實現精密激光加工應用的運動控制設計方案

激光制造技術是結合光學、機械、電子電機、計算機等科學與技術整合成的一項新技術，其已在現今社會中被廣泛的應用。根據國際激光產業(yè)權威《LASER FOCUS WORLD》與《Industrial Laser Solution》于2013年初統(tǒng)計數據顯示，全球激光產品銷售已經回到2008年的水平并呈現增長的趨勢。在全球激光材料加工領域中，近幾年以金屬加工的產值占多數，應用端又以激光打標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用的34%，其應用在汽車、航天航空、電子、機械、鋼鐵等金屬鈑金產業(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」報告書中指出，全球激光設備市場一般預計2011年將由2010年約74億美金以14%的速度成長，2012則成長約2%。

圖1 全球激光材料加工應用分布, 2009
(數據源: Indus. Laser Solution, Y09)

圖2 中國激光設備市場分布, 2011
(數據源: Global Information, Y11)

以中國市場而言，激光設備的市場在2011年略微超過全球市場的成長率。從宏觀經濟的影響來看，雖然中國針對機械產業(yè)、重工業(yè)的激光加工市場縮小了，但小型、中型激光加工市場則在成長。由于中國在全球制造業(yè)上扮演中心的角色，其對激光機械的需求也相當巨大，尤其是汽車、半導體、電子產業(yè)具有很大的潛在性需求。中國的加工產業(yè)，精密金屬零件加工及激光開孔加工占了加工服務整體的60%。

就應用層面而言，激光精密加工及切割已被應用在如太陽能晶硅切割、手機面板切割、半導體晶圓切割，Laser CNC等精密加工上面。對于運動控制產品來說，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，并達到其精度的平滑效果；如何對于極微小的圖形也能不受空間限制而完成；如何可以調整能量強度來-滿足不同材質上切割，而呈現出有層次感的效果，這些都是高端運動控制產品所面臨的新挑戰(zhàn)。

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

挑戰(zhàn)一：激光切割精準度不佳
激光功率的調整大多都以頻率 + 占空比方式控制，所以在位移上控制需要實時與精準的變換，不同的速度要有不同的功率，但在圖形切割時都會產生不同的速度。在速度急劇下降，激光功率來不及變換時候，會導致有過融現象發(fā)生，如圖一所示。

▲圖一 功率切換不佳，導致過融現象

又因為激光控制大多以PWM的方式控制，PWM控制是以改變占空比的方式進行，所以對于固定速度會有較好的表現，但是如果速度提高，激光的頻率會有來不及出光問題，則反應于切割時會產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：運動軌跡在高精度下不易達到
切割系統(tǒng)在移動中都需要講究路徑的準確性，所以馬達的控制需要很好，這樣切割的圖形才不會變形，如圖三、圖四所示；因此控制如用開環(huán) (脈沖, 步進)方式，會導致跟隨度無法實時補正；如要達到高精度的要求唯有使用閉環(huán) (速度, 扭矩)控制才可以達到要求。但是閉環(huán)控制需要經過PID調整，才會有較佳的跟隨效果。然PID的調教往往需要花費很長時間，相當費時。

▲圖三 轉彎圖形因無跟隨補償導致圖形扭曲

▲圖四 左圖為控制過沖現象，右圖為精準控制

挑戰(zhàn)三：激光功率不易調整
目前切割的對象大多為多層材質（太陽能板、手機屏幕觸碰膜），需要使用不同的功率進行切割；但因市場上的激光專用控制器的激光調整（VAO Table）都只有一組，在切割的功率上不易切換與調整，導致目前只能將切割路徑依材質層重復切割，以達到所需的要求。然而如此將造成產能速度無法提升。

挑戰(zhàn)四：速度規(guī)劃曠日費時
由于激光加工圖形復雜，簡單的速度規(guī)劃已無法滿足加工切割結果，如手機觸控模切割，在大多狀況下是使用Spline曲線，或者是較長的幾何線與弧線，如果無法精準做速度控制會導致機構加減速震動或圖形嚴重變形（如過切與抖動），如圖五所示。因機臺設計人員大多僅提供圖形點表(position)，并無速度規(guī)劃的數據，所以需要以人工操作方式規(guī)劃速度，一方面設計流程曠日費時，且如遇規(guī)劃錯誤時則需重新修正，也將造成產能無法提升。

▲圖五 速度規(guī)劃過高，導致激光軌跡抖動

綜合以上激光加工所遇到的瓶頸，新一代的運動控制卡是如何應對挑戰(zhàn)？

實時呈現PWM控制能力
傳統(tǒng)運動控制卡的PWM控制，均采用Duty單一控制方式，且通過軟件控制，會面臨無法實時且穩(wěn)定控制PWM的時序。為了應對不同速度與不同圖形，新一代運動控制卡采用更多種控制方式，包含頻率調變(Frequency Modulation)、帶寬調變(duty Modulation)、混合調變(Blend Modulation)，如圖六所示，此控制方式會由硬件控制來完成，此PWM能在各種切割速度下呈現出不同能量的表現，因此需建立一對應的能量表，以防止發(fā)生『過融現象』，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方便動態(tài)切換
PWM采用Multi-VAO方式方便因切割材質的不同，達到深淺切割效果，讓路徑切割可以一次完成，無須重復路徑再切割，如圖八所示；大幅縮短生產時間，也提供生產效能。

▲圖八 Multi-VAO

精確的運動軌跡跟隨與簡易PID調教
為了達到更好更精確的切割圖形，新一代高端運動控制卡采用全閉回路（Full close loop）方式控制，并達到更小的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小，如圖九所示。為了達到高精確的跟隨能力，需采用PID控制系統(tǒng)，但為了縮短PID調教時程，用戶可通過Easy tuning的程序輔助，在短時間內調出最佳PID參數設定，如圖十所示，可大幅提升性能，并簡化操作性！