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位置同步輸出 (PSO) | 依據移動距離實現高精度製程觸發控制

位置同步輸出 (PSO) – 座標化零件位置與製程控制

當您的精密製程要求達到次微米等級，傳統以「時間」為基礎的觸發機制，是否已成為速度變化下，影響產能與良率的隱形瓶頸？

若每一次的製程觸發，都能擺脫速度的束縛，精準地與工件的「實際移動距離」完美同步，這將為您的產品品質帶來何種層次的提升？本文將深入探討位置同步輸出（PSO）技術，如何徹底改變高階製造的控制邏輯，實現真正以位置為本的精準加工。

設計特點

  • 依據移動距離觸發您的製程工具，可避免因加速度、減速度或任何其他速度不穩定性所造成的觸發錯誤。
  • 可與高速脈衝雷射完美整合，實現新世代的顯示器與醫療器材製造。
  • 包含多種能強化製程的通用功能。

圖 1. 此圖描繪 PSO 脈衝輸出是依據移動距離的變化量，而非經過的時間量。


Aerotech 的位置同步輸出 (Position Synchronized Output, PSO) 功能可將您的運動控制與輸出訊號進行座標同步，用以觸發雷射或資料擷取裝置，達成高速、高品質且無可比擬的製程控制。

別再推導您的零件品質 – 直接精準控制

當您真正在意的是位置時，為何要用速度來控制製程呢？
Aerotech 的控制解決方案能以高達 12.5 MHz 的頻率發射經位置計算的 PSO 脈衝，其延遲最低可達 40 奈秒，您可以使用這些脈衝來觸發雷射、感測器、相機或其他接受 IO 訊號的裝置，隨著製程對精度與產能的依賴度日益增高，採用實際零件位置進行觸發變得至關重要，PSO 脈衝可在高達三個軸向的向量運動中下達指令，同時以高速率和低延遲追蹤校準後的位置回饋。

PSO 與雷射加工

雷射技術不斷演進，而高速脈衝雷射正催生全新的材料處理能力，這些製程通常涉及使用快脈衝或短脈衝雷射，對於這些製程而言，PSO 是一項具備差異化優勢的控制器功能，因為沒有其他控制技術能在不犧牲產能的情況下，達到雷射光點佈局的次微米級精度，即使在高加速度下，也能實現熱管理，此外，PSO 長期以來也廣泛應用於雷射切割和雷射焊接等應用，這些應用包含使用 CO2、YAG 和準分子光纖雷射。

PSO 的通用性

PSO 的通用性不僅體現在其低延遲與高頻率特性，更展現於多種操作模式，能與眾多製程精準整合，請繼續閱讀以深入了解 PSO 的運作方式。

PSO 設定

Automation1 平台的 PSO 設定程序既簡易又靈活，設定 PSO 的過程即為設定各個元件的 PSO 功能區塊，每個區塊都有其定義的輸入與輸出，您可以將這些功能區塊的設定過程，視為一個在 Aerotech 的 AeroBasic 交談式程式語言中執行的四步驟流程，如圖 2 所示。


圖 2. Aerotech 的位置同步輸出可透過四個簡單步驟完成設定。

指定軸向

指定哪些軸向參與向量距離的計算。

指定 PSO 觸發事件間距（以及特殊觸發事件條件）

指定 PSO 觸發事件的間距，同時也能設定是否在進入或離開特定區域或「視窗」時產生觸發事件，或者在振鏡雷射輸出開啟時產生觸發事件，PSO 觸發事件的間距可以指定為：

  • 工件上的固定距離。
  • 載入至資料陣列的自訂觸發事件間距。

設計 PSO 輸出脈衝序列

設計每個觸發事件所需的 PSO 輸出脈衝序列，這包括設定輸出波形、控制波形啟動以及控制波形縮放。

指定哪些 PSO 觸發事件需產生 PSO 輸出

PSO 輸出是由驅動器硬體上的實體 I/O 點產生，並可指定在以下情況發生：

  • 於所有事件：在所有 PSO 觸發事件時。
  • 使用點陣圖控制：在所有 PSO 觸發事件時，但由二進位資料陣列值遮蔽的事件除外。
  • 使用視窗控制：僅當指定軸向位於特定位置的視窗範圍內時。
  • 使用位元遮罩控制：在所有 PSO 觸發事件時，但 PSO 輸出脈衝序列的工作週期會依據灰階陣列值進行修改。
  • 使用雷射控制：僅當雷射輸出開啟時。

大多數指定 PSO 觸發事件和 PSO 輸出的方法可以混合搭配使用，以最佳化您應用的特定需求。

使用者自訂的 PSO 輸出脈衝序列

在每個 PSO 觸發事件（圖中以紅點表示）發生時，控制器會產生一個 PSO 輸出脈衝序列，但這個序列不一定會由驅動器硬體輸出，當需要 PSO 輸出時，驅動器將會按照指定規格輸出此脈衝序列，一個脈衝序列可包含數個週期，具體取決於您的應用需求，PSO 輸出的振幅則由連接至 PSO 電路的電壓位準決定，這種能夠修改脈衝開關行為與振幅的能力，使 PSO 成為高階精密製程中最具彈性的位置觸發工具指令。



圖 3. 一個 PSO 脈衝序列定義了 PSO 輸出的開關行為，此序列在控制器每次產生 PSO 觸發事件時發生，並由總時間、「開啟」時間、週期數和延遲時間（相對於 PSO 觸發事件）所定義，此 PSO 輸出脈衝序列的行為可視為一個單獨的「事件」，如圖右側的深藍色長條所示。

固定距離觸發

固定距離 PSO 脈衝是 PSO 最常見的應用情境，這是因為以位置回饋為觸發依據，是確保如雷射觸發或資料擷取等關鍵製程控制，能準確發生在您預期位置上的最精確方式，在此模式下：

  • 觸發事件的固定距離間距由使用者指定。
  • 最多可使用三個軸向的編碼器回饋來計算實際移動距離。
  • 在每個 PSO 觸發事件發生時，會產生使用者指定的 PSO 輸出脈衝序列。
  • 此 PSO 輸出脈衝序列在每個 PSO 觸發事件時，成為實際的 PSO 輸出。



圖 4. 紅點代表由 PSO 距離計數器以固定距離產生的 PSO 觸發事件，藍色長條代表由脈衝產生器產生的 PSO 輸出脈衝序列，在此範例中，使用者在每個 PSO 觸發事件時都產生一個 PSO 輸出，因此，每當距離計數器產生一個 PSO 觸發事件時，驅動器硬體就會輸出指定的 PSO 輸出脈衝序列。
 



圖 5. 固定距離觸發的一大亮點是，速度的變化（加速度）並不會影響脈衝之間的雷射間距，這種類型的控制方式在高動態精密製程中，能有效提升零件品質與產能。

陣列式開關 PSO 輸出控制

PSO 的另一種常見模式是透過使用資料陣列值，來指定哪些固定距離的 PSO 觸發事件需產生實際的 PSO 輸出，在此模式下：

  • 觸發事件的固定距離間距由使用者指定。
  • 建立所需的 PSO 輸出開關序列並下載至驅動器硬體。
  • 最多可使用三個軸向的編碼器回饋來計算實際移動距離。
  • 在每個 PSO 觸發事件發生時，會產生使用者指定的 PSO 輸出脈衝序列。
  • PSO 輸出脈衝序列會依據驅動器硬體上的開關序列，決定是否成為實際的 PSO 輸出。



圖 6. 此圖展示了點陣圖觸發，在此 PSO 輸出模式中，隨著 PSO 觸發事件的發生，陣列值會被依序索引，這些陣列值用於指定哪些 PSO 觸發事件會在驅動器上產生 PSO 輸出，在此實作中，距離計數器仍然追蹤相同的事件間距，但會在指定的位置下達製程工具指令。

陣列式灰階 PSO 輸出控制

此 PSO 模式常用於灰階雷射標記等應用，它結合了上述的陣列式方法與對 PSO 輸出脈衝序列工作週期的控制，在此模式下：

  • 觸發事件的固定距離間距由使用者指定。
  • 建立所需的 PSO 輸出開關序列並下載至驅動器硬體，此外，每個開關值都關聯一個工作週期值，此值也一併下載至硬體。
  • 最多可使用三個軸向的編碼器回饋來計算實際移動距離。
  • 在每個 PSO 觸發事件發生時，會產生使用者指定的 PSO 輸出脈衝序列，此序列會依據硬體上的開關序列決定是否成為實際的 PSO 輸出。
  • PSO 輸出脈衝序列會依據其關聯的工作週期值進行修改。


圖 7. 此圖展示了灰階或「位元遮罩」觸發，在此 PSO 輸出模式中，隨著 PSO 觸發事件的發生，陣列值會被依序索引，這些陣列值用於指定哪些觸發事件會在驅動器上產生 PSO 輸出，此外，類比或「灰階」值則用於控制指定 PSO 輸出脈衝序列的工作週期，在此實作中，距離計數器仍然追蹤相同的事件間距，但會在指定的位置下達製程工具指令。

視窗式 PSO 輸出控制

除了開關和灰階輸出控制，您還可以指定以位置為定義的視窗，在那些僅需於特定位置範圍內進行脈衝觸發的應用中，使用這些視窗至關重要，固定距離、陣列式開關和陣列式灰階控制都可以與視窗控制結合使用，若要使用視窗控制：

  • 使用者需指定視窗範圍並啟用視窗操作。
  • PSO 依據上述任一模式運作。


圖 8. 在此範例中，建立了數個視窗，除非工具位於指定的視窗範圍內，否則 PSO 輸出將被遮蔽，PSO 觸發事件（下方圖表中的紅點）在視窗範圍之外仍然會發生，然而，PSO 輸出（藍色長條）僅在指定的位置視窗內才會產生。

自訂 PSO 脈衝間距

在實施上述任何模式時，您都可以使用自訂的 PSO 觸發事件間距，對於不需要固定間距的應用，您可以指定自訂的間距值。

控制任何工具並改善您的製程

Aerotech 的客戶使用 PSO 來觸發多種製程，包括：

  • 雷射觸發
  • 相機拍攝
  • 資料擷取
  • 非破壞性測試觸發

應用

PSO 的多功能性服務於眾多重要的精密製造製程，包括：

  • LED 顯示器製造
  • 導通孔鑽孔
  • 積層製造
  • 印刷電子/點膠
  • 雷射系統
  • 切割支架和其他介入性心臟裝置
  • 心律調節器的雷射密封焊接
  • 渦輪葉片孔洞加工
  • 燃料噴射器鑽孔
  • 影像擷取

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