應用先進運動控制技術提升雷射鑽孔設備性能

雷射鑽孔設備。

於微鑽孔製程設備中，鑽孔的方式分為機械鑽孔與雷射鑽孔，機械鑽孔通常被應用於較大型孔徑的應用，如PCB或IC載板類的應用。而雷射鑽孔則應用於較細的孔徑，如矽晶片，陶瓷基板，與藍寶石基板等等。於這兩種鑽孔製程設備中，先進運動控制技術扮演關鍵的角色，除了需要能夠將軸控系統調整到高產能，高良率的效果，更重要的是能夠在如此高的產能需求下，軸控系統仍不會產生共振或設備振動，確保鑽孔的產品維持最高的一致性。

伺服定位平台的調整

於微鑽孔應用中，工件尺寸與重量，與動態性能要求，將會與XY伺服定位平台的調整難度有關。於小型工件如矽晶或陶瓷基板，在要求的位移整定時間不甚嚴苛的情況下，調機通常可以很輕易的完成。然而，在不同的產業機械設備中，大型工件需要進行位移的情況相當常見，而且若同時需要進行嚴苛的位移整定要求時，對於伺服增益值調整的工作就成為許多公司的瓶頸所在。

一般而言，運動控制系統會提供自動調機流程(Auto Tune)，或步階響應調機流程(Step Response)，使用時域(Time Domain)進行調機。此類型的調機流程可以應付較簡易的應用，但對於鑽孔應用而言，由於時域調機流程無法判斷共振與極零點，也無法進行許多濾波器的設定，許多時候需要降低增益值以確保系統不至於共振，但降低增益值，也代表著降低產能。

使用頻域(Frequency Domain)方式調機，或稱為頻率響應分析，在鑽孔設備應用上，是較進階的做法，也是有機會能夠提升產能與良率的做法。頻率響應分析對馬達輸入由低頻至高頻的正弦振盪命令，並擷取馬達於各頻段的相位(Phase) 與增益邊限(Gain)，控制工程師可以藉由判斷相位邊限(Phase Margin)與增益邊限(Gain Margin)，來進行設備調整。高性能運動控制器如Aerotech A3200運動控制器，可以輕易的使用回路塑型功能調整波德圖的相位與增益，並輕易設定濾波器後，在提高增益值以提升產能。於實際上的微鑽孔應用中，迴路傳輸軟體完成的調機結果，可以達到現今最嚴苛的鑽孔製程產能要求。

真圓度的提升

於許多雷射鑽孔製程終，真圓度的要求也是機台成功的關鍵之一。於機械鑽孔中，由於刀具進行的昰打擊(Punch)的方式，也就是使用XY平台定位至鑽孔位置後主軸進行鑽孔，此法的鑽孔真圓度與軸控系統較無關係。但於雷射鑽孔應用時，微孔通常使用掃描振鏡(Galvo Scanner)或XY定位平台繞圓進行加工，此法的鑽孔真圓度，除了與雷射光斑尺寸變異量有關，最重要的軸控系統的追隨性將與鑽孔的真圓度有很直接的關係。

首先，使用者需要一套圖型化界面，能夠將編碼器或光學尺的回饋訊號顯示於PC端，藉由不同製程參數的調配，以達到理想的鑽孔產能與品質的要求。常見的參數包含：加速度，速度，與孔徑，而在鑽孔應用時，加速度的計算使用公式a=v^2/r計算出來，其中，a為加速度，v為速度，r是圓的半徑。

因此，越小的半徑，或越高的加工速度，將會產生越高的加速度。而越高的加速度，通常與加工的追隨誤差成正比，也就是將會產生越差的真圓度，降低製程良率。但是，若要降低加速度以提升良率，則會犧牲產能。

若需要提升真圓度，不大幅度影響產能的，先進的運動控制器能夠提供下面二種功能。第一是加速度抑制功能，針對圓弧進行加速度抑制，而若進行直線位移時，使用最高的加速度，此法可以在不大服影響產能情況下，提升鑽孔的真圓度。第二，真實降低追隨誤差，如Aerotech 的A3200控制器的先進控制技術，軌跡誤差抑制功能(Enhanced Tracking Control；ETC)，使用進階的演算法，提升低頻的增益值，但不提升高頻的增益值，因此補償靜摩擦區域對於增益值的限制，將位移反向時的誤差降到最低，也提升了鑽孔時的真圓度。

程式執行效率

由於微鑽孔加工設備需要進行加工的孔位數量龐大，對於運動控制器執行效率的要求相對嚴苛。先進運動控制器具有許多特殊功能用以確保大量的孔位資料仍能夠以最高效率進行加工。如預視功能(Look Ahead) 能夠預先判斷後續的位移路徑，排隊模式(Queue Mode)能夠讓巨量資料能夠以先進先出的方式執行，因此不因運動控制器內建記憶體尺寸所限制。這些功能雖然比較不如前述功能這麼顯眼，但也是協助鑽孔製程能夠達到最終目標產能的手段之一。

於最嚴苛的雷射微鑽孔製程中，先進運動控制技術可以大幅提升該設備之產能與良率。從基礎的伺服調整，藉由頻率響應分析的方式，抑制共振位置後，提升增益值以提高產能，到進階真圓度提升，藉由限制加速度，或軌跡誤差抑制功能，以提升鑽孔之真圓度，最後搭配高效率的程式執行，處理巨量的鑽孔位置資料，總合這三點，先進運動控制系統將可以提升鑽孔設備性能，符合最嚴苛的客戶需求。 (本文由Aerotech提供，鄭斐文整理)