近年來，新能源行業(yè)蓬勃發(fā)展，特別是在鋰電行業(yè)，動(dòng)力電池需求也迎來爆發(fā)式增長。同時(shí)伴隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局加劇，技術(shù)迭代升級(jí)，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本、提升產(chǎn)品品質(zhì)，成為很多新能源企業(yè)的新目標(biāo)。本文主要介紹正運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器ZMC432的SS曲線可實(shí)現(xiàn)高精度焊接工藝的需求。ZMC432可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)控制器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的效果，滿足鋰電池焊接行業(yè)同時(shí)控制多軸多工位加工的需求。

　　文/深圳市正運(yùn)動(dòng)技術(shù)有限公司

　　方形鋁殼鋰電池在制造組裝過程中，需要大量應(yīng)用到激光焊接工藝，例如：電芯軟連接與蓋板焊接、蓋板封口焊接、密封釘焊接等。激光焊接具有能量密度高，功率穩(wěn)定性好，焊接精度高等優(yōu)勢(shì)，可以大大提高汽車動(dòng)力電池的安全性、可靠性和使用壽命。

　　電池頂蓋焊接是利用激光輻射加熱電池殼體與電池蓋板相交處的區(qū)域并熔為一體，需要對(duì)電池殼體進(jìn)行多角度加工，對(duì)激光焊接平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度波動(dòng)要求苛刻。特別是頂蓋焊接的拐角處理，因激光焊接速度與激光能量關(guān)系的變化而導(dǎo)致拐角處焊穿、熔融堆積等情況，造成電池的質(zhì)量難以控制。

　　正運(yùn)動(dòng)技術(shù)PSO(位置同步輸出)激光能量控制，同時(shí)結(jié)合高柔SS加減速曲線加工工藝，既保證了電池頂蓋焊接加工效果，減少機(jī)械抖動(dòng)，也最大限度地提升效率，提高產(chǎn)能，極大契合當(dāng)前新能源行業(yè)“提質(zhì)、降本、增效”的行業(yè)新目標(biāo)。

　　本文主要介紹正運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器ZMC432的SS曲線可實(shí)現(xiàn)高精度焊接工藝的需求。ZMC432可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)控制器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的效果，滿足鋰電池焊接行業(yè)同時(shí)控制多軸多工位加工的需求。

　　1 ZMC432產(chǎn)品簡(jiǎn)介

　　ZMC432是正運(yùn)動(dòng)推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運(yùn)動(dòng)控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運(yùn)動(dòng)控制器可應(yīng)用于各種需要脫機(jī)或聯(lián)機(jī)運(yùn)行的場(chǎng)合。ZMC432最多可支持32軸運(yùn)動(dòng)控制，支持直線插補(bǔ)、任意圓弧插補(bǔ)、空間圓弧、螺旋插補(bǔ)、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨等功能。

　　ZMC432支持PLC、Basic、HMI組態(tài)三種編程方式。PC上位機(jī)API編程支持C#、C++、LabVIEW、Matlab、Qt、Linux、VB.Net、Python等接口。

　　ZMC432內(nèi)置高精度PSO位置同步輸出功能，在加工圓角與曲線時(shí)即使進(jìn)行有減速調(diào)整，在高速加工的場(chǎng)合中也能控制激光輸出的等間距輸出。實(shí)現(xiàn)PSO硬件比較輸出功能的命令主要有HW_PSWITCH2、MOVE_HWPSWITCH、HW_TIMER等。例如在做鋰電池焊接的圓角加工時(shí)，在減速的同時(shí)能保證輸出間距恒定，同時(shí)結(jié)合SS曲線加工工藝增大了工藝柔性。既保證了加工效果，減少機(jī)械抖動(dòng)，也最大限度地提高產(chǎn)能。

　　2 軸速度曲線

　　常見運(yùn)動(dòng)曲線分為梯形速度曲線和S形速度曲線兩種。在此基礎(chǔ)上，正運(yùn)動(dòng)還推出了另一種速度曲線：SS速度曲線。

　　(1)梯形速度曲線

　　梯形曲線又名T形曲線，用于表達(dá)速度與時(shí)間的關(guān)系，梯形速度曲線圖可見下圖。由圖可知，標(biāo)準(zhǔn)的梯形速度曲線有3個(gè)階段，分別為勻加速、勻速、勻減速階段。因此在進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可在軸參數(shù)初始化時(shí)，直接采用Basic指令對(duì)軸進(jìn)行速度參數(shù)設(shè)置(SPEED速度、ACCEL加速度、DECEL減速度)。由于梯形速度曲線在運(yùn)動(dòng)控制中的規(guī)劃是最快的，同時(shí)也是最簡(jiǎn)單的，因此梯形曲線在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用中最為廣泛。但梯形曲線也存在缺點(diǎn)，梯形速度不夠平滑，在速度曲線的轉(zhuǎn)角加速度不連續(xù)，在實(shí)際插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)中容易導(dǎo)致機(jī)器抖動(dòng)等現(xiàn)象，或易對(duì)機(jī)臺(tái)造成沖擊等。

　　(2)S形速度曲線

　　S形速度曲線同樣用于表達(dá)速度與時(shí)間的關(guān)系。但與梯形曲線的區(qū)別在于對(duì)梯形曲線的加速和減速階段進(jìn)行平滑，平滑后曲線形狀如字母S。S形速度曲線如下圖所示。正運(yùn)動(dòng)Basic語言提供了專門的SRAMP指令實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中，通過SRAMP指令進(jìn)行對(duì)應(yīng)的值設(shè)置，可使運(yùn)動(dòng)中的速度曲線更加平滑，從而減少對(duì)控制過程中的沖擊，并使插補(bǔ)過程具有柔性。

　　SRAMP指令使用語法：VAR1 = SRAMP，SRAMP = smoothms。smoothms：毫秒單位，設(shè)置后加減速過程會(huì)延長相應(yīng)的時(shí)間，可設(shè)的時(shí)間長短和加減速實(shí)際延長時(shí)間與distance、speed、accel均有關(guān)。

　　(3)SS速度曲線

　　SS速度曲線又名加加速度曲線，用于表達(dá)加速度與時(shí)間的關(guān)系。加加速度是描述加速度變化快慢的物理量，即加速度的變化率。正運(yùn)動(dòng)Basic語言中提供了VP_MODE指令的模式6和7可實(shí)現(xiàn)SS曲線(下文將詳細(xì)講解VP_MODE指令)，即對(duì)加速度的加速和減速階段進(jìn)行平滑，如下圖所示。

　　對(duì)加加速度進(jìn)行平滑后，在一些高精度運(yùn)動(dòng)的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中，可降低機(jī)構(gòu)因加速度變化率太快而導(dǎo)致的沖擊過大和抖動(dòng)現(xiàn)象。例如常見的鋰電池焊接加工行業(yè)，在對(duì)動(dòng)力電池頂蓋進(jìn)行軌跡焊接時(shí)，在每個(gè)拐角處走倒角的時(shí)候，對(duì)其應(yīng)用SS曲線，則可有效增大其柔性，降低機(jī)臺(tái)抖動(dòng)和沖擊，使得焊接過程更加平穩(wěn)且連續(xù)。

　　3 速度曲線理論分析

　　梯形速度曲線只有勻加速、勻速和勻減速三個(gè)階段。而S形曲線由于對(duì)加減速階段進(jìn)行了平滑，因此可分為7個(gè)階段，如下圖，S曲線的作用范圍是T1、T3、T5、T7;SS曲線的作用范圍也相同，區(qū)別在于SS曲線的加速度變化更為平緩。

　　由于S形曲線在加速和減速過程中，其加速度是變化的，因此引入了一個(gè)新的變量J，即加加速度。

　　J=da/dt

　　在加速度變化過程中，規(guī)定最大加速度為amax，最小加速度為-amax，由此可推出各個(gè)階段的加速度與加加速度之間的關(guān)系：

　　通常確定整個(gè)運(yùn)行過程，需要知道三個(gè)基本系統(tǒng)參數(shù)：

　　(1)加速度時(shí)間關(guān)系

　　根據(jù)上圖的加速度變化曲線圖，由圖中可知T1-T3為勻加速階段，T4為勻加速階段，T5-T6為勻減速階段，該處引入另一個(gè)變量μ。則：

　　根據(jù)公式①和②可得到加速度與時(shí)間的關(guān)系函數(shù)如下：

　　(2)速度時(shí)間關(guān)系

　　速度與加速度存在的函數(shù)關(guān)系為：v=at;加加速度和速度的關(guān)系則滿足：

　　結(jié)合加速度時(shí)間關(guān)系并結(jié)合上述加速度與時(shí)間關(guān)系函數(shù)，可得到如下所示的關(guān)系：

　　簡(jiǎn)化之后可得：

　　以上便是速度、加速度、加加速度三者之間曲線變化之間的函數(shù)關(guān)系。

　　4 VP_MODE指令說明及使用例程

　　(1)指令說明

　　通過VP_MODE指令可實(shí)現(xiàn)對(duì)加減速曲線類型進(jìn)行設(shè)置，有多個(gè)模式可選擇，可設(shè)置S形曲線、SS曲線，使得梯形曲線更加平滑。該指令一般用于軸參數(shù)初始化程序中，可與SRAMP指令同時(shí)使用，當(dāng)VP_MODE為模式0時(shí)，以SRAMP設(shè)置的值生效。

　　語法：VAR1 = VP_MODE或 VP_MODE(axis)=mode

　　mode：模式選擇

　　VP_MODE模式如下：

　　模式描述

　　0缺省值，使用SRAMP來設(shè)置S曲線;

　　4起步時(shí)最大加速度，達(dá)到最高速時(shí)加速度漸變?yōu)?;S和SS曲線圖如下所示。

　　該模式適用于對(duì)沖擊沒有要求的高速啟停的加工場(chǎng)合。

　　6新增類型SS曲線，加加速度連續(xù)的曲線類型，SS模式比T形減速會(huì)增加87%的減速時(shí)間。此模式只有減速階段才生效，加速階段則以模式0的方式生效，方便連續(xù)小線段插補(bǔ);

　　該模式適用于高速啟動(dòng)，平穩(wěn)停止的加工場(chǎng)合。

　　7新增類型SS曲線，加加速度連續(xù)的曲線類型。動(dòng)態(tài)修改軸參數(shù)或連續(xù)插補(bǔ)可能導(dǎo)致加加速度無法連續(xù)，此時(shí)會(huì)切換到模式0，因此建議SRAMP也設(shè)置合適值。

　　該模式適用于高精度且啟停速度平穩(wěn)的無沖擊加工場(chǎng)合。

　　(2)使用例程

　　以下例程均可通過ZMC432控制器實(shí)現(xiàn)，連接架構(gòu)圖如下所示：

　　①VP_MODE設(shè)置為模式0，以單軸運(yùn)動(dòng)為例

　　RAPIDSTOP(2) '停止之前的全部軸

　　WAIT IDLE(0) '等待軸0停止

　　BASE(0) '設(shè)置軸

　　ATYPE=1 '設(shè)置軸類型為脈沖

　　UNITS=1000 '脈沖當(dāng)量

　　DPOS=0

　　MPOS=0

　　SPEED=100 '設(shè)置速度為100

　　ACCEL=1000 '設(shè)置加速度1000

　　DECEL=1000 '設(shè)置減速度1000

　　SRAMP=50 '設(shè)置S曲線時(shí)間為50ms

　　VP_MODE=0 '軸0設(shè)置模式0

　　TRIGGER

　　MOVE(25) '單軸運(yùn)動(dòng)25

　　END

　　當(dāng)SRAMP=50時(shí)，速度和加速度的曲線如下圖所示，分別在加速和減速階段都進(jìn)行了平滑，而運(yùn)動(dòng)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)地延長?？膳cSRAMP=0時(shí)的曲線圖進(jìn)行對(duì)比。

　　當(dāng)SRAMP=0時(shí)，速度和加速度的曲線如下圖所示：

　?、赩P_MODE設(shè)置為模式4，以多軸直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)為例。

　　RAPIDSTOP(2) '停止之前的全部軸

　　WAIT UNTIL IDLE(0) AND IDLE(1) '等待軸0和軸1停止

　　BASE(0,1) '設(shè)置軸，軸0為主軸

　　ATYPE=1,1

　　UNITS=1000,1000

　　DPOS=0,0

　　MPOS=0,0

　　SPEED=100,100 '設(shè)置軸0和軸1速度為100

　　ACCEL=1000,1000

　　DECEL=1000,1000

　　MERGE=ON '開啟連續(xù)插補(bǔ)

　　SRAMP=0,0 '不設(shè)置S曲線

　　VP_MODE=4,0 '軸0設(shè)置模式4，軸1設(shè)置模式0

　　TRIGGER

　　MOVE(25,25) '插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)

　　END

　　上述配置下，軸0采用VP_MODE模式4，起步以最高加速度開始運(yùn)動(dòng)并遞減至0。該模式適用于需要快速啟停的場(chǎng)合。

　　注：由于該運(yùn)動(dòng)為插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，軸0為主軸，因此速度及加速度曲線看主軸即可。VP_ACCEL數(shù)據(jù)源需通過手動(dòng)輸入，采集S曲線和SS曲線下的加速度值的變化。

　?、踁P_MODE設(shè)置為模式6，以多軸直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)為例

　　RAPIDSTOP(2) '停止之前的全部軸

　　WAIT UNTIL IDLE(0) AND IDLE(1) '等待軸0和軸1停止

　　BASE(0,1) '設(shè)置軸，軸0為主軸

　　ATYPE=1,1

　　UNITS=1000,1000

　　DPOS=0,0

　　MPOS=0,0

　　SPEED=100,100 '設(shè)置軸0和軸1速度為100

　　ACCEL=1000,1000

　　DECEL=1000,1000

　　MERGE=ON '開啟連續(xù)插補(bǔ)

　　SRAMP=0,0 '不設(shè)置S曲線

　　VP_MODE=6,0 '軸0設(shè)置模式6，軸1設(shè)置模式0

　　TRIGGER

　　MOVE(25,25) '插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)

　　END

　　當(dāng)VP_MODE設(shè)置為模式6時(shí)，只對(duì)減速階段進(jìn)行平滑。當(dāng)加速階段沒有設(shè)置S或SS曲線時(shí)，則加速度上電瞬間便達(dá)到最大值，以設(shè)定的加速度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)減速階段設(shè)置了SS曲線，由下圖可知，對(duì)加速度曲線進(jìn)行了平滑減速，使得運(yùn)動(dòng)在減速階段過渡更為自然平滑。

　　該模式適用于連續(xù)插補(bǔ)場(chǎng)合，保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的條件下，提高效率。

　　注：由于該運(yùn)動(dòng)為插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，軸0為主軸，因此速度及加速度曲線看主軸即可。

　?、躒P_MODE設(shè)置為模式7，以鋰電池行業(yè)的跑道軌跡加工運(yùn)動(dòng)為例

　　RAPIDSTOP(2) '停止之前的全部軸

　　WAIT UNTIL IDLE(0) AND IDLE(1) '等待軸0和軸1停止

　　BASE(0,1) '設(shè)置軸0和軸1

　　ATYPE=1,1

　　UNITS=1000,1000

　　DPOS=0,0

　　MPOS=0,0

　　SPEED=100,100 '設(shè)置軸0和軸1速度分別為100

　　ACCEL=1000,1000 '設(shè)置軸0和軸1加速度為1000

　　DECEL=1000,1000

　　MERGE=ON

　　SRAMP=100,100 '設(shè)置S曲線時(shí)間為100

　　VP_MODE=7,7 '軸0設(shè)置模式7，即設(shè)置SS曲線

　　TRIGGER

　　MOVE(10,0) '軸0正向運(yùn)動(dòng)10

　　MOVECIRC(2.5,2.5,0,2.5,0) '做半徑為2.5的圓弧運(yùn)動(dòng)

　　MOVE(0,10) '軸1正向運(yùn)動(dòng)10

　　MOVECIRC(-2.5,2.5,-2.5,0,0)

　　MOVE(-20,0) '軸0負(fù)向運(yùn)動(dòng)20

　　MOVECIRC(-2.5,-2.5,0,-2.5,0)

　　MOVE(0,-10) '軸1負(fù)向運(yùn)動(dòng)10

　　MOVECIRC(2.5,-2.5,2.5,0,0)

　　MOVE(10,0) '軸0正向運(yùn)動(dòng)10

　　END

　　VP_MODE設(shè)置為模式7，對(duì)SS曲線進(jìn)行平滑后的圖像如下，可與下圖的VP_ACCEL加速度曲線(淺藍(lán)色線條)進(jìn)行對(duì)比。適用于運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)較大的場(chǎng)合。

　　注：由于該運(yùn)動(dòng)為插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，軸0為主軸，因此速度及加速度曲線看主軸即可。

　　XY模式下軸0和軸1的插補(bǔ)軌跡：

　?、菀韵率俏丛O(shè)置SS曲線的速度曲線圖

　　SRAMP=100,100 '設(shè)置S曲線時(shí)間為100

　　VP_MODE=0,0 ' SS曲線取消

　　由示波器采樣圖形可知，當(dāng)前按S曲線運(yùn)動(dòng)。

　　由此可以對(duì)比得出VP_MODE=7，軸0，軸1的SS加減速的速度曲線更柔和。

　　5 ZMC432運(yùn)動(dòng)控制器在鋰電池焊接中的優(yōu)勢(shì)

　　(1)優(yōu)化的速度前瞻算法，結(jié)合客戶工藝，使加工軌跡運(yùn)動(dòng)更平滑。

　　(2)高精度PSO位置同步輸出，運(yùn)動(dòng)軌跡的所有階段以恒定的空間間隔觸發(fā)激光輸出，拐角加工更均勻。

　　(3)高柔SS加減速曲線，鋰電池焊接加工運(yùn)動(dòng)中，柔性化生產(chǎn)，提升加工精度。

　　(4)提供統(tǒng)一的API函數(shù)接口，項(xiàng)目開發(fā)更靈活。

　　(5)設(shè)備速度與精度都得到顯著提升，配合合適的硬件結(jié)構(gòu)，焊接速度可提升至300mm/s。