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快速進(jìn)化的柔性制造、智能制造凸顯了用戶(hù)對(duì)于新一代運(yùn)動(dòng)控制方案的旺盛需求，基于英特爾® x86架構(gòu)的PAC控制器通過(guò)軟件控制方案，以及英特爾® 處理器強(qiáng)大的算力與實(shí)時(shí)性特性，提供了高確定性算力，顯著降低了運(yùn)動(dòng)控制的延時(shí)，提升了運(yùn)動(dòng)控制的穩(wěn)定性與效率，可助力制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
在半導(dǎo)體封測(cè)、點(diǎn)膠控制、鏡頭組裝等先進(jìn)裝備生產(chǎn)制造場(chǎng)景，精細(xì)化的運(yùn)動(dòng)控制在分選、組裝等流程中扮演著重要角色。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器大多通過(guò) PC（視覺(jué)/數(shù)據(jù)處理）+ARM-Based（運(yùn)動(dòng)控制）來(lái)進(jìn)行交互，這種方式將 PC 的信息處理能力與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)結(jié)合在一起，滿(mǎn)足了普遍場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)控制需求。但同時(shí)，隨著制造行業(yè)發(fā)展對(duì)于精細(xì)化控制能力帶來(lái)更高的要求，這一方案尚需要化解算力不足、控制器交互延遲、系統(tǒng)抖動(dòng)等挑戰(zhàn)。
深圳市卓信創(chuàng)馳技術(shù)有限公司推出了基于英特爾® Alder lake N架構(gòu)的PAC控制器，該控制器將視覺(jué)/數(shù)據(jù)處理能力、運(yùn)動(dòng)控制能力整合在搭載了英特爾® 處理器的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，對(duì)比傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制卡/控制器，PAC 控制器的機(jī)器控制程序調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制功能的效率提高了 1000 倍，意味著更穩(wěn)定和敏捷的機(jī)器控制。此外，英特爾® 酷睿™ 處理器的強(qiáng)大算力，也有助于控制器處理更加復(fù)雜的算法，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、精細(xì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，加速智能制造變革。
1、 解決方案：基于英特爾® Alder lake N架構(gòu)的PAC 控制器
PAC 控制器創(chuàng)新地將運(yùn)動(dòng)控制的功能與視覺(jué)/數(shù)據(jù)處理的功能融合到搭載英特爾®處理器的卓信創(chuàng)馳控制器上，并綁定不同的 CPU 核心進(jìn)行處理，雙方之間通過(guò)高速共享內(nèi)存來(lái)連接，大幅提高了運(yùn)動(dòng)控制與一般 PC 應(yīng)用的數(shù)據(jù)交互效率以及函數(shù)的執(zhí)行速度。該方案集成了基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的用戶(hù)程序執(zhí)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)定和敏捷的機(jī)器控制，能夠滿(mǎn)足芯片鍵合 (Die-Bonding)、3C行業(yè)FATP、3D路徑點(diǎn)膠等場(chǎng)景對(duì)于精細(xì)、低延遲、高穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制的需求。
圖1. PAC 控制器方案設(shè)計(jì)
PAC控制器采用了嵌入式、緊湊型、無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，可搭載第 12 代英特爾® 酷睿™ 處理器、英特爾凌動(dòng)® x7000E 系列處理器、英特爾® 處理器 N 系列處理器等處理器，滿(mǎn)足不同場(chǎng)景的需求。該控制器具備如下優(yōu)勢(shì)：
- 豐富的 IO 配置：IO 接口根據(jù)客戶(hù)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)進(jìn)行自定義配置，實(shí)現(xiàn)不同功能。
- 高擴(kuò)展性：支持 4G/5G/Wi-Fi 無(wú)線(xiàn)通訊模塊和 UPS 不間斷電源等模塊擴(kuò)展。
- 高可靠性：采用模塊化、無(wú)線(xiàn)纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)板對(duì)板連接器進(jìn)行信號(hào)擴(kuò)展，確保震動(dòng)環(huán)境下連接可靠；領(lǐng)先的散熱設(shè)計(jì)，CPU 不掉頻、不卡頓；通過(guò)高低溫跌落測(cè)試、機(jī)械沖擊測(cè)試、冷熱沖擊測(cè)試等多項(xiàng)可靠性測(cè)試，確保在嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境中長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行。
- 緊湊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：緊湊的尺寸設(shè)計(jì)，輕松布局到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，提升時(shí)間、空間利用率。
- 敏捷開(kāi)發(fā)、快速定制服務(wù)：可根據(jù)不同應(yīng)用需求快速定制提供開(kāi)發(fā)和部署的工具，縮短上市周期。
圖2. 卓信創(chuàng)馳工業(yè)控制器（左：E21YK 系列，右：Xmen系列）
1.1 PAC 控制器通過(guò)軟件控制方案實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性顯著提升
得益于面向物聯(lián)網(wǎng)與邊緣應(yīng)用的英特爾® 處理器，以及英特爾® RDT 技術(shù)改善實(shí)時(shí)性，PAC 控制器能夠提供如下功能優(yōu)勢(shì)：在Windows滿(mǎn)載的情況下，平臺(tái)管理的硬件資源依然保持了絕佳的實(shí)時(shí)性能。
1.1.1 顯著降低運(yùn)動(dòng)控制器交互的延遲
PAC 控制器將運(yùn)動(dòng)控制程序和機(jī)器視覺(jué)等軟件放在同一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)上，通過(guò)高速共享內(nèi)存的方式，大幅度提高了運(yùn)動(dòng)控制與一般 PC 應(yīng)用的數(shù)據(jù)交互效率以及函數(shù)的執(zhí)行速度。
圖3. PAC 控制器將運(yùn)動(dòng)控制程序和機(jī)器視覺(jué)等軟件整合在同一硬件中
在測(cè)試中，通過(guò)調(diào)用讀寫(xiě)軸位置信息的指令，循環(huán) 20000 次，并統(tǒng)計(jì)每次的周期時(shí)間。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖 3 所示，通過(guò) PCI 通訊方式的運(yùn)動(dòng)控制卡，平均一次的讀寫(xiě)時(shí)間為 71.74 微秒，而使用共享內(nèi)存交互方式的 運(yùn)動(dòng)控制器，平均一次的讀寫(xiě)時(shí)間僅需 0.06 微秒，其交互速度是運(yùn)動(dòng)控制卡（PCI 接口）的一千倍。
圖4.不同運(yùn)動(dòng)控制器方案交互延時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)試（越低越好）
1.1.2 提升機(jī)器程序執(zhí)行效率與穩(wěn)定性
傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制方案將運(yùn)動(dòng)控制算法和 EtherCAT 協(xié)議棧等運(yùn)行在實(shí)時(shí)系統(tǒng)上，用戶(hù)機(jī)器控制程序運(yùn)行在 Windows 系統(tǒng)上，由于 Windows 系統(tǒng)在計(jì)算時(shí)會(huì)存在抖動(dòng)，因此會(huì)導(dǎo)致速度曲線(xiàn)發(fā)散，影響機(jī)器控制程序的執(zhí)行效率。
基于 PAC 控制器，用戶(hù)程序（C#，C++）可以被加載到 INtime 實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，使機(jī)器控制程序擺脫 Windows 抖動(dòng)的影響。PAC 采用了英特爾® RDT 的 CAT 與 MBA 技術(shù)，會(huì)對(duì)其它進(jìn)程內(nèi)用到的 CPU 線(xiàn)程以及緩存進(jìn)行服務(wù)等級(jí)設(shè)置，從而限制內(nèi)存帶寬使用上限及 CPU 緩存，避免對(duì)于關(guān)鍵的機(jī)器控制程序帶來(lái)影響，從而保證程序運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。
圖5. 基于 PAC 控制器，用戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)確定的 125 微秒的程序執(zhí)行周期
循環(huán)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，在相同零點(diǎn)的 6 次 IO 翻轉(zhuǎn)+往復(fù)運(yùn)動(dòng) 20mm，相同的伺服系統(tǒng)，循環(huán) 200 次，程序分別運(yùn)行在 PAC 和 Windows 使用相同的硬件，從驅(qū)動(dòng)器中讀取速度曲線(xiàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖 4 所示，Windows 速度曲線(xiàn)更為發(fā)散，此外，Windows 方案完整運(yùn)動(dòng)周期耗時(shí) 63.34 秒，PAC 方案耗時(shí) 46.02 秒，整體速度提升了 20% 左右，穩(wěn)定性提高了 99.83%。
圖6. PAC/Windows 速度曲線(xiàn)對(duì)比
1.1.3 提供強(qiáng)大的前饋控制功能
PAC 控制器的前饋控制功能基于 ISG CNC 算法庫(kù)。在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí)不僅計(jì)算位置信息，還額外計(jì)算由于總線(xiàn)周期和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算周期在速度，加速度，加加速度等方面的產(chǎn)生延遲，通過(guò) EtherCAT 驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)和電流環(huán)偏移接口輸入補(bǔ)償量，減少軸的位置偏差。
測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在打開(kāi)前饋控制功能之后，平均路徑偏差從 0.033mm 下降到 0.013 mm，0.01mm 定位精度的整定時(shí)間從 13.2ms 下降到 10.6ms.
圖7.前饋功能打開(kāi)前后的位置偏差對(duì)比
1.1.4 能夠支持復(fù)雜的實(shí)時(shí)視覺(jué)算法處理
PAC Vision 的圖像算法和 GigE 在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)行，能夠大幅度減少圖像處理與引導(dǎo)位置計(jì)算，以及通過(guò)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的時(shí)間，提高視覺(jué)-計(jì)算-運(yùn)動(dòng)全周期的穩(wěn)定性。
圖8. PAC Vision 可支持實(shí)時(shí)視覺(jué)處理
1.2 方案中的英特爾技術(shù)及應(yīng)用
基于英特爾® 架構(gòu)的PAC 控制器支持包括第 12 代英特爾® 酷睿™ 處理器、英特爾凌動(dòng)® x7000E 系列處理器、英特爾® 處理器 N 系列處理器在內(nèi)的處理器選項(xiàng)，不僅能夠滿(mǎn)足復(fù)雜的機(jī)器控制算法的高效運(yùn)行，還具備寬溫支持、高穩(wěn)定性、遠(yuǎn)程維護(hù)等能力，為運(yùn)動(dòng)控制奠定了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)。
該控制器還應(yīng)用了英特爾® 資源調(diào)配技術(shù) (RDT) 提升實(shí)時(shí)處理能力，采用英特爾® Virtualization Technology for Directed I/O (VT-d)、英特爾® Virtualization Technology for x86 (VT-x) 等虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件虛擬化。上述軟硬件技術(shù)能夠滿(mǎn)足PAC 控制器在算力、延遲控制、穩(wěn)定性等方面的需求。
對(duì)于單純運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景和單相機(jī)運(yùn)動(dòng)+視覺(jué)引導(dǎo)場(chǎng)景，用戶(hù)可以選擇 N 系列處理的控制器產(chǎn)品兼顧高性能，可靠性和性?xún)r(jià)比。多相機(jī)引導(dǎo)場(chǎng)景，或運(yùn)行其他復(fù)雜運(yùn)算場(chǎng)景，建議用戶(hù)選擇 12 代英特爾® 酷睿™ 處理器以獲得最佳的計(jì)算性能。
2、應(yīng)用場(chǎng)景
目前，基于英特爾® 架構(gòu)的PAC 控制器在 IC 分選測(cè)試、芯片鍵合、3C產(chǎn)品FATP應(yīng)用、3D點(diǎn)膠等場(chǎng)景中得到了廣泛的應(yīng)用。
2.1 芯片鍵合
在半導(dǎo)體工藝中，“鍵合”是指將晶圓芯片固定于基板上，芯片鍵合技術(shù)通過(guò)將半導(dǎo)體芯片附著到引線(xiàn)框架 (Lead Frame) 或印刷電路板 (PCB, Printed Circuit Board) 上，來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與外部之間的電連接。芯片鍵合對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制的精確性、穩(wěn)定性都帶來(lái)了極高要求。
圖9. 芯片鍵合
PAC 控制器支持芯片鍵合場(chǎng)景，芯片鍵合的組裝精度達(dá)到*X/Y 組裝高精度± 10 μm@3σ; 旋轉(zhuǎn)精度達(dá)到 ± 0.15°@3σ，可編程力控應(yīng)用為 Bond force 0.5N~75N，UPH 超過(guò) 6K/工位。其具備如下優(yōu)勢(shì)：
- 運(yùn)動(dòng)控制程序和機(jī)器視覺(jué)等軟件放在同一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)上，通過(guò)高速共享內(nèi)存的交互方式，大幅度提高了運(yùn)動(dòng)控制與一般 PC 應(yīng)用的數(shù)據(jù)交互效率以及函數(shù)的執(zhí)行速度；
- 基于英特爾® 處理器高算力和 ProCon M:單個(gè)控制器實(shí)現(xiàn)最多 64 軸的 125μs EtherCAT 周期運(yùn)動(dòng)控制，高性能的驅(qū)動(dòng)器管理；
- 通過(guò) PAC 系統(tǒng)，機(jī)器的邏輯，運(yùn)動(dòng)，視覺(jué)控制程序完全在 INtime 實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行，提供機(jī)器程序執(zhí)行的穩(wěn)定性，縮短機(jī)器 CT；
- ISG CNC 算法庫(kù)中的前饋和振動(dòng)抑制等先進(jìn)算法和英特爾® 處理器高算力可以提高機(jī)器穩(wěn)定性和縮短機(jī)器 CT。
2.2 點(diǎn)膠
點(diǎn)膠是工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要工藝，是指是把電子膠水、油或者其他液體涂抹、灌封、點(diǎn)滴到產(chǎn)品上，讓產(chǎn)品起到黏貼、灌封、絕緣、固定、表面光滑等作用�，F(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于點(diǎn)膠精度、軌跡控制都有著更高的要求，對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)更高的挑戰(zhàn)。
圖10.手機(jī)制造中的點(diǎn)膠工藝
面向點(diǎn)膠工藝的PAC 控制器方案具備如下優(yōu)勢(shì)：
- 可集成點(diǎn)膠界面，支持直接導(dǎo)入 CAD 文件生成運(yùn)動(dòng)指令；
- ISG CNC 算法庫(kù)領(lǐng)先的前瞻技術(shù)和樣條路徑，HSC 等功能滿(mǎn)足行業(yè)頂級(jí)軌跡控制需求；
- ISG CNC 算法庫(kù)支持 5 軸 RTCP 功能以及超過(guò) 50 種運(yùn)動(dòng)學(xué)變換模型；
- PAC 控制器內(nèi)置 FPGA 快速 IO，可以實(shí)現(xiàn)提前開(kāi)關(guān)膠，PWM 膠閥控制等點(diǎn)膠工藝特殊需求。
關(guān)于卓信創(chuàng)馳
卓信創(chuàng)馳創(chuàng)立于2018年，是一家專(zhuān)注于工業(yè)控制、機(jī)器視覺(jué)、自動(dòng)化等領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)。
卓信創(chuàng)馳堅(jiān)持以市場(chǎng)靈活多樣的需求為導(dǎo)向，以擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)為基礎(chǔ)，以快速為客戶(hù)提供定制化解決方案為核心，聚焦于嵌入式計(jì)算設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售，致力于工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化，為客戶(hù)提供技術(shù)全面、穩(wěn)定可靠、靈活便捷的硬件產(chǎn)品及系統(tǒng)解決方案，以質(zhì)樸的初心服務(wù)工業(yè)現(xiàn)代化，攜手客戶(hù)一起創(chuàng)造未來(lái)工業(yè)無(wú)限可能。
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