在新一代顯示技術(shù)的研發(fā)競賽中，創(chuàng)造和驗(yàn)證新材料是企業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。來自加拿大的 OTI Lumionics 公司正運(yùn)用倍福的自動(dòng)化技術(shù)全力加速這一原本耗時(shí)冗長的研發(fā)進(jìn)程。通過提高試產(chǎn)效率，該公司現(xiàn)在能夠更快地完成其高端 OLED 材料的驗(yàn)證過程。
“我們采用在試生產(chǎn)階段綜合運(yùn)用量子模擬、機(jī)器學(xué)習(xí)以及實(shí)際測試等手段來完成材料設(shè)計(jì)的方式，以開發(fā)出具有革命性意義的材料。”總部位于安大略省密西沙加的 OTI Lumionics 公司 CEO 兼總裁 Michael Helander 表示。這些材料將在消費(fèi)電子領(lǐng)域掀起一場突破性創(chuàng)新的浪潮，應(yīng)用范圍涵蓋打造屏下攝像頭的智能手機(jī)，以及前沿的車載顯示技術(shù)。“我們與蘋果、三星、LG 等合作伙伴緊密合作，正為消費(fèi)電子和車載應(yīng)用領(lǐng)域的新一代 OLED 顯示屏研發(fā)關(guān)鍵材料。”Helander 補(bǔ)充道。
01
測試過程接受嚴(yán)格審查
為取得這樣的成功，OTI 公司開發(fā)了 EPOC-auto 這一創(chuàng)新的材料測試平臺(tái)，用于試生產(chǎn)。“在開發(fā) EPOC-auto 之前，我們一直困擾于不同操作人員得出的測試結(jié)果存在差異。”
要重復(fù)制作出相同的 OLED 結(jié)構(gòu)十分困難，因此也就難以對一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)必須在白天一次性完成構(gòu)建，這些系統(tǒng)大多時(shí)候都處于閑置狀態(tài)。這不僅造成工具運(yùn)營成本極高，OLED 樣品的良率卻很低。”
—— TI Lumionics 工程副總裁
Terry Xu
實(shí)現(xiàn)該流程的自動(dòng)化需要攻克一系列復(fù)雜技術(shù)難關(guān)。系統(tǒng)需自動(dòng)處理 20 種層型結(jié)構(gòu)完全不同的基板，同時(shí)確?；迮c掩模板對準(zhǔn)時(shí)的移動(dòng)精度達(dá)到 0.1 毫米。然而這種材料沉積控制精度即便在單次操作中也難以實(shí)現(xiàn)，更不用說要在連續(xù)測試周期中始終保持。此外，系統(tǒng)還需同步控制多個(gè)材料源，每個(gè)材料源都需配備獨(dú)立的精密控制器，以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的沉積速率的精準(zhǔn)調(diào)控。為確保結(jié)果的一致性，數(shù)百個(gè)傳感器和運(yùn)動(dòng)部件必須完美協(xié)同工作。
此外，系統(tǒng)還需應(yīng)對不斷變化的實(shí)驗(yàn)需求，這進(jìn)一步增加了其復(fù)雜性。“由于我們的業(yè)務(wù)具有實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，目標(biāo)可能每天都在變化。”高級(jí)機(jī)電工程師 Terry Yang 解釋道，“這意味著我們需要一個(gè)能夠快速調(diào)整和升級(jí)的系統(tǒng)。”
02
工業(yè)自動(dòng)化在科學(xué)環(huán)境中的應(yīng)用
為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，OTI 決定標(biāo)準(zhǔn)化部署倍福通用的基于 PC 的控制平臺(tái)。該解決方案的核心是 CX2033 嵌入式控制器，它負(fù)責(zé)管理整個(gè)自動(dòng)測試流程，同時(shí)為納米級(jí)材料沉積提供高精度、確定性的控制。實(shí)時(shí) EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)傳感器、執(zhí)行器和科學(xué)儀器的無縫集成，為該方案提供了有力補(bǔ)充。
EtherCAT 端子模塊種類繁多，能夠與第三方設(shè)備通信，有助于彌合科學(xué)儀器與自動(dòng)化之間的差距。鑒于半導(dǎo)體研發(fā)的特殊需求，這些接口所提供的集成靈活性顯得至關(guān)重要。
03
EtherCAT 助力集成科學(xué)儀器
OTI 采用 EL6021 串口端子模塊，通過高達(dá) 115.2 kbaud 的 RS422/RS485 通信，實(shí)現(xiàn)了與石英晶體微天平、真空控制器等專業(yè)設(shè)備的高速數(shù)據(jù)交換。EL3024 通道模擬量輸入端子模塊具備 12 位分辨率及電氣隔離功能，既能精準(zhǔn)同步地監(jiān)測多個(gè)沉積參數(shù)，又能為靈敏度較高的測量設(shè)備提供可靠保護(hù)。EL3318 8 通道熱電偶輸入端子模塊內(nèi)置線性化與冷端補(bǔ)償功能，支持對多個(gè)溫區(qū)進(jìn)行精確的溫度監(jiān)控。
這種組合構(gòu)建了一個(gè)性能穩(wěn)健的測量與控制基礎(chǔ)設(shè)施，能夠滿足 OLED 材料開發(fā)所需的納米級(jí)精度要求。端子模塊的緊湊設(shè)計(jì)以及在整個(gè)系統(tǒng)中直接部署 EtherCAT 架構(gòu)，不僅簡化了控制柜的設(shè)計(jì)，還能隨著測試需求的演變，靈活地為新增測量點(diǎn)添加接口。
緊湊型伺服電機(jī)采用單電纜技術(shù)，使布線更加整潔。同時(shí)，串口通信庫支持輕松集成第三方組件。
—— 高級(jí)機(jī)電工程師
Terry Yang
在項(xiàng)目實(shí)施過程中，OTI 與倍福加拿大系統(tǒng)應(yīng)用工程師兼驅(qū)動(dòng)技術(shù)產(chǎn)品專家、專業(yè)工程師 Rui Zhang 緊密合作，尤其是在 AM8122 伺服電機(jī)的集成和軟件配置方面得到了他的鼎立相助。該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)還集成了五臺(tái) AX5201 伺服驅(qū)動(dòng)器，它們與電機(jī)共同構(gòu)成機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的關(guān)鍵接口。憑借快至 62.5 微秒的電流控制周期，它們能夠?yàn)楦邉?dòng)態(tài)定位任務(wù)提供所需的性能。
OTI 充分利用了 AX5000 系列靈活的反饋接口優(yōu)勢，該接口支持連接包括旋轉(zhuǎn)變壓器與高分辨率編碼器在內(nèi)的多種反饋系統(tǒng)。這種靈活性，加上驅(qū)動(dòng)器可調(diào)節(jié)的電流及速度濾波器參數(shù)設(shè)置能力，使得工程團(tuán)隊(duì)能夠針對納米級(jí)精度要求對運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行精細(xì)調(diào)教。
“OTI 深厚的技術(shù)底蘊(yùn)以及在面向?qū)ο缶幊谭矫娴呢S富經(jīng)驗(yàn)，讓整個(gè)集成過程異常順利。”Rui Zhang 表示。系統(tǒng)采用了 TwinCAT 自動(dòng)化軟件，該軟件在一個(gè)軟件包里集成了帶 PLC、NC 和 CNC 功能的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。這款軟件的開發(fā)環(huán)境支持對所有連接的自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行配置、編程、調(diào)試和診斷。“我們只使用結(jié)構(gòu)化文本，因?yàn)樗c面向?qū)ο缶幊谭浅Ｏ嗨啤?rdquo;Terry Yang 指出，“這種簡潔的編程風(fēng)格讓我們的軟件易于閱讀和調(diào)試。”
安大略省密西沙加基工廠內(nèi)的 OTI Lumionics 團(tuán)隊(duì)與倍福成員：（左起）Rui Zhang（倍福）、Terry Xu、Michael Helander、Terry Yang（均來自 OTI）以及 Gleeson Kathir（倍福）
化繁為簡
“EPOC-auto 可全天候不間斷運(yùn)行，且?guī)缀鯚o需操作人員干預(yù)。”Terry Xu 介紹道。他解釋稱，該系統(tǒng)的吞吐量是半自動(dòng)化或人工系統(tǒng)的三倍有余。“截至目前，它已實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，未出現(xiàn)任何故障。此外，其測試重復(fù)性較我們之前的系統(tǒng)提升了一倍。”增強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集與分析能力在優(yōu)化測試流程方面展現(xiàn)出了尤為突出的價(jià)值。
“這一自動(dòng)化測試平臺(tái)從根本上改變了我們的創(chuàng)新模式。”Xu 表示，“當(dāng)您既能將測試吞吐量提高至原來的三倍，又能提升測試精度時(shí)，您解決的就不只是當(dāng)下的難題，您還在加速推動(dòng)顯示技術(shù)的未來發(fā)展。”
關(guān)于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于1980年，總部位于德國威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、I/O 和現(xiàn)場總線組件、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)化軟件、無控制柜解決方案以及工業(yè)圖像解決方案既可作為獨(dú)立的組件使用，也可將它們集成到一個(gè)完整的控制系統(tǒng)中，適用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。經(jīng)過40多年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立40家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及75個(gè)國家和地區(qū)。
倍福于1997年進(jìn)入中國市場，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工350人，辦事處遍及國內(nèi)30座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、光伏太陽能、風(fēng)力發(fā)電、鋰電池制造、電子制造、汽車制造、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、煙草機(jī)械、塑料加工、物流輸送、流程工業(yè)以及智能建筑等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于2014年成為中國國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于PC的控制技術(shù)具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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