实现精密激光加工应用的运动控制设计方案

▲ 图六 Multi-PWM控制模式

▲图七 VAO

Multi-VAO方便动态切换
PWM采用Multi-VAO方式方便因切割材质的不同，达到深浅切割效果，让路径切割可以一次完成，无须重复路径再切割，如图八所示；大幅缩短生产时间，也提供生产效能。

▲图八 Multi-VAO

精确的运动轨迹跟随与简易PID调教
为了达到更好更精确的切割图形，新一代高端运动控制卡采用全闭回路（Full close loop）方式控制，并达到更小的Error count误差，在整体上相比一般控制卡有较高性能，跟随能力误差都相当小，如图九所示。为了达到高精确的跟随能力，需采用PID控制系统，但为了缩短PID调教时程，用户可通过Easy tuning的程序辅助，在短时间内调出最佳PID参数设定，如图十所示，可大幅提升性能，并简化操作性！

▲图九 最佳的跟随能力，紫色为追随误差

▲图十 Easy tuning tools

自动速度规划与图形路径规划
通过Softmotion的算法，新一代运动控制卡可根据用户所提供的图形数据，自动规划出优化图形路径规划，以缩短不必要的路径并提升切割速度与平滑度。如此一来可减少不必要的重复，大大的提升产能。
利用Softmotion内的前瞻规划(LookAhead)功能，当运动轨迹有较大角度的转折时，Softmotion会自动计算并提早降速，让机构可以顺应平滑的速度，平顺的完成轨迹的移动。
如此复杂功能的实现， 用户仅需要输入3个系统参数，分别是「最大速 (Max. Velocity)」、「最大加速度 (Max. Acceleration)」以及「容许误差量 (Tolerance)」(如图十二)。通过Softmotion的内部规划，即可达成复杂图形的轨迹运动。

▲图十一 LookAhead function

▲图十二 MotionCreatorPro 2 速度规划设定

实证绩效
通过以上几点新功能与新技术的研发，证明凌华科技新一代的运动控制卡在激光切割效果上有很好的表现，其速度规划都让机构有最佳的跟随性，使得整体加工误差被控制在极小范围内。

表一为实际测试设备规格如下，机构部分采用伺服马达(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，取得优化闭回路PID参数，使得整体机台的控制表现在±2误差单位 (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)，并特别取得四个弯角段及四段长直线段的误差数据（如表二），而整体激光加工的弯角轨迹误差小于2.2um，长直线端的轨迹误差更小于0.5um。

通过以下区域放大图片中，可清楚的看到激光能量是均匀地控制在一定范围，并显示实际加工轨迹是平滑无抖动。 也由此可左证凌华科技新一代的运动控制卡不仅能实现一般多轴插补运动，同时可实现在如激光切割等复杂的图形加工。而板上所实现的实时激光强度与回馈速度追随，更可有效节省系统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

凌华科技高端运动控制卡PCI-8254/8258，具备高性能的运动控制表现，采用最新的DSP与FPGA技术，可以提供高速、高性能的混合模拟与脉冲序列运动指令。通过硬件实现闭回路PID含前馈增益控制，伺服更新率可高达20kHz。通过程序下载，最高可同步实时执行八种独立任务。 凌华科技免费提供易于使用的应用工具，包含丰富的运动控制应用函数，以及用户诊断及操作接口，可实现高速度、高精度的运动控制能力。借助凌华科技Softmotion技术，使用者大幅减少了开发的时间，并提供卓越的同步运动控制性能，可为机台设备商使用者节省高达25%至50%的成本。

总结
激光加工产业在未来将与人们的生活更为接近，如汽车钣金、手机及电视面板与外壳，甚至是医疗相关的假牙成型及人体有关的医疗激光等应用。激光加工的高效率也更能符合节能减排的要求。各国均已投入大量资源，以求在相关技术上有领先性的突破。以大中华地区而言，超过200家不同的激光设备厂商也争相抢食市场大饼，但在面对欧美高端设备时，软件实力的整合，将左右这些厂商的市场地位，提升加工质量争取更高的设备毛利率。凌华科技凭借超过10年运动控制技术，以及与厂商多年的应用合作经验，成功开发出同步性运动与激光控制技术，将复杂的速度规划及激光强度计算都置于运动控制卡片上，使得用户可以自行规划CAM的路径，但不需要担心复杂的数学计算，以达到同中求异的市场加值成效。未来加工路径也将由2D升级为3D制造，将执行如目前CNC工具机所做的加工应用，并会有更佳的加工表面工艺。