CN101870039A - 双工作台驱动激光加工机及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双工作台驱动激光加工机及其加工方法，涉及激光精密加工设备技术领域。具有第一工作台、第二工作台、激光束传递装置(LBDS)、真空吸附承片台和图像采集装置；加工方法基于统一的仿射变换模型处理P1非对位和P2对位加工两种情形；将工件坐标空间映射到加工坐标空间，即第一工作台加工坐标和第二工作台加工坐标，将CAD数据图案转移至工件，使加工后的图形特征位置误差控制在理想精度范围内；利用本发明，可以有效提高P1工序的加工效率，并能有效处理P2工序因工件变形所带来的自动视觉对位准确性难题，从而降低成本并提高产能；其结构简单，原理、方法独特。尤为适合在大规模LTCC/HTCC制程工艺生产线上应用。

Description

双工作台驱动激光加工机及其加工方法

技术领域

本发明属于激光精密加工设备技术领域，特别是一种双工作台驱动激光加工机及其加工方法。

背景技术

近几年来，半导体工业中高密度封装/组装和高密度互连(HDI)技术获得了飞速发展。作为一种高性能HDI解决方案，LTCC(Low TemperatureCo-fired Ceramics，低温共烧陶瓷)封装技术为单芯片或多芯片模块(MCM)封装提供了高密度集成和高可靠性，已被广泛应用于光电通信器件、MEMS(微机电系统)器件、生物医学芯片、汽车电子、微波电路、军用T/R组件和航空航天等多个领域。

与此相应，当今的大规模LTCC制程工艺生产线，其技术水平具备以下特征：8英寸生瓷带规格，导带线宽和间距小于75μm，层间互连通孔直径小于100μm、通孔间距小于200μm，堆叠通孔结构，且内部埋置无源器件(电阻、电感、电容)。其典型工艺流程如图(2)所示，依次包括流延、切片、钻孔、微孔填充、丝网印刷、腔体成型、层压、热切和共烧等工序。其中，钻孔、腔体成型工序，通常是利用机械冲孔机，对每层LTCC生瓷片进行加工，形成电气连接微过孔、埋置无源器件所需的不规则腔体、微孔填充工序、层压工序所需的机械定位孔和丝网印刷工序、热切工序所需的视觉定位基准孔。出于工艺考虑，比如为减小物料传输过程中LTCC生瓷片(典型厚度为0.05mm～0.17mm)的变形和避免真空机械手对生瓷片的抓取操作不稳定性，钻孔和开腔体操作一般并不处于同一工序。在钻孔工序之前，生瓷片为空白基板，无任何图案，经过钻孔工序后，其上形成部分图形特征，然后生瓷片被转移至其它工序，丝网印刷工序完成后，再进行腔体成型操作，此工序也常被称作“返冲”工序，需要二次上片机械定位和视觉对位，为降低人工操作带来的主观性对准误差和提高运行效率，大规模工艺生产线常采用自动视觉对位。

本文中，为简便起见，将无需对位的加工操作称作P1工序，将需要对位的加工操作称作P2工序，则显然初次钻孔操作属于P1加工，二次腔体成型操作属于P2加工。在P1工序中，8英寸生瓷片上通常需要加工出多达30000个微孔，作为前道关键工序，在保证加工定位精度(一般要求优于±15μm)的前提下，其效率极为关键，也往往是制约整个生产线产能的瓶颈；在P2工序中，需要以P1工序加工后形成的某些标记为视觉定位基准，二次加工后一般要求图形特征位置精度优于±20μm。然而在流片过程中几乎所有的生瓷片均存在一定的收缩变形量，尽管收缩很小，若仅考虑二次上片机械定位误差基于刚体变换模型进行补偿，将可能会使部分图形特征错位而影响成品率。

目前，几乎所有的LTCC制程工艺生产线均选用机械冲孔方式进行P1和P2工序加工，机械冲孔方式的优点是加工精度高，工艺效果优良，缺点是灵活性不足、不能处理复杂的图形特征、需要经常更换冲头、维护费用较高、机械振动噪声污染较大、加工效率受限于冲头机构的频率响应，且渐趋不能适应日新月异的轻薄化、微型化器件所需的层间互连通孔直径越来越小(50μm以下)、孔间密度越来越高的工艺发展需求。因而，亟需研发出一套全新的加工系统及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种双工作台驱动激光加工机及其加工方法，可适于LTCC制程P1工序或P2工序的加工，旨在解决现有的机械冲孔机灵活性不足、加工效率不高及P2工序二次上片后因生瓷片收缩变形所带来的自动视觉对位准确性差的难题，本发明结构简单合理，原理、加工方法独特；利用本发明，可以有效提高产能、提高加工效率、保证质量、降低成本。特别适合在大规模LTCC/HTCC(高温共烧陶瓷)制程工艺生产线上应用。

本发明之一是这样实现的：一种双工作台驱动激光加工机，其特征在于具有以下机械结构：第一工作台、第二工作台、激光束传递装置(LBDS)、真空吸附承片台和图像采集装置；

第一工作台，即对工件实施激光标刻加工的二维扫描振镜组件，其结构具有：第一反射镜、第二反射镜、远心f-θ透镜及其支撑框架；

第二工作台，即XYZ三维工作台；

激光束传递装置，由激光器、激光束扩束镜和其它光学转向镜组成，它和振镜组件通过光学耦合方式物理连接；

真空吸附承片台，安装于Y向工作台上，跟随XY工作台在水平面内移动，用以完成工件的定位和吸附。工件位于振镜组件的远心f-θ透镜的下方；

图像采集装置具有CMOS图像传感器、2X放大物镜和LED环形照明光源；

振镜组件和图像采集装置均安装于Z向工作台上。

所述的XYZ三维工作台由十字叠装式XY工作台及其上面的Z向工作台组成，用以实现吸附有工件的真空吸附承片台在水平面内的移动定位和Z向激光聚焦；十字叠装式XY工作台即两维导轨式工作台，设有丝杠导轨结构，利用永磁同步电机(PMSM)驱动、丝杠传动、滑动导轨导向完成旋转运动到直线运动的转换，并通过两条开放式光栅尺进行位置测量和构成全闭环定位控制。XY工作台亦可为其他形式的两维工作台，比如直线电机驱动两维工作台、H型结构两维工作台。

所述的真空吸附承片台较佳结构可为：具有承片台基座、承片台基板和承片台外框，承片台外框中间为蜂窝板，蜂窝板的真空腔通过弹簧软管与吸尘器连接，工件通过胶带粘接在工件框架上，真空吸附机械手放置于蜂窝板上，并设有有微型导杆气缸、固定板、夹紧板和圆柱定位销组成的气动卡具工件机械定位机构。

所述的激光加工机采用双工作台驱动结构，用以满足高效率、高精度和大行程等激光加工应用需求。其中，第一工作台惯量小、加减速极快，用以保证获得高加工效率；第二工作台用以辅助第一工作台以完成大幅面数据图案的“拼接”加工。同时，第一工作台可以利用第二工作台和图像采集装置，进行在线振镜校正，从而获得高精度。

本发明之二是这样实现的：利用上述双工作台驱动激光加工机的加工方法，其特征在于分为P1非对位加工或P2对位加工两种情形，两种情形可以基于统一的仿射变换模型，将工件坐标空间映射到加工坐标空间，即第一工作台加工坐标(x_s，y_s)和第二工作台加工坐标(x_t，y_t))，从而将CAD数据图案转移至工件，使加工后的图形特征位置误差控制在理想精度范围内；所述的仿射变换模型，可用一个仿射变换矩阵

表示，待定参数a₁₁、a₁₂、a₁₃、a₂₁、b₁₃和b₂₃除表征了刚体定位平移、旋转分量信息外，还建模了工件自身缩放、切变两种变形误差信息。

所述的加工方法，包括CAD/CAM数据处理、坐标变换计算和视觉匹配三个关键软件模块。其中，CAD/CAM数据处理模块，其处理流程包括CAD图形输入文件解析、数据规范化、基本图元分解、区域划分、轨迹生成与优化、工艺参数设置和NC文件保存等几大步骤。

所述的区域划分过程，以数据规范化后的工件坐标(u，v)作为输入，依下述数学式求得各振镜扫描网格单元数据坐标(u_s，v_s)：

其中，D_u、D_v为区域划分模块的数据分块网格矩形大小，

为向下取整运算符，不同的m、n组合对应于不同的振镜扫描网格单元，且有局域性条件

成立。

工件坐标经过CAD/CAM数据处理模块处理后得到的第一工作台各振镜扫描网格单元数据坐标(u_s，v_s)，到第一工作台加工坐标(x_s，y_s)和第二工作台加工坐标(x_t，y_t)的映射关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s-x_t=a_{11}{u}_s+a_{12}{v}_s+b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset}+a_{11}(0.5+m)D_u+a_{12}(0.5+n)D_v\\ y_s-y_t=a_{21}{u}_s+a_{22}{v}_s+b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset}+a_{21}(0.5+m)D_u+a_{22}(0.5+n)D_v\end{array}\right.$

在确保振镜扫描加工坐标(x_s，y_s)局域性的前提条件下，第一工作台和第二工作台可以统一协调控制，也可以单独控制。

所述的振镜扫描加工坐标(x_s，y_s)局域性的条件，可以通过选择数据分块网格矩形大小

(A为正方形区域振镜校正范围的边长)得以严格保证。此时，可以利用下述数学式计算第一工作台加工坐标(x_s，y_s)和第二工作台加工坐标(x_t，y_t)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s=a_{11}{u}_s+a_{12}{v}_s\\ y_s=a_{21}{u}_s+a_{22}{v}_s\\ x_t=-(b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset}+a_{11}(0.5+m)D_u+a_{12}(0.5+n)D_v)\\ y_t=-(b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset}+a_{21}(0.5+m)D_u+a_{22}(0.5+n)D_v)\end{array}\right.$

其中，(cam_xoffset，cam_yoffset)为相机坐标系中心相对于振镜扫描坐标系中心的偏移。可见，整个加工过程是由第一工作台坐标(x_s，y_s)和第二工作台坐标(x_t，y_t)协调配合完成的，是一种“拼接”加工。由下述不等式，可以得知振镜扫描坐标局限于边长为A的正方形区域：

$|(a_{11}{u}_s+a_{12}{v}_s)|\≤\sqrt{(a_{11}^2+a_{12}^2)(u_s^2+v_s^2)}\≤\frac{1}{2}\sqrt{(a_{11}^2+a_{12}^2)(D_u^2+D_v^2)}\≈\frac{1}{2}A,$

$|(a_{21}{u}_s+a_{22}{v}_s)|\≤\sqrt{(a_{21}^2+a_{22}^2)(u_s^2+v_s^2)}\≤\frac{1}{2}\sqrt{(a_{21}^2+a_{22}^2)(D_u^2+D_v^2)}\≈\frac{1}{2}A.$

所述的P1非对位加工情形下，仿射变换矩阵H仅包含平移变换，即a₁₁＝a₂₂＝1，a₁₂＝a₂₁＝0，通过在固定系统工作零点参数TX0、TY0设置的条件下，滑动零点偏移参数a₁₃、a₂₃，可以实现将CAD数据图案加工于工件的不同位置。

所述的P2对位加工情形下，每次上片后，无需对原来的工件坐标(u，v)重新进行区域划分计算，对于每个振镜扫描网格单元B[m，n]，只需将XY工作台定位至坐标(-(b₁₃+cam_xoffset+a₁₁(0.5+m)D_u+a₁₂(0.5+n)D_v)，-(b₂₃+cam_yoffset+a₂₁(0.5+m)D_u+a₂₂(0.5+n)D_v))，且对网格单元数据坐标(u_s，v_s)施加变换

后执行振镜扫描加工，即可将P2加工后的图形特征位置误差控制在理想精度范围内。

所述的坐标变换计算模块的坐标变换方法，使得所述第二工作台无需额外配置旋转向直驱电机，也能处理工件机械定位有旋转误差情形，从而降低机器构造成本。

所述的待定参数计算方法，需要先基于图像采集装置和视觉匹配模块进行匹配控制点数据采集，然后基于下述数学式求取仿射模型中的6个待定参数估计：

[s_p-x_t y_p-y_t 1]^T＝H[u v 1]^T

其中，(x_p，y_p)为基准对位标记图像在相机坐标系中的坐标。

采用三点(非共线)对位方式采集三对匹配控制点，恰可以求得6个待定参数估计；在工件仅有均质变形(即两个坐标轴方向缩放变形量相同)、切变可以忽略不计时，有a₁₁＝a₂₂和a₁₂＝-a₂₁两个约束条件，因此可以采取两点对位方式求得待定参数；也可以采用四点对位、五点对位或更多基准点对位方式，基于最小二乘法获得优化的参数估计，从而减小数据噪声的影响。

所述的视觉匹配模块的匹配算法精度，与所述图像采集装置中物镜的放大倍率相关，放大倍数越大，像素分辨率就越高，计算也越精确；然而，放大倍率越大时，视场也越小，基准对位标记图像跳出图像视场的概率也越大，因而需要基于机械定位精度选择物镜放大倍率。

所述的仿射变换模型可以扩展至固定光路加工情形，即第一工作台保持于加工中心不运动或采取更为简化的设计(仅存在第二工作台，省掉了第一工作台)的情形；

此时，令振镜扫描坐标(x_s，y_s)为(0，0)，即可得到工件坐标空间坐标(u，v)到加工坐标空间(即第二工作台坐标(x_t，y_t))的映射关系：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_t=-(a_{11}u+a_{12}v+b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset})\\ y_t=-(a_{21}u+a_{22}v+b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset})\end{array}\right.$

所述的加工方法，可以扩展至振镜扫描中心与相机中心共轴、多相机图像采集情形。共轴情形下，相机偏置(cam_xoffset，cam_yoffset)取值为(0，0)；多相机情形下，将有多组相机偏置(cam1_xoffset，cam1_yoffset)、(cam2_xoffset，cam2_yoffset)……，坐标变换计算模块将需要跟踪当前相机编号，以确保某帧图像是由相对应的相机采集得到的。

本发明的积极效果是：可以有效解决现有的机械冲孔机灵活性不足且加工效率不高的问题，利用本发明，可以有效提高P1工序的加工效率，并能有效处理P2工序在二次上片后因生瓷片收缩变形所带来的自动视觉对位准确性难题，从而降低成本并提高产能；其结构简单，原理、方法独特；二次对位准确。尤为适合在大规模LTCC/HTCC(高温共烧陶瓷)制程工艺生产线上应用。本发明可拓展应用至PCB行业BGA/CSP板、太阳能电池板、SMT模版、LED、FPD、第二代半导体材料GaAs晶圆、第三代半导体材料GaN/SiC晶圆等的钻孔、打标、切割、划片、划线及结构化成型。

以下结合一个较佳的具体实施例及附图作详述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是本发明实施例原理框图。

图2是LTCC制程工艺流程示意图。

图3是本发明实施例的机械结构示意图。

图4是本发明实施例提供的激光加工机关键部件立体图(未包括LBDS)。

图5是本发明实施例提供的X向工作台立体图。

图6是本发明实施例提供的振镜组件立体图。

图7是本发明实施例提供的图像采集装置立体图。

图8是本发明实施例提供的真空吸附承片台部分剖切立体图。

图9是本发明实施例提供的加工方法原理示意图。

图10是本发明实施例提供的CAD/CAM数据处理模块软件流程图。

图11是本发明实施例所提供的对输入CAD文件进行“区域划分后”的示意图。

图12是二次上片后，机械定位误差示意图。

图13是本发明实施例提供的振镜坐标变换示意图。

图14是本发明实施例提供的加工方法实施流程图。

图15是本发明实施例提供的视觉匹配模块所使用的基准对位标记示意图。

图16是本发明实施例提供的视觉匹配模块的软件流程图。

图17是本发明实施例提供的电气控制平台架构示意图。

图中各符号含义：真空吸附承片台1，XY工作台10、XYZ工作台控制系统11、承片台基座12、承片台基板13、承片台外框14、聚氨酯圆皮带15、蜂窝板16，固定板17、夹紧板18、微型导杆气缸19，X向工作台101、Y向工作台102、Z向工作台103、X向底座111、支持侧丝杠支座组件112、滚动导轨113、丝杠114a、丝杠母114b、丝杠母座115、固定侧丝杠支座组件116、联轴器117、伺服电机118、光栅尺119；工件2，20数据分块矩形、P1图形特征21、P2图形特征22、圆柱定位销27、工件框架28、胶带29；振镜组件3、第一反射镜31、第二反射镜32、远心f-θ透镜33和支撑框架34；激光束传递系统(LBDS)4、激光器41、扩束镜42；振镜控制系统5；CAD/CAM数据处理模块6，工件坐标空间60、映射模型M 61、加工坐标空间62，CAD图形输入文件解析601、数据规范化602、基本图元分解603、区域划分604、轨迹生成与优化605、工艺参数设置606、NC文件保存607；坐标变换计算模块7；图像采集装置8，CMOS图像传感器81、2X放大物镜82、LED环形照明光源83；视觉匹配模块9，图像采集线程92，共享内存区93、运动控制线程94。

具体实施方式

此处所描述的较佳具体实施例仅用以解释本发明，并不适于限定本发明。

本较佳实施例中，如图3所示，激光加工机系统包括：

第一工作台，即二维扫描振镜组件3，如图6所示，由第一反射镜31、第二反射镜32、远心f-θ透镜33和支撑框架34组成。通过振镜控制系统5，实现在工件2上的激光标刻加工。

第二工作台，即XYZ工作台装置。如图4所示，第二工作台由XY工作台10和Z向工作台103组成。通过XYZ工作台控制系统11实现真空吸附承片台1(其上吸附有工件2)在水平面内的移动定位和Z向激光聚焦。XY工作台10由X向工作台101和Y向工作台102组成，基于丝杠导轨结构设计，即利用旋转永磁同步电机(PMSM)驱动、丝杠传动、滑动导轨导向从而完成旋转运动到直线运动的转换。另外一种更优的方案是，将第二工作台设计为直线电机平台以获得更高的加工效率。X向工作台101结构如图5所示，伺服电机118输出轴通过联轴器117与丝杠114a连接驱动丝杠母114b完成X向的直线移动；丝杠母座115一端与丝杠母连接，另一端连接Y向工作台102；丝杠两端分别由固定侧丝杠支座组件116与支持侧丝杠支座组件112支撑，两组件安装在X向底座111上实现丝杠定位和伺服电机固定；滚动导轨113在移动过程中起导向作用；Y向工作台102结构形式与X向工作台101相同，两个工作台叠装在一起，实现水平面内二维移动。Z向工作台103，通过XYZ工作台控制系统11控制实现振镜组件3与图像采集装置8的Z向移动定位。其中XY工作台10，利用两条开放式光栅尺119构成全闭环控制，用于保证XY工作台10水平移动平面内的重复精度和定位精度至数微米量级。

本发明采用上述的双工作台驱动结构，将8英寸图形特征，标刻于工件2上。其中，第一工作台惯量小、加减速极快，用以保证获得高加工效率，但是当前技术水平的振镜仅在较小扫描区域(典型地，50mm×50mm矩形范围)内容易获得微米量级精度，为了兼顾大行程加工需要，需要引入第二工作台，第二工作台的工作行程较大(X、Y向均＞220mm)，实际上两个工作台通过协调配合来完成大幅面数据图案的“拼接”加工。同时，第一工作台可以利用第二工作台和下述的图像采集装置8，进行在线振镜校正。

激光束传递系统(Laser Beam Delivery System，LBDS)4，由激光器41和激光束扩束镜42和其它光学转向镜组成，用以完成激光传输，需要尽量减小激光功率传输损耗，以使得工件2表面能够获得足够的激光辐射功率密度从而能够完成加工。同时，还需要作好光路密封，以防止光学镜片受到设备使用环境污染。

图像采集装置8，其结构如图(7)所示，该装置由CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器81、2X放大物镜82和LED环形照明光源83组成；2X放大物镜上端与CMOS图像传感器螺纹连接，下端连接LED环形照明光源。另外，图5中未示意的还包括光强调节模块和1394接口板卡，光强调节模块用以改变照明光源亮度，1394接口板卡是用以辅助主控程序和1394接口CMOS数字相机通信的电子硬件装置。

真空吸附承片台1，安装于Y向工作台102上，跟随XY工作台10在水平面内移动，用以完成工件2的定位和吸附，其结构如图8所示。该装置由承片台基座12、承片台基板13、承片台外框14、蜂窝板16和聚氨酯圆皮带15形成真空腔，真空腔通过弹簧软管与吸尘器连接，工件2通过胶带29粘接在工件框架28上，并通过真空吸附机械手放置于蜂窝板上待加工。加工过程中产生的小型残渣通过蜂窝板上的芯孔、承片台基板过孔与承片台基座空腔进入吸尘器。聚氨酯圆皮带安装于承片台外框与承片台基板之间起密封作用。气动卡具用以将工件准确定位在真空吸附承片台上。该装置由两个微型导杆气缸19、固定板17、夹紧板18和圆柱定位销27等组成。气缸缸体固定在与承片台基座连接的固定板上，活塞杆端连接夹紧板，通过微型导杆气缸19推动工件框架28移动至紧靠圆柱定位销27实现工件机械定位，保证片间重复定位精度至数百微米量级。

作为一个实施例，图17示意了电气控制平台架构，其中主要硬件选型如下：第一工作台选用SCANLAB HurrySCAN10振镜和RTC4StandAlone USB接口控制板卡，第二工作台选用FALDIC-W系列GYS401DC2-T2永磁同步交流旋转伺服电机(PMSM)、RYC401D3-VVT2伺服驱动放大器、RSF MS21.44-GA开放式光栅尺和GoogolTechGE-400-SV控制板卡，选用OptoWave AWAVE-355-8W激光器、LINOS355nm 100mm焦距远心f-θ透镜、SillOptics 355nm 8X扩束镜，CMOS相机选用PointGrey Firefly MV 1394接口数字相机、2X放大物镜。以上选型能够得到：20μm激光聚焦光斑、200μm以上激光加工焦深，1.92mm×1.44mm相机视场(使用640×480分辨率，经过标定后)。

另外，本发明提供了与上述装置相应的激光加工方法，即将CAD数据图案转移至工件的加工方法，基本思想是寻求某种较优(能同时建模工件自身变形误差和刚体定位偏转量两项信息)的映射模型，将工件坐标空间(u，v)映射到加工坐标空间(即第一工作台扫描坐标(x_s，y_s)和第二工作台加工坐标(x_t，y_t))，使得经过激光加工后的图形特征位置误差能控制在理想精度范围内。图9示意了本发明提供的加工方法原理，其中包括CAD/CAM数据处理6、坐标变换计算7和视觉匹配9三个关键软件模块。需要说明，加工方法包括P1非对位加工和P2对位加工两种情形，以下将会看到两种情形可以基于统一的坐标映射模型进行处理。

对于LTCC生瓷片，其加工方法实施流程图如图14所示，主要包括初次上片定位P1加工、数据对位基准点选择、基准点图像采集、模版学习、其它工艺流程处理、二次上片定位、模版加载、模版匹配、坐标变换计算和P2加工等几大步骤。其中，初次上片定位P1加工，对空白工件进行加工，无需对准过程，而P2加工，对具有部分特征图形的半成品工件进行二次加工，需要对准过程。

图10示意了CAD/CAM数据处理模块软件流程图，以CAD图形输入文件解析601开始，依次经过数据规范化602、基本图元分解603、区域划分604、轨迹生成与优化605、工艺参数设置606，最后执行NC文件保存607。其中，CAD图形输入文件解析601模块，负责解析CAD文件中的图元；数据规范化602模块，检查所有图元坐标，求取边界矩形，然后以左下角为零点，重新计算图元坐标；基本图元分解603，是考虑到振镜控制系统5通常仅支持线段插补和圆弧插补指令，因而对于复杂图元(如多义线、椭圆、NURBS样条曲线等)需要先将其分解为线段和圆弧基本图元集合，尤其是对于椭圆、NURBS样条等参数化曲线，需要利用逼近算法来处理；区域划分604模块，是考虑到振镜扫描区域的局限性(一般为50mm×50mm)，基本图元有可能跨越相邻振镜扫描网格单元边界，因而需要对线段和圆弧基本图元集合作进一步的分解处理。这里有两种技术方法可以完成此处理：(a)、设定相邻扫描网格重叠量δ(3mm≤δ≤8mm)，对所有的线段和圆弧进行离散化操作得到微线段(最大长度为δ)/微圆弧(最大弧长为δ)集合，然后对微线段/微圆弧集合进行振镜扫描网格单元归属判定，最后在每个网格单元内合并共线段、共圆弧。(b)、直接利用振镜扫描网格矩形对线段/圆弧进行裁减，基于计算机图形学中的Cohen-Sutherland线段裁减算法和有关圆弧裁减算法，依次获得各振镜扫描网格单元的基本图元集合；轨迹生成与优化605，对于每个网格单元的图元集合，依据有关遍历算法进行加工路径规划，以期获得足够平滑的加工效果和加工效率；工艺参数设置606，用以设置激光器、振镜系统的工作参数和相关工艺控制参数；NC文件保存607，用以保存以上处理结果，可供下次直接加载使用。

设有CAD图形输入文件，如图11所示，其中F1、F2、F3、F4为视觉对位标记，分布于对位基准图层L1上，图形特征21分布于图层L2上，图形特征22分布于图层L3上，实际图形特征可能由更多图层组成。在P1工序，激光加工机需要加工出F1、F2、F3、F4视觉对位标记和图形特征21；在P2工序，利用图像采集装置8，依次采集P1工序形成的F1、F2、F3、F4视觉对位标记图像，利用视觉匹配模块9获得对位标记实际坐标，然后利用坐标变换计算模块7计算工件的偏转、变形量，然后加工出图形特征22。原工件坐标集合{(u，v)|u≥0，v≥0}经过CAD/CAM数据处理后，将得到多个振镜扫描网格单元B[i，j]，其中每个单元都包含有坐标受限的图元集合{(u_s，v_s)||u_s|≤0.5A，|v_s|≤0.5A}。

即使足够精密的上片机构也无法保证完全相同的上片位置，在真空机械手将工件框架28连同工件2放置到真空吸附承片台1，且经过微型导杆气缸19推动工件框架28靠紧至圆柱定位销27时，总会存在一定的一致性误差，图12示意了这种片间重复定位误差。本发明所述的机械定位方案，容易将重复定位精度控制在0.5mm范围之内。

通过“人工示教”过程，视觉匹配模块9将“学习”、存储模板的位置和几何特征两项信息。本发明提供的模板匹配算法基于几何特征匹配，故选择具备显著几何特征的图像作为模板，图15示意了本发明所使用的典型对位标记--中心对称梅花孔。几何特征匹配算法，相对于规一化相关性灰度匹配算法，更具鲁棒性，在照明光源强度变化、图像污染等环境干扰条件下也能获得相当高的识别率和准确度。

图16示意了视觉匹配模块9的软件流程图，其中时活跃着两个工作线程，即图像采集线程92和运动控制线程94，二者之间通过共享内存区93的一些全局标志变量、事件对象完成时序、动作上的协调配合。

以下将详细阐述坐标变换计算模块7的内部机理，我们先考虑P2工序过程，在此基础上阐述P1工序过程。先考虑单相机视觉系统，且激光加工中心与相机中心非共轴的情形，相对于共轴、多相机情形，它更为简单、更易于实现。

先定义几个笛卡尔坐标系，即工件坐标系、振镜扫描坐标系、XY工作台编程坐标系、相机坐标系，其空间坐标依次记为(u，v)、(x_s，y_s)、(x_t，y_t)、(x_p，y_p)，它们均以地球坐标系为参考，属于“静系”，承片台“动系”跟随真空吸附承片台1一起运动，其空间坐标记为(x_d，y_d)，以上几个坐标系坐标轴均互相平行。需要说明的是，振镜坐标(x_s，y_s)和相机坐标(x_p，y_p)均具有局域性，超出特定的矩形限定范围将是无意义的，因为物理上不可实现。设有|x_s|≤25、|y_s|≤25、|x_p|≤0.96和|y_p|≤0.72，即振镜扫描范围为50mm×50mm，相机视场(FOV，Field of View)大小为1.92mm×1.44mm。

设当XY工作台运动至编程坐标位置(TX0，TY0)时，承片台动系中心(为承片台上某一虚拟参考点或真实参考点)与振镜扫描坐标系中心重合，以下将会看到：在P2二次上片对位加工时，(TX0，TY0)为一个中间变量；在P1加工时，(TX0，TY0)意义为可以单独设置的工作零点坐标。设(cam_xoffset，cam_yoffset)为相机坐标系中心相对于振镜扫描坐标系中心的偏移，这对偏移量容易由试验获得。设所有获得的坐标(x_p，y_p)已经过相机标定，单位为mm，与其它坐标相同。则有下述关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s=x_t-\mathrm{TX}0+x_d\\ y_s=y_t-\mathrm{TY}0+y_d\end{array}---\left(1\right)\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s=x_p+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset}\\ y_s=y_p+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset}\end{array}---\left(2\right)\right.$

P2加工时，不能仅考虑二次上片机械定位平移、旋转误差，因流片过程中工件通常存在一定的收缩变形量，否则将可能会使加工完成后的部分图形特征错位而影响成品率。为此，我们将二次上片后，工件坐标(u，v)和承片台动系坐标(x_d，y_d)建模为如下仿射映射关系(齐次坐标形式)：

$\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ y_d\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]---\left(\text{3}\right)$

由式(1)、式(2)、式(3)，令b₁₃＝a₁₃-TX0-cam_xoffset，b₂₃＝a₂₃-TY0-cam_yoffset可得：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_p-x_t=a_{11}u+a_{12}v+b_{13}\\ y_p-y_t=a_{21}u+a_{22}v+b_{23}\end{array}---\left(4\right)\right.$

记仿射变换矩阵

则有下述映射关系：

$\left[\begin{array}{c}{x}_p-x_t\\ y_p-y_t\\ 1\end{array}\right]=H\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

仿射变换矩阵H，含有6个未知参数，已包含有平移、缩放、旋转、剪切和反射五种基本变换，它能够较好地表征工件自身变形误差和刚体定位偏转量两项信息。为方便起见，称数据基准点坐标(u，v)和相应的通过视觉匹配模块9所采集获取的坐标(x_p-x_t，y_p-y_t)为一对匹配控制点。依据式(5)，利用三对不共线的匹配控制点，恰可以求得a₁₁、a₁₂、a₁₃、a₂₁、a₂₂、a₂₃、b₁₃和b₂₃。同时可以看到，变量a₁₃与TX0、a₂₃与TY0耦合在一起，因为无法获知中间变量TX0、TY0，从而也无法分离出a₁₃、a₂₃，但这无关紧要。在工件仅有均质变形(即两个坐标轴方向缩放变形量相同)、切变可以忽略不计时，此时仿射变换满足a₁₁＝a₂₂和a₁₂＝-a₂₁两个约束(参数形如

s为缩放分量，

为旋转分量)，因而仅需要两对匹配控制点，即可求得仿射变换矩阵H。另外，为减小噪声影响，可以利用三对以上匹配控制点，基于最小二乘法，求得仿射变换参数的优化估计值。定义如下误差评价函数：

$J=J(a_{11},a_{12},b_{13},a_{21},a_{22},b_{23})$

$=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{((a_{11}{u}_i+a_{12}{v}_i+b_{13}-(x_{\mathrm{pi}}-x_{\mathrm{ti}}))}^2+(a_{12}{u}_i+a_{22}{v}_i+b_{23}-{(y_{\mathrm{pi}}-y_{\mathrm{ti}}))}^2)$

J取极小值时，此时各偏导数为零。令

就得到6个方程，写成矩阵形式有：

$\left[\begin{array}{cccccc}\mathrm{\Σ}{u}_i^2& \mathrm{\Σ}{u}_i{v}_i& \mathrm{\Σ}{u}_i& 0& 0& 0\\ \mathrm{\Σ}{u}_i{v}_i& \mathrm{\Σ}{v}_i^2& \mathrm{\Σ}{v}_i& 0& 0& 0\\ \mathrm{\Σ}{u}_i& \mathrm{\Σ}{v}_i& \mathrm{\Σ}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \mathrm{\Σ}{u}_i^2& \mathrm{\Σ}{u}_i{v}_i& \mathrm{\Σ}{u}_i\\ 0& 0& 0& \mathrm{\Σ}{u}_i{v}_i& \mathrm{\Σ}{v}_i^2& \mathrm{\Σ}{v}_i\\ 0& 0& 0& \mathrm{\Σ}{u}_i& \mathrm{\Σ}{v}_i& \mathrm{\Σ}1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_{11}\\ a_{12}\\ b_{13}\\ a_{21}\\ a_{22}\\ b_{23}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{u}_i(x_{\mathrm{pi}}-x_{\mathrm{ti}})\\ \mathrm{\Σ}{v}_i(x_{\mathrm{pi}}-x_{\mathrm{ti}})\\ \mathrm{\Σ}(x_{\mathrm{pi}}-x_{\mathrm{ti}})\\ \mathrm{\Σ}{u}_i(y_{\mathrm{pi}}-y_{\mathrm{ti}})\\ \mathrm{\Σ}{v}_i(y_{\mathrm{pi}}-y_{\mathrm{ti}})\\ \mathrm{\Σ}(y_{\mathrm{pi}}-y_{\mathrm{ti}})\end{array}\right]---\left(6\right)$

求解式(6)，即可求得6各待定参数的最佳估计。这些匹配控制点最好对称分布，若使用两点对位，可取如图11中所示的对角线方向两个基准点F1、F2；若使用四点对位，则可以取如图11中所示的图形大小四个角点位置F1、F2、F3、F4；若使用五点对位，可以在图形中心增设一个新对位基准点F5，当然也可以使用更多的对位基准点。

由式(2)、式(4)，即可得到工件坐标系空间坐标(u，v)到加工平面空间坐标(x_s-x_t，y_s-y_t)的映射关系：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s-x_t=a_{11}u+a_{12}v+b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset}\\ y_s-y_t=a_{21}u+a_{22}v+b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset}\end{array}---\left(7\right)\right.$

式(7)表明，在确保振镜扫描加工坐标(x_s，y_s)局域性的前提下，第一工作台和第二工作台可以统一协调控制，也可以单独控制。本发明所提供的实施例，采用单独控制，即用振镜控制系统5控制第一工作台，用XYZ工作台控制系统11控制第二工作台。

如图11所示，设D_u、D_v为区域划分604模块的数据分块矩形大小。令非负整数

其中，

为向下取整运算符，不同的m、n组合对应于不同的振镜扫描网格单元，令振镜扫描网格单元数据坐标u_s＝u-(0.5+m)D_u，v_s＝v-(0.5+n)D_v，不难看出

则有：

u＝u_s+(0.5+m)D_u，v＝v_s+(0.5+n)D_v    ---(8)

将式(8)带入式(7)，有：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s-x_t=a_{11}{u}_s+a_{12}{v}_s+b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset}+a_{11}(0.5+m)D_u+a_{12}(0.5+n)D_v\\ y_s-y_t=a_{21}{u}_s+a_{22}{v}_s+b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset}+a_{21}(0.5+m)D_u+a_{22}(0.5+n)D_v\end{array}\right.---\left(9\right)$

由柯西不等式可知，

${(a_{11}{u}_s+a_{12}{v}_2)}^2\≤\left(a_{11}^2{+a}_{12}^2\right)(u_s^2+v_s^2)\≤\frac{1}{4}(a_{11}^2+a_{12}^2)(D_u^2+D_v^2)---\left(10\right)$

当且仅当a₁₁v_s＝a₁₂u_s(即工件摆放位置与振镜坐标系成一定角度)时第一个等号成立，当且仅当输入坐标(u_s，v_s)处于数据分块矩形四个角点时第二个等号成立，同理有

$|a_{21}{u}_s+a_{22}{v}_s|\≤\frac{1}{2}\sqrt{(D_u^2+D_v^2)}\sqrt{(a_{21}^2+a_{22}^2)}\text{.}$

一般地，因为工件收缩、切变两种形变非常小，有

上面已提及，振镜坐标(x_s，y_s)具有局域性，超出特定的正方形限定范围A_max(典型值为70mm×70mm正方形)，第一工作台将变为物理上不可实现系统。设振镜校正范围为边长为A(典型值为50mm)的正方形区域，一般有A＜A_max，在此正方形区域内，振镜扫描能够保证加工精度。若在数据分块过程中，取则有

和在此振镜扫描局域性约束条件下，加工平面空间坐标(x_s-x_t，y_s-y_t)可依式(11)分解为第一工作台坐标(x_s，y_s)和第二工作台坐标(x_t，y_t)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s=a_{11}{u}_s+a_{12}{v}_s\\ y_s=a_{21}{u}_s+a_{22}{v}_s\\ x_t=-(b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset}+a_{11}(0.5+m)D_u+a_{12}(0.5+n)D_v)\\ y_t=-(b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset}+a_{21}(0.5+m)D_u+a_{22}(0.5+n)D_v)\end{array}\right.---\left(11\right)$

式(11)表明，整个加工是由第一工作台坐标(x_s，y_s)和第二工作台坐标(x_t，y_t)协调配合完成的，是一种“拼接”加工。在P2加工情形，每次上片后，无需对原来的工件坐标(u，v)重新进行区域划分计算，对于每个振镜扫描网格单元B[m，n]，只需将XY工作台定位至(-(b₁₃+cam_xoffset+a₁₁(0.5+m)D_u+a₁₂(0.5+n)D_v)，-(b₂₃+cam_yoffset+a₂₁(0.5+m)D_u+a₂₂(0.5+n)D_v))，且对网格单元数据坐标(u_s，v_s)施加变换执行加工，即可将P2加工后的图形特征位置误差控制在理想精度范围内。这种坐标变换处理方法，也使得所述第二工作台无需额外配置旋转向直驱电机，也能处理工件机械定位有旋转误差情形，从而降低机器构造成本。振镜扫描网格单元数据坐标(u_s，v_s)和振镜实际加工坐标(x_s，y_s)的变换关系，如图13所示意。本发明所述的上片机械定位方案，容易确保仿射变换旋转分量控制在±10°范围内，式(10)的第一个等号不可能成立，此时在数据分块操作时，仅需将数据分块网格矩形大小设为稍小于振镜校正范围即可，即D_u＝D_v＝A-ε，足可以确保式(11)有意义的前提条件(

)成立。

式(11)可以推广应用至初次上片P1加工情形，此时可以令a₁₁＝a₂₂＝1，a₁₂＝a₂₁＝0，即仿射变换矩阵H仅包含平移变换。为了将CAD数据图案加工于工件的不同位置，可以滑动坐标(TX0-a₁₃，TY0-a₂₃)，这可以通过固定系统工作零点参数TX0、TY0，滑动零点偏移参数a₁₃、a₂₃来实现。参数TX0、TY0可以单独设置，并可以通过人工观测与激光加工中心同轴的导引激光位置，确定最佳取值。在没有导引激光的情况下，参数TX0、TY0最佳设置可以通过加工试验确定。

需要说明的是，以上推导过程，同样适用于共轴、多相机情形，所不同的是：共轴情形下，相机偏置(cam_xoffset，cam_yoffset)取值为(0，0)；多相机情形下，将有多组相机偏置(cam1_xoffset，cam1_yoffset)、(cam2_xoffset，cam2_yoffset)……，坐标变换计算模块7将需要跟踪当前相机编号，以确保某帧图像是由相对应的相机采集得到的。

另外，特别地，对于具备双工作台驱动结构而第一工作台保持于加工中心不运动或采取更为简化的设计(仅存在第二工作台，省掉了第一工作台)的固定光路加工情形，由式(7)，令振镜扫描坐标(x_s，y_s)为(0，0)，即可得到工件坐标系空间坐标(u，v)到第二工作台坐标(x_t，y_t)的映射关系：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_t=-(a_{11}u+a_{12}v+b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset})\\ y_t=-(a_{21}u+a_{22}v+b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset})\end{array}\right.---\left(12\right)$

式(12)也同时适用于P1加工和P2加工情形：P1加工时，可以令a₁₁＝a₂₂＝1，a₁₂＝a₂₁＝0，即仿射变换矩阵H仅包含平移变换。为了将CAD数据图案加工于工件的不同位置，可以滑动坐标(TX0-a₁₃，TY0-a₂₃)，这可以通过固定系统工作零点参数TX0、TY0，滑动零点偏移参数a₁₃、a₂₃来实现；P2加工时，同样可以利用两点对位、三点对位、四点对位、五点对位或更多基准点对位方式进行匹配控制点数据的采集，然后基于式(5)求得仿射变换矩阵H所包含的6个待定参数。

本发明实施例所阐述的CAD/CAM数据处理、坐标变换计算和视觉匹配等核心软件算法，能够使所述激光加工系统集钻孔、划片、划线和切割等多功能于一体，CAD数据直接驱动，可完成无缝拼接加工，排版、拼版加工和二次对位加工。

HTCC(高温共烧陶瓷)制程工艺与LTCC制程工艺比较，除生瓷片厚度(HTCC生瓷片典型厚度为0.2mm～0.4mm)和烧结温度不同外，工艺流程基本相同。本发明所述的装置及其加工方法，尤为适合在大规模LTCC/HTCC制程工艺生产线上应用，其有效性在实际应用中得到了验证。

采用双工作台驱动结构，其中所述第一工作台惯量小、加减速极快，用以保证获得高加工效率；所述第二工作台用以辅助第一工作台以完成大幅面数据图案的“拼接”加工。同时，第一工作台可以利用第二工作台和图像采集装置8，进行在线振镜校正。

本加工方法，可包括CAD/CAM数据处理、坐标变换计算和视觉匹配三个关键软件模块。所述的CAD/CAM数据处理模块，流程包括CAD图形输入文件解析、数据规范化、基本图元分解、区域划分、轨迹生成与优化、工艺参数设置和NC文件保存等几大步骤。

所述的区域划分过程，以数据规范化后的工件坐标(u，v)作为输入，依下述数学式求得各振镜扫描网格单元数据坐标(u_s，v_s)。

其中，D_u、D_v为区域划分模块的数据分块网格矩形大小，

为向下取整运算符，不同的m、n组合对应于不同的振镜扫描网格单元，不难看到 $\left|u_s\right|\≤\frac{1}{2}{D}_u,$ $\left|v_s\right|\≤\frac{1}{2}{D}_v.$

所述的方法，第一工作台各振镜扫描网格单元数据坐标，到第一工作台加工坐标(x_s，y_s)和第二工作台加工坐标(x_t，y_t)的映射关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s-x_t=a_{11}{u}_s+a_{12}{v}_s+b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset}+a_{11}(0.5+m)D_u+a_{12}(0.5+n)D_v\\ y_s-y_t=a_{21}{u}_s+a_{22}{v}_s+b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset}+a_{21}(0.5+m)D_u+a_{22}(0.5+n)D_v\end{array}\right.$

在确保振镜扫描加工坐标(x_s，y_s)局域性的前提下，第一工作台和第二工作台可以统一协调控制，也可以单独控制。

所述的方法，在

(A为正方形区域振镜校正范围边长)区域划分条件下，振镜扫描局域性约束条件得以严格保证，即

可以利用下述数学式计算第一工作台加工坐标(x_s，y_s)和第二工作台加工坐标(x_t，y_t)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s=a_{11}{u}_s+a_{12}{v}_s\\ y_s=a_{21}{u}_s+a_{22}{v}_s\\ x_t=-(b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset}+a_{11}(0.5+m)D_u+a_{12}(0.5+n)D_v)\\ y_t=-(b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset}+a_{21}(0.5+m)D_u+a_{22}(0.5+n)D_v)\end{array}\right.$

其中(cam_xoffset，cam_yoffset)为相机坐标系中心相对于振镜扫描坐标系中心的偏移。整个加工过程是由第一工作台坐标(x_s，y_s)和第二工作台坐标(x_t，y_t)协调配合完成的，是一种“拼接”加工。

所述的方法，在P1加工情形，可以令a₁₁＝a₂₂＝1，a₁₂＝a₂₁＝0，即仿射变换矩阵H仅包含平移变换。为了将CAD数据图案加工于工件的不同位置，可以滑动坐标(TX0-a₁₃，TY0-a₂₃)，这可以通过在固定系统工作零点参数TX0、TY0设置的条件下，滑动零点偏移参数a₁₃、a₂₃来实现。

所述的加工方法，在P2加工情形，需要先基于图像采集装置和视觉匹配模块进行匹配控制点数据采集，然后基于下述数学式求取仿射模型中的6个待定参数估计。

$\left[\begin{array}{c}{x}_p-x_t\\ y_p-y_t\\ 1\end{array}\right]=H\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]$

其中(x_p，y_p)为基准对位标记图像在相机坐标系中的坐标。

采用三点(非共线)对位方式采集三对匹配控制点，恰可以求得6个待定参数估计；在工件仅有均质变形(即两个坐标轴方向缩放变形量相同)、切变可以忽略不计时，有a₁₁＝a₂₂和a₁₂＝-a₂₁两个约束条件，因此可以采取两点对位方式求得待定参数；也可以采用四点对位、五点对位或更多基准点对位方式，基于最小二乘法获得优化的参数估计，从而减小数据噪声的影响。

每次上片后，无需对原来的工件坐标(u，v)重新进行区域划分计算，对于每个振镜扫描网格单元B[m，n]，只需将XY工作台定位至(-(b₁₃+cam_xoffset+a₁₁(0.5+m)D_u+a₁₂(0.5+n)D_v)，-(b₂₃+cam_yoffset+a₂₁(0.5+m)D_u+a₂₂(0.5+n)D_v))，且对网格单元数据坐标(u_s，v_s)施加变换执行加工，即可将P2加工后的图形特征位置误差控制在理想精度范围内。

所述的加工方法，可以扩展至固定光路加工情形，即第一工作台保持于加工中心不运动或采取更为简化的设计(仅存在第二工作台，省掉了第一工作台)情形。此时，令振镜扫描坐标(x_s，y_s)为(0，0)，即可得到工件坐标空间坐标(u，v)到加工坐标空间(即第二工作台坐标(x_t，y_t))的映射关系：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_t=-(a_{11}u+a_{12}v+b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset})\\ y_t=-(a_{21}u+a_{22}v+b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset})\end{array}\right.$

所述的加工方法，可以扩展至振镜扫描中心与相机中心共轴、多相机图像采集情形。共轴情形下，相机偏置(cam_xoffset，cam_yoffset)取值为(0，0)；多相机情形下，将有多组相机偏置(cam1_xoffset，cam1_yoffset)、(cam2_xoffset，cam2_yoffset)……，坐标变换计算模块将需要跟踪当前相机编号，以确保某帧图像是由相对应的相机采集得到的。

该加工方法，考虑了工件的缩放、切变形变和定位平移、旋转误差，基于统一的仿射变换模型处理非对位和对位加工两种情形，从而将CAD数据图案转移至工件并使得加工后的图形特征位置误差控制在理想精度范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双工作台驱动激光加工机，其特征在于具有以下机械结构：第一工作台、第二工作台、激光束传递装置(LBDS)、真空吸附承片台和图像采集装置；

第一工作台，即二维扫描振镜组件(3)，其结构具有：第一反射镜(31)、第二反射镜(32)，它和远心f-θ透镜(33)和支撑框架(34)；

第二工作台，即XYZ三维工作台；

激光束传递装置(LBDS)(4)，由激光器(41)、激光束扩束镜(42)和其它光学转向镜组成，它和振镜组件(3)通过光学耦合方式物理连接；

真空吸附承片台(1)，安装于Y向工作台(102)上，跟随XY工作台(10)在水平面内移动，用以完成工件(2)的定位和吸附；工件(2)位于振镜组件(3)的远心f-θ透镜(33)的下方；

图像采集装置(8)，具有CMOS图像传感器(81)、2X放大物镜(82)和LED环形照明光源(83)；

振镜组件(3)和图像采集装置(8)均装在Z向工作台(103)上。

2.根据权利要求1所述的双工作台驱动激光加工机，其特征在于所述的XYZ三维工作台具有十字叠装式XY工作台(10)及其上面的Z向工作台(103)；十字叠装式XY工作台(10)即两维导轨式工作台，设有丝杠导轨结构，利用永磁同步电机(PMSM)驱动、丝杠传动、滑动导轨导向完成旋转运动到直线运动的转换，并通过两条开放式光栅尺(119)进行位置测量和构成全闭环定位控制。

3.根据权利要求1或2所述的双工作台驱动激光加工机，其特征在于所述的真空吸附承片台具有承片台基座(12)、承片台基板(13)和承片台外框(14)，承片台外框中间为蜂窝板(16)，蜂窝板的真空腔通过弹簧软管与吸尘器连接，工件(2)通过胶带(29)粘接在工件框架(28)上，真空吸附机械手放置于蜂窝板上，并设有微型导杆气缸(19)、固定板(17)、夹紧板(18)和圆柱定位销(27)组成的气动卡具工件机械定位机构。

4.根据权利要求1、2或3所述的双工作台驱动激光加工机的加工方法，其特征在于分为P1非对位加工或P2对位加工两种情形，两种情形可以基于统一的仿射变换模型，将工件坐标空间映射到加工坐标空间，即第一工作台加工坐标(x_s，y_s)和第二工作台加工坐标(x_t，y_t)，从而将CAD数据图案转移至工件，使加工后的图形特征位置误差控制在理想精度范围内；所述的仿射变换模型，可用一个仿射变换矩阵表示，待定参数a₁₁、a₁₂、a₁₃、a₂₁、b₁₃和b₂₃除表征了刚体定位平移、旋转分量信息外，还建模了工件自身缩放、切变两种变形误差信息；工件坐标经过CAD/CAM数据处理模块(6)处理后得到的第一工作台各振镜扫描网格单元数据坐标(u_s，v_s)，到第一工作台加工坐标(x_s，y_s)和第二工作台加工坐标(x_t，y_t)的映射关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s-x_t=a_{11}{u}_s+a_{12}{v}_s+b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset}+a_{11}(0.5+m)D_u+a_{12}(0.5+n)D_v\\ y_s-y_t=a_{21}{u}_s+a_{22}{v}_s+b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset}+a_{21}(0.5+m)D_u+a_{22}(0.5+n)D_v\end{array}\right.$

在确保振镜扫描加工坐标(x_s，y_s)局域性的前提条件下，第一工作台和第二工作台可以统一协调控制，也可以单独控制。

5.根据权利要求4所述的双工作台驱动激光加工机的加工方法，其特征在于所述的P1非对位加工情形下，仿射变换矩阵H仅包含平移变换，即a₁₁＝a₂₂＝1，a₁₂＝a₂₁＝0，通过在固定系统工作零点参数TX0、TY0设置的条件下，滑动零点偏移参数a₁₃、a₂₃，可以实现将CAD数据图案加工于工件的不同位置。

6.根据权利要求4所述的双工作台驱动激光加工机的加工方法，其特征在于所述的P2对位加工情形下，每次上片后，无需对原来的工件坐标(u，v)重新进行区域划分(604)计算，对于每个振镜扫描网格单元B[m，n]，只需将XY工作台(10)定位至坐标(-(b₁₃+cam_xoffset+a₁₁(0.5+m)D_u+a₁₂(0.5+n)D_v)，-(b₂₃+cam_yoffset+a₂₁(0.5+m)D_u+a₂₂(0.5+n)D_v))，且对网格单元数据坐标(u_s，v_s)施加变换

后执行振镜扫描加工，即可将P2加工后的图形特征位置误差控制在理想精度范围内；这种坐标变换处理方法，也使得所述第二工作台无需额外配置旋转向直驱电机，也能处理工件机械定位有旋转误差情形，从而降低机器构造成本；

所述的待定参数计算方法，需要先基于图像采集装置(8)和视觉匹配模块(9)进行匹配控制点数据采集，然后基于下述数学式求取仿射模型中的6个待定参数估计；

[x_p-x_t y_p-y_t 1]^T＝H[u v 1]^T

其中，(x_p，y_p)为基准对位标记图像在相机坐标系中的坐标；

采用三点(非共线)对位方式采集三对匹配控制点，恰可以求得6个待定参数估计；在工件仅有均质变形(即两个坐标轴方向缩放变形量相同)、切变可以忽略不计时，有a₁₁＝a₂₂和a₁₂＝-a₂₁两个约束条件，因此可以采取两点对位方式求得待定参数；也可以采用四点对位、五点对位或更多基准点对位方式，基于最小二乘法获得优化的参数估计，从而减小数据噪声的影响。

7.根据权利要求4所述的双工作台驱动激光加工机的加工方法，其特征在于所述的CAD/CAM数据处理模块(6)，其处理流程包括CAD图形输入文件解析(601)、数据规范化(602)、基本图元分解(603)、区域划分(604)、轨迹生成与优化(605)、工艺参数设置(606)和NC文件保存(607)等几大步骤；

所述的区域划分过程，以数据规范化后的工件坐标(u，v)作为输入，依下述数学式求得各振镜扫描网格单元数据坐标(u_s，v_s)；

其中，D_u、D_v为区域划分模块的数据分块网格矩形大小，

为向下取整运算符，不同的m、n组合对应于不同的振镜扫描网格单元，且有局域性条件

成立。

8.根据权利要求4所述的双工作台驱动激光加工机的加工方法，其特征在于所述的振镜扫描加工坐标(x_s，y_s)局域性的条件，可以通过选择数据分块网格矩形大小

(A为正方形区域振镜校正范围的边长)得以严格保证；

此时，可以利用下述数学式计算第一工作台加工坐标(x_s，y_s)和第二工作台加工坐标(x_t，y_t)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s=a_{11}{u}_s+a_{12}{v}_s\\ y_s=a_{21}{u}_s+a_{22}{v}_s\\ x_t=-(b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset}+a_{11}(0.5+m)D_u+a_{12}(0.5+n)D_v)\\ y_t=-(b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset}+a_{21}(0.5+m)D_u+a_{22}(0.5+n)D_v)\end{array}\right.$

其中，(cam_xoffset，cam_yoffset)为相机坐标系中心相对于振镜扫描坐标系中心的偏移；由下述不等式，可以得知振镜扫描坐标局限于边长为A的正方形区域；

$|(a_{11}{u}_s+a_{12}{v}_s)|\≤\sqrt{(a_{11}^2+a_{12}^2)(u_s^2+v_s^2)}\≤\frac{1}{2}\sqrt{(a_{11}^2+a_{12}^2)(D_u^2+D_v^2)}\≈\frac{1}{2}A,$

$|(a_{21}{u}_s+a_{22}{v}_s)|\≤\sqrt{(a_{21}^2+a_{22}^2)(u_s^2+v_s^2)}\≤\frac{1}{2}\sqrt{(a_{21}^2+a_{22}^2)(D_u^2+D_v^2)}\≈\frac{1}{2}A.$

9.根据权利要求4所述的双工作台驱动激光加工机的加工方法，其特征在于所述的仿射变换模型可以扩展至固定光路加工情形，即第一工作台保持于加工中心不运动或采取更为简化的设计(仅存在第二工作台，省掉了第一工作台)的情形；

此时，令振镜扫描坐标(x_s，y_s)为(0，0)，即可得到工件坐标空间坐标(u，v)到加工坐标空间(即第二工作台坐标(x_t，y_t))的映射关系：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_t=-(a_{11}u+a_{12}v+b_{13}+\mathrm{cam}\_\mathrm{xoffset})\\ y_t=-(a_{21}u+a_{22}v+b_{23}+\mathrm{cam}\_\mathrm{yoffset})\end{array}.\right.$

10.根据权利要求4所述的双工作台驱动激光加工机的加工方法，其特征在于所述的视觉匹配模块(9)的匹配算法精度，与所述图像采集装置中物镜(82)的放大倍率相关，放大倍数越大，像素分辨率就越高，计算也越精确；然而，放大倍率越大时，视场也越小，基准对位标记图像跳出图像视场的概率也越大，因而需要基于机械定位精度选择物镜放大倍率。

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