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應(yīng)用背景
自科技發(fā)展以來(lái)，鋰電池具有使用壽命長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)以及能量高等優(yōu)點(diǎn)，因此鋰電池在電子產(chǎn)品、交通工具等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，由此衍生的鋰電池焊接等生產(chǎn)行業(yè)也在市場(chǎng)中迅速擴(kuò)張。
隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)地不斷增長(zhǎng)，鋰電池焊接行業(yè)對(duì)精度要求也越來(lái)越高，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。
01 ZMC432功能簡(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。
02 軸速度曲線
常見(jiàn)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。
下文將主要介紹三種常見(jiàn)的速度曲線！
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(jiàn)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(yǔ)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(guò)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(guò)程中的沖擊，并使插補(bǔ)過(guò)程具有柔性。
SRAMP指令使用語(yǔ)法： VAR1 = SRAMP ， SRAMP = smoothms。
smoothms：毫秒單位，設(shè)置后加減速過(guò)程會(huì)延長(zhǎng)相應(yīng)的時(shí)間，可設(shè)的時(shí)間長(zhǎng)短和加減速實(shí)際延長(zhǎng)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(yǔ)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(guò)大和抖動(dòng)現(xiàn)象。
例如常見(jiàn)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(guò)程更加平穩(wěn)且連續(xù)。
03 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(guò)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(guò)程中，規(guī)定最大加速度為 a max ，最小加速度為 -a max ，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(guò)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。
04 VP_MODE指令說(shuō)明及使用例程
1.指令說(shuō)明
通過(guò)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(yǔ)法： VAR1 = VP_MODE或 VP_MODE(axis)=mode
mode： 模式選擇
VP_MODE模式如下：
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模式
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描述
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0
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缺省值，使用 SRAMP 來(lái)設(shè)置S曲線；
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4
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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(méi)有要求的高速啟停的加工場(chǎng)合。
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6
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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。
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7
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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(wú)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(wú)沖擊加工場(chǎng)合。
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2.使用例程
以下例程均可通過(guò)ZMC432控制器實(shí)現(xiàn)，連接架構(gòu)圖如下所示：
（1）VP_MODE設(shè)置為模式0，以單軸運(yùn)動(dòng)為例。
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(zhǎng)。可與SRAMP=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：
（2）VP_MODE設(shè)置為模式4，以多軸直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)為例。
上述配置下，軸0采用VP_MODE模式4，起步以最高加速度開(kāi)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(guò)手動(dòng)輸入，采集S曲線和SS曲線下的加速度值的變化。
（3）VP_MODE設(shè)置為模式6，以多軸直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)為例。
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(méi)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(guò)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。
（4）VP_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。
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：
（5）以下是未設(shè)置SS曲線的速度曲線圖。
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。
（6）視頻講解。
本次，正運(yùn)動(dòng)技術(shù)高柔SS加減速曲線在鋰電池焊接中的應(yīng)用，就分享到這里。
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正運(yùn)動(dòng)技術(shù)專注于運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究和通用運(yùn)動(dòng)控制軟硬件產(chǎn)品的研發(fā)，是國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)。正運(yùn)動(dòng)技術(shù)匯集了來(lái)自華為、中興等公司的優(yōu)秀人才，在堅(jiān)持自主創(chuàng)新的同時(shí)，積極聯(lián)合各大高校協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)技術(shù)的研究，是國(guó)內(nèi)工控領(lǐng)域發(fā)展最快的企業(yè)之一，也是國(guó)內(nèi)少有、完整掌握運(yùn)動(dòng)控制核心技術(shù)和實(shí)時(shí)工控軟件平臺(tái)技術(shù)的企業(yè)。主要業(yè)務(wù)有：運(yùn)動(dòng)控制卡_運(yùn)動(dòng)控制器_EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制卡_EtherCAT控制器_運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)_視覺(jué)控制器__運(yùn)動(dòng)控制PLC_運(yùn)動(dòng)控制_機(jī)器人控制器_視覺(jué)定位_XPCIe/XPCI系列運(yùn)動(dòng)控制卡等等。
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