許多激光機器制造商都有搭建系統(tǒng)的經(jīng)驗，包括激光掃描頭和直接或絲桿驅(qū)動的伺服平臺。在大多數(shù)情況下，激光與材料的相互作用驅(qū)動了組件的選擇和過程控制方法。然而，激光掃描頭通常使用f-theta光學，這會影響光束質(zhì)量，從而影響零件質(zhì)量和工藝性能——光束被指揮離光學中心更遠。幸運的是，對于機器制造商來說，有一種方法可以權(quán)衡兩者，并打造一個能夠在保持零件質(zhì)量的同時構(gòu)建優(yōu)化工藝產(chǎn)量的機器，那就是Aerotech的高性能激光掃描頭和控制器。

　　文/Aerotech 艾羅德克

　　1 使用單個運動控制器控制激光掃描頭和伺服平臺的優(yōu)勢

　　許多激光機器制造商都有搭建系統(tǒng)的經(jīng)驗，包括激光掃描頭和直接或絲桿驅(qū)動的伺服平臺。在大多數(shù)情況下，激光與材料的相互作用驅(qū)動了組件的選擇和過程控制方法。例如，激光掃描頭的選擇通常基于工藝過程產(chǎn)量的考慮。然而，激光掃描頭通常使用f-theta光學，這會影響光束質(zhì)量，從而影響零件質(zhì)量和工藝性能——光束被指揮離光學中心更遠。在用戶將需要的時間和地點將激光能量應用于表面時，表明這種產(chǎn)量與質(zhì)量的對比存在于更廣泛的范圍內(nèi)。

　　幸運的是，對于機器制造商來說，有一種方法可以權(quán)衡兩者，并打造一個能夠在保持零件質(zhì)量的同時構(gòu)建優(yōu)化工藝產(chǎn)量的機器：Aerotech的高性能激光掃描頭和控制器，它使用單個控制器進行掃描頭和伺服運動控制，并提供精確生產(chǎn)工藝控制的功能。

　　2 高性能激光掃描頭和控制

　　AGV-XPO高動態(tài)激光掃描頭是Aerotech公司現(xiàn)有產(chǎn)品內(nèi)性能最高的激光掃描頭。這些雙軸激光掃描頭有助于最大限度地減少速度和精度之間的取舍。它低慣性，高效率的電機實現(xiàn)了迅猛的輪廓加速，而超高分辨率的位置反饋和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)動力學提供了出色的零件輪廓跟蹤與最小的跟隨誤差。如圖1所示，與Aerotech自己的AGV-HP 2D掃描頭相比，AGV-XPO產(chǎn)品在位置抖動方面提供了一個數(shù)量級的改進，這一參數(shù)表明了其跟隨能力的大大提升。

　　圖1 超高分辨率反饋(-E2選項)為需要極高軌跡精度或利用長焦距光學系統(tǒng)的應用提供最低的噪聲水平。

　　這些結(jié)果來自Aerotech的AGV-XPO與Automation1運動控制平臺的配合。AGV-XPO的控制架構(gòu)是獨一無二的，放大器和伺服控制回路不包含在激光掃描頭內(nèi)。相反，它們位于Automation1 GL4 Galvo激光掃描頭線性驅(qū)動器中的遠程位置。這種架構(gòu)提高系統(tǒng)性能的方式是傳統(tǒng)的掃描頭與集成控制無法匹敵的。從掃描頭移除電子熱源可確保始終如一的性能，這對于任何生產(chǎn)材料處理應用都是必須的。GL4使用線性放大器，這是驅(qū)動振鏡電機的最高性能放大器技術(shù)，并提供改進的速度控制和位置穩(wěn)定性(相對于標準脈寬調(diào)制(PWM)放大器技術(shù))，參見圖2。

　　圖2 許多激光掃描頭將散熱電子器件放置在靠近掃描儀機械的位置，這就引入了熱穩(wěn)定性問題。Aerotech的AGV激光掃描頭去掉了散熱電子設(shè)備，并將其放置在控制柜中，從而實現(xiàn)更高的性能并減少熱漂移。

　　3 單個控制器完成對掃描頭和伺服運動的控制

　　Automation1 iSMC基于軟件的智能運動控制器 - 是一個中央運動引擎，能夠通過HyperWire?運動控制通信總線生成單個運動控制位置流到Automation1激光掃描頭和伺服電機驅(qū)動電子設(shè)備。HyperWire總線以每秒2千兆比特(Gbps)的速度運行，位置更新速率為100千赫。Automation- ismc控制器能夠為激光掃描頭軸每秒產(chǎn)生和通信100,000個位置命令點，為伺服軸每秒產(chǎn)生20,000個位置命令點。在HyperWire上，Automation1-GL4接收100 kHz的點流，并將點的數(shù)量插值到200 kHz，用于200 kHz兩軸激光掃描頭伺服控制器?？梢允褂酶鞣NAutomation1伺服電機驅(qū)動器，每個驅(qū)動器通過HyperWire接收20 kHz的位置命令點流，并直接在驅(qū)動器的伺服控制回路中使用它們。軌跡點是64位雙精度浮點值，即使在單個HyperWire端口上添加16個總軸，驅(qū)動器到驅(qū)動器的抖動也能夠小于1納秒。簡單地說，少有更好的運動控制技術(shù)能夠如此協(xié)調(diào)精密激光掃描頭和伺服軸的運動。使用單一控制器驅(qū)動激光掃描頭與伺服軸的最高性能協(xié)調(diào)，以滿足最苛刻的激光加工應用。Aerotech的Automation1控制器平臺是獨特的，它不僅為掃描頭和伺服軸提供了單一的配置和編程環(huán)境，而且它還可以由一些獨有的控制器功能來實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)。

　　4 精密工藝控制中的控制器功能

　　Automation1有幾個控制器功能，用于搭建精密激光材料加工設(shè)備。一個典型的例子是Automation1 Studio應用程序的機器設(shè)置向?qū)АＨ鐖D3所示，Machine Setup向?qū)г试S用戶設(shè)置真實的電氣和機械設(shè)備，然后將這些設(shè)備互連以形成真正的運動軸。

　　圖3 這個示例系統(tǒng)，Aerotech IGM與AGV-HP激光掃描頭，是在 Automation1 Studio’s 機器設(shè)置向?qū)е信渲玫摹?/p>

　　工廠對激光掃描頭的優(yōu)化是充分的，因為激光掃描頭軸有一個恒定的慣性(掃描鏡)。然而，許多機器制造商在伺服軸上放置定制負載，這通常需要進一步優(yōu)化。Automation1提供廣泛的編碼器反饋調(diào)諧和伺服調(diào)諧工具，以優(yōu)化這些軸的性能。

　　一旦軸在伺服控制水平上進行了優(yōu)化，所要求的位置可能不會導致實現(xiàn)所需位置目標的實際運動。這是由激光掃描頭的光學畸變和用于控制激光掃描頭和伺服運動軸的光學反饋裝置的制造公差引起的誤差導致的常見問題。只要錯誤是可重復的，這個問題的解決方案就是誤差映射。

　　基于誤差映射的1D和2D校準表都可以構(gòu)建并加載到Automation1控制器中。Aerotech為伺服軸的誤差映射提供了專門的服務(wù)。然而，機器制造商可以自行管理這個過程。同樣，激光掃描頭校準通常由機器制造商處理，并且使用Aerotech的GalvoCFC - Galvo校準文件轉(zhuǎn)換器等工具簡化了該過程(圖4)。

　　圖4 Aerotech Galvo校準文件轉(zhuǎn)換器工具使用戶能夠創(chuàng)建和修改校準文件，將校準文件縮放到用戶單位，將校準表插入到更高的分辨率，并將多個校準表組合到單個文件中。

　　一旦定位精度被校準，就可以采取另一個步驟來提高產(chǎn)量和零件質(zhì)量。Aerotech的無限視野(IFOV)功能使用戶能夠直接編程一個零件(或一系列零件)，這些零件延伸到激光掃描頭的視場(XY運動約束)之外，具有單一的XY軌跡。IFOV通過預處理較大的運動路徑并將該路徑的較高速度部分分配給激光掃描頭來實現(xiàn)這一點。IFOV將較低的速度部分分配給伺服軸，使掃描頭始終在其視野內(nèi)工作。由于IFOV消除了步進和掃描的運動，使激光在更大比例的時間內(nèi)保持工作，因此增加了生產(chǎn)量。

　　使用IFOV的另一個獨特優(yōu)勢是，Automation1 GL4激光掃描頭控制器能夠立即在伺服控制回路之前了解到實際的伺服平臺位置。這使得激光掃描頭能夠?qū)崟r補償動態(tài)位置誤差。以這種方式趨近掃描頭和伺服工作臺的組合運動，有助于管理可能比掃描頭位置誤差大幾個數(shù)量級的伺服工作臺位置誤差。見圖5示例IFOV系統(tǒng)配置。

　　圖5 Aerotech的無限視場(IFOV)功能可以通過將伺服運動平臺的運動納入考慮來消除步進掃描操作，從而實現(xiàn)比激光掃描頭視場更大的工件的激光材料加工。

　　IFOV還有一個意想不到的好處——提高零件質(zhì)量。在使用過程中更多地依靠平臺運動，可以將激光掃描頭的行程限制在掃描頭的光學中心。光學的中心是發(fā)生最少量激光光斑畸變的部分。由于增加的點畸變降低了生產(chǎn)質(zhì)量，使用IFOV來指揮運動有助于提高整體零件質(zhì)量。如果限制掃描頭行程不能提供足夠的解決方案，Automation1還提供了galvo功率校正表。根據(jù)激光掃描頭軸的位置，用戶可以調(diào)整模擬輸出的電壓。由于激光光斑畸變改變了功率密度，這種功率校正可以用來調(diào)整激光功率，以確保激光與材料相互作用的一致性。

　　當每個電氣設(shè)備正確控制各個機械設(shè)備時，所有運動軸都經(jīng)過校準，激光功率在XY激光掃描頭視野上進行校準，這是開始管理運動過程中發(fā)生的激光-材料相互作用的時候 - 換句話說，當軸在運動時，管理如何將激光能量應用于材料。在運動過程中發(fā)生的激光加工必須至少考慮到以下幾點:

　　l 激光發(fā)射是連續(xù)的還是脈沖的?

　　l 激光的功率能被調(diào)制嗎?調(diào)制的速度有多快?

　　l 激光與材料的相互作用對加工速度有多敏感?

　　Aerotech的位置同步輸出(PSO)工具為精密激光機制造商提供了靈活的工具套組，用于管理激光材料的相互作用。對于脈沖激光器，脈沖間距(圖6)可以通過跟蹤實際行進距離和基于固定或可變距離產(chǎn)生的發(fā)射事件來管理。

　　圖6 固定距離發(fā)射的一個亮點是速度(加速度)的變化不會影響脈沖到脈沖的激光間距。這種類型的控制提高了零件質(zhì)量和高動態(tài)精密工藝的生產(chǎn)量。

　　觸發(fā)事件通常會在指定的Automation1伺服電機驅(qū)動器上為PSO輸出并創(chuàng)建狀態(tài)的物理變化。輸出的功能是可配置的。輸出可以保持“開”一段特定的時間，可以產(chǎn)生特定的波形或產(chǎn)生一系列脈沖。此外，模擬輸出可以隨著每個觸發(fā)事件進行修改。

　　當操作Automation1 GL4或Automation1 GI4激光掃描頭控制器時，用戶還可以訪問一系列激光輸出控制功能，控制三個數(shù)字輸出(圖7)。

　　圖7 在這個標準的galvo激光模式控制配置中，當激光發(fā)射時，O1和O2是具有可配置頻率和固定180°相移的調(diào)制信號。當激光器不發(fā)射時，O1和O2輸出可配置為輸出備用脈沖。

　　這三種輸出以不同的模式運行，每種模式都意味著與特定類型的工業(yè)激光器一起工作。第一激光數(shù)字輸出(O1)典型地控制激光發(fā)射。第二激光數(shù)字輸出(O2)用于抑制第一請求的激光脈沖，或者是第一輸出的反轉(zhuǎn)或相移版本。第三個激光數(shù)字輸出(O3)通常用于控制激光的"門"，并且在激光發(fā)射期間它始終處于開啟狀態(tài)。一些工業(yè)激光器需要“撓癢式的”脈沖。因此，當激光門控制關(guān)閉時，01和02可以配置一個待機周期輸出脈沖。這可以通過將待機脈沖長度配置為0微秒來關(guān)閉。

　　IFOV, PSO和激光輸出控制功能都是Automation1運動控制平臺的強大功能，并且在一起使用時更加強大。當配置用于IFOV系統(tǒng)時，Automation1 GL4可同時訪問掃描頭和伺服級編碼器反饋。它使用這些信息來啟用IFOV并執(zhí)行兩軸PSO版本，該版本將一個伺服X軸和一個galvo X軸合并為單個軸，并將一個伺服Y軸和一個galvo Y軸合并為單個軸。這使得GL4控制器可以根據(jù)沿部件行進的實際激光光斑距離實時命令激光輸出發(fā)射事件。當PSO和激光輸出控制功能配置正確時，01激光輸出變?yōu)镻SO控制，O2和O3輸出保持Galvo模式工作。參見圖8。

　　圖8 當位置同步輸出(PSO)和Galvo功能都配置正確時，O1輸出(參見上面的圖7)被PSO配置覆蓋，而O2和O3仍然按照Galvo功能配置工作。

　　在精密激光生產(chǎn)過程建立并準備在工業(yè)機器上運行后，必須開發(fā)部件路徑(或輪廓)。因為Automation1控制器默認處理g代碼，所以部件路徑可以由輸出g代碼語法的任何計算機輔助制造(CAM)工具生成。Aerotech提供了自己的解決方案，針對2D輪廓運動應用，如玻璃切割或鉆孔。該工具CADFusion?降低了實施風險，并確保Automation1控制器的最佳性能和精確性。它通過幫助用戶實現(xiàn)PSO和IFOV等激光加工功能，大大提高了零件質(zhì)量。使用CADFusion，用戶可以導入現(xiàn)有的DWG或DXF文件或從頭開始設(shè)計。

　　為了處理激光加工的一些現(xiàn)實情況，CADFusion具有一系列優(yōu)化性能的部件路徑規(guī)劃功能。如下圖9所示，用戶可以在CADFusion中創(chuàng)建零件路徑，并執(zhí)行更多操作:應用工具，如引入和引出移動，創(chuàng)建過渡移動，如空中書寫，設(shè)置零件路徑的重復部分，并使用Catalog Manager自動應用過程工具控制語法，包括PSO。然后，只需單擊一個按鈕，就可以導出在Automation1控制器上運行的AeroScript程序文件。

　　圖9 在CADFusion中，用戶可以從頭開始開發(fā)新項目或?qū)氍F(xiàn)有的DWG或DXF文件。使用CADFusion的繪圖畫布(左)和例如引線和引線移動工具(右，頂部)，天空書寫(右，中間)和其他工具欄項(右，底部)優(yōu)化零件路徑。

　　5 結(jié)論

　　一款領(lǐng)先的精密自動化機器，提供了自動化運動開發(fā)工具包(MDK)的絕大部分優(yōu)勢，包括工作室應用程序，Automation1 api和Automation1 MachineApps基于windows的自定義人機界面工具。Automation1 Studio應用程序(圖10)作為一個單個的應用程序，可用于配置、編程、調(diào)試和優(yōu)化系統(tǒng)等眾多功能。

　　圖10 Automation1 Studio應用程序包括機器設(shè)置向?qū)?，MachineApps HMI構(gòu)建器，先進AeroScript?編程語言和數(shù)字示波器(Data Visualizer)，使用戶能夠在一個開發(fā)環(huán)境中設(shè)置，編程和優(yōu)化伺服和步進電機，精密平臺, 振鏡掃描系統(tǒng)等。

　　Automation1 Studio擁有強大的編程IDE和數(shù)據(jù)可視化工具，可以同時查看1D和2D數(shù)據(jù)。Automation1 api包括。net、C和Python。最后，用戶可以使用MachineApps(一個為設(shè)備或運動系統(tǒng)快速開發(fā)自定義的有效的HMI屏幕的工具)構(gòu)建自己的自定義HMI 。MachineApps允許機器制造商將其品牌應用于機器界面，并使用基于模塊的方法快速布局用戶界面。

　　在希望成為精密激光材料加工應用領(lǐng)域里領(lǐng)先行業(yè)的機器制造商眼中，Automation 1的這些工具使其成為能夠單一源頭完成整個運動控制的工作環(huán)境。