ACS多轴运动控制系统应用

为了满足当今半导体产业的最高的多轴自动化应用的需求，工程师们转而朝向把最好的集成和基于网络的控制属性的运动控制平台方向。


许多先进机器的控制平台，即基于网络和集中控制开始看到从自动化领域里广泛的实践，因为它们需要大量的处理能力和通信带宽，这在几年前微处理器和网络技术是无法实现的。

在高端多轴自动化行业很多人知道，从20世纪90年代以来的集中式多轴控制器的好处。 使用中央高速处理器，处理协调多轴运动控制已被证明为确定性数字伺服控制的有效架构，使最快的更新率和精密的同步。 另外，网络结构，如CANopen网络的，已经成功地实践在了太阳能电池板划线，半导体制造和通用自动化应用中等需要可扩展性，开放的多厂商和设备，对成本控制敏感的系统设计中的运动控制领域。 网络标准也一直在不断发展，并且不断提高的带宽和可靠性。 现在，随着基于以太网的实时工业网络，如EtherCAT技术 – 决定性的实时工业网络具有足够的带宽以支持高性能协调很多个运动控制轴和I / O，是有可能的实现机器控制控制解决方案，他具有集中式和基于网络控制的最佳品质。

下面是三个最近需要高度的协调和精确的多轴运动控制案例，每一个展现着对控制系统的独特的挑战和极限。

1。太阳能电池板划线和光学检测设备

扁平面板和薄片的激光划线经常需要用到极其高性能的运动控制，包括高的速度和加速度，高度协调的多轴激光路径，晶圆检查和及其最小的运动误差最大化光伏（PV）的晶圆密度或解决最小的缺陷。

大尺寸面板占用面积超过一平方米以上;而且，由于面板增加的尺寸的规模，导致的机器设备的复杂性和多轴数和运动的性能和功率的需求。 最近，太阳能面板板划线设备和检测设备的制造商在设计一条15轴的生产线的控制系统是遇到了很多挑战。有些版本的机器还使用了其他辅助轴和I / O设备。

一个集中架构的多轴控制模块，对如此多的轴的协调提供了优秀的性能。 支持多达八个电机驱动器，由于大型龙门定位台的要求，主控制器支持复杂的MIMO（多输入多输出）控制算法，并提供了用于快速移动的两个线性伺服电机每个连续高达10千瓦功率在大型面板的切割过程中。



MC4U底版集成了运动控制器，高达8个电机驱动器，电源，机器的I / O， 采用EtherCAT联网功能它可以作为主控制器，提供完整的机器自动化功能（运动，逻辑，电源和数据）的全面控制，或作为多轴驱动从站工作在网络主控制器。

本机提供了一些版本用于连接额外的轴和I / O，因此，可扩展性是必要的。主控制器可以配置一个EtherCAT网络控制器，使一个控制器作为一个32 轴网络的主站。 对于网络上其他的电机，对于网络主站商的8个驱动器时，客户可选择一个额外的MC4U配置作为7轴EtherCAT从站驱动模块。 额外的 32/32 I / O点被增加到具有低成本的EtherCAT网络I / O模块控制系统中。



网络主机紧凑型独立运行EtherCAT主控制器可控制多达32个轴的运动完全同步，与所有从站实时控制驱动器。 因此EtherCAT主控制器提供了一个小尺寸，低成本，运行复杂机器控制任务，比如应用程序，与主机PC或人机界面，通信安全和错误处理，并生成多轴运动轨迹。

随着网络可能的集成解决方案，能够满足机器制造商苛刻的多轴的性能特性，同时又保持必要的可扩展性和柔性化以满足他们不断变化的客户要求和低成本考虑。

2. 40轴拾取和安放设备

一个40轴高速SMT贴片拾取和安放组装设备装机评估的是他能达到的生产量并且不牺牲它的加工质量。 极具竞争的SMT组装设备市场驱使需要保持低成本。 一台最近的SMT组装机器操作8个高功率伺服轴用于控制龙门结构跨越大的工作区域，16个低功率的伺服轴控制8个拾取头。16步进电机轴控制输送组装，再加上96/96数字I/0。如此复杂的一个系统需要一个强大和高性能的网络解决方案。

设计这样一个控制系统解决方案的挑战是：

?在运动控制器和主计算机之间满足大量的实时性信息通讯，

?复杂机械台的设计性能要求，协调，高速和定位精度方面，

?整合不同厂商生产的控制器到一个单一网络，

?成本



通用驱动器模块，是一个经济型EtherCAT从站驱动器，可直接驱动1或2直流有刷，直流无刷电机，步进（开环和闭环），音圈电机。 它接近所有伺服回路在20kHz和使用分布式时钟去完全同步其他网络设备。

靠选择一个EtherCAT主控制器处理了若干挑战，，利用现场外现成电脑处理高级别机器控制任务，如应用程序，与与主机应用通讯，安全性和故障处理，以及多轴运动轨迹线生成。 主控制器在本应用中使用，包括一个实时操作系统，与PC主机通过共享内存进行通信，从而提供了所需的通信吞吐量。 这种高速的通信就无法实现使用任何其他通信协议，如以太网，USB，甚至的PCI。 此外，主控制器通过用EtherCAT协议的PC标准的以太网端口控制所有电机驱动器和I / O。

为了满足进一步的挑战，一个集中式控制模块能实施8个要求最苛刻的运动轴。 一个EtherCAT从站驱动控制器带20 kHz的采样率和先进的控制算法，提供了一个低成本，小体积解决方案，同时一个单一的物理外壳实现多达8个驱动器轴。



网络步进驱动模块，是一种经济4或8轴EtherCAT从站微驱动器执行完全协调的多轴运动控制能力。

对于16个输送轴，两个集成的低成本，八轴步进驱动模块被用来保持低成本。

8个取放头的控制是被定制用于连接另一供应商提供的16轴解决方案。 此外，该模块符合标准CANopen 在EtherCAT（CoE）协议，由主控制器支持。

由于没有专用的运动控制器硬件，控制解决方案大大降低了总成本，同时满足高速通信和性能要求。

3.自动化晶圆搬运机器人

自动化晶圆运输系统帮助太阳能电池和半导体制造商简化其生产，提高生产线的效率。 通常，这些系统采用专门设计的最小重量和尺寸的机器人，在一个线性平移台把晶圆从一个地方运送到另一个地方。

一个此类系统控制解决方案的主要设计挑战是：

?实时运动学计算。 移动电机的坐标系是在移动晶片时是不同。 控制器需要实时计算复杂方程，转换晶圆的转移到电机的运动。

?最小布线的移动机器臂，保持最轻的重量并且

?可扩展性 - 能够在添加轴和I / O情况下不影像基本解决方案。



EtherCAT从站的I / O模块高达32个光隔离数字输出和32个光隔离数字输入，并提供完全可联网的经济和紧凑的封装机I / O。

对于如此要求苛刻的系统，一个完全集中式控制器拓扑结构，并不是一个好解决办法，因为需要许多长而重的电缆要连接到集中式的电机控制器和驱动器柜。 长的电机电缆特别容易受到EMI噪声并能显着降低整体控制性能。相反，快速EtherCAT网络拓扑结构（其他网络，如CANopen或DeviceNet的，不能满足所需的网络通信能力）与直接小型轻型化驱动器和控制器放在小尺寸主控机箱直接放置在移动机器人边上，提供一个最佳的解决方案。 唯一的电缆连接主控制器和驱动器需要的是EtherCAT通讯电缆，对电磁干扰不敏感，并在重量和拖曳条件上满足移动系统应用。 此解决方案也可扩展性，使其易于添加驱动器或I/O用于变化的输送机械。

所选择的解决方案包括一个EtherCAT主控制器和3个EtherCAT从站伺服驱动器模块（单，双轴模块）。 主控制器支持逆运动学计算，可以管理多达32个轴和多个I / O操作。 一个从站模块固定式的，其他两个驱动器模块，安放在机器人的运动轴上。



这里是一个精密龙门系统解决方案用于高分辨率平板显示器，太阳能电池板，硅片检测应用。

小结：

不久前，工程师常常要牺牲或妥协机器性能和功能，因为他们被迫选择的网络解决方案或集中式的解决方案。 现在，随着最新的控制系统技术，兼顾上述两种好处的解决方案是可以实现的。 在这里讨论的应用案例，三个不同版本的可介绍，一个是用主控制器插电脑主机内，利用一个小的独立的另一主控制器主控制器，以及其他雇用在综合传动与控制机箱的主控制器。 选取不同的解决方案，以满足每个应用程序中的工程师所面临的各种挑战。 另外用一个小的独立运行的主控制器，和其他一个主控制器集成有驱动和控制构架。不同的解决方案选择是为了满足工程师对不同应用时面临的挑战。