精密激光加工技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用研究

激光制造技術(shù)是結(jié)合光學(xué)、機(jī)械、電子電機(jī)、計(jì)算機(jī)等科學(xué)與技術(shù)整合成的一項(xiàng)新技術(shù)，其已在現(xiàn)今社會(huì)中被廣泛的應(yīng)用。根據(jù)國際激光產(chǎn)業(yè)權(quán)威《LASER FOCUS WORLD》與《Industrial Laser Solution》于2013年初統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球激光產(chǎn)品銷售已經(jīng)回到2008年的水平并呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在全球激光材料加工領(lǐng)域中，近幾年以金屬加工的產(chǎn)值占多數(shù)，應(yīng)用端又以激光打標(biāo)與畫線等屬于表面處理的，占的最多為42%， 激光切割與焊接分占為第二與第三，合占整體材料加工應(yīng)用的34%，其應(yīng)用在汽車、航天航空、電子、機(jī)械、鋼鐵等金屬鈑金產(chǎn)業(yè)。而在GI （Global Information）于2012年底所發(fā)表的「Global and China Laser Equipment and Processing Industry Report， 2012-2014」報(bào)告書中指出，全球激光設(shè)備市場(chǎng)一般預(yù)計(jì)2011年將由2010年約74億美金以14%的速度成長(zhǎng)，2012則成長(zhǎng)約2%。

圖1 全球激光材料加工應(yīng)用分布， 2009

圖2 中國激光設(shè)備市場(chǎng)分布， 2011

以中國市場(chǎng)而言，激光設(shè)備的市場(chǎng)在2011年略微超過全球市場(chǎng)的成長(zhǎng)率。從宏觀經(jīng)濟(jì)的影響來看，雖然中國針對(duì)機(jī)械產(chǎn)業(yè)、重工業(yè)的激光加工市場(chǎng)縮小了，但小型、中型激光加工市場(chǎng)則在成長(zhǎng)。由于中國在全球制造業(yè)上扮演中心的角色，其對(duì)激光機(jī)械的需求也相當(dāng)巨大，尤其是汽車、半導(dǎo)體、電子產(chǎn)業(yè)具有很大的潛在性需求。中國的加工產(chǎn)業(yè)，精密金屬零件加工及激光開孔加工占了加工服務(wù)整體的60%。

就應(yīng)用層面而言，激光精密加工及切割已被應(yīng)用在如太陽能晶硅切割、手機(jī)面板切割、半導(dǎo)體晶圓切割，Laser CNC等精密加工上面。對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品來說，如何克服傳統(tǒng)切割上的精度與微米處理;如何可以很容易切割任何圖形，并達(dá)到其精度的平滑效果;如何對(duì)于極微小的圖形也能不受空間限制而完成;如何可以調(diào)整能量強(qiáng)度來-滿足不同材質(zhì)上切割，而呈現(xiàn)出有層次感的效果，這些都是高端運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品所面臨的新挑戰(zhàn)。

在本文中將討論如何克服精密激光加工時(shí)所遭遇的新挑戰(zhàn)，以及經(jīng)實(shí)例證明的解決方案。

挑戰(zhàn)一：激光切割精準(zhǔn)度不佳

激光功率的調(diào)整大多都以頻率 + 占空比方式控制，所以在位移上控制需要實(shí)時(shí)與精準(zhǔn)的變換，不同的速度要有不同的功率，但在圖形切割時(shí)都會(huì)產(chǎn)生不同的速度。在速度急劇下降，激光功率來不及變換時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致有過融現(xiàn)象發(fā)生，如圖一所示。

▲圖一 功率切換不佳，導(dǎo)致過融現(xiàn)象

又因?yàn)榧す饪刂拼蠖嘁訮WM的方式控制，PWM控制是以改變占空比的方式進(jìn)行，所以對(duì)于固定速度會(huì)有較好的表現(xiàn)，但是如果速度提高，激光的頻率會(huì)有來不及出光問題，則反應(yīng)于切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生燒融均勻度不佳的情況發(fā)生，如圖二所示。

▲圖二 切割均勻度不佳

挑戰(zhàn)二：運(yùn)動(dòng)軌跡在高精度下不易達(dá)到

切割系統(tǒng)在移動(dòng)中都需要講究路徑的準(zhǔn)確性，所以馬達(dá)的控制需要很好，這樣切割的圖形才不會(huì)變形，如圖三、圖四所示;因此控制如用開環(huán) （脈沖， 步進(jìn)）方式，會(huì)導(dǎo)致跟隨度無法實(shí)時(shí)補(bǔ)正;如要達(dá)到高精度的要求唯有使用閉環(huán) （速度， 扭矩）控制才可以達(dá)到要求。但是閉環(huán)控制需要經(jīng)過PID調(diào)整，才會(huì)有較佳的跟隨效果。然PID的調(diào)教往往需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，相當(dāng)費(fèi)時(shí)。

▲圖三 轉(zhuǎn)彎圖形因無跟隨補(bǔ)償導(dǎo)致圖形扭曲

▲圖四 左圖為控制過沖現(xiàn)象，右圖為精準(zhǔn)控制

挑戰(zhàn)三：激光功率不易調(diào)整

目前切割的對(duì)象大多為多層材質(zhì)（太陽能板、手機(jī)屏幕觸碰膜），需要使用不同的功率進(jìn)行切割;但因市場(chǎng)上的激光專用控制器的激光調(diào)整（VAO Table）都只有一組，在切割的功率上不易切換與調(diào)整，導(dǎo)致目前只能將切割路徑依材質(zhì)層重復(fù)切割，以達(dá)到所需的要求。然而如此將造成產(chǎn)能速度無法提升。

挑戰(zhàn)四：速度規(guī)劃曠日費(fèi)時(shí)

由于激光加工圖形復(fù)雜，簡(jiǎn)單的速度規(guī)劃已無法滿足加工切割結(jié)果，如手機(jī)觸控模切割，在大多狀況下是使用Spline曲線，或者是較長(zhǎng)的幾何線與弧線，如果無法精準(zhǔn)做速度控制會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)加減速震動(dòng)或圖形嚴(yán)重變形（如過切與抖動(dòng)），如圖五所示。因機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)人員大多僅提供圖形點(diǎn)表（position），并無速度規(guī)劃的數(shù)據(jù)，所以需要以人工操作方式規(guī)劃速度，一方面設(shè)計(jì)流程曠日費(fèi)時(shí)，且如遇規(guī)劃錯(cuò)誤時(shí)則需重新修正，也將造成產(chǎn)能無法提升。

▲圖五 速度規(guī)劃過高，導(dǎo)致激光軌跡抖動(dòng)

綜合以上激光加工所遇到的瓶頸，新一代的運(yùn)動(dòng)控制卡是如何應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)？

實(shí)時(shí)呈現(xiàn)PWM控制能力

傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制卡的PWM控制，均采用Duty單一控制方式，且通過軟件控制，會(huì)面臨無法實(shí)時(shí)且穩(wěn)定控制PWM的時(shí)序。為了應(yīng)對(duì)不同速度與不同圖形，新一代運(yùn)動(dòng)控制卡采用更多種控制方式，包含頻率調(diào)變（Frequency Modulation）、帶寬調(diào)變（duty Modulation）、混合調(diào)變（Blend Modulation），如圖六所示，此控制方式會(huì)由硬件控制來完成，此PWM能在各種切割速度下呈現(xiàn)出不同能量的表現(xiàn)，因此需建立一對(duì)應(yīng)的能量表，以防止發(fā)生『過融現(xiàn)象』，此能量控制就稱（VAO），如圖七所示。

▲ 圖六 Multi-PWM控制模式

▲圖七 VAO

Multi-VAO方便動(dòng)態(tài)切換

PWM采用Multi-VAO方式方便因切割材質(zhì)的不同，達(dá)到深淺切割效果，讓路徑切割可以一次完成，無須重復(fù)路徑再切割，如圖八所示;大幅縮短生產(chǎn)時(shí)間，也提供生產(chǎn)效能。

▲圖八 Multi-VAO

精確的運(yùn)動(dòng)軌跡跟隨與簡(jiǎn)易PID調(diào)教

為了達(dá)到更好更精確的切割圖形，新一代高端運(yùn)動(dòng)控制卡采用全閉回路（Full close loop）方式控制，并達(dá)到更小的Error count誤差，在整體上相比一般控制卡有較高性能，跟隨能力誤差都相當(dāng)小，如圖九所示。為了達(dá)到高精確的跟隨能力，需采用PID控制系統(tǒng)，但為了縮短PID調(diào)教時(shí)程，用戶可通過Easy tuning的程序輔助，在短時(shí)間內(nèi)調(diào)出最佳PID參數(shù)設(shè)定，如圖十所示，可大幅提升性能，并簡(jiǎn)化操作性！

▲圖九 最佳的跟隨能力，紫色為追隨誤差

▲圖十 Easy tuning tools

自動(dòng)速度規(guī)劃與圖形路徑規(guī)劃

通過Softmotion的算法，新一代運(yùn)動(dòng)控制卡可根據(jù)用戶所提供的圖形數(shù)據(jù)，自動(dòng)規(guī)劃出優(yōu)化圖形路徑規(guī)劃，以縮短不必要的路徑并提升切割速度與平滑度。如此一來可減少不必要的重復(fù)，大大的提升產(chǎn)能。

利用Softmotion內(nèi)的前瞻規(guī)劃（LookAhead）功能，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡有較大角度的轉(zhuǎn)折時(shí)，Softmotion會(huì)自動(dòng)計(jì)算并提早降速，讓機(jī)構(gòu)可以順應(yīng)平滑的速度，平順的完成軌跡的移動(dòng)。

如此復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)， 用戶僅需要輸入3個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，分別是「最大速 （Max. Velocity）」、「最大加速度 （Max. Acceleration）」以及「容許誤差量 （Tolerance）」（如圖十二）。通過Softmotion的內(nèi)部規(guī)劃，即可達(dá)成復(fù)雜圖形的軌跡運(yùn)動(dòng)。

▲圖十一 LookAhead function

▲圖十二 MotionCreatorPro 2 速度規(guī)劃設(shè)定

實(shí)證績(jī)效

通過以上幾點(diǎn)新功能與新技術(shù)的研發(fā)，證明凌華科技新一代的運(yùn)動(dòng)控制卡在激光切割效果上有很好的表現(xiàn)，其速度規(guī)劃都讓機(jī)構(gòu)有最佳的跟隨性，使得整體加工誤差被控制在極小范圍內(nèi)。

表一為實(shí)際測(cè)試設(shè)備規(guī)格如下，機(jī)構(gòu)部分采用伺服馬達(dá)（Servo Motor）及滾珠導(dǎo)螺桿（Ball Screw），最大運(yùn)動(dòng)速度為800 （mm/s）。經(jīng)過凌華科技Easy-Tuning軟件調(diào)試后，取得優(yōu)化閉回路PID參數(shù)，使得整體機(jī)臺(tái)的控制表現(xiàn)在±2誤差單位 （在此物理量為5um）。

因加工是由4，500個(gè)小線段所組成的圖形（如圖十三），并特別取得四個(gè)彎角段及四段長(zhǎng)直線段的誤差數(shù)據(jù)（如表二），而整體激光加工的彎角軌跡誤差小于2.2um，長(zhǎng)直線端的軌跡誤差更小于0.5um。

通過以下區(qū)域放大圖片中，可清楚的看到激光能量是均勻地控制在一定范圍，并顯示實(shí)際加工軌跡是平滑無抖動(dòng)。 也由此可左證凌華科技新一代的運(yùn)動(dòng)控制卡不僅能實(shí)現(xiàn)一般多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)在如激光切割等復(fù)雜的圖形加工。而板上所實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)激光強(qiáng)度與回饋速度追隨，更可有效節(jié)省系統(tǒng)CPU資源，并保證其加工效能。。

表一 Test Equipment Specification

▲ 圖十三 Easy tuning tools

表二 Trajectory Tolerance

▲R1 65倍放大 ▲R2 65倍放大

▲R3 65倍放大 ▲R4 65倍放大

▲ L 65倍放大

凌華科技高端運(yùn)動(dòng)控制卡PCI-8254/8258，具備高性能的運(yùn)動(dòng)控制表現(xiàn)，采用最新的DSP與FPGA技術(shù)，可以提供高速、高性能的混合模擬與脈沖序列運(yùn)動(dòng)指令。通過硬件實(shí)現(xiàn)閉回路PID含前饋增益控制，伺服更新率可高達(dá)20kHz。通過程序下載，最高可同步實(shí)時(shí)執(zhí)行八種獨(dú)立任務(wù)。 凌華科技免費(fèi)提供易于使用的應(yīng)用工具，包含豐富的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用函數(shù)，以及用戶診斷及操作接口，可實(shí)現(xiàn)高速度、高精度的運(yùn)動(dòng)控制能力。借助凌華科技Softmotion技術(shù)，使用者大幅減少了開發(fā)的時(shí)間，并提供卓越的同步運(yùn)動(dòng)控制性能，可為機(jī)臺(tái)設(shè)備商使用者節(jié)省高達(dá)25%至50%的成本。

總結(jié)

激光加工產(chǎn)業(yè)在未來將與人們的生活更為接近，如汽車鈑金、手機(jī)及電視面板與外殼，甚至是醫(yī)療相關(guān)的假牙成型及人體有關(guān)的醫(yī)療激光等應(yīng)用。激光加工的高效率也更能符合節(jié)能減排的要求。各國均已投入大量資源，以求在相關(guān)技術(shù)上有領(lǐng)先性的突破。以大中華地區(qū)而言，超過200家不同的激光設(shè)備廠商也爭(zhēng)相搶食市場(chǎng)大餅，但在面對(duì)歐美高端設(shè)備時(shí)，軟件實(shí)力的整合，將左右這些廠商的市場(chǎng)地位，提升加工質(zhì)量爭(zhēng)取更高的設(shè)備毛利率。凌華科技憑借超過10年運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，以及與廠商多年的應(yīng)用合作經(jīng)驗(yàn)，成功開發(fā)出同步性運(yùn)動(dòng)與激光控制技術(shù)，將復(fù)雜的速度規(guī)劃及激光強(qiáng)度計(jì)算都置于運(yùn)動(dòng)控制卡片上，使得用戶可以自行規(guī)劃CAM的路徑，但不需要擔(dān)心復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，以達(dá)到同中求異的市場(chǎng)加值成效。未來加工路徑也將由2D升級(jí)為3D制造，將執(zhí)行如目前CNC工具機(jī)所做的加工應(yīng)用，并會(huì)有更佳的加工表面工藝。

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