实现精密激光加工应用的运动控制设计方案

激光制造技术是结合光学、机械、电子电机、计算机等科学与技术整合成的一项新技术，其已在现今社会中被广泛的应用。根据国际激光产业权威《LASER FOCUS WORLD》与《Industrial Laser Solution》于2013年初统计数据显示，全球激光产品销售已经回到2008年的水平并呈现增长的趋势。在全球激光材料加工领域中，近几年以金属加工的产值占多数，应用端又以激光打标与画线等属于表面处理的，占的最多为42%， 激光切割与焊接分占为第二与第三，合占整体材料加工应用的34%，其应用在汽车、航天航空、电子、机械、钢铁等金属钣金产业。而在GI (Global Information)于2012年底所发表的「Global and China Laser Equipment and Processing Industry Report, 2012-2014」报告书中指出，全球激光设备市场一般预计2011年将由2010年约74亿美金以14%的速度成长，2012则成长约2%。

图1 全球激光材料加工应用分布, 2009
(数据源: Indus. Laser Solution, Y09)

图2 中国激光设备市场分布, 2011
(数据源: Global Information, Y11)

以中国市场而言，激光设备的市场在2011年略微超过全球市场的成长率。从宏观经济的影响来看，虽然中国针对机械产业、重工业的激光加工市场缩小了，但小型、中型激光加工市场则在成长。由于中国在全球制造业上扮演中心的角色，其对激光机械的需求也相当巨大，尤其是汽车、半导体、电子产业具有很大的潜在性需求。中国的加工产业，精密金属零件加工及激光开孔加工占了加工服务整体的60%。

就应用层面而言，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。对于运动控制产品来说，如何克服传统切割上的精度与微米处理；如何可以很容易切割任何图形，并达到其精度的平滑效果；如何对于极微小的图形也能不受空间限制而完成；如何可以调整能量强度来-满足不同材质上切割，而呈现出有层次感的效果，这些都是高端运动控制产品所面临的新挑战。

在本文中将讨论如何克服精密激光加工时所遭遇的新挑战，以及经实例证明的解决方案。

挑战一：激光切割精准度不佳
激光功率的调整大多都以频率 + 占空比方式控制，所以在位移上控制需要实时与精准的变换，不同的速度要有不同的功率，但在图形切割时都会产生不同的速度。在速度急剧下降，激光功率来不及变换时候，会导致有过融现象发生，如图一所示。

▲图一 功率切换不佳，导致过融现象

又因为激光控制大多以PWM的方式控制，PWM控制是以改变占空比的方式进行，所以对于固定速度会有较好的表现，但是如果速度提高，激光的频率会有来不及出光问题，则反应于切割时会产生烧融均匀度不佳的情况发生，如图二所示。

▲图二 切割均匀度不佳

挑战二：运动轨迹在高精度下不易达到
切割系统在移动中都需要讲究路径的准确性，所以马达的控制需要很好，这样切割的图形才不会变形，如图三、图四所示；因此控制如用开环 (脉冲, 步进)方式，会导致跟随度无法实时补正；如要达到高精度的要求唯有使用闭环 (速度, 扭矩)控制才可以达到要求。但是闭环控制需要经过PID调整，才会有较佳的跟随效果。然PID的调教往往需要花费很长时间，相当费时。

▲图三 转弯图形因无跟随补偿导致图形扭曲

▲图四 左图为控制过冲现象，右图为精准控制

挑战三：激光功率不易调整
目前切割的对象大多为多层材质（太阳能板、手机屏幕触碰膜），需要使用不同的功率进行切割；但因市场上的激光专用控制器的激光调整（VAO Table）都只有一组，在切割的功率上不易切换与调整，导致目前只能将切割路径依材质层重复切割，以达到所需的要求。然而如此将造成产能速度无法提升。

挑战四：速度规划旷日费时
由于激光加工图形复杂，简单的速度规划已无法满足加工切割结果，如手机触控模切割，在大多状况下是使用Spline曲线，或者是较长的几何线与弧线，如果无法精准做速度控制会导致机构加减速震动或图形严重变形（如过切与抖动），如图五所示。因机台设计人员大多仅提供图形点表(position)，并无速度规划的数据，所以需要以人工操作方式规划速度，一方面设计流程旷日费时，且如遇规划错误时则需重新修正，也将造成产能无法提升。

▲图五 速度规划过高，导致激光轨迹抖动

综合以上激光加工所遇到的瓶颈，新一代的运动控制卡是如何应对挑战？

实时呈现PWM控制能力
传统运动控制卡的PWM控制，均采用Duty单一控制方式，且通过软件控制，会面临无法实时且稳定控制PWM的时序。为了应对不同速度与不同图形，新一代运动控制卡采用更多种控制方式，包含频率调变(Frequency Modulation)、带宽调变(duty Modulation)、混合调变(Blend Modulation)，如图六所示，此控制方式会由硬件控制来完成，此PWM能在各种切割速度下呈现出不同能量的表现，因此需建立一对应的能量表，以防止发生『过融现象』，此能量控制就称(VAO)，如图七所示。