EtherCAT 和 PC -based控制技術應用在假牙精密銑削製造
自 21 世紀初興起的口腔 CAD 技術革命後，美國口腔修復體製造商 Glidewell Dental迅速發展，最近成功達成高度自動化生產。倍福靈活的自動化解決方案幫助Glidewell Dental旗下的一家假牙生產工廠實現現代化改造。在這裡，C6015 超緊湊型工業 PC 作為物聯網閘道，透過雲端提供患者專用的 NC 程式，並且每 2 秒就從40 台銑床傳輸一次生產數據，以便進行分析。
Glidewell Dental在 1970 年成立於 Jim Glidewell 位於加利福尼亞州歐文市的公寓中，目前在全球擁有 4,300 多名員工，主要生產各種口腔修復體和醫療設備產品。在口腔修復領域，例如在供應牙冠、牙橋或義齒等口腔修復產品時，每個產品都需要單件生產。對於 Glidewell Dental 來說，每週生產數以萬計的患者專用設備需要耗費大量的工程工作。「我們每年都會與大約 60,000 名牙醫有業務往來，占美國修復市場上所有執業醫師人數的近五成。」Glidewell 公司工程部副總裁 David Leeson 說道。
牙醫可以將患者口腔解剖結構的「印模」郵寄給 Glidewell，或者掃描並上傳 3D 數位印模圖像到Glidewell在 AWS上建立的專有數位平台上。接著使用專門的人工智慧技術生成與印模相匹配的修復體客製設計，並將每個患者專用的修復體CAD 檔變成一個單獨的 NC 專案。最新的 Glidewell BruxZir® 工廠根據牙齒大小、顏色和厚度等特點進行分配，並選擇合適大小、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放到銑削塔上進行詳細的解剖塑形，然後給修復體上釉，讓表面看起來更加自然。條碼掃描儀和視覺應用程式負責在整個加工過程中追蹤案件。
「光學掃描器會生成成品的3D幾何形狀，並透過演算法與設計檔進行比較，進而形成一個閉環過程。植牙的尺寸必須小於 50 微米才能通過品質檢測，而大多數情況下，它的尺寸都小於 20 微米。」Glidewell 公司自動化經理 Kunal Patil 說道。「而如果使用手工進行上釉，就會產生高達 150 微米的差異。PC-based自動化可以幫助我們提高精度。」
生產線擴展需要更高的控制性能
在 BruxZir 工廠建設初期，Glidewell 工程團隊就知道，所有的自動化技術都必須具備高靈活性、高可擴展性，並具有工業級強度。另外，Glidewell 需要從一個由四台銑床組成的單一銑床塔擴展到一個由五台銑床塔構成的系統，最後擴展到第二個由五台銑床塔構成的完整系統，共計 40 台銑床。最後，這些零組件需要長期承受大量的氧化鋯陶瓷磨料粉塵。
自 Glidewell 於 2018 年開始實施第一個銑削塔起，工程團隊很快意識到，傳統的機台控制技術已經無法滿足生產需求。「我們在使用熟悉的控制器時，遇到許多問題，包括涉及機器人和多台控制器之間的同步、調試和即時通訊。」Kunal Patil 說道。「我們在對多家自動化平台進行評估後，最後選擇倍福。」
性能強大並具有物聯網功能的工業 PC
BruxZir 工廠配有多款倍福工業 PC 和 TwinCAT 3 自動化軟體解決方案。一台經過 AWS 認證的 C6015 超緊湊型工業 PC 作為物聯網閘道，從雲端傳輸 NC 程式。一台性能強大的 C6930 控制櫃式工業 PC 用作主系統控制器，與多個機器人、視覺系統、現場設備和铣床控制器進行通訊。每個銑床塔都配備一台 CX5140 嵌入式PC，它透過使用 TwinCAT NC I 控制四台銑床上的 4 軸運動，即每台控制器控制 16 根軸。PC-based控制器具有良好的連線性、處理能力和可擴展性，可以在同一個標準系統中實現 20 台銑床、80 根運動軸的自動化。Kunal Patil 認為，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《加州物聯網安全法》中的規定和要求，David Leeson 解釋說道：「倍福工業 PC 讓我們可以在 Windows 環境中運行經過認證的防毒軟體。這個解決方案可以在不影響性能的情況下滿足所有網路安全要求，我們對此留下深刻的印象。」據 Kunal Patil 說，他的團隊能夠在同一個軟體平台上使用 C# 和.NET 程式設計標準工具機控制邏輯、高級數控程式和 API。
TwinCAT IoT 和 C6015 工業 PC，與提供開源邊緣運行時和雲端服務的 AWS IoT Greengrass 連接，每 2 秒發送一次有價值的生產數據供分析。除了便於進行故障排除和預測性維護之外，這樣還能夠更容易發現數據採擷，以提高設備性能和生產品質。
透過 TwinSAFE 和伺服技術提高精度和效率
EtherCAT 可以確保工廠內的即時通訊速率，實現高性能生產。此外，TwinSAFE 將安全功能整合到控制系統中。「由於有很多加工流程同時進行，我們不希望在按下某台設備的急停按鈕時，每台設備都會停止運轉。TwinSAFE 讓我們能夠停止特定的銑床和安全區域，而且我們還可以在同一個專案中創建這種邏輯。」Kunal Patil 說道。
倍福的 AX5000 伺服驅動器和採用單電纜技術（OCT）的 AM8000 伺服馬達為取放機器人提供動力，將新的案件送入銑床塔。銑床中使用配有 OCT 單電纜技術的節省空間的緊湊型驅動元件，即 AM8100 系列伺服馬達和 EL7211 伺服馬達端子模組。在這個應用中，AM8100 伺服馬達展示其高精度、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。Kunal Patil 在描述製作修復體過程的高要求時說：「如果馬達稍有偏差，我們的最終產品就會與設計檔不一致，即便只是輕微的振動，也會讓材料出現破損和缺陷。」
PC-based控制技術有效減少了元件的使用數量和成本
自從過渡到使用倍福PC-based控制技術後，BruxZir 工廠同時實現了高精度的製造和資料獲取。每台銑床每 10 分鐘即可完成一個案子，並保持 24 小時不間斷生產。公司目前正在進行第三條完整的生產線，共計 60 台銑床。PC-based的自動化系統顯著減少所需的元件數量，David Leeson 說：「我們以前的控制器每台只能控制一台銑床，而倍福的控制器每台可以控制四台銑床。此外，對於實現相同的數據獲取和串聯雲端，以前的控制器還需要單獨配備一台 PC。」Kunal Patil 還補充了一點，即 Glidewell 之前考慮的其它控制解決方案成本幾乎是倍福控制方案的兩倍。
Glidewell 還在繼續評估倍福的新技術，包括透過 EtherCAT G 實現Gigabit通訊，以及 TwinCAT HMI 視覺化軟體，以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，憑藉著對創新的熱情，實現了快速增長。」 Kunal Patil 說道。「所以，我們認為倍福不僅是我們的供應商，更是能夠與我們同舟共濟的合作夥伴。」