杭州研華拓峰自動化技術有限公司  供稿

為了滿足當今半導體產業的最高的多軸自動化應用的需求，工程師們轉而朝向把最好的集成和基于網絡的控制屬性的運動控制平臺方向。

 
許多先進機器的控制平臺，即基于網絡和集中控制開始看到從自動化領域里廣泛的實踐，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絡技術是無法實現的。

在高端多軸自動化行業很多人知道，從20世紀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，處理協調多軸運動控制已被證明為確定性數字伺服控制的有效架構，使最快的更新率和精密的同步。 另外，網絡結構，如CANopen網絡的，已經成功地實踐在了太陽能電池板劃線，半導體制造和通用自動化應用中等需要可擴展性，開放的多廠商和設備，對成本控制敏感的系統設計中的運動控制領域。 網絡標準也一直在不斷發展，并且不斷提高的帶寬和可靠性。 現在，隨著基于以太網的實時工業網絡，如EtherCAT技術 – 決定性的實時工業網絡具有足夠的帶寬以支持高性能協調很多個運動控制軸和I / O，是有可能的實現機器控制控制解決方案，他具有集中式和基于網絡控制的最佳品質。

下面是三個最近需要高度的協調和精確的多軸運動控制案例，每一個展現著對控制系統的獨特的挑戰和極限。

1。太陽能電池板劃線和光學檢測設備

扁平面板和薄片的激光劃線經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，高度協調的多軸激光路徑，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模，導致的機器設備的復雜性和多軸數和運動的性能和功率的需求。 最近，太陽能面板板劃線設備和檢測設備的制造商在設計一條15軸的生產線的控制系統是遇到了很多挑戰。有些版本的機器還使用了其他輔助軸和I / O設備。

一個集中架構的多軸控制模塊，對如此多的軸的協調提供了優秀的性能。 支持多達八個電機驅動器，由于大型龍門定位臺的要求，主控制器支持復雜的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每個連續高達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8個電機驅動器，電源，機器的I / O， 采用EtherCAT聯網功能它可以作為主控制器，提供完整的機器自動化功能（運動，邏輯，電源和數據）的全面控制，或作為多軸驅動從站工作在網絡主控制器。

本機提供了一些版本用于連接額外的軸和I / O，因此，可擴展性是必要的。主控制器可以配置一個EtherCAT網絡控制器，使一個控制器作為一個32 軸網絡的主站。 對于網絡上其他的電機，對于網絡主站商的8個驅動器時，客戶可選擇一個額外的MC4U配置作為7軸EtherCAT從站驅動模塊。 額外的 32/32 I / O點被增加到具有低成本的EtherCAT網絡I / O模塊控制系統中。

 

網絡主機緊湊型獨立運行EtherCAT主控制器可控制多達32個軸的運動完全同步，與所有從站實時控制驅動器。 因此EtherCAT主控制器提供了一個小尺寸，低成本，運行復雜機器控制任務，比如應用程序，與主機PC或人機界面，通信安全和錯誤處理，并生成多軸運動軌跡。

隨著網絡可能的集成解決方案，能夠滿足機器制造商苛刻的多軸的性能特性，同時又保持必要的可擴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軸拾取和安放設備

一個40軸高速SMT貼片拾取和安放組裝設備裝機評估的是他能達到的生產量并且不犧牲它的加工質量。 極具競爭的SMT組裝設備市場驅使需要保持低成本。 一臺最近的SMT組裝機器操作8個高功率伺服軸用于控制龍門結構跨越大的工作區域，16個低功率的伺服軸控制8個拾取頭。16步進電機軸控制輸送組裝，再加上96/96數字I/0。如此復雜的一個系統需要一個強大和高性能的網絡解決方案。

設計這樣一個控制系統解決方案的挑戰是：

•在運動控制器和主計算機之間滿足大量的實時性信息通訊，

•復雜機械臺的設計性能要求，協調，高速和定位精度方面，

•整合不同廠商生產的控制器到一個單一網絡，

•成本

 

通用驅動器模塊，是一個經濟型EtherCAT從站驅動器，可直接驅動1或2直流有刷，直流無刷電機，步進（開環和閉環），音圈電機。 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絡設備。

靠選擇一個EtherCAT主控制器處理了若干挑戰，，利用現場外現成電腦處理高級別機器控制任務，如應用程序，與與主機應用通訊，安全性和故障處理，以及多軸運動軌跡線生成。 主控制器在本應用中使用，包括一個實時操作系統，與PC主機通過共享內存進行通信，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使用任何其他通信協議，如以太網，USB，甚至的PCI。 此外，主控制器通過用EtherCAT協議的PC標準的以太網端口控制所有電機驅動器和I / O。

為了滿足進一步的挑戰，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從站驅動控制器帶20 kHz的采樣率和先進的控制算法，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多達8個驅動器軸。

 

網絡步進驅動模塊，是一種經濟4或8軸EtherCAT從站微驅動器執行完全協調的多軸運動控制能力。

對于16個輸送軸，兩個集成的低成本，八軸步進驅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商提供的16軸解決方案。 此外，該模塊符合標準CANopen 在EtherCAT（CoE）協議，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.自動化晶圓搬運機器人

自動化晶圓運輸系統幫助太陽能電池和半導體制造商簡化其生產，提高生產線的效率。 通常，這些系統采用專門設計的最小重量和尺寸的機器人，在一個線性平移臺把晶圓從一個地方運送到另一個地方。

一個此類系統控制解決方案的主要設計挑戰是：

•實時運動學計算。 移動電機的坐標系是在移動晶片時是不同。 控制器需要實時計算復雜方程，轉換晶圓的轉移到電機的運動。

•最小布線的移動機器臂，保持最輕的重量并且

•可擴展性 - 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32個光隔離數字輸出和32個光隔離數字輸入，并提供完全可聯網的經濟和緊湊的封裝機I / O。

對于如此要求苛刻的系統，一個完全集中式控制器拓撲結構，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控制器和驅動器柜。 長的電機電纜特別容易受到EMI噪聲并能顯著降低整體控制性能。相反，快速EtherCAT網絡拓撲結構（其他網絡，如CANopen或DeviceNet的，不能滿足所需的網絡通信能力）與直接小型輕型化驅動器和控制器放在小尺寸主控機箱直接放置在移動機器人邊上，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應用。 此解決方案也可擴展性，使其易于添加驅動器或I/O用于變化的輸送機械。

所選擇的解決方案包括一個EtherCAT主控制器和3個EtherCAT從站伺服驅動器模塊（單，雙軸模塊）。 主控制器支持逆運動學計算，可以管理多達32個軸和多個I / O操作。 一個從站模塊固定式的，其他兩個驅動器模塊，安放在機器人的運動軸上。

 

這里是一個精密龍門系統解決方案用于高分辨率平板顯示器，太陽能電池板，硅片檢測應用。

小結：

不久前，工程師常常要犧牲或妥協機器性能和功能，因為他們被迫選擇的網絡解決方案或集中式的解決方案。 現在，隨著最新的控制系統技術，兼顧上述兩種好處的解決方案是可以實現的。 在這里討論的應用案例，三個不同版本的可介紹，一個是用主控制器插電腦主機內，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箱的主控制器。 選取不同的解決方案，以滿足每個應用程序中的工程師所面臨的各種挑戰。 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動和控制構架。不同的解決方案選擇是為了滿足工程師對不同應用時面臨的挑戰。