超高速實時運動控制卡 XPCIE1032H 在 AOI 檢測設備上的應用

文:/深圳市正運動技術有限公司2025年第五期

1 市場應用背景
在產業鏈自主可控戰略的推動下,半導體、3C電子(PCB板/顯示屏)、新能源(電池極片)等行業對 “高精度、高產能、高穩定”質檢設備的需求激增。AOI(自動光學檢測)設備作為產業鏈關鍵質檢環節,承擔著產品缺陷識別(劃痕、尺寸偏差、異物殘留)的核心功能,其性能直接決定下游產品良率與產能。

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AOI檢測設備的核心工作流程為:工件上料→視覺定位→平臺/鏡頭運動掃描 → 圖像采集 →缺陷判斷 →工件下料,其中“平臺/鏡頭運動控制”與“視覺-運動協同”是決定設備精度與效率的關鍵。運動控制卡作為AOI設備的“大腦”,需同步實現多軸協同、高速飛拍觸發、實時數據交互三大核心任務。

2 XPCIE1032H在AOI檢測設備的應用對比傳統方案
AOI檢測設備需同時控制多組鏡頭、檢測平臺、上下料機構,且對視覺定位與運動觸發的同步性要求嚴苛,傳統控制系統存在明顯短板,XPCIE1032H方案通過技術創新實現全面突破。
(1)傳統控制系統方案
①PLC+觸摸屏+工控機+視覺方案
該方案以PLC為運動控制核心,工控機運行視覺算法,需通過觸摸屏與工控機雙屏分別調試運動與視覺參數,切換繁瑣;PLC受掃描周期限制(響應延遲>100ms),與工控機網口通訊速率慢(數據交互周期>500μs),導致AOI設備UPH(每小時檢測量)僅100-150片,且檢測漏判率超3%。

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②傳統PCI脈沖運動控制卡+工控機+視覺方案
這種方案雖解決了雙屏調試問題(運動與視覺在工控機單屏調試),但依賴PCI總線與視覺系統交互,數據延遲達50-80μs;多鏡頭協同掃描時同步誤差>0.1mm,無法適配300mm晶圓、2m電池極片等大尺寸工件檢測,且接線復雜(每軸需脈沖/方向線),維護成本高。

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(2)正運動技術解決方案
為突破傳統方案瓶頸,正運動技術采用 “工控機+ XPCIE1032H超高速實時運動控制卡 + 機器視覺”的核心架構,通過MotionRT750實時內核與CPU內存直連交互技術,實現了AOI設備的性能躍升。
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優勢一:MotionRT750實時內核,獨占x86 CPU內核
XPCIE1032H搭載Windows運動控制實時內核 MotionRT 750,采用“Windows非實時層+MotionRT750實時層”雙架構:
· 實時層獨占x86 CPU 1個物理內核,隔絕Windows系統波動(如進程占用、內存調度)影響,運動控制周期穩定無抖動;
· 非實時層可運行VS、Qt、LabVIEW等開發視覺軟件,運動控制跑在MotionRT750實時層,調試無需切換設備,開發效率提升40%。

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優勢二:高交互,指令交互周期快至μs級
XPCIE1032H直接調用工控機CPU與內存計算,無需依賴PCI/網口等外部總線,與視覺系統的指令交互速率較傳統方案呈量級提升,實測數據如下:

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該優勢使AOI設備可實現“視覺定位 →運動調整”閉環響應快至us級,缺陷復檢效率提升30%。

優勢三:強實時,控制周期快至50μs
XPCIE1032H支持EtherCAT總線與脈沖混合控制,核心實時性能參數如下:
· 32軸EtherCAT同步周期快至125μs,控制周期最快達50μs,運動控制更快更穩;
· 多鏡頭/多平臺同步誤差<0.01mm,適配300mm晶圓環形掃描、2m極片連續檢測;
· EtherCAT方案僅需一根總線電纜連接所有驅動器,接線量減少80%,維護成本降低50%。

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優勢四:更穩定、更安全、更可靠
AOI設備需7*24h不間斷運行,XPCIE1032H通過雙重保障提升系統穩定性:
· EtherCAT總線冗余:支持主備雙總線設計,斷線時自動切換,停機風險降低 90%;

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· 無懼PC藍屏:Windows系統藍屏時,MotionRT750實時層獨立運行,急停按鈕、運動鎖存、IO信號正常響應,避免工件損壞與生產中斷,藍屏恢復后無需重新調試,恢復時間從30min縮短至5min。

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優勢五:視覺飛拍,提升檢測效率
(1)單相機視覺飛拍
使用飛拍技術,當機械臂運動到拍照點區域,由XPCIE1032H運動控制卡高速輸出口觸發相機,進行動態無停頓拍照,微秒級的觸發時間,數毫秒間輸出視覺運算結果,再利用相機回傳的位置數據,對角度和位置進行修正補償,實現位置的糾偏,既保證效率,又確保了精度。

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(2)多相機獨立視覺飛拍
針對多工位(或者雙XYZ)的視覺AOI檢測,多個工位是相互獨立控制的,需要多個高速輸出口在一個比較周期內,實現多個點或者多個位置的飛拍功能。XPCIE1032H支持16路獨立硬件位置比較輸出,可多路同時飛拍,提升效率,并且不丟圖。

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3 XPCIE1032H運動控制卡產品介紹
(1)XPCIE1032H 產品硬件性能特點

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· 多軸控制能力:支持6-64軸EtherCAT總線+脈沖混合控制,其中4路單端500KHz脈沖輸出,兼容伺服/步進驅動器;
· 高速同步性能:32軸EtherCAT同步周期125μs,控制周期最快50μs,支持多卡聯動擴展;
·  IO與飛拍功能:板載16路通用輸入(8路高速輸入)、16路通用輸出(16 路高速輸出),支持16路獨立硬件 PSO(位置比較輸出),飛拍觸發延遲<50ns;
· 運動控制功能:支持直線插補、圓弧插補、SS曲線加減速、連續軌跡前瞻;集成電子凸輪、電子齒輪、位置鎖存、螺距補償,適配 AOI 復雜掃描軌跡;
· 兼容性:支持Windows/Linux系統,兼容Halcon、 VisionPro等主流視覺軟件,統一API接口適配正運動全系列產品。
4 XPCIE1032H運動控制卡在AOI檢測設備上的應用方案
(1)AOI檢測設備核心機構與控制流程
AOI檢測設備主要由上料機構、軌道調寬機構、檢測平臺(X/Y軸)、鏡頭組(Z/R軸)、視覺系統、缺陷標記機構、下料機構組成,控制流程如下:

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① 上料機構調整初始位置,將工件(如 PCB 板、晶圓)傳送至檢測平臺;
② 視覺系統對工件基準點定位,輸出坐標偏差至 XPCIE1032H;
③ 控制卡驅動 X/Y 平臺調整工件位置,驅動 Z/R 軸調節鏡頭焦距與角度;
④ 通過 PSO 功能觸發相機在預設位置飛行拍照,采集工件圖像;
⑤ 視覺系統識別缺陷后,控制卡控制標記機構打點,并觸發下料機構轉移工件;
⑥ 循環執行上述步驟,實現連續檢測。

(2)XPCIE1032H 方案配置
?EtherCAT 總線應用:通過 EtherCAT 接口連接 12 軸伺服驅動器,分別控制:X/Y 檢測平臺(2 軸)、3 組鏡頭 Z/R 軸(6 軸)、上料 / 下料機構(2 軸)、缺陷標記機構(2 軸);同時連接 ZMIO310-ECAT IO 擴展模塊,擴展檢測工位傳感器信號;
?IO 信號配置:板載 16 路 DI 連接“工件到位傳感器(2 路)、急停按鈕(1 路)、平臺限位(4 路)、相機就緒信號(2 路)”;16 路 DO 連接“相機觸發(6 路)、光源控制(3 路)、標記電磁閥(2 路)、上 / 下料氣缸(3 路)”;
?PSO 飛拍應用:基于工件運動速度(如 3m/s),預設 8 個 PSO 觸發點,控制 6 臺相機同步采集工件不同區域圖像,避免重復掃描。

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(3)硬件選型配置

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5 XPCIE1032H運動控制卡在AOI檢測設備上的應用優勢

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(1)統一 API,開發靈活高效
支持C++/C#/Python/Qt/ROS等多種上位機開發語言,正運動全系列產品共用一套API函數,無需重復適配不同控制卡,AOI設備開發周期縮短40%。
(2)突破實時瓶頸,檢測精度躍升
徹底解決傳統方案“運動 - 視覺”交互延遲問題,多軸同步誤差<0.01mm, PSO飛拍觸發精度±0.001mm, PCB板檢測漏判率從3%降至0.1%,晶圓尺寸檢測精度達±0.002mm。
(3)極速響應,產能顯著提升
基于μs級指令交互與50μs控制周期,AOI設備UPH從傳統方案的100-150片提升至250-350片,單條產線日均檢測量增加3000+片,整體生產效率提升10+%。
(4)多通道飛拍,縮短檢測周期
16路獨立硬件PSO支持多工位相機同步觸發,如PCB板檢測時6臺相機同時采集“板邊 - 焊盤 - 芯片” 區域,單次檢測時間從4.1s縮短至3s,CT(周期時間)降低26.8%。
(5)柔性運動控制,保護工件安全
集成SS曲線加減速與拱形運行功能,檢測平臺啟動/停止時更穩更絲滑,避免工件因沖擊偏移;支持在線變速,識別缺陷區域時自動降低運動速度,提升缺陷捕捉率。
6 應用效果驗證
某3C電子企業采用XPCIE1032H方案改造PCB板AOI檢測設備后,核心指標提升如下:
· 檢測精度:從 ±0.01mm 提升至 ±0.002mm;
· 設備 UPH:從230片/小時提升至280片 / 小時;
· 圖像模糊率:從7%降至0.3%;
· 系統停機率:從5次/月降至0.2次/月;
· 人工干預:從15次/天降至1次/天,年節省人工成本約60萬元。







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