应用先进运动控制技术提升雷射钻孔设备性能

雷射钻孔设备。

于微钻孔制程设备中，钻孔的方式分为机械钻孔与雷射钻孔，机械钻孔通常被应用于较大型孔径的应用，如PCB或IC载板类的应用。而雷射钻孔则应用于较细的孔径，如矽芯片，陶瓷基板，与蓝宝石基板等等。于这两种钻孔制程设备中，先进运动控制技术扮演关键的角色，除了需要能够将轴控系统调整到高产能，高良率的效果，更重要的是能够在如此高的产能需求下，轴控系统仍不会产生共振或设备振动，确保钻孔的产品维持最高的一致性。

伺服定位平台的调整

于微钻孔应用中，工件尺寸与重量，与动态性能要求，将会与XY伺服定位平台的调整难度有关。于小型工件如矽晶或陶瓷基板，在要求的位移整定时间不甚严苛的情况下，调机通常可以很轻易的完成。然而，在不同的产业机械设备中，大型工件需要进行位移的情况相当常见，而且若同时需要进行严苛的位移整定要求时，对于伺服增益值调整的工作就成为许多公司的瓶颈所在。

一般而言，运动控制系统会提供自动调机流程(Auto Tune)，或步阶响应调机流程(Step Response)，使用时域(Time Domain)进行调机。此类型的调机流程可以应付较简易的应用，但对于钻孔应用而言，由于时域调机流程无法判断共振与极零点，也无法进行许多滤波器的设定，许多时候需要降低增益值以确保系统不至于共振，但降低增益值，也代表着降低产能。

使用频域(Frequency Domain)方式调机，或称为频率响应分析，在钻孔设备应用上，是较进阶的做法，也是有机会能够提升产能与良率的做法。频率响应分析对马达输入由低频至高频的正弦振荡命令，并撷取马达于各频段的相位(Phase) 与增益边限(Gain)，控制工程师可以藉由判断相位边限(Phase Margin)与增益边限(Gain Margin)，来进行设备调整。高性能运动控制器如Aerotech A3200运动控制器，可以轻易的使用回路塑型功能调整波德图的相位与增益，并轻易设定滤波器后，在提高增益值以提升产能。于实际上的微钻孔应用中，回路传输软件完成的调机结果，可以达到现今最严苛的钻孔制程产能要求。

真圆度的提升

于许多雷射钻孔制程终，真圆度的要求也是机台成功的关键之一。于机械钻孔中，由于刀具进行的昰打击(Punch)的方式，也就是使用XY平台定位至钻孔位置后主轴进行钻孔，此法的钻孔真圆度与轴控系统较无关系。但于雷射钻孔应用时，微孔通常使用扫描振镜(Galvo Scanner)或XY定位平台绕圆进行加工，此法的钻孔真圆度，除了与雷射光斑尺寸变异量有关，最重要的轴控系统的追随性将与钻孔的真圆度有很直接的关系。

首先，使用者需要一套图型化界面，能够将编码器或光学尺的回馈信号显示于PC端，藉由不同制程参数的调配，以达到理想的钻孔产能与品质的要求。常见的参数包含：加速度，速度，与孔径，而在钻孔应用时，加速度的计算使用公式a=v^2/r计算出来，其中，a为加速度，v为速度，r是圆的半径。

因此，越小的半径，或越高的加工速度，将会产生越高的加速度。而越高的加速度，通常与加工的追随误差成正比，也就是将会产生越差的真圆度，降低制程良率。但是，若要降低加速度以提升良率，则会牺牲产能。

若需要提升真圆度，不大幅度影响产能的，先进的运动控制器能够提供下面二种功能。第一是加速度抑制功能，针对圆弧进行加速度抑制，而若进行直线位移时，使用最高的加速度，此法可以在不大服影响产能情况下，提升钻孔的真圆度。第二，真实降低追随误差，如Aerotech 的A3200控制器的先进控制技术，轨迹误差抑制功能(Enhanced Tracking Control；ETC)，使用进阶的演算法，提升低频的增益值，但不提升高频的增益值，因此补偿静摩擦区域对于增益值的限制，将位移反向时的误差降到最低，也提升了钻孔时的真圆度。

程序执行效率

由于微钻孔加工设备需要进行加工的孔位数量庞大，对于运动控制器执行效率的要求相对严苛。先进运动控制器具有许多特殊功能用以确保大量的孔位数据仍能够以最高效率进行加工。如预视功能(Look Ahead) 能够预先判断后续的位移路径，排队模式(Queue Mode)能够让巨量数据能够以先进先出的方式执行，因此不因运动控制器内建存储器尺寸所限制。这些功能虽然比较不如前述功能这麽显眼，但也是协助钻孔制程能够达到最终目标产能的手段之一。

于最严苛的雷射微钻孔制程中，先进运动控制技术可以大幅提升该设备之产能与良率。从基础的伺服调整，藉由频率响应分析的方式，抑制共振位置后，提升增益值以提高产能，到进阶真圆度提升，藉由限制加速度，或轨迹误差抑制功能，以提升钻孔之真圆度，最后搭配高效率的程序执行，处理巨量的钻孔位置数据，总合这三点，先进运动控制系统将可以提升钻孔设备性能，符合最严苛的客户需求。 (本文由Aerotech提供，郑斐文整理)