新的模块化控制器为将激光连接到多轴定位提供了灵活的解决方案，使系统集成商更容易为激光应用的新时代设计和构建先进的系统。
克里夫·乔利夫医生
自动化市场部门主管
Physik Instrumente (PI) GmbH
这是关于控制激光用于材料加工的2部分系列文章的第1部分。
多年来，激光一直用于材料加工中的焊接和切割应用。然而，激光技术经常被认为是一个专业领域，需要复杂的控制系统来精确定位，以及大量的投资和专业知识。最近，激光的成本已经下降，打开了它们的新应用;即使是最新的极快超短脉冲激光器，对于那些通常使用风险较小的激光装置的机器制造商来说，现在也是可行的选择。
激光的商品化意味着系统集成商必须做更多的工作来获得和保持优势，而定位和控制——作为任何激光系统的组成部分——是其中的重要元素。新技术的工作方式略有不同，因此定位和控制也需要有所不同。在正确的位置发射激光的基本能力变得更加具有挑战性，更简单的方法比以往任何时候都更重要，特别是对那些完全不熟悉这项技术的人。
现在有了新颖的解决方案，采用独特的模块化方法进行激光控制，使系统集成商更容易、更快地设计和构建系统，无论他们以前是否有激光的经验。EtherCAT等工业控制网络的使用使这种模块化解决方案更加灵活，因为其他项目(如传感器或非运动设备)可以轻松集成。
为什么选择激光加工?
使用激光代替传统的机械加工工艺有许多显著的优点，尤其是它们的产能要高得多。激光不容易受到磨损的影响，而磨损会导致机械部件的故障和成本，并且在处理那些众所周知难以处理的材料时通常是有效的。激光的精细光束也提供了一个细节和精度的水平，这是几乎不可能使用其他方法创建，这是理想的应用，如那些产生高纵横比孔或其他特征需要类似的高精度。
特别是高强度短脉冲激光器，其精确度令人难以置信。这些激光器光束周围的低热能沉积意味着对周围区域的损害可以忽略不计。根据光束聚焦的位置，激光甚至可以在材料表面以下进行加工，这在微电子设备中很常见，比如发光二极管和柔性显示器。
在速度，力量和精度上取得平衡
无论何种应用，快速的快门和精确的激光脉冲发射对于确保一致的高质量加工至关重要。精确的位置和能量控制在这里是至关重要的，可以通过将自动化和运动系统直接连接到激光输出来实现。确保激光在正确的时间内聚焦在正确的位置，并提供正确的功率水平，以防止损坏材料或生产不准确的零件，这一点非常重要。
一种选择是将激光功率与脉冲速率和调制连接起来。如果电力是固定的，那么运动系统将需要以恒定的速度运行，以确保正确的水平传递到整个表面。这适用于某些操作，例如光栅扫描，其中激光在一个方向上跟随运动发射，或者在加速和减速阶段之间的恒定速度阶段。然而，切割和焊接应用也可能需要激光脉冲以一致的比例重叠，即使当运动路径速度不恒定时，激光脉冲以固定的频率发生。这可能会导致脉冲传输不均匀，在特定区域过多的能量可能会产生HAZ(热影响区)，而过少的能量可能会导致切割或焊接路径中的薄弱区域或断裂。
在多轴系统中，由于角或弧的非线性路径，HAZ问题发生的频率更高。最好的类比是一辆跑车在赛道上行驶-当它到达一个角落时，它必须减速，否则它将无法跟随赛车线，可能会冲出赛道;对于XY表也是如此。然而，如果运动路径减速太多，而激光脉冲速率保持不变，那么当激光脉冲聚集时，过多的功率被传递到角落。一些支持g代码的数控机床具有前瞻性能力来解决这个问题，允许运动控制器寻找超过预定限制的速度变化。
将激光控制连接到速度和位置
控制激光功率最简单的方法之一是将其与运动路径的速度联系起来。这可以简单地通过将控制器中的模拟输出连接到运动路径的矢量速度，并将其连接到激光功率来实现。模拟输出连接到激光器上的电源输入连接，例如0- 10vdc范围。
通常，运动控制器将让用户定义一个比例因子，以便最大输出相对于该过程所需的激光的最大功率-也可以设置下限。重要的是要记住，如果运动调整得不好，抽搐可能会导致糟糕的处理。放置精度差也会产生质量差的零件。这是一个简单但有效的过程，例如在焊接中。
另一种方法是通过沿运动路径放置脉冲来精确控制激光，而不考虑矢量速度。也可以结合这两种方法来控制功率输出的缩放，这克服了激光电子或光路的不希望的特性。
行业中有几种技术可以产生与电子输出相关联的这种准确、高速、基于位置的事件;例如，激光脉冲。虽然它们之间有细微的差别，但它们在同一轴上的运动本质上是一样的。有些更适合电磁铁技术，有些则更适合电动定位器。Physik Instrumente的ACS运动控制、位置事件生成(PEG)等模块化控制器的新发展正在成为将激光连接到多轴定位的解决方案。
控制多个轴的挑战
创建三维轨迹的路径可以从三个或更多的轴创建。例如，简单的双矢量跟踪-由两个轴生成，广泛用于线性XY工作台轮廓，包括圆或弧和直线-用于加工油管的线性theta组合，或线性和旋转阶段的任何组合，例如，用于钻井产生螺旋运动。直到最近，控制激光在多个轴上的运动路径在性能、速度、实用性以及更高的复杂性和成本方面都有一定的限制。
许多可用于精密运动和激光加工的驱动器必须预先定义，这取决于运动系统中使用的工作台或工作台上使用的反馈装置。位置反馈是指能够读取舞台位置的设备，但也允许控制器计算这种设备的速度。有些运动阶段不使用任何反馈;它们依赖于命令动作请求等于实际响应的原则。通常，反馈系统要么是增量的，要么是绝对的——增量编码器在系统启动时需要一个参考点或已知位置，通常是一个归位开关。相比之下，绝对编码器系统将位置数据内置到反馈测量刻度中。该位置数据在启动时可用，因此省去了将系统物理移动到参考设备的步骤。
有两种类型的增量编码器;方波或正弦波(sin/cos波)。方波编码器为系统提供固定距离的离散数字步长。例如，在旋转电机上的方波编码器每转可输出1,000步;如果旋转电机驱动1毫米螺距螺钉，则系统分辨率为1毫米/ 1000，即1微米分辨率。方波编码器的一个潜在问题是，当它具有高计数输出以获得分辨率时，系统也需要高速度。输出频率可能潜在地超过控制器反馈电路的最大频率输入，导致位置损失。
正弦波编码器能够以更高的级速度提供更高的分辨率，因为控制器以编码器的基频输入数据，这比方波等效频率低得多。控制器反馈电路内部将正弦波细分为数字步长，产生内部数字步长;这个过程叫做乘法。
在实践中，方波编码器可以作为正弦编码器开始，关键的区别在于数字化或乘法发生的地方-在方波的情况下在反馈设备或在控制器中。
然而，不幸的是，许多激光发射控制器不能使用正弦反馈来产生触发激光的输出-他们的电子设备需要数字方波信号-这可能会限制他们的可用性，以高反馈分辨率的低速系统或以低反馈分辨率的高速系统。
多轴系统中的多重反馈
激光同步技术使用单轴路径运动的编码器数据来触发，例如，一对一发射，这样每移动一毫米或微米就有一个激光脉冲。当涉及到多轴时，例如，在一个圆圈中脉冲，同样的原理可以应用-数据从每个轴的单独编码器中获取，并输入到车载电子硬件中，在那里计算组合矢量输出。这是多年来公认的标准，从理论上讲，它的准确性来自于它基于编码器的实时位置信息。然而，在现实中，如果运动系统在性能上不充分，那么这种方法将产生较差的结果。例如，XY表上的等速圆由每个轴的速度正弦变化组成。速度的变化意味着一定有一个与运动相关的加速度。加速度与跟随误差(命令路径与实际路径之间的差异)成正比。因此，路径总是会偏离命令，用户有责任确保误差低于所需精度的阈值。由于偏差，路径可能更长或更短，这意味着激光脉冲可能在不正确的位置被激活。
此外，用于处理多个反馈设备并创建用于发射的输出矢量的电子电路可能导致输出的显着延迟(延迟);被跟踪的编码器越多，输出的速度就越显著地降低，因此每个反馈的数据输入速率(跟踪)就会降低。
需要编码器数据的发射硬件显然不能用于为没有反馈的电机生成事件;例如，步进电机。同样，它们也不适用于基于串行通信的绝对编码器。这些编码器在启动时不需要归巢，这对于一些先进的系统来说，在安全性和便利性方面是一个显著的优势。像六足体这样的运动学系统也很有挑战性——编码器数据不直接与平行方向上的位置或运动相关联，或者可能是需要计算的多个轴的数据组合，因此不能直接触发笛卡尔坐标中的路径。
市场上很少有自动化控制器能够处理这种复杂程度，以确保运动系统不仅具有正确的运动性能，而且能够读取和触发用于这些应用程序的编码器。考虑到这一点，用户应该考虑不完全依赖于直接反馈的脉冲策略。
无论选择哪种方法，机械制造商都应始终考虑机械和控制器的运动性能。运动系统还有其他系统问题，例如共振、低带宽、动力不足的电机或机械缺陷(精度、滚转、俯仰、偏航、平整度、直线度和堆叠区域)，这些问题需要与系统要求适当匹配，以便在发生射击时工件或激光头处于正确的位置。
重新利用驱动系统的缺点
激光加工对自动化系统提出了额外的硬件要求，系统设计者需要了解将激光连接到控制器的输入和输出需求。理论上，每次系统集成商设计一个具有先进激光控制能力的新系统时，他们必须考虑主控制器或主驱动单元的输入/输出能力。这是令人沮丧的，因为焦点从所需的伺服性能转移到激光连接功能。通常，机器制造商必须重新构建整个控制系统来考虑这些额外的要求。这可能涉及将第一个驱动单元替换为一个更大、更复杂、更昂贵的驱动器，该驱动器结合了这些功能。这可能会对成本产生重大影响，包括重新设计系统的时间、额外的硬件、备件库存和更大的电气柜。
Physik Instrumente (PI) GmbH
了下:线性运动提示
