介质，IPC是完全固态的，没有旋转部件。此外，IPC上的外部散热器可以安全地将热量从控制柜的侧面散发出去，无需风扇。与控制柜另一侧的工控机相连的是用于机器可视化的经济型控制面板。

对于人机界面(HMI)软件，Echo Hill使用的是另一家供应商。

Echo Hill automation的副总裁兼控制专家Dan Schellenberg (Harry Schellenberg的兄弟和商业伙伴)表示:“在运行我们自动化软件的IPC上运行HMI软件也是一个重大改进。”“在标准化基于PC的控制之前，我们使用了硬件PLC和单独的‘白盒’PC来运行HMI。这两个系统之间的通信增加了复杂性，降低了控制系统的整体性能。然而，这些问题都已成为过去。”

使用IPC作为机器人控制器有许多好处，包括降低成本、面板空间和系统复杂性。Echo Hill控制研磨单元，每个单元有三个机器人，IPC运行统一的控制软件。

Dan Schellenberg说:“通过一个控制器和一个软件实现所有机器人协调，同时处理我们的砂轮的3个轴插值运动，这是一个改变游戏规则的系统，实现领先性能的障碍更少。”“此外，通过在基于pc的控制平台上运行G代码来执行复杂的运动，当参数发生变化时，我可以更容易地重写程序。我们可以灵活地使用多种编程语言，从标准语言到高度专业化的语言，这取决于哪种语言最适合在一个标准、统一的编程环境中执行特定任务。简单的运动控制元素通常使用函数块库来处理，这节省了编程时间。”

标准格式

另一种软件解决方案用于以标准格式读取和写入部件参数。Dan Schellenberg表示:“这是非常有用的，因为在Echo Hill应用中，可能有多达4000个零件参数在生产过程中不断变化。“这让我们在机器之间传递参数时更加灵活。”

除了尽可能高的精度外，Echo Hill还实现了从磨削开始到最终工艺的零件完整检查。凭借更好的测量数据，Echo Hill可以在闭环系统的生产过程中更容易地纠正修整模式，为微米和亚微米级的自动改变创造了可能。该机器还成功地在不牺牲效率的情况下同时运行四个部分。

Dan Schellenberg说:“在几分钟内，我们的客户可以同时研磨四个‘平均水平’的零件，这是研磨的顶峰。”“我们的客户马上就注意到了这一点——用一台Echo Hill机器替换四台竞争对手的机器是可能的。”

工业以太网(EtherCAT协议)广泛用于机器网络，并部署了广泛的EtherCAT I/O，用于磨床上的完整数据采集、温度监测和振动分析。2通道数字输入终端具有内置的过采样功能，因此它们可以从过程级获取快速二进制控制信号，并以电隔离的形式将它们传输到控制器。终端的时基可以通过分布式时钟与其他EtherCAT设备精确同步。该程序使数字输入信号的时间分辨率增加到母线周期时间的“n”倍。

为了最好地确保机器操作员和工厂人员的安全，EtherCAT安全功能为战术8提供了全面的机器安全。TwinSAFE将安全技术集成到标准的EtherCAT I/O系统中，而不是必须将一组单独的电缆连接到具有自己软件和网络的专用安全控制器上。这使得Echo Hill更容易，更经济，以确保机器操作人员在零件装载和维护期间的安全。

EtherCAT还用于将自动化设备连接到视觉系统。Echo Hill通过EtherCAT将长度和直径参数数据传输到视觉系统，以便在转换过程中更容易重新配置机器。战术8中的新测量系统可以处理尽可能广泛的各种零件，具有令人难以置信的严格公差，低至6微米。该领域新设计的机器已经为众多Echo Hill客户加工了超过1亿件高精度零件。

衡量一系列的成功

虽然一次加工四个零件的能力可能是Echo Hill的最大卖点，但额外的测量功能一直是战术8成功的重要因素。在我们的测量系统过渡到EtherCAT和I/O终端技术后，“Echo Hill成功地达到了每秒4000次扫描，将之前1000次扫描的限制远远甩在了后面，”Harry Schellenberg说。

Harry Schellenberg表示，除了通过主机控制器对机器人进行完全控制外，ethercat支持的过采样和分布式时钟的高性能真的将战术8推向了先进的自动化领域。

虽然新的战术8系统使Echo Hill的产量提高了四倍，但并没有导致控制成本的增加。

Dan Schellenberg补充说:“事实上，在中央IPC上运行运动学系统，同时处理我们所有其他机器功能，帮助我们将控制器的总体成本降低了50%以上。”“我们从四个硬件控制器变成了一个，使用基于PC和ethercat的系统....这也对减少我们的机柜空间、整机占地面积和系统复杂性产生了巨大影响。”

仅硬件方面的节省就令人印象深刻，但由于集中式控制架构，还节省了编程时间。

“过去，Echo Hill采用内置智能的伺服驱动器，”Dan Schellenberg回忆道。“当我们不得不进行编程更改时，我们必须在每个驱动器上执行更新。今天，我们可以在ipc的一个可靠位置上完成所有的运动软件更新。我们的机器调试时间从几天缩短到了几个小时。”

更换更快，磨损更少

这些好处不仅限于回声山;这些影响也波及到了公司的最终用户客户。Echo Hill的大量应用中有很大一部分涉及到汽车变速箱的磨削零件。Dan Schellenberg表示，该公司的一个客户就是这种情况，该客户是一家变速器原始设备制造商(OEM)，使用Echo Hill机器以极低的产量生产各种高精度汽车零部件。

“这需要不断改变机器参数来研磨不同的零件。然后必须更换砂轮，这通常是一个耗时的过程。战术8转换可以通过改变刀片上的位置来运行完全不同的部件，从而在最短的停机时间内快速发生。作为证据，它们的转换时间缩短了50%，研磨设备的磨损也降到最低。”Dan Schellenberg说。

因此，虽然今天很难找到机械工匠大师，但Echo Hill Automation拥有无中心研磨机械，可以专业地制作完美的定制零件，就像处理大批量生产一样容易。

- Shane Novacek是倍福自动化公司的市场传播经理。由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程，mhoske@cfemedia.com。

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关键概念

• 机械重新设计使产量增加了四倍以上。
• 控制器成本和更换时间减少了一半以上，减少了机器磨损。
• 驱动调试从两天缩短到几个小时。

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请看一段来自Echo Hill的44秒YouTube视频战术8机器在行动．

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