實(shí)現(xiàn)精密激光加工應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制新挑戰(zhàn)

摘要： 激光精密加工及切割已被應(yīng)用在如太陽(yáng)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。如何通過(guò)調(diào)整能量強(qiáng)度來(lái)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)，以及通過(guò)實(shí)例證明的解決方案。

關(guān)鍵詞：激光加工, 運(yùn)動(dòng)控制, 速度規(guī)劃, Softmotion算法

Abstract:Precision laser processing and cutting are popularly used in silicon wafer slicing for solar cells, cell phone screen cutting, semiconductor wafer slicing, and CNC machines, among others. High-end motion control products for laser equipment must accommodate micro-scale precision in contour cutting and adjusting released energy to cope with different materials while yielding the best possible results. These issues and current solutions are discussed here with presentations of demonstration testing.

Key words: Laser Processing, Motion Control, speed planning, Softmotion

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(guó)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

(數(shù)據(jù)源: Indus. Laser Solution, Y09)

圖2 中國(guó)激光設(shè)備市場(chǎng)分布, 2011

(數(shù)據(jù)源: Global Information, Y11)

以中國(guó)市場(chǎng)而言，激光設(shè)備的市場(chǎng)在2011年略微超過(guò)全球市場(chǎng)的成長(zhǎng)率。從宏觀經(jīng)濟(jì)的影響來(lái)看，雖然中國(guó)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(guó)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(guó)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(yáng)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(lái)說(shuō)，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(lái)-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(lái)不及變換時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致有過(guò)融現(xiàn)象發(fā)生，如圖一所示。

▲圖一 功率切換不佳，導(dǎo)致過(guò)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(lái)不及出光問(wèn)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(wú)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(guò)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(wú)跟隨補(bǔ)償導(dǎo)致圖形扭曲

▲圖四 左圖為控制過(guò)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(yáng)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)法提升。

▲圖五 速度規(guī)劃過(guò)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(guò)軟件控制，會(huì)面臨無(wú)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(lái)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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)。

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

實(shí)證績(jī)效

通過(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)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(guó)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(guò)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(guò)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(lái)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。