高柔SS加減速曲線在鋰電池焊接中的應(yīng)用

一、應(yīng)用背景

自科技發(fā)展以來，鋰電池具有使用壽命長、適應(yīng)性強(qiáng)以及能量高等優(yōu)點(diǎn)，因此鋰電池在電子產(chǎn)品、交通工具等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，由此衍生的鋰電池焊接等生產(chǎn)行業(yè)也在市場中迅速擴(kuò)張。

隨著市場競爭地不斷增長，鋰電池焊接行業(yè)對精度要求也越來越高，本文主要介紹正運(yùn)動運(yùn)動控制器ZMC432的SS曲線可實(shí)現(xiàn)高精度焊接工藝的需求。

ZMC432可實(shí)現(xiàn)一臺控制器拖動多臺電機(jī)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。

二、ZMC432功能簡介

ZMC432是正運(yùn)動推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運(yùn)動控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運(yùn)動控制器可應(yīng)用于各種需要脫機(jī)或聯(lián)機(jī)運(yùn)行的場合。

ZMC432最多可支持32軸運(yùn)動控制，支持直線插補(bǔ)、任意圓弧插補(bǔ)、空間圓弧、螺旋插補(bǔ)、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(jī)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(jìn)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(shí)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(jī)械抖動，也最大限度地提高產(chǎn)能。

三、軸速度曲線

常見運(yùn)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(yùn)動還推出了另一種速度曲線：SS速度曲線。

下文將主要介紹三種常見的速度曲線！

1.梯形速度曲線

梯形曲線又名T形曲線，用于表達(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動時，可在軸參數(shù)初始化時，直接采用Basic指令對軸進(jìn)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(yùn)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(diǎn)，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(shí)際插補(bǔ)運(yùn)動中容易導(dǎo)致機(jī)器抖動等現(xiàn)象，或易對機(jī)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(dá)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(jìn)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(yùn)動Basic語言提供了專門的SRAMP指令實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際運(yùn)動應(yīng)用中，通過SRAMP指令進(jìn)行對應(yīng)的值設(shè)置，可使運(yùn)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(bǔ)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(shí)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(dá)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(yùn)動Basic語言中提供了VP_MODE指令的模式6和7可實(shí)現(xiàn)SS曲線（下文將詳細(xì)講解VP_MODE指令），即對加速度的加速和減速階段進(jìn)行平滑，如下圖所示。

對加加速度進(jìn)行平滑后，在一些高精度運(yùn)動的工業(yè)應(yīng)用場合中，可降低機(jī)構(gòu)因加速度變化率太快而導(dǎo)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(jìn)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(jī)臺抖動和沖擊，使得焊接過程更加平穩(wěn)且連續(xù)。

四、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(jìn)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(yùn)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。

五、VP_MODE指令說明及使用例程

1.指令說明

通過VP_MODE指令可實(shí)現(xiàn)對加減速曲線類型進(jìn)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(dāng)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：

2.使用例程

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

（1）VP_MODE設(shè)置為模式0，以單軸運(yùn)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(dāng)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(yùn)動25
END

當(dāng)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(jìn)行了平滑，而運(yùn)動時間也會相應(yīng)地延長。可與SRAMP=0時的曲線圖進(jìn)行對比。

當(dāng)SRAMP=0時，速度和加速度的曲線如下圖所示：

（2）VP_MODE設(shè)置為模式4，以多軸直線插補(bǔ)運(yùn)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(bǔ)
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(bǔ)運(yùn)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(yùn)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(yùn)動為插補(bǔ)運(yùn)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。

（3）VP_MODE設(shè)置為模式6，以多軸直線插補(bǔ)運(yùn)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(bǔ)
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(bǔ)運(yùn)動
END

當(dāng)VP_MODE設(shè)置為模式6時，只對減速階段進(jìn)行平滑。當(dāng)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(dá)到最大值，以設(shè)定的加速度運(yùn)動。當(dāng)減速階段設(shè)置了SS曲線，由下圖可知，對加速度曲線進(jìn)行了平滑減速，使得運(yùn)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(bǔ)場合，保證運(yùn)動平穩(wěn)的條件下，提高效率。

注：由于該運(yùn)動為插補(bǔ)運(yùn)動，軸0為主軸，因此速度及加速度曲線看主軸即可。

（4）VP_MODE設(shè)置為模式7，以鋰電池行業(yè)的跑道軌跡加工運(yùn)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(yùn)動10
MOVECIRC(2.5,2.5,0,2.5,0) '做半徑為2.5的圓弧運(yùn)動
MOVE(0,10) '軸1正向運(yùn)動10
MOVECIRC(-2.5,2.5,-2.5,0,0)
MOVE(-20,0) '軸0負(fù)向運(yùn)動20
MOVECIRC(-2.5,-2.5,0,-2.5,0)
MOVE(0,-10) '軸1負(fù)向運(yùn)動10
MOVECIRC(2.5,-2.5,2.5,0,0)
MOVE(10,0) '軸0正向運(yùn)動10
END

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

注：由于該運(yùn)動為插補(bǔ)運(yùn)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(bǔ)軌跡：

（5）以下是未設(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(dāng)前按S曲線運(yùn)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。

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審核編輯：湯梓紅