反射鏡角度定位裝置和加工裝置的製作方法

2023-05-31 06:16:36

專利名稱：反射鏡角度定位裝置和加工裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及反射鏡角度定位裝置和加工裝置。
背景技術：
在諸如雷射鑽孔機、雷射修整器和雷射修理器的雷射加工裝置(工具機)中使用流電裝置(galvano apparatus) 0流電裝置通過在控制附接到馬達的旋轉軸的反射鏡的旋轉角度的同時用該反射鏡反射雷射來用雷射照射目標位置。為了使雷射照射位置與目標位置精確地對準，必須精確地控制反射鏡的旋轉角度。因此，流電裝置包含用於檢測反射鏡的旋轉角度的檢測器(例如，電容性傳感器或光學或磁編碼器)。應注意，流電裝置的反射鏡必須被高速旋轉，這是因為雷射加工裝置也需要具有高的操作速度。而且，在流電裝置中，如果在馬達旋轉軸和反射鏡之間沒有獲得動態平衡，或者如果由馬達的磁體和線圈產生的力包含在除旋轉方向以外的方向上的分量，那麼，反射鏡沿反射鏡向馬達旋轉軸傾倒(fall)的方向振動的振動模式被激發。為了抑制反射鏡的此沿傾倒方向的振動，日本專利特開No. 61-116632提出了對於馬達旋轉軸調整動態平衡的技術。但是，在該現有技術中，當迅速和精確地定位雷射照射位置(即，反射鏡旋轉角度)時，不可能充分地去除反射鏡的沿傾倒方向的振動。另外，常規的流電裝置中的用於檢測反射鏡旋轉角度的檢測器不能檢測反射鏡的沿傾倒方向的振動。因此，可能在此振動存在的情況下加工物品，因此，可能在物品中出現加工誤差。特別是當在多個照射位置中連續定位雷射時，接在一個定位操作之後的另一定位操作可能在反射鏡的沿傾倒方向的振動充分地衰減之前執行。因此，振動的波可能相互重疊以產生大的振動。

發明內容
本發明例如提供了一種在減少反射鏡歪斜(face tangle error)的不利影響方面有利的技術。根據本發明的第一方面，提供一種用於反射鏡的角度定位的裝置，所述裝置包含 第一反射鏡；第一馬達，被配置用於旋轉第一反射鏡；第一檢測器，被配置用於檢測第一反射鏡的旋轉角度；第一控制器，被配置用於向第一馬達供給電流以使得第一反射鏡的旋轉角度達到目標角度，基於表示向第一馬達供給的電流的值和第一反射鏡的歪斜角度之間的關係的模型估計在向第一馬達供給電流的情況下的第一反射鏡的歪斜角度，並且如果被估計的角度超過容許值，則執行用於調整向第一馬達的電流供給以使得第一反射鏡的歪斜角度落入所述容許值內的處理。根據本發明的第二方面，提供一種用於用雷射照射物體的加工裝置，該加工裝置包括上述的用於反射鏡的角度定位的裝置；以及照射單元，被配置用於用雷射照射該裝置的第一反射鏡。根據本發明的第三方面，提供一種用於用雷射照射物體的加工裝置，該加工裝置包括用於反射鏡的角度定位的裝置；以及被配置用於用雷射照射所述反射鏡的照射單元，該裝置包括反射鏡；馬達，被配置用於旋轉所述反射鏡；檢測器，被配置用於檢測所述反射鏡的旋轉角度；控制器，被配置用於向所述馬達供給電流以使得所述反射鏡的旋轉角度達到目標角度，基於表示向馬達供給的電流的值和反射鏡的歪斜角度之間的關係的模型估計在向馬達供給電流的情況下的反射鏡的歪斜角度，並且如果估計的角度超過容許值， 則導致照射單元等待雷射對於該裝置的照射。從下文參照附圖對示例性實施例的說明，本發明的其它方面將變得清晰。


圖1是示出根據第一實施例的流電裝置的配置的示例性示圖。 圖2A和圖2B是用於解釋圖1所示的流電裝置中的反射鏡的沿軸向傾倒方向的振動的示圖。圖3是示出當通過使用由式1表示的模型估計反射鏡的歪斜角度時獲得的結果的示圖。圖4是示出使用圖1所示的流電裝置的雷射加工裝置的配置的示意圖。圖5是示出應用於圖1所示的流電裝置的根據第二實施例的反射鏡定位控制系統的配置的例子的示意性框圖。圖6A和圖6B是用於解釋根據第二實施例的流電裝置中的反射鏡定位的示圖。圖7A和圖7B是用於解釋根據第二實施例的流電裝置中的反射鏡定位的示圖。圖8A和圖8B是用於解釋根據第三實施例的流電裝置中的反射鏡定位的示圖。圖9是用於解釋根據第三實施例的流電裝置中的反射鏡定位的示圖。圖10是示出根據第四實施例的雷射加工裝置的配置的示意圖。圖11是示出圖10所示的雷射加工裝置中的反射鏡定位控制系統的配置的例子的示意性框圖。圖12A和圖12B是用於解釋根據第四實施例的流電裝置中的反射鏡定位的示圖。
具體實施例方式以下將參照附圖描述本發明的優選實施例。應注意，在附圖中相同的附圖標記始終表示相同的部件，並且，將不進行它們的重複描述。圖1是示出根據本發明的第一實施例的流電裝置1的配置的示意圖。流電裝置1 是被應用於諸如雷射鑽孔機、雷射修整器或雷射修理器的雷射加工裝置、並且通過反射雷射來照射照射目標(作為加工目標的物品)的目標位置的裝置。流電裝置1包含反射鏡 11、馬達12、檢測器13和控制器14。反射鏡11被附接到馬達12的旋轉軸12a，並且向照射目標或另一反射鏡反射雷射。馬達12是用於旋轉反射鏡11的旋轉馬達。在本實施例中，檢測器13是附接到馬達 12的旋轉軸12a的旋轉編碼器，並且檢測反射鏡11的旋轉角度(即，旋轉軸12a的旋轉角度)。控制器14具有控制反射鏡11的旋轉角度的功能。例如，控制器14控制馬達12，以使得由檢測器13檢測到的反射鏡11的旋轉角度與目標角度匹配。
以下將詳細描述控制器14。在本實施例中，控制器14包含計算器141、驅動器142 和估計器143。計算器141接收由檢測器13檢測的反射鏡11的旋轉角度以及作為反射鏡11的目標的角度(即，反射鏡11的目標角度)。計算器141計算反射鏡11的旋轉角度和目標角度之間的差值，並且確定要被供給馬達12的使得該差值變為零(即，反射鏡11的旋轉角度與目標角度匹配)的電流的值。由計算器141確定的電流值被輸入到驅動器142和估計器 143。根據由計算器141確定的電流值，驅動器142向馬達12供給用於驅動馬達12的電流。 根據從驅動器142供給的電流，馬達12沿旋轉方向Dl旋轉反射鏡11，並且將反射鏡11定位在目標角度。在此過程中，反射鏡11沿軸向傾倒方向D2傾倒並且振動。應注意，反射鏡11的軸向傾倒指的是反射鏡11相對於基準軸(旋轉軸1 的設計中心軸)傾斜，並且，反射鏡 11與基準軸的角度將在以下被稱為歪斜角度。圖2A是示出目標角度和在反射鏡11旋轉到目標角度時的反射鏡11的旋轉角度(由檢測器13檢測的反射鏡11的旋轉角度)之間的差值與反射鏡11的歪斜角度(測量值)之間的關係的示圖。應注意，由於測量系統的限制，因此，在開始反射鏡11的定位之後400 μ sec，開始反射鏡11的歪斜角度的測量。圖2B 示出當反射鏡11如圖2A所示的那樣旋轉到目標角度時從驅動器142向馬達12供給的電流的波形。參照圖2A和圖2B，可通過由下式表示的單自由度阻尼系統的傳遞函數模型來近似與向馬達12供給的電流的值[A]對應的反射鏡11的歪斜角度θ [rad]θ = (1. 061 X IO2) / (s2+427. 3s+2. 547 X IO8). . . (1)這裡，s是拉普拉斯算子。圖3示出在通過使用由式⑴表示的模型估計反射鏡11的歪斜角度時的結果。參照圖3，在縱軸上繪製反射鏡11的歪斜角度，並且，在橫軸上繪製從反射鏡11的定位開始以來經過的時間。圖2A和圖3的比較示出反射鏡11的歪斜角度的測量值精確地與通過使用由式(1)表示的模型獲得的反射鏡11的歪斜角度的估計值匹配。估計器143通過參照上述的表示向馬達12供給的電流的值和反射鏡11的歪斜角度之間的關係的模型，估計與由驅動器142向馬達12供給的電流的值對應的反射鏡11的歪斜角度。由估計器143估計的反射鏡11的歪斜角度作為估計的歪斜角度被輸出，並且， 被提供給處理器等。應注意，處理器確定估計的反射鏡11的歪斜角度是否超過容許值。如果處理器確定估計的反射鏡11的歪斜角度超過容許值，那麼處理器執行使得當將反射鏡 11旋轉到目標角度時反射鏡11的歪斜角度能夠落入容許值內的處理(調整由驅動器142 向馬達12的電流供給的處理)。圖4是示出使用圖1所示的流電裝置1的雷射加工裝置2的配置的示意圖。雷射加工裝置2包含用於發射照射作為加工目標的物體OB的雷射LL的照射單元220、用於控制雷射LL的在X軸方向上的照射位置的第一單元、用於控制雷射LL的在Y軸方向上的照射位置的第二單元和主控制器230。注意，X軸和Y軸相互垂直。第一單元包含X軸反射鏡(第一反射鏡)201、用於旋轉X軸反射鏡201的X軸馬達 (第一馬達)202和用於檢測X軸反射鏡201的旋轉角度的X軸檢測器(第一檢測器)203。 另外，第一單元包含用於控制X軸馬達202的X軸控制器204、和用於通過指定(輸入)X軸反射鏡201的目標角度來控制雷射LL的在X軸方向上的照射位置的X軸馬達位置指定單元 205。第二單元包含Y軸反射鏡(第二反射鏡)206、用於旋轉Y軸反射鏡206的Y軸馬達 (第二馬達)207和用於檢測Y軸反射鏡206的旋轉角度的Y軸檢測器(第二檢測器)208。 另外，第二單元包含用於控制Y軸馬達207的Y軸控制器209、和用於通過指定(輸入)Y軸反射鏡206的目標角度來控制雷射LL的在Y軸方向上的照射位置的Y軸馬達位置指定單元 210。X軸控制器204具有與參照圖1解釋的控制器14的配置等同的配置。X軸控制器 204估計X軸反射鏡201的歪斜角度(第一估計器)，並且向X軸馬達202供給用於驅動X 軸馬達202的電流(第一驅動器)。類似地，Y軸控制器209具有與參照圖1解釋的控制器 14的配置等同的配置。Y軸控制器209估計Y軸反射鏡206的歪斜角度(第二估計器)，並且向Y軸馬達207供給用於驅動Y軸馬達207的電流(第二驅動器)。應注意，X軸控制器 204向主控制器230提供指示估計的X軸反射鏡201的歪斜角度的X軸反射鏡估計歪斜角度，並且，Y軸控制器209向主控制器230提供指示估計的Y軸反射鏡206的歪斜角度的Y 軸反射鏡估計歪斜角度。還應注意，X軸馬達202和Y軸馬達207的旋轉軸相互垂直。當加工物體OB時(S卩，當用雷射LL照射物體OB時)，主控制器230向X軸馬達位置指定單元205和Y軸馬達位置指定單元210指定物體OB上的雷射LL照射位置的坐標。 X軸馬達位置指定單元205和Y軸馬達位置指定單元210分別將由主控制器230指定的坐標轉換成X軸反射鏡201和Y軸反射鏡206的目標角度，並且向X軸控制器204和Y軸控制器209指定這些目標角度。注意，如果由X軸控制器204提供的X軸反射鏡估計歪斜角度和由Y軸控制器209 提供的Y軸反射鏡估計歪斜角度超出容許值，那麼主控制器230停止照射單元220的雷射 LL的發射，直到這些角度落入容許值內。在X軸反射鏡估計歪斜角度和Y軸反射鏡估計歪斜角度落入容許值內之後，主控制器230控制照射單元220、X軸馬達位置指定單元205和 Y軸馬達位置指定單元210，使得開始或再繼續雷射LL向物體OB的發射。在上述的本實施例中，如果當X軸反射鏡201和Y軸反射鏡206旋轉到目標角度時出現歪斜角度(振動)，那麼雷射LL向物體OB的發射(物體OB的加工)停止，直到這些反射鏡歪斜角度落入容許值內。因此，雷射加工裝置2可通過減少物體OB的加工誤差來精確地加工物體OB。〈第二實施例〉雷射加工裝置指令流電裝置以定位反射鏡，並且用雷射照射作為加工目標的物體上的加工位置(照射位置)。在這種情況下，作為加工目標的物體上的加工位置被預先確定，並且，用於用雷射照射加工位置的反射鏡的目標角度也被預先確定。因此，當流電裝置的反射鏡被定位到下一目標角度的定時(定位的開始時間)被確定時，可通過使用如在第一實施例中解釋的模型估計在那時的反射鏡的歪斜角度。因此，在本實施例中，在開始反射鏡的定位之前插入調整時間(等待時間)，使得在加工作為加工目標的物體時(用雷射照射作為加工目標的物體時)反射鏡的歪斜角度落入容許值內。圖5是示出應用於圖1所示的流電裝置1的、根據本實施例的反射鏡11的定位控制系統的配置的例子的示意性框圖。應注意，在本實施例中，馬達12具有如下這樣的馬達
6模型，即通過該馬達模型，對於從驅動器142供給的電流的值以1. 736 X IOVs2的傳遞函數模型來近似由檢測器13檢測的反射鏡11的旋轉角度。還應注意，反射鏡11和檢測器13 是對於沿旋轉方向Dl的運動不扭曲的剛性部分。如圖5所示，根據本實施例的反射鏡11的定位控制系統是二自由度數字控制系統。應注意，估計器143通過使用由式(1)表示的模型估計反射鏡11的歪斜角度。在該二自由度控制系統中，通過基於最終狀態控制的抖動最小化軌跡(jerk minimization track) 設計前饋控制電流加法項51。並且，基準角度52被設為通過將前饋控制電流加法項51輸入到馬達12的馬達模型來計算角度響應而獲得的值。因此，當從馬達12的馬達模型獲得的旋轉角度與馬達12的實際旋轉角度(即，由檢測器13檢測的反射鏡11的旋轉角度)匹配時，反饋控制系統53不起作用。假定在本實施例中，由馬達12的馬達模型獲得的旋轉角度與馬達12的實際旋轉角度匹配。最終狀態控制在例如"Nanoscale Servo Control" (Tokyo Denki University Press, pp. 174 178)中被詳細解釋，並且是如下這樣的控制，即通過該控制，通過向控制目標給予輸入，將系統的初始狀態設定為通過有限時間指定的最終狀態。在本實施例中，作為控制目標的馬達12的馬達模型被從傳遞函數模型轉換成離散時間系統模型，並且，通過使馬達12的加速度的一階微分的總和最小化的所謂的抖動最小化軌跡設計要被供給到馬達12的電流。在以下給出的本實施例中，將詳細解釋以相同的旋轉量(角度移動量)、即 7X10_3[ra d]連續兩次定位反射鏡11的情況。第一定位初始狀態中的角度位置x W] = O [rad]最終狀態中的角度位置x[N] = 7X 10_3[rad]第二定位初始狀態中的角度位置xW] =7X10_3[rad]最終狀態中的角度位置x[N] = 14X IO"3[rad]採樣頻率為150kHz，並且，最終步數為79。應注意，最終步數是當反射鏡11被從初始狀態變為最終狀態時的採樣次數。在第一定位和第二定位中，旋轉量、旋轉方向和最終步數相同，因此，馬達12對於從驅動器142供給的電流的值的角度響應相同。在對於用於執行第一定位的命令(向驅動器142的電流供給)將反射鏡11設定為最終狀態之後，設定調整時間，並且，發出用於執行第二定位的命令。圖6A、圖6B、圖7A和圖7B表示通過將在第一定位和第二定位之間設定的調整時間每次改變66. 4[ μ sec]來估計反射鏡11的歪斜角度時的結果。在圖6A、圖6B、圖7A和圖7B中的每一個的上半部中， 反射鏡11的歪斜角度(估計值)由實線表示，並且，由檢測器13檢測的反射鏡11的旋轉角度由虛線表示。此外，圖6A、圖6B、圖7A和圖7B中的每一個的下半部示出從驅動器142 向馬達12供給的電流的波形。假定在完成流電裝置的反射鏡的定位之後，雷射加工裝置用雷射照射物體所需要的時間為200[μ sec]。還假定為了滿足物體的加工精度，反射鏡的旋轉角度和目標角度之間的差值以及反射鏡的歪斜角度必須為10[yrad]或更小。
如圖6A、圖6B和圖7A中的每一個所示，當調整時間為199. 2 X IO"6[sec]、 265. 6X IO"6[sec]或332. OX l(T6[sec]時，反射鏡的歪斜角度為10[yrad]或更大。並且， 參照圖7A，當調整時間為332.0X 10_6[sec]時，需要2. 7[msec]以將反射鏡的歪斜角度減小到10[yrad]或更小。另一方面，如圖7B所示，當調整時間為398. 4X 10_6 [sec]時，在完成第二定位時反射鏡的歪斜角度為10[yrad]或更小，並且，在其之後1.5[msec]滿足雷射照射條件。在上述的本實施例中，當在流電裝置的反射鏡的歪斜角度落入容許值內之後將反射鏡旋轉到下一目標角度時，控制驅動器向馬達供給電流的定時。更具體而言，在向馬達供給用於將流電裝置的反射鏡旋轉到下一目標角度的電流的時間之前，設定用於使得反射鏡的歪斜角度能夠落入容許值內的調整時間。這使得能夠抑制反射鏡的歪斜角度(或振動)， 並且迅速和精確地加工作為加工目標的物體。在本實施例中，解釋了以相同的旋轉量(角度移動量)連續兩次定位反射鏡的情況。但是，即使當反射鏡被以不同的旋轉量定位或者被連續定位三次或更多次時，仍類似地能夠通過設定用於使得反射鏡的歪斜角度能夠落入容許值內的調整時間，迅速和精確地加工作為加工目標的物體。而且，在本實施例中，反射鏡定位控制系統由使用最終狀態的二自由度控制系統構成。但是，反射鏡定位控制系統還可由單自由度控制系統或另一種二自由度控制系統構成。此外，在雷射的發射可被嚴格控制的情況下，僅當反射鏡歪斜角度落入容許值內時發射雷射。這使得能夠更精確地加工作為加工目標的物體。如上所述，當流電裝置的反射鏡被定位到下一目標角度的定時(定位的開始時間)被確定時，可通過使用在第一實施例中解釋的模型估計在那時的反射鏡的歪斜角度。 因此，在本實施例中，調整(延長)反射鏡定位所需的時間，使得當加工作為加工目標的物體時(用雷射照射作為加工目標的物體時)反射鏡的歪斜角度落入容許值內。在以下給出的本實施例中，將詳細解釋以相同的旋轉量(角度移動量)、即 7X10-3[rad]連續兩次定位反射鏡11的情況。注意，反射鏡11的定位控制系統的配置與第二實施例的配置相同。第一定位初始狀態中的角度位置xW] = 0[rad]最終狀態中的角度位置x[N] = 7X 10_3[rad]採樣頻率150kHz最終步數79第二定位初始狀態中的角度位置x W] = 7X 10_3[rad]最終狀態中的角度位置x[N] = 14X10_3[rad]採樣頻率150kHz最終步數79、90、105在第一定位和第二定位中，旋轉量和旋轉方向相同，但是最終步數不同。因此，馬達12對於從驅動器142供給的電流的值的角度響應不同。在對於用於執行第一定位的命令(向驅動器142的電流供給)將反射鏡11設定為最終狀態之後，作為雷射照射所需的時間經過了 200 [μ sec]，並且，發出用於執行第二定位的命令。圖8A、圖8B和圖9示出了對於第二定位通過將最終步數設為79、90和100來估計反射鏡11的歪斜角度時的結果。在圖8A、圖8B和圖9中的每一個的上半部中，反射鏡11的歪斜角度(估計值)由實線指示，並且，由檢測器13檢測的反射鏡11的旋轉角度由虛線指示。並且，圖8A、圖8B和圖9中的每一個的下半部示出從驅動器142向馬達12供給的電流的波形。如第二實施例那樣，假定為了滿足物體的加工精度，反射鏡的旋轉角度和目標角度之間的差值以及反射鏡的歪斜角度必須為10[yrad]或更小。如圖8A所示，當第二定位中的最終步數為79時，當完成第二定位時，反射鏡的歪斜角度為10[yrad]或更大。圖8A示出，在反射鏡的歪斜角度變為10[yrad]或更小之前需要3. 2 [msec]。並且，如圖8B所示，當第二定位中的最終步數為90時，自完成第二定位以來反射鏡的歪斜角度變為10 [ μ rad]或更小之前需要2. 2 [msec]。另一方面，如圖9所示，當第二定位中的最終步數為105時，當完成第二定位時，反射鏡的歪斜角度為10[yrad]或更小，並且，在其之後1.4[mSec]滿足雷射照射條件。在上述的本實施例中，通過在反射鏡的歪斜角度不超出容許值的範圍內調整用於將流電裝置的反射鏡定位到下一目標角度的時間來控制馬達。這使得能夠控制反射鏡的歪斜角度(或振動)，並且，迅速並精確地加工作為加工目標的物體。在本實施例中，解釋了以相同的旋轉量(角度移動量)連續兩次定位反射鏡的情況。但是，即使當反射鏡被以不同的旋轉量定位或者被連續定位三次或更多次時，仍類似地能夠通過調整用於將反射鏡旋轉到下一目標角度的定位時間，迅速和精確地加工作為加工目標的物體。〈第四實施例〉圖10是示出根據本發明的第四實施例的雷射加工裝置2A的配置的示意圖。雷射加工裝置2A包含用於發射照射作為加工目標的物體OB的雷射LL的照射單元220、用於控制雷射LL的在X軸方向上的照射位置的第一單元、用於控制雷射LL的在Y軸方向上的照射位置的第二單元、和主控制器230。應注意，X軸和Y軸相互垂直。第一單元包含X軸反射鏡(第一反射鏡)201、用於旋轉X軸反射鏡201的X軸馬達 (第一馬達)202和用於檢測X軸反射鏡201的旋轉角度的X軸檢測器(第一檢測器)203。 另外，第一單元包含用於控制X軸馬達202的X軸控制器204、和用於通過指定(輸入)X軸反射鏡201的目標角度來控制雷射LL的在X軸方向上的照射位置的X軸馬達位置指定單元 205。第二單元包含Y軸反射鏡(第二反射鏡)206、用於旋轉Y軸反射鏡206的Y軸馬達 (第二馬達)207和用於檢測Y軸反射鏡206的旋轉角度的Y軸檢測器(第二檢測器)208。 另外，第二單元包含用於控制Y軸馬達207的Y軸控制器209、和用於通過指定(輸入)Y軸反射鏡206的目標角度來控制雷射LL的在Y軸方向上的照射位置的Y軸馬達位置指定單元 210。X軸控制器204和Y軸控制器209中的每一個分別具有與參照圖1解釋的控制器14的配置等同的配置，並且分別估計X軸反射鏡201和Y軸反射鏡206的歪斜角度。X軸控制器204向主控制器230提供指示估計的X軸反射鏡201的歪斜角度的X軸反射鏡估計歪斜角度，並且，Y軸控制器209向主控制器230提供指示估計的Y軸反射鏡206的歪斜角度的Y軸反射鏡估計歪斜角度。並且，X軸馬達202和Y軸馬達207的旋轉軸相互垂直。當加工物體OB時(S卩，當用雷射LL照射物體OB時)，主控制器230向X軸馬達位置指定單元205和Y軸馬達位置指定單元210指定物體OB上的雷射LL照射位置的坐標。 X軸馬達位置指定單元205和Y軸馬達位置指定單元210分別將由主控制器230指定的坐標轉換成X軸反射鏡201和Y軸反射鏡206的目標角度，並且向X軸控制器204和Y軸控制器209指定這些目標角度。X軸馬達位置指定單元205的補償器205a校正要向X軸控制器204指定的X軸反射鏡201的目標角度，以補償由通過Y軸控制器209估計的Y軸反射鏡206的歪斜角度導致的雷射LL的在X軸方向上的位置偏差。類似地，Y軸馬達位置指定單元210的補償器210a校正要向Y軸控制器209指定的Y軸反射鏡206的目標角度，以補償由通過X軸控制器204估計的X軸反射鏡201的歪斜角度導致的雷射LL的在Y軸方向上的位置偏差。在上述的本實施例中，通過由Y軸馬達207旋轉Y軸反射鏡206來補償X軸反射鏡201的歪斜角度，並且，通過由X軸馬達202旋轉X軸反射鏡201補償Y軸反射鏡206的歪斜角度。因此，雷射加工裝置2A可減少物體OB的加工誤差，並且精確地加工物體0B。圖11是示出雷射加工裝置2A的X軸反射鏡201和Y軸反射鏡206的定位控制系統的配置的例子的示意性 框圖。在本實施例中，X軸馬達202具有如下這樣的馬達模型，通過該馬達模型，對於從驅動器供給的電流的值以1. 736X IOVs2的傳遞函數模型來近似由X 軸檢測器203檢測的X軸反射鏡201的旋轉角度。類似地，Y軸馬達207具有如下這樣的馬達模型，通過該馬達模型，對於從驅動器供給的電流的值以1. 736X IOVs2的傳遞函數模型來近似由Y軸檢測器208檢測的Y軸反射鏡206的旋轉角度。並且，X軸反射鏡201、Y 軸反射鏡206、X軸檢測器203和Y軸檢測器208是對於旋轉方向上的運動不扭曲的剛性部分。如圖11所示，根據本實施例的X軸反射鏡201和Y軸反射鏡206的定位控制系統由二自由度數字控制系統構成。注意，X軸估計器1101和Y軸估計器1102分別通過使用由式(1)表示的模型估計X軸反射鏡201和Y軸反射鏡206的歪斜角度。以下將解釋X軸反射鏡201的定位控制。通過基於最終狀態控制的抖動最小化軌跡來指定該二自由度控制系統中的X軸前饋控制電流加法項1103。X軸基準角度1104被設定為通過將X軸前饋控制電流加法項1103輸入到X軸馬達202的馬達模型來計算角度響應而獲得的值。X軸反饋控制系統1105接收這樣的值，該值是通過從通過將由Y軸估計器1102估計的Y軸反射鏡206的歪斜角度與X軸基準角度1104相加所計算的值減去X軸反射鏡201的旋轉角度而被計算的。X軸估計器1101接收通過將來自X軸前饋控制電流加法項1103的輸出和來自X軸反饋控制系統1105的輸出的相加而獲得的電流值，並且估計X軸反射鏡201的傾角。並且，由Y軸估計器1102估計的Y軸反射鏡206的歪斜角度被輸入X軸馬達模型的逆模型1106，並且，為了補償Y軸反射鏡206的歪斜角度而被供給到X 軸馬達202的電流的值被計算。通過將從X軸馬達模型的逆模型1106輸出的電流值與通過來自X軸前饋控制電流加法項1103的輸出和來自X軸反饋控制系統1105的輸出的相加而獲得的電流值相加所獲得的電流值被供給到X軸馬達202。因此，當從X軸馬達202的馬達模型獲得的旋轉角度與X軸馬達202的實際旋轉角度(即，由X軸檢測器203檢測的 X軸反射鏡201的旋轉角度)匹配時，X軸反饋控制系統1105不起作用。假定在本實施例中，從X軸馬達202的馬達模型獲得的旋轉角度與X軸馬達202的實際旋轉角度匹配。以下將解釋Y軸反射鏡206的定位控制。通過基於最終狀態控制的抖動最小化軌跡來指定該二自由度控制系統中的Y軸前饋控制電流加法項1107。Y軸基準角度1108被設定為通過將Y軸前饋控制電流加法項1107輸入到Y軸馬達207的馬達模型來計算角度響應而獲得的值。Y軸反饋控制系統1109接收通過從通過將由X軸估計器1101估計的X 軸反射鏡201的歪斜角度與Y軸基準角度1108相加而計算的值減去Y軸反射鏡206的旋轉角度所計算的值。Y軸估計器1102接收通過來自Y軸前饋控制電流加法項1107的輸出和來自Y軸反饋控制系統1109的輸出相加而獲得的電流值，並且估計Y軸反射鏡206的傾角。並且，由X軸估計器1101估計的X軸反射鏡201的歪斜角度被輸入到Y軸馬達模型的逆模型1110，並且，為了補償X軸反射鏡201的歪斜角度而要被供給到Y軸馬達207的電流的值被計算。通過將從Y軸馬達模型的逆模型1110輸出的電流值加到由來自Y軸前饋控制電流加法項1107的輸出和來自Y軸反饋控制系統1109的輸出的相加而獲得的電流值上所獲得的電流值被供給到Y軸馬達207。因此，當從Y軸馬達207的馬達模型獲得的旋轉角度與Y軸馬達207的實際旋轉角度(即，由Y軸檢測器208檢測的Y軸反射鏡206的旋轉角度)匹配時，Y軸反饋控制系統1109不起作用。假定在本實施例中，從Y軸馬達207的馬達模型獲得的旋轉角度與Y軸馬達207的實際旋轉角度匹配。如上所述，可通過(1. 061 X IO2) / (s2+427. 3s+2. 547 X IO8)的單自由度阻尼系統的傳遞函數模型來近似X軸反射鏡201和Y軸反射鏡206的歪斜角度。並且，通過1. 736 X IO4/ S2的傳遞函數獲得分別由X軸檢測器203和Y軸檢測器208檢測的X軸反射鏡201和Y 軸反射鏡206的旋轉角度相對於從驅動器供給的電流的值的響應。因此，校正X軸反射鏡 201的歪斜角度所需要的Y軸馬達207的響應為{(1. 061 X IO2) / (s2+427. 3s+2. 547 X IO8)} / (1. 736 X 104/s2)。在本實施例中，將詳細解釋當僅沿X軸方向定位雷射照射位置時以7X 10_3[rad] 的旋轉量(旋轉移動量)將X軸反射鏡201定位一次的情況。應注意，通過由Y軸馬達207 旋轉Y軸反射鏡206來補償X軸反射鏡201的歪斜角度，並且，Y軸馬達207的歪斜角度不被補償。假定初始狀態中的X軸反射鏡201的角度位置為χ
= 0 [rad]，最終狀態中的角度位置為X [N] = 7 X 10_3 [rad]，採樣頻率為150kHz，並且最終步數為79。圖12A的上半部示出X軸反射鏡201的歪斜角度，並且，圖12A的下半部示出供給到X軸馬達202的電流的波形。並且，圖12B的上半部示出補償圖12A的上半部中所示的 X軸反射鏡201的歪斜角度所需的Y軸反射鏡206的旋轉角度，並且，圖12B的下半部示出向Y軸馬達207供給的電流的波形。圖12A與圖12B的比較指示，X軸反射鏡201的歪斜角度和Y軸反射鏡206的旋轉角度具有180°的相位差，因此，可通過旋轉Y軸反射鏡206來校正X軸反射鏡201的歪斜角度。類似地，可通過旋轉X軸反射鏡201校正Y軸反射鏡206的歪斜角度。應注意，當通過旋轉Y軸反射鏡206校正X軸反射鏡201的歪斜角度時，Y軸反射鏡206產生歪斜角度，但是此歪斜角度非常小並且是可忽略的。當然，也可以通過旋轉X軸反射鏡201再次校正Y軸反射鏡206的歪斜角度。 雖然已參照示例性實施例說明了本發明，但應理解，本發明不限於公開的示例性實施例。以下的權利要求的範圍應被賦予最寬泛的解釋以包含所有的變型方式以及等同的結構和功能。
權利要求
1.一種用於反射鏡的角度定位的裝置，所述裝置包含 第一反射鏡；第一馬達，被配置用於旋轉第一反射鏡； 第一檢測器，被配置用於檢測第一反射鏡的旋轉角度；第一控制器，被配置用於向第一馬達供給電流以使得第一反射鏡的旋轉角度達到目標角度，基於表示向第一馬達供給的電流的值和第一反射鏡的歪斜角度之間的關係的模型估計在向第一馬達供給所述電流的情況下的第一反射鏡的歪斜角度，並且如果被估計的角度超過容許值，則執行用於調整向第一馬達的電流供給以使得第一反射鏡的歪斜角度落入所述容許值內的處理。
2.根據權利要求1的裝置，其中，第一控制器被配置用於作為所述處理，執行在第一反射鏡被旋轉到下一目標角度之前所需要的等待時間的設定。
3.根據權利要求1的裝置，其中，第一控制器被配置用於作為所述處理，執行對在其期間第一反射鏡被旋轉到下一目標角度的時間的調整。
4.根據權利要求1的裝置，其中，第一單元包含第一反射鏡、第一馬達、第一檢測器和第一控制器，並且， 所述裝置還包括第二單元，所述第二單元包含第二反射鏡；被配置用於旋轉第二反射鏡的第二馬達；被配置用於檢測第二反射鏡的旋轉角度的第二檢測器；第二控制器，所述第二控制器被配置用於向第二馬達供給電流以使得第二反射鏡的旋轉角度達到目標角度，以及基於表示向第二馬達供給的電流的值和第二反射鏡的歪斜角度之間的關係的模型估計在向第二馬達供給所述電流的情況下的第二反射鏡的歪斜角度， 第一馬達的旋轉軸和第二馬達的旋轉軸相互垂直，並且，第一控制器和第二控制器被配置用於基於第一反射鏡的被估計的角度和第二反射鏡的被估計的角度通過第一反射鏡和第二反射鏡中的一個的角度定位來執行對於第一反射鏡和第二反射鏡中的另一個的歪斜角度的補償。
5.一種用於用雷射照射物體的加工裝置，所述加工裝置包括 根據權利要求1的裝置；以及照射單元，被配置用於用雷射照射根據權利要求1的所述裝置的第一反射鏡。
6.一種用於用雷射照射物體的加工裝置，所述加工裝置包括 用於反射鏡的角度定位的裝置；以及被配置用於用雷射照射所述反射鏡的照射單元， 所述用於反射鏡的角度定位的裝置包括 反射鏡；馬達，被配置用於旋轉所述反射鏡；檢測器，被配置用於檢測所述反射鏡的旋轉角度；控制器，被配置用於向所述馬達供給電流以使得所述反射鏡的旋轉角度達到目標角度，基於表示向馬達供給的電流的值和反射鏡的歪斜角度之間的關係的模型估計在向馬達供給所述電流的情況下的反射鏡的歪斜角度，並且如果估計的角度超過容許值，則導致照射單元對於以雷射對於所述裝置的照射進行等待。
全文摘要
本發明公開了反射鏡角度定位裝置和加工裝置，該反射鏡角度定位裝置包括被配置旋轉反射鏡的馬達；被配置為檢測反射鏡的旋轉角度的檢測器；和控制器，該控制器被配置為向馬達供給電流以使得反射鏡的旋轉角度到達目標角度，基於表示向馬達供給的電流的值和反射鏡的歪斜角度之間的關係的模型估計被供給電流的反射鏡的歪斜角度，並且，如果估計的角度超過容許值，那麼執行調整對於馬達的電流供給的處理，使得反射鏡的歪斜角度落入容許值內。
文檔編號B23K26/04GK102267011SQ20111014874
公開日2011年12月7日 申請日期2011年6月3日 優先權日2010年6月3日
發明者上田伸治 申請人:佳能株式會社