精密雷射掃描系統(tǒng)的特點在于其能夠在保持預(yù)期路徑位置的同時執(zhí)行具有挑戰(zhàn)性的輪廓運動。這可以稱為“最小追蹤誤差” 或 “最小追隨誤差”。實現(xiàn)高產(chǎn)能、高精度雷射掃描系統(tǒng)涉及多種因素。為簡化說明,必須有兩個主要技術(shù)元件協(xié)同工作以提供這種性能:
1、機(jī)械解決方案 - 雷射掃描頭本身。
2、控制解決方案 - 雷射掃描頭的運動控制器和驅(qū)動系統(tǒng)。
雷射掃描頭通常由鏡片兩片鏡片組成,每片鏡片都直接耦合到其自身的伺服控制馬達(dá),并配有精密反饋裝置。這些馬達(dá)-鏡片-反饋元件的設(shè)計及其相關(guān)的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)為整體系統(tǒng)的潛在性能設(shè)置了基準(zhǔn)。為了進(jìn)行此應(yīng)用說明中描述的測試,使用相同的機(jī)械設(shè)置來比較兩個不同的控制平臺。
控制解決方案始于運動控制器,將期望的軌跡(通常使用G-Code編程語言描述的弧線和直線)轉(zhuǎn)換為一系列控制點(稱為“軌跡點”),然后這些控制點被發(fā)送到獨立的伺服控制器——每個馬達(dá)一個。這些點是伺服控制器的輸入,伺服控制器對這些點進(jìn)行內(nèi)插以匹配伺服控制回路的操作速率。為了實現(xiàn)高度精確的矢量運動,每個獨立的伺服控制器必須同步接收和使用這些命令位置。這種同步控制使功率放大器的協(xié)調(diào)運動成為可能,從而控制雷射掃描頭中每個馬達(dá)的運動,最終為過程提供精確的矢量雷射點位置。
為了控制AGV20HP-2振鏡掃描儀,將新Automation1運動控制平臺的能力與業(yè)界標(biāo)竿A3200運動控制平臺的能力進(jìn)行了比較。請參見表1以比較這些系統(tǒng)。
表1 | Automation1 平臺 | A3200 平臺 |
輸入軌跡 | 輸入軌跡 10x10度的方形圖案,角落半徑為0.5度,命令速度為1000度/秒(1) | |
測試 | 測試 #1:運動控制器將軌跡轉(zhuǎn)換為伺服控制點,不應(yīng)用有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波。 | |
測試 #2:運動控制器將軌跡轉(zhuǎn)換為伺服控制點,并在此轉(zhuǎn)換過程中同時應(yīng)用有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波。 | ||
運動控制器 | Automation1-iSMC 智能軟件機(jī)器控制器 | A3200 SMC 軟件機(jī)器控制器 |
軌跡速率 | 100 kHz | 48 kHz |
運動總線 | Automation1 HyperWire | A3200 FireWire over HyperWire |
驅(qū)動電子裝置 | Automation1-GL4 伺服控制器頻率為200kHz | Automation1-GL4 伺服控制器頻率為192kHz |
軌跡到伺服內(nèi)插速率 | 1:02 | 1:04 |
雷射掃描頭 | AGV20HP | AGV20HP |
表1. 本應(yīng)用說明中測試的 Automation1 和 A3200 控制系統(tǒng)比較。
軌跡以機(jī)械角度(鏡面旋轉(zhuǎn))指定,而不是雷射束的光學(xué)角度。 如表1所示,Automation1 運動控制器生成軌跡點的速率是 A3200 控制器的兩倍多。這使得 Automation1-GL4 能夠?qū)⑵渌欧刂祁l率提高4.2%(從192kHz到200kHz),并將所需的內(nèi)插速率從1:4降低到1:2。
圖1. Aerotech 的 Automation1-GL4 是一款高性能的雙軸雷射掃描頭驅(qū)動器。從這些測試結(jié)果中可以看出,當(dāng)與 Automation1-iSMC 運動控制器配合使用時,其性能更是出色。
雷射掃描頭性能測試 雷射掃描頭通常利用特殊光學(xué)器件將鏡片的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為雷射點沿工件的線性運動。本說明中進(jìn)行的測試僅僅是測量驅(qū)動各個鏡片的每個馬達(dá)的位置,而不是測量物理雷射過程的實際性能。相反,這些測試假定根據(jù)編碼器反饋提高馬達(dá)定位性能,將轉(zhuǎn)化為整體系統(tǒng)級性能的改進(jìn)。
第一個測試顯示了在軌跡轉(zhuǎn)換過程中不應(yīng)用有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器時,運動控制器運行上述軌跡的性能比較。第二個測試包括每個運動控制器應(yīng)用的FIR濾波器。在每個控制器上,選擇的FIR濾波器抽頭數(shù)量使伺服回路頻率響應(yīng)的衰減類似于更高頻率內(nèi)容。
Description | Units | Automation1 | A3200 | Automation1 Improvement |
XY 矢量位置誤差, Pk-Pk | mdeg | 2.872093 | 3.483799 | 17.56% |
XY 矢量位置誤差, Std. Dev. | mdeg | 0.287080 | 0.653970 | 56.10% |
表2. 測試 #1 - 無 FIR 濾波 - 如馬達(dá)編碼器讀取的所描述軌跡的位移誤差 描述 單位 Automation1 A3200 Automation1 改進(jìn)
Figure 2. Test #1 – No FIR filtering
Description | Units | Automation1 | A3200 | Automation1 Improvement |
XY 矢量位置誤差, Pk-Pk | mdeg | 1.872906 | 3.300665 | 43.26% |
XY 矢量位置誤差, Std. Dev. | mdeg | 0.254938 | 0.569312 | 55.22% |
表3. 測試 #2 - 應(yīng)用 FIR 濾波 - 如馬達(dá)編碼器讀取的所描述軌跡的位移誤差
Figure 3. Test #2 – FIR filtering applied.
總結(jié)
總而言之,Automation1 運動控制平臺在雷射掃描頭系統(tǒng)中的增加軌跡速率、提高伺服速率和降低所需的內(nèi)插速率顯著改善了通常稱為“追蹤”或“跟隨”輪廓運動的性能。
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