許多激光機(jī)器制造商都有搭建系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，包括激光掃描頭和直接或絲桿驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(xué)，這會(huì)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(xué)中心更遠(yuǎn)。幸運(yùn)的是，對于機(jī)器制造商來說，有一種方法可以權(quán)衡兩者，并打造一個(gè)能夠在保持零件質(zhì)量的同時(shí)構(gòu)建優(yōu)化工藝產(chǎn)量的機(jī)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(gè)運(yùn)動(dòng)控制器控制激光掃描頭和伺服平臺的優(yōu)勢

　　許多激光機(jī)器制造商都有搭建系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，包括激光掃描頭和直接或絲桿驅(qū)動(dòng)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(dòng)了組件的選擇和過程控制方法。例如，激光掃描頭的選擇通?；诠に囘^程產(chǎn)量的考慮。然而，激光掃描頭通常使用f-theta光學(xué)，這會(huì)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(xué)中心更遠(yuǎn)。在用戶將需要的時(shí)間和地點(diǎn)將激光能量應(yīng)用于表面時(shí)，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(yùn)的是，對于機(jī)器制造商來說，有一種方法可以權(quán)衡兩者，并打造一個(gè)能夠在保持零件質(zhì)量的同時(shí)構(gòu)建優(yōu)化工藝產(chǎn)量的機(jī)器：Aerotech的高性能激光掃描頭和控制器，它使用單個(gè)控制器進(jìn)行掃描頭和伺服運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jī)實(shí)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(dòng)力學(xué)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(dòng)方面提供了一個(gè)數(shù)量級的改進(jìn)，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(xiàng))為需要極高軌跡精度或利用長焦距光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用提供最低的噪聲水平。

　　這些結(jié)果來自Aerotech的AGV-XPO與Automation1運(yùn)動(dòng)控制平臺的配合。AGV-XPO的控制架構(gòu)是獨(dú)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(dòng)器中的遠(yuǎn)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(yīng)用都是必須的。GL4使用線性放大器，這是驅(qū)動(dòng)振鏡電機(jī)的最高性能放大器技術(shù)，并提供改進(jìn)的速度控制和位置穩(wěn)定性(相對于標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(shí)現(xiàn)更高的性能并減少熱漂移。

　　3 單個(gè)控制器完成對掃描頭和伺服運(yùn)動(dòng)的控制

　　Automation1 iSMC基于軟件的智能運(yùn)動(dòng)控制器 - 是一個(gè)中央運(yùn)動(dòng)引擎，能夠通過HyperWire?運(yùn)動(dòng)控制通信總線生成單個(gè)運(yùn)動(dòng)控制位置流到Automation1激光掃描頭和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備。HyperWire總線以每秒2千兆比特(Gbps)的速度運(yùn)行，位置更新速率為100千赫。Automation- ismc控制器能夠?yàn)榧す鈷呙桀^軸每秒產(chǎn)生和通信100,000個(gè)位置命令點(diǎn)，為伺服軸每秒產(chǎn)生20,000個(gè)位置命令點(diǎn)。在HyperWire上，Automation1-GL4接收100 kHz的點(diǎn)流，并將點(diǎn)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(jī)驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器通過HyperWire接收20 kHz的位置命令點(diǎn)流，并直接在驅(qū)動(dòng)器的伺服控制回路中使用它們。軌跡點(diǎn)是64位雙精度浮點(diǎn)值，即使在單個(gè)HyperWire端口上添加16個(gè)總軸，驅(qū)動(dòng)器到驅(qū)動(dòng)器的抖動(dòng)也能夠小于1納秒。簡單地說，少有更好的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。使用單一控制器驅(qū)動(dòng)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(yīng)用。Aerotech的Automation1控制器平臺是獨(dú)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(dú)有的控制器功能來實(shí)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(gè)控制器功能，用于搭建精密激光材料加工設(shè)備。一個(gè)典型的例子是Automation1 Studio應(yīng)用程序的機(jī)器設(shè)置向?qū)?。如圖3所示，Machine Setup向?qū)г试S用戶設(shè)置真實(shí)的電氣和機(jī)械設(shè)備，然后將這些設(shè)備互連以形成真正的運(yùn)動(dòng)軸。

　　圖3 這個(gè)示例系統(tǒng)，Aerotech IGM與AGV-HP激光掃描頭，是在 Automation1 Studio’s 機(jī)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?yàn)榧す鈷呙桀^軸有一個(gè)恒定的慣性(掃描鏡)。然而，許多機(jī)器制造商在伺服軸上放置定制負(fù)載，這通常需要進(jìn)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(jìn)行了優(yōu)化，所要求的位置可能不會(huì)導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)所需位置目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。這是由激光掃描頭的光學(xué)畸變和用于控制激光掃描頭和伺服運(yùn)動(dòng)軸的光學(xué)反饋裝置的制造公差引起的誤差導(dǎo)致的常見問題。只要錯(cuò)誤是可重復(fù)的，這個(gè)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(zhǔn)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(jī)器制造商可以自行管理這個(gè)過程。同樣，激光掃描頭校準(zhǔn)通常由機(jī)器制造商處理，并且使用Aerotech的GalvoCFC - Galvo校準(zhǔn)文件轉(zhuǎn)換器等工具簡化了該過程(圖4)。

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

　　一旦定位精度被校準(zhǔn)，就可以采取另一個(gè)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(gè)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(yùn)動(dòng)約束)之外，具有單一的XY軌跡。IFOV通過預(yù)處理較大的運(yùn)動(dòng)路徑并將該路徑的較高速度部分分配給激光掃描頭來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。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(jìn)和掃描的運(yùn)動(dòng)，使激光在更大比例的時(shí)間內(nèi)保持工作，因此增加了生產(chǎn)量。

　　使用IFOV的另一個(gè)獨(dú)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(shí)際的伺服平臺位置。這使得激光掃描頭能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償動(dòng)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(yùn)動(dòng)，有助于管理可能比掃描頭位置誤差大幾個(gè)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(yùn)動(dòng)平臺的運(yùn)動(dòng)納入考慮來消除步進(jìn)掃描操作，從而實(shí)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(gè)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(yùn)動(dòng)，可以將激光掃描頭的行程限制在掃描頭的光學(xué)中心。光學(xué)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(diǎn)畸變降低了生產(chǎn)質(zhì)量，使用IFOV來指揮運(yùn)動(dòng)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(dāng)每個(gè)電氣設(shè)備正確控制各個(gè)機(jī)械設(shè)備時(shí)，所有運(yùn)動(dòng)軸都經(jīng)過校準(zhǔn)，激光功率在XY激光掃描頭視野上進(jìn)行校準(zhǔn)，這是開始管理運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生的激光-材料相互作用的時(shí)候 - 換句話說，當(dāng)軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)，管理如何將激光能量應(yīng)用于材料。在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生的激光加工必須至少考慮到以下幾點(diǎn):

　　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(jī)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(shí)際行進(jìn)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(gè)亮點(diǎn)是速度(加速度)的變化不會(huì)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(dòng)態(tài)精密工藝的生產(chǎn)量。

　　觸發(fā)事件通常會(huì)在指定的Automation1伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(gè)觸發(fā)事件進(jìn)行修改。

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

　　圖7 在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的galvo激光模式控制配置中，當(dāng)激光發(fā)射時(shí)，O1和O2是具有可配置頻率和固定180°相移的調(diào)制信號。當(dāng)激光器不發(fā)射時(shí)，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(yùn)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(gè)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(dāng)激光門控制關(guān)閉時(shí)，01和02可以配置一個(gè)待機(jī)周期輸出脈沖。這可以通過將待機(jī)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(yùn)動(dòng)控制平臺的強(qiáng)大功能，并且在一起使用時(shí)更加強(qiáng)大。當(dāng)配置用于IFOV系統(tǒng)時(shí)，Automation1 GL4可同時(shí)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(gè)伺服X軸和一個(gè)galvo X軸合并為單個(gè)軸，并將一個(gè)伺服Y軸和一個(gè)galvo Y軸合并為單個(gè)軸。這使得GL4控制器可以根據(jù)沿部件行進(jìn)的實(shí)際激光光斑距離實(shí)時(shí)命令激光輸出發(fā)射事件。當(dāng)PSO和激光輸出控制功能配置正確時(shí)，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(dāng)位置同步輸出(PSO)和Galvo功能都配置正確時(shí)，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(zhǔn)備在工業(yè)機(jī)器上運(yùn)行后，必須開發(fā)部件路徑(或輪廓)。因?yàn)锳utomation1控制器默認(rèn)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(jì)算機(jī)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(yùn)動(dòng)應(yīng)用，如玻璃切割或鉆孔。該工具CADFusion?降低了實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)，并確保Automation1控制器的最佳性能和精確性。它通過幫助用戶實(shí)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(dǎo)入現(xiàn)有的DWG或DXF文件或從頭開始設(shè)計(jì)。

　　為了處理激光加工的一些現(xiàn)實(shí)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(yīng)用工具，如引入和引出移動(dòng)，創(chuàng)建過渡移動(dòng)，如空中書寫，設(shè)置零件路徑的重復(fù)部分，并使用Catalog Manager自動(dòng)應(yīng)用過程工具控制語法，包括PSO。然后，只需單擊一個(gè)按鈕，就可以導(dǎo)出在Automation1控制器上運(yùn)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(xiàng)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(dòng)工具(右，頂部)，天空書寫(右，中間)和其他工具欄項(xiàng)(右，底部)優(yōu)化零件路徑。

　　5 結(jié)論

　　一款領(lǐng)先的精密自動(dòng)化機(jī)器，提供了自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)開發(fā)工具包(MDK)的絕大部分優(yōu)勢，包括工作室應(yīng)用程序，Automation1 api和Automation1 MachineApps基于windows的自定義人機(jī)界面工具。Automation1 Studio應(yīng)用程序(圖10)作為一個(gè)單個(gè)的應(yīng)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(yīng)用程序包括機(jī)器設(shè)置向?qū)В琈achineApps HMI構(gòu)建器，先進(jìn)AeroScript?編程語言和數(shù)字示波器(Data Visualizer)，使用戶能夠在一個(gè)開發(fā)環(huán)境中設(shè)置，編程和優(yōu)化伺服和步進(jìn)電機(jī)，精密平臺, 振鏡掃描系統(tǒng)等。

　　Automation1 Studio擁有強(qiáng)大的編程IDE和數(shù)據(jù)可視化工具，可以同時(shí)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(gè)為設(shè)備或運(yùn)動(dòng)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(jī)器制造商將其品牌應(yīng)用于機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域里領(lǐng)先行業(yè)的機(jī)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(gè)運(yùn)動(dòng)控制的工作環(huán)境。