瑞士机器制造商在微机械加工中首次充分利用了动力学和三角运动学的刚性。减少运动质量和采用基于PC的CNC解决方案使之成为可能，而这一做法还显著降低了能源消耗和节省了加工时间。

瑞士Willemin-Macodel公司是小型零件加工机器的专业制造厂家。该公司的设备主要用于钟表，医疗技术和航空等行业。该公司的技术总监Denis Jeannerat表示：“我们的核心技术能力是提供全加工过程中所需的高精密机器。因为小工件难以固定，机器承担了所有的加工步骤，因此不再按传统区分车、铣和磨削加工。此外还包括零件操作，即谨慎地放入和取出工件。”

图1 加工时让小而轻的工件运动，而不是让沉重的刀具运动

一个简单的想法彻底改变了微加工

根据Denis Jeannerat的说法，在2013年EMO展会上推出的701S加工中心可谓是微机械加工的典型例子。从表面上看，基本原理非常简单，就是在701S微加工机器上安装一个旋转的、几乎位于顶部的三脚定位机器人（Delta-Roboter），与往常不同，在加工过程中机器人移动的是工件，而不是工具在运动（图1）。

Denis Jeannerat对这一想法进行了解释：“市场显示，元器件小型化趋势非常强烈。因此我们计划开发一台能够确定零件与加工机器尺寸关系的机器。为了加工一个2g或20g的零件，在一个长3m、重12t的机器上移动100kg的刀具滑座没有意义。可是移动质量小的工件而非工具，情况相对好些。这样可以极大地减小运动的质量，以往需要在常规轴上移动500～800kg的质量，现在需要运动的质量可以减少到仅为大约2kg。而一台三脚定位机器人即可控制如此小的惯性力矩。”

新机器的基本概念基于三脚结构的平行运动，其特点是通过三臂连接的工件载体。701S微加工机器（图2）专为加工小工件（直径为52mm×32mm）而设计，加工策略的核心是计算密集的圆心“圆弧内插法”。特点包括：轨道控制小于0.2μm、抗温度波动灵敏度低、精度和重复精度极高。此外，专门开发的高性能电机主轴的最大转速每分钟能够达到80000次，且无刀架，确保了静态和动态刚度的提高，同时具有极高的动平衡品质和低同心度误差（刀尖处小于1μm）。

图2 微加工中心701S所需的占地面积仅大约为1m2

基于PC的控制技术充分利用了机器运动学

然而，看起来简单的方案实际上需要在结构以及控制技术方面投入大量的开发费用，而且需要专有技术，Denis Jeannerat解释到：“对于我们来说，这是一个漫长的项目，我们5年前就开始着手实施。首先，为了能够提高和掌控动态性能，我们需要在力学和驱动技术方面投入高额的开发费用。”

项目方最初就决定采用基于PC的控制技术。他们非常清楚，只有使用基于PC的控制技术，才能实现高额成本的圆弧内插法，同时使控制回路足够快速。Denis Jeannerat认为：“我们的最终目标是开发一台动态性能极高的机器。通过采用一台功能强大的工业PC，迅速地计算出控制电路参数，此外，在减少运动质量的同时，还能达到系统相应的高动态刚度。”

在决定采用基于功能强大的PC控制技术之后，项目方很快就找到了合适的供应商。Denis Jeannerat说：“我们对几个不同的系统做了评估鉴定，认为PC控制非常合适。除了技术方面，对于我们来说，同样重要的是，Beckhoff公司拥有大量的专业知识和工业经验。”

此外，据Denis Jeannerat所说，Willemin-Macodel公司特别重视机器结构的高度灵活性：“为了能够把机器设计得更加灵活，我们无疑需要一个全面开放的系统，也就是需要各种各样的I/O类型、与子系统的通信，以及具有适配能力的软件。例如，必要的处理系统与机器人系统的通信非常重要。一方面，我们可以充分利用集成在Twincat软件中的动力学，另一方面，在需要时也可以轻松整合并集成自己的解决方案。”他还指出，如果想要让每台机器都能很好地适应各种应用，几乎离不开一个开放的控制系统。为了能够为机器开发出一个相应的模块化积木式系统，还需要构建一个控制软件，如Twincat软件，同时还需提供极大的编程自由度。

图3 配有双核1.9GHz英特尔赛扬处理器的工业计算机PC C6920开关柜为要求苛刻的圆弧内插计算提供了充足的计算能力

连接到基于影像的刀具测量系统

PC控制的开放性在701S加工中心与一个基于视觉的刀具测量系统的简单连接中得到充分的展现。在PC控制系统的帮助下，刀具可以在全速运转和在有同心度误差时进行测量。不必花费太多的投入，就可将这一测量系统通过相应的PCI插卡集成到Beckhoff控制计算机中，从而直接而快速地提供大量可供使用的数据（图3）。

此外，该机器采用的装有1.9GHz英特尔赛扬处理器的IPC C6920机柜除了能够提供高计算能力外，还提供了另外的重要优势，Denis Jeannerat说：“工业PC C6920结构非常紧凑，因此在机器开关柜中所占的空间非常小。”

PC控制功能除了包括复杂的轨道计算，还包括高功率主轴的速度和位置调节。因此，它超高速地控制着4个轴，而三脚机器人和主机轴作为附加轴。

以工业PC机为基础的整套CNC功能

因此，甚至可以在主轴上进行特殊的加工，如刨光或去毛刺。这是因为使用了Twincat-CNC，即利用基于PC的整套数控功能的纯软件解决方案可实现这一功能。Twincat-CNC可使用高达64个轴或者受控主轴进行工作，这些轴可分配到12个CNC通道上。一个CNC通道可同时内插多达32个轴，因此可以解决最棘手的运动任务。

利用Twincat-CNC程序也可以从传统的CNC（对I/O外围设备及驱动系统具有开放性）中获利。各种I/O模块可以通过所有通用的现场总线系统连接在一起。驱动系统可以根据需要通过模拟接口/编码器接口以及直接用数字驱动接口与CNC连接。

44个Ethercat端子模块构成了701S加工中心的I/O层面。其信息通过两个Ethercat耦合器EK1100传递到控制器。采集的数据包括来自EL1124及EL1008的数字输入端子、EL2008数字输出端子、EL3064及EL3202模拟输入端子、EL4002模拟输出端子以及有关EL5101增量编码器接口的数据（图4）。

图4 Ethercat耦合器EK1100将大量的Ethercat端子模块连接到控制系统中，例如，用于电阻传感器的EL3202双通道输入端子和EL5101增量编码器界面

作为CNC操作单元，701S配有定制的采用15英寸触摸屏的“经济型”控制面板CP7912，拥有集成的DVI/USB扩展技术，该技术用于可在50m远距离进行遥控的外置PC远程面板。它拥有一个坚固耐用的铝合金机壳，符合IP65防护等级，机壳内设有一个键盘托盘支撑臂板，共带有12个功能键和10个LED背光SPS专用键。此外，它还拥有一个带急停开关的扩展按钮、6个发光按键、格雷码开关（23位）和增量式编码器。

Denis Jeannerat总结说：“有了控制面板，机器可以在非常舒适的状态下进行操作。许多功能都直接通过电机械开关等集成，使得操作非常直观和简单。”

用于高效微加工的机械

采用智能化的设计并结合强大的自动化技术，所生产的机器不仅结构非常紧凑，而且效率非常高，该机器占地面积仅大约为1m2。特别是加工小零件时，由于新机器减少了运动质量，能耗仅为2kW，而使用传统的机器则大约需要20kW，甚至更多的能量。针对这一情况，Denis Jeannerat补充道：“与传统的加工中心相比，以小于0.2μm超高轨迹精度，即使在全速情况下，701S的精度值也高出10倍。另一个优势是，加工零件所用的时间大幅下降。依据工件的复杂程度不同，加工时间可缩短3～10倍。例如，加工铜电极，目前所需时间不超过1h，只需要8min。”