增强型扫描仪控制 (ESC) – 激光扫描头运动的先进控制算法

增强型扫描仪控制 (ESC) 是一种先进的控制算法，可以通过多种方式改善激光扫描头运动，包括：

1、在需要高动态性能的应用中减少所有激光扫描头运动的跟踪误差。
2、实现更快的加速而不会达到驱动器/电机电压总线限制。
3、消除共振引起的误差。
4、大幅减少或消除步进和稳定运动的稳定时间。
5、在不超过跟踪误差限度的情况下实现更高的处理速度。

克服传统伺服控制环路的局限性
为了在高精度激光加工应用中实现高质量结果，精度和速度至关重要。传统的激光扫描头经常难以在速度和精度之间取得平衡，尤其是在需要复杂运动模式、需要高频和高加速度运动的应用中。ESC 通过使用新颖的软件算法来增加给定扫描仪硬件配置的动态极限来解决这些挑战。用户的好处包括缩短周期时间、提高产量和卓越的产品质量，使 ESC 成为要求最高激光加工性能的行业必不可少的功能。

步进和稳定运动的优势
ESC 可显著改善激光扫描头的步进和稳定性能，这是常见激光加工应用中使用的关键运动轮廓。冲击钻孔就是这样一种应用，它涉及在数千个位置之间移动，并且仅在运动误差稳定到指定目标或稳定窗口后才触发激光在该位置钻出垂直孔。印刷电路板 (PCB) 钻孔等电子制造应用使用冲击钻孔工艺来形成通孔，从而允许来自不同层的电路连接起来，如图 1 所示。

图 1.需要钻大量孔的印刷电路板图像。

步进和稳定运动曲线使用两点之间的峰值加速度和减速度，等待一段时间（称为跳跃延迟）以允许运动误差稳定，然后多次发射激光以钻到指定的目标深度，然后最终移动到下一个位置。在跳跃延迟期间无法执行任何工作，浪费了宝贵的时间。一个曲线通常有数千或数万个这样的移动，距离各不相同，但有一个共同的稳定窗口。PCB 钻孔操作的总零件周期时间与移动、稳定位置误差和为所有点发射激光所需的时间直接相关。这些时间的任何减少都会提高整个过程的生产率。

为了证明这一点，Aerotech 的 AGV-HPO（启用和未启用 ESC）和 AGV-XPO（启用 ESC）在 250 微秒内完成了 0.3 毫米的步进，位置误差阈值为 1%，然后才发射激光，相当于 0.003 毫米的稳定窗口。图 2 显示了 ESC 为两个扫描头带来的改进。

图 2. 启用 ESC 时，AGV-HPO 和 AGV-XPO 激光扫描头单个 0.3 毫米步骤的循环时间改善情况。
在本次测试中，使用 ESC 使 AGV-HPO 的效率提高了 52%，使 AGV-XPO 的效率提高了 80%。对于任何使用这些扫描仪进行此过程的系统来说，在数千个孔中节省数百微秒的时间可以显著提高生产率。

可从增强的步进和稳定性能中获益的应用包括：

1、印刷电路板 (PCB) 钻孔（电子制造）。
2、激光诱导正向转移（电子制造）。
3、玻璃通孔 (TGV) 加工（半导体制造）。

高频圆形轮廓运动的优势
高频圆形轮廓运动是另一种常见的运动轮廓。保持运动的圆度而不失真，并在目标应用的峰值误差限度内至关重要。ESC 通过允许更高的速度和更低的峰值位置和圆度误差来增强激光扫描仪的高频圆形轮廓运动。

为了量化 AGV-HPO（启用和不启用 ESC）和 AGV-XPO（启用 ESC）的最大可能速度，每个 AGV-HPO 都完成了一个直径为 0.3 毫米的圆的示例轮廓，峰值位置误差为 0.003 毫米。如图 3 所示，未启用 ESC 的 AGV-HPO 基线在开始超过峰值位置误差之前被限制在 0.4 米/秒。然而，启用 ESC 后，AGV-HPO 的速度达到了 0.8 米/秒 - 提高了 100%。将未启用 ESC 的 AGV-HPO 与启用 ESC 的 AGV-XPO 进行比较，速度提高了 575%，因为启用 ESC 的 AGV-XPO 在超过 0.003 毫米误差限制之前就达到了 2.7 米/秒。

图 3.启用 ESC 时，AGV-HPO 和 AGV-XPO 激光扫描头对直径为 0.3 毫米的圆实现的最大速度。
这种改进提高了生产率，并确保了高速下圆形轮廓的几何完整性，从而提高了许多应用的最终质量。这在医疗器械制造中很有价值，尤其是心律管理 (CRM) 设备（也称为起搏器）的生产，如图 4 所示。制造 CRM 设备需要严格控制特定特征的激光跟踪，以确保最佳的产品质量和功效。

图 4.植入患者体内的心律管理装置。
可从增强的圆形轮廓性能中获益的应用包括：

1、起搏器气密密封焊接（医疗器械制造）。
2、微流体设备制造（医疗器械制造）。
3、移动和汽车设备显示屏的激光切割（电子制造）。

矢量轮廓运动的优势
基于矢量的轮廓运动是玻璃切割等许多激光应用中常见的运动轮廓。矢量运动涉及导航一系列复杂的点，这些点定义高速运动路径，且不超过特定于应用的最大允许跟踪误差。启用 ESC 后，激光扫描头可以实现更快的轮廓速度，而不受这些限制。

为了证明这一点，AGV-HPO（启用和未启用 ESC）和 AGV-XPO（启用 ESC）完成了半径为 0.3 毫米、最大允许跟踪误差为 0.003 毫米的轮廓。如图 5 所示，未启用 ESC 的 AGV-HPO 以 1.9 米/秒的速度执行此移动，然后峰值位置误差才超过 0.003 毫米。然而，启用 ESC 后，同一产品以 3.8 米/秒的速度执行此移动，然后才超过限制，代表着 100% 的改进。启用 ESC 的 AGV-XPO 以 4.3 米/秒的速度执行此运动，代表着比未启用 ESC 的 AGV-HPO 提高了 126%。

图 5.启用 ESC 时，AGV-HPO 和 AGV-XPO 激光扫描头在 0.3 毫米半径角处实现的最大速度，且误差不超过 0.003 毫米。
如图 6 所示，更快的轮廓加工速度在大批量移动显示器制造中尤其有利，因为单一显示器类型的零件产量很容易超过每年 1 亿台。

图 6.用于移动设备的一系列经过处理的显示。
通过使用 ESC，这些制造商可以看到单个显示器切割操作的周期时间缩短了 100-125%。为数百万个零件制造实现这一改进将显著提高生产率。

可从增强的矢量轮廓绘制性能中获益的应用程序包括：

1、显示屏切割（电子制造）。
2、牙齿矫正器修整（医疗器械制造）。
3、CNC激光铣削（通用微加工）。

概括
增强型扫描仪控制 (ESC) 是一种先进的实时控制算法，可被动改善所有运动的性能，最显著的是所有激光应用的冲击步进和稳定、高频轮廓和矢量轮廓运动。这直接提高了 Aerotech AGV 激光扫描头用户的生产效率，他们将看到更快的循环时间和更高的整体工艺质量。它还消除了速度提高是以牺牲零件质量为代价的观念。

对于精密激光加工精度不容商榷的行业，ESC 提供了竞争优势，因为它可以提高产量、缩短周期时间并提供更高质量的激光加工产品。