近年來，新能源行業(yè)蓬勃發(fā)展，特別是在鋰電行業(yè)，動力電池需求也迎來爆發(fā)式增長。同時伴隨著市場競爭格局加劇，技術(shù)迭代升級，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。本文主要介紹正運動運動控制器ZMC432的SS曲線可實現(xiàn)高精度焊接工藝的需求。ZMC432可實現(xiàn)一臺控制器拖動多臺電機的效果，滿足鋰電池焊接行業(yè)同時控制多軸多工位加工的需求。

　　文/深圳市正運動技術(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，可以大大提高汽車動力電池的安全性、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，需要對電池殼體進行多角度加工，對激光焊接平臺的運動軌跡及速度波動要求苛刻。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。

　　正運動技術(shù)PSO(位置同步輸出)激光能量控制，同時結(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，減少機械抖動，也最大限度地提升效率，提高產(chǎn)能，極大契合當前新能源行業(yè)“提質(zhì)、降本、增效”的行業(yè)新目標。

　　本文主要介紹正運動運動控制器ZMC432的SS曲線可實現(xiàn)高精度焊接工藝的需求。ZMC432可實現(xiàn)一臺控制器拖動多臺電機的效果，滿足鋰電池焊接行業(yè)同時控制多軸多工位加工的需求。

　　1 ZMC432產(chǎn)品簡介

　　ZMC432是正運動推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運動控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運動控制器可應(yīng)用于各種需要脫機或聯(lián)機運行的場合。ZMC432最多可支持32軸運動控制，支持直線插補、任意圓弧插補、空間圓弧、螺旋插補、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即使進行有減速調(diào)整，在高速加工的場合中也能控制激光輸出的等間距輸出。實現(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，在減速的同時能保證輸出間距恒定，同時結(jié)合SS曲線加工工藝增大了工藝柔性。既保證了加工效果，減少機械抖動，也最大限度地提高產(chǎn)能。

　　2 軸速度曲線

　　常見運動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，正運動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，用于表達速度與時間的關(guān)系，梯形速度曲線圖可見下圖。由圖可知，標準的梯形速度曲線有3個階段，分別為勻加速、勻速、勻減速階段。因此在進行插補運動時，可在軸參數(shù)初始化時，直接采用Basic指令對軸進行速度參數(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動控制中的規(guī)劃是最快的，同時也是最簡單的，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，梯形速度不夠平滑，在速度曲線的轉(zhuǎn)角加速度不連續(xù)，在實際插補運動中容易導致機器抖動等現(xiàn)象，或易對機臺造成沖擊等。

　　(2)S形速度曲線

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

　　SRAMP指令使用語法：VAR1 = SRAMP，SRAMP = smoothms。smoothms：毫秒單位，設(shè)置后加減速過程會延長相應(yīng)的時間，可設(shè)的時間長短和加減速實際延長時間與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，用于表達加速度與時間的關(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。正運動Basic語言中提供了VP_MODE指令的模式6和7可實現(xiàn)SS曲線(下文將詳細講解VP_MODE指令)，即對加速度的加速和減速階段進行平滑，如下圖所示。

　　對加加速度進行平滑后，在一些高精度運動的工業(yè)應(yīng)用場合中，可降低機構(gòu)因加速度變化率太快而導致的沖擊過大和抖動現(xiàn)象。例如常見的鋰電池焊接加工行業(yè)，在對動力電池頂蓋進行軌跡焊接時，在每個拐角處走倒角的時候，對其應(yīng)用SS曲線，則可有效增大其柔性，降低機臺抖動和沖擊，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、勻速和勻減速三個階段。而S形曲線由于對加減速階段進行了平滑，因此可分為7個階段，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，由此可推出各個階段的加速度與加加速度之間的關(guān)系：

　　通常確定整個運行過程，需要知道三個基本系統(tǒng)參數(shù)：

　　(1)加速度時間關(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，該處引入另一個變量μ。則：

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

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

　　簡化之后可得：

　　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指令可實現(xiàn)對加減速曲線類型進行設(shè)置，有多個模式可選擇，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指令同時使用，當VP_MODE為模式0時，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起步時最大加速度，達到最高速時加速度漸變?yōu)?;S和SS曲線圖如下所示。

　　該模式適用于對沖擊沒有要求的高速啟停的加工場合。

　　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形減速會增加87%的減速時間。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;

　　該模式適用于高速啟動，平穩(wěn)停止的加工場合。

　　7新增類型SS曲線，加加速度連續(xù)的曲線類型。動態(tài)修改軸參數(shù)或連續(xù)插補可能導致加加速度無法連續(xù)，此時會切換到模式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)的無沖擊加工場合。

　　(2)使用例程

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

　?、賄P_MODE設(shè)置為模式0，以單軸運動為例

　　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曲線時間為50ms

　　VP_MODE=0 '軸0設(shè)置模式0

　　TRIGGER

　　MOVE(25) '單軸運動25

　　END

　　當SRAMP=50時，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行了平滑，而運動時間也會相應(yīng)地延長?？膳cSRAMP=0時的曲線圖進行對比。

　　當SRAMP=0時，速度和加速度的曲線如下圖所示：

　　②VP_MODE設(shè)置為模式4，以多軸直線插補運動為例。

　　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

　　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) '插補運動

　　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動并遞減至0。該模式適用于需要快速啟停的場合。

　　注：由于該運動為插補運動，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，以多軸直線插補運動為例

　　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

　　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) '插補運動

　　END

　　當VP_MODE設(shè)置為模式6時，只對減速階段進行平滑。當加速階段沒有設(shè)置S或SS曲線時，則加速度上電瞬間便達到最大值，以設(shè)定的加速度運動。當減速階段設(shè)置了SS曲線，由下圖可知，對加速度曲線進行了平滑減速，使得運動在減速階段過渡更為自然平滑。

　　該模式適用于連續(xù)插補場合，保證運動平穩(wěn)的條件下，提高效率。

　　注：由于該運動為插補運動，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)的跑道軌跡加工運動為例

　　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正向運動10

　　MOVECIRC(2.5,2.5,0,2.5,0) '做半徑為2.5的圓弧運動

　　MOVE(0,10) '軸1正向運動10

　　MOVECIRC(-2.5,2.5,-2.5,0,0)

　　MOVE(-20,0) '軸0負向運動20

　　MOVECIRC(-2.5,-2.5,0,-2.5,0)

　　MOVE(0,-10) '軸1負向運動10

　　MOVECIRC(2.5,-2.5,2.5,0,0)

　　MOVE(10,0) '軸0正向運動10

　　END

　　VP_MODE設(shè)置為模式7，對SS曲線進行平滑后的圖像如下，可與下圖的VP_ACCEL加速度曲線(淺藍色線條)進行對比。適用于運動抖動較大的場合。

　　注：由于該運動為插補運動，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曲線時間為100

　　VP_MODE=0,0 ' SS曲線取消

　　由示波器采樣圖形可知，當前按S曲線運動。

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

　　5 ZMC432運動控制器在鋰電池焊接中的優(yōu)勢

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

　　(2)高精度PSO位置同步輸出，運動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，鋰電池焊接加工運動中，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。