CN102056711A - 修改与圆形刀具动作相关联的进入角度以改善部件机器加工的生产量 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种用于控制轨迹的设备，刀具定位器系统沿所述轨迹移动刀具以用于在组件中机器加工多个相同类型的特征，所述设备包括：第一刀具轨迹，其具有当所述刀具开始机器加工第一特征时的时间处的进入速度及当所述刀具完成所述第一特征的机器加工时的时间处的退出速度。第二刀具轨迹具有当所述刀具开始机器加工第二特征时的时间处的进入速度及当所述刀具完成所述第二特征的机器加工时的时间处的退出速度。所述第二刀具轨迹的所述进入及退出速度不同于所述第一刀具轨迹的相应进入及退出速度。本发明还教示用于控制轨迹的方法。

Description

修改与圆形刀具动作相关联的进入角度以改善部件机器加工的生产量

相关申请案交叉参考

本申请案请求对2008年6月16日提出申请的第61/061,692号美国临时申请案的权益。

技术领域

本发明一般来说涉及并入有圆形刀具动作的部件机器加工。

背景技术

在机器加工操作期间，期望最小化与刀具相对于工件从一个机器加工的特征到下一机器加工的特征的移动相关联的非处理(所谓的“死”)时间。根据标准方法，最小化与此类移动相关联的总工件移动“长度”。

发明内容

本文中所教示的实施例包括减少与刀具相对于工件从一个机器加工的特征到下一机器加工的特征的移动相关联的死时间的设备及方法。根据一个实例，描述一种用于控制轨迹的设备，刀具定位器系统相对于组件沿所述轨迹移动刀具，以用于在所述组件中机器加工多个相同类型的特征。第一刀具轨迹具有当刀具开始机器加工第一特征时的时间处的进入速度及当刀具完成所述第一特征的机器加工时的时间处的退出速度。第二刀具轨迹具有当刀具开始机器加工第二特征时的时间处的进入速度及当刀具完成所述第二特征的机器加工时的时间处的退出速度。所述第二刀具轨迹的进入及退出速度不同于所述第一刀具轨迹的相应进入及退出速度。

根据另一实例，描述一种使用刀具在组件中机器加工圆形特征的方法。所述方法包括在每一特征基础上修改与机器加工圆形特征相关联的刀具轨迹以实现以下各项中的至少一者：减少总的特征到特征移动时间及减少与个别特征到特征移动相关联的加速度命令的振幅。

下文中相对于图式描述这些实施例及其它实施例的细节及变化形式。

附图说明

本文中的说明是参照附图，其中在数个视图中相同的参考编号指代相同的部件，且其中：

图1是刀具定位器系统的实例的经简化图示性图表；

图2是对应于0度的进入角度的第一刀具轨迹的计算机模拟；

图3是对应于90度的进入角度的第二刀具轨迹的计算机模拟；

图4是对应于180度的进入角度的第三刀具轨迹的计算机模拟；

图5是对应于270度的进入角度的第四刀具轨迹的计算机模拟；

图6是随时间图解说明使用具有90度的进入角度的相同刀具轨迹对两行孔的钻凿的图表；

图7是图解说明用于图6的钻凿的刀具定位器的x轴运动的加速度命令的图表；

图8是随时间图解说明使用具有90度及270度的相应进入角度的交替刀具轨迹对两行孔的钻凿的图表；

图9是图解说明用于图8的钻凿的刀具定位器的x轴运动的加速度命令的图表；

图10是比较标准刀具轨迹方法对本文中的教示的图表；

图11是随时间图解说明使用两者均具有90度的进入角度的反向环钻刀具轨迹对两行孔的钻凿的图表。

具体实施方式

图1中所示的刀具定位器系统的实例为激光处理系统110，其利用装备有晶片卡盘组合件140的混合光束定位系统，其可用于微结构及其它特征(例如，半导体工件13(例如，印刷电路板)中的盲孔及/通孔)的紫外激光烧蚀图案化。所显示的激光系统110包括以预定波长及空间模式外形提供一个或一个以上激光脉冲的激光输出116的激光器114。

可使激光输出116穿过各种熟知的扩展及/或准直光学器件118，沿光学路径120传播且经光束定位系统130引导以撞击工件13上的激光目标位置134上的激光系统输出脉冲132。光束定位系统130可包括平移台定位器，所述平移台定位器可采用支撑(举例来说)X、Y及/或Z定位反射镜242及244的至少两个横向台136及138。光束定位系统130可准许在相同或不同工件13上的目标位置134之间的快速移动。

台136及138可相对于工件13沿轨迹移动光束定位系统130，以用于在工件13中形成特征。如图1的实例中所示，平移台定位器为分裂轴系统，其中通常由线性电动机沿轨146移动的Y台136支撑并移动工件13，且通常由线性电动机沿轨148移动的X台138支撑并移动快速定位器150，快速定位器150又支撑可沿所图解说明的Z轴自由移动的聚焦透镜(根据数种已知方法)。

仍参照图1，定位反射镜(未显示)安装于快速定位器150的外壳内以沿所图解说明的Z轴引导光学路径120穿过聚焦透镜到达激光目标位置134。X台138与Y台136之间的Z尺寸也是可调整的。定位反射镜242及244经由激光器114与快速定位器150之间的任何转弯对准光学路径120，快速定位器150沿光学路径120定位。快速定位器150可(举例来说)采用高分辨率线性电动机或一对电流计式反射镜，其可基于所提供的测试或设计数据实行唯一或重复的处理操作。台136及138以及定位器150可独立地控制及移动或经协调以响应于面板化或非面板化数据(panelized orunpanelized data)而一起移动。因此，在激光处理系统110(例如，图1中所示的实例)中，总移动长度可(但未必)包括两个台136及138的移动长度。

快速定位器150也可包括可与工件13的表面上的一个或一个以上基准对准的视觉系统。光束定位系统130可采用经由物镜透镜工作或与单独相机离轴的视觉或光束对准系统。

任选激光功率控制器152(例如，半波板偏光器)可沿光学路径120定位。另外，一个或一个以上光束检测装置154(例如，光电二极管)可在激光功率控制器152的下游，例如与经调试以对激光输出116的波长部分地透射的定位反射镜244对准。光束检测装置154优选地与光束诊断电子器件通信，所述光束诊断电子器件传送信号以修改激光功率控制器152的作用。

工件13由卡盘组合件140支撑，卡盘组合件140包括真空卡盘基底142、卡盘顶部144及任选板149。板149易于连接到台136、138中的至少一者及与其解啮合。基底142可替代地经调试以直接固定到台136或138。

光束定位系统130相对于工件13沿轨迹的移动可由控制器18控制，控制器18可包括处理器、存储器及存储于所述存储器上的软件。所述软件可包括一个或一个以上刀具路径文件编码轨迹，控制器18可沿所述轨迹控制平移定位系统以相对于工件13移动光束定位系统130。所述一个或一个以上轨迹可以共用文件格式存储于所述存储器上。

刀具定位器系统可以是(作为实例)来自俄勒冈州波特兰的电子科学工业有限公司(Electro Scientific Industries，Inc.of Portland，OR)且作为型号5330、5530、5650及5800销售的激光微机器加工系统。此外，虽然所图解说明的刀具定位系统包括光束定位系统130作为可相对于组件(此处为工件13)沿轨迹移动的刀具，但应理解，可使用其它刀具定位系统。在其中工件13保持静止的系统中，举例来说，总移动长度可等于光束定位系统130的移动长度。

用于最小化与刀具移动(例如，在图1中所示的实例中光束定位系统130相对于工件13的移动)相关联的死时间的标准方法是最小化与从一个机器加工的特征到下一机器加工的特征的刀具移动相关联的总移动长度。当与每一特征的机器加工相关联的刀具动作仅需要保持光束定位系统130及其它刀具静止同时机器加工特定特征时，此方法工作良好。在此类情况下，所有特征到特征移动是简单的点到点移动，其需要零初始及最后刀具速度，且总移动长度是用于优化的合适度量，因为其将与总移动时间大致成比例。

此外，标准行业惯例针对给定应用使特定刀具动作与特定特征类型相关联。在标准行业惯例下，通过使刀具相对于工件13遵循相同的确切轨迹来机器加工每一给定应用中相同类型(例如，相同大小及形状)的所有特征。使刀具遵循确切相同的轨迹又将产生相对于工件13使用相同的进入及退出刀具速度向量，以用于机器加工属于相同类型的所有特征。

发明者已意外地发现，当刀具动作要求刀具相对于工件13以非零刀具速度遵循某一轨迹时，也就是说，当存在非零“进入”及退出刀具速度时，可通过改善刀具速度向量与特征到特征轨迹的对准来减少在特征到特征刀具移动期间所花费的非处理时间(与标准方法相比)。

更具体来说，典型的部件机器加工应用需要在工件13上的不同位置处将与特征的形成相关联的刀具动作重复多次，例如在面板上的所需位置处钻凿某一直径的孔。此类特征可具有圆形几何形状(例如，PCB或环形环中的盲孔及通孔)。当呈现此类圆形几何形状时，进一步预期刀具将在工件13上遵循与待处理的特征的几何形状一致的大致圆形路径。此类刀具轨迹的实例包括钻孔、圆形及螺旋。将与特征的形成相关联的刀具动作重复多次要求刀具在刀具轨迹的开始及结束处实现良好界定的非零工作表面速度(即，相对于工件13的速度)。

部件机器加工应用中的进一步惯例是针对相同类型的所有特征预界定刀具轨迹。因此，惯例是，相同类型的所有特征将要求刀具相对于工件13实现相同的进入及退出速度向量，而不管所述特征位于工件13上何处或处理所述特征的序列。

然而，相同类型的所有特征由刀具遵循相同的轨迹来处理的要求不必要地具有限制性且可能产生次最佳系统性能(关于在特征到特征移动期间所花费的非处理时间)。在不受限于理论的情况下，相信具有圆形几何形状的特征对于刀具轨迹中的旋转及方向改变本质上不起变化。相应地，可在每一特征基础上修改与刀具轨迹相关联的进入及退出角度，例如每一特征的位置或其相对于其它特征的位置(甚至针对相同类型的特征)。可利用此新自由度来使与特定特征的处理相关联的进入及退出刀具速度向量分别与将刀具从前一特征带到所述特征的移动及将刀具带离所述特征而去往下一特征的移动大致对准。换句话说，与特定特征的处理相关联的刀具的进入速度向量可与将刀具从前一特征带到所述特征的移动大致对准。类似地，与特定特征的处理相关联的刀具的退出速度向量可与将刀具带离所述特征而去往下一特征的移动大致对准。

由于当刀具开始及完成每一特征的处理时将(因此)正沿“正确的”方向移动，因此此种布置可大致减小或消除在特征到特征移动期间对耗时的刀具加速度段的需要，此又将减少在此类移动期间所花费的时间且因此增加总体系统生产量。

这些教示的应用最初图解说明于图2到图7中。

图2到图5分别显示对应于不同预界定进入角度(0度、90度、180度及270度)的四个不同环钻刀具轨迹20、22、24及26。轨迹20、22、24及26界定特征17，特征17在机器加工的完成后形成且与在激光微机器加工系统中当前可用的环钻轨迹相关联，所述激光微机器加工系统来自俄勒冈州波特兰的电子科学工业有限公司且作为型号5330、5530及5650销售。所图解说明的轨迹20、22、24及26仅通过实例显示且不限制本文中的教示的应用。

注意，图2到图5中所示的轨迹20、22、24及26为“等效”轨迹。也就是说，其全部可通过旋转基本轨迹或取基本轨迹的镜像而从单个“基本”轨迹导出。举例来说，在图2到图5中所示的四个不同轨迹中，图2的0度进入轨迹20可被视为基本轨迹。然而，图3到图5的剩余三个轨迹22、24及26全部为基本轨迹20的等效轨迹，在于可通过将基本轨迹20旋转预定量(例如，分别旋转90度、180度及270度，如图2到图4中所示)或任意量来获得等效轨迹22、24及26。轨迹20、22、24及26形成一组预界定等效轨迹。刀具可由控制器18控制以在相对于工件13移动轨迹20、22、24及26中的任一者时操作，以形成相同的特征。

图6显示包括刀具轨迹22及与针对每一特征17使用相同的环钻刀具轨迹22(进入角度＝90度)而对两行特征17进行钻凿相关联的特征到特征运动轨迹28a及28b的过程序列。特征到特征运动轨迹28a为如图6中所示刀具相对于工件13在底部行中的刀具轨迹22之间行进的轨迹，且特征到特征运动轨迹28b为如图6中所示刀具相对于工件13在顶部行中的刀具轨迹22之间行进的轨迹。特征17布置成阵列且以蛇形图案处理，以便沿如图所示的第一+x方向处理所述底部行，且然后沿第二且相反的-x方向处理所述顶部行。

如在图6中可见，明显的是，针对两行维持相同的环钻刀具轨迹22在处理所述顶部行时产生刀具轨迹22与特征到特征运动轨迹28b的进入及退出速度之间的不对准。此不对准产生在处理第二行(及任何随后的偶数编号的行)中的特征17之前及之后反转刀具的方向而花费的时间。

与图6中所示的处理相关联的问题通过参考图7清楚可见，图7显示图6的情景的光束定位系统130的x轴运动的加速度命令30。在此图中明显的是，当处理图6的第二(顶部)行中的特征17时，光束定位系统130加速度存在大的峰值32。必需这些峰值32来针对每一特征17“反转”光束定位系统130的退出速度，因此影响随后的特征到特征移动28b。

图8显示用于机器加工特征17的所提议方法的实例。如图6，图8还显示用于以与图6中相同的特征17图案来机器加工下部行特征17的刀具轨迹22及特征到特征运动轨迹28a。然而，刀具轨迹26及特征到特征运动轨迹28d用于机器加工上部行特征17。也就是说，在图8中，与第一行中的那些特征17相比，第二顶部行中的特征17与不同的刀具轨迹26相关联。在具有多于两行的特征阵列中，第一及任何随后的偶数编号的行可被视为第一种类的特征17。当机器加工第一种类中的特征17时，光束定位系统130继续遵循具有90度的进入角度的刀具轨迹22，其匹配特征到特征运动轨迹28a的+x方向。然而，第二及任何随后的偶数编号的行可被视为在第二种类中，且光束定位系统130可遵循具有270度的进入角度的刀具轨迹26，以大致匹配特征到特征运动轨迹28c的-x方向。图8与图6的比较显示，当处理顶部行的特征17时不再需要反转光束定位系统130的方向。此外，可基于(作为额外实例)特征17所位于的列来将特征17分类为若干种类。

图9确认此结果。即，图9显示图8的情景的光束定位系统130的x-轴运动的位置及加速度命令36。将图9与图7比较，清楚的是，通过改变刀具轨迹26的进入角度而消除加速度命令36中的尖锐加速度峰值32。

这些改变的益处在图10中可见，图10在针对所有特征17使用固定刀具轨迹22的标准方法(如图6及图7中所示)与图8的通过将基础轨迹从刀具轨迹22旋转到所图解说明的实例中的刀具轨迹26而针对不同种类的特征17(例如，不同行中的特征17)使用不同的刀具轨迹22及26的所提议方法之间比较光束定位系统130的激光活动。旋转用于机器加工不同特征17的基础轨迹可使刀具进入/退出速度与总体特征到特征运动轨迹(例如，图8中所示的轨迹28a及28c)大致对准。

光束定位系统130使用标准方法的激光活动由线38a及38b指示，以分别用于机器加工底部及顶部行特征17，如图6中所示，而使用所提议方法的激光活动由线40a及40b指示，以分别用于机器加工底部及顶部行特征17，如图8中所示。如从图10的图表的线38a与40a的比较可见，当用任一方法处理第一行特征17时，激光活动同步。然而，在线41所指示的时间处处理第一行特征17之后，当以任一方法处理第二行特征17时激光活动不同步，如可从线38a与40b的比较可见。而是，当使用标准方法处理第二行特征17时，与所提议的方法相比，需要额外时间来在特征17之间移动。此额外时间由图10中所示的时间节省42指示。当(举例来说)时间节省42最大化时，刀具的进入及退出速度可与特征到特征运动轨迹28a及28c最佳地对准。

从图10很清楚，除消除快速加速度峰值32以外，所提议的方法还已实现总的特征到特征移动时间的实质减少。

所提议的方法的另一实例图解说明于图11中，参照图6及图8中所示的相同特征17图案对其予以描述。然而，如图8中的发明性方法，图11的方法可与不同的特征17图案一同使用。类似于图6及图8，图11显示刀具第一轨迹区段，包括用于机器加工下部行特征17的轨迹22及特征到特征运动轨迹28a。然而，包括刀具轨迹22’及特征到特征运动轨迹28e的第二轨迹区段可用于机器加工上部行特征17。刀具轨迹22’为刀具轨迹22的反向轨迹，而特征到特征运动轨迹28e为特征到特征运动轨迹28a的反向轨迹。也就是说，与当机器加工底部行特征17时的末端执行器的轨迹相比，当机器加工图11中所示的顶部行特征17时的刀具或末端执行器的轨迹在形状上相同但在方向上相反。在此情况下，轨迹22可被视为基础轨迹，因为其它轨迹(例如，轨迹22’)具有相同形状。与图6中所图解说明的标准方法相比，图11的所提议的方法可实现特征到特征移动时间的实质减少且可消除快速加速度峰值。

已成功测试及观察到此文档中所开发的想法能在由电子科学工业有限公司(Electro Scientific Industries)识别为型号5800的双头激光微机器加工系统中产生特征到特征移动时间的实质改善。举例来说，对于114行×33列的图案(总共3762个孔)来说，标准方法使用90度的单个进入角度的移动时间(也就是说，非处理时间)为约12.25秒。当(例如)通过针对从左到右的行(也就是说，从顶部开始的奇数编号的行)使用90度的进入角度且针对从右到左的行(也就是说，偶数编号的行)使用270度的进入角度来修改刀具轨迹(例如，从用以处理一个特征17的第一轨迹变为用以处理相同特征17的另一轨迹)时，移动时间减少到仅6.81秒。对于每一种情况，激光光束刀具轨迹在孔的中心处包含2兆秒的停顿(即，打孔时间)及150毫米/秒的螺旋操作。

所提议的方法减少与末端执行器轨迹中的快速方向反转相关联的加速度峰值且产生总的特征到特征移动时间的实质减少，两者均将改善总体系统性能。

已描述上文所描述的实施例，以便允许容易地理解本发明，而非限制本发明。相反，本发明打算涵盖各种修改及等效布置，其包括在所附权利要求书的范围内，所述范围与最广义的解释一致，以便在法律的许可下囊括所有此类修改及等效结构。

Claims (14)

1.一种用于控制轨迹的设备，刀具定位器系统相对于组件沿所述轨迹移动刀具以用于在组件中机器加工多个相同类型的特征，所述设备包含：

第一刀具轨迹，其包括当所述刀具开始机器加工第一特征时的时间处的进入速度及当所述刀具完成所述第一特征的机器加工时的时间处的退出速度；及

第二刀具轨迹，其包括当所述刀具开始机器加工第二特征时的时间处的进入速度及当所述刀具完成所述第二特征的机器加工时的时间处的退出速度，

其中所述第二刀具轨迹的所述进入及退出速度不同于所述第一刀具轨迹的相应进入及退出速度。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二刀具轨迹为旋转的所述第一刀具轨迹及反转的所述第一刀具轨迹中的至少一者。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述特征包括第一种类的特征及第二种类的特征，且其中所述设备进一步包含：

在所述第一种类中的所述特征中的两者之间沿第一方向延伸的第一特征到特征轨迹；及

在所述第二种类中的所述特征中的两者之间沿不同于所述第一方向的第二方向延伸的第二特征到特征轨迹。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一刀具轨迹的所述进入及退出速度与所述第一方向大致对准，且其中所述第二刀具轨迹的所述进入及退出速度与所述第二方向大致对准。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一种类特征及第二种类特征布置成交替行及交替列中的一者，且其中所述第二方向与所述第一方向相反。

6.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一刀具轨迹用以机器加工所述第一种类中的特征且所述第二刀具轨迹用以机器加工所述第二种类中的特征。

7.一种使用刀具在组件中机器加工圆形特征的方法，其包含：

在每一特征基础上修改与所述圆形特征的机器加工相关联的刀具轨迹以实现以下各项中的至少一者：减少总的特征到特征移动时间及减少与个别特征到特征移动相关联的加速度命令的振幅。

8.根据权利要求9所述的方法，其中修改所述刀具轨迹包含：

针对每一特征从一组预界定等效轨迹中选择相应刀具轨迹。

9.根据权利要求8所述的方法，其中针对每一特征从所述组预界定轨迹中选择所述相应刀具轨迹包含：

针对相应特征按以下方式选择所述相应刀具轨迹：将针对所述相应特征的进入及退出速度向量分别与在过程序列中将所述刀具从先前特征带到所述相应特征的特征到特征移动及在所述过程序列中将所述刀具带离所述相应特征而去往下一特征的特征到特征移动最佳地对准。

10.根据权利要求7所述的方法，其中修改所述刀具轨迹包含：

将基础刀具轨迹旋转任意角度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中将所述基础刀具轨迹旋转任意角度包含：

针对相应特征按以下方式旋转所述基础刀具轨迹：将针对所述相应特征的进入及退出速度向量分别与在过程序列中将所述刀具从先前特征带到所述相应特征的特征到特征移动及在所述过程序列中将所述刀具带离所述相应特征而去往下一特征的特征到特征移动最佳地对准。

12.根据权利要求10所述的方法，其中将所述基础刀具轨迹旋转任意角度包含：

将所述基础刀具轨迹旋转90度、180度及270度中的一者。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述基础刀具轨迹为环钻刀具轨迹。

14.根据权利要求7所述的方法，其中修改所述刀具轨迹包含：

反转与基础刀具轨迹相关联的运动方向。

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