實(shí)現精密激光加工應用的運動(dòng)控制設計方案

激光制造技術(shù)是結合光學(xué)、機械、電子電機、計算機等科學(xué)與技術(shù)整合成的一項新技術(shù)，其已在現今社會(huì )中被廣泛的應用。根據國際激光產(chǎn)業(yè)權威《LASER FOCUS WORLD》與《Industrial Laser Solution》于2013年初統計數據顯示，全球激光產(chǎn)品銷(xiāo)售已經(jīng)回到2008年的水平并呈現增長(cháng)的趨勢。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，應用端又以激光打標與畫(huà)線(xiàn)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(chē)、航天航空、電子、機械、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」報告書(shū)中指出，全球激光設備市場(chǎng)一般預計2011年將由2010年約74億美金以14%的速度成長(cháng)，2012則成長(cháng)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(chǎng)分布, 2011
(數據源: Global Information, Y11)

以中國市場(chǎng)而言，激光設備的市場(chǎng)在2011年略微超過(guò)全球市場(chǎng)的成長(cháng)率。從宏觀(guān)經(jīng)濟的影響來(lái)看，雖然中國針對機械產(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(cháng)。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(chē)、半導體、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(kāi)孔加工占了加工服務(wù)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(yáng)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(dòng)控制產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，如何克服傳統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(lái)-滿(mǎn)足不同材質(zhì)上切割，而呈現出有層次感的效果，這些都是高端運動(dòng)控制產(chǎn)品所面臨的新挑戰。

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，以及經(jīng)實(shí)例證明的解決方案。

挑戰一：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(shí)時(shí)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(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 )導致有過(guò)融現象發(fā)生，如圖一所示。

▲圖一 功率切換不佳，導致過(guò)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(jìn)行，所以對于固定速度會(huì )有較好的表現，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

挑戰二：運動(dòng)軌跡在高精度下不易達到
切割系統在移動(dòng)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(huì )變形，如圖三、圖四所示；因此控制如用開(kāi)環(huán) (脈沖, 步進(jìn))方式，會(huì )導致跟隨度無(wú)法實(shí)時(shí)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(jīng)過(guò)PID調整，才會(huì )有較佳的跟隨效果。然PID的調教往往需要花費很長(cháng)時(shí)間，相當費時(shí)。

▲圖三 轉彎圖形因無(wú)跟隨補償導致圖形扭曲

▲圖四 左圖為控制過(guò)沖現象，右圖為精準控制

挑戰三：激光功率不易調整
目前切割的對象大多為多層材質(zhì)（太陽(yáng)能板、手機屏幕觸碰膜），需要使用不同的功率進(jìn)行切割；但因市場(chǎng)上的激光專(zhuān)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(zhì)層重復切割，以達到所需的要求。然而如此將造成產(chǎn)能速度無(wú)法提升。

挑戰四：速度規劃曠日費時(shí)
由于激光加工圖形復雜，簡(jiǎn)單的速度規劃已無(wú)法滿(mǎn)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(xiàn)，或者是較長(cháng)的幾何線(xiàn)與弧線(xiàn)，如果無(wú)法精準做速度控制會(huì )導致機構加減速震動(dòng)或圖形嚴重變形（如過(guò)切與抖動(dòng)），如圖五所示。因機臺設計人員大多僅提供圖形點(diǎn)表(position)，并無(wú)速度規劃的數據，所以需要以人工操作方式規劃速度，一方面設計流程曠日費時(shí)，且如遇規劃錯誤時(shí)則需重新修正，也將造成產(chǎn)能無(wú)法提升。

▲圖五 速度規劃過(guò)高，導致激光軌跡抖動(dòng)

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

實(shí)時(shí)呈現PWM控制能力
傳統運動(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)且穩定控制PWM的時(shí)序。為了應對不同速度與不同圖形，新一代運動(dòng)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(huì )由硬件控制來(lái)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(guò)融現象』，此能量控制就稱(chēng)(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，達到深淺切割效果，讓路徑切割可以一次完成，無(wú)須重復路徑再切割，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

精確的運動(dòng)軌跡跟隨與簡(jiǎn)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(dòng)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，但為了縮短PID調教時(shí)程，用戶(hù)可通過(guò)Easy tuning的程序輔助，在短時(shí)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(jiǎn)化操作性！