以中國市場而言，激光設備的市場在2011年略微超過全球市場的成長率。從(cong) 宏觀經濟的影響來看，雖然中國針對機械產(chan) 業(ye) 、重工業(ye) 的激光加工市場縮小了，但小型、中型激光加工市場則在成長。由於(yu) 中國在全球製造業(ye) 上扮演中心的角色，其對激光機械的需求也相當巨大，尤其是汽車、半導體(ti) 、電子產(chan) 業(ye) 具有很大的潛在性需求。中國的加工產(chan) 業(ye) ，精密金屬零件加工及激光開孔加工占了加工服務整體(ti) 的60%。

就應用層麵而言，激光精密加工及切割已被應用在如太陽能晶矽切割、手機麵板切割、半導體(ti) 晶圓切割，Laser CNC等精密加工上麵。對於(yu) 運動控製產(chan) 品來說，如何克服傳(chuan) 統切割上的精度與(yu) 微米處理；如何可以很容易切割任何圖形，並達到其精度的平滑效果；如何對於(yu) 極微小的圖形也能不受空間限製而完成；如何可以調整能量強度來-滿足不同材質上切割，而呈現出有層次感的效果，這些都是高端運動控製產(chan) 品所麵臨(lin) 的新挑戰。

在本文中將討論如何克服精密激光加工時所遭遇的新挑戰，以及經實例證明的解決(jue) 方案。

挑戰一：激光切割精準度不佳

激光功率的調整大多都以頻率 + 占空比方式控製，所以在位移上控製需要實時與(yu) 精準的變換，不同的速度要有不同的功率，但在圖形切割時都會(hui) 產(chan) 生不同的速度。在速度急劇下降，激光功率來不及變換時候，會(hui) 導致有過融現象發生，如圖一所示。
 

又因為(wei) 激光控製大多以PWM的方式控製，PWM控製是以改變占空比的方式進行，所以對於(yu) 固定速度會(hui) 有較好的表現，但是如果速度提高，激光的頻率會(hui) 有來不及出光問題，則反應於(yu) 切割時會(hui) 產(chan) 生燒融均勻度不佳的情況發生，如圖二所示。
 

挑戰二：運動軌跡在高精度下不易達到

切割係統在移動中都需要講究路徑的準確性，所以馬達的控製需要很好，這樣切割的圖形才不會(hui) 變形，如圖三、圖四所示；因此控製如用開環 (脈衝(chong) , 步進)方式，會(hui) 導致跟隨度無法實時補正；如要達到高精度的要求唯有使用閉環 (速度, 扭矩)控製才可以達到要求。但是閉環控製需要經過PID調整，才會(hui) 有較佳的跟隨效果。然PID的調教往往需要花費很長時間，相當費時。

挑戰三：激光功率不易調整

目前切割的對象大多為(wei) 多層材質（太陽能板、手機屏幕觸碰膜），需要使用不同的功率進行切割；但因市場上的激光專(zhuan) 用控製器的激光調整（VAO Table）都隻有一組，在切割的功率上不易切換與(yu) 調整，導致目前隻能將切割路徑依材質層重複切割，以達到所需的要求。然而如此將造成產(chan) 能速度無法提升。

挑戰四：速度規劃曠日費時

由於(yu) 激光加工圖形複雜，簡單的速度規劃已無法滿足加工切割結果，如手機觸控模切割，在大多狀況下是使用Spline曲線，或者是較長的幾何線與(yu) 弧線，如果無法精準做速度控製會(hui) 導致機構加減速震動或圖形嚴(yan) 重變形（如過切與(yu) 抖動），如圖五所示。因機台設計人員大多僅(jin) 提供圖形點表(position)，並無速度規劃的數據，所以需要以人工操作方式規劃速度，一方麵設計流程曠日費時，且如遇規劃錯誤時則需重新修正，也將造成產(chan) 能無法提升。

綜合以上激光加工所遇到的瓶頸，新一代的運動控製卡是如何應對挑戰？

實時呈現PWM控製能力

       傳(chuan) 統運動控製卡的PWM控製，均采用Duty單一控製方式，且通過軟件控製，會(hui) 麵臨(lin) 無法實時且穩定控製PWM的時序。為(wei) 了應對不同速度與(yu) 不同圖形，新一代運動控製卡采用更多種控製方式，包含頻率調變(Frequency Modulation)、帶寬調變(duty Modulation)、混合調變(Blend Modulation)，如圖六所示，此控製方式會(hui) 由硬件控製來完成，此PWM能在各種切割速度下呈現出不同能量的表現，因此需建立一對應的能量表，以防止發生『過融現象』，此能量控製就稱(VAO)，如圖七所示。
 

Multi-VAO方便動態切換

PWM采用Multi-VAO方式方便因切割材質的不同，達到深淺切割效果，讓路徑切割可以一次完成，無須重複路徑再切割，如圖八所示；大幅縮短生產(chan) 時間，也提供生產(chan) 效能。
 

精確的運動軌跡跟隨與(yu) 簡易PID調教

       為(wei) 了達到更好更精確的切割圖形，新一代高端運動控製卡采用全閉回路（Full close loop）方式控製，並達到更小的Error count誤差，在整體(ti) 上相比一般控製卡有較高性能，跟隨能力誤差都相當小，如圖九所示。為(wei) 了達到高精確的跟隨能力，需采用PID控製係統，但為(wei) 了縮短PID調教時程，用戶可通過Easy tuning的程序輔助，在短時間內(nei) 調出最佳PID參數設定，如圖十所示，可大幅提升性能，並簡化操作性！

自動速度規劃與(yu) 圖形路徑規劃

       通過Softmotion的算法，新一代運動控製卡可根據用戶所提供的圖形數據，自動規劃出優(you) 化圖形路徑規劃，以縮短不必要的路徑並提升切割速度與(yu) 平滑度。如此一來可減少不必要的重複，大大的提升產(chan) 能。 利用Softmotion內(nei) 的前瞻規劃(LookAhead)功能，當運動軌跡有較大角度的轉折時，Softmotion會(hui) 自動計算並提早降速，讓機構可以順應平滑的速度，平順的完成軌跡的移動。如此複雜功能的實現，用戶僅(jin) 需要輸入3個(ge) 係統參數，分別是「最大速 (Max. Velocity)」、「最大加速度 (Max. Acceleration)」以及「容許誤差量 (Tolerance)」(如圖十二)。通過Softmotion的內(nei) 部規劃，即可達成複雜圖形的軌跡運動。 

實證績效

       通過以上幾點新功能與(yu) 新技術的研發，證明淩華科技新一代的運動控製卡在激光切割效果上有很好的表現，其速度規劃都讓機構有最佳的跟隨性，使得整體(ti) 加工誤差被控製在極小範圍內(nei) 。 表一為(wei) 實際測試設備規格如下，機構部分采用伺服馬達(Servo Motor)及滾珠導螺杆(Ball Screw)，最大運動速度為(wei) 800 (mm/s)。經過淩華科技Easy-Tuning軟件調試後，取得優(you) 化閉回路PID參數，使得整體(ti) 機台的控製表現在±2誤差單位 (在此物理量為(wei) 5um)。

       因加工是由4,500個(ge) 小線段所組成的圖形(如圖十三)，並特別取得四個(ge) 彎角段及四段長直線段的誤差數據（如表二），而整體(ti) 激光加工的彎角軌跡誤差小於(yu) 2.2um，長直線端的軌跡誤差更小於(yu) 0.5um。 通過以下區域放大圖片中，可清楚的看到激光能量是均勻地控製在一定範圍，並顯示實際加工軌跡是平滑無抖動。也由此可左證淩華科技新一代的運動控製卡不僅(jin) 能實現一般多軸插補運動，同時可實現在如激光切割等複雜的圖形加工。而板上所實現的實時激光強度與(yu) 回饋速度追隨，更可有效節省係統CPU資源，並保證其加工效能。
 

       淩華科技高端運動控製卡PCI-8254/8258，具備高性能的運動控製表現，采用最新的DSP與(yu) FPGA技術，可以提供高速、高性能的混合模擬與(yu) 脈衝(chong) 序列運動指令。通過硬件實現閉回路PID含前饋增益控製，伺服更新率可高達20kHz。通過程序下載，最高可同步實時執行八種獨立任務。淩華科技免費提供易於(yu) 使用的應用工具，包含豐(feng) 富的運動控製應用函數，以及用戶診斷及操作接口，可實現高速度、高精度的運動控製能力。借助淩華科技Softmotion技術，使用者大幅減少了開發的時間，並提供卓越的同步運動控製性能，可為(wei) 機台設備商使用者節省高達25%至50%的成本。

總結
       激光加工產(chan) 業(ye) 在未來將與(yu) 人們(men) 的生活更為(wei) 接近，如汽車鈑金、手機及電視麵板與(yu) 外殼，甚至是醫療相關(guan) 的假牙成型及人體(ti) 有關(guan) 的醫療激光等應用。激光加工的高效率也更能符合節能減排的要求。各國均已投入大量資源，以求在相關(guan) 技術上有領先性的突破。以大中華地區而言，超過200家不同的激光設備廠商也爭(zheng) 相搶食市場大餅，但在麵對歐美高端設備時，軟件實力的整合，將左右這些廠商的市場地位，提升加工質量爭(zheng) 取更高的設備毛利率。淩華科技憑借超過10年運動控製技術，以及與(yu) 廠商多年的應用合作經驗，成功開發出同步性運動與(yu) 激光控製技術，將複雜的速度規劃及激光強度計算都置於(yu) 運動控製卡片上，使得用戶可以自行規劃CAM的路徑，但不需要擔心複雜的數學計算，以達到同中求異的市場加值成效。未來加工路徑也將由2D升級為(wei) 3D製造，將執行如目前CNC工具機所做的加工應用，並會(hui) 有更佳的加工表麵工藝。