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2021年1月28日

精确同步的表面处理工艺可延长金属零部件的疲劳寿命

PC 控制技术助力实现激光喷丸系统的最高适应性

无论是制造包装机械还是客机部件,制造商们都必须确保所有金属零部件的耐用性和可靠性能够贯穿产品的整个生命周期。认识到这一挑战,LSP Technologies 开创了一种提高金属零部件强度的有效方法:使用脉冲激光束进行表面处理。他们最新推出的一款激光喷丸系统依靠倍福灵活的基于 EtherCAT PC 的控制技术,满足了客户最多样化的需求。

使用激光喷丸方式强化金属件的过程为:将高功率激光光束射向工件,同时喷水,让水流流过工件。
使用激光喷丸方式强化金属件的过程为:将高功率激光光束射向工件,同时喷水,让水流流过工件。

喷丸一般是指使用例如锤子、喷丸强化,或使用高功率激光等方式对金属件进行加工,以强化金属并减少金属材料疲劳现象。在激光喷丸(也被称为激光冲击强化)中,脉冲激光光束射向金属表面的同时,水流流过工件。这样,水和金属表面之间就会产生小型等离子体爆炸,使得冲击波能够深入金属,提高金属材料的韧性和强度,从而延长金属零部件的疲劳寿命。

LSP Technologies(LSPT)公司成立于 1995 年,总部位于俄亥俄州都柏林,他们一直走在全球激光喷丸系统的最前沿,为航空航天、汽车和海事工程等行业提供激光冲击强化服务业务以及激光冲击强化设备。LSPT 最新推出的模块化 Procudo® 激光喷丸系统是一款可为每个客户量身定制、功能完整的交钥匙解决方案。LSPT 采用了倍福开放、灵活的控制技术来提高该系统的适应性。

系统开发中遇到的挑战

Procudo® 系统使用的是二极管泵浦 YLF 激光器,它可以覆盖 1 至 200 Hz 脉冲频率的总带宽,标准工作频率为 20 Hz。LSPT 既可为客户提供尺寸仅为 142 x 173 x 335 厘米(56 x 68 x 132 英寸)的小型系统,也可为客户量身定制可容纳多个关节臂机器人的大型系统。此外,他们还能够设计出既能加工超大型工件,又能加工其它极小、对细节精确度要求特别高的零件的设备。

开发中遇到的另一个难题是工件和激光定位的同步性:金属零部件,特别是大型或形状不规则的部件,如果使用的是固定位置的激光器时,往往很难在一个机器单元内移动。

从左至右:LSP Technologies 公司电气工程部主管 Keith Glover、LSPT 公司机械工程部主管 Gary Grossenbacher、倍福区域销售工程师 Randy Ryerson、倍福应用工程师 Erik Soeder、LSPT 公司控制工程部主管 Michael Yao 和 LSPT 公司电气工程师 Avery Calhoun 对双方的精诚合作非常满意
从左至右:LSP Technologies 公司电气工程部主管 Keith Glover、LSPT 公司机械工程部主管 Gary Grossenbacher、倍福区域销售工程师 Randy Ryerson、倍福应用工程师 Erik Soeder、LSPT 公司控制工程部主管 Michael Yao 和 LSPT 公司电气工程师 Avery Calhoun 对双方的精诚合作非常满意

例如,对于像巨大的船体和锚这样的工件来说,这尤其具有挑战性。“过去,我们一般采用部件对光束加工方式,将激光器瞄准加工单元中的一个固定点,然后用机器人操纵光束路径中的零件。然而,对于大型零件的加工,我们现在使用光束对部件的加工方式,即用库卡的机械臂将激光移动到需要处理的强化冲击区域。" LSPT 公司业务发展副总裁 David Lahrman 说道。

灵活而强大的工业 PC 技术

LSPT 一开始就被倍福基于 EtherCAT 和 PC 的控制技术的诸多接口选项(包括 HMI 硬件)所深深吸引。LSPT 公司控制工程师 Alex Portolese 表示,适合控制柜安装的 CP2912 多点触控控制面板和悬臂安装式 CP3913 多点触控控制面板帮助他们很好地满足客户的独特需求。

在控制方面,LSPT 还使用 搭载 Intel® Core™ i7 四核处理器的 CX2040 嵌入式控制器来运行 HMI,连接云端,并与上位系统通讯。“我们喜欢 CX2040 的高性能和小巧的外观。通过添加 SQL 数据库,我们能够减小电气柜的占地面积。Procudo® 激光喷丸系统使用标准控制硬件 C5240 工业 PC 来控制机器人及其它激光喷丸功能。

电气工程师 Avery Calhoun 认为,搭载 Intel® Core™ i7 处理器的 19 英寸机架安装式工业 PC 还为他们带来额外优势:“C5240 的性能非常强大,提供充足的串口和以太网口,可以与 EtherCAT I/O 系统连接。工业 PC 的外形和我们的其它机架安装式组件也很匹配。”

精确同步确保高效率

精确的运动控制和 EtherCAT 通讯是实现 Procudo® 激光喷丸系统的关键。LSPT 实施了多个库卡关节式机器人来移动激光器,有时也用来移动工件,以确保光束的高精度定位。

LSP Technologies 信赖倍福灵活的基于 EtherCAT 和 PC 的控制技术。
LSP Technologies 信赖倍福灵活的基于 EtherCAT 和 PC 的控制技术。

LSPT 还采用了倍福的 AM8000 伺服电机,其设计坚固耐用,使用寿命长,并配备单电缆技术(OCT),将动力和反馈系统整合在一根电缆中,从而节省了空间和成本。“我们在最近的 Procudo® 激光喷丸系统涉及到光束对部件加工项目中大量使用了 AM8000 伺服电机。”Portolese 解释道。

倍福的各种 EtherCAT I/O 端子模块为 LSPT 提供了可扩展的通讯解决方案。在湿度较高的机器单元内,LSPT 在电气柜内使用的是 IP 67 级 EtherCAT 端子盒和标准 EtherCAT I/O 端子模块。倍福的 TwinSAFE 集成式安全解决方案也让 LSPT 受益匪浅。安全相关的程序在 TwinCAT 自动化软件中创建,然后传输到 Procudo® 激光喷丸系统的 TwinSAFE 设备中,包括 EL6900 TwinSAFE 逻辑端子模块和 EP1908 EtherCAT 端子盒。

高性能组件让系统变得更强大

LSPT 实现了其提升灵活性的目标,使得 Procudo® 激光喷丸系统能够满足更广泛的应用需求。TwinCAT 和 EtherCAT 可以实现高精度同步,因此系统每分钟可以加工多达 29 平方英寸(187 平方厘米)的材料。