PECM（Pulsed Electrochemical Machining，脈衝式電化學加工）是一種快速腐蝕製程，以原子級方式加工，實現高精度且複雜的幾何結構。因此，它是精密製造高科技應用金屬零件的理想選擇。Voxel Innovations 和 Palmetto Mechatronics 採用了Beckhoff 開放式、PC-based 控制技術，將核心過程整合到全自動、高產能的生產線上。

Voxel Innovations 執行長 Daniel Herrington 過去在美國能源部高等研究計畫署－能源（ARPA-E）任職期間，有了關鍵性的領悟。「無論是能源產業、醫療裝置還是航空太空，製造業都是大多數重大技術進步的基礎。我意識到我想從事製造業，而且我看到電化學加工有很大的潛力尚未被發掘。」

Voxel 於 2015 年成立於北卡羅來納州羅里市（Raleigh, North Carolina），目前是脈衝式電化學加工（PECM）的成熟供應商。該公司憑藉自行開發的機械設備，提供高品質的代工製造服務，支援全美客戶的多元需求。這些客戶遍布航太、醫療設備、能源及其他需要大量生產高精密金屬零件的產業。

Voxel 早期聘用的一位員工，乍看之下似乎顯得有些不同尋常。電化學家 Omar Yepez 博士之前致力於盡力保護離岸設備的不生銹。而現在，Daniel Herrington 希望他為 Voxel 做相反的事。這也就是 PECM 的概念：極速且高度精準的腐蝕加工，以原子級精度打造精密且高品質的複雜幾何形狀。「PECM 製程是非接觸和非熱的，因此可以製造出具有複雜特徵的薄壁幾何形狀，而不會使零件變形。Daniel Herrington 說：「藉由這項技術，我們可以製造出傳統製程在成本上難以負擔，或是甚至根本無法製造出的零件。」

為了延跡續其成長軌，Voxel 需要為其系統導入更精密的自動化平台，以擴充支援不斷增加的產量。在研究了廣泛的供應商後，他們選擇了 Beckhoff。這個決定也讓他們找到了位在南卡羅來納州格林維爾市（Greenville, South Carolina）的 Palmetto Mechatronics 業主兼自動化顧問 Robert Belk, Jr.，在 Voxel、Palmetto 和 Beckhoff 團隊的通力合作下，開發出整合了機器人和檢測功能的自動化生產線。

整合產品搬運與品質管控功能

在生產線上，首先將零件分開，然後由 SCARA 機器人將零件裝載到托盤上。龍門機構將托盤移動穿過預處理槽。接下來，多關節機器手臂抓取多個工件，並將其送入 PECM 加工模組中。在內部，模具下降到位，電解質溶液填滿模具和工件之間的微小間隙。只要施加正確的電壓電位，系統就能透過電解作用溶解金屬。同時，電解液也可作為沖洗劑，清除加工產生的廢料和殘留的熱能。之後，機器人將加工好的零件卸載到另一個托盤上。隨後，第二組龍門機構會接手工件，並依序送入後處理槽與乾燥室進行清洗與乾燥作業。最後，另一部 SCARA 將托盤卸下，同時將零件傳送到裝有 Micro Epsilon 光學量具的檢測站。

這項複雜作業需要快速的循環時間，以及不同製程間的精確同步。除此之外，與資料庫互聯互通、連結至網路平台以擷取資料，以及直接與第三方設備整合，都是需要考慮的因素。

自動化軟體解决了嚴峻的挑戰

Robert Belk 與 Voxel 控制系統工程師 Kevin Judd 合作，使用 Beckhoff TwinCAT 3 自動化軟體為為機台撰寫控制程式。TwinCAT 支援多種程式語言，讓工程師能根據自身專長與應用需求，選擇最合適的語言進行程式設計。Belk 使用結構化文本（Structured Text）進行程式設計，並以 C# 客製化人機介面（HMI）。

除了標準的 PLC 功能與用於製程感測器的 PID 控制迴路之外，還有數項 TwinCAT 功能在此應用中扮演關鍵角色，包括：

• 透過 ADS 通訊，機台控制邏輯可與自訂的 Windows .NET 應用程式連接，用於整合光學量測裝置與HMI。
• 採用 PTP 運動控制函式庫，以 13 顆 Beckhoff AM8100, 伺服馬達所帶動的滾珠螺桿致動器，實現 PECM 加工工具的高精度升降控制。
• 與 TwinCAT 3 Database Server 的資料庫互聯互通，可高速連接至客製化資料庫，用於半成品（WIP, Work-In-Progress）控制和確定關鍵性能指標。

Robert Belk 表示：「本系統需要與 MS-SQL 資料庫進行即時的互動。每個零件在放入第一個托盤時，都會被分配一個虛擬序號，並於整個製程中持續追蹤與更新。零件資料對於判斷機械加工工具的磨損或損壞情況，以及優化加工流程都非常重要。Beckhoff 資料庫客戶端軟體可以在 TwinCAT 控制軟體内非常快速地執行儲存過程。」

精密加工的精度控制

Voxel 的 PECM 生產線使用執行 TwinCAT 的 CX2042 嵌入式控制器作為中央設備控制器。直接與 EtherCAT 端子模組互聯互通的 CX2042 可與三台機器人、光學鏡頭、MS-SQL 資料庫進行通訊，並裝載 HMI 程式。配備 Intel® Xeon® 多核處理器，提供短循環時間所需的運算力。

在網路方面， EtherCAT 提供快速的即時通訊和彈性的拓樸結構。安裝於關節式機器人上的 EtherCAT 端子模組，透過閥件與感測器控制末端執行器，可操作多達 24 組夾爪。此外，EL7211 伺服馬達終端為 AM8100 伺服馬達提供節省空間的 48 V DC 伺服放大器。TwinSAFE 硬體以及機器人內建的功能可透過 EtherCAT 網路實現功能安全。

高產量的創新自動化設備

經過一年的開發時間，這條自動化 PECM 生產線於 2023 年 6 月正式啟用，每年生產約四百萬個零件。Voxel 已達到設計階段所設定的效能基準。該系統提供品質控制資料、pH 值等的完整可視性，提供可追溯性，以符合航太業的 AS9100 和醫療裝置製造業的 ISO 13485 等標準。此外，它還可以暫停生產，並能在發生任何超出公差範圍的情況時向操作員發出警告。

Daniel Herrington 表示：「無論是噴射引擎的零件、植入式醫療裝置或能源應用的熱交換器，我們的願景都是提供客戶差異化的技術，協助他們最佳化效能與成本指標。」 「然後，我們希望在整個過程和整個產品生命週期中為他們提供支援。我們的模式是成為值得信賴的工程開發和大量製造合作夥伴。」 需求證明他是對的：為了趕上訂單，公司繼續三班制，日以繼夜地進行生產。