工业电脑

使用云连接的IPC提高了生产率

Glidewell Dental使用灵活、可扩展的自动化、EtherCAT和工业物联网解决方案实现义齿工厂的现代化

由詹姆斯•Figy 2021年8月11日,
图6:Beckhoff的AX5000伺服驱动器和AM8000伺服电机为拾取和放置机器人提供动力,为铣削塔提供新机箱。礼貌:Beckhoff自动化

修复牙科中的每一种产品都需要批量生产,包括牙冠、桥或假牙等牙科修复(修复)。

对于Glidewell Dental而言,每周生产数万个针对患者的设备需要大量的工程技术。Glidewell在自动化和云连接系统方面的投资,特别是在其broxzir Zirconia修复工厂的投资,是这些努力的重要组成部分。

Glidewell公司的副总裁David Leeson说:“我们每年和大约6万名牙医做生意,占美国康复市场所有执业牙医的近50%。”在一个仍然严重依赖熟练技工执行手工流程的行业中,灵活的自动化提供了一个决定性的优势。

牙医要么将患者的口腔解剖图像邮寄给Glidewell,要么进行激光扫描,并将3d数字印象图像上传到该公司专有的材料需求规划(MRP)数字平台CloudPoint。CloudPoint建立在亚马逊网络服务(AWS)云上。

专有的人工智能(AI)技术生成定制的假肢设计,以匹配印象,并将每个修复的CAD文件变成一个独特的NC项目。BruxZir工厂指定一个具有指定特征的外壳,如齿的大小、阴影和厚度,并选择一个尺寸、形状和颜色合适的未经精炼的氧化锆材料块(铣削毛坯)。

一个机器人将氧化锆坯料转移到铣削塔上进行详细的解剖整形,然后进行玻璃修复,使表面看起来更自然。条形码扫描仪在整个过程中跟踪箱子,如果操作员出于任何原因移走箱子,视觉应用程序就会跟踪技术人员和箱子。

“为了实现闭环过程,光学扫描仪生成成品的三维几何图形,然后用算法将其与设计文件进行比较。植入的牙齿必须在50微米以内才能通过质量检查,而大多数情况下,它必须在20微米以内。”“仅手工上光就能产生高达150微米的差异。基于pc的自动化帮助我们实现更高的精度。”

然而,情况并非总是如此。1970年,吉姆·格里德韦尔(Jim Glidewell)在自己的公寓里创建了这家公司,使用的是传统的、艰苦的手工制作技术。随着客户的增长,他对额外劳动力和配套服务的需求也在增长,多年来形成了高度多样化和自给自足的制造业链。

如今,这家总部位于加州欧文的公司生产从原材料到最终修复和其他医疗设备的一切产品,并在全球雇佣了超过4300名格里迪维尔专业人员。

在21世纪初的牙科CAD革命之后,Glidewell迅速发展到今天的基于云计算的生产。李森说:“现在我们正在创建高度连接的系统,并利用存储在云端的1000多万名患者设计的数据。”“我们的愿景是继续向上和向下延伸价值链,以改进我们现有的产品,并创造新的产品。”

底座安装的问题

当案例从一个生产步骤转移到另一个生产步骤时,这些机器会更新Cloud数据库,监控步骤之间的时间,并向管理仪表板通报结果。

“由于我们的产品是按需生产的,我们总是有客户等待我们生产的任何产品,我们不能像其他公司一样从库存中替代产品。如果订单等待时间过长,系统会自动将其添加回队列。我们不会去追踪产品;我们只是再做一个,”李森说。

从BruxZir工厂建设之初,Glidewell工程团队就知道,所有的自动化技术都需要具有灵活性、可扩展性和工业性。机器控制器和运动部件需要适应不断变化的食谱。

Glidewell很快就需要从一个由4个磨粉机组成的磨粉塔扩大到一个系统中的5个磨粉塔,最终达到第二个完整的系统,包括5个磨粉塔,总共40个磨粉机。最后,组件需要承受大量研磨氧化锆尘埃。

随着Glidewell在2018年开始实施BruxZir工厂的第一个磨粉塔,工程团队很快意识到其标准机器控制技术无法胜任这项任务。帕蒂尔说:“在使用熟悉的控制器时,我们遇到了许多问题,包括机器人与多个控制器之间的同步、调试和实时通信。”

然后做出了一个决定。“我们转向了贝克霍夫,”帕蒂尔说。

Glidewell与当地的Beckhoff自动化团队密切合作,包括区域销售工程师Charles Usher、应用工程师John Helfrich和Lauren de Rosset。在一周内,该团队使用基于pc的控制系统证明了这一概念。不到一个月,一家新投产的工厂就满足了格瑞德威尔的所有生产要求。

云制造

BruxZir工厂利用了倍福的多个工业PC (IPC)和TwinCAT 3自动化软件解决方案。一台C6015超小型IPC (aws认证设备)作为物联网(IoT)网关,从云端提供NC程序(见图1)。

图1:C6015超小型工业pc为Amazon Web Services (AWS)物联网(IoT) Greengrass提供了一个网关,增加了数据洞察力,以提高机器性能。礼貌:Beckhoff自动化

图1:C6015超小型工业pc为Amazon Web Services (AWS)物联网(IoT) Greengrass提供了一个网关,增加了数据洞察力,以提高机器性能。礼貌:Beckhoff自动化

一个C6930控制柜IPC是主系统控制器,与多个机器人、视觉系统、现场设备和铣削塔上的机器控制器通信(见图2)。

图2:C6930控制柜工业PC (IPC)为每条线路供电,与机器人、视觉系统、现场设备和铣削塔控制器通信。礼貌:Beckhoff自动化

图2:C6930控制柜工业PC (IPC)为每条线路供电,与机器人、视觉系统、现场设备和铣削塔控制器通信。礼貌:Beckhoff自动化

每个铣削塔依靠一个CX5140嵌入式PC在4个轧机上运行4轴运动-即,每个控制器16轴-使用TwinCAT NC I(见图3)。协同工作,基于pc的控制器提供连接性、处理能力和可伸缩性,在一个标准系统中自动化20个轧机,80个运动轴(见图4)。

图3:CX5140嵌入式PC在每个磨塔,连同EtherCAT伺服驱动器和其他输入/输出(I/O)终端,使用TwinCAT NC I控制四个独立磨的四轴运动

图3:CX5140嵌入式PC在每个磨塔,连同EtherCAT伺服驱动器和其他输入/输出(I/O)终端,使用TwinCAT NC I控制四个独立磨的四轴运动

另一个优势是可以在机器控制器上直接安装基于windows的网络安全工具和用于云通信的定制应用程序编程接口(api)。除了特定应用的考虑,BruxZir工厂还需要满足2020年生效的加州物联网法规。

图4:Glidewell已经实施了两条完整的义齿生产线,每条生产线有20家工厂,用于BruxZir Zirconia修复。礼貌:Beckhoff自动化

图4:Glidewell已经实施了两条完整的义齿生产线,每条生产线有20家工厂,用于BruxZir Zirconia修复。礼貌:Beckhoff自动化

“过去,我们避免在实时系统上安装杀毒软件,因为这会影响性能。隔离网络上的机器仍然是一个风险,它使连接变得复杂,”李森说。“有了Beckhoff的IPCs,我们就可以在Windows环境中运行经过认证的杀毒软件。该解决方案在不影响性能的前提下满足了网络安全需求。”

TwinCAT 3为Glidewell提供了灵活、全面的工程和运行环境。帕蒂尔说,他的团队利用了在一个软件平台上用c#和。net编写标准机器控制逻辑、高级数控程序和api的能力。

“当我们第一次开始使用Beckhoff技术时,我只参与了几个PLC项目,但TwinCAT通过与Microsoft Visual Studio的集成使实现变得很容易。此外,TwinCAT NC PTP遵循PLCopen标准,同时允许我们解决复杂的任务。”

BruxZir磨铣系统将生产数据发送到AWS Cloud,使用Beckhoff解决方案进行分析、故障排除和预测性维护。TwinCAT物联网和C6015 IPC——它与AWS物联网Greengrass、开源边缘运行时和云服务接口——使数据洞察发现更容易,以提高机器性能。帕蒂尔表示:“我们的分析系统不断监测电机的平均负载,从磨粉塔到云端进行通信。“因此,我们可以看到电机是否运行良好,或者工具是否开始磨损。”

这些见解与模块化系统设计相结合,使作业者能够快速更换使用新路由器钻头翻新的磨矿机。

提高铣削功能

虽然TwinCAT和基于pc的控制实现了云连接,但EtherCAT工业以太网系统使高性能生产牙科种植体成为可能。EtherCAT为工厂提供实时通信速率,一个网络上多达65,535个节点和TwinSAFE功能安全。这个完全集成的TÜV-certified安全技术支持标准EtherCAT网络上的通信和在TwinCAT环境中编程。

“有这么多并行进程,我们不希望当有人按下E-stop时,每个磨坊都停止。TwinSAFE允许我们停止特定的工厂和安全区,我们可以在一个项目中完全创建这种逻辑,”帕蒂尔说。

Glidewell在DIN导轨和机械安装形式因子中使用了广泛的TwinSAFE和EtherCAT输入/输出(I/O)模块(见图5)。

图5:BruxZir工厂使用各种IP20片和IP67 Box格式的EtherCAT I/O终端。礼貌:Beckhoff自动化

图5:BruxZir工厂使用各种IP20片和IP67 Box格式的EtherCAT I/O终端。礼貌:Beckhoff自动化

EtherCAT的动态处理、分布式时钟、拓扑自由选择等功能原理使其成为理想的运动总线。Beckhoff的AX5000伺服驱动器为拾取和放置机器人提供动力,为铣削塔提供新的外壳(见图6)。在轧机中,AM8000系列伺服电机和EL7211伺服电机终端提供紧凑的形式因素和执行不同的数控程序的灵活性。EtherCAT I/O模块通过一根电缆技术(OCT)进一步减少机器占用空间,该技术结合了电源和反馈。不断的方向变化给伺服电机带来了巨大的压力,但AM8000组件提供了可靠的精度和稳健的运行。

图6:Beckhoff的AX5000伺服驱动器和AM8000伺服电机为拾取和放置机器人提供动力,为铣削塔提供新机箱。礼貌:Beckhoff自动化

图6:Beckhoff的AX5000伺服驱动器和AM8000伺服电机为拾取和放置机器人提供动力,为铣削塔提供新机箱。礼貌:Beckhoff自动化

帕蒂尔说:“如果电机稍有偏差,我们的最终产品将与设计文件不符,或者材料可能会产生芯片,即使是微小的振动也会显示出缺陷。”“对EtherCAT和Beckhoff伺服电机来说,保持所需的高精度不成问题。我们以250微秒的周期运行电机,如果需要,我们可以将周期缩短一半。”

取代传统的控制器

每个工厂在大约10分钟内完成一箱,保持24小时的生产。继PC控制和EtherCAT生产线的成功之后,Glidewell又完成了另一条20磨生产线。该公司目前正在实施第三条生产线,总计达到60家工厂。

Glidewell在不牺牲性能和质量的情况下扩大了生产规模。每个工厂的数据每两秒钟被发送到云端,这使得公司可以通过预测性维护消除停机时间,并继续对有价值的生产数据采取行动,以提高产品质量。

根据Leeson的说法,基于pc的自动化减少了所需组件的数量:“我们以前的控制器只能处理单个轧机,而Beckhoff的控制器可以分别操作四个轧机。此外,为了实现相同的数据采集和云连接,之前的控制器需要一台独立的PC。”

帕蒂尔表示,Glidewell探索的其他控制选项的成本几乎是Beckhoff IPCs的两倍,以实现先进的功能标准,而且没有对Windows的原生支持。此外,每一个EL7211和AM8000伺服元件几乎连续运行超过10万小时而无故障。


詹姆斯Figy
作者简介:James Figy, Beckhoff自动化公司的营销传播专家