激光制造技术是结合光学、机械、电子电机、计算机等科学与技术整合成的一项新技术,其已在现今社会中被广泛的应用。根据国际激光产业权威《LASER FOCUS WORLD》与《Industrial Laser Solution》于2013年初统计数据显示,全球激光产品销售已经回到2008年的水平并呈现增长的趋势。在全球激光材料加工领域中,近几年以金属加工的产值占多数,应用端又以激光打标与画线等属于表面处理的,占的最多为42%,激光切割与焊接分占为第二与第三,合占整体材料加工应用的34%,其应用在汽车、航天航空、电子、机械、钢铁等金属钣金产业。而在GI (Global Information)于2012年底所发表的「Global and China Laser Equipment and Processing Industry Report, 2012-2014」报告书中指出,全球激光设备市场一般预计2011年将由2010年约74亿美金以14%的速度成长,2012则成长约2%。
以中国市场而言,激光设备的市场在2011年略微超过全球市场的成长率。从宏观经济的影响来看,虽然中国针对机械产业、重工业的激光加工市场缩小了,但小型、中型激光加工市场则在成长。由于中国在全球制造业上扮演中心的角色,其对激光机械的需求也相当巨大,尤其是汽车、半导体、电子产业具有很大的潜在性需求。中国的加工产业,精密金属零件加工及激光开孔加工占了加工服务整体的60%。
就应用层面而言,激光精密加工及切割已被应用在如太阳能晶硅切割、手机面板切割、半导体晶圆切割,Laser CNC等精密加工上面。对于运动控制产品来说,如何克服传统切割上的精度与微米处理;如何可以很容易切割任何图形,并达到其精度的平滑效果;如何对于极微小的图形也能不受空间限制而完成;如何可以调整能量强度来-满足不同材质上切割,而呈现出有层次感的效果,这些都是高端运动控制产品所面临的新挑战。
在本文中将讨论如何克服精密激光加工时所遭遇的新挑战,以及经实例证明的解决方案。
挑战一:激光切割精准度不佳
激光功率的调整大多都以频率 + 占空比方式控制,所以在位移上控制需要实时与精准的变换,不同的速度要有不同的功率,但在图形切割时都会产生不同的速度。在速度急剧下降,激光功率来不及变换时候,会导致有过融现象发生,如图一所示。 又因为激光控制大多以PWM的方式控制,PWM控制是以改变占空比的方式进行,所以对于固定速度会有较好的表现,但是如果速度提高,激光的频率会有来不及出光问题,则反应于切割时会产生烧融均匀度不佳的情况发生,如图二所示。 挑战二:运动轨迹在高精度下不易达到
切割系统在移动中都需要讲究路径的准确性,所以马达的控制需要很好,这样切割的图形才不会变形,如图三、图四所示;因此控制如用开环 (脉冲, 步进)方式,会导致跟随度无法实时补正;如要达到高精度的要求唯有使用闭环 (速度, 扭矩)控制才可以达到要求。但是闭环控制需要经过PID调整,才会有较佳的跟随效果。然PID的调教往往需要花费很长时间,相当费时。 挑战三:激光功率不易调整
目前切割的对象大多为多层材质(太阳能板、手机屏幕触碰膜),需要使用不同的功率进行切割;但因市场上的激光专用控制器的激光调整(VAO Table)都只有一组,在切割的功率上不易切换与调整,导致目前只能将切割路径依材质层重复切割,以达到所需的要求。然而如此将造成产能速度无法提升。 [page]
挑战四:速度规划旷日费时
由于激光加工图形复杂,简单的速度规划已无法满足加工切割结果,如手机触控模切割,在大多状况下是使用Spline曲线,或者是较长的几何线与弧线,如果无法精准做速度控制会导致机构加减速震动或图形严重变形(如过切与抖动),如图五所示。因机台设计人员大多仅提供图形点表(position),并无速度规划的数据,所以需要以人工操作方式规划速度,一方面设计流程旷日费时,且如遇规划错误时则需重新修正,也将造成产能无法提升。 综合以上激光加工所遇到的瓶颈,新一代的运动控制卡是如何应对挑战?
实时呈现PWM控制能力
传统运动控制卡的PWM控制,均采用Duty单一控制方式,且通过软件控制,会面临无法实时且稳定控制PWM的时序。为了应对不同速度与不同图形,新一代运动控制卡采用更多种控制方式,包含频率调变(Frequency Modulation)、带宽调变(duty Modulation)、混合调变(Blend Modulation),如图六所示,此控制方式会由硬件控制来完成,此PWM能在各种切割速度下呈现出不同能量的表现,因此需建立一对应的能量表,以防止发生『过融现象』,此能量控制就称(VAO),如图七所示。 Multi-VAO方便动态切换
PWM采用Multi-VAO方式方便因切割材质的不同,达到深浅切割效果,让路径切割可以一次完成,无须重复路径再切割,如图八所示;大幅缩短生产时间,也提供生产效能。 精确的运动轨迹跟随与简易PID调教
为了达到更好更精确的切割图形,新一代高端运动控制卡采用全闭回路(Full close loop)方式控制,并达到更小的Error count误差,在整体上相比一般控制卡有较高性能,跟随能力误差都相当小,如图九所示。为了达到高精确的跟随能力,需采用PID控制系统,但为了缩短PID调教时程,用户可通过Easy tuning的程序辅助,在短时间内调出最佳PID参数设定,如图十所示,可大幅提升性能,并简化操作性![page] 自动速度规划与图形路径规划
通过Softmotion的算法,新一代运动控制卡可根据用户所提供的图形数据,自动规划出优化图形路径规划,以缩短不必要的路径并提升切割速度与平滑度。如此一来可减少不必要的重复,大大的提升产能。 利用Softmotion内的前瞻规划(LookAhead)功能,当运动轨迹有较大角度的转折时,Softmotion会自动计算并提早降速,让机构可以顺应平滑的速度,平顺的完成轨迹的移动。如此复杂功能的实现,用户仅需要输入3个系统参数,分别是「最大速 (Max. Velocity)」、「最大加速度 (Max. Acceleration)」以及「容许误差量 (Tolerance)」(如图十二)。通过Softmotion的内部规划,即可达成复杂图形的轨迹运动。 实证绩效
通过以上几点新功能与新技术的研发,证明凌华科技新一代的运动控制卡在激光切割效果上有很好的表现,其速度规划都让机构有最佳的跟随性,使得整体加工误差被控制在极小范围内。 表一为实际测试设备规格如下,机构部分采用伺服马达(Servo Motor)及滚珠导螺杆(Ball Screw),最大运动速度为800 (mm/s)。经过凌华科技Easy-Tuning软件调试后,取得优化闭回路PID参数,使得整体机台的控制表现在±2误差单位 (在此物理量为5um)。 [page]
因加工是由4,500个小线段所组成的图形(如图十三),并特别取得四个弯角段及四段长直线段的误差数据(如表二),而整体激光加工的弯角轨迹误差小于2.2um,长直线端的轨迹误差更小于0.5um。 通过以下区域放大图片中,可清楚的看到激光能量是均匀地控制在一定范围,并显示实际加工轨迹是平滑无抖动。也由此可左证凌华科技新一代的运动控制卡不仅能实现一般多轴插补运动,同时可实现在如激光切割等复杂的图形加工。而板上所实现的实时激光强度与回馈速度追随,更可有效节省系统CPU资源,并保证其加工效能。 凌华科技高端运动控制卡PCI-8254/8258,具备高性能的运动控制表现,采用最新的DSP与FPGA技术,可以提供高速、高性能的混合模拟与脉冲序列运动指令。通过硬件实现闭回路PID含前馈增益控制,伺服更新率可高达20kHz。通过程序下载,最高可同步实时执行八种独立任务。凌华科技免费提供易于使用的应用工具,包含丰富的运动控制应用函数,以及用户诊断及操作接口,可实现高速度、高精度的运动控制能力。借助凌华科技Softmotion技术,使用者大幅减少了开发的时间,并提供卓越的同步运动控制性能,可为机台设备商使用者节省高达25%至50%的成本。
总结
激光加工产业在未来将与人们的生活更为接近,如汽车钣金、手机及电视面板与外壳,甚至是医疗相关的假牙成型及人体有关的医疗激光等应用。激光加工的高效率也更能符合节能减排的要求。各国均已投入大量资源,以求在相关技术上有领先性的突破。以大中华地区而言,超过200家不同的激光设备厂商也争相抢食市场大饼,但在面对欧美高端设备时,软件实力的整合,将左右这些厂商的市场地位,提升加工质量争取更高的设备毛利率。凌华科技凭借超过10年运动控制技术,以及与厂商多年的应用合作经验,成功开发出同步性运动与激光控制技术,将复杂的速度规划及激光强度计算都置于运动控制卡片上,使得用户可以自行规划CAM的路径,但不需要担心复杂的数学计算,以达到同中求异的市场加值成效。未来加工路径也将由2D升级为3D制造,将执行如目前CNC工具机所做的加工应用,并会有更佳的加工表面工艺。
关键字:精密激光加工 运动控制
引用地址:实现精密激光加工应用的运动控制新挑战
就应用层面而言,激光精密加工及切割已被应用在如太阳能晶硅切割、手机面板切割、半导体晶圆切割,Laser CNC等精密加工上面。对于运动控制产品来说,如何克服传统切割上的精度与微米处理;如何可以很容易切割任何图形,并达到其精度的平滑效果;如何对于极微小的图形也能不受空间限制而完成;如何可以调整能量强度来-满足不同材质上切割,而呈现出有层次感的效果,这些都是高端运动控制产品所面临的新挑战。
在本文中将讨论如何克服精密激光加工时所遭遇的新挑战,以及经实例证明的解决方案。
挑战一:激光切割精准度不佳
激光功率的调整大多都以频率 + 占空比方式控制,所以在位移上控制需要实时与精准的变换,不同的速度要有不同的功率,但在图形切割时都会产生不同的速度。在速度急剧下降,激光功率来不及变换时候,会导致有过融现象发生,如图一所示。 又因为激光控制大多以PWM的方式控制,PWM控制是以改变占空比的方式进行,所以对于固定速度会有较好的表现,但是如果速度提高,激光的频率会有来不及出光问题,则反应于切割时会产生烧融均匀度不佳的情况发生,如图二所示。 挑战二:运动轨迹在高精度下不易达到
切割系统在移动中都需要讲究路径的准确性,所以马达的控制需要很好,这样切割的图形才不会变形,如图三、图四所示;因此控制如用开环 (脉冲, 步进)方式,会导致跟随度无法实时补正;如要达到高精度的要求唯有使用闭环 (速度, 扭矩)控制才可以达到要求。但是闭环控制需要经过PID调整,才会有较佳的跟随效果。然PID的调教往往需要花费很长时间,相当费时。 挑战三:激光功率不易调整
目前切割的对象大多为多层材质(太阳能板、手机屏幕触碰膜),需要使用不同的功率进行切割;但因市场上的激光专用控制器的激光调整(VAO Table)都只有一组,在切割的功率上不易切换与调整,导致目前只能将切割路径依材质层重复切割,以达到所需的要求。然而如此将造成产能速度无法提升。 [page]
挑战四:速度规划旷日费时
由于激光加工图形复杂,简单的速度规划已无法满足加工切割结果,如手机触控模切割,在大多状况下是使用Spline曲线,或者是较长的几何线与弧线,如果无法精准做速度控制会导致机构加减速震动或图形严重变形(如过切与抖动),如图五所示。因机台设计人员大多仅提供图形点表(position),并无速度规划的数据,所以需要以人工操作方式规划速度,一方面设计流程旷日费时,且如遇规划错误时则需重新修正,也将造成产能无法提升。 综合以上激光加工所遇到的瓶颈,新一代的运动控制卡是如何应对挑战?
实时呈现PWM控制能力
传统运动控制卡的PWM控制,均采用Duty单一控制方式,且通过软件控制,会面临无法实时且稳定控制PWM的时序。为了应对不同速度与不同图形,新一代运动控制卡采用更多种控制方式,包含频率调变(Frequency Modulation)、带宽调变(duty Modulation)、混合调变(Blend Modulation),如图六所示,此控制方式会由硬件控制来完成,此PWM能在各种切割速度下呈现出不同能量的表现,因此需建立一对应的能量表,以防止发生『过融现象』,此能量控制就称(VAO),如图七所示。 Multi-VAO方便动态切换
PWM采用Multi-VAO方式方便因切割材质的不同,达到深浅切割效果,让路径切割可以一次完成,无须重复路径再切割,如图八所示;大幅缩短生产时间,也提供生产效能。 精确的运动轨迹跟随与简易PID调教
为了达到更好更精确的切割图形,新一代高端运动控制卡采用全闭回路(Full close loop)方式控制,并达到更小的Error count误差,在整体上相比一般控制卡有较高性能,跟随能力误差都相当小,如图九所示。为了达到高精确的跟随能力,需采用PID控制系统,但为了缩短PID调教时程,用户可通过Easy tuning的程序辅助,在短时间内调出最佳PID参数设定,如图十所示,可大幅提升性能,并简化操作性![page] 自动速度规划与图形路径规划
通过Softmotion的算法,新一代运动控制卡可根据用户所提供的图形数据,自动规划出优化图形路径规划,以缩短不必要的路径并提升切割速度与平滑度。如此一来可减少不必要的重复,大大的提升产能。 利用Softmotion内的前瞻规划(LookAhead)功能,当运动轨迹有较大角度的转折时,Softmotion会自动计算并提早降速,让机构可以顺应平滑的速度,平顺的完成轨迹的移动。如此复杂功能的实现,用户仅需要输入3个系统参数,分别是「最大速 (Max. Velocity)」、「最大加速度 (Max. Acceleration)」以及「容许误差量 (Tolerance)」(如图十二)。通过Softmotion的内部规划,即可达成复杂图形的轨迹运动。 实证绩效
通过以上几点新功能与新技术的研发,证明凌华科技新一代的运动控制卡在激光切割效果上有很好的表现,其速度规划都让机构有最佳的跟随性,使得整体加工误差被控制在极小范围内。 表一为实际测试设备规格如下,机构部分采用伺服马达(Servo Motor)及滚珠导螺杆(Ball Screw),最大运动速度为800 (mm/s)。经过凌华科技Easy-Tuning软件调试后,取得优化闭回路PID参数,使得整体机台的控制表现在±2误差单位 (在此物理量为5um)。 [page]
因加工是由4,500个小线段所组成的图形(如图十三),并特别取得四个弯角段及四段长直线段的误差数据(如表二),而整体激光加工的弯角轨迹误差小于2.2um,长直线端的轨迹误差更小于0.5um。 通过以下区域放大图片中,可清楚的看到激光能量是均匀地控制在一定范围,并显示实际加工轨迹是平滑无抖动。也由此可左证凌华科技新一代的运动控制卡不仅能实现一般多轴插补运动,同时可实现在如激光切割等复杂的图形加工。而板上所实现的实时激光强度与回馈速度追随,更可有效节省系统CPU资源,并保证其加工效能。 凌华科技高端运动控制卡PCI-8254/8258,具备高性能的运动控制表现,采用最新的DSP与FPGA技术,可以提供高速、高性能的混合模拟与脉冲序列运动指令。通过硬件实现闭回路PID含前馈增益控制,伺服更新率可高达20kHz。通过程序下载,最高可同步实时执行八种独立任务。凌华科技免费提供易于使用的应用工具,包含丰富的运动控制应用函数,以及用户诊断及操作接口,可实现高速度、高精度的运动控制能力。借助凌华科技Softmotion技术,使用者大幅减少了开发的时间,并提供卓越的同步运动控制性能,可为机台设备商使用者节省高达25%至50%的成本。
总结
激光加工产业在未来将与人们的生活更为接近,如汽车钣金、手机及电视面板与外壳,甚至是医疗相关的假牙成型及人体有关的医疗激光等应用。激光加工的高效率也更能符合节能减排的要求。各国均已投入大量资源,以求在相关技术上有领先性的突破。以大中华地区而言,超过200家不同的激光设备厂商也争相抢食市场大饼,但在面对欧美高端设备时,软件实力的整合,将左右这些厂商的市场地位,提升加工质量争取更高的设备毛利率。凌华科技凭借超过10年运动控制技术,以及与厂商多年的应用合作经验,成功开发出同步性运动与激光控制技术,将复杂的速度规划及激光强度计算都置于运动控制卡片上,使得用户可以自行规划CAM的路径,但不需要担心复杂的数学计算,以达到同中求异的市场加值成效。未来加工路径也将由2D升级为3D制造,将执行如目前CNC工具机所做的加工应用,并会有更佳的加工表面工艺。
上一篇:机器人助力实验室自动化
下一篇:ABB机器人在照明开关装配线上应用案例
推荐阅读最新更新时间:2024-05-02 23:25
基于DSP的伺服运动控制器研究与开发
1 引 言 运动控制器是数控机床、机器人等一类机电一体化设备中常用的核心运动控制部件。现代数控技术对运动控制系统的开放性、实时性、加工速度和精确度等性能指标提出了越来越高的要求。随着集成电路技术、微电子技术、计算机技术不断发展,运动控制器已经从以单片机、微处理器和专用芯片作为核心的运动控制器发展到基于PC机平台的以数字信号处理器(DSP)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)作为核心处理器的协处理架构的开放式运动控制器。这种将P C机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器很强的运动轨迹控制能力有机地结合在一起,具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确和通用性好的特点。这种模式在一个统一的人机对话平台上,通过DSP算法和
[嵌入式]
精密运动控制器LM628的应用设计
引言 神经网络技术是自动控制方法发展的重要方向之一,目前已广泛地应用于过程控制、机器人控制、生产制造、模式识别等领域。由于神经网络理论的计算量较大,对硬件的要求较高,神经网络理论系统一般十分昂贵。近年来随着集成 电路 飞速发展,基于神经网络理论的控制系统可以用微处理器和专用的大规模集成 电路 来实现。这样就大大降低了系统的成本。大规模集成芯片LM628是美国国家半导体公司生产的专用精密运动控制器,具有16位的可编程数字PID调节器,可经增量码盘反馈构成位置闭环,并能对位置误差实行PID运算。利用LM628和微处理器可实现低成本、高精度神经元PID伺服系统。 LM628主要特点如下:32bit位置、速度、加速度
[模拟电子]
ACS多轴运动控制系统应用
为了满足当今半导体产业的最高的多轴自动化应用的需求,工程师们转而朝向把最好的集成和基于网络的控制属性的运动控制平台方向。 许多先进机器的控制平台,即基于网络和集中控制开始看到从自动化领域里广泛的实践,因为它们需要大量的处理能力和通信带宽,这在几年前微处理器和网络技术是无法实现的。 在高端多轴自动化行业很多人知道,从20世纪90年代以来的集中式多轴控制器的好处。 使用中央高速处理器,处理协调多轴运动控制已被证明为确定性数字伺服控制的有效架构,使最快的更新率和精密的同步。 另外,网络结构,如CANopen网络的,已经成功地实践在了太阳能电池板划线,半导体制造和通用自动化应用中等需要可扩展性,开放的多厂商和设备,对成本控制敏感的
[嵌入式]
开发视觉导引运动控制系统
开发视觉导引运动系统概述 过去几年里,运动控制系统已经把机器视觉作为其关键部分。越来越多的工程师和科研人员认识到当前的机器视觉技术和运动控制技术相结合对于解决复杂应用问题有相当大的帮助。软硬件技术的发展也促进了运动控制和机器视觉系统的结合,并降低了它们的开发难度和开发成本。在设计这种系统时,了解目前的技术发展、方法以及开发工具会对您的工作提供很大的帮助。 当您开发一个视觉导引运动控制系统时,有很多方面需要考虑。其中重要的一点就是如何建立该系统。比如一个视觉导引运动控制系统用于在移动电话上安装机盖,每次电话的位置和方向可能有所不同。为了使问题变得简单,假定移动电话放置在X-Y-Theta工作台来校正位置以及方向。视
[模拟电子]
适用于任何机器人的Elmo终极多轴运动控制解决方案
中科新松有限公司在第一代协作机器人的设计和研发中整合了Elmo的终极多轴运动控制解决方案 中国的机器人公司“新松”全面采用Elmo终极的运动控制解决方案作为第一代协作机器人的设计,该设计解决了新一代产品研发中遇到的诸多挑战。 想象一下一个机器人完美地模拟一位太极拳大师的动作,动作精准、平滑、充满力感。
考虑一下在真实的工厂里面一个集成协作机器人与人类员工合作的重要意义,这种协作还要满足严苛和强制的安全约束条件。 采用了Elmo独一无二的、高级的伺服驱动技术,这家在中国机器人和自动化领域领先的公司刚刚完成第一代人机协作的工厂自动化机器人的自主研发。 Elmo提供了超小型、功能强大的基于网络型的伺服驱动器,这
[机器人]
NI推出SoftMotion模块,简化高级运动控制应用
美国国家仪器有限公司(National Instruments,简称NI)近日推出最新LabVIEW NI SoftMotion模块,有效简化了高级单轴和多轴运动的应用的开发过程。全新NI C系列模块将NI CompactRIO可编程自动化控制器(PAC)平台拓展到可与成百上千个NI和第三方供应商的伺服和步进驱动器相连接。这两个对NI运动系列产品的补充将LabVIEW图形化编程的简单易用性和I/O功能与基于可编程门逻辑阵列(FPGA)的CompactRIO硬件的用户自定义以及同步功能结合在一起,是高级运动应用的理想平台。 LabVIEW NI SoftMotion 采用高级功能块API (应用程序接口) 便于编
[测试测量]
国产机器人领域的一大痛点:运动控制器的自主可控
高性能工业机器人作为核心装备,一直被国外品牌垄断,而运动控制器的自主可控一直是国产机器人领域的一大痛点。 日前,由实时侠智能控制技术有限公司(下称“实时侠”)研制的全球首款单芯片多轴驱控一体运动控制器(简称SCIMC)完成了技术验证,即将在8月底举行的上海世界人工智能大会(WAIC)上亮相发布。 这款产品将摆脱对英特尔X86处理器、微软Windows操作系统的依赖,以完全独立开发的运动规划、电机控制、通信、应用软件等IP模块,真正实现自主可控技术,打破国外品牌长期占据运动控制器高端市场的格局。 智能制造的核心技术 凯文·凯利在《失控》一书中写道:“布鲁克斯总结了设计移动式机器人的五条经验,其中就包括传
[嵌入式]
要知道运动控制它很强!
概述
EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统,EtherCAT名称中的CAT为Control Automation Technology(控制自动化技术)首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准,同时,它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步,可选线缆冗余,和功能性安全协议(SIL3)。
原理
目前有多种用于提供实时功能的以太网方案:例如,通过较高级的协议层禁止CSMA/CD存取过程,并使用
[嵌入式]
小广播
热门活动
换一批
更多
最新嵌入式文章
更多精选电路图
更多热门文章
更多每日新闻
- PC产业驶入创新超车道,英特尔蓉城撬动AI新引擎
- 与产业聚力共赢,英特尔举行新质生产力技术生态大会
- “新”享5G-A万兆网络前沿体验 高通携手产业伙伴亮相第二届链博会
- 英飞凌推出符合ASIL-D标准的新型汽车制动系统和电动助力转向系统三相栅极驱动器 IC
- 南芯科技推出80V升降压转换器,持续深耕工业储能市场
- 法雷奥与罗姆联合开发新一代功率电子领域
- 贸泽电子开售能为电动汽车牵引逆变器提供可扩展性能的 英飞凌HybridPACK Drive G2模块
- 德州仪器新型 MCU 可实现边缘 AI 和先进的实时控制, 提高系统效率、安全性和可持续性
- 瑞萨推出高性能四核应用处理器, 增强工业以太网与多轴电机控制解决方案阵容
- 研华全新模块化电脑SOM-6833助力5G路测设备升级
更多往期活动
厂商技术中心