機(jī)械鉆孔和激光鉆孔是兩種最常見的微孔（小于等于 150 微米的盲孔或通孔）鉆孔機(jī)的鉆孔方式。機(jī)械鉆孔通常用于較大的比如 PCB 或 IC 部件上的開孔。激光鉆孔通常用 于較小的比如硅晶圓、陶瓷和藍(lán)寶石上的開孔。雖然機(jī)械鉆 孔和激光鉆孔在很多方面是一樣的，但本文將重點(diǎn)討論先進(jìn) 運(yùn)動控制技術(shù)對機(jī)械鉆孔機(jī)的成功具有重要意義。機(jī)械鉆孔 機(jī)（尤其是六頭PCB鉆孔機(jī)）仍然是當(dāng)前市場上應(yīng)用最為 廣泛的PCB鉆孔機(jī)。我們將討論這種類型設(shè)備的開發(fā)難點(diǎn) 和所應(yīng)用到的技術(shù)。

大量的點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)動

PCB 機(jī)械鉆孔機(jī)要求盡可能最快速度移動主軸和 PCB 板到目標(biāo)鉆孔位置。圖1是一臺典型的6頭PCB鉆孔機(jī)， 采用分立梁式設(shè)計。下軸移動PCB板，上軸移動主軸。這 個應(yīng)用最大的挑戰(zhàn)如下：

（1）保證 XY 伺服平臺調(diào)試到快、穩(wěn)、準(zhǔn)；

（2）由于大多數(shù)進(jìn)行采用滾珠絲杠驅(qū)動，需要減小摩 擦效應(yīng)影響；

（3）需要完整的軟件接口以滿足設(shè)備制造商設(shè)計達(dá)到 最終用戶所要求的軟件界面的需求。

調(diào)試伺服平臺

負(fù)載和平臺尺寸，質(zhì)量和動態(tài)性能要求都會影響XY伺服平臺系統(tǒng)的調(diào)試難度。通常PCB板會大于500 x 500mm，由于 PCB 鉆孔機(jī)對產(chǎn)能性能的高要求，調(diào)試伺服 平臺會是一個非常有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。主要原因是為了要追求 最短的運(yùn)動&整定時間，即平臺從A點(diǎn)移動到B點(diǎn)并整定 到設(shè)定偏差窗口的時間。

通常運(yùn)動控制系統(tǒng)主要采用基于時域的自動整定或階躍 響應(yīng)調(diào)試方法。對于簡單的應(yīng)用來說這種調(diào)試方案是可行的。 但是基于時域的調(diào)試方法無法識別共振點(diǎn)、零極點(diǎn)圖或設(shè)計濾波器。如此，用戶只能通過減小伺服增益來避免系統(tǒng)共振， 而減小增益意味著設(shè)備產(chǎn)能的降低。

頻域技術(shù)（頻域響應(yīng)分析）是一個更先進(jìn)的調(diào)試方法， 可以達(dá)到更高的性能。頻域響應(yīng)分析技術(shù)是通過在電機(jī)上加 入一個從低頻到高頻的整形激勵信號，從而得到每個頻率點(diǎn) 的相頻和幅頻特性。通過評估相位裕度和幅值裕度來調(diào)試出 合適的伺服增益。Aerotech 的 A3200 高性能運(yùn)動控制器通 過圖形化的方式可以很方便地設(shè)計和調(diào)整伯德圖、設(shè)計濾波 器，從而可以最優(yōu)化伺服增益和達(dá)到最高性能（圖 3）。

 減小摩擦效應(yīng)影響

 PCB鉆孔機(jī)市場對價格和性能的競爭非常激烈?；?以上原因，大多數(shù) PCB 機(jī)械鉆孔機(jī)應(yīng)用滾珠絲杠平臺驅(qū)動。 對這個市場來說，滾珠絲杠驅(qū)動系統(tǒng)在驅(qū)動大負(fù)載和達(dá)到高 定位精度方面性價比很高。然而，由于絲杠螺距大，摩擦效 應(yīng)將限制軸的低頻增益，這意味著運(yùn)動 & 整定時間以及反向 運(yùn)動時間都會比預(yù)想的長。通常情況下，設(shè)備制造商通過增 加伺服增益來減小摩擦效應(yīng)的影響，但是，這會增加系統(tǒng)不 穩(wěn)定的可能性。

 為了得到一個穩(wěn)定的高帶寬系統(tǒng)，Aerotech開發(fā)了一 個稱為 Enhanced Tracking Control (ETC) 的控制算法。 導(dǎo)軌摩擦特性使軸在低頻段響應(yīng)緩慢，較低的環(huán)路增益意味 著對擾動響應(yīng)更慢。ETC 算法增強(qiáng)了低頻段的伺服響應(yīng)，從 而使軸的動態(tài)特性非常接近于一個理想無摩擦系統(tǒng)。通過實 施 ETC 算法，PCB 鉆孔機(jī)的運(yùn)動 & 整定時間性能得到了極 大的提升。

靈活的軟件函數(shù)庫

大多數(shù)PCB鉆孔機(jī)用戶期望系統(tǒng)是即插即用的，這意 味這軟件接口對設(shè)備的成功至關(guān)重要。Aerotech 提供了豐富 的軟件函數(shù)庫，軟件工程師可以用來靈活地設(shè)計軟件界面、 數(shù)據(jù)分析、實現(xiàn)操作流程、安全和IO等。G代碼和M代碼 也是 PCB 鉆孔機(jī)所必須的，通常軟件工程師將 PCB 圖樣轉(zhuǎn) 換成G代碼用來執(zhí)行、顯示和生成鉆孔軌跡。Aerotech的 C# 庫和 C 庫已經(jīng)用于商用 PCB 機(jī)械鉆孔機(jī)，可以滿足所有 的運(yùn)動控制功能需求。

高端運(yùn)動控制器有許多特定功能，用來實現(xiàn)以最高的效 率處理大量的運(yùn)動軌跡。例如，Aerotech 的速度前瞻功能可 以前瞻和優(yōu)化運(yùn)動速度規(guī)劃。隊列模式使數(shù)據(jù)可以以先進(jìn)先 出的方式進(jìn)行處理，從而內(nèi)存容量不會限制你能處理的數(shù)據(jù) 點(diǎn)的數(shù)量。

另一個提高處理效率的控制技術(shù)是軌跡速度融合 Velocity Profiling。PCB 鉆孔機(jī)的產(chǎn)能要求非常高，要求 各段運(yùn)動之間不能有等待延時。Aerotech運(yùn)動控制器中有 兩個功能用于處理這個問題：Wait Mode Auto 和 Velocity Profiling。Wait Mode Auto 命令使相鄰兩段運(yùn)動之間的等 待時間最少，從而減小程序的總執(zhí)行時間。Wait Mode Auto 模式只應(yīng)用于 Velocity Profiling 序列的最后一段，而不是中 間段之間。另一方面，Velocity Profiling 用于將多段運(yùn)動融 合成一個連續(xù)的運(yùn)動。在 Velocity Profiling 模式中，在相鄰 兩段運(yùn)動之間速度不會減小為零。

示例

如下示例演示了PCB微孔機(jī)械鉆孔機(jī)的優(yōu)化過程。在 該示例中，伺服平臺連續(xù)進(jìn)行5段運(yùn)動，每段運(yùn)動行程為 25.4mm。 運(yùn)動參數(shù)為： 行程：25.4 mm 速度：415 mm/s 加速度：10680 mm/s2 Wait Mode Auto 功能開啟，In Position Threshold 參 數(shù)設(shè)置為2um。如下示例比較了各種不同不同的調(diào)試技術(shù) 和工具，包括 Auto Tune，Loop Transmission 和 ETC。 Aerotech 的 Digital Scope 工具用來測量運(yùn)動 & 整定時間性能。

如圖6所示，在未經(jīng)調(diào)試之前加減速階段的最大跟 隨偏差為 78um 和 -14um。運(yùn)動時間為 615ms，整定時 間為143ms。運(yùn)動&整定時間為758ms（整定窗口是 2um）。

第 二 個 示 例 是 應(yīng) 用 AutoTune 工 具 來 調(diào) 試 系 統(tǒng)。AutoTune 將 伺 服 增 益 從 Kp=3377，Ki=36.9， Kpos=48 增加到 Kp=2320，Ki=71，Kpos=126。從圖 7 中可以看到，最大跟隨偏差為 63um 和 -36um，運(yùn)動時 間為 615ms，整定時間為 38ms。AutoTune 調(diào)試方法將 運(yùn)動 & 整定時間減小為 653ms。

下一步我們應(yīng)用了 Loop Transmission 工具。用從 低頻道高頻的正弦信號來激勵系統(tǒng)，從而得到整個頻率段 的相頻和幅頻特性。我們將基于伯德圖進(jìn)行系統(tǒng)性能的優(yōu) 化設(shè)計。

藍(lán)色曲線是調(diào)試之前的，紅色曲線是調(diào)試之后的。

Loop Transmission 調(diào)試技術(shù)將運(yùn)動 & 整定時間減 小到 643ms。 我們應(yīng)用 ETC 算法進(jìn)一步優(yōu)化了運(yùn)動 & 整定時間性 能。通過增強(qiáng)低頻增益，我們可以進(jìn)一步減小運(yùn)動 & 整定 時間，同時在加減速段的跟隨偏差也減小了。從圖11中 可以看到，運(yùn)動 & 整定時間減小到 629ms。

ETC 調(diào)試技術(shù)將運(yùn)動 & 整定時間減小至 629ms。

結(jié)論

先進(jìn)運(yùn)動控制技術(shù)可以極大地改善高性能 PCB 微孔 機(jī)械鉆孔機(jī)的產(chǎn)能和質(zhì)量。通過頻率響應(yīng)方法調(diào)試伺服參 數(shù)，增強(qiáng)低頻增益來減小摩擦效應(yīng)，以及優(yōu)化程序執(zhí)行效 率來快速處理大量數(shù)據(jù)等，Aerotech都有各種控制方法 幫助達(dá)到目標(biāo)。