德國黑森林地區是眾多創新技術的發源地，其中就包括徑向倒角技術。來自富特旺根的 Tec for Gears (TfG) 公司利用倍福的 TwinCAT PLC/NC PTP 和 EtherCAT 超采樣端子模塊等設備，成功地將過去高度依賴人工操作的生產流程轉變為高度自動化的生產模式。通過技術革新，齒輪的倒角和去毛刺工藝在精度與可靠性方面有了質的飛躍，且速度也大幅提升，并且這一過程現在可以直接集成到生產流程中。
在倒角過程中，旋轉切削刀具徑向移動至旋轉的齒輪表面，去除齒廓毛刺。其目的是在前齒邊緣形成精確的倒角。“刀具沿著齒輪端面進行切削，將材料逐漸去除。”富特萬根 Tec for Gears 公司創始人兼總經理 Niklas Müller 解釋道。這一過程實現了部件的連續、無間斷加工。這看似簡單的需求背后，實則對加工過程中的控制技術提出了極高的要求。“僅僅是讓兩個以不同速度旋轉的軸按照特定的旋轉比精確實現同步，便已經是一項極具挑戰性的任務。”倍福巴林根分公司的銷售工程師 Dieter Völkle 說道。這是因為主軸的轉速高達每分鐘 17,000 轉，而卡盤內夾持的工件也需以每分鐘 1000 轉的速度同步旋轉。兩個主軸的旋轉比是依據工件與刀具各自的邊界條件精心計算得出的。
CNC 還是凸輪？
Tec for Gears 總經理 Niklas Müller（左）和倍福巴林根分公司銷售工程師 Dieter Völkle（右）使用 RGC350（徑向齒輪倒角機），僅花費了幾秒鐘時間就精準地完成了齒輪的輪廓倒角作業。
在項目的初期階段，我們面臨著諸多不確定性：CNC 系統是否為必需項？凸輪是否能滿足需求？以及齒隙的檢測速度需要達到多快？最終，倒角機的獨特需求通過 TwinCAT 3 PLC/NC PTP、TwinCAT 3 NC Camming 和 TwinCAT 3 Motion Control XFC 得到精準滿足。這些軟件組件與 TwinCAT HMI server 一起在搭載 Intel Atom® 四核處理器的高性能 CX5140 嵌入式控制器上運行。“自項目伊始，Dieter Völkle 便憑借其在系統設計領域的深厚專業知識，為我們提供了寶貴的支持與指導。”Niklas Müller 解釋道。
由于齒輪在未對準位置的狀態下被夾緊，因此在加工前必須確保切削刀具與齒隙之間精準對齊。不過，這一步驟并不會造成加工時間的明顯延長。因此，對齒隙進行高速且精準的檢測顯得尤為重要。根據齒數（使用的接近開關為每個輪齒產生兩個脈沖信號）的不同，系統會生成一個速度非常快的信號序列。為了精準記錄這些高速信號，TfG 使用了具備多時間戳功能的 EtherCAT 端子模塊 EL1258，實現了高達 100 kHz 的采樣率，并通過多個時間戳將傳感器脈沖傳送到控制器中。這樣就可以在確定輪齒的準確位置的同時，檢驗夾緊的產品。
除了旋轉軸的編碼器信號之外，用于補償熱膨脹的線性測量系統的數值也被整合到刀具的同步和定位中。刀具主軸與工件軸之間的同步必須保持高度穩定，即使在倒角作業中切削力增加，且主軸轉速飆升至每分鐘 17000 轉的高速狀態下，也需要保持這種穩定性。Tec for Gears 銷售部的 Volker Eschle 評論道：“工件和切削刀具的持續高速旋轉使我們的 RGC350 倒角機能夠實現極短的加工周期，同時確保加工質量的穩定性。”TfG 通過倍福的高精度運動控制產品、AX5000 緊湊型伺服驅動器和 AM8000 伺服電機實現了加工過程中的極高重復精度。
我們的機床之所以能夠達到如此高性能與高精度的自動化水平，得益于倍福先進的技術方案，這是任何其他控制制造商的技術難以企及的。”
—— Niklas Müller
刀具與作業的選擇通過與控制柜中的 CX5140 嵌入式控制器相連的 CP2916 多點觸摸控制面板實現。
設備制造商要求齒輪“切邊清晰”
如今，越來越多的設備制造商及其供應鏈合作伙伴對于齒面加工的要求愈發嚴苛，不僅追求精確無誤、邊緣清晰的倒角加工，而且要求在設計圖紙中注明“倒角與輪廓完全契合”。傳統的去毛刺方法雖能有效去除邊緣的毛刺，但所留下的邊緣依舊鋒利，無法滿足現代齒輪加工領域對邊緣平滑度與精度的嚴格要求。徑向倒角技術因此應運而生，成為解決這一行業痛點的關鍵。憑借自動上下料設計，RGC350 每年可完成一百萬個零件的倒角處理。一般來講，每個齒輪的加工時間為 8 到 10 秒，整個加工過程包括工件夾緊、齒隙檢測、軸同步、倒角、脫夾。
機床可用于加工直徑在 10 毫米到 300 毫米之間的幾乎所有類型的齒輪，即使是雙齒齒輪、多齒齒輪以及齒廓重疊干涉的齒輪也不在話下。它還具備加工螺旋齒輪傳動部件的能力。在計算曲線時，也會綜合考量另一個空間軸和耦合，以補償螺旋角帶來的影響。
AM8000 伺服電機根據旋轉工件的位置動態定位刀具主軸。
HMI 的直觀操作詮釋了復雜技術的繁瑣實現過程
Niklas Müller 表示，盡管存在種類繁多的加工需求，機床操作人員卻能在短短 10 分鐘的時間內迅速完成機床的重新調整，以順利安裝新齒輪。“所有用于自動倒角作業所需的數據都通過 XML 導入到控制系統中。”Dieter Völkle 補充道。操作人員只需在 TwinCAT HMI 的可視化系統中調用與工作相關的數據集，然后夾緊相應的工具即可。這種簡單的換裝過程使得 RGC350 不僅適用于應對大批量生產的挑戰，也適用于訂單頻繁變動和小批量定制需求的合同制造商。“我們的一個客戶因此能夠用一臺機床替代了原本需要兩班制操作的共計四個手工工作站，然后將員工安置到其他更具價值的崗位。”Volker Eschle 說道。
為了提高加工效率，大部分客戶都選擇將倒角機與自動進料和排料系統無縫集成至其生產流程中。基于 PC 的控制技術的高度靈活性和開放性在這類項目中得到了充分體現，該技術允許根據客戶的具體需求進行調整。額外的驅動控制器和電機等擴展功能可以輕松快速地實施并集成到控制程序中。“這種前所未有的靈活性在幫助我們精準實現客戶的構想的同時，也讓我們自己的想法能夠順利落地，而這一切都是在不犧牲基本方案完整性的前提下完成的。”Niklas Müller 興奮地說道。選擇倍福作為控制技術合作伙伴的另一個原因是，一旦客戶遇到任何問題或挑戰，倍福都能迅速響應，不僅提供中肯的建議，而且以解決方案為核心，提供專業、高效的技術支持。
控制核心：AX5000 伺服驅動器（下）和插接了 EtherCAT 端子模塊的 CX5140 嵌入式控制器（上）。
高效刀具管理
刀具管理是這個項目的另一個重要需求。這背后的原因在于，每個齒輪型號都需要與之相匹配的倒角刀具，以確保加工精度。因此，TfG 根據部件的具體尺寸在德國精心制造了這些刀具。鑒于工件的多樣性與差異性，客戶需面對龐大的刀具管理挑戰，并在制定生產計劃時充分考慮刀具的使用壽命。這有助于客戶優化刀具的使用策略，避免由于刀具過度磨損而生產出不良工件。
目前，可以在 HMI 中為每個刀具創建刀具壽命計數器。通過可視化界面為每把刀具創建了唯一的序列號，機床調試人員便能根據訂單的具體尺寸要求，靈活選擇那些剩余使用壽命充足的刀具進行加工。“盡管部件更換頻繁，但刀具無需經常更換。”Volker Eschle 說道。刀具與工件不匹配的情況往往容易導致發生碰撞，給客戶帶來不必要的麻煩和損失。“我們致力于在未來徹底消除這種混淆狀況及可預見的錯誤，進一步優化刀具管理。”Niklas Müller 說道，“能夠與倍福這樣出色的系統合作伙伴攜手，我們對未來的成功充滿信心。”
關于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業，創立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產的工業 PC、現場總線模塊、驅動產品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。經過 40 年的發展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作伙伴，業務遍及 70 多個國家和地區。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區總部落戶于上海市北高新產業園區，現有員工 300 人，辦事處遍及國內 30 座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用于風力發電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業以太網于 2014 年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基于 PC 的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業通信協議，將 IT 技術、互聯網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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