1. 先想清楚再動(dòng)手這套控制系統(tǒng)到底在控什么做鋰電設(shè)備這些年我越來(lái)越覺得硬件只是殼控制系統(tǒng)才是靈魂。就拿鋰電池激光模切機(jī)來(lái)說很多人一上來(lái)就盯著激光器功率、振鏡速度這些參數(shù)卻忽略了最核心的問題——這套系統(tǒng)究竟在控什么簡(jiǎn)單說激光模切機(jī)要做的事情是把卷料狀態(tài)下的鋰電池正負(fù)極片按照工藝要求的形狀和尺寸用激光高速切割出來(lái)。極片材料是鋁箔或銅箔表面涂布了含有鋰電活性物質(zhì)的漿料層厚度通常在十幾微米到上百微米不等。傳統(tǒng)工藝用模具沖切缺點(diǎn)很明顯換型號(hào)要換模具、模具磨損后毛刺變大、極片邊緣容易產(chǎn)生微裂紋。激光模切則沒有接觸力換型只需改切割圖形適合現(xiàn)在電池型號(hào)多、迭代快的生產(chǎn)節(jié)奏。但“沒有接觸力”不代表“沒有控制難度”。激光模切的難點(diǎn)在于切割速度要跟上卷料的高速運(yùn)動(dòng)切出來(lái)的邊緣不能有毛刺和熱影響區(qū)極片本身的張力波動(dòng)不能影響切割位置精度還有激光粉塵、煙氣的及時(shí)處理否則會(huì)污染極片表面。把這些需求翻譯成控制系統(tǒng)的語(yǔ)言就變成了——高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置同步、激光出光的時(shí)序同步、視覺檢測(cè)的位置補(bǔ)償、張力閉環(huán)的穩(wěn)定控制、除塵排煙的安全聯(lián)鎖。這套系統(tǒng)要控的遠(yuǎn)不止“讓激光按圖形走一圈”這么簡(jiǎn)單。這個(gè)項(xiàng)目適合誰(shuí)參考如果你是做鋰電設(shè)備開發(fā)的電氣工程師、運(yùn)動(dòng)控制工程師或者正在做激光切割設(shè)備上位機(jī)開發(fā)的軟件工程師又或者是工藝工程師想理解設(shè)備控制的底層邏輯這篇內(nèi)容應(yīng)該都能對(duì)得上你的胃口。我會(huì)從方案選型、硬件參數(shù)、軟件架構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試幾個(gè)維度把我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目里的真實(shí)做法和踩過的坑一起說清楚。1.1 激光模切機(jī)的工作對(duì)象與控制需求先明確一下設(shè)備加工的極片形態(tài)。鋰電池極片是成卷的料卷寬度從幾百毫米到上千毫米不等常見的設(shè)備走帶速度在0.5m/s到2m/s這個(gè)區(qū)間。極片需要切割的形狀包括極耳Tab、極片邊緣的切痕線、甚至異形極片。切割過程中料帶是不停的不能為了切一個(gè)圖形就停下來(lái)等待那會(huì)嚴(yán)重拉低生產(chǎn)效率。所以控制系統(tǒng)的第一優(yōu)先級(jí)是讓激光切割動(dòng)作在料帶運(yùn)動(dòng)中精準(zhǔn)完成。拆開來(lái)看控制需求有這幾層第一層是運(yùn)動(dòng)控制。料帶由放卷和收卷驅(qū)動(dòng)中間經(jīng)過切割臺(tái)。切割臺(tái)本身往往還有一個(gè)橫移或縱移的直線平臺(tái)用來(lái)配合激光振鏡的掃描范圍。特別要說明的是激光模切機(jī)常見的配置是“振鏡掃描 平臺(tái)隨動(dòng)”的組合。振鏡速度快但掃描范圍有限直線平臺(tái)范圍大但速度相對(duì)慢兩者必須協(xié)調(diào)平臺(tái)負(fù)責(zé)大范圍的跟隨振鏡負(fù)責(zé)在小范圍內(nèi)快速畫出圖形。第二層是激光與運(yùn)動(dòng)的同步。振鏡畫圖形需要時(shí)間而料帶在走如果平臺(tái)沒有同步跟隨料帶切出來(lái)的圖形就會(huì)是歪的。所以控制系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)獲取料帶的位移反饋把它疊加到振鏡的運(yùn)動(dòng)指令上這就是所謂的“飛行切割”。這個(gè)同步關(guān)系稍有偏差切割輪廓就會(huì)變形。第三層是視覺與位置補(bǔ)償。極片在放卷過程中會(huì)跑偏激光切割位置相對(duì)極片邊緣的尺寸必須穩(wěn)定。視覺系統(tǒng)在切割前抓拍極片的實(shí)際位置計(jì)算出偏置量然后通過運(yùn)動(dòng)控制和振鏡的坐標(biāo)偏移做修正。這個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求非常高因?yàn)閺呐恼盏角懈铋_始可能只有幾十毫秒的時(shí)間窗。第四層是工藝過程控制。激光切割會(huì)產(chǎn)生熔渣和煙氣需要除塵吸嘴在切割點(diǎn)附近同步啟動(dòng)除塵風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)序必須和激光出光聯(lián)動(dòng)。極片的張力控制也一樣切割時(shí)不能因?yàn)閺埩ν蛔儗?dǎo)致極片褶皺或斷帶。這些看似外圍的功能實(shí)際上決定了設(shè)備能不能連續(xù)穩(wěn)定跑幾個(gè)小時(shí)。1.2 系統(tǒng)架構(gòu)的總體設(shè)計(jì)思路我們的方案采用的是“上位機(jī) 獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制器 遠(yuǎn)程IO 各子系統(tǒng)通信”的分層架構(gòu)而不是把所有控制邏輯都堆在一個(gè)PLC里。原因很簡(jiǎn)單激光切割對(duì)時(shí)序和速度控制要求太高PLC的掃描周期不管多快在微秒級(jí)出光同步面前都顯得太遲緩。具體分層是這樣的上位機(jī)工控機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面、配方管理、切割圖形的解析與下發(fā)、視覺檢測(cè)的結(jié)果處理、數(shù)據(jù)記錄與報(bào)警管理。上位機(jī)不直接參與高速控制只下發(fā)參數(shù)和接收反饋。獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)伺服軸的運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)、料帶同步、振鏡控制、激光出光信號(hào)的硬件同步。為什么用獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制器而不是PLC因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制器通常帶有硬件鎖存和高速比較輸出功能可以在觸發(fā)信號(hào)到達(dá)的瞬間精確輸出激光控制信號(hào)這個(gè)時(shí)間不確定度可以控制在微秒級(jí)。PLC與遠(yuǎn)程IO負(fù)責(zé)整機(jī)的邏輯控制比如氣動(dòng)元件、除塵風(fēng)機(jī)、安全門鎖、溫度傳感器、報(bào)警聯(lián)鎖。PLC在這個(gè)架構(gòu)里不處理高速運(yùn)動(dòng)但處理安全聯(lián)鎖和邏輯時(shí)序可靠性更高。視覺系統(tǒng)工業(yè)相機(jī)通過GigE接口連接工控機(jī)檢測(cè)結(jié)果通過共享內(nèi)存或TCP通信傳給運(yùn)動(dòng)控制上位機(jī)再通過控制器指令修正運(yùn)動(dòng)路徑。這種架構(gòu)的好處是各司其職壞處是聯(lián)調(diào)時(shí)通信節(jié)點(diǎn)多時(shí)序問題排查起來(lái)麻煩。后面我會(huì)專門講我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)是怎么定位這些時(shí)序問題的。2. 核心硬件選型決定精度上限的四個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)最終的精度是由硬件底子決定的。軟件再?gòu)?qiáng)如果硬件的重復(fù)精度不夠、反饋延遲太大也救不回來(lái)。這個(gè)項(xiàng)目的核心硬件選型我們重點(diǎn)卡了四個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、激光與振鏡、視覺與光源、控制器。2.1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的導(dǎo)軌、光柵與龍門結(jié)構(gòu)鋰電池極片切割的尺寸精度工藝要求一般是切割輪廓公差±0.1mm好一些的電池廠要求±0.05mm。振鏡本身的定位精度可以到微米級(jí)但前提是工作臺(tái)的機(jī)械基準(zhǔn)要夠穩(wěn)。我們采用的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是龍門式結(jié)構(gòu)X方向由兩個(gè)直線電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)Y方向是一個(gè)直線電機(jī)橫梁Z軸只保留非常小的行程用于調(diào)整焦點(diǎn)。這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)龍門雙驅(qū)必須做同步控制。兩個(gè)X軸的直線電機(jī)如果不同步龍門會(huì)扭斜輕則影響精度重則卡死。運(yùn)動(dòng)控制器必須支持雙軸同步誤差的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。我們?cè)谡{(diào)試時(shí)把同步誤差閾值設(shè)定為5微米超過這個(gè)值就觸發(fā)保護(hù)報(bào)警。光柵尺選擇方面我們選用了分辨率0.1μm的光柵尺直接反饋到運(yùn)動(dòng)控制器做全閉環(huán)。這里要提醒一句很多人為了省錢用伺服電機(jī)自帶的編碼器做半閉環(huán)但對(duì)于激光模切這種高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的場(chǎng)合機(jī)械彈性變形和熱變形會(huì)直接影響切割位置半閉環(huán)很難把精度穩(wěn)定控制在±0.05mm以內(nèi)。所以哪怕預(yù)算緊張光柵尺也建議保留。2.2 激光器與振鏡的匹配選擇激光器選型主要看極片材料和切割質(zhì)量要求。正極鋁箔對(duì)激光吸收率與波長(zhǎng)相關(guān)負(fù)極銅箔對(duì)紅外光的吸收率偏低所以很多時(shí)候需要選用更高功率或不同波長(zhǎng)的激光器。我們的方案里選用了脈沖光纖激光器平均功率在50W到100W這個(gè)區(qū)間脈沖寬度可調(diào)。為什么不用連續(xù)激光連續(xù)激光的熱輸入大容易在極片邊緣產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)甚至把鋁箔燒穿。脈沖激光可以控制每個(gè)脈沖的能量密度更適合精密切割。振鏡的選擇要匹配激光器的功率和光斑直徑。我們用的是數(shù)字振鏡掃描速度可以達(dá)到每秒好幾米定位精度和重復(fù)精度都在微米級(jí)。但要注意的是振鏡的有效掃描范圍是有限的通常幾十毫米見方。如果切割圖形比振鏡范圍大就必須讓直線平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中分段拼接。拼接精度取決于平臺(tái)與振鏡坐標(biāo)系的標(biāo)定精度這也是后續(xù)軟件要處理的重點(diǎn)。激光出光的控制信號(hào)必須走硬件同步。運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)當(dāng)前平臺(tái)位置和料帶速度實(shí)時(shí)計(jì)算振鏡需要偏轉(zhuǎn)的角度振鏡控制器內(nèi)部有位置比較功能當(dāng)振鏡走到圖形起點(diǎn)時(shí)立刻輸出一個(gè)TTL信號(hào)給激光器。這個(gè)信號(hào)延遲必須穩(wěn)定否則就是“起點(diǎn)切入不準(zhǔn)”。我們?cè)谶x型時(shí)專門比較過振鏡控制器的外部觸發(fā)延遲選擇了一個(gè)延遲指標(biāo)在±1μs以內(nèi)的方案。2.3 視覺定位系統(tǒng)與光源方案視覺系統(tǒng)的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)極片邊緣位置和圖形位置。因?yàn)闃O片在放卷過程中不可避免有橫向漂移如果不補(bǔ)償切出來(lái)的極耳位置和極片邊緣的間距就會(huì)變化影響后續(xù)卷繞或疊片工序。工業(yè)相機(jī)的分辨率要根據(jù)檢測(cè)視場(chǎng)來(lái)選擇。我們這里極片邊緣檢測(cè)的視場(chǎng)大約20mm×20mm要求檢測(cè)精度0.02mm左右按5倍像素精度估算需要相機(jī)分辨率至少1000×1000像素選用的是200萬(wàn)像素的工業(yè)相機(jī)鏡頭焦距和視野匹配好。幀率要夠高因?yàn)榱蠋г谶\(yùn)動(dòng)抓拍時(shí)如果曝光時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊。我們用了頻閃光源配合極短的曝光時(shí)間把曝光控制在幾十微秒級(jí)別運(yùn)動(dòng)模糊可以忽略。光源方案選擇的是低角度環(huán)形光。極片表面有涂布層光滑的鋁箔邊緣和涂布層的反光特性不同用低角度環(huán)形光可以增強(qiáng)邊緣對(duì)比度。這里有一個(gè)容易被忽略的細(xì)節(jié)涂布區(qū)和留白區(qū)箔材區(qū)對(duì)光的反射差異很大光源角度調(diào)不好邊緣檢測(cè)算法就會(huì)把涂布邊界誤判成極片邊緣。我們后來(lái)是通過多次試驗(yàn)固定了一個(gè)光源角度并在算法里加了一個(gè)“邊緣位置預(yù)期范圍”的約束才把誤判率壓下來(lái)。2.4 下位機(jī)控制器的選型原則控制器是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)大腦。市面上的運(yùn)動(dòng)控制器種類很多有基于PC的板卡式也有獨(dú)立式控制器。我們選擇的是獨(dú)立式多軸運(yùn)動(dòng)控制器支持EtherCAT總線。選型標(biāo)準(zhǔn)有幾點(diǎn)一是支持龍門雙驅(qū)同步。很多通用控制器只支持簡(jiǎn)單的位置同步龍門軸要求有專門的同步控制算法或至少可以通過實(shí)時(shí)跟隨實(shí)現(xiàn)。我們?cè)谶x型時(shí)專門確認(rèn)過這個(gè)功能并做了同步響應(yīng)測(cè)試。二是要有高速輸入鎖存和高速輸出比較。激光切割需要“位置到達(dá)就立刻輸出信號(hào)”控制器的硬件鎖存輸入可以用于捕捉外部觸發(fā)信號(hào)比如視覺拍照信號(hào)高速輸出比較可以用于在運(yùn)動(dòng)軌跡的指定位置輸出激光出光信號(hào)。這個(gè)能力必須是硬件級(jí)的不能依賴上位機(jī)軟件循環(huán)否則時(shí)序不穩(wěn)定。三是支持振鏡控制。振鏡通常有XY2-100標(biāo)準(zhǔn)接口有些運(yùn)動(dòng)控制器直接支持有些需要通過額外模塊。我們?yōu)榱撕?jiǎn)化系統(tǒng)選擇了支持XY2-100接口輸出的控制器這樣振鏡和目標(biāo)位置都統(tǒng)一在控制器坐標(biāo)系內(nèi)省去了額外同步的麻煩。四是要有足夠的軸數(shù)和IO擴(kuò)展能力。我們這套設(shè)備實(shí)際上用了放卷軸、收卷軸、兩個(gè)龍門X軸、一個(gè)橫梁Y軸、一個(gè)切割平臺(tái)Z軸、一個(gè)糾偏軸再加上振鏡兩個(gè)虛擬軸總軸數(shù)不少?？刂破魅绻S數(shù)不夠后面擴(kuò)展起來(lái)很麻煩。我們選的型號(hào)最大支持16軸留了余量。3. 軟件系統(tǒng)的骨架運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制邏輯實(shí)現(xiàn)硬件定下來(lái)之后軟件就是整個(gè)項(xiàng)目的重頭戲。很多設(shè)備廠家覺得軟件就是“會(huì)調(diào)用廠商的API把軸動(dòng)起來(lái)”但實(shí)際上激光模切機(jī)的軟件難點(diǎn)全在細(xì)節(jié)里。下面我按數(shù)據(jù)流和功能模塊的順序拆開講。3.1 上下位機(jī)通訊與數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)我們上位機(jī)用的是C寫的工藝控制軟件運(yùn)動(dòng)控制器作為下位機(jī)。上位機(jī)和下位機(jī)之間通過TCP/IP通信。為什么不直接用EtherCAT或者共享內(nèi)存因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)要嚴(yán)格分開。TCP/IP傳配方、傳圖形、傳狀態(tài)可以容忍幾毫秒延遲但振鏡運(yùn)動(dòng)指令絕對(duì)不能經(jīng)過TCP/IP實(shí)時(shí)傳那樣延遲和抖動(dòng)都不可接受。所以我們這樣設(shè)計(jì)上位機(jī)把所有參數(shù)下發(fā)給控制器后控制器內(nèi)部通過緩沖區(qū)存儲(chǔ)切割圖形和運(yùn)動(dòng)軌跡。開始運(yùn)行時(shí)上位機(jī)只發(fā)出一個(gè)“開始”命令之后所有的高速同步、出光觸發(fā)都由控制器自己完成。上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)但不下發(fā)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)指令。這樣既保證了實(shí)時(shí)性又讓上位機(jī)可以有足夠資源處理視覺圖像和界面刷新。數(shù)據(jù)流上有幾個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間戳要對(duì)齊視覺拍照觸發(fā)時(shí)控制器同步采集當(dāng)前平臺(tái)位置和料帶編碼器位置打上時(shí)間戳。視覺系統(tǒng)計(jì)算偏移量后把偏移量傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)在下一片切割前把偏移量疊加到圖形的坐標(biāo)偏移寄存器中。控制器在運(yùn)行軌跡時(shí)讀取這個(gè)偏移值保證補(bǔ)償生效時(shí)序正好落在當(dāng)前切割片上。這里有一個(gè)常見的時(shí)序問題視覺從拍照到結(jié)果出來(lái)需要一定時(shí)間如果料帶速度很快當(dāng)前片已經(jīng)跑過去了偏移量沒來(lái)得及補(bǔ)償就只能等下一片。而下一片的位置偏差可能又不一樣了。所以我們?cè)谲浖镌O(shè)計(jì)了“預(yù)測(cè)補(bǔ)償”邏輯根據(jù)上一片到當(dāng)前片的速度和歷史偏移趨勢(shì)預(yù)測(cè)當(dāng)前片的偏移量提前補(bǔ)償。雖然預(yù)測(cè)會(huì)有誤差但實(shí)測(cè)下來(lái)比完全不補(bǔ)償要穩(wěn)得多。3.2 飛行切割的軌跡規(guī)劃與速度前瞻飛行切割的軌跡規(guī)劃是控制核心中的核心。它的本質(zhì)是料帶在前進(jìn)直線平臺(tái)在跟隨振鏡在平臺(tái)上做相對(duì)運(yùn)動(dòng)最終合成出來(lái)的是極片上的絕對(duì)切割軌跡。我們用運(yùn)動(dòng)控制器的電子凸輪功能來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與料帶的同步。放卷軸或編碼器作為主軸切割平臺(tái)橫移軸和縱移軸作為從軸從軸位置跟隨主軸位置。這樣料帶走到哪里平臺(tái)就同步跟到哪里相當(dāng)于平臺(tái)上的坐標(biāo)系跟著料帶一起運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)基礎(chǔ)上振鏡的坐標(biāo)系也必須映射到平臺(tái)坐標(biāo)系中。振鏡掃描范圍小所以我們把圖形按平臺(tái)坐標(biāo)分成多個(gè)局部塊。每一塊都由平臺(tái)定位到大概位置再由振鏡在這一小塊內(nèi)完成精細(xì)切割?？刂破鞯能壽E規(guī)劃要做的是把連續(xù)圖形分割成“平臺(tái)運(yùn)動(dòng)段”和“振鏡掃描段”并且讓二者無(wú)縫銜接。速度前瞻在這里非常重要。因?yàn)檎耒R在換段的時(shí)候如果減速再加速切割速度波動(dòng)會(huì)造成圖形接縫處過切或欠切。我們的做法是把整條切割軌跡看成連續(xù)路徑用控制器內(nèi)置的前瞻緩沖區(qū)做平滑平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度和振鏡掃描速度在段與段之間保持近似恒定。直線電機(jī)加減速性能好這個(gè)實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易。如果是普通絲杠平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢飛行切割的精度就會(huì)大打折扣。3.3 視覺糾偏與坐標(biāo)系標(biāo)定視覺糾偏的前提是坐標(biāo)系標(biāo)定要準(zhǔn)。振鏡坐標(biāo)系、平臺(tái)坐標(biāo)系、機(jī)器視覺坐標(biāo)系三者必須統(tǒng)一轉(zhuǎn)換關(guān)系。做法是做一個(gè)“十字靶標(biāo)”或者“點(diǎn)陣標(biāo)定板”放在切割臺(tái)上。平臺(tái)移動(dòng)到幾個(gè)已知坐標(biāo)位置視覺系統(tǒng)拍照記錄像點(diǎn)坐標(biāo)。然后讓振鏡在平臺(tái)上畫幾個(gè)已知間距的標(biāo)記點(diǎn)再通過視覺測(cè)出這些標(biāo)記的實(shí)際位置。最后用相似變換或仿射變換模型算出三個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。還有個(gè)細(xì)節(jié)振鏡的XY2-100指令坐標(biāo)與實(shí)際掃描點(diǎn)之間可能有非線性畸變尤其是視野邊緣。所以標(biāo)定時(shí)需要在視野范圍內(nèi)取多個(gè)點(diǎn)做網(wǎng)格校正比如雙線性差值或多項(xiàng)式擬合。我們不追求理論上的完美坐標(biāo)換算只要實(shí)際切割位置和視覺測(cè)量位置對(duì)齊即可。視覺糾偏的邏輯在軟件里是這樣實(shí)現(xiàn)的極片每運(yùn)動(dòng)一個(gè)切割節(jié)拍相機(jī)拍一次邊緣圖像。圖像處理庫(kù)找到邊緣線計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)位置的偏差量ΔX和ΔY。然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣把小偏差量映射到振鏡坐標(biāo)系的補(bǔ)償值?？刂破髟谙乱淮纬龉馇鞍蜒a(bǔ)償值加到切割圖形坐標(biāo)上。整個(gè)過程最好控制在幾十毫秒內(nèi)完成否則高速料帶下一片和下一片之間的補(bǔ)償值會(huì)來(lái)不及更新。3.4 張力與除塵的聯(lián)動(dòng)控制張力控制看起來(lái)不起眼但直接影響切割質(zhì)量。極片張力波動(dòng)大切割區(qū)域會(huì)出現(xiàn)褶皺激光焦點(diǎn)位置就會(huì)變化切出來(lái)的邊緣質(zhì)量就不穩(wěn)定。我們用的是放卷軸收卷軸的轉(zhuǎn)矩控制模式通過張力傳感器做閉環(huán)?？刂破鞯膹埩Νh(huán)調(diào)節(jié)周期大概是1ms保證在加減速過程中張力波動(dòng)控制在設(shè)定值的±5%以內(nèi)。切割過程中還有一個(gè)特殊的動(dòng)作激光切割到極片邊緣時(shí)會(huì)把極片切斷形成一個(gè)獨(dú)立的極耳片。這個(gè)切斷瞬間料帶的受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生突變——從連續(xù)帶變成分離片張力會(huì)明顯波動(dòng)。如果不做處理后面的極片位置會(huì)偏移甚至把切下來(lái)的小片拉飛。我們的做法是在控制器里做“張力前饋補(bǔ)償”在切割動(dòng)作觸發(fā)的同一時(shí)刻對(duì)放卷軸的輸出轉(zhuǎn)矩做一個(gè)短暫的調(diào)整抵消切斷帶來(lái)的突變。這個(gè)聯(lián)動(dòng)信號(hào)和激光出光是同一個(gè)硬件觸發(fā)源所以時(shí)序上可以做到嚴(yán)格同步。除塵系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)邏輯簡(jiǎn)單一些但容易忘的是除塵風(fēng)機(jī)不能總開著否則耗電大且可能把極片吸起來(lái)。我們?cè)O(shè)計(jì)了“跟蹤除塵”功能除塵風(fēng)機(jī)的啟停和激光出光信號(hào)聯(lián)動(dòng)激光開始出光前50ms風(fēng)機(jī)就啟動(dòng)到設(shè)定轉(zhuǎn)速激光停止出光后200ms風(fēng)機(jī)再降為待機(jī)狀態(tài)。這樣既能有效抽走煙塵又不至于長(zhǎng)時(shí)間全速運(yùn)行。4. 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試實(shí)錄從空跑聯(lián)動(dòng)到穩(wěn)定量產(chǎn)軟件和硬件都在實(shí)驗(yàn)室調(diào)通了但真正的問題都是在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備聯(lián)調(diào)時(shí)暴露出來(lái)的。這里我把我們調(diào)試過程中最重要的幾個(gè)環(huán)節(jié)和問題整理出來(lái)給準(zhǔn)備上機(jī)的朋友做個(gè)參考。4.1 參數(shù)調(diào)試順序與注意事項(xiàng)我的經(jīng)驗(yàn)是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試一定要按順序來(lái)不要一上來(lái)就調(diào)激光。先把運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)跑穩(wěn)再掛視覺最后才開激光否則出了問題根本不知道是誰(shuí)的鍋。第一步機(jī)械回零和硬限位檢查。把每個(gè)軸的軟硬限位都確認(rèn)一遍龍門雙驅(qū)的同步誤差報(bào)警閾值調(diào)好。這個(gè)步驟雖然基礎(chǔ)但能避免后面跑飛軸撞壞設(shè)備。第二步平臺(tái)階躍響應(yīng)和跟蹤性能測(cè)試。用控制器的自動(dòng)整定功能先調(diào)電流環(huán)再調(diào)速度環(huán)最后調(diào)位置環(huán)。龍門雙驅(qū)要重點(diǎn)測(cè)兩個(gè)X軸在加減速時(shí)的同步誤差實(shí)測(cè)下來(lái)如果誤差超過10μm就要檢查機(jī)械裝配是否水平而不是急著加大伺服增益。我們遇到過幾次怎么調(diào)參數(shù)同步誤差都?jí)翰幌氯プ詈蟀l(fā)現(xiàn)是龍門導(dǎo)軌的平行度超差了。第三步料帶模擬運(yùn)行。不用真的放極片用一個(gè)編碼器模擬主軸讓平臺(tái)和振鏡空跑。在運(yùn)動(dòng)控制器的分析軟件里查看平臺(tái)實(shí)際位置和目標(biāo)位置的跟隨誤差一般要求穩(wěn)態(tài)跟隨誤差在50μm以內(nèi)動(dòng)態(tài)加減速時(shí)不超過200μm。如果超出檢查速度環(huán)增益和加速度前饋設(shè)置。第四步視覺系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。讓平臺(tái)走幾個(gè)已知位置拍照驗(yàn)證視覺檢測(cè)的穩(wěn)定性和重復(fù)性。尤其要看邊緣檢測(cè)會(huì)不會(huì)在涂布交界處誤判這必須用真實(shí)極片測(cè)試。第五步才輪到了激光切割。切割前用試切紙或報(bào)廢極片先調(diào)激光功率、頻率、切割速度觀察切縫寬度和邊緣質(zhì)量。然后再逐步提升到正常料帶速度。4.2 切割精度異常的問題定位我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)遇到過一個(gè)很典型的問題靜態(tài)切割精度很好但飛行切割時(shí)圖形變形切出來(lái)的極耳位置每隔一片就出現(xiàn)一次周期性偏移偏移量還不一樣。一開始以為是視覺補(bǔ)償沒生效后來(lái)檢查圖像日志發(fā)現(xiàn)視覺給的補(bǔ)償值是正常的、平滑的。那問題就出在運(yùn)動(dòng)同步上。我們用控制器的示波器功能把主軸編碼器位置和平臺(tái)跟隨位置拉出來(lái)看發(fā)現(xiàn)平臺(tái)跟隨誤差按一定頻率波動(dòng)。再仔細(xì)查發(fā)現(xiàn)是放卷驅(qū)動(dòng)在換向時(shí)有一個(gè)小的速度波動(dòng)平臺(tái)雖然理論上跟隨主軸但因?yàn)槠脚_(tái)的加速度前饋沒調(diào)好跟蹤速度跟不上導(dǎo)致跟隨時(shí)差變化。解決辦法有兩個(gè)一是增大平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器的加速度前饋增益讓平臺(tái)更快響應(yīng)主軸速度變化二是在軟件里加了一個(gè)“主軸速度平滑濾波”把放卷驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的高頻速度波動(dòng)過濾掉。兩者結(jié)合后周期性的位置偏差基本消失了。這里給個(gè)建議現(xiàn)場(chǎng)排查切割精度問題不要只盯著激光和振鏡先用示波器看運(yùn)動(dòng)跟隨誤差曲線再用視覺看補(bǔ)償值最后才懷疑激光器本身。很多人一上來(lái)就調(diào)激光參數(shù)越調(diào)越亂實(shí)際上問題根本不在激光。4.3 毛刺與熱影響區(qū)過大的工藝調(diào)整切割毛刺是鋰電激光模切最容易遇到的工藝問題。毛刺會(huì)影響極片疊片的貼合度嚴(yán)重時(shí)甚至刺穿隔膜直接導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)。我們調(diào)試過程中毛刺問題經(jīng)過了好幾輪調(diào)整才解決。毛刺產(chǎn)生的原因一般是激光能量參數(shù)不當(dāng)。能量太小箔材切斷不完全邊緣有殘留能量太大熔融物飛濺再凝固形成更大的毛刺和熔珠。理想的切割參數(shù)是激光正好把箔材切斷同時(shí)熔融物被底部支撐氣體和除塵吸嘴及時(shí)帶走。我們做了參數(shù)掃描實(shí)驗(yàn)固定切割速度按照不同的激光功率和脈沖頻率組合切了上百條試片。最后確定了最佳參數(shù)窗口激光功率在滿功率的70%到80%脈沖頻率在50kHz到80kHz之間切割速度穩(wěn)定在設(shè)定值。同時(shí)增加了同軸輔助氣體壓縮空氣或氮?dú)鈿鈮嚎刂圃?.4MPa左右?guī)椭底呷墼?。熱影響區(qū)過大的問題則和激光脈沖寬度、焦點(diǎn)位置關(guān)系更大。脈沖寬度越短熱輸入越集中熱擴(kuò)散越小。我們調(diào)短了脈沖寬度后熱影響區(qū)明顯收窄。焦點(diǎn)位置也要注意如果焦點(diǎn)落在箔材內(nèi)部切割效率高但熱影響區(qū)大如果焦點(diǎn)稍微靠上功率密度降低但熱影響區(qū)減小。這個(gè)需要在顯微鏡下反復(fù)驗(yàn)證找到最優(yōu)的離焦量。5. 常見故障排查速查表與其他經(jīng)驗(yàn)設(shè)備穩(wěn)定的標(biāo)志是連續(xù)生產(chǎn)幾小時(shí)不出故障。但現(xiàn)場(chǎng)總會(huì)有各種奇怪的問題。這里我把常見故障和排查方向整理成一個(gè)速查表方便大家以后直接對(duì)照。5.1 高頻故障現(xiàn)象與解決方向故障現(xiàn)象可能原因排查方向飛行切割圖形變形平臺(tái)跟隨誤差過大檢查主軸速度濾波和加速度前饋看示波器跟隨曲線視覺誤檢極片邊緣光源角度不合適涂布交界干擾調(diào)整光源角度算法增加邊緣位置范圍約束切割接縫處出現(xiàn)小凸點(diǎn)平臺(tái)段與振鏡段銜接時(shí)速度波動(dòng)加大前瞻平滑調(diào)整軌跡分段重疊量極片被切斷后張力突變切斷瞬間未做張力前饋補(bǔ)償檢查激光出光信號(hào)與放卷轉(zhuǎn)矩聯(lián)動(dòng)時(shí)序除塵風(fēng)機(jī)啟動(dòng)滯后煙塵彌漫風(fēng)機(jī)與激光出光聯(lián)鎖延遲太大將風(fēng)機(jī)啟動(dòng)提前量調(diào)至激光出光前50ms連續(xù)切割時(shí)位置逐漸偏移熱變形或機(jī)械松動(dòng)檢查光柵尺安裝座熱膨脹補(bǔ)償緊固機(jī)械連接激光出光有時(shí)不觸發(fā)信號(hào)延遲或振鏡到位信號(hào)不穩(wěn)用示波器確認(rèn)TTL信號(hào)時(shí)序檢查振鏡控制器配置上位機(jī)偶爾斷聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信被干擾或看門狗觸發(fā)調(diào)整通信協(xié)議超時(shí)重連機(jī)制增加心跳包表格里列的每一條我們都在現(xiàn)場(chǎng)踩過。其中“切割接縫處出現(xiàn)小凸點(diǎn)”這個(gè)問題最隱蔽開始以為是振鏡精度不行后來(lái)發(fā)現(xiàn)是平臺(tái)段與振鏡段的速度銜接突然變化導(dǎo)致激光在同一位置停留時(shí)間變長(zhǎng)局部熱輸入過大。解決方法是把兩段軌跡的重疊范圍加大了0.3mm同時(shí)讓速度曲線平滑過渡。5.2 安全設(shè)計(jì)遺漏點(diǎn)與改進(jìn)安全設(shè)計(jì)在激光設(shè)備里優(yōu)先級(jí)最高但往往是最后才被重視的。激光模切機(jī)主要有三類安全風(fēng)險(xiǎn)激光輻射、機(jī)械運(yùn)動(dòng)傷害、以及激光切割產(chǎn)生的煙塵對(duì)人員的傷害。激光防護(hù)方面切割區(qū)域必須封閉并設(shè)置安全聯(lián)鎖。我們用的是光幕安全防護(hù)配合安全繼電器一旦防護(hù)門被打開立即觸發(fā)激光禁光和運(yùn)動(dòng)軸急停。這里要注意安全繼電器必須是通過認(rèn)證的安全模塊不能用普通繼電器搭。激光器的鑰匙開關(guān)和出光指示也要接進(jìn)安全回路防止維護(hù)人員在切割區(qū)停留時(shí)誤觸發(fā)。機(jī)械安全方面除了常規(guī)的急停按鈕要特別注意龍門雙驅(qū)的防碰撞邏輯。如果兩軸同步誤差過大不僅影響精度還可能造成機(jī)械損傷。我們的控制器里專門寫了同步誤差超差保護(hù)函數(shù)一旦超過閾值立即停止所有軸并報(bào)警。同時(shí)所有軸的側(cè)方都安裝了硬限位擋塊作為最后一道防線。煙塵安全方面激光切割產(chǎn)生的煙氣中含有微細(xì)顆粒物長(zhǎng)期吸入對(duì)健康有害。設(shè)備必須配套高效過濾的除塵系統(tǒng)并且排氣管路要密封良好。我們?cè)谡{(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)除塵風(fēng)量過大容易在極片下方形成負(fù)壓把極片吸起導(dǎo)致抖動(dòng)風(fēng)量過小又抽不走煙塵。所以像前面說的除塵風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不是固定的最好通過聯(lián)動(dòng)控制動(dòng)態(tài)調(diào)整。5.3 現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)保養(yǎng)與后續(xù)擴(kuò)展經(jīng)驗(yàn)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行之后維護(hù)保養(yǎng)也不能忽視。光柵尺和直線電機(jī)的散熱風(fēng)扇需要定期檢查激光器的鏡片需要按運(yùn)行小時(shí)數(shù)定期清潔更換。振鏡的鏡片如果被煙塵污染切割質(zhì)量會(huì)逐漸劣化而且很難直接從切割斷面看出來(lái)直到精度超差才被發(fā)現(xiàn)。我們后來(lái)在軟件里加了切割質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)功能通過視覺檢測(cè)每個(gè)切割極耳的輪廓尺寸發(fā)現(xiàn)連續(xù)幾個(gè)超出公差范圍就自動(dòng)報(bào)警并提示維護(hù)人員清潔鏡片。從項(xiàng)目擴(kuò)展的角度來(lái)說這套控制系統(tǒng)其實(shí)是模塊化的。后續(xù)如果要做“激光模切分條一體機(jī)”或者“激光模切卷繞一體機(jī)”只需要在現(xiàn)有架構(gòu)上增加軸數(shù)和對(duì)應(yīng)的工藝模塊不需要推翻重新設(shè)計(jì)。我們?cè)谧鱿乱豢钤O(shè)備時(shí)直接把原來(lái)的軟件框架復(fù)用過去只改了配方配置和部分工藝參數(shù)開發(fā)周期縮短了將近一半。我個(gè)人在實(shí)際操作中的體會(huì)是激光模切機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗不在于用了多貴的控制器或激光器而在于把“同步”這兩個(gè)字理解透。平臺(tái)和料帶同步、振鏡和平臺(tái)同步、激光出光和運(yùn)動(dòng)同步、除塵和出光同步、視覺補(bǔ)償和切割節(jié)拍同步每個(gè)“同步”背后都有對(duì)應(yīng)的硬件機(jī)制和軟件邏輯。調(diào)試的時(shí)候如果覺得問題莫名其妙不妨先把同步關(guān)系一條條畫出來(lái)再對(duì)照排查往往比悶頭調(diào)參數(shù)快得多。最后再分享一個(gè)小技巧所有聯(lián)動(dòng)信號(hào)在設(shè)計(jì)時(shí)都盡量采用硬件觸發(fā)源而不是軟件延時(shí)觸發(fā)這能讓整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序穩(wěn)定到一個(gè)完全不同的水平。