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(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。

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)。