CN104870140B - 材料加工低惯性激光扫描端部执行器操纵装置 - Google Patents

材料加工低惯性激光扫描端部执行器操纵装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种设备，所述设备包括具有静止的基部的机器人操纵器和由所述机器人操纵器致动的端部执行器，其中所述端部执行器与工件相邻。扫描激光头部单元包括激光器和光学组件，所述光学组件被构造成用于在所述工件上移动激光束。控制单元被构造成用于移动所述机器人操纵器，使得所述端部执行器的移动跟踪所述激光束的移动。

Description

材料加工低惯性激光扫描端部执行器操纵装置
相关专利申请的交叉引用
本申请要求提交于2012年12月20日的美国临时专利申请61/740,340的权益，所述专利申请的公开内容的全文以引用方式并入本文。
背景技术
激光可用于多种工业制造工艺，包括(例如)切割、钻孔、加工和划刻。为在非扫描(悬空式光学)激光工艺中移动激光束，激光光学件相对于被加工的工件移动，并且激光束相对于工件的取向保持不变。相比之下，扫描激光工艺利用操纵技术将所需的激光光点轨线描绘(扫描)到工件上。在扫描工艺中，激光束离去角使用相对于被加工的工件保持固定的光学组件来加以改变。在扫描工艺中，激光束的取向为光束的光点轨线的随时间变化的函数。
发明内容
一般来讲，本发明涉及一种用于结合扫描激光系统实现高度动态局部工件加工的方法和设备。所述设备利用低惯性机器人机构来驱动低质量局部端部执行器，所述端部执行器在工件上跟踪扫描的激光输出。用于机器人机构的致动器(例如，重型马达)保持静止，从而只需要端部执行器和机器人操纵器在工件上移动并且跟踪激光束。此构造产生最小系统惯性，从而使端部执行器对高度动态扫描光束的精确跟踪成为可能。这些低惯性扫描系统提供具有足够的加速度和速度的局部工件加工，使得对工艺吞吐量的影响最小化。工件因此可以高速度激光转换同时保持产品品质。
在一个实施例中，本发明涉及一种设备，所述设备包括：机器人操纵器，所述机器人操纵器具有静止的基部；端部执行器，所述端部执行器由所述机器人操纵器致动，其中所述端部执行器与工件相邻；扫描激光头部单元，所述扫描激光头部单元包括激光器和光学组件，所述光学组件被构造成用于在所述工件上移动激光束；和控制单元，所述控制单元被构造成用于移动所述机器人操纵器，使得所述端部执行器的移动跟踪所述激光束的移动。
在另一个实施例中，本发明涉及一种系统，所述系统包括选自三角式机器人(delta robot)和缆线悬挂式机器人的机器人操纵器，其中所述机器人操纵器包括静止的基部。端部执行器附接到所述机器人操纵器，其中所述端部执行器与工件的样本区域相邻，并且其中所述端部执行器选自以下中的至少一者：碎片管理设备、光学元件、传感器、辐射发射器和材料分配器。端部执行器供应系统连接到所述端部执行器；和相对于所述工件固定的扫描激光头部单元，其中所述激光扫描单元包括激光器和检流计扫描仪，所述检流计扫描仪被构造成用于将激光束移动至所述工件的所述样本区域中的位置。所述系统还包括控制单元，所述控制单元被构造成用于将所述机器人操纵器移动到距所述工件的所述样本区域中的所述激光束的所述位置±5毫米的距离内。所述控制单元包括轨线生成模块，所述轨线生成模块基于激光轨线和参数生成供激光控制模块控制所述激光束的功率信号、供激光头部单元控制模块控制所述扫描激光头部单元的轨线数据和供机器人操纵器控制模块致动所述机器人操纵器的机器人位置数据。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于碎片管理的方法，所述方法包括：在材料幅材之上安装扫描激光头部单元，其中所述扫描激光头部单元包括激光器和检流计扫描仪，所述检流计扫描仪被构造成用于在所述材料的表面上移动激光束；在所述幅材上安装选自三角式机器人和缆线悬挂式机器人的机器人操纵器；其中所述机器人操纵器已附接有碎片管理设备；以及移动所述机器人操纵器和碎片管理喷嘴以跟踪所述激光束并且从所述表面移除碎片。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于在制造材料时实时加工所述材料的样本区域的方法，所述方法包括：在所述材料上方定位扫描激光头部单元，其中所述扫描激光头部单元包括检流计扫描仪，所述检流计扫描仪被构造成用于在所述材料的所述样本区域上移动激光束；邻近所述材料的所述样本区域定位机器人操纵器，其中所述机器人操纵器连接到位于所述样本区域上的端部执行器；以及控制所述机器人操纵器和所述端部执行器，以在±5毫米的距离内跟踪所述样本区域中的所述激光束的移动。
在另一个实施例中，本发明涉及一种在线计算机化系统，所述在线计算机化系统用于在制造幅材材料时从所述幅材材料移除碎片。所述系统包括：机器人操纵器，所述机器人操纵器选自三角式机器人和缆线悬挂式机器人；碎片管理喷嘴，所述碎片管理喷嘴附接到所述机器人操纵器，其中所述喷嘴与所述幅材材料的样本区域相邻；供应源，所述供应源连接到所述碎片管理喷嘴，其中所述供应源提供真空和压缩空气中的至少一者；扫描激光头部单元，所述扫描激光头部单元包括激光器和检流计扫描仪；和控制单元，所述控制单元与远程计算机通信，并且被构造成用于移动所述机器人操纵器，使得所述端部执行器的移动跟踪所述样本区域中的所述激光束的移动。
在另一个实施例中，本发明涉及一种包括指令的计算机可读存储介质，所述指令在被执行时使得计算装置的一个或多个处理器：通过在所述处理器上执行的软件程序来接收包括相对于工件表面的坐标的激光轨线数据，并且其中所述软件程序将位置数据变换成：(a)表示检流计扫描仪中的至少一个反射镜的位置的旋转位置数据，其中所述扫描仪相对于表面是固定的，并且其中所述扫描仪被构造成用于在所述表面上移动激光束；和(b)位置数据，所述位置数据用于驱动附接到端部执行器的机器人操纵器并且使得所述端部执行器跟踪所述激光束在所述表面上的移动。
本发明的一个或多个实施例的细节在附图和以下具体实施方式中说明。通过具体实施方式和附图以及权利要求书，本发明的其他特征、目标和优点将显而易见。
附图说明
图1为非扫描激光加工系统的示意图。
图2为扫描激光加工系统的示意性透视图，其包括激光头部单元中的检流计扫描仪的放大内部视图。
图3为具有三角式机器人操纵器的扫描激光加工系统的示意性透视图，其包括激光头部单元中的检流计扫描仪的放大内部视图。
图4为适用于与本文中图3和图5中的扫描激光加工系统一起使用的端部执行器的示意性剖视图。
图5为具有缆线悬挂式机器人操纵器的扫描激光加工系统的示意性透视图，其包括激光头部单元中的检流计扫描仪的放大内部视图。
图6为适用于与图5的扫描激光加工系统一起使用的缆线控制机构的透视图。
图7为适用于控制图5的缆线悬挂式扫描激光加工系统的操作的控制单元的流程图。
图8为实例中的机器人操纵器的激光光点的位置和端部执行器的位置与时间的关系的曲线图。沿着x轴和y轴的端部执行器位置分别由实线和虚线表示，并且沿着x轴和y轴的激光光点位置分别由点划线和点线表示。
图9为端部执行器和激光光点位置之间的相对位置误差的曲线图，其中相对x误差和y误差分别由虚线和点划线表示。实线绘示系统沿着轨线的长度的总相对误差的向量范数(平方和的平方根)。
在这些附图中，类似的符号表示类似的元件。
具体实施方式
参见图1，悬空式光学(非扫描)激光加工系统10包括固定和平坦的工作台12，所述工作台安装至稳定的表面，例如地板。工件14依靠在工作台12上或沿着方向A移动跨越工作台12。刚性龙门状机构15安装在工作台12上，所述刚性龙门状机构包括横杆20，所述横杆在平行导轨构件16,18内沿着方向A和方向B移动。激光头部单元22沿着横杆20沿方向C和方向D移动。激光束由激光器(未示出)通过光学组件24沿着导轨构件16,18递送至激光头部单元22。由于由激光头部单元22递送的光束的取向为固定的，故平行导轨构件16,18应能够在相对大的距离上快速移动横杆20和/或激光头部单元22。平行导轨构件16,18和横杆20应为刚性的以在工件14上迅速和精确移动激光头部单元22，并因此为庞大的并且在质量上与工作台12的尺寸和要加工的工件14的面积成比例。必须克服龙门机构15和激光头部单元22的部件的显著惯性以使激光束加速和/或改变激光束的方向。在非扫描激光系统10的设计中，经常出现的情况是，激光头部单元22和工件14彼此相对靠近，从而限制系统10的可能最终用途。
在非扫描系统10中，靠近工件14上的激光光点添加加工功能相对简单，因为激光头部单元22和工件14可定位靠近在一起。例如，为管理在激光切割之后从工件14释放的碎片，激光头部单元22可包括喷嘴28，所述喷嘴附接到真空系统或压缩空气源。然而，另外的加工设备(例如喷嘴28)也增加激光头部单元22的质量，从而进一步限制使激光束加速和/或改变激光束的方向的能力。
图2中的扫描激光系统30包括固定和平坦的工件处理表面32，所述工件处理表面固定安装至稳定的表面，例如地板。工件34依靠在表面32上或沿着方向A移动跨越表面32。激光头部单元36可相对于工作台32和工件34固定，或可为活动的。激光束38由激光器(图2中未示出)递送至激光头部单元36，并且横贯形成检流计扫描单元41的一部分的小反射镜42,44的布置。检流计扫描单元41可包括任意数量的反射镜42,44以及特定应用所需要的聚焦光学件，并且图2所示的布置仅为可使用的一种设计的实例。检流计扫描单元41中的反射镜42,44经由轴50,52附接到马达46,48。反射镜42由马达46旋转经过角度θ1，并且反射镜44由马达48旋转经过角度θ2。反射镜42,44的移动围绕工件34操纵受操纵的激光束40。由于反射镜42,44体积小且重量轻，故必须克服相对较小的惯性以迅速和精确移动这些部件以调控受操纵的激光束40，并且受操纵的光束40可被迅速加速并精确设置在工件34上的加工区域55中。
在扫描激光加工系统30中，激光头部单元36和工件34之间的工作距离与图1的非扫描系统10中的激光头部单元22和工件14之间的工作距离相比相对较大。
虽然扫描激光加工系统(例如图2中的装置30)具有多个期望的特性(高动态性能、增加的工作距离和大的加工区域)，但可能难以在加工区域55中执行另外的加工功能。例如，扫描系统30上的碎片管理可包括流体供应装置60，所述流体供应装置用于递送空气或水以将射出的粒子从加工区域55移动至真空系统62中，从而使射出的粒子不沉降在工件34上且不干扰激光传输。这些全局加工方法的有效性受限于激光头部单元36和工件34之间的大的工作距离，所述大的工作距离最终使任何由激光加工而引起的污染物沉降在加工部件上和/或沾污加工部件的可能性更大。
本发明所述的扫描激光系统使得通过低惯性端部执行器跟踪由工件远侧的激光头部单元操纵的激光束成为可能，所述低惯性端部执行器被选择用于在工件的加工区域的局部(近侧)执行另外的加工功能。由激光扫描系统提供的至加工区域的高度动态光束递送(结合使用低惯性端部执行器在加工区域中的局部加工能力)对需要快速和精确工件加工并对加工速度具有最小影响时可为重要的。例如，跟踪扫描激光束的低惯性喷嘴可在激光器围绕工件移动时将空气或真空递送至加工区域。此局部碎片管理可通过激光器更有效地移除从工件释放的粒子，从而可提高敏感产品(例如显示面板、光学薄膜、磁带等等)的品质。
图3示出了扫描激光材料加工系统100的实施例，所述扫描激光材料加工系统包括固定和平坦的工件处理表面102，所述工件处理表面固定安装至稳定的表面，例如地板。工件104依靠在工件处理表面102上或沿着方向A移动跨越工件处理表面102。激光头部单元106可相对于工件处理表面102和工件104是固定的，或可为活动的。激光束108由激光器(未示出)递送至激光头部单元106。
检流计扫描单元141包括可被移动以操纵激光束108的机动化反射镜的布置。检流计扫描单元141可包括任意数量的反射镜以及特定应用所需要的聚焦光学件，并且图3中示意性地示出的布置仅为可使用的一种设计的实例。检流计扫描单元141中的反射镜142,144经由轴150,152附接到马达146，148。反射镜142由马达146旋转经过角度θ1，并且反射镜144由马达148旋转经过角度θ2。反射镜142,144的移动因此可用于围绕工件104引导受操纵的激光束110。由于反射镜142,144体积小且重量轻，故必须克服相对较小的惯性以迅速和精确移动这些部件以操纵激光束110，并且受操纵的光束110可被迅速加速并精确设置在工件104上的加工区域155中。
系统100还包括通过机器人操纵器170相对于工件104移动的端部执行器160。在此实施例中，机器人操纵器为三角式机器人，所述三角式机器人包括三个轴线并且可适于相对于工件104沿x方向、y方向和z方向中的任何方向移动端部执行器160，使得端部执行器160具有完整的三个自由度。
在图3的实施例中，机器人操纵器170包括静止的基部172和上臂174的布置，所述上臂各自具有附接到位于静止的基部172上的柔性接头173的第一端部174A。上臂174各自具有附接到弯管接头176的第二端部174B，所述弯管接头又连接到下臂178的第一端部178A。下臂178中的每个下臂的第二端部178B连接到端部执行器160。
随着受操纵的激光束110围绕工件104上的加工区域155移动，并且通过切割、钻孔、划刻、加工等等来加工工件104，端部执行器160在预定相隔距离d内跟踪其中激光束入射于工件104上的位置156。预定相隔距离d可根据端部执行器160的预期应用广泛地变化，但在一些实施例中，端部执行器160始终在激光光点156的约±100毫米(mm)的相隔距离d内。在其它实施例中，d在激光光点156的±5mm内，或在激光光点156的±0.1mm内。
端部执行器160可根据位于与激光光点156相邻的区域中的预期加工应用广泛地变化。端部执行器160可选自任何类型的装置，所述装置具有足够低的质量，使得机器人操纵器170可快速移动端部执行器160以在所需加工区域155上以特定应用所需要的相隔距离(例如，上文所提到的±100mm)跟踪工件104上的激光光点156。例如，可由端部执行器160触及的加工区域155通常为约50mm×50mm至约500mm×500mm(其中碎片在250mm×250mm至500mm×500mm的范围内变得更成问题)，但也可具有多种其它尺寸。端部执行器160应具有足够低的质量，使得端部执行器160可由机器人操纵器170以最高至每秒150m/s的速率加速。端部执行器160通常在加工区域155内以约1m/s至约5m/s的速度移动，所述速度非常适用于制造设置中的转换操作。
端部执行器160可任选地连接到通至源182的适当柔性缆线、管子、光纤、导线或它们的组合180。源182可选自(例如)以下中的任何或全部：真空泵、加压流体(例如空气、惰性气体或水)源、固体反应物(比如用于在工件表面上烧结的粉末合金混合物)源、可与制造工件的材料起反应的液体化学品(或工件表面上的另一种化学品)源、或辐射源(诸如用于引起工件表面上的化学反应(例如，固化)的紫外线(UV))。
例如，在适用于碎片管理的实施例中，图4的端部执行器160为喷嘴，所述喷嘴经由柔性管子180(图3)连接到源182，所述源包括真空182A和加压流体182B，诸如空气、惰性气体或水。在此实施例中，激光束110加工工件表面104A并且产生包括粒子和烟雾185的碎片羽状物。粒子和烟雾185可改变靠近表面104A的激光束110的传输，潜在地引起燃烧，并且对加工产品的品质带来不利影响。为了基本上连续从表面104A移除粒子和烟雾185，端部执行器160包括流体供应喷嘴部分190，所述流体供应喷嘴部分将加压流体从流体供应源182B引导到表面104A上。加压流体从流体供应喷嘴部分190的移动会从表面104A释放粒子和烟雾185。释放的粒子和烟雾185然后夹带在来自真空源182A的真空流中并且经由真空喷嘴192的布置从表面104A移除。
如上所述，除了上文在图4中所述的具体碎片管理实施例以外，端部执行器160还可选自(例如)光学元件(例如相机或其它透镜系统)、用于在加工期间检测工件的传感器、辐射发射器、固体或液体材料分配器、以及它们的组合。本文所述的端部执行器特别适用于工件的激光转换，并且可有利地用于受限空间，例如移动幅材线和一般在线加工。然而，本文所述的低质量、高速度端部执行器可用于可受益于高速局部运动(包括主动局部运动(切割、加热、吸尘等)、或被动局部运动(目视检查、工艺监测等)、或两者的组合)的任何应用。
图5为扫描激光材料加工系统200的另一个实施例的示意图，所述系统包括固定的和平坦的工件处理表面202，所述工件处理表面固定安装至稳定的表面，例如地板。工件204依靠在工件处理表面202上或沿着方向A移动跨越工件处理表面202。激光头部单元206可相对于工件处理表面202和工件204是固定的，或可为活动的。激光束208由激光器(未示出)递送至激光头部单元206。
检流计扫描单元241包括可被移动以操纵激光束208的机动化反射镜的布置。检流计扫描单元241可包括任意数量的反射镜以及特定应用所需要的聚焦光学件，并且图5中示意性地示出的布置仅为可使用的一种设计的实例。检流计扫描单元241中的反射镜242,244经由轴250,252附接到马达246,248。反射镜242由马达246旋转经过角度θ1，并且反射镜244由马达248旋转经过角度θ2。反射镜242,244的移动因此可用于围绕工件204引导受操纵的激光束210。由于反射镜242,244体积小且重量轻，故必须克服相对较小的惯性以迅速和精确移动这些部件以引导受操纵的激光束210，并且受操纵的光束210可被迅速加速并精确设置在工件204上的加工区域255中。
系统200还包括通过机器人操纵器270相对于工件204移动的端部执行器260。在此实施例中，机器人操纵器270为通过多个张紧缆线272调控的缆线机器人。通过改变缆线272中的相对张力，可精确控制端部执行器260的位置、速度和加速度以跟踪工件204上的激光束光点256。机器人操纵器270的缆线悬挂形态使机器人操纵器270的惯性进一步减低为仅为悬挂缆线272和致动器内部零件(未示出)的惯性，以使得机器人操纵器270具有低于图3的机器人操纵器170的惯性。缆线机器人270可包括任意数量的缆线272，并且在图5的实例中包括四根缆线并为端部执行器260的移动提供三个自由度。使用七根缆线272，机器人270可具有最多至六个自由度并且可适于相对于工件204沿x方向、y方向和z方向中的任何方向(并旋转地)移动端部执行器260。
在图5的实施例中，缆线272各自包括附接到端部执行器260的第一端部272A和附接到缆线控制机构275的第二端部272B。图6示出了用于单根缆线272的缆线控制机构275的实例。控制缆线272的张力和有效长度的缆线控制机构包括具有输出轴的马达276，所述输出轴上安装有绞盘转筒278。绞盘转筒278接合缆线272的第二端部272B。在穿过张力负荷传感器284并且围绕引导滑轮286之后，缆线272的第一端部272A连接到端部执行器260。
使用此设计，端部执行器260不与工件204接触，而是经由通过缆线控制机构275保持在缆线272中的张力悬挂在加工区域255上。因作用于端部执行器260上的重力而引起的缆线272的任何下垂可任选地通过将端部执行器260连接到柔性管子280来减轻和/或消除，所述柔性管子又连接到压缩气体(例如空气)的源282。端部执行器然后可使用离开端部执行器260的压缩气体作为空气轴承以使端部执行器260保持在加工区域255上。
随着受操纵的激光束210围绕工件204上的加工区域255移动，并且通过切割、钻孔、划刻、加工等等来加工工件204，端部执行器260在预定相隔距离d内跟踪其中激光束入射于工件204上的位置256。预定相隔距离d可根据端部执行器260的预期应用广泛地变化，但在一些实施例中，端部执行器260始终在激光光点256的约±100毫米(mm)的相隔距离d内。在其它实施例中，d在激光光点256的±5mm内，或在激光光点256的±0.1mm内。
端部执行器260可根据预期应用广泛地变化，并且可选自任何类型的装置，所述装置具有足够低的质量，使得机器人操纵器270可快速移动端部执行器260以在所需加工区域255上以特定应用所需要的相隔距离(例如，上文所提到的±100mm)跟踪工件204上的激光光点256。例如，可由端部执行器260使用缆线悬挂式机器人270触及的加工区域255通常为约50mm×50mm至500mm×500mm，但也可具有多种其它尺寸。端部执行器260应具有足够低的质量，使得由机器人操纵器270以最高至每秒200m/s(重力G的20倍)的速率加速的端部执行器260可达到至少约5m/s的速度。
端部执行器260可任选地连接到通至源282的柔性缆线、管材、光纤、导线或它们的组合280。源282可选自(例如)以下中的任何或全部：真空泵、加压流体(例如空气、惰性气体或水)源、固体反应物(比如用于在工件表面上烧结的粉末合金混合物)源、可与制造工件的材料起反应的液体化学品(或工件表面上的另一种化学品)源、或辐射源(诸如用于引起工件表面上的化学反应(例如，固化)的紫外线(UV))。
除了上文在图4中所述的具体碎片管理实施例以外，端部执行器260还可选自(例如)光学元件(例如相机或其它透镜系统)、用于在加工期间检测工件的传感器、辐射发射器、固体或液体材料分配器、以及它们的组合。本文所述的端部执行器260特别适用于工件的激光转换，并且可有利地用于受限空间，例如移动幅材线和一般在线加工。然而，低质量、高速度端部执行器可用于可受益于高速局部运动(包括主动局部运动(切割、加热、吸尘等)、或被动局部运动(目视检查、加工监测等)、或两者的组合)的任何应用。
图7为示出包括处理器的控制单元300的实施例的示意性流程图，所述处理器被构造成用于使得端部执行器360跟踪激光束310在工件304的表面上的移动(还可参见图5-6)。为了控制激光束310相对于工件304的移动，操作者首先将激光轨线数据连同轨线参数301以工件304上、上方或下方的位置处的工件坐标的形式输入到控制单元300中。控制单元300包括轨线生成模块302，所述轨线生成模块基于激光轨线和参数301生成用于激光控制模块303的功率信号、用于激光头部单元控制模块304的轨线数据、以及用于机器人操纵器控制模块306的机器人位置数据。
激光控制模块303将激光控制信号提供至激光控制器307以为激光器309供电。激光头部单元控制模块304将激光头部单元控制信号提供至激光头部单元控制器308作为用于检流计341中的反射镜阵列的旋转位置数据，所述激光头部单元控制器又控制由激光器309发射的受操纵的激光束310相对于工件304的轨线。
由机器人操纵器控制模块306提供的机器人位置数据包括(例如)用于绞盘转筒的角位置数据和用于机器人操纵器的缆线的张力数据(图5-6)。机器人操纵器控制模块306启动缆线机构375以控制张力测力传感器384和缆线372的布置。例如，在一些实施例中，机器人位置数据可被提供至缆线机构375作为与绞盘转筒角度(且因此有效缆线长度)相对应的旋转数据。这些信号可被转换成基于位置反馈的扭矩数据以输入至相应张力测力传感器384。以上所述致相应缆线中具有恰当的相对张力以将端部执行器360相对于工件304定位在由输入原图和参数301所规定的位置356处。
激光头部单元控制信号和机器人操纵器的控制信号由控制器300中的处理器协调，使得端部执行器360在距其中激光束310入射于工件304上的位置356的预定相隔距离d(图5)内跟踪受操纵的激光束310的移动。
激光头部单元控制信号和机器人操纵器的控制信号可被生成作为由控制单元300的模块中的一个或多个处理器执行的软件指令，所述一个或多个处理器包括一个或多个硬件微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或任何其它等效集成或离散逻辑电路、和这些部件的任意组合。可以将软件指令保存在非瞬时性计算机可读介质中，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、硬盘、CD-ROM、软盘、盒式磁带、磁性介质、光学介质、或其它计算机可读存储介质。
上文所述的加工系统特别适用于在卷对卷制造工艺中转换和加工幅材材料。在此类工艺中，工件为使用扫描激光器以高速度转换的移动材料幅材，并且低惯性端部执行器可用于进一步加工由扫描激光束转换的区域。例如，本文所述的低惯性材料加工系统可适用于可受益于(或需要)通过激光加工的清洁转换的任何此类高通过量工艺。具体地讲，本文的低惯性材料加工系统适用于其中最终产品的光学质量很重要的碎片敏感薄膜产品(例如LCD面板、抗涂鸦薄膜和磁带)的清洁激光转换。
图7的控制器300可位于制造工厂内，或可位于制造工厂外部，或两者的组合，如在中心位置处或在转换部位处。所述部件可在单个计算平台上执行或可集成到同一个软件系统中。
实例
使用如图5所示的2轴激光扫描头和3自由度缆线悬挂式机器人来构造具有低惯性激光扫描和端部执行器运动的材料加工系统。表1提供用于构造下文所述的实例的市售设备列表。
表1
表1中列出的激光扫描头安装有204mm工作距离透镜，从而导致140mm×140mm的场尺寸。缆线悬挂式机器人使用包括在表1中的电子器件、马达和驱动器自定义构建。这四根缆线引导组件(张力测力传感器284和引导滑轮286，图6)与位于1.4米×0.83米矩形的拐角处的引导滑轮286安装成矩形布置，从而导致大约1.2米×0.6米的端部执行器工作空间。
材料加工系统通过图7中概述的方案来控制。控制单元300的部件分布在本地主机PC和表1中列出的嵌入式控制器之间，其中这两者经由以太网连接。激光控制模块303、激光头部单元控制模块304、机器人操纵器控制模块306在本地主机个人计算机(PC)上实施。激光控制器307和激光头部单元控制器308于嵌入式控制器上利用可用FPGA资源实施。
控制器307,308的设定点经由主机PC上的模块303,304,306离线计算。就指定轨线来说，笛卡尔坐标由轨线生成模块302针对激光光点位置356和端部执行器喷嘴360的位置而生成。考虑到所有必要的延迟和偏移，轨线生成模块302还为激光控制模块303提供用于传输至激光控制器307的对应激光控制信号(即，以瓦为单位的激光输出功率)。
检流计341和端部执行器360的笛卡尔坐标然后分别被传递至激光头部单元控制模块304和机器人操纵器控制模块306并且被转换成检流计341和缆线控制器375的本地坐标系。这些本地坐标描述检流计341的反射镜角度和缆线控制器375的绞盘转筒旋转。针对每个设定点，对应最佳张力由机器人操纵器控制模块306基于指定最小缆线张力以及取决于机器人的物理特性和端部执行器360的位置的系统的结构矩阵来计算。我们发现就所述实例的设置和预期动态性能来说15-20N的最小张力值为较佳值。
根据上述本地轨线数据，适当的控制信号由在表1中列出的嵌入式控制器的FPGA上运行的相应控制器307,308,375生成。激光控制器307接收轨线功率数据并且生成对应TTL波形以驱动激光输出。激光头部单元控制器308经由XY2-100扫描仪协议将所计算的检流计反射镜角度发送至检流计扫描仪341；这些信号由9401数字I/O模块生成。缆线控制器375接收最佳张力(作为扭矩)以及所需的绞车角位置，并且使用表1中列出的马达驱动器将适当的扭矩值发送至张力测力传感器384同时将来自马达编码器的反馈考虑在内。所有扭矩命令均由缆线控制器375经由9516驱动器接口模块发送至张力测力传感器384。
所有轨线数据(设定点、激光控制和最佳张力)均以0.5毫秒时间步骤生成，从而导致2kHz更新速率。激光控制器307、检流计控制器308、缆线控制器375以20kHz运行。
所执行的路径由以工作空间原点为中心的40毫米方形组成。路径从原点开始并且沿着x轴线逆向和沿着y轴线正向移动至左上角，然后沿着y轴线逆向移动至左下角，然后沿着x轴线正向移动至右下角，然后沿着y轴线正向移动至右上角，然后沿着x轴线逆向移动回到左上角，然后最终回到原点。由轨线生成模块302生成的轨线加速度限制在每秒150m/s并且被设定成使速度最大化，从而导致分段恒定加速度分布、连续速度分布、和连续可微的位置分布。
至激光头部单元控制器308的输入坐标由激光头部单元控制模块304基于所收集的检流计扫描仪校准数据使用双线性插值生成。
至缆线控制器375的输入由机器人操纵器控制模块306生成。这些计算基于相对缆线长度而进行，所述相对缆线长度由包括缆线机构及其在工作空间内的位置的机械系统的几何形状而产生。
由缆线控制器375提供的坐标由机器人操纵器控制模块306所计算的最佳静张力补充。这些张力基于所提供的最小允许缆线张力连同系统的结构矩阵(其本身取决于端部执行器位置)计算。
端部执行器360具有17克的质量。系统的输出(激光器309和端部执行器360的组合同步运动)使用高速视频捕集来检验。来自校准视频的真实世界笛卡尔坐标示出于图8中，其中沿着x轴线和y轴线的端部执行器360的位置分别由实线和虚线表示；沿着x轴线和y轴线的激光光点位置分别由点划线和点线表示。端部执行器360和激光光点位置356之间的相对位置误差示出于图9中，其中相对x误差和y误差分别由虚线和点划线表示。实线绘示系统沿着轨线的长度的总相对误差(平方和的平方根)。关于此特定设置，我们观察到沿着全部轨线的小于3mm的相对误差。
已经描述了本发明的各种实施例。这些和其他实施例均在所附权利要求书的范围内。

Claims (45)

1.一种设备，包括：
机器人操纵器，所述机器人操纵器包括静止的基部和张紧缆线的布置，所述张紧缆线具有连接到所述静止的基部的第一端部和附接到端部执行器的第二端部，所述端部执行器由所述机器人操纵器致动，其中所述端部执行器与工件相邻；
扫描激光头部单元，所述扫描激光头部单元包括激光器和光学组件，所述光学组件被构造成用于在所述工件上移动激光束，其中所述扫描激光头部单元相对于所述工件是固定的；和
控制单元，所述控制单元被构造成用于移动所述机器人操纵器，使得所述端部执行器的移动跟踪所述激光束的移动。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述端部执行器在±5毫米内跟踪所述工件上的激光束位置。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制单元包括轨线生成模块，所述轨线生成模块基于激光轨线和参数生成供激光控制模块控制所述激光束的功率信号、供激光头部单元控制模块控制所述扫描激光头部单元的轨线数据和供机器人操纵器控制模块致动所述机器人操纵器的机器人位置数据。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述端部执行器选自以下中的至少一者：碎片管理设备、光学元件、传感器、辐射发射器和材料分配器。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述材料分配器包括惰性气体供应喷嘴。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述材料分配器包括喷嘴，所述喷嘴用于分配用于烧结的粉末合金混合物。
7.根据权利要求4所述的设备，其中所述碎片管理设备选自鼓风机喷嘴和真空喷嘴。
8.根据权利要求4所述的设备，其中所述光学元件包括相机。
9.根据权利要求4所述的设备，其中所述碎片管理设备包括真空喷嘴。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述扫描激光头部单元中的所述光学组件包括检流计扫描仪。
11.一种系统，包括：
机器人操纵器，所述机器人操纵器包括缆线悬挂式机器人，其中所述机器人操纵器包括静止的基部；
端部执行器，所述端部执行器附接到所述机器人操纵器，其中所述端部执行器与工件的样本区域相邻，并且其中所述端部执行器选自以下中的至少一者：碎片管理设备、光学元件、传感器、辐射发射器和材料分配器；
端部执行器供应系统，所述端部执行器供应系统连接到所述端部执行器；
扫描激光头部单元，所述扫描激光头部单元相对于所述工件是固定的，其中所述扫描激光头部单元包括激光器和检流计扫描仪，所述检流计扫描仪被构造成用于将激光束移动至所述工件的所述样本区域中的位置；和
控制单元，所述控制单元被构造成用于将所述机器人操纵器从所述工件的所述样本区域中的所述激光束的位置移动至±5毫米的距离内，其中所述控制单元包括轨线生成模块，所述轨线生成模块基于激光轨线和参数生成供激光控制模块控制所述激光束的功率信号、供激光头部单元控制模块控制所述扫描激光头部单元的轨线数据和供机器人操纵器控制模块致动所述机器人操纵器的机器人位置数据。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述碎片管理设备包括真空喷嘴，并且所述端部执行器供应系统包括以下中的至少一者：真空源和流体供应源。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述光学元件包括相机。
14.根据权利要求11的系统，其中所述辐射发射器包括紫外线辐射源。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述端部执行器包括材料分配器，并且所述端部执行器供应系统包括反应性材料源，所述反应性材料将由所述材料分配器分配到所述工件上。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述端部执行器包括材料分配器，并且所述端部执行器供应系统包括惰性气体源。
17.根据权利要求11所述的系统，其中所述缆线悬挂式机器人包括：缆线控制设备，所述缆线控制设备附接到所述静止的基部并且通过所述机器人操纵器的控制信号致动；至少三根张紧缆线的布置，所述至少三根张紧缆线各自具有附接到所述缆线控制设备的第一端部和附接到所述端部执行器的第二端部。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述缆线控制设备包括绞盘转筒和马达。
19.根据权利要求17所述的系统，其中所述缆线悬挂式机器人包括至少四根缆线。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述缆线悬挂式机器人具有三个自由度。
21.根据权利要求17所述的系统，其中所述缆线悬挂式机器人具有六个自由度。
22.根据权利要求11所述的系统，其中所述工件相对于所述机器人操纵器的所述静止的基部是非静止的。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述工件包括卷对卷处理中的移动的材料幅材。
24.一种用于碎片管理的方法，包括：
在材料幅材之上安装扫描激光头部单元，其中所述扫描激光头部单元包括激光器和检流计扫描仪，所述检流计扫描仪被构造成用于在所述材料的表面上移动激光束，而且其中所述扫描激光头部单元相对于所述材料幅材是固定的；
在所述材料幅材之上安装包括缆线悬挂式机器人的机器人操纵器；其中所述机器人操纵器已附接有碎片管理设备；以及
移动所述机器人操纵器和所述碎片管理设备，以跟踪所述激光束并且从所述表面移除碎片。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述激光束由轨线生成模块控制，所述轨线生成模块基于激光轨线和参数生成供激光控制模块控制所述激光束的功率信号、供激光头部单元控制模块控制所述扫描激光头部单元的轨线数据和供机器人操纵器控制模块致动所述机器人操纵器的机器人位置数据。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述缆线悬挂式机器人包括至少三根张紧缆线的布置，所述至少三根张紧缆线具有附接到安装在静止的基部上的缆线控制器的第一端部和附接到所述碎片管理设备的第二端部，并且其中所述缆线控制器由机器人操纵器控制器致动。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述缆线控制器包括绞盘转筒和马达。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所述缆线悬挂式机器人包括至少四根缆线。
29.根据权利要求26所述的方法，其中所述缆线悬挂式机器人具有至少6个自由度。
30.根据权利要求24所述的方法，其中所述碎片管理设备连接到真空源和气体源。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述气体为空气。
32.根据权利要求24所述的方法，其中所述幅材和所述头部单元相对于彼此移动。
33.一种用于在制造材料时实时处理所述材料的样本区域的方法，包括：
在所述材料上方定位扫描激光头部单元，其中所述扫描激光头部单元包括检流计扫描仪，所述检流计扫描仪被构造成用于在所述材料的所述样本区域上移动激光束，而且其中所述扫描激光头部单元相对于所述材料是固定的；以及
邻近所述材料的所述样本区域定位包括缆线悬挂式机器人的机器人操纵器，其中所述机器人操纵器连接到位于所述样本区域上的端部执行器；以及
控制所述机器人操纵器和所述端部执行器，以在±5毫米的距离内跟踪所述样本区域中的所述激光束的移动。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述控制步骤由控制单元执行，所述控制单元包括轨线生成模块，所述轨线生成模块基于激光轨线和参数生成供激光控制模块控制所述激光束的功率信号、供激光头部单元控制模块控制所述扫描激光头部单元的轨线数据和供机器人操纵器控制模块致动所述机器人操纵器的机器人位置数据。
35.根据权利要求33所述的方法，其中所述端部执行器包括碎片管理设备。
36.根据权利要求33所述的方法，其中所述扫描激光头部单元和所述材料是相对运动的。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述材料相对于静止的所述扫描激光头部单元是移动的。
38.根据权利要求35所述的方法，其中所述碎片管理设备包括连接到真空源和气体源的喷嘴。
39.一种用于在制造幅材材料时从所述幅材材料移除碎片的在线计算机化系统，所述系统包括：
机器人操纵器，所述机器人操纵器包括缆线悬挂式机器人；
碎片管理喷嘴，所述碎片管理喷嘴附接到所述机器人操纵器，其中所述喷嘴与所述幅材材料的样本区域相邻；
供应源，所述供应源连接到所述碎片管理喷嘴，其中所述供应源提供以下中的至少一者：真空和压缩空气；
扫描激光头部单元，所述扫描激光头部单元包括激光器和检流计扫描仪，而且其中所述扫描激光头部单元相对于所述幅材材料是固定的；和
控制单元，所述控制单元与远程计算机通信，并且被构造成用于移动所述机器人操纵器，使得所述机器人操纵器的移动跟踪所述样本区域中的激光束的移动。
40.根据权利要求39所述的系统，其中所述控制单元包括轨线生成模块，所述轨线生成模块基于激光轨线和参数生成供激光控制模块控制所述激光束的功率信号、供激光头部单元控制模块控制所述扫描激光头部单元的轨线数据和供机器人操纵器控制模块致动所述机器人操纵器的机器人位置数据。
41.根据权利要求39所述的系统，其中所述扫描激光头部单元相对于所述幅材材料是静止的。
42.根据权利要求39所述的系统，其中所述扫描激光头部单元和所述幅材材料是相对运动的。
43.一种包括指令的计算机可读存储介质，所述指令在被执行时致使计算装置的一个或多个处理器执行以下操作：
通过在所述处理器上执行的软件程序来接收包括相对于工件表面的坐标的激光轨线数据，并且其中所述软件程序将位置数据变换成：
(a)表示检流计扫描仪中的至少一个反射镜的位置的旋转位置数据，其中所述扫描仪相对于表面固定，并且其中所述扫描仪被构造成用于在所述表面上移动激光束；和
(b)用于驱动附接到端部执行器且包括缆线悬挂式机器人的机器人操纵器并且致使所述端部执行器跟踪所述激光束在所述表面上的移动的位置数据。
44.根据权利要求43所述的计算机可读存储介质，其中所述端部执行器包括碎片管理设备。
45.根据权利要求43所述的计算机可读存储介质，其中所述端部执行器包括附接到真空源和压缩空气源的喷嘴。
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