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快速進化的柔性制造、智能制造凸顯了用戶對于新一代運動控制方案的旺盛需求，基于英特爾® x86架構(gòu)的PAC控制器通過軟件控制方案，以及英特爾® 處理器強大的算力與實時性特性，提供了高確定性算力，顯著降低了運動控制的延時，提升了運動控制的穩(wěn)定性與效率，可助力制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。
在半導(dǎo)體封測、點膠控制、鏡頭組裝等先進裝備生產(chǎn)制造場景，精細(xì)化的運動控制在分選、組裝等流程中扮演著重要角色。傳統(tǒng)的運動控制器大多通過 PC（視覺/數(shù)據(jù)處理）+ARM-Based（運動控制）來進行交互，這種方式將 PC 的信息處理能力與運動控制器的運動軌跡控制能力有機結(jié)合在一起，滿足了普遍場景下的運動控制需求。但同時，隨著制造行業(yè)發(fā)展對于精細(xì)化控制能力帶來更高的要求，這一方案尚需要化解算力不足、控制器交互延遲、系統(tǒng)抖動等挑戰(zhàn)。
深圳市卓信創(chuàng)馳技術(shù)有限公司推出了基于英特爾® Alder lake N架構(gòu)的PAC控制器，該控制器將視覺/數(shù)據(jù)處理能力、運動控制能力整合在搭載了英特爾® 處理器的工業(yè)控制計算機上，對比傳統(tǒng)運動控制卡/控制器，PAC 控制器的機器控制程序調(diào)用運動控制功能的效率提高了 1000 倍，意味著更穩(wěn)定和敏捷的機器控制。此外，英特爾® 酷睿™ 處理器的強大算力，也有助于控制器處理更加復(fù)雜的算法，實現(xiàn)更復(fù)雜、精細(xì)的運動規(guī)劃，加速智能制造變革。
1、 解決方案：基于英特爾® Alder lake N架構(gòu)的PAC 控制器
PAC 控制器創(chuàng)新地將運動控制的功能與視覺/數(shù)據(jù)處理的功能融合到搭載英特爾®處理器的卓信創(chuàng)馳控制器上，并綁定不同的 CPU 核心進行處理，雙方之間通過高速共享內(nèi)存來連接，大幅提高了運動控制與一般 PC 應(yīng)用的數(shù)據(jù)交互效率以及函數(shù)的執(zhí)行速度。該方案集成了基于實時系統(tǒng)的用戶程序執(zhí)行環(huán)境，實現(xiàn)了更穩(wěn)定和敏捷的機器控制，能夠滿足芯片鍵合 (Die-Bonding)、3C行業(yè)FATP、3D路徑點膠等場景對于精細(xì)、低延遲、高穩(wěn)定的運動控制的需求。
圖1. PAC 控制器方案設(shè)計
PAC控制器采用了嵌入式、緊湊型、無風(fēng)扇設(shè)計，可搭載第 12 代英特爾® 酷睿™ 處理器、英特爾凌動® x7000E 系列處理器、英特爾® 處理器 N 系列處理器等處理器，滿足不同場景的需求。該控制器具備如下優(yōu)勢：
- 豐富的 IO 配置：IO 接口根據(jù)客戶應(yīng)用需求設(shè)計進行自定義配置，實現(xiàn)不同功能。
- 高擴展性：支持 4G/5G/Wi-Fi 無線通訊模塊和 UPS 不間斷電源等模塊擴展。
- 高可靠性：采用模塊化、無線纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過板對板連接器進行信號擴展，確保震動環(huán)境下連接可靠；領(lǐng)先的散熱設(shè)計，CPU 不掉頻、不卡頓；通過高低溫跌落測試、機械沖擊測試、冷熱沖擊測試等多項可靠性測試，確保在嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境中長期平穩(wěn)運行。
- 緊湊化結(jié)構(gòu)設(shè)計：緊湊的尺寸設(shè)計，輕松布局到工業(yè)現(xiàn)場，提升時間、空間利用率。
- 敏捷開發(fā)、快速定制服務(wù)：可根據(jù)不同應(yīng)用需求快速定制提供開發(fā)和部署的工具，縮短上市周期。
圖2. 卓信創(chuàng)馳工業(yè)控制器（左：E21YK 系列，右：Xmen系列）
1.1 PAC 控制器通過軟件控制方案實現(xiàn)實時性、穩(wěn)定性顯著提升
得益于面向物聯(lián)網(wǎng)與邊緣應(yīng)用的英特爾® 處理器，以及英特爾® RDT 技術(shù)改善實時性，PAC 控制器能夠提供如下功能優(yōu)勢：在Windows滿載的情況下，平臺管理的硬件資源依然保持了絕佳的實時性能。
1.1.1 顯著降低運動控制器交互的延遲
PAC 控制器將運動控制程序和機器視覺等軟件放在同一臺工業(yè)計算機上，通過高速共享內(nèi)存的方式，大幅度提高了運動控制與一般 PC 應(yīng)用的數(shù)據(jù)交互效率以及函數(shù)的執(zhí)行速度。
圖3. PAC 控制器將運動控制程序和機器視覺等軟件整合在同一硬件中
在測試中，通過調(diào)用讀寫軸位置信息的指令，循環(huán) 20000 次，并統(tǒng)計每次的周期時間。測試數(shù)據(jù)如圖 3 所示，通過 PCI 通訊方式的運動控制卡，平均一次的讀寫時間為 71.74 微秒，而使用共享內(nèi)存交互方式的 運動控制器，平均一次的讀寫時間僅需 0.06 微秒，其交互速度是運動控制卡（PCI 接口）的一千倍。
圖4.不同運動控制器方案交互延時數(shù)據(jù)測試（越低越好）
1.1.2 提升機器程序執(zhí)行效率與穩(wěn)定性
傳統(tǒng)運動控制方案將運動控制算法和 EtherCAT 協(xié)議棧等運行在實時系統(tǒng)上，用戶機器控制程序運行在 Windows 系統(tǒng)上，由于 Windows 系統(tǒng)在計算時會存在抖動，因此會導(dǎo)致速度曲線發(fā)散，影響機器控制程序的執(zhí)行效率。
基于 PAC 控制器，用戶程序（C#，C++）可以被加載到 INtime 實時系統(tǒng)中，使機器控制程序擺脫 Windows 抖動的影響。PAC 采用了英特爾® RDT 的 CAT 與 MBA 技術(shù)，會對其它進程內(nèi)用到的 CPU 線程以及緩存進行服務(wù)等級設(shè)置，從而限制內(nèi)存帶寬使用上限及 CPU 緩存，避免對于關(guān)鍵的機器控制程序帶來影響，從而保證程序運行的實時性。
圖5. 基于 PAC 控制器，用戶可以實現(xiàn)確定的 125 微秒的程序執(zhí)行周期
循環(huán)運動實驗，在相同零點的 6 次 IO 翻轉(zhuǎn)+往復(fù)運動 20mm，相同的伺服系統(tǒng)，循環(huán) 200 次，程序分別運行在 PAC 和 Windows 使用相同的硬件，從驅(qū)動器中讀取速度曲線。測試數(shù)據(jù)如圖 4 所示，Windows 速度曲線更為發(fā)散，此外，Windows 方案完整運動周期耗時 63.34 秒，PAC 方案耗時 46.02 秒，整體速度提升了 20% 左右，穩(wěn)定性提高了 99.83%。
圖6. PAC/Windows 速度曲線對比
1.1.3 提供強大的前饋控制功能
PAC 控制器的前饋控制功能基于 ISG CNC 算法庫。在運動規(guī)劃時不僅計算位置信息，還額外計算由于總線周期和運動控制系統(tǒng)計算周期在速度，加速度，加加速度等方面的產(chǎn)生延遲，通過 EtherCAT 驅(qū)動器的速度環(huán)和電流環(huán)偏移接口輸入補償量，減少軸的位置偏差。
測試數(shù)據(jù)顯示，在打開前饋控制功能之后，平均路徑偏差從 0.033mm 下降到 0.013 mm，0.01mm 定位精度的整定時間從 13.2ms 下降到 10.6ms.
圖7.前饋功能打開前后的位置偏差對比
1.1.4 能夠支持復(fù)雜的實時視覺算法處理
PAC Vision 的圖像算法和 GigE 在實時系統(tǒng)中運行，能夠大幅度減少圖像處理與引導(dǎo)位置計算，以及通過計算結(jié)果進行運動控制的時間，提高視覺-計算-運動全周期的穩(wěn)定性。
圖8. PAC Vision 可支持實時視覺處理
1.2 方案中的英特爾技術(shù)及應(yīng)用
基于英特爾® 架構(gòu)的PAC 控制器支持包括第 12 代英特爾® 酷睿™ 處理器、英特爾凌動® x7000E 系列處理器、英特爾® 處理器 N 系列處理器在內(nèi)的處理器選項，不僅能夠滿足復(fù)雜的機器控制算法的高效運行，還具備寬溫支持、高穩(wěn)定性、遠(yuǎn)程維護等能力，為運動控制奠定了堅實的硬件基礎(chǔ)。
該控制器還應(yīng)用了英特爾® 資源調(diào)配技術(shù) (RDT) 提升實時處理能力，采用英特爾® Virtualization Technology for Directed I/O (VT-d)、英特爾® Virtualization Technology for x86 (VT-x) 等虛擬化技術(shù)實現(xiàn)硬件虛擬化。上述軟硬件技術(shù)能夠滿足PAC 控制器在算力、延遲控制、穩(wěn)定性等方面的需求。
對于單純運動控制場景和單相機運動+視覺引導(dǎo)場景，用戶可以選擇 N 系列處理的控制器產(chǎn)品兼顧高性能，可靠性和性價比。多相機引導(dǎo)場景，或運行其他復(fù)雜運算場景，建議用戶選擇 12 代英特爾® 酷睿™ 處理器以獲得最佳的計算性能。
2、應(yīng)用場景
目前，基于英特爾® 架構(gòu)的PAC 控制器在 IC 分選測試、芯片鍵合、3C產(chǎn)品FATP應(yīng)用、3D點膠等場景中得到了廣泛的應(yīng)用。
2.1 芯片鍵合
在半導(dǎo)體工藝中，“鍵合”是指將晶圓芯片固定于基板上，芯片鍵合技術(shù)通過將半導(dǎo)體芯片附著到引線框架 (Lead Frame) 或印刷電路板 (PCB, Printed Circuit Board) 上，來實現(xiàn)芯片與外部之間的電連接。芯片鍵合對于運動控制的精確性、穩(wěn)定性都帶來了極高要求。
圖9. 芯片鍵合
PAC 控制器支持芯片鍵合場景，芯片鍵合的組裝精度達到*X/Y 組裝高精度± 10 μm@3σ; 旋轉(zhuǎn)精度達到 ± 0.15°@3σ，可編程力控應(yīng)用為 Bond force 0.5N~75N，UPH 超過 6K/工位。其具備如下優(yōu)勢：
- 運動控制程序和機器視覺等軟件放在同一臺工業(yè)計算機上，通過高速共享內(nèi)存的交互方式，大幅度提高了運動控制與一般 PC 應(yīng)用的數(shù)據(jù)交互效率以及函數(shù)的執(zhí)行速度；
- 基于英特爾® 處理器高算力和 ProCon M:單個控制器實現(xiàn)最多 64 軸的 125μs EtherCAT 周期運動控制，高性能的驅(qū)動器管理；
- 通過 PAC 系統(tǒng)，機器的邏輯，運動，視覺控制程序完全在 INtime 實時系統(tǒng)運行，提供機器程序執(zhí)行的穩(wěn)定性，縮短機器 CT；
- ISG CNC 算法庫中的前饋和振動抑制等先進算法和英特爾® 處理器高算力可以提高機器穩(wěn)定性和縮短機器 CT。
2.2 點膠
點膠是工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要工藝，是指是把電子膠水、油或者其他液體涂抹、灌封、點滴到產(chǎn)品上，讓產(chǎn)品起到黏貼、灌封、絕緣、固定、表面光滑等作用�，F(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)對于點膠精度、軌跡控制都有著更高的要求，對于運動控制帶來更高的挑戰(zhàn)。
圖10.手機制造中的點膠工藝
面向點膠工藝的PAC 控制器方案具備如下優(yōu)勢：
- 可集成點膠界面，支持直接導(dǎo)入 CAD 文件生成運動指令；
- ISG CNC 算法庫領(lǐng)先的前瞻技術(shù)和樣條路徑，HSC 等功能滿足行業(yè)頂級軌跡控制需求；
- ISG CNC 算法庫支持 5 軸 RTCP 功能以及超過 50 種運動學(xué)變換模型；
- PAC 控制器內(nèi)置 FPGA 快速 IO，可以實現(xiàn)提前開關(guān)膠，PWM 膠閥控制等點膠工藝特殊需求。
關(guān)于卓信創(chuàng)馳
卓信創(chuàng)馳創(chuàng)立于2018年，是一家專注于工業(yè)控制、機器視覺、自動化等領(lǐng)域的國家級高新技術(shù)企業(yè)。
卓信創(chuàng)馳堅持以市場靈活多樣的需求為導(dǎo)向，以擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)為基礎(chǔ)，以快速為客戶提供定制化解決方案為核心，聚焦于嵌入式計算設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，致力于工業(yè)領(lǐng)域的自動化、數(shù)字化和智能化，為客戶提供技術(shù)全面、穩(wěn)定可靠、靈活便捷的硬件產(chǎn)品及系統(tǒng)解決方案，以質(zhì)樸的初心服務(wù)工業(yè)現(xiàn)代化，攜手客戶一起創(chuàng)造未來工業(yè)無限可能。
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