Optimizing Infinite Field of View Laser Processing

作者: 葉惟仁 / 美商艾羅德克有限公司臺(tái)灣分公司 (Aerotech Taiwan)

于目前電子產(chǎn)業(yè)的雷射應(yīng)用中，大范圍加工已經(jīng)是許多設(shè)備商均投資研究的重要議題，以往在雷射加工時(shí)，在雷射產(chǎn)業(yè)中掃描振鏡是高速加工的主要設(shè)備，但掃描振鏡在大范圍加工最大的限制，在于接圖誤差與如何維持加工精度等議題；Aerotech 于2011年推出無(wú)限式也范圍功能 (IFOV) 概念，整合了第三方雷射掃描頭后，來(lái)年推出之全閉回路雷射掃描系統(tǒng)NmarkCLS，將無(wú)限視野范圍概念進(jìn)行了軟硬件的整合，在業(yè)界造成了巨大的回響，隨后的數(shù)年，每一年中IFOV功能皆有不同程度的強(qiáng)化，直到2016年，將硬件性能提升至NmarkGCL的192KHz軌跡產(chǎn)生，再次對(duì)雷射掃描系統(tǒng)業(yè)界投入巨大震撼彈。過(guò)去幾年，使用雷射掃描系統(tǒng)搭配IFOV功能，雖然在制程上有很大的突破，解決接圖誤差問(wèn)題，但使用上的困難度仍是對(duì)于許多設(shè)備業(yè)者一大挑戰(zhàn)，本文將IFOV參數(shù)優(yōu)化的流程進(jìn)行深入說(shuō)明，期可讓用戶可以更系統(tǒng)性的完成參數(shù)優(yōu)化。

Aerotech 無(wú)限視野范圍功能使用一組Aerotech雙軸掃描系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，與Aerotech雙軸伺服驅(qū)動(dòng)器。IFOV支持的硬件架構(gòu)繁多，常見(jiàn)架構(gòu)如下面二種架構(gòu)：

圖一. 固定掃描頭，移動(dòng)工件方式，掃描頭安裝于花崗巖梁柱，工件安裝于XY平臺(tái)上，XY平臺(tái)安裝于花崗巖底座

圖二. 移動(dòng)掃描頭，固定工件方式，掃描頭安裝于龍門(mén)系統(tǒng)上，工件安裝于固定的花崗巖底座

IFOV提供無(wú)接縫的大范圍加工，加工有效范圍為掃描頭視野范圍與位移平臺(tái)有效行程的整合。由于A3200運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)合掃描軸移動(dòng)與伺服移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)來(lái)達(dá)到無(wú)限視野范圍，傳統(tǒng)＂步進(jìn)＂的動(dòng)作就使用持續(xù)移動(dòng)的伺服運(yùn)動(dòng)所取代。因此，加工圖形將永遠(yuǎn)會(huì)在視野范圍內(nèi)。使用IFOV功能時(shí)，系統(tǒng)的掃描范圍將會(huì)超過(guò)視野范圍，但仍會(huì)小于伺服平臺(tái)的移動(dòng)范圍，請(qǐng)見(jiàn)下圖。當(dāng)A3200運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)定正確時(shí)，其將會(huì)同時(shí)送出伺服平臺(tái)動(dòng)作指令與掃描頭移動(dòng)指令，確保掃描頭的移動(dòng)在極限以內(nèi)，因此，伺服平臺(tái)不需要設(shè)定任何步進(jìn)掃描動(dòng)作，ㄧ切軌跡產(chǎn)生使用共同控制器A3200進(jìn)行軌跡產(chǎn)生。

圖三. 合并掃描頭與伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的視野范圍

設(shè)定IFOV加工的流程與優(yōu)化流程為下面五大步驟：包含；系統(tǒng)架構(gòu)的確認(rèn)，移動(dòng)方向的確認(rèn)，設(shè)定重要運(yùn)動(dòng)參數(shù)，測(cè)試與驗(yàn)證IFOV程序與參數(shù)調(diào)整，制作第一套IFOV程序。

1. 系統(tǒng)架構(gòu)的確認(rèn)

首先，若需要正確設(shè)定IFOV系統(tǒng)架構(gòu)，需確定設(shè)備的正確性：包含機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器，線材，工業(yè)計(jì)算機(jī)，以及使用軟件版本。機(jī)構(gòu)系統(tǒng)而言，使用一組具備高精度的XY軸位移平臺(tái)，以及雙軸雷射掃描系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器規(guī)格與需要支持的伺服軸數(shù)有關(guān)，并需要使用正確的線材將編碼器訊號(hào)回傳至掃描頭驅(qū)動(dòng)器。

2. 移動(dòng)方向的確認(rèn)

在設(shè)定與IFOV相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)前，每一個(gè)伺服軸與掃描軸必需要正確的設(shè)定與調(diào)整，確保移動(dòng)方向正向相同方向；若將XY移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)正向，與使用掃描頭移動(dòng)方向相同。另外，移動(dòng)掃描頭的距離將會(huì)需要與移動(dòng)XY軸相同。

圖四. 若將XY移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)正向，與使用掃描頭移動(dòng)方向相同

3. 設(shè)定重要運(yùn)動(dòng)參數(shù)

在將XY編碼器訊號(hào)輸入至掃描頭驅(qū)動(dòng)器之前，相關(guān)參數(shù)將需要完整設(shè)定確保IFOV的正確性，包含：伺服驅(qū)動(dòng)器編碼器輸出腳位與格式，掃描頭驅(qū)動(dòng)器編碼器輸入腳位與格式，伺服與掃描頭編碼器的頻率均低于這兩個(gè)硬件的規(guī)格極限。

如下面范例：

· 移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)速度：3 m/s

· 編碼器分辨率（分割前）: 20 μm

· 編碼器四倍頻：有頻率：(3 m/s x 1,000,000 μm/m) x (1 count/20 μm) x 4 (quad) = 0.60 MHz

因此若上述硬件規(guī)格均高于0.6 MHz，本架構(gòu)則沒(méi)有頻率問(wèn)題。

4. 測(cè)試與驗(yàn)證IFOV程序

當(dāng)編碼器訊號(hào)正確，硬件架構(gòu)正確，配線方向正確，掃描頭安裝與加工平面呈垂直，最后，掃描頭的加工平面與XY軸加工平面需要正交，最后一個(gè)步驟的確認(rèn)方式為：

圖五. 量測(cè)加工平面正交性誤差

常見(jiàn)量測(cè)加工平面正交性誤差的方法有幾個(gè)步驟：使用掃描頭加工ㄧ直線，使用伺服平臺(tái)相同軸系，加工相反方向直線，量測(cè)第一線與第二線的起始與結(jié)束點(diǎn)距離使用此距離計(jì)算加工平面旋轉(zhuǎn)角度，求得此旋轉(zhuǎn)角度后，將其帶入控制器將二模塊加工平面整為正交性。

5. 制作第一套IFOV程序與參數(shù)調(diào)整

IFOV 算法設(shè)定方式，主要在加工程序前會(huì)有相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，重要參數(shù)如下：

· AXIS PAIR– 設(shè)定掃描頭與XY平臺(tái)的軸系關(guān)聯(lián)性

· IFOV SIZE – 設(shè)定掃描頭視野范圍

· IFOV TIME – 設(shè)定預(yù)讀路徑時(shí)間

· TRACKING SPEED – 設(shè)定XY平臺(tái)最高速度

· TRACKING ACCEL – 設(shè)定XY平臺(tái)最高加速度

由于掃描頭的加速度參數(shù)建議設(shè)到最高(RAMP RATE 0)，因此依照不同的XY機(jī)構(gòu)平臺(tái)，可搭配出不同的IFOV參數(shù)設(shè)定，一般建議在XY平臺(tái)速度與加速度參數(shù)設(shè)定，在制程可接受情況，設(shè)定越低越好，原因在于可以避免XY平臺(tái)額外導(dǎo)入的位置誤差，然而，若是設(shè)定過(guò)低，則掃描頭將馬上移動(dòng)到視野范圍邊界，運(yùn)動(dòng)控制器則將會(huì)自動(dòng)降低掃描頭速度，因此可能降低產(chǎn)能。此調(diào)整流程為ㄧ迭代流程，決定雷射加工速度參數(shù)后，制程工程師可以調(diào)整XY軸速度與加速度，并且記錄位置誤差與周期時(shí)間，以取得在制程良率與產(chǎn)能最高的制程參數(shù)。

總結(jié)

IFOV算法推出至今已經(jīng)有數(shù)年的時(shí)間，雖然算法的進(jìn)化讓整體制程調(diào)整流程相對(duì)單純，但尚未有完整系統(tǒng)架構(gòu)性的文章討論本流程，本文從機(jī)構(gòu)／電控／軟件三大層面簡(jiǎn)介了IFOV算法的運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化流程，讓未來(lái)使用IFOV的制程工程師與系統(tǒng)工程師們，能夠以本文作為了解整個(gè)流程的入門(mén)，進(jìn)而可以參照使用手冊(cè)與系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行更深入了解，而設(shè)備商若可以將IFOV算法在短時(shí)間內(nèi)順利設(shè)定完成，則可以對(duì)于設(shè)備的上市(Time to Market)有所幫助，提高設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)力掌握商機(jī)，并且可專注于雷射制程的開(kāi)發(fā)，將大范圍無(wú)接縫的加工模式，應(yīng)用于更多先進(jìn)制程上，提升臺(tái)灣產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力與技術(shù)。