板材分割機(jī)是工業(yè)制造中常見的裝備。機(jī)器的內(nèi)部空間狹小，如何將多達(dá)32個(gè)步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)器安裝在其中顯得非常困難。本文將通過基于EtherCAT總線的插板式步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)器剖析其破解之法！

?傳統(tǒng)銑刀式板材分割機(jī)的原理

銑刀式板材分割機(jī)通過高速旋轉(zhuǎn)的精密銑刀實(shí)現(xiàn)板材的分割分離，其核心性能參數(shù)要求極為嚴(yán)苛：設(shè)備需實(shí)現(xiàn)±0.05mm的切割精度和±0.02mm的重復(fù)定位精度；X/Y軸運(yùn)動(dòng)速度需達(dá)到1500mm/s，Z軸達(dá)700mm/s；可加工板材厚度范圍為0.5-4mm，且能處理板上高達(dá)45mm的電子元器件。板材分割機(jī)通常采用四軸伺服絲桿運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以滿足高精度切割要求，配合視覺定位，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)精度的運(yùn)動(dòng)控制。在加工精度誤差方面，以切割直徑50mm的圓形路徑為例，若X/Y軸存在10μs級(jí)的時(shí)間偏差，將在切割接合處產(chǎn)生約0.1mm的錯(cuò)位，遠(yuǎn)超過±0.05mm的精度容限。傳統(tǒng)板材分割機(jī)的電氣系統(tǒng)通常由多臺(tái)伺服電機(jī)、除塵系統(tǒng)、安全系統(tǒng)組成。這些子系統(tǒng)通常采用獨(dú)立布線方式，導(dǎo)致控制柜內(nèi)線纜繁雜，不僅增加安裝復(fù)雜度，更成為系統(tǒng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)。

圖1 電氣系統(tǒng)布線圖
?ZMTC-EF1200的特點(diǎn)

圖2 ZMTC-EF1200

• 支持含正交編碼器的 24~48VDC/5A 的兩 相步進(jìn)電機(jī)；
• EtherCAT 總線，CiA402 運(yùn)動(dòng)控制協(xié)議；
• 支持周期同步位置控制模式、輪廓位置模 式、輪廓速度模式、歸零模式；
• 3個(gè)數(shù)字輸入；
• 1組ABZ 正交編碼輸入；
• 開環(huán)或編碼器閉環(huán)控制可選；
• 體積小巧，僅24mm×66.8mm×58mm。

?ZMTC-EF1200在分板機(jī)中的改進(jìn)

1. 組網(wǎng)方便，體積小巧

ZMTC-EF1200插板式步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)器完美契合板材分割機(jī)的空間約束與性能需求。該模塊采用設(shè)計(jì)緊湊（24mm×66.8mm×58mm），可直接插入專用的信號(hào)分配板，將傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的接線層重新定位到PCB背板上。這種模塊化架構(gòu)使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積減少70%以上，控制柜空間利用率提升50%，為板材分割機(jī)內(nèi)大功率除塵系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)留出充足空間。表1

ZMTC-EF1200將完整伺服控制功能集成于插板式模塊中。其內(nèi)置算法通過256倍微步細(xì)分實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)進(jìn)給量，結(jié)合高分辨率編碼器反饋，形成真正的閉環(huán)控制系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)步進(jìn)系統(tǒng)，ZMTC-EF1200消除了低速振動(dòng)和高速失步問題。

• 即插即用架構(gòu)：該驅(qū)動(dòng)器的即插即用架構(gòu)極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)安裝與維護(hù)流程。多個(gè)ZMTC-EF1200模塊可并行插入同一信號(hào)分配板，共享電源和EtherCAT總線。相比傳統(tǒng)布線方式，模塊化安裝節(jié)省80%接線工時(shí)。模塊更換時(shí)僅需簡(jiǎn)單拔出故障模塊并插入新模塊，系統(tǒng)即自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。
• 多功能接口集成：ZMTC-EF1200模塊提供兩個(gè)可數(shù)字輸入（限位開關(guān)）、一個(gè)可配置輸入和一個(gè)編碼器接口，可配置輸入可靈活切換為0.5A制動(dòng)器輸出。板材分割機(jī)的X/Y軸限位信號(hào)直接接入驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)的位置保護(hù)；而Z軸驅(qū)動(dòng)器則利用制動(dòng)器輸出功能，在緊急停止時(shí)瞬間抱閘防止主軸下滑。這種一體化設(shè)計(jì)將安全回路響應(yīng)時(shí)間縮短至10ms內(nèi)。

圖3

2. 精準(zhǔn)同步，超低誤差

ZMTC-EF1200支持分布式時(shí)鐘技術(shù)，為板材分割機(jī)的多軸協(xié)同控制提供了納秒級(jí)同步精度，保證復(fù)雜路徑下的高精度切割。在傳統(tǒng)脈沖控制方案中，主站發(fā)出的脈沖信號(hào)經(jīng)過電纜傳輸會(huì)產(chǎn)生時(shí)間偏移（典型值1μs/m），當(dāng)控制四臺(tái)伺服時(shí)，軸間同步誤差可達(dá)數(shù)十微秒。而采用EtherCAT的DC同步模式，所有從站設(shè)備基于同一系統(tǒng)時(shí)間，通過精密的時(shí)間補(bǔ)償算法，將軸間同步誤差控制在100ns以內(nèi)。表2DC同步模式在板材分割機(jī)四軸聯(lián)動(dòng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。當(dāng)切割弧形路徑時(shí)，主站將運(yùn)動(dòng)軌跡分解為微小線段（典型長(zhǎng)度0.1mm），每個(gè)控制周期（通常1ms）向各軸發(fā)送目標(biāo)位置指令。ZMTC-EF1200驅(qū)動(dòng)器在預(yù)定義的SYNC0時(shí)刻同時(shí)執(zhí)行新位置指令，確保多軸運(yùn)動(dòng)的嚴(yán)格同步。若未采用DC同步，機(jī)械末端在1500mm/s高速運(yùn)行下，100μs的時(shí)間偏差將導(dǎo)致0.15mm的位置誤差，遠(yuǎn)超±0.05mm的精度要求。

3. 通用標(biāo)準(zhǔn)，使用靈活

ZMTC-EF1200內(nèi)置CIA402協(xié)議，該協(xié)議定義了標(biāo)準(zhǔn)化的狀態(tài)機(jī)和控制字結(jié)構(gòu)，使板材分割機(jī)控制系統(tǒng)可無縫集成不同廠商的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。在操作層面，用戶無需針對(duì)不同軸編寫專用代碼。這種標(biāo)準(zhǔn)化帶來的直接效益使設(shè)備開發(fā)周期縮短50%。