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高速與精確的數字激光打標系統詳解-激光切割打標機17688767196

高速與精確的數字激光打標系統詳解-激光切割打標機

日期:2019-03-13 21:22 人氣:
高速與精確的數字激光打標系統詳解-激光切割打標機

作者:
Tan Li,Alex Luk,Sammy Woo,科藝儀器有限公司(香港)
Mark Lucus,David Freihofer,Cambridge Technology公司(美國)
John Tinson,SPI激光公司(英國)

數字伺服控制技術與高重頻光纖激光器的無敵組合,實現了優質打標。

采用數字狀態空間伺服控制與“低階模態”高重復率脈沖光纖激光器技術,可以實現高速與精確的激光打標,用于要求自動化控制與監控、高產出以及激光器維護最少的生產線。這種激光技術的重要意義是:它與高速掃描儀匹配,實現優質打標。
數字伺服控制器包含了高速數字信號處理器(DSP),以進行伺服電機在扭矩、速度或位置模式數字控制的全部必需計算。與控制和反饋信號(例如電機電流和電壓、位置編碼器測量)相連的控制器接口由高解析度模數轉換(ADC)集成電路提供。參數整定可從自整定過程中提取,并以數字方式儲存于硬件,還能消除模擬電路漂移和老化帶來的手動電位計調整和問題。另外,采用高性能 DSP 技術還可以實施先進的電機控制算法,例如基于模型的高寬帶性能預測控制。預測模型源于激光掃描儀電機運動與觀察到的電機位置的狀態空間方程式,以及其它動態變量(例如模擬的電流和電壓)。伺服機構提前預測激光掃描儀移動,并產生電機電壓信號,確保源信號受限于電源系統。與模擬伺服機構相比,集成狀態空間模型的驅動器可以大大增強帶寬。

與現有激光器(例如Nd:YAG、Nd:YVO4 和 CO2 激光器)相比,脈沖光纖激光器具有許多優點,例如激光參數 M2 < 2時光束質量優良、轉換效率極高以及使用壽命極長。另外,它在操作時維護最低,例如在水冷和光學對準方面。由于使用高重復率脈沖光纖激光器,材料處理已經大大改進。由于脈沖寬度極短,因此采用低脈沖能量容易達到極高峰值激光強度。例如,20瓦脈沖光纖激光器的峰值功率可以達到 6千瓦,重復性為100KHz。在M2 數值低時,激光脈沖可以聚焦的焦點尺寸的直徑< 100um。由于強度極高以及激光與物質的交互作用時間極短,熱擴散受限制于極小的區域,聚集的激光器能量密度造成材料快速汽化。因此,脈沖光纖激光器可以在激光打標應用中的材料表面融化出優質、精密的圖案。由于沿著掃描路徑的兩個激光打標點之間的距離與掃描儀速度成正比,與脈沖重復率成反比,因此,當激光掃描儀由數字狀態空間伺服機構控制時,高重復率脈沖光纖激光器是設計優質、高速激光打標系統的一個重要部分。

試驗結果

用于試驗的數字激光打標系統由Cambridge Technology公司的一個配有6230掃描振鏡以及10mm鏡面的DC2000數字狀態空間伺服機構和SPI公司的一個20瓦光纖激光器組成。激光器以125KHz的重復率運行。使用不銹鋼板進行激光打標處理研究。這種系統的打標性能與經過優化調整的CTI 671模擬伺服機構驅動的相應模擬打標系統的輸出進行了對比。對于兩種激光打標系統,特別圖案的最佳性能通過正確選擇一組相關參數確定,例如激光功率、打標速度、激光打標延遲、跳過延遲等。

圖1a和圖1b分別表示數字與模擬系統的激光打標圖案。標記圖案經過充分復雜化,包括不同長度的影線、尖頭、螺旋、直線和曲線等特性。因此,顯而易見,對于這種特殊圖案,激光打標系統的整體性能是系統重要功能的一個可靠指標。根據試驗結果,這種數字系統能夠在25.6秒內完成打標處理,但是模擬系統需要52秒完成相同操作。這是兩種系統的最佳結果,因為降低兩種系統處理時間的任何額外努力將惡化標記質量。因此,我們聲明,當與模擬系統進行對比時,對于中等復雜程度的圖案,這種數字系統使打標速度提高200%。


高性能伺服機構還具有這樣的特征:在快速的加速與減速期間,產生扭矩以控制電機。圖2a和圖2b分別表示數字和模擬系統的伺服機構執行相同打標速度(10Kmm/sec)時的水平線打標圖案。兩個圖形中可以看到不同點空間的兩個區域。區域1是具有不同點空間的區域,對應于掃描儀的加速/減速階段。區域2是具有恒定點空間的區域,對應于掃描儀的穩定掃描階段。由于圖2a中區域1的長度(~310um)比圖2b中區域1的長度(~2600 um)短,我們可以從這種現象推出,數字伺服機構處理扭矩脈沖的短期爆發性能比模擬伺服機構更佳。這種推論也是以前打標結果的一種論據,加強了我們認為數字狀態空間系統在速度方面的性能超越模擬系統的聲明。

在第三個試驗中,我們還研究了掃描振鏡角度反應對于數字系統與模擬系統之間輸入命令的差異,表明數字狀態空間伺服技術有改進。與以前一樣,兩個伺服機構驅動一個配備10毫米鏡面的CTI 6230掃描振鏡。圖3中,黑線和紅線分別代表使用數字伺服控制器與模擬伺服控制器的角度路徑(依賴于時間)。鏡面旋轉的角度沿著Y軸進行繪制,采用任意內部單元表示。數字伺服機構的路徑與輸入命令密切匹配,兩條軌跡都不可識別。紅線發生變形,因為模擬 PID 伺服機構由于帶寬的限制不能精確跟蹤輸入信號。


結論

我們對比了基于模型的數字狀態空間伺服機構驅動的高重復率脈沖光纖激光打標系統和模擬 PID 伺服機構的性能,發現數字系統能夠在速度性能方面提高 200%。因此,對于尋求新型或替代型的激光打標系統的制造商來說,這種數字激光打標系統可以提供寶貴的經濟優勢,維護成本低,產出高。

特別感謝 Modetech(香港)應用實驗室提供激光打標結果,為本文所引用。

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