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　　許多激光機器制造商都有搭建系統的經驗，包括激光掃描頭和直接或絲桿驅動的伺服平臺。在大多數情況下，激光與材料的相互作用驅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，這會影響光束質量，從而影響零件質量和工藝性能——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，有一種方法可以權衡兩者，并打造一個能夠在保持零件質量的同時構建優化工藝產量的機器，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勢

　　許多激光機器制造商都有搭建系統的經驗，包括激光掃描頭和直接或絲桿驅動的伺服平臺。在大多數情況下，激光與材料的相互作用驅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，這會影響光束質量，從而影響零件質量和工藝性能——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，表明這種產量與質量的對比存在于更廣泛的范圍內。

　　幸運的是，對于機器制造商來說，有一種方法可以權衡兩者，并打造一個能夠在保持零件質量的同時構建優化工藝產量的機器：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，并提供精確生產工藝控制的功能。

　　2 高性能激光掃描頭和控制

　　AGV-XPO高動態激光掃描頭是Aerotech公司現有產品內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，高效率的電機實現了迅猛的輪廓加速，而超高分辨率的位置反饋和優化的結構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產品在位置抖動方面提供了一個數量級的改進，這一參數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的應用提供最低的噪聲水平。

　　這些結果來自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。相反，它們位于Automation1 GL4 Galvo激光掃描頭線性驅動器中的遠程位置。這種架構提高系統性能的方式是傳統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，這對于任何生產材料處理應用都是必須的。GL4使用線性放大器，這是驅動振鏡電機的最高性能放大器技術，并提供改進的速度控制和位置穩定性(相對于標準脈寬調制(PWM)放大器技術)，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，這就引入了熱穩定性問題。Aerotech的AGV激光掃描頭去掉了散熱電子設備，并將其放置在控制柜中，從而實現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動電子設備。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生和通信100,000個位置命令點，為伺服軸每秒產生20,000個位置命令點。在HyperWire上，Automation1-GL4接收100 kHz的點流，并將點的數量插值到200 kHz，用于200 kHz兩軸激光掃描頭伺服控制器。可以使用各種Automation1伺服電機驅動器，每個驅動器通過HyperWire接收20 kHz的位置命令點流，并直接在驅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，驅動器到驅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能夠如此協調精密激光掃描頭和伺服軸的運動。使用單一控制器驅動激光掃描頭與伺服軸的最高性能協調，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境，而且它還可以由一些獨有的控制器功能來實現更高性能的系統。

　　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備。一個典型的例子是Automation1 Studio應用程序的機器設置向導。如圖3所示，Machine Setup向導允許用戶設置真實的電氣和機械設備，然后將這些設備互連以形成真正的運動軸。

　　圖3 這個示例系統，Aerotech IGM與AGV-HP激光掃描頭，是在 Automation1 Studio’s 機器設置向導中配置的。

　　工廠對激光掃描頭的優化是充分的，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化。Automation1提供廣泛的編碼器反饋調諧和伺服調諧工具，以優化這些軸的性能。

　　一旦軸在伺服控制水平上進行了優化，所要求的位置可能不會導致實現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。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校準文件轉換器等工具簡化了該過程(圖4)。

　　圖4 Aerotech Galvo校準文件轉換器工具使用戶能夠創建和修改校準文件，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量和零件質量。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保持工作，因此增加了生產量。

　　使用IFOV的另一個獨特優勢是，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實時補償動態位置誤差。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量級的伺服工作臺位置誤差。見圖5示例IFOV系統配置。

　　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質量，使用IFOV來指揮運動有助于提高整體零件質量。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。根據激光掃描頭軸的位置，用戶可以調整模擬輸出的電壓。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。

　　當每個電氣設備正確控制各個機械設備時，所有運動軸都經過校準，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。在運動過程中發生的激光加工必須至少考慮到以下幾點:

　　l 激光發射是連續的還是脈沖的?

　　l 激光的功率能被調制嗎?調制的速度有多快?

　　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生的發射事件來管理。

　　圖6 固定距離發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量和高動態精密工藝的生產量。

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

　　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，當激光發射時，O1和O2是具有可配置頻率和固定180°相移的調制信號。當激光器不發射時，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激光器一起工作。第一激光數字輸出(O1)典型地控制激光發射。第二激光數字輸出(O2)用于抑制第一請求的激光脈沖，或者是第一輸出的反轉或相移版本。第三個激光數字輸出(O3)通常用于控制激光的"門"，并且在激光發射期間它始終處于開啟狀態。一些工業激光器需要“撓癢式的”脈沖。因此，當激光門控制關閉時，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控制器可以根據沿部件行進的實際激光光斑距離實時命令激光輸出發射事件。當PSO和激光輸出控制功能配置正確時，01激光輸出變為PSO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。

　　在精密激光生產過程建立并準備在工業機器上運行后，必須開發部件路徑(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PSO和IFOV等激光加工功能，大大提高了零件質量。使用CADFusion，用戶可以導入現有的DWG或DXF文件或從頭開始設計。

　　為了處理激光加工的一些現實情況，CADFusion具有一系列優化性能的部件路徑規劃功能。如下圖9所示，用戶可以在CADFusion中創建零件路徑，并執行更多操作:應用工具，如引入和引出移動，創建過渡移動，如空中書寫，設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新項目或導入現有的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)優化零件路徑。

　　5 結論

　　一款領先的精密自動化機器，提供了自動化運動開發工具包(MDK)的絕大部分優勢，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、調試和優化系統等眾多功能。

　　圖10 Automation1 Studio應用程序包括機器設置向導，MachineApps HMI構建器，先進AeroScript?編程語言和數字示波器(Data Visualizer)，使用戶能夠在一個開發環境中設置，編程和優化伺服和步進電機，精密平臺, 振鏡掃描系統等。

　　Automation1 Studio擁有強大的編程IDE和數據可視化工具，可以同時查看1D和2D數據。Automation1 api包括。net、C和Python。最后，用戶可以使用MachineApps(一個為設備或運動系統快速開發自定義的有效的HMI屏幕的工具)構建自己的自定義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域里領先行業的機器制造商眼中，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境。