用于使用位置前馈补偿来提高大面积激光加工中的精度的系统和方法技术方案

公开了一种提供对工件的即时激光加工的激光加工系统。激光加工系统包括：配置成支撑工件的定位系统；配置成控制工件在定位系统上的移动的定位系统控制器；配置成在工件上方扫描激光束的扫描器系统；以及配置成操作扫描器系统和定位系统控制器的扫描器控制器，该扫描器控制器接收向量输入数据以在前馈位置补偿中使用。中使用。中使用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使用位置前馈补偿来提高大面积激光加工中的精度的系统和方法
优先权
[0001]本申请要求于2020年1月24提交的美国临时专利申请第62/965,491号的优先权，该申请的公开内容通过引用以其整体结合在此。

技术介绍

[0002]本申请总体涉及激光扫描系统，并且尤其涉及大面积即时(on
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the
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fly)激光标记和切割系统。
[0003]激光扫描系统通常用于在材料处于运动时标记或切割材料。这种工艺在工业上通常被称为“即时”。这些系统通常采用诸如旋转编码器或线性编码器之类的位置测量系统作为反馈以用于控制工件定位系统的运动。在两轴系统中，工件定位系统通常是XY台，尽管在一些系统中，工件以单个轴定位，并且扫描头以正交轴定位在工件之上。如本文所使用的，术语“定位系统”通常是指这些系统配置及其等效物。激光振镜控制器可使用定位系统的编码器信息来偏移振镜位置，从而使经转向的激光束跟随工件的运动。
[0004]在大面积上进行的高精度激光微加工已经产生了使用外部运动系统在激光加工扫描头的固定扫描区域下方移动工件的系统设计。外部移动系统可以是单轴的(通常用于基于网络的转换工具)，或是例如在显示器加工(诸如有机发光二极管(OLED)切割、氧化铟锡(ITO)刻划、通孔钻孔等)中使用的基于两轴龙门(gantry)(或XY)台的系统。在此类两轴系统中，由于需要将激光加工步骤与使用高精度半导体加工技术生产的工件上的工艺品对齐，激光束定位精度已经变得更加严格。对于此类系统，通常需要在+/
‑<br/>500mm的加工区域内将激光束精确且可重复地定位到+/
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5μm(有效精度为10PPM)。
[0005]某些激光定位系统采用组合的激光头定位和工件定位。例如，美国专利第5,751,585号公开了一种被公开为紧凑的组合系统布局的系统，该系统使用X和Y定位系统在一个维度上移动扫描头，并且在另一个维度上移动材料。通过路径平移(panning)分析来协调定位系统与振镜之间的运动。
[0006]美国专利申请公开第2018/0339364号公开了一种系统，其中激光扫描器控制器利用单独的XY台控制器并与激光转向振镜同步地引导XY台。该系统采用跨通信域接口在扫描器控制器与台控制器之间传输信息，包括台控制器需要遵循的位置命令和用于使扫描器控制器和台控制器同步的时钟信息。
[0007]美国专利申请公开第2018/0056443号公开了具有激光扫描器和由台控制器控制的可移动台的激光加工设备。激光扫描器由扫描器控制器控制，该扫描器控制器同步由台控制器控制的台的移动。该公开还包括桥接设备，该桥接设备在两个子系统的控制器(诸如扫描器控制器和台控制器)之间同步和传输实时数据。然而，该参考文献的公开指出采用多个扫描器的系统的精度受到以下事实的限制，即扫描器的路径命令是基于反馈读取，该反馈读取必定相对于该命令延迟，并且噪声更多，并且可能容易出错。
[0008]基于激光振镜的转向系统通常使用闭环伺服电机，其中由振镜电机上的集成传感
器提供位置反馈。此类伺服系统在命令位置与实际镜位置之间具有有限的跟踪延迟。该跟踪延迟引起激光束在跟随材料定位系统时的位置误差。这是因为引起振镜位置命令变化的定位编码器系统在测量定位系统的瞬时位置。然而，在振镜跟踪延迟间隔期间，定位系统的实际位置将移动到新的相对位置。
[0009]在大面积微加工系统的情况下，此类误差的大小超出误差预算多于一个量级。例如，典型的振镜伺服系统具有250微秒的跟踪延迟，并且其中工件定位系统以500mm/秒的速度移动，所得的位置误差将是0.00025(秒)*500(mm/秒)＝0.125(mm)。这将导致对于此类系统完全不可接受的激光加工控制。
[0010]《激光微/纳米工程杂志(JLMN)》2012年第2期第7卷的文章“Laser Scanner
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Stage Synchronization Method for High
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Speed and Wide
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Area Fabrication(用于高速和大面积制造的激光扫描器台同步方法)”公开了用于大面积制造的同步激光振镜扫描器和线性台的即时方法。该文章公开了一种大面积处理系统，该系统使用XY台位置编码器数据来使激光扫描系统跟踪材料定位系统(XY台)的移动，以实现即时2D激光加工。该参考文献的系统公开为在线性台与振镜扫描器之间提供实时信号传输。
[0011]然而，仍然存在对更高效且更经济的即时激光标记系统的需要，该系统以更高速度和精度提供改进的激光标记精度。

技术实现思路

[0012]根据一方面，公开了本专利技术提供一种激光加工系统，该激光加工系统提供对工件的即时激光加工。激光加工系统包括：定位系统，该定位系统配置成支撑工件；定位系统控制器，该定位系统控制器配置成控制工件在定位系统上的移动；扫描器系统，该扫描器系统配置成在工件上方扫描激光束；以及扫描器控制器，该扫描器控制器配置成操作扫描器系统和定位系统控制器，该扫描器控制器接收向量输入数据以在前馈位置补偿中使用。
[0013]根据另一方面，本专利技术提供了一种激光加工系统，该激光加工系统提供对工件的即时激光加工。激光加工系统包括：定位系统，该定位系统配置成支撑工件；定位系统控制器，该定位系统控制器配置成控制工件在定位系统上的移动；扫描器系统，该扫描器系统配置成在工件上方扫描激光束；以及扫描器控制器，该扫描器控制器配置成操作扫描器系统和定位系统控制器，该扫描器控制器确定定位系统的预期向量以在前馈位置补偿中使用。
[0014]根据进一步的方面，本专利技术提供了一种方法，该方法提供对工件的即时激光加工，所述方法包括：提供定位系统，该定位系统配置成支撑工件；提供定位系统控制器，该定位系统控制器配置成控制工件在定位系统上的移动；提供扫描器系统，该扫描器系统配置成在工件上方扫描激光束；提供扫描器控制器，该扫描器控制器配置成操作扫描器系统和定位系统控制器；响应于向量输入数据而操作定位系统控制器；以及以经定位系统延迟补偿的高数据速率操作扫描器系统。
附图说明
[0015]参考附图可以进一步理解本申请，在附图中：
[0016]图1示出了根据本专利技术的一方面的扫描器和控制系统的说明性图解功能视图；
[0017]图2示出了图1的系统的说明性图解部件视图；以及
[0018]图3示出了图1的系统中的扫描头和工件的相对位置的说明性图解坐标表示。
[0019]所示出的附图仅用于说明性目的。
具体实施方式
[0020]申请人已经发现由定位误差引起的振镜跟踪延迟可以通过利用振镜相对于低带宽、缓慢移动和高惯性的工件定位系统的高带宽、高速度和高加速能力来显著地减小或消除。此外，已经发现，可以通过对有限时间段内的位置变化进行积分来从用于位置跟踪的位置编码器数据计算工件定位系统的速度和加速度。
[0021]使用该速度信息的对定位系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种提供对工件的即时激光加工的激光加工系统，所述激光加工系统包括：定位系统，所述定位系统配置成支撑所述工件；定位系统控制器，所述定位系统控制器配置成控制所述工件在所述定位系统上的移动；扫描器系统，所述扫描器系统配置成在所述工件上方扫描激光束；以及扫描器控制器，所述扫描器控制器配置成操作所述扫描器系统和所述定位系统控制器，所述扫描器控制器接收向量输入数据以在前馈位置补偿中使用。2.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述向量输入数据部分地被低通滤波并以降低的数据速率提供。3.如前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其特征在于，所述扫描器控制器以经定位系统延迟补偿的高数据速率操作所述扫描器系统，其中扫描器定位通过对所述定位系统位置和速度的观察来补偿。4.如前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其特征在于，所述向量输入数据沿两个不同路径提供，以将所述降低的数据速率的输入提供到所述定位系统控制器并将所述经定位系统延迟补偿的高数据速率的输入提供到所述扫描器控制器。5.如前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其特征在于，所述系统通过对随时间观察到的位置变化进行积分来计算所述工件的速度和加速度。6.如权利要求5所述的激光加工系统，其特征在于，所述系统使用所计算的所述工件的速度和加速度来预测所述工件的未来位置。7.如前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其特征在于，所述扫描器系统的较高带宽使得振镜镜被定位在所述工件的预测路径上，而与所述工件的速度或位置的变化无关。8.如前述权利要求中任一项所述的激光加工系统，其特征在于，在作业开始时，以不需要与提供到所述扫描器控制器的经定位系统延迟补偿的高数据速率的输入同步的速率将经低通滤波的降低的数据速率的输入提供到所述定位系统控制器。9.一种提供对工件的即时激光加工的激光加工系统，所述激光加工系统包括：定位系统，所述定位系统配置成支撑所述工件；定位系统控制器，所述定位系统控制器配置成控制所述工件在所述定位系统上的移动；扫描器系统，所述扫描器系统配置成在所述工件上方扫描激光束；以及扫描器控制器，所述扫描器控制器配置成操作所述扫描器系统和所述定位系统控制器，所述扫描器控制器确定所述定位系统的预期向量以在前馈位置补偿中使用。10.如权利要求9所述的激光加工系统，其特征在于，所述扫描器控制器响应于向量输入数据而操作所述定位系统控制器，所述向量输入数据被部分地时域扩展并以降低的数...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：诺万达公司，
类型：发明
国别省市：