實現精密激光加工應用的運動控制新挑戰

凌華科技自動化 林衛瑞 楊家瑋

1 引言

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應用。根據國際激光產業權威《LASER FOCUS WORLD》與《Industrial Laser Solution》于2013年初統計數據顯示，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，應用端以激光打標與畫線等表面處理方式，占第一位，約為42%，激光切割與焊接分占第二與第三，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。而在GI（Global Information）于2012年底所發表的“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%，如圖1、圖2所示。

圖1 2009年全球激光材料加工應用分布

圖2 2011年中國激光設備市場分布

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、重工業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、電子產業具有很大的潛在性需求。中國的加工產業，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。

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，以及經實例證明的解決方案。

2 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生，如圖3所示。

圖3 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，如圖4所示。

圖4 切割均勻度不佳

3 挑戰二：運動軌跡在高精度下不易達到

切割系統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5、圖6所示。因此控制如用開環（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（速度，扭矩）控制才可以達到要求。但是閉環控制需要經過PID調整，才會有較佳的跟隨效果。然而PID的調教往往需要花費很長時間，相當費時。

圖5 轉彎圖形因無跟隨補償導致圖形扭曲

圖6 左圖為控制過沖現象，右圖為精準控制

4 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（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。

5 挑戰四：速度規劃曠日費時

由于激光加工圖形復雜，簡單的速度規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7所示。因機臺設計人員大多僅提供圖形點表（position），并無速度規劃的數據，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，且如遇規劃錯誤時則需重新修正，也將造成產能無法提升。

圖7 速度規劃過高，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？

6 實時呈現PWM控制能力

傳統運動控制卡的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8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，以防止發生“過融現象”，此能量控制就稱（VAO），如圖9所示。

7 Multi-VAO方便動態切換

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10所示；大幅縮短生產時間，也提供生產效能。

8 精確的運動軌跡跟隨與簡易PID調校

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11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12所示，可大幅提升性能，并簡化操作性.

9 自動速度規劃與圖形路徑規劃

通過Softmotion的算法，新一代運動控制卡可根據用戶所提供的圖形數據，自動規劃出優化圖形路徑規劃，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，大大的提升產能。

利用Softmotion內的前瞻規劃（LookAhead）功能，如圖13所示，當運動軌跡有較大角度的轉折時，Softmotion會自動計算并提早降速，讓機構可以順應平滑的速度，平順的完成軌跡的移動。

如此復雜功能的實現，用戶僅需要輸入3個系統參數，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14所示）。通過Softmotion的內部規劃，即可達成復雜圖形的軌跡運動。

10 實證績效

通過以上幾點新功能與新技術的研發，證明凌華科技新一代的運動控制卡在激光切割效果上有很好的表現，其速度規劃都讓機構有最佳的跟隨性，使得整體加工誤差被控制在極小范圍內。

表1為實際測試設備規格，機構部分采用伺服馬達（Servo Motor）及滾珠導螺桿（Ball Screw），最大運動速度為800（mm/s）。經過凌華科技Easy-Tuning軟件調試后，取得優化閉回路PID參數，使得整體機臺的控制表現在±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15所示，并特別取得四個彎角段及四段長直線段的誤差數據（如表2所示），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。

通過區域放大圖片，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控制卡不僅能實現一般多軸插補運動，同時可實現在如激光切割等復雜的圖形加工。而板上所實現的實時激光強度與回饋速度追隨，更可有效節省系統CPU資源，并保證其加工效能。

表1 測試設備規格

表2 誤差數據

凌華科技高端運動控制卡PCI-8254/8258，具備高性能的運動控制表現，采用最新的DSP與FPGA技術，可以提供高速、高性能的混合模擬與脈沖序列運動指令。通過硬件實現閉回路PID含前饋增益控制，伺服更新率可高達20kHz。通過程序下載，最高可同步實時執行八種獨立任務。凌華科技免費提供易于使用的應用工具，包含豐富的運動控制應用函數，以及用戶診斷及操作接口，可實現高速度、高精度的運動控制能力。借助凌華科技Softmotion技術，使用者大幅減少了開發的時間，并提供卓越的同步運動控制性能，可為機臺設備商使用者節省高達25%至50%的成本。

11 結語

激光加工產業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，甚至是醫療相關的假牙成型及人體有關的醫療激光等應用。激光加工的高效率也更能符合節能減排的要求。各國均已投入大量資源，以求在相關技術上有領先性的突破。以大中華地區而言，超過200家不同的激光設備廠商在爭相搶食市場大餅，但在面對歐美高端設備時，軟件實力的整合，將左右這些廠商的市場地位。凌華科技憑借超過10年運動控制技術，以及與廠商多年的應用合作經驗，成功開發出同步性運動與激光控制技術，將復雜的速度規劃及激光強度計算都置于運動控制卡片上，使得用戶可以自行規劃CAM的路徑，但不需要擔心復雜的數學計算，以達到同中求異的市場加值成效。