杭州研華拓峰自動化技術(shù)有限公司  供稿

為了滿足當(dāng)今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最高的多軸自動化應(yīng)用的需求，工程師們轉(zhuǎn)而朝向把最好的集成和基于網(wǎng)絡(luò)的控制屬性的運動控制平臺方向。

 
許多先進機器的控制平臺，即基于網(wǎng)絡(luò)和集中控制開始看到從自動化領(lǐng)域里廣泛的實踐，因為它們需要大量的處理能力和通信帶寬，這在幾年前微處理器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是無法實現(xiàn)的。

在高端多軸自動化行業(yè)很多人知道，從20世紀90年代以來的集中式多軸控制器的好處。 使用中央高速處理器，處理協(xié)調(diào)多軸運動控制已被證明為確定性數(shù)字伺服控制的有效架構(gòu)，使最快的更新率和精密的同步。 另外，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如CANopen網(wǎng)絡(luò)的，已經(jīng)成功地實踐在了太陽能電池板劃線，半導(dǎo)體制造和通用自動化應(yīng)用中等需要可擴展性，開放的多廠商和設(shè)備，對成本控制敏感的系統(tǒng)設(shè)計中的運動控制領(lǐng)域。 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)也一直在不斷發(fā)展，并且不斷提高的帶寬和可靠性。 現(xiàn)在，隨著基于以太網(wǎng)的實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如EtherCAT技術(shù) – 決定性的實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)具有足夠的帶寬以支持高性能協(xié)調(diào)很多個運動控制軸和I / O，是有可能的實現(xiàn)機器控制控制解決方案，他具有集中式和基于網(wǎng)絡(luò)控制的最佳品質(zhì)。

下面是三個最近需要高度的協(xié)調(diào)和精確的多軸運動控制案例，每一個展現(xiàn)著對控制系統(tǒng)的獨特的挑戰(zhàn)和極限。

1。太陽能電池板劃線和光學(xué)檢測設(shè)備

扁平面板和薄片的激光劃線經(jīng)常需要用到極其高性能的運動控制，包括高的速度和加速度，高度協(xié)調(diào)的多軸激光路徑，晶圓檢查和及其最小的運動誤差最大化光伏（PV）的晶圓密度或解決最小的缺陷。

大尺寸面板占用面積超過一平方米以上;而且，由于面板增加的尺寸的規(guī)模，導(dǎo)致的機器設(shè)備的復(fù)雜性和多軸數(shù)和運動的性能和功率的需求。 最近，太陽能面板板劃線設(shè)備和檢測設(shè)備的制造商在設(shè)計一條15軸的生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)是遇到了很多挑戰(zhàn)。有些版本的機器還使用了其他輔助軸和I / O設(shè)備。

一個集中架構(gòu)的多軸控制模塊，對如此多的軸的協(xié)調(diào)提供了優(yōu)秀的性能。 支持多達八個電機驅(qū)動器，由于大型龍門定位臺的要求，主控制器支持復(fù)雜的MIMO（多輸入多輸出）控制算法，并提供了用于快速移動的兩個線性伺服電機每個連續(xù)高達10千瓦功率在大型面板的切割過程中。

 

MC4U底版集成了運動控制器，高達8個電機驅(qū)動器，電源，機器的I / O， 采用EtherCAT聯(lián)網(wǎng)功能它可以作為主控制器，提供完整的機器自動化功能（運動，邏輯，電源和數(shù)據(jù)）的全面控制，或作為多軸驅(qū)動從站工作在網(wǎng)絡(luò)主控制器。

本機提供了一些版本用于連接額外的軸和I / O，因此，可擴展性是必要的。主控制器可以配置一個EtherCAT網(wǎng)絡(luò)控制器，使一個控制器作為一個32 軸網(wǎng)絡(luò)的主站。 對于網(wǎng)絡(luò)上其他的電機，對于網(wǎng)絡(luò)主站商的8個驅(qū)動器時，客戶可選擇一個額外的MC4U配置作為7軸EtherCAT從站驅(qū)動模塊。 額外的 32/32 I / O點被增加到具有低成本的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)I / O模塊控制系統(tǒng)中。

 

網(wǎng)絡(luò)主機緊湊型獨立運行EtherCAT主控制器可控制多達32個軸的運動完全同步，與所有從站實時控制驅(qū)動器。 因此EtherCAT主控制器提供了一個小尺寸，低成本，運行復(fù)雜機器控制任務(wù)，比如應(yīng)用程序，與主機PC或人機界面，通信安全和錯誤處理，并生成多軸運動軌跡。

隨著網(wǎng)絡(luò)可能的集成解決方案，能夠滿足機器制造商苛刻的多軸的性能特性，同時又保持必要的可擴展性和柔性化以滿足他們不斷變化的客戶要求和低成本考慮。

2. 40軸拾取和安放設(shè)備

一個40軸高速SMT貼片拾取和安放組裝設(shè)備裝機評估的是他能達到的生產(chǎn)量并且不犧牲它的加工質(zhì)量。 極具競爭的SMT組裝設(shè)備市場驅(qū)使需要保持低成本。 一臺最近的SMT組裝機器操作8個高功率伺服軸用于控制龍門結(jié)構(gòu)跨越大的工作區(qū)域，16個低功率的伺服軸控制8個拾取頭。16步進電機軸控制輸送組裝，再加上96/96數(shù)字I/0。如此復(fù)雜的一個系統(tǒng)需要一個強大和高性能的網(wǎng)絡(luò)解決方案。

設(shè)計這樣一個控制系統(tǒng)解決方案的挑戰(zhàn)是：

•在運動控制器和主計算機之間滿足大量的實時性信息通訊，

•復(fù)雜機械臺的設(shè)計性能要求，協(xié)調(diào)，高速和定位精度方面，

•整合不同廠商生產(chǎn)的控制器到一個單一網(wǎng)絡(luò)，

•成本

 

通用驅(qū)動器模塊，是一個經(jīng)濟型EtherCAT從站驅(qū)動器，可直接驅(qū)動1或2直流有刷，直流無刷電機，步進（開環(huán)和閉環(huán)），音圈電機。 它接近所有伺服回路在20kHz和使用分布式時鐘去完全同步其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

靠選擇一個EtherCAT主控制器處理了若干挑戰(zhàn)，，利用現(xiàn)場外現(xiàn)成電腦處理高級別機器控制任務(wù)，如應(yīng)用程序，與與主機應(yīng)用通訊，安全性和故障處理，以及多軸運動軌跡線生成。 主控制器在本應(yīng)用中使用，包括一個實時操作系統(tǒng)，與PC主機通過共享內(nèi)存進行通信，從而提供了所需的通信吞吐量。 這種高速的通信就無法實現(xiàn)使用任何其他通信協(xié)議，如以太網(wǎng)，USB，甚至的PCI。 此外，主控制器通過用EtherCAT協(xié)議的PC標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)端口控制所有電機驅(qū)動器和I / O。

為了滿足進一步的挑戰(zhàn)，一個集中式控制模塊能實施8個要求最苛刻的運動軸。 一個EtherCAT從站驅(qū)動控制器帶20 kHz的采樣率和先進的控制算法，提供了一個低成本，小體積解決方案，同時一個單一的物理外殼實現(xiàn)多達8個驅(qū)動器軸。

 

網(wǎng)絡(luò)步進驅(qū)動模塊，是一種經(jīng)濟4或8軸EtherCAT從站微驅(qū)動器執(zhí)行完全協(xié)調(diào)的多軸運動控制能力。

對于16個輸送軸，兩個集成的低成本，八軸步進驅(qū)動模塊被用來保持低成本。

8個取放頭的控制是被定制用于連接另一供應(yīng)商提供的16軸解決方案。 此外，該模塊符合標(biāo)準(zhǔn)CANopen 在EtherCAT（CoE）協(xié)議，由主控制器支持。

由于沒有專用的運動控制器硬件，控制解決方案大大降低了總成本，同時滿足高速通信和性能要求。

3.自動化晶圓搬運機器人

自動化晶圓運輸系統(tǒng)幫助太陽能電池和半導(dǎo)體制造商簡化其生產(chǎn)，提高生產(chǎn)線的效率。 通常，這些系統(tǒng)采用專門設(shè)計的最小重量和尺寸的機器人，在一個線性平移臺把晶圓從一個地方運送到另一個地方。

一個此類系統(tǒng)控制解決方案的主要設(shè)計挑戰(zhàn)是：

•實時運動學(xué)計算。 移動電機的坐標(biāo)系是在移動晶片時是不同。 控制器需要實時計算復(fù)雜方程，轉(zhuǎn)換晶圓的轉(zhuǎn)移到電機的運動。

•最小布線的移動機器臂，保持最輕的重量并且

•可擴展性 - 能夠在添加軸和I / O情況下不影像基本解決方案。

 

EtherCAT從站的I / O模塊高達32個光隔離數(shù)字輸出和32個光隔離數(shù)字輸入，并提供完全可聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟和緊湊的封裝機I / O。

對于如此要求苛刻的系統(tǒng)，一個完全集中式控制器拓撲結(jié)構(gòu)，并不是一個好解決辦法，因為需要許多長而重的電纜要連接到集中式的電機控制器和驅(qū)動器柜。 長的電機電纜特別容易受到EMI噪聲并能顯著降低整體控制性能。相反，快速EtherCAT網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（其他網(wǎng)絡(luò)，如CANopen或DeviceNet的，不能滿足所需的網(wǎng)絡(luò)通信能力）與直接小型輕型化驅(qū)動器和控制器放在小尺寸主控機箱直接放置在移動機器人邊上，提供一個最佳的解決方案。 唯一的電纜連接主控制器和驅(qū)動器需要的是EtherCAT通訊電纜，對電磁干擾不敏感，并在重量和拖曳條件上滿足移動系統(tǒng)應(yīng)用。 此解決方案也可擴展性，使其易于添加驅(qū)動器或I/O用于變化的輸送機械。

所選擇的解決方案包括一個EtherCAT主控制器和3個EtherCAT從站伺服驅(qū)動器模塊（單，雙軸模塊）。 主控制器支持逆運動學(xué)計算，可以管理多達32個軸和多個I / O操作。 一個從站模塊固定式的，其他兩個驅(qū)動器模塊，安放在機器人的運動軸上。

 

這里是一個精密龍門系統(tǒng)解決方案用于高分辨率平板顯示器，太陽能電池板，硅片檢測應(yīng)用。

小結(jié)：

不久前，工程師常常要犧牲或妥協(xié)機器性能和功能，因為他們被迫選擇的網(wǎng)絡(luò)解決方案或集中式的解決方案。 現(xiàn)在，隨著最新的控制系統(tǒng)技術(shù)，兼顧上述兩種好處的解決方案是可以實現(xiàn)的。 在這里討論的應(yīng)用案例，三個不同版本的可介紹，一個是用主控制器插電腦主機內(nèi)，利用一個小的獨立的另一主控制器主控制器，以及其他雇用在綜合傳動與控制機箱的主控制器。 選取不同的解決方案，以滿足每個應(yīng)用程序中的工程師所面臨的各種挑戰(zhàn)。 另外用一個小的獨立運行的主控制器，和其他一個主控制器集成有驅(qū)動和控制構(gòu)架。不同的解決方案選擇是為了滿足工程師對不同應(yīng)用時面臨的挑戰(zhàn)。