正运动控制器ZMC432的SS曲线可实现高精度焊接工艺的需求

应用背景  

自科技发展以来，锂电池具有使用寿命长、适应性强以及能量高等优点，因此锂电池在电子产品、交通工具等领域的应用也越来越广泛，由此衍生的锂电池焊接等生产行业也在市场中迅速扩张。 随着市场竞争地不断增长，锂电池焊接行业对精度要求也越来越高，本文主要介绍正运动运动控制器ZMC432的SS曲线可实现高精度焊接工艺的需求。 ZMC432可实现一台控制器拖动多台电机的效果，满足锂电池焊接行业同时控制多轴多工位加工的需求。

01 ZMC432功能简介  

ZMC432是正运动推出的一款多轴高性能EtherCAT总线运动控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盘等通讯接口，ZMC系列运动控制器可应用于各种需要脱机或联机运行的场合。 ZMC432最多可支持32轴运动控制，支持直线插补、任意圆弧插补、空间圆弧、螺旋插补、电子凸轮、电子齿轮、同步跟随等功能。
 
ZMC432支持PLC、Basic、HMI组态三种编程方式。PC上位机API编程支持C#、C++、LabVIEW、Matlab、Qt、Linux、VB.Net、Python等接口。    

ZMC432内置高精度PSO位置同步输出功能，在加工圆角与曲线时即使进行有减速调整，在高速加工的场合中也能控制激光输出的等间距输出。 实现PSO硬件比较输出功能的命令主要有HW_PSWITCH2、MOVE_HWPSWITCH、HW_TIMER等。  

例如在做锂电池焊接的圆角加工时，在减速的同时能保证输出间距恒定，同时结合SS曲线加工工艺增大了工艺柔性。既保证了加工效果，减少机械抖动，也最大限度地提高产能。

    02 轴速度曲线

常见运动曲线分为梯形速度曲线和S形速度曲线两种。在此基础上，正运动还推出了另一种速度曲线：SS速度曲线。

下文将主要介绍三种常见的速度曲线！

1.梯形速度曲线

梯形曲线又名T形曲线，用于表达速度与时间的关系，梯形速度曲线图可见下图。由图可知，标准的梯形速度曲线有3个阶段，分别为匀加速、匀速、匀减速阶段。 因此在进行插补运动时，可在轴参数初始化时，直接采用Basic指令对轴进行速度参数设置（SPEED速度、ACCEL加速度、DECEL减速度）。

由于梯形速度曲线在运动控制中的规划是最快的，同时也是最简单的，因此梯形曲线在工业控制领域应用中最为广泛。 但梯形曲线也存在缺点，梯形速度不够平滑，在速度曲线的转角加速度不连续，在实际插补运动中容易导致机器抖动等现象，或易对机台造成冲击等。

2.S形速度曲线

S形速度曲线同样用于表达速度与时间的关系。但与梯形曲线的区别在于对梯形曲线的加速和减速阶段进行平滑，平滑后曲线形状如字母S。S形速度曲线如下图所示。 正运动Basic语言提供了专门的SRAMP指令实现。在实际运动应用中，通过SRAMP指令进行对应的值设置，可使运动中的速度曲线更加平滑，从而减少对控制过程中的冲击，并使插补过程具有柔性。

SRAMP指令使用语法：VAR1 = SRAMP，SRAMP = smoothms。 smoothms：毫秒单位，设置后加减速过程会延长相应的时间，可设的时间长短和加减速实际延长时间与distance、speed、accel均有关。

3.SS速度曲线

SS速度曲线又名加加速度曲线，用于表达加速度与时间的关系。加加速度是描述加速度变化快慢的物理量，即加速度的变化率。 正运动Basic语言中提供了VP_MODE指令的模式6和7可实现SS曲线（下文将详细讲解VP_MODE指令），即对加速度的加速和减速阶段进行平滑，如下图所示。



对加加速度进行平滑后，在一些高精度运动的工业应用场合中，可降低机构因加速度变化率太快而导致的冲击过大和抖动现象。 例如常见的锂电池焊接加工行业，在对动力电池顶盖进行轨迹焊接时，在每个拐角处走倒角的时候，对其应用SS曲线，则可有效增大其柔性，降低机台抖动和冲击，使得焊接过程更加平稳且连续。    

03 速度曲线理论分析

梯形速度曲线只有匀加速、匀速和匀减速三个阶段。而S形曲线由于对加减速阶段进行了平滑，因此可分为7个阶段，如下图，S曲线的作用范围是T1、T3、T5、T7；SS曲线的作用范围也相同，区别在于SS曲线的加速度变化更为平缓。

由于S形曲线在加速和减速过程中，其加速度是变化的，因此引入了一个新的变量J，即加加速度。

 J=da/dt

在加速度变化过程中，规定最大加速度为amax，最小加速度为-amax，由此可推出各个阶段的加速度与加加速度之间的关系：         

   

通常确定整个运行过程，需要知道三个基本系统参数：

1.加速度时间关系

根据上图的加速度变化曲线图，由图中可知T1-T3为匀加速阶段，T4为匀加速阶段，T5-T6为匀减速阶段，该处引入另一个变量μ。则：

根据公式①和②可得到加速度与时间的关系函数如下：

2.速度时间关系

速度与加速度存在的函数关系为：v=at；加加速度和速度的关系则满足：

结合加速度时间关系并结合上述加速度与时间关系函数，可得到如下所示的关系：

简化之后可得：

以上便是速度、加速度、加加速度三者之间曲线变化之间的函数关系。

04 VP_MODE指令说明及使用例程 1.指令详解 1.指令说明

通过VP_MODE指令可实现对加减速曲线类型进行设置，有多个模式可选择，可设置S形曲线、SS曲线，使得梯形曲线更加平滑。该指令一般用于轴参数初始化程序中，可与SRAMP指令同时使用，当VP_MODE为模式0时，以SRAMP设置的值生效。

语法：VAR1 = VP_MODE或 VP_MODE(axis)=mode

mode：模式选择

VP_MODE模式如下：

模式	描述
0	缺省值，使用SRAMP来设置S曲线；
4	起步时最大加速度，达到最高速时加速度渐变为0；S和SS曲线图如下所示。 该模式适用于对冲击没有要求的高速启停的加工场合。
6	新增类型SS曲线，加加速度连续的曲线类型，SS模式比T形减速会增加87%的减速时间。此模式只有减速阶段才生效，加速阶段则以模式0的方式生效，方便连续小线段插补； 该模式适用于高速启动，平稳停止的加工场合。
7	新增类型SS曲线，加加速度连续的曲线类型。动态修改轴参数或连续插补可能导致加加速度无法连续，此时会切换到模式0，因此建议SRAMP也设置合适值。 该模式适用于高精度且启停速度平稳的无冲击加工场合。

2.使用例程

以下例程均可通过ZMC432控制器实现，连接架构图如下所示：

（1）VP_MODE设置为模式0，以单轴运动为例。

 

RAPIDSTOP(2) '停止之前的全部轴
WAIT IDLE(0) '等待轴0停止
BASE(0) '设置轴
ATYPE=1 '设置轴类型为脉冲
UNITS=1000 '脉冲当量
DPOS=0 
MPOS=0
SPEED=100 '设置速度为100
ACCEL=1000 '设置加速度1000
DECEL=1000 '设置减速度1000
SRAMP=50 '设置S曲线时间为50ms
VP_MODE=0 '轴0设置模式0
TRIGGER
MOVE(25) '单轴运动25
END

当SRAMP=50时，速度和加速度的曲线如下图所示，分别在加速和减速阶段都进行了平滑，而运动时间也会相应地延长。可与SRAMP=0时的曲线图进行对比。

 

当SRAMP=0时，速度和加速度的曲线如下图所示：

（2）VP_MODE设置为模式4，以多轴直线插补运动为例。

 

RAPIDSTOP(2) '停止之前的全部轴
WAIT UNTIL IDLE(0) AND IDLE(1) '等待轴0和轴1停止
BASE(0,1) '设置轴，轴0为主轴
ATYPE=1,1
UNITS=1000,1000
DPOS=0,0
MPOS=0,0
SPEED=100,100 '设置轴0和轴1速度为100
ACCEL=1000,1000
DECEL=1000,1000
MERGE=ON '开启连续插补
SRAMP=0,0 '不设置S曲线
VP_MODE=4,0 '轴0设置模式4，轴1设置模式0
TRIGGER
MOVE(25,25) '插补运动
END

上述配置下，轴0采用VP_MODE模式4，起步以最高加速度开始运动并递减至0。该模式适用于需要快速启停的场合。

 

注：由于该运动为插补运动，轴0为主轴，因此速度及加速度曲线看主轴即可。VP_ACCEL数据源需通过手动输入，采集S曲线和SS曲线下的加速度值的变化。

（3）VP_MODE设置为模式6，以多轴直线插补运动为例。

 

RAPIDSTOP(2) '停止之前的全部轴
WAIT UNTIL IDLE(0) AND IDLE(1) '等待轴0和轴1停止
BASE(0,1) '设置轴，轴0为主轴
ATYPE=1,1
UNITS=1000,1000
DPOS=0,0
MPOS=0,0
SPEED=100,100 '设置轴0和轴1速度为100
ACCEL=1000,1000
DECEL=1000,1000
MERGE=ON '开启连续插补
SRAMP=0,0 '不设置S曲线
VP_MODE=6,0 '轴0设置模式6，轴1设置模式0
TRIGGER
MOVE(25,25) '插补运动
END

 

当VP_MODE设置为模式6时，只对减速阶段进行平滑。当加速阶段没有设置S或SS曲线时，则加速度上电瞬间便达到最大值，以设定的加速度运动。当减速阶段设置了SS曲线，由下图可知，对加速度曲线进行了平滑减速，使得运动在减速阶段过渡更为自然平滑。

该模式适用于连续插补场合，保证运动平稳的条件下，提高效率。

注：由于该运动为插补运动，轴0为主轴，因此速度及加速度曲线看主轴即可。

（4）VP_MODE设置为模式7，以锂电池行业的跑道轨迹加工运动为例。

 

RAPIDSTOP(2) '停止之前的全部轴
WAIT UNTIL IDLE(0) AND IDLE(1) '等待轴0和轴1停止
BASE(0,1) '设置轴0和轴1
ATYPE=1,1
UNITS=1000,1000
DPOS=0,0
MPOS=0,0
SPEED=100,100 '设置轴0和轴1速度分别为100
ACCEL=1000,1000 '设置轴0和轴1加速度为1000
DECEL=1000,1000
MERGE=ON
SRAMP=100,100 '设置S曲线时间为100
VP_MODE=7,7 '轴0设置模式7，即设置SS曲线
TRIGGER
MOVE(10,0) '轴0正向运动10
MOVECIRC(2.5,2.5,0,2.5,0) '做半径为2.5的圆弧运动
MOVE(0,10) '轴1正向运动10
MOVECIRC(-2.5,2.5,-2.5,0,0)
MOVE(-20,0) '轴0负向运动20
MOVECIRC(-2.5,-2.5,0,-2.5,0)
MOVE(0,-10) '轴1负向运动10
MOVECIRC(2.5,-2.5,2.5,0,0)
MOVE(10,0) '轴0正向运动10
END

VP_MODE设置为模式7，对SS曲线进行平滑后的图像如下，可与下图的VP_ACCEL加速度曲线（浅蓝色线条）进行对比。适用于运动抖动较大的场合。 注：由于该运动为插补运动，轴0为主轴，因此速度及加速度曲线看主轴即可。

 

XY模式下轴0和轴1的插补轨迹：

（5）以下是未设置SS曲线的速度曲线图。

 

SRAMP=100,100 '设置S曲线时间为100
VP_MODE=0,0 ' SS曲线取消

由示波器采样图形可知，当前按S曲线运动。

 

由此可以对比得出VP_MODE=7，轴0，轴1的SS加减速的速度曲线更柔和。








审核编辑：刘清