许多激光机器制造商都有搭建系统的经验，包括激光扫描头和直接或丝杆驱动的伺服平台。在大多数情况下，激光与材料的相互作用驱动了组件的选择和过程控制方法。然而，激光扫描头通常使用f-theta光学，这会影响光束质量，从而影响零件质量和工艺性能——光束被指挥离光学中心更远。幸运的是，对于机器制造商来说，有一种方法可以权衡两者，并打造一个能够在保持零件质量的同时构建优化工艺产量的机器，那就是Aerotech的高性能激光扫描头和控制器。

　　文/Aerotech 艾罗德克

　　1 使用单个运动控制器控制激光扫描头和伺服平台的优势

　　许多激光机器制造商都有搭建系统的经验，包括激光扫描头和直接或丝杆驱动的伺服平台。在大多数情况下，激光与材料的相互作用驱动了组件的选择和过程控制方法。例如，激光扫描头的选择通常基于工艺过程产量的考虑。然而，激光扫描头通常使用f-theta光学，这会影响光束质量，从而影响零件质量和工艺性能——光束被指挥离光学中心更远。在用户将需要的时间和地点将激光能量应用于表面时，表明这种产量与质量的对比存在于更广泛的范围内。

　　幸运的是，对于机器制造商来说，有一种方法可以权衡两者，并打造一个能够在保持零件质量的同时构建优化工艺产量的机器：Aerotech的高性能激光扫描头和控制器，它使用单个控制器进行扫描头和伺服运动控制，并提供精确生产工艺控制的功能。

　　2 高性能激光扫描头和控制

　　AGV-XPO高动态激光扫描头是Aerotech公司现有产品内性能最高的激光扫描头。这些双轴激光扫描头有助于最大限度地减少速度和精度之间的取舍。它低惯性，高效率的电机实现了迅猛的轮廓加速，而超高分辨率的位置反馈和优化的结构动力学提供了出色的零件轮廓跟踪与最小的跟随误差。如图1所示，与Aerotech自己的AGV-HP 2D扫描头相比，AGV-XPO产品在位置抖动方面提供了一个数量级的改进，这一参数表明了其跟随能力的大大提升。

　　图1 超高分辨率反馈(-E2选项)为需要极高轨迹精度或利用长焦距光学系统的应用提供最低的噪声水平。

　　这些结果来自Aerotech的AGV-XPO与Automation1运动控制平台的配合。AGV-XPO的控制架构是独一无二的，放大器和伺服控制回路不包含在激光扫描头内。相反，它们位于Automation1 GL4 Galvo激光扫描头线性驱动器中的远程位置。这种架构提高系统性能的方式是传统的扫描头与集成控制无法匹敌的。从扫描头移除电子热源可确保始终如一的性能，这对于任何生产材料处理应用都是必须的。GL4使用线性放大器，这是驱动振镜电机的最高性能放大器技术，并提供改进的速度控制和位置稳定性(相对于标准脉宽调制(PWM)放大器技术)，参见图2。

　　图2 许多激光扫描头将散热电子器件放置在靠近扫描仪机械的位置，这就引入了热稳定性问题。Aerotech的AGV激光扫描头去掉了散热电子设备，并将其放置在控制柜中，从而实现更高的性能并减少热漂移。

　　3 单个控制器完成对扫描头和伺服运动的控制

　　Automation1 iSMC基于软件的智能运动控制器 - 是一个中央运动引擎，能够通过HyperWire®运动控制通信总线生成单个运动控制位置流到Automation1激光扫描头和伺服电机驱动电子设备。HyperWire总线以每秒2千兆比特(Gbps)的速度运行，位置更新速率为100千赫。Automation- ismc控制器能够为激光扫描头轴每秒产生和通信100,000个位置命令点，为伺服轴每秒产生20,000个位置命令点。在HyperWire上，Automation1-GL4接收100 kHz的点流，并将点的数量插值到200 kHz，用于200 kHz两轴激光扫描头伺服控制器。可以使用各种Automation1伺服电机驱动器，每个驱动器通过HyperWire接收20 kHz的位置命令点流，并直接在驱动器的伺服控制回路中使用它们。轨迹点是64位双精度浮点值，即使在单个HyperWire端口上添加16个总轴，驱动器到驱动器的抖动也能够小于1纳秒。简单地说，少有更好的运动控制技术能够如此协调精密激光扫描头和伺服轴的运动。使用单一控制器驱动激光扫描头与伺服轴的最高性能协调，以满足最苛刻的激光加工应用。Aerotech的Automation1控制器平台是独特的，它不仅为扫描头和伺服轴提供了单一的配置和编程环境，而且它还可以由一些独有的控制器功能来实现更高性能的系统。

　　4 精密工艺控制中的控制器功能

　　Automation1有几个控制器功能，用于搭建精密激光材料加工设备。一个典型的例子是Automation1 Studio应用程序的机器设置向导。如图3所示，Machine Setup向导允许用户设置真实的电气和机械设备，然后将这些设备互连以形成真正的运动轴。

　　图3 这个示例系统，Aerotech IGM与AGV-HP激光扫描头，是在 Automation1 Studio’s 机器设置向导中配置的。

　　工厂对激光扫描头的优化是充分的，因为激光扫描头轴有一个恒定的惯性(扫描镜)。然而，许多机器制造商在伺服轴上放置定制负载，这通常需要进一步优化。Automation1提供广泛的编码器反馈调谐和伺服调谐工具，以优化这些轴的性能。

　　一旦轴在伺服控制水平上进行了优化，所要求的位置可能不会导致实现所需位置目标的实际运动。这是由激光扫描头的光学畸变和用于控制激光扫描头和伺服运动轴的光学反馈装置的制造公差引起的误差导致的常见问题。只要错误是可重复的，这个问题的解决方案就是误差映射。

　　基于误差映射的1D和2D校准表都可以构建并加载到Automation1控制器中。Aerotech为伺服轴的误差映射提供了专门的服务。然而，机器制造商可以自行管理这个过程。同样，激光扫描头校准通常由机器制造商处理，并且使用Aerotech的GalvoCFC - Galvo校准文件转换器等工具简化了该过程(图4)。

　　图4 Aerotech Galvo校准文件转换器工具使用户能够创建和修改校准文件，将校准文件缩放到用户单位，将校准表插入到更高的分辨率，并将多个校准表组合到单个文件中。

　　一旦定位精度被校准，就可以采取另一个步骤来提高产量和零件质量。Aerotech的无限视野(IFOV)功能使用户能够直接编程一个零件(或一系列零件)，这些零件延伸到激光扫描头的视场(XY运动约束)之外，具有单一的XY轨迹。IFOV通过预处理较大的运动路径并将该路径的较高速度部分分配给激光扫描头来实现这一点。IFOV将较低的速度部分分配给伺服轴，使扫描头始终在其视野内工作。由于IFOV消除了步进和扫描的运动，使激光在更大比例的时间内保持工作，因此增加了生产量。

　　使用IFOV的另一个独特优势是，Automation1 GL4激光扫描头控制器能够立即在伺服控制回路之前了解到实际的伺服平台位置。这使得激光扫描头能够实时补偿动态位置误差。以这种方式趋近扫描头和伺服工作台的组合运动，有助于管理可能比扫描头位置误差大几个数量级的伺服工作台位置误差。见图5示例IFOV系统配置。

　　图5 Aerotech的无限视场(IFOV)功能可以通过将伺服运动平台的运动纳入考虑来消除步进扫描操作，从而实现比激光扫描头视场更大的工件的激光材料加工。

　　IFOV还有一个意想不到的好处——提高零件质量。在使用过程中更多地依靠平台运动，可以将激光扫描头的行程限制在扫描头的光学中心。光学的中心是发生最少量激光光斑畸变的部分。由于增加的点畸变降低了生产质量，使用IFOV来指挥运动有助于提高整体零件质量。如果限制扫描头行程不能提供足够的解决方案，Automation1还提供了galvo功率校正表。根据激光扫描头轴的位置，用户可以调整模拟输出的电压。由于激光光斑畸变改变了功率密度，这种功率校正可以用来调整激光功率，以确保激光与材料相互作用的一致性。

　　当每个电气设备正确控制各个机械设备时，所有运动轴都经过校准，激光功率在XY激光扫描头视野上进行校准，这是开始管理运动过程中发生的激光-材料相互作用的时候 - 换句话说，当轴在运动时，管理如何将激光能量应用于材料。在运动过程中发生的激光加工必须至少考虑到以下几点:

　　l 激光发射是连续的还是脉冲的?

　　l 激光的功率能被调制吗?调制的速度有多快?

　　l 激光与材料的相互作用对加工速度有多敏感?

　　Aerotech的位置同步输出(PSO)工具为精密激光机制造商提供了灵活的工具套组，用于管理激光材料的相互作用。对于脉冲激光器，脉冲间距(图6)可以通过跟踪实际行进距离和基于固定或可变距离产生的发射事件来管理。

　　图6 固定距离发射的一个亮点是速度(加速度)的变化不会影响脉冲到脉冲的激光间距。这种类型的控制提高了零件质量和高动态精密工艺的生产量。

　　触发事件通常会在指定的Automation1伺服电机驱动器上为PSO输出并创建状态的物理变化。输出的功能是可配置的。输出可以保持“开”一段特定的时间，可以产生特定的波形或产生一系列脉冲。此外，模拟输出可以随着每个触发事件进行修改。

　　当操作Automation1 GL4或Automation1 GI4激光扫描头控制器时，用户还可以访问一系列激光输出控制功能，控制三个数字输出(图7)。

　　图7 在这个标准的galvo激光模式控制配置中，当激光发射时，O1和O2是具有可配置频率和固定180°相移的调制信号。当激光器不发射时，O1和O2输出可配置为输出备用脉冲。

　　这三种输出以不同的模式运行，每种模式都意味着与特定类型的工业激光器一起工作。第一激光数字输出(O1)典型地控制激光发射。第二激光数字输出(O2)用于抑制第一请求的激光脉冲，或者是第一输出的反转或相移版本。第三个激光数字输出(O3)通常用于控制激光的"门"，并且在激光发射期间它始终处于开启状态。一些工业激光器需要“挠痒式的”脉冲。因此，当激光门控制关闭时，01和02可以配置一个待机周期输出脉冲。这可以通过将待机脉冲长度配置为0微秒来关闭。

　　IFOV, PSO和激光输出控制功能都是Automation1运动控制平台的强大功能，并且在一起使用时更加强大。当配置用于IFOV系统时，Automation1 GL4可同时访问扫描头和伺服级编码器反馈。它使用这些信息来启用IFOV并执行两轴PSO版本，该版本将一个伺服X轴和一个galvo X轴合并为单个轴，并将一个伺服Y轴和一个galvo Y轴合并为单个轴。这使得GL4控制器可以根据沿部件行进的实际激光光斑距离实时命令激光输出发射事件。当PSO和激光输出控制功能配置正确时，01激光输出变为PSO控制，O2和O3输出保持Galvo模式工作。参见图8。

　　图8 当位置同步输出(PSO)和Galvo功能都配置正确时，O1输出(参见上面的图7)被PSO配置覆盖，而O2和O3仍然按照Galvo功能配置工作。

　　在精密激光生产过程建立并准备在工业机器上运行后，必须开发部件路径(或轮廓)。因为Automation1控制器默认处理g代码，所以部件路径可以由输出g代码语法的任何计算机辅助制造(CAM)工具生成。Aerotech提供了自己的解决方案，针对2D轮廓运动应用，如玻璃切割或钻孔。该工具CADFusion®降低了实施风险，并确保Automation1控制器的最佳性能和精确性。它通过帮助用户实现PSO和IFOV等激光加工功能，大大提高了零件质量。使用CADFusion，用户可以导入现有的DWG或DXF文件或从头开始设计。

　　为了处理激光加工的一些现实情况，CADFusion具有一系列优化性能的部件路径规划功能。如下图9所示，用户可以在CADFusion中创建零件路径，并执行更多操作:应用工具，如引入和引出移动，创建过渡移动，如空中书写，设置零件路径的重复部分，并使用Catalog Manager自动应用过程工具控制语法，包括PSO。然后，只需单击一个按钮，就可以导出在Automation1控制器上运行的AeroScript程序文件。

　　图9 在CADFusion中，用户可以从头开始开发新项目或导入现有的DWG或DXF文件。使用CADFusion的绘图画布(左)和例如引线和引线移动工具(右，顶部)，天空书写(右，中间)和其他工具栏项(右，底部)优化零件路径。

　　5 结论

　　一款领先的精密自动化机器，提供了自动化运动开发工具包(MDK)的绝大部分优势，包括工作室应用程序，Automation1 api和Automation1 MachineApps基于windows的自定义人机界面工具。Automation1 Studio应用程序(图10)作为一个单个的应用程序，可用于配置、编程、调试和优化系统等众多功能。

　　图10 Automation1 Studio应用程序包括机器设置向导，MachineApps HMI构建器，先进AeroScript™编程语言和数字示波器(Data Visualizer)，使用户能够在一个开发环境中设置，编程和优化伺服和步进电机，精密平台, 振镜扫描系统等。

　　Automation1 Studio拥有强大的编程IDE和数据可视化工具，可以同时查看1D和2D数据。Automation1 api包括。net、C和Python。最后，用户可以使用MachineApps(一个为设备或运动系统快速开发自定义的有效的HMI屏幕的工具)构建自己的自定义HMI 。MachineApps允许机器制造商将其品牌应用于机器界面，并使用基于模块的方法快速布局用户界面。

　　在希望成为精密激光材料加工应用领域里领先行业的机器制造商眼中，Automation 1的这些工具使其成为能够单一源头完成整个运动控制的工作环境。