靈活的解決方案之激光的智能控制提高大型工件的加工效能

作者：Eva Jubitz，錢惠紅，趙佳蔚，德國SCANLAB公司

圖1：集成了XLSCAN和動態(tài)z軸的系統(tǒng)對三維工件進行無限掃描

在很多微加工應用中，人們需要對大幅面進行高精度加工。傳統(tǒng)的高精度掃描系統(tǒng)必須配置短焦距的光學組合得以實現(xiàn)。然而，短焦距意味著有限的掃描幅面。為了克服這個難題，SCANLAB和ACS運動控制公司聯(lián)合研發(fā)了XLSCAN解決方案，通過同步控制掃描頭和XY平臺來實現(xiàn)快速、精準的掃描.有了XLSCAN，加工區(qū)域僅受機械軸的行進路徑限制, 因此加工幅面在理想狀態(tài)下可以擴展到無窮大.眾多應用案例已表明, 掃描頭和XY工作臺的聯(lián)動加工可以大幅度提高產能[1].

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新型伺服控制方法助力更高精度

在傳統(tǒng)的同步控制掃描頭和XY工作臺的系統(tǒng)中, 相對高速運動的掃描頭會對低速的運動平臺帶來的位置偏差進行實時補償。質量慣性及各系統(tǒng)的伺服控制回路設計會引起跟蹤誤差（即響應延遲），這意味著實際位置會暫時偏離設定位置。只有在經過一定時間后，且在引發(fā)的系統(tǒng)瞬時振動之后，運動點才能到達所設定的位置. 由此可見，由于時間滯后而引起的偏差這一物理約束明顯降低了系統(tǒng)精度. 在實際加工過程中，人們也嘗試通過預估值來推算低速運動的XY平臺可能產生的偏差. 但是這種方法只對低速且無中斷的平臺運動有效.當運動路徑出現(xiàn)拐角, 該方法產生的定位偏差將尤其明顯。

XL SCAN采用全新的控制方法。它的syncAXIS控制軟件應用了智能過濾器來控制掃描頭和XY工作臺，從而讓每一個系統(tǒng)的物理約束在集成軌跡規(guī)劃的最開始就被考慮在內. 整個XLSCAN系統(tǒng)的跟蹤誤差為0。兩個系統(tǒng)（運動平臺和掃描頭）的位置都可以在非常短的周期內（10μ）以微米級的精度相互協(xié)調。這使得XL SCAN的精度領先于市場上其他由同步掃描頭和XY工作臺組成的聯(lián)動控制解決方案. 在高速工作的情況下， XL SCAN的優(yōu)勢更加明顯. 正因為整個系統(tǒng)的振蕩得以消除，XL SCAN的精度僅受單個系統(tǒng)（即掃描頭或運動平臺）的精度的限制。

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延伸出的激光控制技術

syncAXIS控制軟件的軌跡規(guī)劃不僅僅增強同步控制精度，它還可以實現(xiàn)對先進的超短脈沖（USP）激光器的更多樣的精確管理和調整。加工圖案的準確執(zhí)行完全由用戶自行構造配置, 我們也提供諸多選項可供用戶選擇. 例如，操作員可以給加工圖像設定各種軌跡參數(shù)，如脈沖間隔, 單個激光光斑強度和可容許的轉角圓弧度等等。

光斑距離控制（SDC）也是該系統(tǒng)的亮點之一。它使得作用在工件上的激光脈沖間隔穩(wěn)定且可控.傳統(tǒng)的脈沖控制系統(tǒng)依賴于估算和推斷定位，使得系統(tǒng)分辨率受物理層面的約束.由于XLSCAN系統(tǒng)的跟蹤誤差為0，激光脈沖沿掃描路徑的精確定位輸出完全符合用戶設定的脈沖間距。

圖2：不使用軌跡計劃的加工路徑

光斑間隔控制（SDC）功能的分辨率64 MHz.對于典型的500 kHz激光頻率，這意味著在理想狀態(tài)下, 最大脈沖間隔偏差約為1.5%。圖2顯示了傳統(tǒng)系統(tǒng)的加工路徑，而圖3顯示了光斑間隔控制支持下的運動軌跡規(guī)劃

圖3: 在SDC和軌跡規(guī)劃下的恒定間距的脈沖輸出。

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利落的邊緣和連貫的加工

特別是對于切割應用，穩(wěn)定的脈沖間隔對于加工結果和切割邊緣的質量至關重要。其他具有脈沖控制的系統(tǒng)僅允許通過兩個脈沖的中間點來定義兩個脈沖之間的距離. 而XLSCAN的脈沖控制方式以考慮精度為優(yōu)先條件.它允許激光脈沖間隔不僅可以根據(jù)激光路徑中心線來調整，而且可以根據(jù)光斑路徑內部或外部輪廓來調整.這確保了均勻的能量分布和工件邊緣的精確加工. 在圖4中，工件邊緣激光脈沖的等間隔分布（藍線）描述了這一功能. 對于敏感的工件材料（例如薄膜）, 這種方法可以避免燒焦和切割不均勻.

圖4：沿工件邊緣由SDC產生等距激光脈沖

即使使用遠心鏡頭，作用在工件上的激光光斑大小還是會隨著掃描頭內鏡片的偏轉角度而變化. XL SCAN的軌跡規(guī)劃可以根據(jù)偏轉角度調整激光參數(shù)。這種情況下即便光斑大小在沿著激光路徑有很小的變化,其能量密度也能保持不變.因此，激光在薄膜和其他材料上的均勻加工得以實現(xiàn).

圖5：偏轉角度與所得光斑大小之間的關系

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產能最優(yōu)化與并行化

前瞻性軌跡規(guī)劃不僅提供精確的、無跟蹤差錯的加工，而且還結合用戶特定的公差限度充分發(fā)掘系統(tǒng)的最大能動性, 讓系統(tǒng)待用時間得到最小化. 當傳統(tǒng)的系統(tǒng)執(zhí)行凌空書寫時，激光器會在掃描頭加速階段完成之后才打開, 以保證激光加工速度恒定.XLSCAN的軌跡規(guī)劃通過提前考慮物理約束和定義公差，避免了動用凌空書寫。這樣一來，因激光路徑復雜而產生的頻繁的加速以及其所耗時間得以避免和節(jié)省，有效提高了產能。

工藝步驟的并行化提高了產量并降低了成本。目前，單個XL SCAN可以同時控制多達四個掃描頭，我們還在計劃擴展更多掃描頭。

圖6：靈活配置的XL SCAN多頭系統(tǒng)

在多頭系統(tǒng)中的掃描頭可以靈活布置和配置.除了圖6所示的布局之外,還可以橋接四個彼此相鄰的掃描儀. 各掃描頭之間能夠實時同步，保證了整個系統(tǒng)的精度。這樣的布局實現(xiàn)了多個工件的并行加工。如此一來，用戶可以自由地調整各個掃描頭下的工件方位與方向，使得用戶對工件的定位和方向進行自動檢測（例如圖像識別）得以完成.若在XL SCAN上再附加一個機械軸，那么掃描頭之間間距也可以在軟件中修改和定義。

配置了多個掃描頭的系統(tǒng)對大幅面材料的加工（例如觸摸顯示器的制造）極具吸引力. 從液晶顯示器（LCD）到有機發(fā)光二極管（OLED）的技術轉變需要新的制造方法.而對于這些應用，激光切割尤其表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢：在提高產量的同時，還能使切割邊緣有更高的精度。另外，產品尺寸的設計和加工也有更高的靈活性。

首批XL-SCAN系統(tǒng)已經在多個大規(guī)模生產環(huán)境投入運行-包括在中國。

翻譯：李國忠，本刊編輯

校對：Huihong Qian博士，Jiawei Zhao女士，SCANLAB GmbH

SCANLAB GmbH

Email info@scanlab.de

Internet www.scanlab.de/en

參考

References:

[1] H. Schlüter, Ze’ev Kirshenboim: “Large field scanning solution enables precision for large processing areas”; Lane 2018; Published by BayrischesLaserzentrum GmbH