DE10296810B4

DE10296810B4 - Laserstrahlpositionierungsvorrichtung für Laserbearbeitungsausrüstung

Info

Publication number: DE10296810B4
Application number: DE10296810T
Authority: DE
Inventors: Takaaki Iwata
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: CN1509220A; TW548155B; WO2003080283A1; US20040105092A1; KR20040005990A; JP3927541B2; JPWO2003080283A1; US7006237B2; KR100540541B1; CN100479968C; DE10296810T5

Abstract

Laserstrahlpositionierungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsausrüstung, umfassend:
eine Plattform (15), wo ein Werkstück (14) platziert wird;
einen Laseroszillator (3), der einen Laserstrahl (2) emittiert;
eine optische Einheit (4, 11, 13), die den Laserstrahl (2) lenkt, sodass der Laserstrahl (2) das Werkstück (14) bestrahlt, das auf der Plattform (15) platziert ist;
eine Strahlenabtasteinheit (12), die den Laserstrahl (2) abtastet, der durch die optische Einheit (4, 11, 13) gelenkt wird, basierend auf einem Befehlswert, um das Werkstück (14) zu bearbeiten;
eine Messeinheit (16), die eine bearbeitete Position auf dem Werkstück (14) misst, in der die Laserbearbeitung durchgeführt wurde; und
eine Steuereinheit (17), die den Befehlswert von Koordinaten der bearbeiteten Position und Koordinaten einer Zielposition kalkuliert, wobei
die Steuereinheit (17) eine Matrix unbekannter Parameter durch Gewichtung der Koordinaten der bearbeiteten Position und des Befehlswerts gemäß einem Abstand zwischen den Koordinaten der Zielposition und den Koordinaten der bearbeiteten Position...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laserstrahlpositionierungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsausrüstung, die die Positionierungsgenauigkeit eines Laserstrahls verbessern oder auf eine Umgebungsänderung reagieren kann, während die Positionierungsgenauigkeit eines Laserstrahls aufrechterhalten wird.
In letzter Zeit hat die Informationskommunikationsindustrie einen raschen Fortschritt mit einer Erhöhung der Nachfrage nach Personalcomputern, zellularen Telefonen etc. bewerkstelligt. Auf den Gebieten von Elektronik und Halbleitern, die durch die Informationskommunikationsindustrie geführt werden, werden die elektronischen Teile, die eine Vorrichtung bilden, miniaturisiert und hoch integriert, woraus sich die Notwendigkeit für eine Bearbeitungstechnologie, die Laser verwendet, in Bezug auf Bohren, Schneiden, Abkanten und Ritzen von gedruckten Leiterplatten (printed circuit boards, PCBs), an denen die elektronischen Teile befestigt werden, erhöht.

Als eine Bearbeitungstechnologie, die den Laser verwendet, wird z.B. in der japanischen Anmeldung Offenlegungs-Nr. 63- 229419 (konventionelle Technologie) ein Linsenverzerrungskompensator offengelegt, der die inhärente Verzerrung eines Kondensors für einen Laserstrahl kompensiert, und es wird ein Beispiel einer Ausführungsform für eine Laserbearbeitungsausrüstung beschrieben, die den Linsenverzerrungskompensator verwendet. 11 ist ein schematisches Diagramm einer Laserbearbeitungsausrüstung, die mit dem Linsenverzerrungskompensator gemäß dieser konventionellen Technologie ausgerüstet ist. Der Linsenverzerrungskompensator 107 steuert zwei Scanner 102 und 103 für die Ausgabe von einem Laseroszillator 101, und die Laserbearbeitungsausrüstung strahlt den Laserstrahl auf ein Werkstück durch einen Kondensor 106 durch Bewegen zweier Spiegel 104 und 105, die durch die Scanner 102 und 103 angesteuert werden, aus. Da die Laserbearbeitungsausrüstung mit einer CCD-Kamera 107 als ein Kondensorpunktpositionserfassungsverfahren ausgerüstet ist, während sie einen X-Y-Impulstisch 108 hat, der sich in der XY-Richtung bewegen kann, einen Überwachungsfernseher 110, der die Optikpunktposition durch eine Kamerasteuervorrichtung 109 aus dem Ausgabesignal der CCD-Kamera 107 mit der Scannerposition anzeigt, eine Tischsteuervorrichtung 111, die den X-Y-Impulstisch 108 steuert, und eine digitale Operationsbearbeitungsvorrichtung 112, die den Betrag von Bewegungen des X-Y-Impulstisches 108 speichern und kompensieren kann, kann sie den Kompensationskoeffizienten unter Verwendung eines einzelnen polynomischen Modells im voraus für jede Linse kalkulieren, den Kompensationskoeffizienten speichern, und wenn die gleiche Linse verwendet wird, liest sie einen entsprechenden Kompensationskoeffizienten aus, um die Ansteuersignale für X- und Y-Signale zu kompensieren.

Da jedoch die konventionelle Technologie nur die Ausstrahlungsposition des Laserstrahls durch Kompensieren der Linsenverzerrung eines Kondensors korrigiert, ohne die Größe eines Werkstücks und die zeitliche Veränderung vom Status der Laserbearbeitungsausrüstung etc. zu betrachten, hat sie ein Problem, dass sich die Positionsgenauigkeit eines Bearbei tungslochs abhängig von der Größe vom Bearbeitungsbereich, Arbeitsstunden etc. verschlechtert.

Außerdem werden optische Systeme außer dem Kondensor kompliziert, wenn die Ausrüstung z.B. in ein Mehrfachstrahlsystem ausgebildet wird, um Bearbeitbarkeit zu verbessern. Da jedoch die Kompensation durchgeführt wird, die nur mit Verzerrung eines Kondensors arbeitet, fehlt ihr Flexibilität und Erweiterbarkeit, die auf die Komplexität reagieren können.

Da des Weiteren in dem Fall der konventionellen Technologie das einzelne Polynom als ein Modell verwendet wird, gibt es den Modellfehler zwischen dem einzelnen polynomischen Modell mit fixierten Koeffizienten eines Polynoms und dem tatsächlichen System, was zu einer Begrenzung der Positionierungsgenauigkeit des Laserstrahls führt.

Wenn ein polynomisches Modell verwendet wird, wird die Bestimmung des Grades des polynomischen Modells abhängig davon vorgenommen, wie nichtlinear die Charakteristik des Systems von Interesse ist und wie gut die Annäherungsgenauigkeit sein sollte. Obwohl die Annäherungsgenauigkeit gut wird, wenn der Grad eines Polynoms erhöht wird, besteht im Allgemeinen ein Problem darin, dass sich die notwendigen Kalibrierungspunkte erhöhen oder sich die Kalkulationszeit der Befehlswerte, die die Ausstrahlungsposition eines Laserstrahls steuern, erhöht, was zu einer Verringerung von Bearbeitbarkeit führt.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Laserbearbeitungsausrüstung zu erreichen, die Fehler reduziert, die durch Modellfehler zwischen dem konventionellen polynomischen Modell und dem realen System verursacht werden, jegliche Erhöhung von Kalibrierungszeit und Kalkulationszeit selbst dann unterdrückt, wenn die Annäherungsgenauigkeit des polynomischen Modells angehoben wird und die Bearbeitungsgenauigkeit sogar gegen verschiedene Veränderungsfaktoren, wie etwa die Größe eines Werkstücks, zeitliche Änderung vom Status des Systems etc. aufrechterhält.

OFFENLEGUNG DER ERFINDUNG

Aus US 6.353.203 ist eine Laserstrahlpositionierungsvorrichtung bekannt, die eine Plattform zum Halten eines Werkstücks, eine Laserstrahlquelle, eine optische Einheit, eine Abtasteinheit, eine Messeinheit und eine Steuereinheit umfasst. Die Steuereinheit berechnet aus den gemessenen Ist-Koordinaten und den Soll-Koordinaten von Testmarkierungen eine Korrekturmatrix, mittels der die Koordinaten der eigentlichen Bearbeitungspositionen korrigiert werden, ohne dass eine Gewichtung der Testmarkierungen hinsichtlich des Abstandes zwischen den Soll- und den Ist-Koordinaten der Testmarkierungen bei der Berechnung der Korrekturmatrix angesprochen wird.

In DE 199 16 081 ist eine Laserstrahlpositionierungsvorrichtung beschrieben, bei der die Schwerpunkte der mittels einer Erfassungseinheit bestimmten Testmarkierungen durch Funktionen angenähert werden, ohne dass offenbart wird, dass diese Maßnahme bei der Berechnung einer Korrekturmatrix zu einer Gewichtung der Koordinaten der Testmarkierungen führt.

Aus US 5.690.846 ist eine Laserstrahlpositionierungsvorrichtung bekannt, bei der eine Steuereinheit eine Oberfläche eines Werkstücks in eine Vielzahl von Bereichen unterteilt. Ferner werden dort in einem dieser Bereiche Testmarkierungen erzeugt und mittels eines Messsystems erfasst, wobei dann aus den Soll- und Ist-Koordinaten der Testmarkierungen eine Korrekturmatrix erzeugt wird, ohne dass dabei angeregt wird, die Testmarkierungen in mehreren Bereichen anzubringen, und zur Berechnung einer Korrekturmatrix eine die Lage der Textmarkierungen berücksichtigende Gewichtung vorzusehen.

Die Laserstrahlpositionierungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsausrüstung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung inkludiert eine Plattform, wo ein Werkstück platziert wird; einen Laseroszillator, der einen Laserstrahl emittiert; eine optische Einheit, die den Laserstrahl lenkt, sodass der Laserstrahl das Werkstück bestrahlt, das auf der Plattform platziert wird; eine Strahlenabtasteinheit, die den Laserstrahl, der durch die optische Einheit gelenkt wird, basierend auf einem Befehlswert abtastet, um das Werkstück zu bearbeiten; eine Messeinheit, die eine bearbeitete Position auf dem Werkstück misst, in der die Laserbearbeitung durchgeführt wurde; und eine Steuereinheit, die den Befehlswert aus Koordinaten der bearbeiteten Position und Koordinaten einer Zielposition kalkuliert, wobei die Steuereinheit eine Matrix unbekannter Parameter durch Gewichtung der Koordinaten der bearbeiteten Position und des Befehlswerts gemäß einem Abstand zwischen den Koordinaten der Zielposition und den Koordinaten der bearbeiteten Position kalkuliert, wobei die Matrix unbekannter Parameter den Befehlswert optimal bestimmt, um den Laserstrahl auf die Zielposition auf dem Werkstück zu lenken.

Die Laserstrahlpositionierungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsausrüstung gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung inkludiert eine Plattform, wo ein Werkstück platziert ist; einen Laseroszillator, der einen Laserstrahl emittiert; eine optische Einheit, die den Laserstrahl lenkt, sodass der Laserstrahl das Werkstück bestrahlt, das auf der Plattform platziert ist; eine Strahlenabtasteinheit, die den Laserstrahl abtastet, basierend auf einem Befehlswert, um das Werkstück zu bearbeiten; eine Messeinheit, die eine bearbeitete Position auf dem Werkstück misst, in der die Laserbearbeitung durchgeführt wurde; und eine Steuereinheit, die den Befehlswert aus Koordinaten der bearbeiteten Position und Koordinaten einer Zielposition kalkuliert, wobei die Steuereinheit eine Matrix unbekannter Parameter durch Unterteilen einer Oberfläche des Werkstücks in eine Vielzahl von Berei chen, Anwenden einer Gewichtung von eins auf einen Bereich mit der Zielposition und Anwenden einer Gewichtung kleiner als eins auf einen Bereich ohne die Zielposition kalkuliert.

Die Laserstrahlpositionierungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsausrüstung gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung inkludiert eine Plattform, wo ein Werkstück platziert wird; einen Laseroszillator, der einen Laserstrahl emittiert; eine optische Einheit, die den Laserstrahl lenkt, sodass der Laserstrahl das Werkstück bestrahlt, das auf der Plattform platziert ist; eine Strahlenabtasteinheit, die den Laserstrahl abtastet, basierend auf einem Befehlswert, um das Werkstück zu bearbeiten; eine Messeinheit, die eine bearbeitete Position auf dem Werkstück misst, in der die Laserbearbeitung durchgeführt wurde; und eine Steuereinheit, die den Befehlswert aus Koordinaten der bearbeiteten Position und Koordinaten einer Zielposition kalkuliert, wobei die Steuereinheit eine Matrix unbekannter Parameter durch Gewichten der Koordinaten der bearbeiteten Position und des Befehlswerts gemäß einem Vergessensfaktors k kalkuliert, wobei 0 ≤ k ≤ 1 mit der Zeitinformation des Befehlswerts verbunden ist, wobei die Matrix unbekannter Parameter den Befehlswert optimal bestimmt, um den Laserstrahl auf die Zielposition auf dem Werkstück zu lenken.

Die anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden speziell dargelegt in oder offensichtlich aus den folgenden detaillierten Beschreibungen der Erfindung, wenn in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm einer Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung; 2 ist ein schematisches Diagramm einer Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung; 3 ist ein Blockdiagramm, das die Beziehung zwischen Befehlswerten zu dem Hauptgalvanometerscanner 12 und Nebengalvanome terscanner 9 und Koordinaten des Hauptlochs und Nebenlochs darstellt; 4 ist ein Flussdiagramm, das die typischen Positionierungsschritte in einer Laserbearbeitungsausrüstung veranschaulicht; 5 ist ein Blockdiagramm, das die Beziehung zwischen der Zielpositionskoordinate, dem Befehlswert und der Bearbeitungspositionskoordinate in der Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung darstellt, wobei das Umkehrabbildungsmodell auf das Blockdiagramm in 3 angewendet wird; 6 ist ein Flussdiagramm, das die Positionierungsschritte durch das Gewichtungsverfahren veranschaulicht; 7 ist ein schematisches Diagramm, das das Konzept eines Positionierungsprozesses durch ein Gewichtungsverfahren für jeden Lochblock gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt; 8 ist ein schematisches Diagramm, das die Idee einer Unterteilung des Werkstücks in 7 in vier Bereiche darstellt; 9 ist ein Flussdiagramm, das den Prozessfluss gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht; 10 ist ein Flussdiagramm, das den Prozessfluss eines Spezialfalls in dem Flussdiagramm von 9 (Zahl von neuen Testläufen < Zahl von Termen in Polynomen) veranschaulicht; und 11 ist ein schematisches Diagramm einer Laserbearbeitungsausrüstung mit einer Linsenverzerrungskompensationsvorrichtung gemäß der konventionellen Technologie.
BESTER MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Das Strahlenpositionierungsverfahren und die Strahlenpositionierungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsausrüstung gemäß der vorliegenden Erfindung können auf einer Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung oder eine Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung, die nachstehend detailliert erläutert werden, angewendet werden. Hierin nachstehend werden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen des Strahlenpositionierungsverfahrens und der Strahlenpositionierungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsausrüstung gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert.
1 ist ein schematisches Diagramm einer Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung. In dieser Figur inkludiert eine Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 1 einen Laseroszillator 3, der einen Laserstrahl 2 emittiert, einige Beugungsspiegel 4, die einen optischen Pfad des Laserstrahls umschalten, zwei Ablenkungsgalvanometerspiegel 11, die in dem optischen Pfad des Strahls 2 platziert sind, zwei Ablenkungsgalvanometerscanner 12, die den Winkel der Ablenkungsgalvanometerspiegel ändern, eine fΘ-Linse 13, um den Strahl zu verdichten, eine XY-Plattform 15, auf der ein Werkstück 14 platziert ist, eine CCD-Kamera 16, um das Bearbeitungsloch des Werkstücks 14 zu überwachen, und eine Steuerbox 17, um den Laseroszillator 3, die XY-Plattform 15 und den Galvanometerscanner 12 zu steuern.
Der optische Pfad des Laserstrahls von dem Laseroszillator 3 wird durch die Beugungsspiegel 4 und den Galvanometerspiegel 11 gebildet. Die Steuerbox 17 triggert den Laseroszillator 3 mit einer voreingestellten Zeiteinstellung, um den Laserstrahl 2 zu emittieren. Der emittierte Laserstrahl 2 wird durch die fΘ-Linse 13 durch den Beugungsspiegel 4, der in der Mitte des optischen Pfads des Strahls platziert ist, und den Ablenkungsgalvanometerspiegel 11 verdichtet, erreicht das Werkstück 14, das auf der XY-Plattform platziert ist, und bearbeitet das Werkstück 14. Bezüglich der Galvanometerspiegel 11 ist jeder Spiegel separat an den Galvanometerscannern 12 befestigt, und es ist möglich, eine trochoidale Bewegung auszuführen. Der Galvanometerscanner 12, der Laseroszillator 3, die CCD-Kamera 16 und die XY-Plattform 15 können durch die Steuerbox 17 separat gesteuert werden.
2 ist ein schematisches Diagramm einer Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung. In dieser Figur inkludiert eine Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 einen Prismenstrahlsplitter 7, der den Laserstrahl 2 splittet, zwei Ablenkungsgalvanometerspiegel 8, die in dem optischen Pfad des gesplitteten Laserstrahls 6 platziert sind, der den Beugungsspiegel 4 unter den gesplitteten Laserstrahlen passiert, zwei Ablenkungsgalvanometerscanner 9, um den Winkel des Ablenkungsgalvanometerspiegels 8 zu ändern, und einen anderen Strahlensplitter 10, um die zwei spektroskopischen Laserstrahlen 5 und 6, die durch den Prismenstrahlsplitter 7 unterteilt wurden, zu kombinieren. Eine andere Konfiguration ist im wesentlichen die gleiche wie die der Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung, die in 1 gezeigt wird, wobei den gleichen Teilen die gleichen Bezugszeichen zugewiesen sind. Es werden nun 11, 8, 12, 9, 5 und 6 als der Hauptgalvanometerspiegel, Nebengalvanometerspiegel, Hauptgalvanometerscanner, Nebengalvanometerscanner, Hauptgalvanometerstrahl bzw. Nebengalvanometerstrahl bezeichnet, um zwischen den Ablenkungsgalvanometerspiegeln 8 und 11, zwischen den Ablenkungsgalvanometerscannern 9 und 12 und zwischen den Laserstrahlen 5 und 6 zu unterscheiden.
In 2 wird der Laserstrahl 2, der von dem Laseroszillator 3 emittiert wird, in den Hauptlaserstrahl 5 und den Nebenlaserstrahl 6 durch den Prismenstrahlsplitter nach Passieren eines Paars von Beugungsspiegeln 4 gesplittet. Dann passiert der Nebenlaserstrahl 6 ein Paar von Beugungsspiegel 4 und zwei Nebengalvanometerspiegel 8 und erreicht den Kopplungsstrahlensplitter 10, der in dem optischen Pfad des Hauptlaserstrahls 5 platziert ist, um erneut mit dem Hauptlaserstrahl 5 kombiniert zu werden. Danach passieren der Hauptlaserstrahl 5 und der Nebenlaserstrahl 6 zwei Hauptgalvanometerspiegel 11 und werden durch die fΘ-Linse 13 verdichtet. Der verdichtete Hauptlaserstrahl 5 und der Nebenlaserstrahl 6 arbeiten ein Loch in das Werkstück 14, das auf der XY-Plattform 15 platziert ist. Der Nebengalvanometerspiegel 8 und der Hauptgalvanometerspiegel 11 sind mit dem Nebengalvanometerscanner 9 bzw. dem Hauptgalvanometerscanner 12 fixiert, und die Galvanometerscanner können den Winkel durch die Steuerbox 17 steuern.
Normalerweise bearbeitet wie für die Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung der einzelne oszillierte Strahl ein Loch, und die Einzelloch-Bearbeitungstechnologie ist die gleiche wie die Hauptablenkungstechnologie in der Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung.
Andererseits werden mit der Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 gewöhnlich zwei Löcher durch einen einzelnen oszillierten Strahl bearbeitet. Nun werden das Loch, das durch den Hauptlaserstrahl 5 bearbeitet wird, und das Loch, das durch den Nebenlaserstrahl 6 bearbeitet wird, als ein Hauptloch bzw. ein Nebenloch definiert.
3 ist ein Blockdiagramm, das die Beziehung zwischen Befehlswerten zu dem Hauptgalvanometerscanner 12 und Nebengalvanometerscanner 9 und Koordinaten des Hauptlochs und des Nebenlochs darstellt. Die Koordinaten (x, y) eines Hauptlochs und die Koordinaten (p, q) eines Nebenlochs werden jeweils bestimmt durch den Befehlswert (x_c, y_c), der den Winkel der beiden Hauptgalvanometerscanner 12 justiert, und vier Variablen des Befehlswerts (x_c, y_c), der den Winkel des Hauptgalvanometerscanners 12 justiert, und den Befehlswert (p_c, q_c) , der den Winkel des Nebengalvanometerscanners 9 justiert. D.h. falls der Befehlswert zu einem Galvanometerscanner entschieden ist, bedeutet dies, dass die Koordinaten eines Lochs bestimmt sind.
4 ist ein Flussdiagramm, das die typischen Positionierungsschritte in einer Laserbearbeitungsausrüstung veranschaulicht. Der Positionierungsschritt, der in der Figur gezeigt wird, ist eine Technologie, die gemeinsam auf die Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 1 und die Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 anwendbar ist. Da es auch eine Technologie gibt, die der Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 eigen ist, wie in 3 gezeigt, wird um zu vermeiden, dass die Erläuterung hierin nachstehend kompliziert wird, konzentriert auf die Mehrfachstrahl-Laserbear beitungsausrüstung 2 erläutert. Es wird vermerkt, wenn eine Technologie auf die Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 1 anwendbar ist.
In 4 ist die allgemeine Positionierungsprozedur grob in vier Bearbeitungsschritte unterteilt: einen Kalibrierungsschritt, der einen Erstellungsschritt eines Kalibrierungsmusters (Schritt S1), einen Testbearbeitungsschritt (Schritt S2) und einen Messschritt von Testbearbeitungspositionskoordinaten (Schritt S3) umfasst; einen Positionierungsschritt, der einen Leseschritt der Daten in einer Kalibrierung (Schritt S4), einen Kalkulationsschritt einer Zielpositionskoordinatenmatrix und einer Befehlswertmatrix (Schritt S5) und einen Kalkulationsschritt einer Matrix unbekannter Parameter (Schritt S6) umfasst; einen Musterdatenerstellungsschritt, der einen Erstellungsschritt der Zielpositionsdaten eines Bearbeitungsmusters (Schritt S7) umfasst; und einen Online-Bearbeitungsschritt, der einen Arbeitskompensationsschritt (Schritt S8), einen Befehlswertkalkulationsschritt (Schritt S9) und einen Ausgabeschritt eines Befehlswerts (Schritt S10) umfasst.
Zuerst werden die Hauptzielpositionsdaten (diese Hauptzielpositionskoordinaten werden durch die Zahl eines Testlaufes beschrieben) und Nebenzielpositionsdaten (diese Nebenzielpositionsdaten werden durch die Zahl eines Testlaufes beschrieben) für die Kalibrierung vorbereitet (Schritt S1). Muster, wie etwa ein gitterartiges Anordnungsmuster und ein zufälliges Muster, sind als die Hauptzielpositionsdaten oder Nebenzielpositionsdaten ausreichend. Obwohl die Zahl von Daten mit einer Positionsgenauigkeit vom Bohren variiert, werden 100 Daten in dem Beispiel der Operation, die später erläutert wird, eingerichtet.
Es wird tatsächlich ein Loch in das Material für eine Testbearbeitung mit einem Laserstrahl unter Verwendung der Daten für die Kalibrierung gemacht (Schritt S2). Und es wird die Position des bearbeiteten Loches mit der CCD-Kamera 16 abgebildet, und die Koordinaten des bearbeiteten Loches werden gemessen (Schritt S3). Die gemessenen Koordinatendaten des bearbeiteten Loches werden zu dem folgenden Positionierungsschritt weitergegeben. Die tatsächliche Messung wird durch Bewegen des XY-Tisches 15 direkt unter der CCD-Kamera 16 und Abbilden der Position eines Testbearbeitungsloches durchgeführt. Da die Positionen des Galvanometerspiegels 11 und der CCD-Kamera 16 fixiert sind, können, falls die relative Position von beiden bekannt ist, die Koordinaten der genauen Lochposition erhalten werden.
Obwohl zwei Löcher, ein Hauptloch und ein Nebenloch, durch den einzelnen Laserimpuls gleichzeitig bearbeitet werden, wird mit der Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 die Kalibrierung in der Reihenfolge des Hauptloches und eines Nebenloches durchgeführt. Dies ist so, da das Nebenloch im Zeitpunkt der Kalibrierung der Hauptablenkung unnötig ist, und das Nebenloch im Zeitpunkt der Kalibrierung der Nebenablenkung unnötig ist. Da es außerdem notwendig ist, eines von dem anderen zu unterscheiden, falls ein Hauptloch und ein Nebenloch gleichzeitig existieren, wenn die Position eines Loches mit der CCD-Kamera gemessen wird, muss ein Abfangen von einem der beiden Strahlen unter Verwendung eines Verschlusses etc. im Zeitpunkt einer Kalibrierung betrachtet werden.
Der Positionierungsschritt wird für sowohl das Hauptloch als auch das Nebenloch durchgeführt. Beide Bearbeitungen sind gemeinsam, mit Ausnahme dessen, dass die Zahl von Spalten der Matrix wegen einem Unterschied in der Zahl von unbekannten Parametern (die Zahl von Termen des Polynoms) unterschiedlich ist.
Die Befehlswertdaten der Nebenablenkung für die Kalibrierung, Bearbeitungspositionsdaten und die Zielpositionsdaten der Hauptablenkung in diesem Zeitpunkt werden gelesen (Schritt S4). Dann wird Matrix A_ex aus den Bearbeitungspositionsdaten und den Zielpositionsdaten erhalten, und Matrix B_ex wird aus den Befehlswertdaten erhalten (Schritt S5). Um den Positionsunterschied zwischen dem Zielloch und dem tatsächlichen Loch zu optimieren, werden die Matrix A_ex und die Matrix B_ex, die in dem Schritt S5 erhalten werden, verwendet, um eine Matrix unbekannter Parameter X basierend auf einer bestimmten Vorzugsfunktion (z.B. Verfahren kleinster Quadrate) zu kalkulieren (Schritt S6). Die Matrix unbekannter Parameter X, die hier erhalten wird, wird zu dem Online-Bearbeitungsschritt weitergegeben.
In dem Musterdatenerstellungsschritt erstellt der Bediener einer Laserbearbeitungsausrüstung die Zielpositionsdaten eines gewünschten Musters zum Herstellen von Löchern auf einer gedruckten Leiterplatte etc. und übergibt diese Daten der Online-Bearbeitung (Schritt S7).
In der Arbeitskompensation des Online-Bearbeitungsschrittes, wenn das Werkstück 14 tatsächlich auf der XY-Plattform eingerichtet wird, werden eine Verzerrung der Form eines Werkstücks, Deformation etc. erfasst, und es wird der Kompensationswert kalkuliert (Schritt S8). In einem tatsächlichen Prozess misst die Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 die Koordinaten der Markierung, die im voraus an dem Werkstück angebracht wird, unter Verwendung der CCD-Kamera und der XY-Plattform. Wenn in der voreingestellten Position ohne Expansion oder Zusammenziehung in einem Werkstück ideal installiert, kann der Prozess durchgeführt werden wie es ist. In der Praxis jedoch kann das Werkstück eine Expansion oder Zusammenziehung aufweisen, oder es ist schwierig, das Werkstück in einer voreingestellten Position in der XY-Plattform präzise einzurichten. Es ist deshalb notwendig, die Zielpositionsdaten, die das Bearbeitungsmuster enthalten, basierend auf den Koordinaten der Markierung zu korrigieren, und diese Korrekturbearbeitung ist die Arbeitskompensation. Dann wird aus dem Arbeitskompensationswert, der in dem Schritt S8 kalkuliert wird, und dem Ausgabewert von dem Positionierungs schritt ein Befehlswert kalkuliert (Schritt S9), und der Befehlswert wird zu dem Galvanometerscanner ausgegeben (Schritt S10).
Wenn die Richtung dieser physikalischen Korrelation als die Abbildung der positiven Richtung betrachtet wird, wird die Abbildung einer negativen Richtung in 3 in der tatsächlichen Bearbeitung benötigt. Die Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 muss den Befehlswert kalkulieren, der dem Galvanometerscanner für die Koordinaten des Loches, das der Bediener herzustellen wünscht, gegeben werden sollte. Deshalb wird das Umkehrabbildungsmodell auf die Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 angewendet, sodass die Umkehrabbildung im Innern durchgeführt werden kann. Das Blockdiagramm, das diese Beziehung veranschaulicht, wird in 5 gezeigt.
5 ist ein Blockdiagramm, das die Beziehung zwischen den Zielpositionskoordinaten, dem Befehlswert und den Bearbeitungspositionskoordinaten in der Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung darstellt, wo das Umkehrabbildungsmodell auf das Blockdiagramm in 3 angewendet wird. Die Koordinaten für die Hauptablenkung sind x und y, und die Koordinaten für die Nebenbearbeitung werden mit p und q ausgedrückt. Die tiefgestellten Buchstaben c, d und e zeigen einen Befehlswert (Steuerung, control), einen Zielwert (Wunsch, desire) bzw. einen Schätzwert (schätzen, estimate) an.
In dieser Figur werden die Hauptzielpositionskoordinaten (x_d, y_d) in den Hauptbefehlswert (x_c ^e, y_c ^e) durch das Hauptumkehrabbildungsmodell konvertiert, die Steuervorrichtung 17 der Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 transferiert den Hauptbefehlswert (x_c ^e, y_c ^e) zu dem Hauptgalvanometerscanner 12, und dann wird ein Loch in der Position des Hauptlochs (x^e, y^e) hergestellt. Obwohl es ein Idealfall ist, falls die Beziehung von x^e = x_d und y^e = y_d realisiert wird, wird bezüglich des Hauptlochs angenommen, dass in der Praxis ein Fehler auftritt. Bezüglich eines Nebenloches andererseits, wenn in einen Nebenablenkungsbefehlswert (p_c ^e, q_c ^e) durch das Nebenumkehrabbildungsmodell konvertiert, unterscheidet es sich von dem Hauptloch, um nicht nur die Nebenzielpositionskoordinaten (p_d, q_d) zu verwenden, sondern auch die Hauptzielpositionskoordinaten (x_d, y_d). Dies ist so, wie oben erwähnt, da ein Nebenloch durch insgesamt vier Variablen bestimmt wird: der Befehlswert, der den Winkel des Hauptgalvanometerscanners 12 justiert, und der Befehlswert, der den Winkel der Nebengalvanometerscanner 9 justiert.
Das Umkehrabbildungsannäherungsmodell, das in 5 gezeigt wird, und wie der unbekannte Parameter durch das Verfahren kleinster Quadrate zu erhalten ist, wird detailliert erläutert.
In der vorliegenden Erfindung wird das Polynom, das nachstehend gezeigt wird, als das Umkehrabbildungsannäherungsmodell verwendet. Die Hauptbefehlswerte x_c ^e und y_c ^e werden als
ausgedrückt, wobei m_i,j, n_i,j (i, j = 0, 1, 2, ... entsprechen dem Grad von x_d bzw. y_d) die Koeffizienten des Polynoms sind, und sind die unbekannten Parameter.
Ähnlich werden die Nebenbefehlswerte p_c ^e und q_c ^e als
ausgedrückt, wobei m_i,j,k,l, n_i,j,k,l (i, j, k, 1 = 0, 1, 2, ... entsprechen dem Grad von x_d, y_d, p_d bzw. q_d) die Koeffizienten des Polynoms sind (die unbekannten Parameter).
Dann können (1) und (2) in einen bekannten Koeffizientenanteil und einen unbekannten Koeffizientenanteil durch den Matrixausdruck unterteilt werden. In dem Fall der Hauptablenkung
und in dem Fall der Nebenablenkung
Die Matrix X wird als die Matrix unbekannter Parameter bezeichnet.
Wie mit dem Flussdiagramm von 4 erläutert, wird der unbekannte Parameter aus den Ergebnissen von mehreren Vorabtestläufen, die die Kalibrierung genannt werden, erhalten.
Ein Mal von einem Testlauf ergibt eine Menge von Daten, z.B. xce, yce, x und y für die Hauptablenkung und x_c ^e, y_c ^e, p_c ^e, q_c ^e, p und q für die Nebenablenkung. Falls die Testlaufzahl auf der linken Seite beigefügt wird, ist es möglich,
zu definieren.
Falls die Testläufe für die Kalibrierung in 100 Punkten durchgeführt werden, werden 100 Mengen in der Matrix ⁱA und der Matrix ⁱB erhalten. Diese Matrizen werden vertikal angeordnet, und es werden ferner die folgenden Matrizen definiert (entspricht dem Schritt S5 in 4).
Es ist lediglich notwendig, die Matrix unbekannter Parameter X zu erhalten, die die folgende Vorzugsfunktion in dem Verfahren kleinster Quadrate minimiert hat. J = (AexX – Bex)T(AexX – Bex) = (Beex – Bex)T(Beex – Bex) (8)
Die Matrix unbekannter Parameter X, die J minimiert hat, wird aus X = (ATex Aex)–1 ATex Bex (9) erhalten (entspricht dem Schritt S6 in 4). Aus der Matrix unbekannter Parameter X ist es auch möglich, den Befehlswert zu kalkulieren und auszugeben, um den Galvanometerscanner zu steuern (Schritte S9 und S10 in 4).
Eine Bestimmung des Grades des polynomischen Modells geschieht abhängig davon, wie nichtlinear die Charakteristik des Systems von Interesse ist und wie gut die Annäherungsgenauigkeit sein sollte. Obwohl die Annäherungsgenauigkeit gut wird, wenn der Grad eines Polynoms angehoben wird, existiert allgemein ein Problem darin, dass sich die notwendigen Kalibrierungspunkte erhöhen oder sich die Kalkulationszeit von Befehlswerten in der Online-Bearbeitung erhöht.
6 ist ein Flussdiagramm, das die Positionierungsschritte durch das Gewichtungsverfahren veranschaulicht. Der Bearbeitungsschritt in 6 wird grob in vier Bearbeitungsschritte wie in 4 unterteilt: einen Kalibrierungsschritt, einen Positionierungsschritt, einen Musterdatenerstellungsschritt und einen Online-Bearbeitungsschritt. Ein von 4 verschiedener Punkt ist eine Bearbeitung durch die Positionsbeziehung zwischen den Bearbeitungspositionsdaten des Testbearbeitungsloches, die in Schritt S3 gemessen werden, und den Zielpositionskoordinaten, die in Schritt 57 vorbereitet werden, was von nun an vorzunehmen ist (z.B. Größe vom Abstand) (Schritt S11), und eine Kalkulation der Gewichtungsmatrix durch den positionsbezogenen Unterschied (Schritt S12), um die Matrix unbekannter Parameter X zu erhalten. Bezüglich der anderen Bearbeitung ist es die gleiche Bearbeitungsprozedur wie die in 4, und den gleichen Teilen sind die gleichen Bezugszeichen zugewiesen.
Wenn die Vorzugsfunktion in Anbetracht einer Gewichtung auf Jw eingerichtet ist, ergibt sich Jw durch Jw = (WAexX – WBex)T(WAexX – WBex) (10) aus (8), und die Lösung Xw, die diese Vorzugsfunktion Jw minimiert, wird als Xw = (ATex WTWAex)–1 ATex WTWBex (11) = (ATex QAex)–1 ATex QBex (12)aus der Analogie von (9) erhalten, wobei Q = W^TW ist.
7 ist ein schematisches Diagramm, das das Konzept eines Positionierungsprozesses durch ein Gewichtungsverfahren für jeden Lochblock gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. 7 veranschaulicht ein bearbeitetes Werkstück, in dem das Loch mit dem Kalibrierungsmuster hergestellt wird und die Position des Loches. In dieser Figur zeigen 31, 32, 33 und 34 das Werkstück, ein bearbeitetes Loch durch die Kalibrierung, ein Loch, das herzustellen ist, bzw. die Zielpositionsdatengruppe, die herzustellen ist, an.
Im wesentlichen wird ein Abstand zwischen dem herzustellenden Zielloch 33 und dem bearbeiteten Loch 33 durch die Kalibrierung kalkuliert. Falls der Abstand kurz ist, wird die Gewichtung der Daten hinzugefügt, und falls der Abstand groß ist, wird die Gewichtung der Daten subtrahiert. Als ein konkretes Beispiel ist der Abstand d definiert als der Abstand zwischen den Hauptzielpositionskoordinaten in dem Zeitpunkt einer Kalibrierung (ⁱx_d, ⁱy_d) (i = 1, ..., 100) und den herzustellenden Hauptzielpositionskoordinaten (x_d, y_d).
Außerdem kann, wenn die Nebenablenkung verwendet wird, und sogar wenn sowohl die Hauptablenkung als auch die Nebenablenkung verwendet werden, der Abstand ähnlich definiert werden.
Es ist lediglich notwendig, eine Gewichtung zu diesem Abstand zu definieren. Z.B. werden die folgenden Normalverteilungen betrachtet,
wobei σ die Streuung der Verteilung ist, und ein freier Parameter ist. Es kann ein sehr genaues Modell erwartet werden, falls die Streuung klein gemacht wird. Falls jedoch die Streuung zu klein gemacht wird, nähert sich die Gewichtung 0 in einem bestimmten Abstand unendlich an, und es wird unmöglich, die Umkehrmatrix zu kalkulieren. Die Gewichtung kann derart definiert werden, dass die Gewichtungsmatrix W W = diag{1w,2w, ...100w} (15)zu dem herzustellenden Zielloch 33 erfüllt. Das diag bedeutet die Diagonalmatrix. Die Matrix unbekannter Parameter X kann aus (11) als X = (ATex WTWAex)–1 ATex WTWBex (16)unter Verwendung der Gewichtungsmatrix W erhalten werden.
Das Gewichtungsverfahren für jeden Lochblock addiert die Gewichtung zu den Daten mit einem nahen Abstand als die Daten mit einer hohen Zuverlässigkeit, während die Gewichtung von den Daten mit einem weiten Abstand als die Daten mit einer geringen Zuverlässigkeit subtrahiert wird. Dieses Konzept ist dem bloßen Verfahren kleinster Quadrate überlegen, wie in (4) erläutert, welches den Daten mit einem nahen Abstand und den Daten mit einem weiten Abstand gleichermaßen eine gleichförmige Behandlung gibt.
Die obige Bearbeitung entspricht den Bearbeitungsprozeduren von Schritt S11, Schritt S12 und Schritt S6 in dem Positionierungsschritt von 6. In dem Schritt S9 in dem Online-Bearbeitungsschritt jedoch, da sie eine Matrix unbekannter Parameter für jedes Loch vorbereiten muss, benötigt sie eine große Speicherkapazität, obwohl sie sehr genau ist.
Es wird daher empfohlen, die herzustellenden Zielpositionsdaten in eine Gruppe wie die Zielpositionsdatengruppe 34 zu unterteilen, und z.B. den Schwerpunkt der Zielpositionsdatengruppe 34 die Koordinaten des repräsentativen Loches zu machen, und lediglich eine Matrix unbekannter Parameter für eine ganze Gruppe zu kalkulieren. Außerdem kann der Bediener der Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 gemäß der ersten Ausführungsform die Form der Gruppe frei ändern oder die Gruppe teilweise gemäß dem Zweck einer Verwendung feiner machen.
Obwohl die Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 oben erläutert wurde, ist es außerdem selbstverständlich, dass das Konzept des Positionierungsprozesses durch ein Gewichtungsverfahren für jeden Lochblock auf die Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 1 anwendbar ist.
Wenn ein polynomisches Modell verwendet wird, wird eine Bestimmung des Grades des polynomischen Modells abhängig davon vorgenommen, wie nichtlinear die Charakteristik des Systems von Interesse ist und wie gut die Annäherungsgenauigkeit sein sollte. Obwohl die Annäherungsgenauigkeit gut wird, wenn der Grad eines Polynoms angehoben wird, erhöhen sich im Allgemeinen die notwendigen Kalibrierungspunkte oder es erhöht sich die Kalkulationszeit in dem Kalkulationsschrittbefehlswert in der Online-Bearbeitung (Schritt S9 in 6).
Deshalb wird in Betracht gezogen, die Annäherungsgenauigkeit zu erhöhen, ohne die Kalkulationszeit in der Online-Bearbeitung zu sehr zu erhöhen, und auch ohne die notwendigen Kalibrierungspunkte zu erhöhen. Es gibt eine zweite Ausführungsform, die dieses Konzept auf die Steuervorrichtung 17 der Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 1 oder der Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 anwendet.
Der Positionierungsschritt gemäß der zweiten Ausführungsform kann durch das Flussdiagramm von 6 wie die erste Ausführungsform ausgeführt werden. Prozesse, die sich von jenen der ersten Ausführungsform unterscheiden, sind der Bearbeitungsschritt gemäß der Positionsbeziehung des Positionierungsschritts (Schritt S12) und der Kalkulationsschritt der Gewichtungsmatrix W (Schritt S13).
8 ist ein schematisches Diagramm, das die Idee einer Unterteilung der Oberfläche des Werkstücks in 7 in vier Bereiche darstellt. Zuerst wird, wie in 8 gezeigt, der Bearbeitungsbereich des Werkstücks in vier Bereiche unterteilt: Bereich 1 – Bereich 4. In dieser Figur ist 41 das Werkstück, 42 ist das Kalibrierungsloch, das durch die Kalibrierung bearbeitet wird, 43 ist das Zielloch, das zu bearbeiten ist, 44 ist der Bereich, der der Gegenstand einer Lochbearbeitung ist (Bereich 1 in der Figur), und 45 ist der Bereich, der kein Gegenstand einer Lochbearbeitung ist (Bereich 4 in der Figur). Durch jeweiliges Herstellen eines Umkehrabbildungsmodells für jeden Bereich, d.h. Herstellen eines lokalen Modells, ist eine Verbesserung der Annäherungsgenauigkeit zu erwarten.
Falls der Grad eines Polynoms als ein Umkehrabbildungsmodell bestimmt wird, werden erforderliche Kalibrierungspunkte entsprechend entschieden. Wenn es wenige Kalibrierungspunkte gibt, ist eine Matrix nicht länger nicht-singulär, und es wird unmöglich, eine Umkehrmatrix zu kalkulieren, obwohl eine Operation durch (16) in der Bearbeitung des Schrittes S6 von 6 in diesem Zeitpunkt durchgeführt wird.
Wie in 8 gezeigt wird angenommen, dass sich das Zielloch 43, das zu bearbeiten ist, im Bereich 1 befindet. Wenn der Bereich 1 zu dem Zielbereich 44 gemacht wird, ist es die intuitive Technik zum Kalkulieren des Koeffizienten des Umkehrabbildungsmodellpolynoms für den Zielbereich 44, eine Kalkulation unter Verwendung nur dessen durchzuführen, was es in dem Zielbereich unter Kalibrierungsdaten gibt. Falls diese Technik verwendet wird, muss jedoch die Kalibrierung in dem Zielbereich aus dem obigen Grund vollständig durchgeführt werden, und die Zeit für eine Kalibrierung wird sich erhöhen.
Aus diesem Grund wird bei einer Kalkulation des Koeffizienten des Umkehrabbildungsmodellpolynoms vom Zielbereich eine gemeinsame Verwendung der Kalibrierungsdaten in dem Nicht-Zielbereich 45 betrachtet. Dann wird die Matrix unbekannter Parameter durch Anwendung einer Gewichtung 1 auf die Kalibrierungsdaten in dem Zielbereich und Anwendung von 0 < Gewichtung < 1 (z.B. 0,1 etc.) auf die Kalibrierungsdaten in dem Nicht-Zielbereich kalkuliert. Somit kann eine Matrix unbekannter Parameter, die dem Zielbereich eigen ist, ohne Erhöhung der Kalibrierungsdaten in dem Zielbereich durch Anwenden einer Gewichtung effektiv kalkuliert werden. Wenn sich der Test 1 innerhalb des Zielbereichs befindet, und der Test 2 und 3 innerhalb des Nicht-Zielbereichs sind, kann W als W = diag {1, 0.1, 0.1, ...} (17)unter Verwendung der Diagonalmatrix (diag) ausgedrückt werden.
Da sich in dem obigen Beispiel der Test 1 innerhalb des Zielbereichs befindet, und der Test 2 und 3 innerhalb des Nicht-Zielbereichs sind, bedeutet es nämlich, dass es lediglich notwendig ist, eine Gewichtungsmatrix herzustellen, deren diagonale Elemente in einer Reihenfolge 1, 0,1, ..., 0,1 sind.
Eine Matrix unbekannter Parameter kann unter Verwendung der folgenden Gleichung (16) berechnet werden. X = (ATex WTWAex)–1 ATex WTWBex (16)
Außerdem ist die Zahl einer Unterteilung eines Bereichs nicht auf vier begrenzt, sondern es ist eine beliebige Zahl ausreichend, solange wie sie eine Vielzahl ist.
Die Form eines Bereiches ist nicht auf ein Rechteck begrenzt. Z.B. kann jeder der Bereiche das Ergebnis einer Unterteilung durch einen Kreis sein, dessen Mittelpunkt der Mittelpunkt des Ursprungs ist.
Das oben beschriebene schnelle Gewichtungsverfahren kann gemeinsam auf sowohl die Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 1 als auch die Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 2 angewendet werden.
Falls sich ein System mit der Zeit nicht ändert, ist lediglich das erste eine Mal einer Kalibrierung genug. In der Praxis zeigt jedoch ein beliebiges System eine zeitabhängige Schwankung wegen einer Änderung einer Linsencharakteristik oder einer Änderung der Strahlencharakteristik etc., hervorgerufen durch Wärme. Der Bediener einer Laserbearbeitungsausrüstung muss eine Kalibrierung erneut durchführen, wenn er beurteilt, dass sich das System mit einem Zeitverfall geändert hat.
Es ist jedoch keine gute Idee, die Arbeit erneut zu tun, wann immer eine Änderung eines Systems mit der Zeit auftritt, was eine Bearbeitung unterbricht, eine weitere Testbearbeitung für Hunderte von Punkten durchführt und Bearbeitungspositionen mit einer CCD-Kamera überprüft.
Aus diesem Grund wurde das Konzept eines Vergessensfaktors als eine Bearbeitung zum Anheben einer Annäherungsgenauigkeit ohne Erhöhung der Bearbeitungszeit in einer Kalibrierungsbearbeitung und einer Positionierungsbearbeitung eingeführt. Es ist eine dritte Ausführungsform, die die Kalibrierungsbearbeitung unter Verwendung des Vergessensfaktors auf die Steuervorrichtung 17 der Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 1 oder der Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsvorrichtung 2 anwendet.
Gewöhnlich wird im Sinne der Testpunkte, die für ein Mal einer Kalibrierung erforderlich sind, nach Bestimmung des Grades des polynomischen Modells abhängig davon, wie nichtlinear das optische System ist und wie gut die Annäherungsgenauigkeit sein sollte, mindestens die Zahl von Termen des Polynoms benötigt. Eine Matrix muss außerdem einen vollen Rang aufweisen, um eine inverse Matrix zu kalkulieren, was der Information entspricht, die durch die Kalibrierung erlangt wird, die reich genug ist. Es wird angenommen, dass die Testpunkte der ersten Kalibrierung 100 Punkte sind, die zweite Kalibrierung auch 100 Testpunkte verwendet und die Matrix unbekannter Parameter X durch die Matrix, die aus der neuen Kalibrierung aufgestellt wird, erneut kalkuliert wird.
Matrix A_ex und Matrix B_ex, die aus der ersten Kalibrierung erhalten werden, werden wie folgt aus (7) ausgedrückt.
Da die Testzahl von 101 in der Kalibrierung der zweiten fortan ist, können Matrix A_ex und Matrix B_ex als
ausgedrückt werden. Die Matrix unbekannter Parameter kann unter Verwendung der neu aufgestellten Matrix kalkuliert werden. Eine Durchführung von Hunderten von Punkten einer Testbearbeitung, wann immer eine Änderung eines Systems mit der Zeit auftritt, hat jedoch das Problem, dass sie zu viel Zeit benötigt. Um dieses Problem zu bewältigen, werden die folgenden Dinge betrachtet. Die Gleichung (12), um die Matrix unbekannter Parameter X zu berechnen, ist X = (ATex QAex)–1 ATex QBex (12)(wobei Q = W^TW).
Durch Definieren von D und N in (12) als D = ATex QAex (19) N = ATex QBex (20)kann (12) als ausgedrückt werden. Die Zahl 1 rechts unten von X₁ bedeutet die Zahl von Malen einer Kalibrierung. Nun wird eine Kalkulation eines Parameters durch eine Erhöhung der Zahl von Bearbeitungslöchern betrachtet, nämlich eine neue Erhöhung mehrerer Mengen von Kalibrierungsdaten. Dann kann die Gleichung wie folgt geschrieben werden: X2 = (D + d2)–1(N+n2) (22) wobei d₂ und n₂ Matrizen sind, die aus den Kalibrierungsdaten von neu bearbeiteten Löchern aufgestellt werden. Obwohl es ideal ist, wenn eine Kalkulation eines Parameters d2 –1 n2 = ... (23)nur durch d₂ und n₂ möglich ist, können d₂ und n₂ nicht kalkuliert werden, falls die Anzahl von Daten nicht ausreichend ist. Dies ist so, da falls die Anzahl von Daten nicht ausreichend ist, d₂ ^–1 kein voller Rang sein kann, und folglich keine Umkehrmatrix aufstellen kann.
Es kann jedoch ein Parameter unter Verwendung von (22) kalkuliert werden, wenn sich das System mit einer Temperaturänderung etc. ändert, obwohl die neu erhaltenen Daten zuverlässig sind, sind die vergangenen Daten nicht notwendigerweise so zuverlässig.
Um das Problem zu bewältigen, wird der Vergessensfaktor k als die Zuverlässigkeit der vergangenen Daten oder ein Grad des Ausmaßes eingeführt, der die vergangenen Daten vergisst. k ist eine reelle Zahl in dem Bereich von 0 ≤ k ≤ 1. k = 0 entspricht dem, die Information im Vergangenen überhaupt nicht zu verwenden, und k = 1 entspricht einer Verwendung aller Information im Vergangenen, d.h. nicht vergessen.
Die Matrix unbekannter Parameter X₂ wird X2 = (kD + d2)–1(kN + n2) (24)
Hiernach ist lediglich notwendig, diese Bearbeitung in jeder Kalibrierung zu wiederholen.
9 ist ein Flussdiagramm, das den Prozessfluss gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht. Diese Figur veranschaulicht den Prozessfluss nur von einem Abschnitt, bezogen auf die Kalibrierungsbearbeitung unter Verwendung des Verges sensfaktors unter Bearbeitungen des Kalibrierungsschrittes, des Positionierungsschrittes und des Online-Bearbeitungsschrittes in 6, die die Prozessflüsse der ersten und zweiten Ausführungsformen darstellt.
In 9 wird eine Testbearbeitung, die dem Kalibrierungsschritt von 6 entspricht, in dem Zeitpunkt der ersten Kalibrierung durchgeführt (Schritt S20). Dann werden eine Erstellung von D₁ und N₁, die dem Positionierungsschritt von 6 (Schritt S21) entspricht, und eine Kalkulation von X₁ (Schritt S22) durchgeführt und im Speicher gesichert. Es wird eine Kalkulation des Befehlswerts, die dem Online-Bearbeitungsschritt von 6 entspricht, durchgeführt (Schritt S23), und es wird eine Musterbearbeitung durchgeführt (Schritt S24). Das Ende der Musterbearbeitung wird zuletzt beurteilt (Schritt S25), und wenn die Musterbearbeitung erfolgreich ausgeführt ist, wird beurteilt, ob es eine beliebige zeitliche Änderung gibt (Schritt S26). Falls es keine Änderung in der Zeit gibt, wird eine Serie einer Musterbearbeitung durch den Instruktionswert fortgesetzt, kalkuliert basierend auf dem aktuellen unbekannten Parameter X.
Wenn in Schritt S26 eine Beurteilung getroffen wird, dass es eine Änderung in der Zeit gibt, verlagert sie sich zu einer Bearbeitung des i+1 Kalibrierungsschrittes. Hier werden eine Testbearbeitung durch das neue Testmuster von mehreren Punkten und eine Messung von Bearbeitungspositionskoordinaten durchgeführt (Schritt S27), d und n werden basierend auf dieser Bearbeitungslochinformation in mehreren Punkten erstellt (Schritt S28) , und D_i+1 und N_i+1 werden basierend auf der Gleichung erstellt, die den Vergessensfaktor verwendet, gezeigt in der Figur (Schritt S29), und es wird X_i+1 kalkuliert (Schritt S30). Danach werden Kalkulation (Schritt S23) und Musterbearbeitung (Schritt S24) eines Instruktionswertes wie die erste Kalibrierung durchgeführt.
(21) mit (19) vergleichend, kann (21) von dem Punkt sogar bessere Ergebnisse erhalten, dass den neu gemessenen Daten eine Zuverlässigkeit festgesetzt wird. Da es eine genügende Anzahl von Daten gibt, verringert sich anders als bei (20) der Rang der Matrix nicht, und die Umkehrmatrixkalkulation wird nicht unmöglich.
Des Weiteren wird die Parametergleichung in dem Zeitpunkt der dritten Kalibrierung X3 = (k(kD + d2) + d3)–1(k(kN + n2)+ n3) (25) = (k2D + kd2 + d3)–1(k2N + kn2 + n3) (26)und die ersten Daten werden vergessen, wann immer sich die Zahl von Malen einer Kalibrierung erhöht. Wie in (21)–(23) dargestellt, ist es nicht notwendig, alle Testdaten in der vergangenen Kalibrierung zu behalten, sondern es ist ausreichend, zwei Matrizen, Matrix N und Matrix D, zu behalten, die für jede Kalibrierung erstellt werden.
Wenn die Zahl von Testpunkten in einer neuen Kalibrierung geringer als die Terme eines Modellpolynoms ist, ist das folgende Verfahren, das eine Addition in dem Zeitpunkt der Operation einer Umkehrmatrix betrachtet, wirksam.
Falls es nun D^–1 = P in (21) vergibt, d.h. falls P_i derart definiert ist, dass X_i = P_iN_i ist, kann die i+1 Matrix wie folgt aus Matrix P_i in dem Zeitpunkt der i-ten Kalibrierung kalkuliert werden: Pi+1 = (kPi –1 + αTqα)–1 (27)
Um die Gleichung einfach auszudrücken, werden Matrix A_ex, die aus den neu gemessenen Daten in der i+1-ten Kalibrierung er halten wird, und die Gewichtungsmatrix Q in diesem Zeitpunkt (=W^TW) als a bzw. q beschrieben. X_i+1 wird unter Verwendung der P_i+1 als Xi+1 = Pi+1Ni+1 = Pi+1(kNi + ni+1) (29) = Pi+1(kDiXi + ni+1) (30)erhalten, wobei n_i+1 (=a^Tqb) die Matrix A_exQB_ex ist, die aus den neu gemessenen Daten in den i+1-ten Kalibrierungen erhalten wird.
10 ist ein Flussdiagramm, das den Prozessfluss eines Spezialfalls in dem Flussdiagramm von 9 veranschaulicht (Anzahl von neuen Testläufen < Anzahl von Termen in Polynomen). Es wird das gleiche Symbol dem Abschnitt des gleichen Bearbeitungsschrittes wie 9 zugewiesen. Hiernach wird es unter Konzentration auf einen anderen Abschnitt von dem Fluss von 9 erläutert.
In 10 werden D₁, N₁ und P₁ im Schritt S41 in dem Zeitpunkt der ersten Kalibrierung erstellt. In Schritt S42 wird X₁ unter Verwendung dieser P₁ kalkuliert. Was eine Kalkulation des Instruktionswerts und eine Musterbearbeitung etc. in Schritten S23–S27 betrifft, ist sie die gleiche wie die von 9. In dem i+1-ten Kalibrierungsschritt werden a, b und q in dem Schritt S43 kalkuliert, P_i wird unter Verwendung des Vergessensfaktors k kalkuliert und P_i+1 wird aus a und (28) in dem Schritt S44 kalkuliert. N_i+1 und X_i+1 werden in den Schritten S45 bzw. S46 kalkuliert. Dann werden eine Kalkulation des Befehlswerts und die Musterbearbeitung auf die gleiche Art und Weise wie die erste Kalibrierung durchgeführt.
In diesem Verfahren entspricht die Umkehrmatrixkalkulation dem zweiten Term von (28), und die Größe der Matrix ist [Zahl der neuen Testpunktes] ×[Zahl des neuen Testpunktes]. Da die Größe der Matrix für die Umkehrmatrixkalkulation in (24) [Zahl der Terme des Polynoms] × [Zahl der Terme des Polynoms] ist, ist es, falls [Zahl des neuen Testpunktes] < [Zahl der Terme des Polynoms] ist, möglich, die Kalkulationsbelastung zu reduzieren. Dies kann eine Verkürzung der gesamten Bearbeitungszeit in einem System, das einer Bearbeitungszeit gegenüber einer Bearbeitungsgenauigkeit Priorität gibt, durch Kompaktmachen einer Größe einer Matrix und Verkürzen der Kalkulationszeit, um eine Umkehrmatrix zu erhalten, erreichen.
Außerdem ist die Kalibrierungstechnik, die den oben erwähnten Vergessensfaktor verwendet, gewöhnlich auf sowohl die Einzelstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung 1 als auch die Mehrfachstrahl-Laserbearbeitungsausrüstung anwendbar.
Da wie oben beschrieben gemäß der vorliegenden Erfindung die Steuereinheit eine Matrix unbekannter Parameter durch Gewichtung der Koordinaten der bearbeiteten Position und des Befehlswerts gemäß einem Abstand zwischen den Koordinaten der Zielposition und den Koordinaten der bearbeiteten Position kalkuliert, ist es möglich, Fehler zu reduzieren, die durch den Modellfehler zwischen dem konventionellen polynomischen Modell und dem tatsächlichen System verursacht werden, und selbst wenn die Annäherungsgenauigkeit angehoben wird, ist es möglich, eine Erhöhung von Kalibrierungszeit und Kalkulationszeit zu unterdrücken.
Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Steuereinheit eine Matrix unbekannter Parameter kalkuliert durch Unterteilen einer Oberfläche des Werkstücks in eine Vielzahl von Bereichen, Anwenden einer Gewichtung von Eins auf einen Bereich mit der Zielposition und Anwenden einer Gewichtung kleiner als Eins auf einen Bereich ohne die Zielposition, selbst wenn die Annäherungsgenauigkeit eines polynomischen Modells angehoben wird, ist es möglich, eine Erhöhung von Kalibrierungszeit und Kalkulation zu unterdrücken und die Prozessgenauigkeit aufrechtzuerhalten, obwohl die Größe vom Werkstück geändert wird.
Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Steuereinheit eine Matrix unbekannter Parameter kalkuliert durch Gewichtung der Koordinaten der bearbeiteten Position und des Befehlswerts gemäß einem Vergessensfaktor k, wobei 0 ≤ k ≤ 1 ist, verbunden mit der Zeitinformation des Befehlswerts, selbst wenn die Annäherungsgenauigkeit eines polynomischen Modells angehoben wird, ist es möglich, eine Erhöhung von Kalibrierungszeit und Kalkulationszeit zu unterdrücken und die Prozessgenauigkeit selbst gegen Änderung der Größe vom Werkstück und/oder zeitliche Variation vom Status des Systems auf rechtzuerhalten.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie oben beschrieben, ist die Laserstrahlpositionierungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsausrüstung gemäß der vorliegenden Erfindung für eine feinfühlige Technologie, wie etwa Bohren, Schneiden, Abkanten und Ritzen von PCBs, an denen elektronische Teile angebracht werden, geeignet.

Claims

Laserstrahlpositionierungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsausrüstung, umfassend: eine Plattform (15), wo ein Werkstück (14) platziert wird; einen Laseroszillator (3), der einen Laserstrahl (2) emittiert; eine optische Einheit (4, 11, 13), die den Laserstrahl (2) lenkt, sodass der Laserstrahl (2) das Werkstück (14) bestrahlt, das auf der Plattform (15) platziert ist; eine Strahlenabtasteinheit (12), die den Laserstrahl (2) abtastet, der durch die optische Einheit (4, 11, 13) gelenkt wird, basierend auf einem Befehlswert, um das Werkstück (14) zu bearbeiten; eine Messeinheit (16), die eine bearbeitete Position auf dem Werkstück (14) misst, in der die Laserbearbeitung durchgeführt wurde; und eine Steuereinheit (17), die den Befehlswert von Koordinaten der bearbeiteten Position und Koordinaten einer Zielposition kalkuliert, wobei die Steuereinheit (17) eine Matrix unbekannter Parameter durch Gewichtung der Koordinaten der bearbeiteten Position und des Befehlswerts gemäß einem Abstand zwischen den Koordinaten der Zielposition und den Koordinaten der bearbeiteten Position kalkuliert, wobei die Matrix unbekannter Parameter den Befehlswert optimal bestimmt, um den Laserstrahl (2) auf die Zielposition auf dem Werkstück (14) zu lenken.
Laserstrahlpositionierungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (17) die Matrix unbekannter Parameter durch Gewichtung der Koordinaten der bearbeiteten Position und des Befehlswertes gemäß einer Normalverteilung von Abständen zwischen den Koordinaten der Zielposition und den Koordinaten der bearbeiteten Position kalkuliert.
Laserstrahlpositionierungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (17) die Matrix unbekannter Parameter durch Gewichtung der Koordinaten der bearbeiteten Position und des Befehlswertes gemäß einem Abstand zwischen Koordinaten einer repräsentativen Position einer Zielpositionsgruppe mit einer Vielzahl der Zielpositionen und den Koordinaten der bearbeiteten Position kalkuliert.
Laserstrahlpositionierungsvorrichtung nach Anspruch 43, wobei die repräsentative Position der Schwerpunkt der Zielpositionsgruppe ist.
Laserstrahlpositionierungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsausrüstung, umfassend: eine Plattform (15), wo ein Werkstück (14) platziert wird; einen Laseroszillator (3), der einen Laserstrahl (2) emittiert; eine optische Einheit (4, 11, 13), die den Laserstrahl lenkt, sodass der Laserstrahl das Werkstück (14) bestrahlt, das auf der Plattform (15) platziert ist; ein Laserabtasteinheit (12), die den Laserstrahl (2) abtastet, basierend auf einem Befehlswert, um das Werkstück (14) zu bearbeiten; eine Messeinheit (16), die eine bearbeitete Position auf dem Werkstück (14) misst, in der die Laserbearbeitung durchgeführt wurde; und eine Steuereinheit (17), die den Befehlswert aus Koordinaten der bearbeiteten Position und Koordinaten einer Zielposition kalkuliert, wobei die Steuereinheit (17) eine Matrix unbekannter Parameter durch Unterteilen einer Oberfläche des Werkstücks in eine Vielzahl von Bereichen, Anwenden einer Gewichtung von Eins auf einen Bereich mit der Zielposition und Anwenden einer Gewichtung kleiner als Eins auf einen Bereich ohne die Zielposition kalkuliert, wobei die Matrix unbekannter Parameter den Befehlswert optimal bestimmt, um den Laserstrahl (2) auf die Zielposition auf dem Werkstück (14) zu lenken.
Laserstrahlpositionierungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Anzahl der Vielzahl von Bereichen vier ist.
Laserstrahlpositionierungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei jeder der Bereiche das Ergebnis einer Unterteilung durch einen Kreis ist, dessen Mittelpunkt der Mittelpunkt des Ursprungs (14) ist.
Laserstrahlpositionierungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsausrüstung, umfassend: eine Plattform (15), wo ein Werkstück (14) platziert wird; einen Laseroszillator (3), der einen Laserstrahl (2) emittiert; eine optische Einheit (4, 11,13), die den Laserstrahl (2) lenkt, sodass der Laserstrahl (2) das Werkstück (14) bestrahlt, das auf der Plattform (15) platziert ist; ein Strahlenabtasteinheit (12), die den Laserstrahl (2) abtastet, basierend auf einem Befehlswert, um das Werkstück zu bearbeiten; eine Messeinheit (16), die eine bearbeitete Position auf dem Werkstück (14) misst, in der die Laserbearbeitung in durchgeführt wurde; und eine Steuereinheit (17), die den Befehlswert aus Koordinaten der bearbeiteten Position und Koordinaten einer Zielposition kalkuliert, wobei die Steuereinheit (17) eine Matrix unbekannter Parameter durch Gewichtung der Koordinaten der bearbeiteten Position und des Befehlswerts gemäß einem Vergessensfaktor k (0 ≤ k ≤ 1) kalkuliert, wobei 0 ≤ k ≤ 1 verbunden mit der Zeitinformation des Befehlswerts ist, wobei die Matrix unbekannter Parameter den Befehlswert optimal bestimmt, um den Laserstrahl auf die Zielposition auf dem Werkstück (14) zu lenken.
Laserstrahlpositionierungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (17) X aus der folgenden Gleichung kalkuliert: X = (kD + d)–1 (kN + n)wobei X die Matrix unbekannter Parameter ist; k der Vergessensfaktor ist; D = A_ex ^TQA_ex, N = A_ex ^TQB_ex und Q=W^TW, wobei A_ex eine Matrix ist, in der eine Menge von Daten, die entweder eine Vielzahl von Koordinatenkombinationen der Werkstückposition in dem Zeitpunkt der ersten Kalibrierung oder eine Vielzahl von Koordinatenkombinationen der Zielposition anzeigen, für die Zahl von Kalibrierungspunkten angeordnet ist; B_ex eine Matrix ist, die durch den Befehlswert entsprechend A_ex gebildet wird; und W eine Gewichtungsmatrix ist, die durch Werte zum Gewichten von A_ex und B_ex gebildet wird; d eine Matrix entsprechend D im Zeitpunkt einer neuen Kalibrierung ist; und n eine Matrix entsprechend N ist.
Laserstrahlpositionierungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (17) X aus der folgenden Gleichung kalkuliert:
wobei X die Matrix unbekannter Parameter ist; k der Vergessensfaktor ist; D = A_ex ^TQA_ex, N = A_ex ^TQB_ex und Q = W^TW, wobei A_ex eine Matrix ist, in der eine Menge von Daten, die entweder eine Vielzahl von Koordinatenkombinationen der Werkstückposition in dem Zeitpunkt der ersten Kalibrierung oder eine Vielzahl von Koordinatenkombinationen der Zielposition anzeigen, für die Zahl von Kalibrierungspunkten angeordnet ist; B_ex eine Matrix ist, die durch den Befehlswert entsprechend A_ex gebildet wird; und W eine Gewichtungsmatrix ist, die durch Werte zum Gewichten von A_ex und B_ex gebildet wird; n eine Matrix entsprechend N ist; und a = A_ex, q = Q und P = D^–1, wenn die Zahl von Testpunkten in dem Zeitpunkt einer neuen Kalibrierung kleiner als die Zahl von Termen der Matrix unbekannter Parameter ist.