CN1910498A - 用于虚拟激光标记的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于仿真受限旋转电机系统的性能的虚拟标记系统(30)。所述虚拟标记系统包括指令发生单元(32)、受限旋转电机系统单元(34)、和光学－机械模拟单元(36)。所述指令发生单元用于接收表示要被标记的图案的数据(40)和提供用于标记所述要被标记的图案的指令集。受限旋转电机系统单元(34)用于接收用于标记所述要被标记的图案的指令集和提供表示光学部件的虚拟位置的光学部件响应信号。光学－机械模拟单元(36)是用于接收所述光学部件响应信号和提供所述要被标记的图案的虚拟图像。

Description

用于虚拟激光标记的系统和方法

本申请要求于2004年1月23日提交的美国临时专利申请系列号60/538,842的优先权，并要求于2004年5月28日提交的美国临时专利申请系列号60/575,255的优先权，以及要求于2004年9月28日提交的美国临时专利申请系列号60/613,962的优先权。

背景技术

本发明通常涉及受限旋转电机系统，尤其涉及到用于设计受限旋转电机系统的系统。

受限旋转电机通常包括步进电机和恒速电机。某些步进电机非常适合于需要大扫描角度的高速和高占空比锯齿扫描的应用。例如，美国专利号6,275,319公开了用于光栅扫描应用的光学扫描装置。

然而，用于特定应用的受限旋转电机需要转子在两个位置间以精确和恒定的速度而不是以锯齿方式通过步进和稳定(settling)移动。这种应用要求到达恒定速度所需的时间尽可能短以及在所获得的速度中的误差量尽可能小。恒速电机通常提供更高的扭矩常量并且典型地包括转子和用于引起转子绕中心轴旋转的驱动电路，以及位置变换器，例如，转速计或位置传感器，和连接到变换器的允许转子响应于输入信号和反馈信号被驱动电路驱动的反馈电路。例如，美国专利号5,424,632公开了传统的两极受限旋转电机。

用于某些应用的期望的受限旋转电机的需求是在任意短的时间内能够改变诸如反射镜的载荷的角度位置从角度A到角度B，同时维持所期望的速度线性在任意小的误差内的系统，角度A和B都在扫描仪的角度运动范围内，并且都被任意地精确定义。这个系统的最小响应时间和最小速度误差都由系统的有效带宽支配。然而，系统的有效带宽由许多因素控制，包括系统的开环增益。

受限旋转扭矩电机可以通过二重积分器模型加上几个挠性模态和低频非线性效应模拟或表示。用于电流计的典型闭环伺服系统包括用于低频不确定性的积分作用和用于高频共振模态的陷波滤波器。系统操作被选择在中频范围内，其中该系统非常好地通过刚体建模。对于二重积分器刚体模型，开环增益和频率响应曲线上的交叉频率之间有直接关系。例如，用于伺服写入器头定位系统的自动调整系统在Y.H.Huang，S.Weerasooriya和T.S.Low的1996年发表于J.AppliedPhysics第79期第5674-5676页上的Autotuning of a servowriter headpositioning system with minimum positioning error中公开。

图1示出了使用两个受限旋转电机12、14的标记系统10，这两个受限旋转电机12、14分别连接到反射镜13和15，用于向着成像表面22将由激光源18产生的激光束16引导通过成像透镜20。x扫描方向的电机12和y扫描方向的电机14的控制，以及激光源18的开启和关闭是由控制器22提供的。控制器24接收关于将在成像表面进行的标记的输入指令26。控制器24于是指导x扫描仪14和y扫描仪12相应地移动，以及响应输入指令和响应在目标平面上成像表面的移动开启和关闭激光源(例如，在低和高之间转换或者超出标记阈值)。该系统还可能包含每个电机12和14内的位置检测器，其各自提供位置检测信号返回到控制器24。

例如，这种受限旋转电机可以用在各种不同的激光扫描应用上，如高速表面度量。更多的激光处理应用包括激光焊接(例如高速点焊)、表面处理、切割、钻孔、标记、清理焊缝、激光修复、快速样机研究、形成微结构、或者在各种材质上形成纳米结构的密集阵列。

这种系统的处理速度典型地受一个或多个反射镜速率、X-Y阶段速率、材料相互作用和材料的热时间常数、目标材料的布局和代处理区域，以及软件性能的限制。通常，在一个或多个反射镜速率、位置准确性、和稳定时间都是限制性能的因素的应用中，在扫描系统开环增益时的任何显著改进都可以转化为直接的通过量的提高。

在受限旋转电机致动器上，开环增益由电机的扭矩常量、反射镜和转子结构的惯性以及功率放大器的增益特性决定。系统设计中的改变，如磁头从一种尺寸改变为另一种尺寸，可能引起总惯性上的显著变化，因此引起开环增益的显著变化。然而，为了全面评价它们的性能，典型地必须设计和构造这种系统。

因此，需要一种用于设计和评价受限旋转电机系统的改进方法，尤其需要有效和经济地生产为特定应用提供最大性能的受限旋转电机系统。

发明内容

根据一个实施例，本发明提供了一种用于仿真受限旋转电机系统的性能的虚拟标记系统。该虚拟标记系统包括指令发生单元、受限旋转电机系统单元、和光学-机械模拟单元。指令发生单元用于接收表示要被标记的图案的数据和提供用于标记要被标记的图案的指令集。受限旋转电机系统单元用于接收用于标记要被标记的图案的指令集以及提供表示光学部件的虚拟位置的光学部件响应信号。光学-机械模拟单元用于接收光学部件响应信号以及提供要被标记的图案的虚拟图像。

附图说明

参考附图可以更进一步理解以下的说明书，其中：

图1示出了现有技术的扫描或标记系统的示例性视图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的虚拟激光标记系统的示例性视图；

图3A示出了要被标记图案的示例性视图，以及图3B示出了可用于标记图3A中示出的图案的实时电流；

图4示出了要做的期望标记的角度位置和时间的示例性图形表示；

图5示出了要做的期望标记以及做出的真实标记的角度位置和时间的示例性图形表示；

图6示出了用于标记操作的指令和位置控制序列的示例性视图；

图7A-7C示出了根据本发明的一个实施例的用于期望的标记图案和虚拟标记图案的X位置、Y位置、激光开启和激光关闭的时序图的示例性视图；

图8示出了根据本发明的一个实施例，用于受限旋转电机系统的数学模型的示例性图解表示；以及

图9示出了根据本发明的一个实施例的光学-机械模拟系统的示例性图解表示。

所示附图仅仅用于示例性目的。

具体实施方式

根据一个实施例，本发明规定向虚拟受限旋转电机控制器提供输入指令，并且虚拟受限旋转电机控制器提供输出指令给虚拟电机、输出轴和反射镜系统。位置检测系统记录在激光已经开启时的位置检测信号，从而确定虚拟激光标记图像。

因此，计算机模型仿真该激光标记系统。虚拟光学标记器连同在标记给定图案时标记器的各种实时信号把将被标记的特定图案转化为标记图案的图像。图2示出了根据本发明的一个实施例的系统的功能框图。系统30包括提供指令发生和激光控制单元32，其提供图案发生和激光控制以将给定多维图像转换成镜像位置指令和激光控制指令的时间序列。指令发生和激光控制单元32产生在33所示的指令历史和激光控制信号。标记的图像通过组合激光控制信号、射束轨迹、激光类型和被标记的材料来获取。

系统30还包括仿真电机驱动的射束偏转表面的动态响应的闭环致动器系统34，以及光学-机械模型或组件36用于在目标表面上将反射镜角转换成射束轨迹。激光标记系统经由参数输入单元38接收用户可调扫描参数以及经由图案输入40接收被标记的图案。闭环致动器系统34提供在42所示的电机电流、功率、和角度位置轨迹。

光学-机械组件提供在43所示的反射镜、透镜和目标上的激光射束轨迹。系统30还能包括激光系统44，并且该系统提供在48所示的标记图案的图像。例如，图3A示出了被标记图案52的示例性视图，以及图3B示出了可用于标记图3A中示出的图案的实时电流54。

图4示出了在做标记的移动周期60内角度位置与时间的关系，接下来是等待周期62。独立的激光控制信号是作为表示在标记处理过程中任何给定的时间点上的激光开关状态的定时数据序列得出的。电机系统模型仿真受制于上述产生的输入指令的X和Y电机系统的时间响应。电机系统模型主要输出是角度位置数据阵列连同相应的时间值的序列所表示的X和Y反射镜的角度位移。来自电机系统的附加输出包括电机系统的实时电机电流和功率耗散。图5示出了响应图4所示的标记指令的期望角度位置64，以及真实角度位置66。

激光射束的光路径可以是如图1所示的包括给定直径的激光射束、定义了特性的光学透镜、以及在反射镜、激光、透镜和目标表面间的相对位置。在反射镜、透镜和目标表面上的光强分布也已知。激光射束由高斯强度图案模拟并且沿射束的路径传播。

通过组合激光控制信号和反射镜位置轨迹，反射镜、透镜和目标表面上的激光光强分布轨迹可以用数学方式构造。于是作为标记处理过程中表面材料和激光光强改变之间相互作用的结果，通过目标表面上的形状和/或材料属性变化获得标记图像。

用户可调的扫描参数可以包括标记速度(MS)，其是在标记期间参考射束的速度，标记延迟(MD)，其是每次标记结束时的等待周期，跳跃速度(JS)，其是在跳跃期间参考射束的速度，跳跃延迟(JD)，其是每次跳跃结束时的等待周期，激光开启延迟(L-ON)，其是参考标记开始和打开激光射束之间的时差，以及激光关闭延迟(L-OFF)，是参考标记结束和关闭激光射束之间的时差。

在操作期间，要被标记的特定图案首先被转换成激光射束位置的序列。接下来，使用用户指定的标记参数，包括标记速度、标记延迟、跳跃速度和跳跃延迟，期望的激光射束位置被转化为X和Y轴镜像的角度位置。期望的镜像角度位置指令由位置值连同相应的时间值的阵列表示。例如，图6示出了在激光从原点开始，接着只沿x轴(2)标记，随后沿x轴返回并沿y轴向上(3)，然后返回到原点(4)的在标记表面上做的三角形标记68的示例性视图。

要标记的图案可以定义为带有相应标记和跳跃控制的反射镜位置的期望轨迹。例如，下表1所示的图案数据表示按照图6所示的三角形68标记的到扫描场原点的跳跃。

表1

X位置	Y位置	控制
			0	0	跳跃
2	0	标记
			1	2	标记
0	0	标记

指令发生和激光控制单元32利用户定义的扫描参数，即，MS，MD，JS，JD，激光开启和激光关闭将图案转换成对扫描头的位置指令。这些指令由X和Y轴的参考反射镜位置的时间戳序列表示。激光开启/关闭控制序列也使用激光开启和激光关闭控制参数产生。值得注意的是，下列关系存在于上述参数之间：MS*MS＝MSx*MSx+MSy*MSy和JS*JS＝JSx*JSx+JSy*JSy。

指令和激光控制信号的对应数学等式如下面导出。值得注意的是，标记工作包括一系列的标记和跳跃指令。对于在时间t₀从标记表面上位于(x₁，y₁)的点A到位于(x₂，y₂)的点B的跳跃，操作的持续时间为T，其中T＝L/JS+JD，且其中L为A和B之间的距离，并且定义为：

$L=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}$

对x和y轴的指令现在可以定义为时间X(t)和Y(t)的函数

x指令JSx的速度和y指令JSy的速度是下列等式的解：

JSx²+JSy²＝JS²

和

|x₂-x₁|/JSx＝|y₂-y₁|/JSy

激光控制信号LASER(t)由下式给出：

，其中Laser-ON和Laser-OFF分别为激光开启和激光关闭周期。

类似地，对于在时间t₀从标记表面上位于(x₁，y₁)的点A到位于(x₂，y₂)的点B的标记，操作的持续时间为T，其中T＝L/MS+MD，其中L为A和B之间的距离，并且定义为：

$L=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}$

对x和y轴的指令现在可以定义为时间X(t)和Y(t)的函数

x指令MSx的速度和y指令MSy的速度为下列等式的解：

MSx²+MSy²＝MS²

和

|x₂-x₁|/MSx＝|y₂-y₁|/MSy

激光控制信号LASER(t)由下式给出：

图7A-7C示出了用于形成图6中所示标记的指令。图7A示出了在标记时间周期上沿x轴的指令70，图7B示出了在标记时间周期上沿y轴的指令72，以及图7C示出了沿标记时间周期的激光开启和激光关闭指令。

X和Y反射镜的位置是利用电机系统的闭环系统模型产生的。为了仿真光学扫描仪的时间响应，有几种不同的表示系统模型的方式。这些方式包括一组微分/差分等式、转移函数、状态空间矩阵、频率响应数据、以及图形系统模型，如下文所讨论的模型。

特别地，并且如图7A所示，沿x轴的激光指令序列最初跳跃到零(如72处所示)，然后等待跳跃延迟74。系统接下来请求以标记速度在x方向上的标记(如76处所示)。然后产生标记延迟78，随后是沿x轴相反的方向上的标记80。另一个标记延迟82产生，接下来继续以标记速度在x方向上标记84。

如图7B所示，沿y轴的激光指令序列最初跳跃到零(如92处所示)，然后等待如7B所示的跳跃延迟94。系统接下来请求以标记速度在y方向上的标记(如96处所示)。然后产生标记延迟98，随后是沿y轴相反的方向上的标记100。另一个标记延迟102产生，接下来继续以标记速度在y方向上标记104。激光开启信号之后也将是一短暂延迟，如图7C中112处所示，以及激光关闭信号之后将是一短暂延迟，如图7C中114处所示。

图7A还示出了响应如70和90处所示的x轴和y轴指令的特定受限旋转电机系统的仿真时间响应。对x轴的仿真时间响应如120处所示，而对y轴的仿真时间响应如122处所示。

闭环电机系统34的数学模型既可以从物理定律中导出也可以从真实系统测量中识别，或者可以由二者联合形成。目的是在由指令产生和激光控制系统32产生的指令信号指挥时，仿真电机系统的动态响应。例如，图8示出了根据一个实施例的受限旋转电机系统的数学模型120的示例性视图。该模型120包括控制器122的表示和电机124的表示。控制器122包括比例单元126、积分单元128和导数单元130。控制器122接收输入指令信号以及反馈信号。电机124接收控制器的输出并提供反射镜位置。正如所示的，位置变换器应用于电机124以提供对控制器122的输入的位置反馈。

例如，受限旋转电机可以由下列微分等式描述：

$\stackrel{\·\·}{x}=k*i$

其中 是反射镜的角度位移量，i是驱动电流，以及k是电机的扭矩常量。等价的转移函数为：

X(s)/I(s)＝k/s²

其中X(s)和I(s)分别是位置x和i的拉氏变换。

光学-机械组件36将给定的反射镜位置转换成标记表面上激光射束的位置。这是通过将来自激光源的激光射束模拟为空间中的一组平行线完成的。反射镜被模拟为空间中的平面。首先，落在聚焦透镜上的射束被计算为由x和y反射镜位置定义的两个平面反射的线。接下来，标记表面上的射束位置和形状通过使用控制所使用的透镜的光学等式来计算。例如，对于标准透镜，入射和出射射束遵循余弦规则，以及F-theta透镜，出射射束角度和入射射束的角度成比例。激光控制用在确定射束点是否应在标记表面上形成。

作为如何确定射束位置的例子，考虑下列有两个反射镜，M1和M2、以及输入射束L1、输出射束L3的情况。首先，我们用空间中的平面将反射镜表示为M1和M2，以及将输入射束L1表示为空间中的直线。找到具有给定反射镜位置的输出射束L3的射束位置的问题变为导出线L3的线等式。令镜面M1的等式为：

$\left|\begin{array}{ccc}x-x_1& y-y_1& z-z_1\\ x-x_2& y-y_2& z-z_2\\ x-x_3& y-y_3& z-z_3\end{array}\right|=0$

其中(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，和(x₃，y₃，z₃)是平面M1通过的空间中的三个已知点。输入射束L1的等式可以是

$\frac{x-x_4}{x_5-x_4}=\frac{y-y_4}{y_5-y_4}=\frac{z-z_4}{z_5-z_4}$

其中(x₄，y₄，z₄)和(x₅，y₅，z₅)是线L1通过的两个已知点。

如图9中140处所示，因此，通过解算下列等式，射束L1在反射镜M1上相交的位置由平面M1和线L1之间的交点B确定：

$\left|\begin{array}{cccc}x& y& z& 1\\ x_1& y_1& z_1& 1\\ x_2& y_2& z_2& 1\\ x_3& y_3& z_3& 1\end{array}\right|=0$

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_4+(x_4-x_5)*t\\ y_4+(y_4-y_5)*t\\ z_4+(z_4-z_5)*t\end{array}\right]$

其中

$t=\frac{\left|\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ x_1& x_2& x_3& x_4\\ y_1& y_2& y_3& y_4\\ z_1& z_2& z_3& z_4\end{array}\right|}{\left|\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 0\\ x_1& x_2& x_3& x_5-x_4\\ y_1& y_2& y_3& {y_5-y}_4\\ z_1& z_2& z_3& z_5-z_4\end{array}\right|}$

M1上的反射点A，A’由下式计算：

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]-2\mathrm{Dn}$

其中D是点A和平面M1之间的距离，n是平面M1的方向向量，可以直接从M1的等式导出。

一旦计算了点B和A’，反射线L2就可以由图9中142处所示的B和A’的坐标定义。执行类似的操作，144处所示的射束L3可以由点C和B’计算，如图9所示。

标记表面上激光点的轨迹接下来用于形成标记的图像。这是通过在整个标记过程中所有落在标记表面的给定区域上的射束点的线性叠加完成的。数学上，这是通过多维卷积完成的。例如，在2D情况下，我们可以通过带有表示在对应于每个元的索引位置上的射束强度的元的矩阵来表示射束的强度分布，

$D=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ 1& 1& 1\\ 0& 1& 0\end{array}\right]$

其带有射束中心的给定轨迹，

P＝[1  1  1]

激光射束强度的轨迹可以计算为

$\mathrm{conv}(D,P)=\left[\begin{array}{ccccc}1& 1& 1& 1& 0\\ 1& 2& 3& 2& 1\\ 0& 1& 1& 1& 0\end{array}\right]$

例如，当用于诸如激光标记的特定应用时，为了评价正在进行的受限旋转电机系统的性能，上述虚拟标记系统可以应用于受限旋转电机。

本领域的技术人员知道在不偏离本发明的精神和范围的前提下可以对上述公开的实施例进行各种修改和变更。

Claims (21)

1、一种用于仿真受限旋转电机系统的性能的虚拟标记系统，所述虚拟标记系统包括：

指令发生装置，用于接收表示要被标记的图案的数据，并且提供用于标记所述要被标记的图案的指令集；

受限旋转电机系统装置，用于接收用以标记所述要被标记的图案的指令集，并且提供表示光学部件的虚拟位置的光学部件响应信号；以及

光学-机械模拟装置，用于接收所述光学部件响应信号，并且提供所述要被标记的图案的虚拟图像。

2、根据权利要求1的所述虚拟标记系统，其中所述指令发生装置还接收关于所述虚拟标记系统的一组可调整参数。

3、根据权利要求2的所述虚拟标记系统，其中所述参数包括表示标记速度、标记延迟、跳跃速度、跳跃延迟、激光开启延迟以及激光关闭延迟的数据。

4、根据权利要求1的所述虚拟标记系统，其中所述受限旋转电机系统提供表示电机电流的数据。

5、根据权利要求1的所述虚拟标记系统，其中所述受限旋转电机系统提供表示电机功率的数据。

6、根据权利要求1的所述虚拟标记系统，其中所述受限旋转电机系统提供表示角度位置的数据。

7、根据权利要求1的所述虚拟标记系统，其中所述受限旋转电机系统提供表示轨迹的数据。

8、根据权利要求1的所述虚拟标记系统，其中所述光学-机械模拟装置提供所述要被标记的图案的虚拟图像的图形表示。

9、根据权利要求1的所述虚拟标记系统，其中所述受限旋转电机系统装置包括X扫描仪电机和Y扫描仪电机的数学模拟。

10、根据权利要求1的所述虚拟标记系统，其中所述虚拟标记系统用在受限旋转电机系统中。

11、根据权利要求10的所述虚拟标记系统，其中所述受限旋转电机系统用于真实激光标记。

12、一种用于仿真X-Y受限旋转电机系统的性能的虚拟标记系统，所述虚拟标记系统包括：

指令发生装置，用于接收表示要以二维标记的图案的数据，并且提供用于标记所述要被标记的图案的指令集；

X-受限旋转电机系统装置，用于接收用以标记所述要被标记的图案的x方向指令集，并且提供表示光学部件的虚拟位置的x方向光学部件响应信号；

Y-受限旋转电机系统装置，用于接收用以标记所述要被标记的图案的y方向指令集，并且提供表示光学部件的虚拟位置的y方向光学部件响应信号；以及

光学-机械模拟装置，用于接收x方向光学部件响应信号和y方向光学部件响应信号，以及提供所述要被标记的图案的虚拟图像。

13、根据权利要求12的所述虚拟标记系统，其中所述指令发生装置还接收关于所述虚拟标记系统的一组可调参数。

14、根据权利要求13的所述虚拟标记系统，其中所述参数包括表示标记速度、标记延迟、跳跃速度、跳跃延迟、激光开启延迟以及激光关闭延迟的数据。

15、根据权利要求12的所述虚拟标记系统，其中所述受限旋转电机系统提供表示电机电流的数据。

16、根据权利要求12的所述虚拟标记系统，其中所述受限旋转电机系统提供表示电机功率的数据。

17、根据权利要求12的所述虚拟标记系统，其中所述受限旋转电机系统提供表示角度位置的数据。

18、根据权利要求12的所述虚拟标记系统，其中所述受限旋转电机系统提供表示轨迹的数据。

19、根据权利要求12的所述虚拟标记系统，其中所述光学-机械模拟装置提供所述要被标记的图案的虚拟图像的图形表示。

20、根据权利要求12的所述虚拟标记系统，其中所述受限旋转电机系统装置包括X扫描仪电机和Y扫描仪电机的数学模拟。

21、一种仿真受限旋转电机系统的性能的方法，所述方法包括步骤：

接收表示要被标记的图案的数据；

提供用于标记所述要被标记的图案的指令集；

接收用于标记所述要被标记的图案的所述指令集；

提供表示光学部件的虚拟位置的光学部件响应信号；

接收所述光学部件响应信号；以及

提供所述要被标记的图案的虚拟图像。

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