近年来，新能源行业蓬勃发展，特别是在锂电行业，动力电池需求也迎来爆发式增长。同时伴随着市场竞争格局加剧，技术迭代升级，提高生产效率，降低制造成本、提升产品品质，成为很多新能源企业的新目标。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。

　　文/深圳市正运动技术有限公司

　　方形铝壳锂电池在制造组装过程中，需要大量应用到激光焊接工艺，例如：电芯软连接与盖板焊接、盖板封口焊接、密封钉焊接等。激光焊接具有能量密度高，功率稳定性好，焊接精度高等优势，可以大大提高汽车动力电池的安全性、可靠性和使用寿命。

　　电池顶盖焊接是利用激光辐射加热电池壳体与电池盖板相交处的区域并熔为一体，需要对电池壳体进行多角度加工，对激光焊接平台的运动轨迹及速度波动要求苛刻。特别是顶盖焊接的拐角处理，因激光焊接速度与激光能量关系的变化而导致拐角处焊穿、熔融堆积等情况，造成电池的质量难以控制。

　　正运动技术PSO(位置同步输出)激光能量控制，同时结合高柔SS加减速曲线加工工艺，既保证了电池顶盖焊接加工效果，减少机械抖动，也最大限度地提升效率，提高产能，极大契合当前新能源行业“提质、降本、增效”的行业新目标。

　　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。

　　1 ZMC432产品简介

　　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。

　　2 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。

　　(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。

　　3 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。

　　4 VP_MODE指令说明及使用例程

　　(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：

　　①VP_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：

　　②VP_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。

　　③VP_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。

　　④VP_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。

　　5 ZMC432运动控制器在锂电池焊接中的优势

　　(1)优化的速度前瞻算法，结合客户工艺，使加工轨迹运动更平滑。

　　(2)高精度PSO位置同步输出，运动轨迹的所有阶段以恒定的空间间隔触发激光输出，拐角加工更均匀。

　　(3)高柔SS加减速曲线，锂电池焊接加工运动中，柔性化生产，提升加工精度。

　　(4)提供统一的API函数接口，项目开发更灵活。

　　(5)设备速度与精度都得到显著提升，配合合适的硬件结构，焊接速度可提升至300mm/s。