激光精密加工及切割已被利用在如太陽能晶硅切割、手機面板切割、半導(dǎo)體晶圓切割，LaserCNC等精密加工上面。 如何通過調(diào)劑能量強度來滿足不同材質(zhì)上切割，而浮現(xiàn)出有層次感的效果，這些都是高端運動把持產(chǎn)品所面臨的新尋釁。 在本文中將討論如何克服精密激光加工時所遭遇的新尋釁，以及通過實例證明的解決方案。 激光制作技巧是聯(lián)合光學、機械、電子電機、盤算機等科學與技巧整合成的一項新技巧，其已在現(xiàn)今社會中被廣泛的利用。 根據(jù)國際激光產(chǎn)業(yè)權(quán)威《LASERFOCUSWORLD》與《IndustrialLaserSolution》于2013年初統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球激光產(chǎn)品銷售已經(jīng)回到2008年的程度并浮現(xiàn)增長的趨勢。 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(shù)，利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，合占整體材料加工利用的34%，其利用在汽車、航天航空、電子、機械、鋼鐵等金屬鈑金產(chǎn)業(yè)。 而在GI(GlobalInformation)于2012年底所發(fā)表的「GlobalandChinaLaserEquipmentandProcessingIndustryReport，2012-2014」報告書中指出，全球激光設(shè)備市場一般預(yù)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全球激光材料加工利用散布，2009(數(shù)據(jù)源:Indus.LaserSolution，Y09)圖2中國激光設(shè)備市場散布，2011(數(shù)據(jù)源:GlobalInformation，Y11)以中國市場而言，激光設(shè)備的市場在2011年略微超過全球市場的成長率。 從宏觀經(jīng)濟的影響來看，雖然中國針對機械產(chǎn)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。 由于中國在全球制作業(yè)上扮演中心的角色，其對激光機械的需求也相當宏大，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%。 就利用層面而言，激光精密加工及切割已被利用在如太陽能晶硅切割、手機面板切割、半導(dǎo)體晶圓切割，LaserCNC等精密加工上面。 對于運動把持產(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，并達到其精度的平滑效果；如何對于極渺小的圖形也能不受空間而完成；如何可以調(diào)劑能量強度來-滿足不同材質(zhì)上切割，而浮現(xiàn)出有層次感的效果，這些都是高端運動把持產(chǎn)品所面臨的新尋釁。 在本文中將討論如何克服精密激光加工時所遭遇的新尋釁，以及經(jīng)實例證明的解決方案。 尋釁一：激光切割精準度不佳激光功率的調(diào)劑大多都以頻率+占空比喻法把持，所以在位移上把持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(chǎn)生不同的速度。 在速度急劇降落，激光功率來不及變換時候，會導(dǎo)致有過融現(xiàn)象產(chǎn)生，如圖一所示。 ▲圖一功率切換不佳，導(dǎo)致過融現(xiàn)象又因為激光把持大多以PWM的方法把持，PWM把持是以轉(zhuǎn)變占空比的方法進行，所以對于固定速度會有較好的表現(xiàn)，但是如果速度進步，激光的頻率會有來不及出光問題，則反響于切割時會產(chǎn)生燒融均勻度不佳的情況產(chǎn)生，如圖二所示。 ▲圖二切割均勻度不佳尋釁二：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正確性，所以馬達的把持需要很好，這樣切割的圖形才不會變形，如圖三、圖四所示；因此把持如用開環(huán)(脈沖，步進)方法，會導(dǎo)致追隨度無法實時補正；如要達到高精度的請求唯有應(yīng)用閉環(huán)(速度，扭矩)把持才可以達到請求。 但是閉環(huán)把持需要經(jīng)過PID調(diào)劑，才會有較佳的追隨效果。 然PID的調(diào)教往往需要消費很長時間，相當費時 ▲圖三轉(zhuǎn)彎圖形因無追隨補償導(dǎo)致圖形扭曲▲圖四左圖為把持過沖現(xiàn)象，右圖為精準把持尋釁三：激光功率不易調(diào)劑目前切割的對象大多為多層材質(zhì)（太陽能板、手機屏幕觸碰膜），需要應(yīng)用不同的功率進行切割；但因市場上的激光專用把持器的激光調(diào)劑（VAOTable）都只有一組，在切割的功率上不易切換與調(diào)劑，導(dǎo)致目前只能將切割路徑依材質(zhì)層重復(fù)切割，以達到所需的請求。 然而如此將造成產(chǎn)能速度無法提升 尋釁四：速度方案曠日費時由于激光加工圖形復(fù)雜，簡略的速度方案已無法滿足加工切割成果，如手機觸控模切割，在大多狀態(tài)下是應(yīng)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把持會導(dǎo)致機構(gòu)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(shè)計人員大多僅供給圖形點表(position)，并無速度方案的數(shù)據(jù)，所以需要以人工操作方法方案速度，一方面設(shè)計流程曠日費時，且如遇方案毛病時則需重新修正，也將造成產(chǎn)能無法提升。 ▲圖五速度方案過高，導(dǎo)致激光軌跡抖動綜合以上激光加工所遇到的瓶頸，新一代的運動把持卡是如何應(yīng)對尋釁？實時浮現(xiàn)PWM把持能力傳統(tǒng)運動把持卡的PWM把持，均采用Duty單一把持方法，且通過軟件把持，會見臨無法實時且穩(wěn)固把持PWM的時序。 為了應(yīng)對不同速度與不同圖形，新一代運動把持卡采用更多種把持方法，包含頻率調(diào)變(FrequencyModulation)、帶寬調(diào)變(dutyModulation)、混雜調(diào)變(BlendModulation)，如圖六所示，此把持方法會由硬件把持來完成，此PWM能在各種切割速度下浮現(xiàn)出不同能量的表現(xiàn)，因此需建立一對應(yīng)的能量表，以防止產(chǎn)生『過融現(xiàn)象』，此能量把持就稱(VAO)，如圖七所示。 ▲圖六Multi-PWM把持模式▲圖七VAOMulti-VAO方便動態(tài)切換PWM采用Multi-VAO方法方便因切割材質(zhì)的不同，達到深淺切割效果，讓路徑切割可以一次完成，無須重復(fù)路徑再切割，如圖八所示；大幅縮短生產(chǎn)時間，也供給生產(chǎn)效能。 ▲圖八Multi-VAO準確的運動軌跡追隨與簡易PID調(diào)教為了達到更好更準確的切割圖形，新一代高端運動把持卡采用全閉回路（Fullcloseloop）方法把持，并達到更小的Errorcount誤差，在整體上相比一般把持卡有較高性能，追隨能力誤差都相當小，如圖九所示。 為了達到高準確的追隨能力，需采用PID把持系統(tǒng)，但為了縮短PID調(diào)教時程，用戶可通過Easytuning的程序贊助，在短時間內(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，并簡化操作性！▲圖九最佳的追隨能力，紫色為追隨誤差▲圖十Easytuningtools主動速度方案與圖形路徑方案通過Softmotion的算法，新一代運動把持卡可根據(jù)用戶所供給的圖形數(shù)據(jù)，主動方案出優(yōu)化圖形路徑方案，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)的前瞻方案(LookAhead)功效，當運動軌跡有較大角度的轉(zhuǎn)折時，Softmotion會主動盤算并提早降速，讓機構(gòu)可以順應(yīng)平滑的速度，平順的完成軌跡的移動。 如此復(fù)雜功效的實現(xiàn)，用戶僅需要輸入3個系統(tǒng)參數(shù)，分辨是「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)部方案，即可達成復(fù)雜圖形的軌跡運動。 ▲圖十一LookAheadfunction▲圖十二MotionCreatorPro2速度方案設(shè)定實證績效通過以上幾點新功效與新技巧的研發(fā)，證明凌華科技新一代的運動把持卡在激光切割效果上有很好的表現(xiàn)，其速度方案都讓機構(gòu)有最佳的追隨性，使得整體加工誤差被把持在極小領(lǐng)域內(nèi)。 表一為實際測試設(shè)備規(guī)格如下，機構(gòu)部分采用伺服馬達(ServoMotor)及滾珠導(dǎo)螺桿(BallScrew)，最大運動速度為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)，使得整體機臺的把持表現(xiàn)在±2誤差單位(在此物理量為5um)。 因加工是由4，500個小線段所組成的圖形(如圖十三)，并特別取得四個彎角段及四段長直線段的誤差數(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，可明確的看到激光能量是均勻地把持在必定領(lǐng)域，并顯示實際加工軌跡是平滑無抖動。 也由此可左證凌華科技新一代的運動把持卡不僅能實現(xiàn)一般多軸插補運動，同時可實現(xiàn)在如激光切割等復(fù)雜的圖形加工。 而板上所實現(xiàn)的實時激光強度與回饋速度追隨，更可有效節(jié)儉系統(tǒng)CPU資源，并保證其加工效能。 ▼表一TestEquipmentSpecification▲圖十三Easytuningtools▼表二TrajectoryTolerance▲R165倍放大▲R265倍放大▲R365倍放大▲R465倍放大▲L65倍放大凌華科技高端運動把持卡PCI-8254/8258，具備高性能的運動把持表現(xiàn)，采用最新的DSP與FPGA技巧，可以供給高速、高性能的混雜模仿與脈沖序列運動指令。 通過硬件實現(xiàn)閉回路PID含前饋增益把持，伺服更新率可高達20kHz。 通過程序下載，最高可同步實時履行八種任務(wù) 凌華科技免費供給易于應(yīng)用的利用工具，包含豐富的運動把持利用函數(shù)，以及用戶診斷及操作接口，可實現(xiàn)高速度、高精度的運動把持能力。 借助凌華科技Softmotion技巧，應(yīng)用者大幅減少了開發(fā)的時間，并供給精彩的同步運動把持性能，可為機臺設(shè)備商應(yīng)用者節(jié)儉高達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、手機及電視面板與外殼，甚至是醫(yī)療相干的假牙成型及人體有關(guān)的醫(yī)療激光等利用。 激光加工的高效率也更能符合節(jié)能減排的請求 各國均已投入大批資源，以求在相干技巧上有領(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)備廠商也爭相搶食市場大餅，但在面對歐美高端設(shè)備時，軟件實力的整合，將左右這些廠商的市場地位，提升加工質(zhì)量爭取更高的設(shè)備毛利率。 凌華科技憑借超過10年運動把持技巧，以及與廠商多年的利用合作經(jīng)驗，成功開發(fā)出同步性運動與激光把持技巧，將復(fù)雜的速度方案及激光強度盤算都置于運動把持卡片上，使得用戶可以自行方案CAM的路徑，但不需要擔心復(fù)雜的數(shù)學盤算，以達到同中求異的市場加值成效。 未來加工路徑也將由2D升級為3D制作，將履行如目前CNC工具機所做的加工利用，并會有更佳的加工表面工藝。 |
