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向量速度觸發新可能：探索 Part-Speed PSO 如何加速光束線非笛卡爾系統量測

向量速度觸發新可能：探索 Part-Speed PSO 如何加速光束線非笛卡爾系統量測

向量速度觸發，釋放平行運動學高速掃描潛力


在科學與工業應用領域，最大化量測處理量至關重要，對於光束線 (Beamline) 和同步加速器 (Synchrotron) 設施而言尤其如此；這些設施分配給使用者的時段，是基於使用者能在限定時間內完成所有資料收集的預期，然而，許多設施採用的資料收集流程相當緩慢，這不僅形成阻礙，也意味著必須為每位使用者分配更長的時段；設想如果資料收集流程能更快速？如果樣品分析與化學反應量測能即時進行，同時資料收集在背景瞬間觸發呢？為此，Aerotech 開發了一款專用工具，即使面對結構最複雜的樣品操作平台，也能以更高的處理量收集更多資料。
 

過去在光束線與同步加速器的應用中，觸發資料收集通常是一個同步化的過程：當樣品在光束的橫截面內被操作時，定位系統會先將待測樣品移動一個微小的增量距離，接著等待一段設定的時間，確保樣品完全穩定於其指令位置後，才會觸發資料收集，這個過程不僅耗時，操作起來也相當繁瑣；為了解決此問題，Aerotech 開發了一套 位置同步輸出 (Position Synchronized Output, PSO) 功能組，這套功能是運用即時的位置回饋資料，當樣品移動時，高速控制器能夠根據即時位置回饋資料來觸發並收集資料，全程無需停止運動，這實現了以往無法達成的樣品連續掃描與即時高精度資料收集；在整個量測過程中連續移動樣品，顯著提高了處理量，讓光束線科學家得以執行更多測試，收集到前所未有的豐富資料。
 

然而，這種強大的、以位置為基礎的掃描功能，在應用於這些設施中、不依賴 1:1 直接運動學配置 (亦即輸入指令與單一軸運動直接對應) 的複雜定位系統時，也帶來了新的挑戰；具體來說，這類系統採用運動學轉換方程式 (transformational equations)，並透過虛擬軸 (virtual axes) (非實際存在的運動軸) 來命令實體軸 (physical axes) (實際存在的運動軸) 移動，這表示資料收集的觸發，現在是與虛擬的運動指令綁定，而非與某個實體軸的高速位置回饋通道直接連動；如此一來，傳統以位置為基礎的資料收集觸發系統便不再適用，因為它無法透過虛擬軸存取到實體軸的高速位置回饋訊號。

 

圖 1. 六軸平台 (Hexapod) 是平行運動學結構的一個範例，其複雜的運動控制需要 Part-Speed PSO 程式設計工具支援。


為應對這項最新挑戰，Aerotech 推出了全新的 Part-Speed 位置同步輸出 (PSO) 功能；此功能允許使用者針對過去無法支援的複雜運動學結構進行程式設計，同時又能保有以位置為基礎進行資料收集的強大掃描能力；Part-Speed PSO 的觸發機制是依據定位系統的向量速度指令，這使得 PSO 功能得以應用於任何採用運動學轉換進行定位的裝置，對於光束線與同步加速器設施中常用的六軸平台 (Hexapod) 平行運動學平台而言，效益尤其顯著；六軸平台無法採用傳統以位置為基礎的資料收集方法，正是因為其運作必須依賴運動學轉換 (使用者在 XYZ 座標空間下達指令，但實際驅動六軸平台運動的軸是在不同的座標系統中)，有了 Part-Speed PSO，六軸平台現在也能整合到這些先進的資料收集流程中；由於不再需要在收集資料前執行步進與穩定 (step and settle) 的等待，六軸平台的強大彈性與掃描能力得以淋漓盡致地發揮。
 

歸功於 Aerotech 新穎的 Part-Speed PSO 功能，運用掃描來提升量測處理量的技術，現已成功擴展至複雜平行運動學的應用領域。
 

Part-Speed 位置同步輸出 (PSO)

Part-Speed 位置同步輸出 (Part-Speed Position Synchronized Output) 是 Aerotech PSO 進階控制器功能中一種高效的追蹤模式，Part-Speed PSO 能夠根據指令的向量速度，命令控制器產生高速、低延遲的輸出脈衝訊號。
 

擴展 PSO 的應用能力

長久以來，無論是工業界或學術研究領域的使用者，都廣泛利用 Aerotech 的 PSO 控制器功能，以極高的重複頻率與極低的延遲，來精準控制其製程工具——例如雷射、感測器、相機或其他裝置，製程控制與運動控制之間的無縫整合，正是 Aerotech 控制器廣受青睞的關鍵因素之一。
 

標準的 PSO 功能，通常需要直接存取最多三個運動軸的編碼器回饋訊號，用以計算實際移動的向量距離；雖然要求存取實際位置有其優點 (例如高精度)，但這也限制了 PSO 在某些特定應用中的導入；由於計算 PSO 觸發事件間距時，採用的是各軸位移平方和開根號的公式，因此傳統上僅限於 X/Y/Z 直角座標系統 (Cartesian systems) 才能使用 PSO。
 

Part-Speed PSO 的出現，讓使用者即使在編碼器回饋訊號呈現非線性關係，或甚至無法直接存取的情況下，也能運用 PSO 的強大功能；透過 Aerotech 的 Automation1 控制器與 Part-Speed PSO，PSO 輸出的控制可以改為依據您的製程工具相對於待加工件的運動速度指令，這項能力使 PSO 得以應用於數種過去無法實現的新情境，例如：
 

  1. 工件空間 (用於程式設計的座標空間) 與 機台空間 (實際運動軸所在的座標空間) 不一致，常見原因如下：
    • X/Y/Z 位置指令需透過運動學轉換進行修正 (例如 4 軸系統、5 軸系統、3 軸振鏡掃描儀、六軸平台等複雜結構)，
    • 需透過旋轉軸來達成工具法線方向 (Tool normalcy) 的保持 (即工具始終垂直於加工表面)，
    • 需透過非線性軸 (例如旋轉軸) 的運動來實現直線移動，(圖 1 描繪的系統中，Y 方向的直線運動可能同時需要 Y 軸的平移與 A 軸的旋轉來達成)；
       
  2. PSO 硬體電路所需的特定類型編碼器回饋訊號無法取得，常見原因如下：
    • 系統使用了與 PSO 不相容的回饋裝置 (例如絕對型編碼器 (absolute encoders))，
    • 基於設計考量，希望減少系統佈線的複雜度。

 

圖 1. 展示了一個五軸機台配置，在此配置中，使用者在 X/Y/Z「工件」空間進行程式設計，而運動指令則下達給 X、Y、Z、A 和 B 等「真實」運動軸，A 和 C 軸通常用於維持製程工具與待加工件表面之間的法線關係。
 

Part-Speed PSO 程式設計

以下的程式設計範例採用了下列的軸配置設定：

  • X 與 Y 是定義在工作空間內的虛擬軸 (virtual axes)，
  • x 則是一個真實軸 (real axis) (也就是實際連接到 Automation1 控制器網路的驅動器)，
  • 請注意，x 軸可能不是唯一受控的真實軸，但它是實際裝配有實體 PSO 輸出硬體的那個軸。

 

Part-Speed PSO 的配置是透過擴展使用既有的 Automation1 指令來完成：

  • PsoDistanceConfigureInputs 指令可以被設定為根據一個內部脈衝產生器來追蹤距離，而非直接根據編碼器回饋，
  • 這些脈衝是依據 DrivePulseStreamConfigure 函數中所宣告的軸輸入來產生的，
  • DrivePulseStreamConfigure 函數用於指定哪些軸將被用來產生被追蹤的速度指令，這個速度指令值，是將指定各軸速度分量的平方和再開根號計算而得；在範例程式中，被追蹤的是虛擬軸 X 與 Y；PsoDistanceConfigureInputs 函數同時也用於指定哪個真實驅動器將接收這個計算出來的速度指令，在此範例中，接收指令的是「真實」的 x 軸；因此，所有 PSO 相關的指令，包括 PsoDistanceConfigureInputs 函數，都應該下達給這個「真實」的 x 軸。

 

設定 Part-Speed PSO 的範例程式

圖 2. 用於配置 Part-Speed PSO 的範例 AeroScript 程式檔案。
 

Aerotech 近期發表的另一篇白皮書《解鎖複雜運動潛能：運用 StatusGetAxisItemFast() 實現客製化多軸同步》，探討了 Automation1 控制器如何讓使用者快速實現先進的運動學關係；雖然本篇白皮書未深入探討，但將一個運動學程式 (通常運行在獨立的控制器程式設計「任務 (task)」中) 與 Part-Speed PSO 結合使用，正能展現此項新控制器功能最為先進的應用方式；當您針對虛擬軸進行程式設計，並將這些虛擬軸的指令向量速度作為 PsoDistanceConfigureInputs 函數的輸入時，那個獨立的運動學程式便會命令真實軸進行運動，從而精確地移動您的工作點 (work point)，完全依照您對虛擬軸所下達的指令。
 

技術考量

在實施 Part-Speed PSO 時，應審慎評估以下幾點技術細節。
 

首先，DrivePulseStreamOn 函數所啟動的脈衝產生器，其輸出頻率上限為 95 MHz；虛擬軸的 CountsPerUnit 參數 (單位距離對應的計數值) 以及程式設定的速度 (進給率, feed rate)，將共同決定脈衝流的資料速率；允許的最大程式設計速度 (FeedRate)，可由以下方程式估算：
 

其中，EncoderCountFreq=95,MHz；
 

其次，CountsPerUnit 參數的選擇，應確保工作空間中虛擬軸的解析度，要小於（也就是更精細）程式配置中 PsoDistanceConfigureFixedDistance 指令所設定的固定觸發距離 (參考範例程式碼的第 14 行)；
第三，Aerotech 驅動器上的 PSO 輸出硬體，對於 PSO 輸出脈衝本身有頻率限制；參考此頻率限制值，可以透過以下方程式計算出脈衝之間的最小允許間距 (MinSpacing)：
 

其中，LaserOutputFreq 是從對應的驅動器硬體手冊中查得的 PSO 輸出頻率上限值。
 

總結

Aerotech 的 Part-Speed PSO 功能為光束線與同步加速器設施中常見的複雜運動學系統 (如六軸平台) 帶來了突破性的解決方案；傳統 PSO 依賴直接位置回饋，難以應用於透過運動學轉換和虛擬軸控制的系統，導致資料收集效率低落；Part-Speed PSO 創新地採用指令向量速度作為觸發依據，成功克服了此限制，使得即使在編碼器回饋非線性或無法直接取得的情況下，也能實現高速連續掃描與即時、低延遲的資料收集；這項技術不僅顯著提升了複雜定位平台的量測處理量，更釋放了如六軸平台等先進設備的全部潛力，為科學研究與工業應用開啟了更高效率的新篇章。
 

焦點產品

Aerotech 六軸 (6-DOF) Hexapods 定位系統

Aerotech 的六軸 (6-DOF) Hexapods 定位系統（亦稱為 Stewart 平台）為市場提供了高性能的六自由度運動控制解決方案，這類系統以其領先業界的保證精度著稱，Aerotech 公開其規格與性能曲線，確保達到次微米級的定位精度，甚至可執行 20 奈米 (nanometer) 級別的步進運動，並經過外部設備驗證。



 

核心優勢與應用領域：
Aerotech Hexapods 系統的核心優勢在於其：

  • 超高精度：
    提供市場上最精確的運動控制技術之一，並有數據保證。
  • 可靠性：
    設計堅固耐用，能夠適應全天候 (24/7) 的高負載工業運行環境。
  • 單一控制器：
    透過 Aerotech 強大且使用者友善的單一控制器即可管理所有運動軸，並支援即時運動模擬與視覺化，簡化了編程、整合與操作的複雜性。

 

這些高性能的六軸平台適用於對精度、穩定性及多自由度運動有嚴格要求的應用，例如：

  • 光子器件操作與對準
  • 半導體製程與精密檢測
  • 航太與衛星傳感器測試
  • 同步加速器與光束線樣品操作
  • X 射線繞射
  • 醫療與生物技術領域的高精度運動控制

 

系列產品與客製化能力：
Aerotech 提供了包括 HEX150、HEX300、HEX500 系列在內的標準化六軸平台產品線，可滿足從 7.5 公斤到 200 公斤等級的不同負載能力需求；不僅如此，面對標準品無法滿足的特殊應用，Aerotech 及台灣合作夥伴 奧創系統 還提供專業的客製化六軸 (6-DOF) Hexapods 定位系統與解決方案，服務範圍涵蓋特殊的安裝介面、線纜配置、行程範圍調整乃至真空環境兼容性等深度設計修改，以精確滿足客戶的獨特需求。
 

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