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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)性強以及能量高等優(yōu)點，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。
01 ZMC432功能簡介
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。
02 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。
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(dǎo)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(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)。
03 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 a max ，最小加速度為 -a max ，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。
04 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(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：
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模式
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描述
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0
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缺省值，使用 SRAMP 來設(shè)置S曲線；
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4
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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。
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6
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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。
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7
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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(dǎo)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。
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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：
（1）VP_MODE設(shè)置為模式0，以單軸運動為例。
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(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，以多軸直線插補運動為例。
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。
（3）VP_MODE設(shè)置為模式6，以多軸直線插補運動為例。
當(dāng)VP_MODE設(shè)置為模式6時，只對減速階段進行平滑。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到最大值，以設(shè)定的加速度運動。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。
（4）VP_MODE設(shè)置為模式7，以鋰電池行業(yè)的跑道軌跡加工運動為例。
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：
（5）以下是未設(shè)置SS曲線的速度曲線圖。
由示波器采樣圖形可知，當(dāng)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。
（6）視頻講解。
本次，正運動技術(shù)高柔SS加減速曲線在鋰電池焊接中的應(yīng)用，就分享到這里。
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