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高速与精确的数字激光打标系统详解

2009-05-16 10:48
小鱼时代
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 作者:
Tan Li,Alex Luk,Sammy Woo,科艺仪器有限公司(香港)
Mark Lucus,David Freihofer,Cambridge Technology公司(美国)
John Tinson,SPI激光公司(英国)

        数字伺服控制技术与高重频光纤激光器的无敌组合,实现了优质打标。
       
        采用数字状态空间伺服控制与“低阶模态”高重复率脉冲光纤激光器技术,可以实现高速与精确的激光打标,用于要求自动化控制与监控、高产出以及激光器维护最少的生产线。这种激光技术的重要意义是:它与高速扫描仪匹配,实现优质打标。
        数字伺服控制器包含了高速数字信号处理器(DSP),以进行伺服电机在扭矩、速度或位置模式数字控制的全部必需计算。与控制和反馈信号(例如电机电流和电压、位置编码器测量)相连的控制器接口由高解析度模数转换(ADC)集成电路提供。参数整定可从自整定过程中提取,并以数字方式储存于硬件,还能消除模拟电路漂移和老化带来的手动电位计调整和问题。另外,采用高性能 DSP 技术还可以实施先进的电机控制算法,例如基于模型的高宽带性能预测控制。预测模型源于激光扫描仪电机运动与观察到的电机位置的状态空间方程式,以及其它动态变量(例如模拟的电流和电压)。伺服机构提前预测激光扫描仪移动,并产生电机电压信号,确保源信号受限于电源系统。与模拟伺服机构相比,集成状态空间模型的驱动器可以大大增强带宽。

        与现有激光器(例如Nd:YAG、Nd:YVO4 和 CO2 激光器)相比,脉冲光纤激光器具有许多优点,例如激光参数 M2 < 2时光束质量优良、转换效率极高以及使用寿命极长。另外,它在操作时维护最低,例如在水冷和光学对准方面。由于使用高重复率脉冲光纤激光器,材料处理已经大大改进。由于脉冲宽度极短,因此采用低脉冲能量容易达到极高峰值激光强度。例如,20瓦脉冲光纤激光器的峰值功率可以达到 6千瓦,重复性为100KHz。在M2 数值低时,激光脉冲可以聚焦的焦点尺寸的直径< 100um。由于强度极高以及激光与物质的交互作用时间极短,热扩散受限制于极小的区域,聚集的激光器能量密度造成材料快速汽化。因此,脉冲光纤激光器可以在激光打标应用中的材料表面融化出优质、精密的图案。由于沿着扫描路径的两个激光打标点之间的距离与扫描仪速度成正比,与脉冲重复率成反比,因此,当激光扫描仪由数字状态空间伺服机构控制时,高重复率脉冲光纤激光器是设计优质、高速激光打标系统的一个重要部分。
        
        试验结果

        用于试验的数字激光打标系统由Cambridge Technology公司的一个配有6230扫描振镜以及10mm镜面的DC2000数字状态空间伺服机构和SPI公司的一个20瓦光纤激光器组成。激光器以125KHz的重复率运行。使用不锈钢板进行激光打标处理研究。这种系统的打标性能与经过优化调整的CTI 671模拟伺服机构驱动的相应模拟打标系统的输出进行了对比。对于两种激光打标系统,特别图案的最佳性能通过正确选择一组相关参数确定,例如激光功率、打标速度、激光打标延迟、跳过延迟等。

        图1a和图1b分别表示数字与模拟系统的激光打标图案。标记图案经过充分复杂化,包括不同长度的影线、尖头、螺旋、直线和曲线等特性。因此,显而易见,对于这种特殊图案,激光打标系统的整体性能是系统重要功能的一个可靠指标。根据试验结果,这种数字系统能够在25.6秒内完成打标处理,但是模拟系统需要52秒完成相同操作。这是两种系统的最佳结果,因为降低两种系统处理时间的任何额外努力将恶化标记质量。因此,我们声明,当与模拟系统进行对比时,对于中等复杂程度的图案,这种数字系统使打标速度提高200%。

        
        高性能伺服机构还具有这样的特征:在快速的加速与减速期间,产生扭矩以控制电机。图2a和图2b分别表示数字和模拟系统的伺服机构执行相同打标速度(10Kmm/sec)时的水平线打标图案。两个图形中可以看到不同点空间的两个区域。区域1是具有不同点空间的区域,对应于扫描仪的加速/减速阶段。区域2是具有恒定点空间的区域,对应于扫描仪的稳定扫描阶段。由于图2a中区域1的长度(~310um)比图2b中区域1的长度(~2600 um)短,我们可以从这种现象推出,数字伺服机构处理扭矩脉冲的短期爆发性能比模拟伺服机构更佳。这种推论也是以前打标结果的一种论据,加强了我们认为数字状态空间系统在速度方面的性能超越模拟系统的声明。

        在第三个试验中,我们还研究了扫描振镜角度反应对于数字系统与模拟系统之间输入命令的差异,表明数字状态空间伺服技术有改进。与以前一样,两个伺服机构驱动一个配备10毫米镜面的CTI 6230扫描振镜。图3中,黑线和红线分别代表使用数字伺服控制器与模拟伺服控制器的角度路径(依赖于时间)。镜面旋转的角度沿着Y轴进行绘制,采用任意内部单元表示。数字伺服机构的路径与输入命令密切匹配,两条轨迹都不可识别。红线发生变形,因为模拟 PID 伺服机构由于带宽的限制不能精确跟踪输入信号。

       

        结论

        我们对比了基于模型的数字状态空间伺服机构驱动的高重复率脉冲光纤激光打标系统和模拟 PID 伺服机构的性能,发现数字系统能够在速度性能方面提高 200%。因此,对于寻求新型或替代型的激光打标系统的制造商来说,这种数字激光打标系统可以提供宝贵的经济优势,维护成本低,产出高。
       

        特别感谢 Modetech(香港)应用实验室提供激光打标结果,为本文所引用。
 

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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