PI 激光材料加工 运动控制系统解决方案

文:PI普爱纳米位移技术(上海)有限公司2020年第三期

流程、材料、工作循环、环境条件以及吞吐量、精度、几何公差、加工表面大小和轮廓等条件都对自动化平台提出了不同的要求。例如,对于吞吐量和精度而言,当机械部件、激光控制和激光束偏转等系统部件相辅相成,并通过高性能标准工业网络进行通信时,就能满足不同要求。

高吞吐量、精密定位的激光打标

对复杂或高价值的结构进行打标是多轴定位系统的应用之一。例如,人眼无法识别的不可见标记可通过激光被雕刻在物品上。工件在X、Y向上的运动以及激光物镜在Z向上定位是通过使用高动态直接驱动线性平台来实现的。

V-528线性平台采用传统的基于步进或旋转伺服的解决方案,实现尽可能更高的速度和扫描频率。平台具有交叉滚柱轴承,所以采用配备高重复精度及高精度的线性编码器的电机可实现亚微米精度。

例如,V-417系列的平台也非常适用于激光加工应用。这些平台的定位精度只有几微米,速度高达2米/秒。它们可实现轻松组合,以用于多轴应用。

硬盖和侧密封经过特殊设计,可防止灰尘或灼热颗粒进入驱动和编码器机械部件。高防护等级工业连接器和卡销实现更高稳健性。由于特殊成形边缘与轴承导向或运动方向的平行度(//)优于50微米,线性平台在安装过程中可轻松对准。

PI激光材料加工运动控制系统解决方案1.jpg

图1 采用包含振镜扫描器的多轴装置进行激光打标

PI激光材料加工运动控制系统解决方案2.jpg

图2 标准XLSCAN装置的示意图

大面积激光加工

在大面积上加工高密度结构,如PCB的激光钻孔或激光打标,需要提供高精度和高吞吐量的解决方案。多轴定位系统与高动态振镜扫描仪的组合可以满足工业生产的需求。syncAXIS同步控制PI XY位移平台和excelliSCAN振镜扫描系统,即所谓的XL SCAN方法,允许在大面积上连续操作,从而避免了空闲时间并消除了拼接错误。通过各平台的行程扩展视场的能力具有以下优点,即可以在精度、光斑尺寸和性能方面固定并保持光学器件。

XL SCAN方法可以同步协调控制工件运动系统、扫描仪和激光调制。XL SCAN控制软件自动将所需的图案轨迹分成扫描仪的路径、XY位移平台的路径和激光光斑的控制。扫描仪接收短距离的高频运动信号,具有长行程的定位平台获取低频率并扩展工作区,同步执行两个运动。其加工特点包括:

1、更大的工艺区和更高的吞吐量

加工大视场的传统方法采用“步进和扫描”法,该方法将加工区划分为单独的部分。这种分段式加工的速度较慢,并且在边界处产生拼接错误。XL SCAN提供了一个由PI运动系统的长行程扩展的工作区,并允许在扩展视场上快速连续运动而不会出现拼接错误。

2、更高的精度

XL SCAN方法利用了excelliSCAN扫描头的零跟踪误差。结合XL SCAN轨迹规划、先进的加速度限制运动控制以及具有相应的动态性、直线度、平面度和精度的PI运动系统,可实现高工艺精度。扫描头的工艺精度与加工点距扫描场中心的距离成正比。XL SCAN使扫描头能够接近与精度直接相关的FOV的中心工作。

3、光斑距离和脉冲能量的同步控制

可以同步控制脉冲能量和光斑距离。光斑距离控制(SDC)向激光器输出单个脉冲或多个脉冲。SDC允许单位长度的恒定能量沉积。触发激光脉冲基于行进距离且与移动速度和激光路径的图案无关。可以在各自的最大速度下处理曲线和直线段,同时保持精度和最大吞吐量。

4、激光功率斜坡和偏转变角控制

对于某些加工操作,可能需要定义沿某个路径的特定激光功率。XL SCAN允许用户专门为路径的不同部分定义功率级别。此外,激光光斑尺寸取决于扫描头的偏转角。XL SCAN的偏转变角激光控制使能量密度保持恒定,并能够减少沿激光路径的光斑尺寸变化。

系统包括三大部分:激光束偏转,SCANLAB快速准确的excelliSCAN扫描系统,带有用于光束控制的XY轴振镜扫描仪(excelliSCAN扫描头);工件定位,例如,用于高精度和高速度的线性电机平台或平面扫描仪,采用磁力直接驱动的V-551,拖链电缆管理,花岗岩支持高精度和稳定性,用于静止工件的龙门移动扫描头的替代布置;自动化控制,SCANLAB与ACS Motion Control合作开发了使用基于EtherCAT的工业网络集成数字扫描仪技术的运动控制解决方案,SPiiPlus EtherCAT运动控制器和通用驱动模块通过以下方式实现了振镜与平台运动控制器的同步(SLEC SL2-100至EtherCAT接口系统),控制软件集成了工艺级的运动控制、扫描仪及激光器(SPiiPlusSPC+>>syncAXIS控制软件)。

用于激光束焊接和切割的高动态焦点偏移

如今,激光器广泛应用于各种工业应用,以优化生产工艺并保证高工件质量,也可以通过XY平面中的激光束的高频振荡显著改善激光加工工艺。然而,行业需求的持续增长不仅要求平面内的快速运动,还要求工件中光束能量的快速主动垂直移动,例如,在激光束切割厚金属板期间进一步提高可用的进给速率或在激光束焊接期间实现更好的焊缝质量和工艺稳定性。利用该模块,可通过沿光束轴或Z轴方向上的高动态运动来扩展常规方法以及XY加工平面中的二维光束操纵,从而提高加工速度,并改善加工质量。

PI激光材料加工运动控制系统解决方案3.jpg

图3 高动态Z轴焦点移位器模块

PI激光材料加工运动控制系统解决方案4.jpg

图4 PI工业激光微加工用线性平台,①为激光定位,②为工件定位。

高动态Z轴焦点移位器模块的优点有:

● 通过控制工件中的能量分配,提高加工速度;

● 焦点位置的高动态振荡对熔化池动力学的影响;

● 紧凑型设计,可轻松集成到现有的激光加工头中;

● 由于采用无磨损导轨和促动器技术以及与工艺相关的温度管理,因此具有高可靠性;

● 通过工艺优化实现高经济效益及低实施工作量。

原型机的初步技术数据:

● 驱动频率达2千赫兹;

● 采用适当的光学装置,28微米的行程可实现焦平面的平均偏移,例如15毫米;

● 可变模块和光学设计带来多种应用可能性。

工业激光材料微米级加工

用于创建微米级微小几何形状的加工平台需要使用运动系统,以便在多个维度上提供一致、准确和动态的加工。由于制造部件的尺寸和质量可能具有挑战性并且在加工过程中可能会形成颗粒,因此所使用的系统部件需要具有高精密度、刚性、鲁棒性并且能提供可靠的性能。

平台的主要特点有:

● 参考边缘以支持机器中的对准;

● 用于吹洗空气的连接器可产生过压;

● 侧面密封和硬盖,用于防止颗粒;

● 坚固的工业IP65连接器,用于柔性电缆出口;

● 轻松进入润滑系统;

● 不同编码器变体包括提供纳米分辨率的绝对测量传感器;

● 不同负载的不同平台宽度和悬臂降低高度。

激光定位采用同步伺服电机、重型再循环滚珠轴承、抱死刹车,能够直接在110/240伏交流电压下运行(L-417高负载线性平台);工件定位采用无铁芯磁力直接驱动线性电机、重型再循环滚珠轴承、无转接板的XY轴配置、XY轴拖链电缆管理,运动控制采用ACSSPiiPlus EtherCAT网络运动控制器和驱动模块,可实现多轴的较佳同步和激光的同步控制。激光控制模块(LCM)可以直接控制激光源,并与运动路径完全保持同步。LCM能够与各种激光器相连接,如DPSS、CO2、准分子、光纤、Q开关、皮秒或飞秒。它还适用于基于位置的触发应用,以完成测试和检验任务。

用于晶圆切片的高精度激光加工

制造芯片和微芯片涉及使用称为晶圆切片的工艺将晶圆切割成小方块或矩形“芯片”或“晶粒”。晶圆切片应用中需要考虑的典型挑战包括:准确定位切口、较大限度地减少材料损耗和较大限度地减少元件变形。同时,必须达到最大可能的加工速度。随着要求的不断提高,激光划片已成为首选的划片技术。这种非接触式激光工艺很灵活,可避免切削刃处的破损。借助于各种自动后加工工艺,可以进一步改善边缘的良好质量,这也是抗裂性的决定性因素之一。这显著减少了生产浪费,因此节省了生产成本。相应地,激光划片工艺同样需要在高速下提供高精度和高直线度的运动系统。

该运动解决方案的主要特点:

● 直接驱动带有空气轴承的线性和旋转平台,可实现极限精度;

● 高直线度、平面度和重复精度;

● 消除齿槽效应,实现平稳的速度控制;

● 拖链电缆管理;

● 在晶圆工作点提供计量;

● 全天候以高占空比运行;

● 绝对编码器消除了参考,同时提高了运行期间的效率和安全性。

系统由旋转轴、扫描轴和运动控制所组成。

(1)旋转轴用于晶圆的定位和校正:

● 空气轴承转台;

● 直接驱动无齿槽效应运动;

● 优异的运动精度、平面度和摆动性能;

● 高刚性和高负载能力;

● 无尘室兼容;

● 带空气轴承的A-623PIglide转台。

(2)扫描轴:

● XY平面空气轴承平台;

● 高速度和高加速度;

● 优异的几何性能;

● 分辨率达1纳米;

● 适合于有限安装空间的低剖面;

●  无尘室兼容;

●  带空气轴承的A-311PIglide平面扫描仪。

(3)运动控制:

高性能EtherCAT运动控制器采用19英寸机架,集成了驱动器、电源和功能安全性

● A-814 PIglide运动控制器;

● QQ截图20200612144505.jpg驱动技术可实现纳米级跟踪误差和较佳速度QQ截图2020061214450.jpg驱动器;

● 先进的伺服控制算法,例如QQ截图20200612144552.jpg

中传动网版权与免责声明:

凡本网注明[来源:中国传动网]的所有文字、图片、音视和视频文件,版权均为中国传动网(www.chuandong.com)独家所有。如需转载请与0755-82949061联系。任何媒体、网站或个人转载使用时须注明来源“中国传动网”,违反者本网将追究其法律责任。

本网转载并注明其他来源的稿件,均来自互联网或业内投稿人士,版权属于原版权人。转载请保留稿件来源及作者,禁止擅自篡改,违者自负版权法律责任。

如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

伺服与运动控制

关注伺服与运动控制公众号获取更多资讯

直驱与传动

关注直驱与传动公众号获取更多资讯

中国传动网

关注中国传动网公众号获取更多资讯

热搜词
  • 运动控制
  • 伺服系统
  • 机器视觉
  • 机械传动
  • 编码器
  • 直驱系统
  • 工业电源
  • 电力电子
  • 工业互联
  • 高压变频器
  • 中低压变频器
  • 传感器
  • 人机界面
  • PLC
  • 电气联接
  • 工业机器人
  • 低压电器
  • 机柜
回顶部
点赞 0
取消 0
往期杂志
  • 2024年第三期

    2024年第三期

    伺服与运动控制

    2024年第三期

  • 2024年第二期

    2024年第二期

    伺服与运动控制

    2024年第二期

  • 2024年第一期

    2024年第一期

    伺服与运动控制

    2024年第一期

  • 2023年第六期

    2023年第六期

    伺服与运动控制

    2023年第六期

  • 2023年第五期

    2023年第五期

    伺服与运动控制

    2023年第五期