摘要：激光精密加工及切割已被應用在如太陽能晶矽切割、手機麵板切割、半導（dǎo）體晶圓切割，Laser CNC等精密加工上麵。如何通（tōng）過調整能量強度來滿足不同材質上切割（gē），而呈現出有層次感的（de）效果，這些都是高端運動控製產品所麵臨的新挑戰。在（zài）本文中將討論（lùn）如何克（kè）服精密激光（guāng）加工（gōng）時所遭遇的新挑戰，以及通過實例證明的解決方案。

     激（jī）光製造技術是結（jié）合光學（xué）、機械、電子電機、計算機等科（kē）學（xué）與（yǔ）技術整合成的一（yī）項新技術，其已在現今（jīn）社會中被廣泛（fàn）的（de）應用。根（gēn）據國際激光產業權威《LASER FOCUS WORLD》與《Industrial Laser Solution》於2013年初統計數據顯示，全球激光產品銷售已經回到2008年的水平並呈現增長的趨勢。在全球激光材料加工領域中，近幾年以金屬加（jiā）工的產值（zhí）占多（duō）數，應用（yòng）端又以激光打標與畫（huà）線等屬於表麵處理的（de），占的最多為42%，激光（guāng）切割與焊接分占（zhàn）為第二與第三，合占整體材料加工應用的34%，其應用在汽車、航天航空、電子、機械、鋼鐵等金屬鈑金產業。而在GI (Global Information)於2012年（nián）底所（suǒ）發表的「Global and China Laser Equipment and Processing Industry Report, 2012-2014」報告書中指（zhǐ）出，全球（qiú）激光設備市場一般預計（jì）2011年將由2010年約74億美金以14%的速度成長，2012則（zé）成長約2%。

      以中國市場而言，激光設備的市場在2011年略微超過全球市場（chǎng）的成（chéng）長率。從宏觀（guān）經濟的影響來看，雖然中國針對機械產業、重工業的激光加工市場縮小了，但小型、中型激光加工市（shì）場則在成長。由於中國在全球製（zhì）造業上扮演中心的角色，其對激光機械的需求也相當巨大（dà），尤其是汽車、半（bàn）導體、電子產業具有很（hěn）大的潛在性（xìng）需求。中國的加工產業，精密金屬零件加工及激光開孔加工占了加工服務整體的60%。

      就應用（yòng）層麵而言，激光精密加工及切割已被應用在如（rú）太陽能晶矽切割、手機麵板切割、半導體晶圓切割，Laser CNC等精密加工上麵。對於運（yùn）動控製產品來說，如何克服傳統切割上的精度與微米處（chù）理（lǐ）；如何可以很容易切割（gē）任何圖形（xíng），並達到其精度的平滑效果；如何對於極微小的圖形也能不受空間限製而完成；如何可以調（diào）整能量強度來-滿足不（bú）同材質上切割，而呈現出有層（céng）次感的效果，這些都是高端（duān）運動（dòng）控製產品所麵臨的（de）新挑戰。

      在本文中將討論如何克服精密激光加工時所（suǒ）遭遇的新挑戰，以及經實例證明的解決方案。

      挑戰一：激光切割精準度不佳

      激光（guāng）功率的調整大多都以頻率 + 占空比（bǐ）方式（shì）控製，所以在位移上控製需要實時與精準的變換，不同的速度要有不同的功率，但在圖形（xíng）切割時都（dōu）會產（chǎn）生不同的速度。在速度急劇下降，激光功率來不及變換時候，會導致有過融（róng）現（xiàn）象發生，如圖一所示。

      又因為激光控製大多以PWM的方式控製，PWM控製是以改變（biàn）占空比的方式進行，所以對於固定速度會有（yǒu）較好的表現，但是如（rú）果速度提高，激光的頻率會有來不及出（chū）光問題，則反應於切割時會產生燒融均勻（yún）度不佳的情況發（fā）生，如（rú）圖二所示（shì）。

      挑戰二（èr）：運動軌跡在高精度下（xià）不（bú）易達到

      切割係統在移動中都需（xū）要講究路徑的準確性，所以馬達（dá）的（de）控製需要很（hěn）好，這樣切割的圖形才不會變（biàn）形，如圖三、圖四所示；因此控製如（rú）用開環（huán） (脈衝, 步進)方式，會導致跟隨度（dù）無法實時補正；如要達（dá）到高精度（dù）的要求唯有使用閉環 (速（sù）度, 扭矩)控製才可（kě）以達到要求。但是閉環控製需要經（jīng）過PID調（diào）整，才會有較佳的跟隨效果。然（rán）PID的調教往往需要花費很長時間，相當費（fèi）時。

      挑戰三：激光功率不易調整

      目前切割的對象大多為多層材質（太陽能板、手機屏幕觸碰膜（mó）），需（xū）要使（shǐ）用（yòng）不同的功（gōng）率進行切割（gē）；但因市場（chǎng）上的激光專用控製器的激光調整（VAO Table）都隻有一組，在切割的功率上不易切換（huàn）與調整，導致目前隻能將切割路徑依材質層重複切割，以達到所需的要（yào）求。然而如（rú）此將造成產能速度無（wú）法提升。

      挑戰四：速度規劃曠日費時

      由於激光加工圖形複雜（zá），簡單的速度規劃（huá）已（yǐ）無法滿足加工切割結果，如（rú）手機觸控模切割，在（zài）大（dà）多狀（zhuàng）況下是使用Spline曲線，或者是較長的幾何線與弧線，如果無法精準（zhǔn）做速度控（kòng）製會導致機構加減（jiǎn）速震動或圖形（xíng）嚴重變形（xíng）（如過（guò）切與抖動），如圖五所示。因機（jī）台設計人員大多僅提供圖形點表(position)，並無速度規劃的數據，所以需要（yào）以人工操作方式規劃速度，一方麵設計流程曠日費時，且如遇規劃錯誤時則需重新修正，也將造成產能無法提（tí）升。

      綜合以上激光加工所遇到的（de）瓶頸，新一代的運動控製卡是如何應對挑戰？

      實時呈現PWM控製能力

      傳統運動控（kòng）製卡的PWM控製，均采用Duty單一（yī）控製方式，且通過軟件控製，會麵臨無（wú）法實時（shí）且穩（wěn）定（dìng）控製PWM的（de）時（shí）序。為了應對（duì）不同速度與不同圖形，新一代運動控製卡（kǎ）采用更多種控（kòng）製方式，包含頻率調變(Frequency Modulation)、帶寬調變(duty Modulation)、混合調變(Blend Modulation)，如圖六所示，此控製方（fāng）式會由硬（yìng）件控製來完成，此（cǐ）PWM能在（zài）各種切割速度下呈現出不同能量的表現，因此需建立（lì）一對應的能量表，以防止發生『過融（róng）現象（xiàng）』，此能（néng）量控製就（jiù）稱(VAO)，如圖（tú）七所示。

      Multi-VAO方便動態切換

      PWM采用Multi-VAO方式方（fāng）便因切割（gē）材質的不同，達到深淺切（qiē）割效果，讓路徑切割可以一次完成，無須重複路徑再切（qiē）割（gē），如圖八所示；大幅縮短（duǎn）生產時間（jiān），也提供（gòng）生產（chǎn）效能。

      精確的運動軌跡跟隨與簡易（yì）PID調（diào）教

      為了達到更好更精（jīng）確（què）的（de）切（qiē）割圖形，新一代高端運動控製卡（kǎ）采用全閉回路（Full close loop）方式控製，並達到更小（xiǎo）的Error count誤差，在整體（tǐ）上相比一般控製卡有較（jiào）高性能，跟隨能力誤（wù）差都相當（dāng）小，如圖九所示。為了達到高精確的（de）跟隨能力，需（xū）采用（yòng）PID控製（zhì）係統，但為了縮短PID調教時程，用戶可通過Easy tuning的（de）程序輔（fǔ）助，在短時間（jiān）內調出最佳PID參數設定（dìng），如圖（tú）十所示，可大幅提（tí）升（shēng）性能（néng），並簡化（huà）操作性！

      自動速度規劃與圖形路徑規劃

     通過Softmotion的算法，新一代運動控製卡可（kě）根據用戶所提供的圖形數據，自動規劃出優化（huà）圖（tú）形路徑規劃，以縮短不必要的路徑並提升切割速度與平滑度。如此一（yī）來可減少（shǎo）不必要的重複，大大的提升產能。 利用Softmotion內（nèi）的前瞻（zhān）規劃(LookAhead)功能，當運動軌跡有較大角度的轉折時，Softmotion會自動計算並提早降（jiàng）速，讓機構可以順應平滑的速度（dù），平順的完成軌跡的移動。如此（cǐ）複（fù）雜功能的（de）實現，用戶僅需要輸入3個係統參數，分別是「最大速 (Max. Velocity)」、「最大加速度 (Max. Acceleration)」以及「容許誤差量 (Tolerance)」(如圖十二)。通過Softmotion的內部規劃（huá），即可達成複雜圖形的軌跡運動。

      實證績效

      通過以上幾點新功能與新技術（shù）的研發，證明淩華科（kē）技新（xīn）一代的運動控（kòng）製卡在激光切割效果上有很好的表現，其速度規（guī）劃都讓機構有最佳的跟隨性（xìng），使（shǐ）得整體加工（gōng）誤差被控製在極小範（fàn）圍內。 表一為實際測試（shì）設備規格如下，機構部分采用伺服馬達(Servo Motor)及（jí）滾珠導螺杆(Ball Screw)，最大運動速度為800 (mm/s)。經過淩華科技Easy-Tuning軟件調（diào）試後，取得優（yōu）化閉回路PID參數（shù），使得整（zhěng）體機台的（de）控製表（biǎo）現在±2誤（wù）差單位 (在此物（wù）理量為5um)。

      因加工是由4,500個小線段所組成的圖形(如圖十（shí）三)，並特別取得四（sì）個彎（wān）角段及四段長直線段的誤（wù）差數據（如表二），而（ér）整體激光加工的彎角軌跡誤差小於2.2um，長直線端的軌跡誤差更小於0.5um。 通過以下區域放大圖片中，可清楚的看（kàn）到激（jī）光能量是均勻地控製（zhì）在一定範圍，並（bìng）顯示實際加工軌跡是（shì）平滑無（wú）抖動。也由此可左證淩（líng）華科技新一代（dài）的運動控製卡不僅能實現一般（bān）多軸插補運（yùn）動，同時可實現在如激光切割等（děng）複雜的圖形加（jiā）工（gōng）。而板上所實現的實時激光強度與回（huí）饋速度追隨，更可有效節省係統CPU資源，並保證其加工效能。

      淩華科技高端運動控（kòng）製卡PCI-8254/8258，具（jù）備高性能（néng）的運動控製表現，采用最新的DSP與FPGA技術，可以（yǐ）提供高速、高性能的混合模擬與脈（mò）衝序（xù）列（liè）運動指（zhǐ）令。通過硬件實現（xiàn）閉（bì）回路PID含前饋增益控製，伺服更新率可（kě）高達20kHz。通過程（chéng）序下載，最高可同步實（shí）時執行八（bā）種獨立任務（wù）。淩華科技免費提供（gòng）易於使用的應用工具，包含豐富的運（yùn）動控製（zhì）應用函數，以及用戶診斷及操作接口（kǒu），可實現高速度、高精（jīng）度的（de）運動控製能（néng）力。借助淩華科技Softmotion技術，使用者大幅減少了開發的時間，並提供卓越的（de）同步（bù）運動控製性能，可（kě）為機（jī）台設備（bèi）商使用者節省高達25%至50%的（de）成本。

      總結

      激光（guāng）加工（gōng）產業在未來（lái）將與人們的生（shēng）活更為接近，如汽車鈑金、手機及電視麵（miàn）板與外殼，甚至是醫療相關的假牙（yá）成型及人體有（yǒu）關的醫療激光等應（yīng）用。激光加工的高效率也更能符合（hé）節能減排的要求。各國均已投入大量資源（yuán），以求在相關技術上有領先性的突破。以大（dà）中華地區而言，超過200家（jiā）不同（tóng）的激光設備廠商也（yě）爭相搶食市場大餅，但在麵對歐美高端設備時（shí），軟件實力的（de）整合，將左右這些廠商的市場地位，提升加工質量爭取更高的設備毛利率。淩（líng）華科技憑借超過10年運動控製技術（shù），以及與廠商多年的應用合作經驗，成功開發出同步性運（yùn）動與激光控製（zhì）技術，將複雜的（de）速度規（guī）劃及激（jī）光強度計算都（dōu）置於運動控（kòng）製卡片上，使得用戶可以自行規劃CAM的路徑，但不需要（yào）擔心複雜的數學計算，以達到（dào）同中求（qiú）異的市場加值成效。未來加工路徑也將由（yóu）2D升級為3D製（zhì）造，將執（zhí）行如目前CNC工具機所做的加工應用，並會有更佳的加工表麵工藝。