靈活的解決方案之激光的智能控制提高大型工件的加工效能
作者：Eva Jubitz，錢惠紅，趙佳蔚，德國(guó)SCANLAB公司
圖1：集成了XLSCAN和動(dòng)態(tài)z軸的系統(tǒng)對(duì)三維工件進(jìn)行無(wú)限掃描
在很多微加工應(yīng)用中，人們需要對(duì)大幅面進(jìn)行高精度加工。傳統(tǒng)的高精度掃描系統(tǒng)必須配置短焦距的光學(xué)組合得以實(shí)現(xiàn)。然而，短焦距意味著有限的掃描幅面。為了克服這個(gè)難題，SCANLAB和ACS運(yùn)動(dòng)控制公司聯(lián)合研發(fā)了XLSCAN解決方案，通過(guò)同步控制掃描頭和XY平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的掃描.有了XLSCAN，加工區(qū)域僅受機(jī)械軸的行進(jìn)路徑限制, 因此加工幅面在理想狀態(tài)下可以擴(kuò)展到無(wú)窮大.眾多應(yīng)用案例已表明, 掃描頭和XY工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)加工可以大幅度提高產(chǎn)能[1].
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新型伺服控制方法助力更高精度
在傳統(tǒng)的同步控制掃描頭和XY工作臺(tái)的系統(tǒng)中, 相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的掃描頭會(huì)對(duì)低速的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶來(lái)的位置偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。質(zhì)量慣性及各系統(tǒng)的伺服控制回路設(shè)計(jì)會(huì)引起跟蹤誤差（即響應(yīng)延遲），這意味著實(shí)際位置會(huì)暫時(shí)偏離設(shè)定位置。只有在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，且在引發(fā)的系統(tǒng)瞬時(shí)振動(dòng)之后，運(yùn)動(dòng)點(diǎn)才能到達(dá)所設(shè)定的位置. 由此可見(jiàn)，由于時(shí)間滯后而引起的偏差這一物理約束明顯降低了系統(tǒng)精度. 在實(shí)際加工過(guò)程中，人們也嘗試通過(guò)預(yù)估值來(lái)推算低速運(yùn)動(dòng)的XY平臺(tái)可能產(chǎn)生的偏差. 但是這種方法只對(duì)低速且無(wú)中斷的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)有效.當(dāng)運(yùn)動(dòng)路徑出現(xiàn)拐角, 該方法產(chǎn)生的定位偏差將尤其明顯。
XL SCAN采用全新的控制方法。它的syncAXIS控制軟件應(yīng)用了智能過(guò)濾器來(lái)控制掃描頭和XY工作臺(tái)，從而讓每一個(gè)系統(tǒng)的物理約束在集成軌跡規(guī)劃的最開(kāi)始就被考慮在內(nèi). 整個(gè)XLSCAN系統(tǒng)的跟蹤誤差為0。兩個(gè)系統(tǒng)（運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和掃描頭）的位置都可以在非常短的周期內(nèi)（10μ）以微米級(jí)的精度相互協(xié)調(diào)。這使得XL SCAN的精度領(lǐng)先于市場(chǎng)上其他由同步掃描頭和XY工作臺(tái)組成的聯(lián)動(dòng)控制解決方案. 在高速工作的情況下， XL SCAN的優(yōu)勢(shì)更加明顯. 正因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的振蕩得以消除，XL SCAN的精度僅受單個(gè)系統(tǒng)（即掃描頭或運(yùn)動(dòng)平臺(tái)）的精度的限制。
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延伸出的激光控制技術(shù)
syncAXIS控制軟件的軌跡規(guī)劃不僅僅增強(qiáng)同步控制精度，它還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)先進(jìn)的超短脈沖（USP）激光器的更多樣的精確管理和調(diào)整。加工圖案的準(zhǔn)確執(zhí)行完全由用戶自行構(gòu)造配置, 我們也提供諸多選項(xiàng)可供用戶選擇. 例如，操作員可以給加工圖像設(shè)定各種軌跡參數(shù)，如脈沖間隔, 單個(gè)激光光斑強(qiáng)度和可容許的轉(zhuǎn)角圓弧度等等。
光斑距離控制（SDC）也是該系統(tǒng)的亮點(diǎn)之一。它使得作用在工件上的激光脈沖間隔穩(wěn)定且可控.傳統(tǒng)的脈沖控制系統(tǒng)依賴于估算和推斷定位，使得系統(tǒng)分辨率受物理層面的約束.由于XLSCAN系統(tǒng)的跟蹤誤差為0，激光脈沖沿掃描路徑的精確定位輸出完全符合用戶設(shè)定的脈沖間距。
圖2：不使用軌跡計(jì)劃的加工路徑
光斑間隔控制（SDC）功能的分辨率64 MHz.對(duì)于典型的500 kHz激光頻率，這意味著在理想狀態(tài)下, 最大脈沖間隔偏差約為1.5%。圖2顯示了傳統(tǒng)系統(tǒng)的加工路徑，而圖3顯示了光斑間隔控制支持下的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃
圖3: 在SDC和軌跡規(guī)劃下的恒定間距的脈沖輸出。
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利落的邊緣和連貫的加工
特別是對(duì)于切割應(yīng)用，穩(wěn)定的脈沖間隔對(duì)于加工結(jié)果和切割邊緣的質(zhì)量至關(guān)重要。其他具有脈沖控制的系統(tǒng)僅允許通過(guò)兩個(gè)脈沖的中間點(diǎn)來(lái)定義兩個(gè)脈沖之間的距離. 而XLSCAN的脈沖控制方式以考慮精度為優(yōu)先條件.它允許激光脈沖間隔不僅可以根據(jù)激光路徑中心線來(lái)調(diào)整，而且可以根據(jù)光斑路徑內(nèi)部或外部輪廓來(lái)調(diào)整.這確保了均勻的能量分布和工件邊緣的精確加工. 在圖4中，工件邊緣激光脈沖的等間隔分布（藍(lán)線）描述了這一功能. 對(duì)于敏感的工件材料（例如薄膜）, 這種方法可以避免燒焦和切割不均勻.
圖4：沿工件邊緣由SDC產(chǎn)生等距激光脈沖
即使使用遠(yuǎn)心鏡頭，作用在工件上的激光光斑大小還是會(huì)隨著掃描頭內(nèi)鏡片的偏轉(zhuǎn)角度而變化. XL SCAN的軌跡規(guī)劃可以根據(jù)偏轉(zhuǎn)角度調(diào)整激光參數(shù)。這種情況下即便光斑大小在沿著激光路徑有很小的變化,其能量密度也能保持不變.因此，激光在薄膜和其他材料上的均勻加工得以實(shí)現(xiàn).
圖5：偏轉(zhuǎn)角度與所得光斑大小之間的關(guān)系
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產(chǎn)能最優(yōu)化與并行化
前瞻性軌跡規(guī)劃不僅提供精確的、無(wú)跟蹤差錯(cuò)的加工，而且還結(jié)合用戶特定的公差限度充分發(fā)掘系統(tǒng)的最大能動(dòng)性, 讓系統(tǒng)待用時(shí)間得到最小化. 當(dāng)傳統(tǒng)的系統(tǒng)執(zhí)行凌空書寫時(shí)，激光器會(huì)在掃描頭加速階段完成之后才打開(kāi), 以保證激光加工速度恒定.XLSCAN的軌跡規(guī)劃通過(guò)提前考慮物理約束和定義公差，避免了動(dòng)用凌空書寫。這樣一來(lái)，因激光路徑復(fù)雜而產(chǎn)生的頻繁的加速以及其所耗時(shí)間得以避免和節(jié)省，有效提高了產(chǎn)能。
工藝步驟的并行化提高了產(chǎn)量并降低了成本。目前，單個(gè)XL SCAN可以同時(shí)控制多達(dá)四個(gè)掃描頭，我們還在計(jì)劃擴(kuò)展更多掃描頭。
圖6：靈活配置的XL SCAN多頭系統(tǒng)
在多頭系統(tǒng)中的掃描頭可以靈活布置和配置.除了圖6所示的布局之外,還可以橋接四個(gè)彼此相鄰的掃描儀. 各掃描頭之間能夠?qū)崟r(shí)同步，保證了整個(gè)系統(tǒng)的精度。這樣的布局實(shí)現(xiàn)了多個(gè)工件的并行加工。如此一來(lái)，用戶可以自由地調(diào)整各個(gè)掃描頭下的工件方位與方向，使得用戶對(duì)工件的定位和方向進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)（例如圖像識(shí)別）得以完成.若在XL SCAN上再附加一個(gè)機(jī)械軸，那么掃描頭之間間距也可以在軟件中修改和定義。
配置了多個(gè)掃描頭的系統(tǒng)對(duì)大幅面材料的加工（例如觸摸顯示器的制造）極具吸引力. 從液晶顯示器（LCD）到有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）的技術(shù)轉(zhuǎn)變需要新的制造方法.而對(duì)于這些應(yīng)用，激光切割尤其表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)：在提高產(chǎn)量的同時(shí)，還能使切割邊緣有更高的精度。另外，產(chǎn)品尺寸的設(shè)計(jì)和加工也有更高的靈活性。
首批XL-SCAN系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境投入運(yùn)行-包括在中國(guó)。
翻譯：李國(guó)忠，本刊編輯
校對(duì)：Huihong Qian博士，Jiawei Zhao女士，SCANLAB GmbH
SCANLAB GmbH
Email [email protected]
Internet www.scanlab.de/en
參考
References:
[1] H. Schlüter, Ze’ev Kirshenboim: “Large field scanning solution enables precision for large processing areas”; Lane 2018; Published by BayrischesLaserzentrum GmbH
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