掃描頭動態+IFOV同步控制：突破雷射加工速度與品質

深入解析兩大關鍵技術如何協同運作，實現高精度輪廓運動與大範圍高速加工

智慧型手機、醫療器材和半導體等產品的大量生產需要高速、高精度的雷射加工（Laser Processing）製程；對於更小、更快、成本更低的產品需求增加了製程的複雜性和製造商的成本壓力；因此，雷射加工速度和零件品質（影響產出效率與加工品質）始終處於相互制約的狀態。
 

Bryan Germann，Aerotech 的雷射加工產品部門產品經理，分享他對於最新雷射掃描頭（Laser Scan Head）技術和運動控制方法的專業見解；Aerotech 在精密運動控制和自動化領域擁有超過 50 年的領先地位，是為先進製造應用提供高效能雷射掃描器、線性/旋轉平台、運動控制器和整合自動化系統及系統整合方案的領導製造商。
 

在試圖提高精密雷射加工應用的產出時，雷射製程、自動化和產品設計工程師面臨哪些挑戰？

在高精度應用中，目標是在維持零件加工品質的同時最大化製程產出——這絕非易事；雷射掃描頭沿著特定路徑以極高速度移動，並精確控制沿該路徑施加的雷射能量；然而，提高雷射掃描器速度會影響雷射光點位置精度，特別是對於複雜的運動輪廓。
 

這就是為什麼在提高動態性能以增加產出效率的同時，要維持高精度通常需要進行完整的雷射加工系統優化——從運動控制軟體與硬體、機械元件到機台系統整合；以賽車運動作類比：所有賽車根據其性能需求，都有不同的加速、減速和過彎能力；一輛四缸轎跑車的需求與一級方程式（Formula 1）賽車不同；但即使是處於性能巔峰的一級方程式賽車也必須減速才能過彎。
 

在這些時刻，最微小的設計變更也能產生顯著的性能優勢。
 

即使是性能頂尖的一級方程式賽車，也必須減速才能轉彎。
 

哪些雷射掃描頭設計考量會影響加工性能？

掃描器到目標的工作距離（Working Distance）會影響雷射掃描器的視野範圍（Field of View, FOV）、雷射光點尺寸和位置解析度；較寬的視野範圍（FOV）搭配較長的焦距允許進行更大範圍的雷射加工或處理更多獨立物件；這需要在特定聚焦鏡頭下，於較大的光點尺寸和較低的位置解析度之間取得平衡；雷射功率和重複頻率必須與光點運動輪廓精密同步控制；一個針對所有這些因素進行優化的系統，將能在最大的視野範圍或物件數量內，以最高的製程速度產出必要的加工品質。
 

就掃描頭本身而言，馬達設計應最小化慣性（Inertia）但最大化剛性（Stiffness），以實現更高的掃描速度、動態性能和最小的抖動（Dither）（移動雷射光束的最小增量距離）；雷射掃描頭本身也應具備最大的剛性、最佳化的視野範圍與焦距比，並最小化熱負載；這將讓使用者能夠以更快的速度、在更長的焦距下進行切割，同時減少變異和軌跡誤差，提升精密加工水準。
 

高動態雷射加工有哪些技術發展可改善製程產出與零件品質？

增加雷射掃描器的視野範圍（FOV）可顯著改善製程產出效率；對於鏡片產生的特定位置變化，光束行進的距離成比例縮放；掃描器距離表面越遠，光點在較長距離上的移動速度就越快；這使得在更短的時間內加工更多零件成為可能，有效提升高速加工的效益；如果製程允許光點尺寸增加，結果便是在更短的時間內產出更多零件，並減少位置浪費；此外，如果在這些較長的工作距離下仍能維持優異的追蹤誤差性能，則零件加工品質和良率將不受影響。
 

這聽起來像是一種改善產出的簡單方法，但它需要系統層級的調整與整合；所有環節都必須改進，才能將（在短工作距離下常見的）微米級精度轉換到較長的工作距離；否則，在較短工作距離下存在的任何誤差，在較長距離下都會被放大；在 Aerotech，我們將 Aerotech AGV-XPO 雷射掃描頭與其專用驅動器搭配，協助使用者輕鬆地優化所有環節，實現高效的運動控制。
 

圖說：雷射掃描頭如何將旋轉振鏡位置轉換為工作表面上的線性位置，以及工作距離如何影響速度和解析度的圖示說明。
 

圖比中較了兩種不同有效焦距 (EFL) 的雷射掃描光學系統設置，說明有效焦距如何影響最終的光點尺寸、最小抖動量限制以及掃描速度；左側圖解顯示，當有效焦距從 100mm 增加到 250mm 時，相同的振鏡偏轉角度 (Δθ) 會在工作平面上產生較大的線性位移 (從 L1=1mm 到 L2=2.5mm)，如右側兩個掃描頭設置所示；中間文字解釋了雖然較長的焦距（Lens 2）能讓光束在相同時間內移動 2.5 倍的距離，但也需要以更大的光點尺寸和較低的解析度來達成相同的運動精度，這是在光學系統設計時需要權衡的重要考量。
 

透過單一運動控制器進行同步控制，整合雷射掃描頭與伺服平台的優點是什麼？

同步（Synchronized）的雷射光束定位與工件移動、簡化的系統整合與程式設計、提升的加工性能、靈活性以及潛在的成本節省都是重要的優點；最重要的優點或許是實現即時同步與高精度協調運動；使用單一運動控制器可實現雷射掃描頭與伺服平台間的精確同步控制，確保雷射光束與工件的精確同步定位；這種同步運動在需要精確輪廓運動的應用中至關重要，例如高精度雷射切割、雕刻或焊接等精密加工應用；它確保雷射光束被精確導向工件上的期望位置，從而產生高品質、一致的結果。
 

透過 Aerotech 的無限視野（Infinite Field of View, IFOV）同步控制技術，掃描器和平台的運動控制由單一控制器透過高頻寬光纖連接進行；掃描器和平台的運動軌跡來自對雷射掃描頭軸向的雙軸指令；由於指令是單一的，且平台和掃描器相互連結，雷射掃描頭能夠即時動態補償平台運動誤差，無需使用者介入；對於尋求提升設備性能與產能、加速製程開發的機器製造商與系統整合商來說，這是一個強大的自動化解決方案。
 

在規劃與指定雷射掃描頭系統時，您能給設計師哪些建議？

整個過程實際上始於評估特定雷射加工應用所需的系統性能：

• 所需的視野範圍（FOV）大小？
• 雷射光束定位精度要求？
• 成本目標是多少，以及可以在設置上花費多少？
• 是否可以用單一機器完成？
• 如果使用某組件，是否需要更多的廠房空間和間接成本？
• 需要達到何種嚴格的加工品質規範？

過度或不足地指定元件能力可能會增加單位成本，並導致設備需要更多時間進行程式設計和維護；此外，無論使用哪種類型的雷射掃描器，高加速度運動都會引發一定程度的位置誤差，影響動態精度；為了滿足應用需求，必須在軌跡層級或機器層級做出妥協；先進的運動控制策略和卓越的機械系統設計能最大限度地減少這種性能妥協，因此在指定任何雷射掃描頭加工製程時，選擇值得信賴、性能經過驗證的元件供應商至關重要。
 

選用設計成能協同工作的整合 運動控制與雷射掃描元件（如 Aerotech 提供的方案） 絕對具有優勢；這能消除整合不同供應商工具時常見的不確定性與複雜的系統整合工作，可以更快、更輕鬆地完成設置並投入生產，加速實現高效自動化目標。

圖說：Aerotech 系統展示，包含由 Automation1 運動控制器驅動的高效能線性 X-Y-Z 運動平台和AGV-HPO 雙軸雷射掃描頭。

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