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完成精细激光加工使用的运动操控新应战

摘要: 激光精密加工及切割已被应用在如太阳能晶硅切割、手机面板切割、半导体晶圆切割,Laser CNC等精密加工上面。如何通过调整能量强度来满足不同材

摘要: 激光精细加工及切开已被运用在如太阳能晶硅切开、手机面板切开、半导体晶圆切开,Laser CNC等精细加工上面。怎么经过调整能量强度来满意不同原料上切开,而出现出有层次感的作用,这些都是高端运动操控产品所面临的新应战。在本文中将评论怎么战胜精细激光加工时所遭受的新应战,以及经过实例证明的解决方案。

关键词激光加工, 运动操控, 速度规划, 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

激光制作技能是结合光学、机械、电子电机、核算机等科学与技能整组成的一项新技能,其已在如今社会中被广泛的运用。依据世界激光工业威望《LASER FOCUS WORLD》与《Industrial Laser Solution》于2013年头统计数据显现,全球激光产品销售现已回到2008年的水平并出现增加的趋势。在全球激光资料加工领域中,近几年以金属加工的产量占多数,运用端又以激光打标与画线等归于外表处理的,占的最多为42%, 激光切开与焊接分占为第二与第三,合占全体资料加工运用的34%,其运用在轿车、航天航空、电子、机械、钢铁等金属钣金工业。而在GI (Global Information)于2012年末所宣布的「Global and China Laser Equipment and Processing Industry Report, 2012-2014」陈述书中指出,全球激光设备商场一般估计2011年将由2010年约74亿美金以14%的速度生长,2012则生长约2%。


图1 全球激光资料加工运用散布, 2009

(数据源: Indus. Laser Solution, Y09)


图2 我国激光设备商场散布, 2011

(数据源: Global Information, Y11)

以我国商场而言,激光设备的商场在2011年稍微超越全球商场的生长率。从宏观经济的影响来看,尽管我国针对机械工业、重工业的激光加工商场缩小了,但小型、中型激光加工商场则在生长。因为我国在全球制作业上扮演中心的人物,其对激光机械的需求也适当巨大,尤其是轿车、半导体、电子工业具有很大的潜在性需求。我国的加工工业,精细金属零件加工及激光开孔加工占了加工服务全体的60%。

就运用层面而言,激光精细加工及切开已被运用在如太阳能晶硅切开、手机面板切开、半导体晶圆切开,Laser CNC等精细加工上面。关于运动操控产品来说,怎么战胜传统切开上的精度与微米处理;怎么能够很简略切开任何图形,并到达其精度的滑润作用;怎么关于极微小的图形也能不受空间约束而完结;怎么能够调整能量强度来-满意不同原料上切开,而出现出有层次感的作用,这些都是高端运动操控产品所面临的新应战。

在本文中将评论怎么战胜精细激光加工时所遭受的新应战,以及经实例证明的解决方案。

应战一:激光切开精准度欠安

激光功率的调整大多都以频率 + 占空比方法操控,所以在位移上操控需求实时与精准的改换,不同的速度要有不同的功率,但在图形切开时都会产生不同的速度。在速度急剧下降,激光功率来不及改换时分,会导致有过融现象产生,如图一所示。


▲图一 功率切换欠安,导致过融现象

又因为激光操控大多以PWM的方法操控,PWM操控是以改动占空比的方法进行,所以关于固定速度会有较好的体现,可是假如速度进步,激光的频率会有来不及出光问题,则反应于切开时会产生烧融均匀度欠安的情况产生,如图二所示。


▲图二 切开均匀度欠安

应战二:运动轨道在高精度下不易到达

切开体系在移动中都需求考究途径的准确性,所以马达的操控需求很好,这样切开的图形才不会变形,如图三、图四所示;因而操控如用开环 (脉冲, 步进)方法,会导致跟从度无法实时补正;如要到达高精度的要求唯有运用闭环 (速度, 扭矩)操控才能够到达要求。可是闭环操控需求经过PID调整,才会有较佳的跟从作用。然PID的调教往往需求花费很长时刻,适当费时。


▲图三 转弯图形因无跟从补偿导致图形歪曲


▲图四 左图为操控过冲现象,右图为精准操控

应战三:激光功率不易调整

现在切开的目标大多为多层原料(太阳能板、手机屏幕触碰膜),需求运用不同的功率进行切开;但因商场上的激光专用操控器的激光调整(VAO Table)都只要一组,在切开的功率上不易切换与调整,导致现在只能将切开途径依原料层重复切开,以到达所需的要求。但是如此将形成产能速度无法提高。

应战四:速度规划旷日费时

因为激光加工图形杂乱,简略的速度规划已无法满意加工切开成果,如手机触控模切开,在大多情况下是运用Spline曲线,或者是较长的几许线与弧线,假如无法精准做速度操控会导致组织加减速轰动或图形严峻变形(如过切与颤动),如图五所示。因机台规划人员大多仅供给图形点表(position),并无速度规划的数据,所以需求以人工操作方法规划速度,一方面规划流程旷日费时,且如遇规划错误时则需从头批改,也将形成产能无法提高。


▲图五 速度规划过高,导致激光轨道颤动

归纳以上激光加工所遇到的瓶颈,新一代的运动操控卡是怎么应对应战?

实时出现PWM操控才能

传统运动操控卡的PWM操控,均选用Duty单一操控方法,且经过软件操控,会面临无法实时且安稳操控PWM的时序。为了应对不同速度与不同图形,新一代运动操控卡选用更多种操控方法,包括频率调变(Frequency Modulation)、带宽调变(duty Modulation)、混合调变(Blend Modulation),如图六所示,此操控方法会由硬件操控来完结,此PWM能在各种切开速度下出现出不同能量的体现,因而需树立一对应的能量表,以避免产生『过融现象』,此能量操控就称(VAO),如图七所示。


▲ 图六 Multi-PWM操控形式


▲图七 VAO

Multi-VAO便利动态切换

PWM选用Multi-VAO方法便利因切开原料的不同,到达深浅切开作用,让途径切开能够一次完结,无须重复途径再切开,如图八所示;大幅缩短出产时刻,也供给出产效能。


▲图八 Multi-VAO

准确的运动轨道跟从与简易PID调教

为了到达更好更准确的切开图形,新一代高端运动操控卡选用全闭回路(Full close loop)方法操控,并到达更小的Error count差错,在全体上比较一般操控卡有较高功用,跟从才能差错都适当小,如图九所示。为了到达高准确的跟从才能,需选用PID操控体系,但为了缩短PID调教时程,用户可经过Easy tuning的程序辅佐,在短时刻内调出最佳PID参数设定,如图十所示,可大幅提高功用,并简化操作性!


▲图九 最佳的跟从才能,紫色为跟从差错


▲图十 Easy tuning tools

主动速度规划与图形途径规划

经过Softmotion的算法,新一代运动操控卡可依据用户所供给的图形数据,主动规划出优化图形途径规划,以缩短不必要的途径并提高切开速度与滑润度。如此一来可削减不必要的重复,大大的提高产能。

运用Softmotion内的前瞻规划(LookAhead)功用,当运动轨道有较大视点的转机时,Softmotion会主动核算并提前降速,让组织能够适应滑润的速度,平顺的完结轨道的移动。

如此杂乱功用的完成, 用户仅需求输入3个体系参数,分别是「最大速 (Max. Velocity)」、「最大加速度 (Max. Acceleration)」以及「容许差错量 (Tolerance)」(如图十二)。经过Softmotion的内部规划,即可到达杂乱图形的轨道运动。


▲图十一 LookAhead function


▲图十二 MotionCreatorPro 2 速度规划设定

实证绩效

经过以上几点新功用与新技能的研制,证明凌华科技新一代的运动操控卡在激光切开作用上有很好的体现,其速度规划都让组织有最佳的跟从性,使得全体加工差错被操控在极小规模内。

表一为实践测验设备标准如下,组织部分选用伺服马达(Servo Motor)及滚珠导螺杆(Ball Screw),最大运动速度为800 (mm/s)。经过凌华科技Easy-Tuning软件调试后,获得优化闭回路PID参数,使得全体机台的操控体现在±2差错单位 (在此物理量为5um)。

因加工是由4,500个小线段所组成的图形(如图十三),并特别获得四个弯角段及四段长直线段的差错数据(如表二),而全体激光加工的弯角轨道差错小于2.2um,长直线端的轨道差错更小于0.5um。

经过以下区域扩大图片中,可清楚的看到激光能量是均匀地操控在必定规模,并显现实践加工轨道是滑润无颤动。 也由此可左证凌华科技新一代的运动操控卡不仅能完成一般多轴插补运动,一起可完成在如激光切开等杂乱的图形加工。而板上所完成的实时激光强度与回馈速度跟从,更可有用节约体系CPU资源,并保证其加工效能。。

表一 Test Equipment Specification

▲ 图十三 Easy tuning tools

表二 Trajectory Tolerance


▲R1 65倍扩大 ▲R2 65倍扩大


▲R3 65倍扩大 ▲R4 65倍扩大

▲ L 65倍扩大

凌华科技高端运动操控卡PCI-8254/8258,具有高功用的运动操控体现,选用最新的DSP与FPGA技能,能够供给高速、高功用的混合模拟与脉冲序列运动指令。经过硬件完成闭回路PID含前馈增益操控,伺服更新率可高达20kHz。经过程序下载,最高可同步实时履行八种独立使命。 凌华科技免费供给易于运用的运用东西,包括丰厚的运动操控运用函数,以及用户确诊及操作接口,可完成高速度、高精度的运动操控才能。凭仗凌华科技Softmotion技能,运用者大幅削减了开发的时刻,并供给杰出的同步运动操控功用,可为机台设备商运用者节约高达25%至50%的本钱。

总结

激光加工工业在未来将与人们的日子更为挨近,如轿车钣金、手机及电视面板与外壳,乃至是医疗相关的假牙成型及人体有关的医疗激光等运用。激光加工的高效率也更能契合节能减排的要求。各国均已投入很多资源,以求在相关技能上有抢先性的打破。以大中华区域而言,超越200家不同的激光设备厂商也争相抢食商场大饼,但在面临欧美高端设备时,软件实力的整合,将左右这些厂商的商场位置,提高加工质量争夺更高的设备毛利率。凌华科技凭仗超越10年运动操控技能,以及与厂商多年的运用协作经历,成功开宣布同步性运动与激光操控技能,将杂乱的速度规划及激光强度核算都置于运动操控卡片上,使得用户能够自行规划CAM的途径,但不需求忧虑杂乱的数学核算,以到达同中求异的商场加值成效。未来加工途径也将由2D晋级为3D制作,将履行如现在CNC东西机所做的加工运用,并会有更佳的加工外表工艺。

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