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機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）鉆孔機的鉆孔方式。機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、陶瓷和藍寶石上的開孔。雖然機械鉆 孔和激光鉆孔在很多方面是一樣的，但本文將重點討論先進 運動控制技術對機械鉆孔機的成功具有重要意義。機械鉆孔 機（尤其是六頭PCB鉆孔機）仍然是當前市場上應用最為 廣泛的PCB鉆孔機。我們將討論這種類型設備的開發難點 和所應用到的技術。

大量的點對點運動

PCB 機械鉆孔機要求盡可能最快速度移動主軸和 PCB 板到目標鉆孔位置。圖1是一臺典型的6頭PCB鉆孔機， 采用分立梁式設計。下軸移動PCB板，上軸移動主軸。這 個應用最大的挑戰如下：

（1）保證 XY 伺服平臺調試到快、穩、準；

（2）由于大多數進行采用滾珠絲杠驅動，需要減小摩 擦效應影響；

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

調試伺服平臺

負載和平臺尺寸，質量和動態性能要求都會影響XY伺服平臺系統的調試難度。通常PCB板會大于500 x 500mm，由于 PCB 鉆孔機對產能性能的高要求，調試伺服 平臺會是一個非常有挑戰性的任務。主要原因是為了要追求 最短的運動&整定時間，即平臺從A點移動到B點并整定 到設定偏差窗口的時間。

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

頻域技術（頻域響應分析）是一個更先進的調試方法， 可以達到更高的性能。頻域響應分析技術是通過在電機上加 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 的相頻和幅頻特性。通過評估相位裕度和幅值裕度來調試出 合適的伺服增益。Aerotech 的 A3200 高性能運動控制器通 過圖形化的方式可以很方便地設計和調整伯德圖、設計濾波 器，從而可以最優化伺服增益和達到最高性能（圖 3）。

 減小摩擦效應影響

 PCB鉆孔機市場對價格和性能的競爭非常激烈?；?以上原因，大多數 PCB 機械鉆孔機應用滾珠絲杠平臺驅動。 對這個市場來說，滾珠絲杠驅動系統在驅動大負載和達到高 定位精度方面性價比很高。然而，由于絲杠螺距大，摩擦效 應將限制軸的低頻增益，這意味著運動 & 整定時間以及反向 運動時間都會比預想的長。通常情況下，設備制造商通過增 加伺服增益來減小摩擦效應的影響，但是，這會增加系統不 穩定的可能性。

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

靈活的軟件函數庫

大多數PCB鉆孔機用戶期望系統是即插即用的，這意 味這軟件接口對設備的成功至關重要。Aerotech 提供了豐富 的軟件函數庫，軟件工程師可以用來靈活地設計軟件界面、 數據分析、實現操作流程、安全和IO等。G代碼和M代碼 也是 PCB 鉆孔機所必須的，通常軟件工程師將 PCB 圖樣轉 換成G代碼用來執行、顯示和生成鉆孔軌跡。Aerotech的 C# 庫和 C 庫已經用于商用 PCB 機械鉆孔機，可以滿足所有 的運動控制功能需求。

高端運動控制器有許多特定功能，用來實現以最高的效 率處理大量的運動軌跡。例如，Aerotech 的速度前瞻功能可 以前瞻和優化運動速度規劃。隊列模式使數據可以以先進先 出的方式進行處理，從而內存容量不會限制你能處理的數據 點的數量。

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

示例

如下示例演示了PCB微孔機械鉆孔機的優化過程。在 該示例中，伺服平臺連續進行5段運動，每段運動行程為 25.4mm。 運動參數為： 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 數設置為2um。如下示例比較了各種不同不同的調試技術 和工具，包括 Auto Tune，Loop Transmission 和 ETC。 Aerotech 的 Digital Scope 工具用來測量運動 & 整定時間性能。

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

第 二 個 示 例 是 應 用 AutoTune 工 具 來 調 試 系 統。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，運動時 間為 615ms，整定時間為 38ms。AutoTune 調試方法將 運動 & 整定時間減小為 653ms。

下一步我們應用了 Loop Transmission 工具。用從 低頻道高頻的正弦信號來激勵系統，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行系統性能的優 化設計。

藍色曲線是調試之前的，紅色曲線是調試之后的。

Loop Transmission 調試技術將運動 & 整定時間減 小到 643ms。 我們應用 ETC 算法進一步優化了運動 & 整定時間性 能。通過增強低頻增益，我們可以進一步減小運動 & 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，運動 & 整定時間減小到 629ms。

ETC 調試技術將運動 & 整定時間減小至 629ms。

結論

先進運動控制技術可以極大地改善高性能 PCB 微孔 機械鉆孔機的產能和質量。通過頻率響應方法調試伺服參 數，增強低頻增益來減小摩擦效應，以及優化程序執行效 率來快速處理大量數據等，Aerotech都有各種控制方法 幫助達到目標。