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(jìn)機(jī)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(jì)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(kuò)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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)八個電機(jī)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(jī)每個連續(xù)高達(dá)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(dá)8個電機(jī)驅(qū)動器,電源,機(jī)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(jī)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(jī)提供了一些版本用于連接額外的軸和I / O,因此,可擴(kuò)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(jī),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(jī)緊湊型獨立運行EtherCAT主控制器可控制多達(dá)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(jī)器控制任務(wù),比如應(yīng)用程序,與主機(jī)PC或人機(jī)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(jī)器制造商苛刻的多軸的性能特性,同時又保持必要的可擴(kuò)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(jī)評估的是他能達(dá)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(jī)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(jìn)電機(jī)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(qiáng)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(jī)之間滿足大量的實時性信息通訊,
•復(fù)雜機(jī)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(jì)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(jī),步進(jìn)(開環(huán)和閉環(huán)),音圈電機(jī)。 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(jī)器控制任務(wù),如應(yīng)用程序,與與主機(jī)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(jī)通過共享內(nèi)存進(jìn)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(jī)驅(qū)動器和I / O。
為了滿足進(jìn)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(jìn)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(dá)8個驅(qū)動器軸。
網(wǎng)絡(luò)步進(jìn)驅(qū)動模塊,是一種經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的運動。
•最小布線的移動機(jī)器臂,保持最輕的重量并且
•可擴(kuò)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(dá)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(jì)和緊湊的封裝機(jī)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?fù)浣Y(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(jī)控制器和驅(qū)動器柜。 長的電機(jī)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?fù)浣Y(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(jī)箱直接放置在移動機(jī)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(kuò)展性,使其易于添加驅(qū)動器或I/O用于變化的輸送機(jī)械。#p#分頁標(biāo)題#e#
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(dá)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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)。
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