JP2009195955A - High-accuracy laser beam processing and laser beam-electrolysis composite processing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ加工装置、特に、血管拡張用ステント、回路検査用コンタクトプローブ、注射針、医療用検査プローブ等の小径軸の加工対象物を高精度にレーザ加工し、電解仕上げ加工する高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置に関する。 The present invention is a laser processing apparatus, in particular, a high-precision laser processing and electrolytic finishing processing of small-diameter shaft processing objects such as vascular dilation stents, circuit inspection contact probes, injection needles, and medical inspection probes. The present invention relates to laser processing and a combined laser / electrolytic processing apparatus.
心臓外科,脳外科に応用される手術用カテーテル,ステント等の医療用カテーテル,チューブ,及び小径,高柔軟性が要求される高密度電子回路検査用プローブ等の需要が増加している。
医療用カテーテル,チューブ市場は約1,819億円(2006年,株式会社矢野経済研究所調べ)であり,前年と比較して増加傾向にある.特に発展途上であるマイクロカテーテル市場は脳外科手術用として期待されている.カテーテル,ステント材には樹脂,コイル状小径ワイヤ,編まれた小径ワイヤ等も用いられるが,比較的高剛性のステンレスの金属細管が多く用いられている.細管材の表面には,直径を拡大させる,剛性と柔軟性を両立する,注入するため皮膚を切り裂く,摩擦を軽減する,採血する等の機能を持たせるため,複雑形状を形成することが必要である.特に脳外科手術では直径0.2mm以下のマイクロカテーテルが要求されるため表面へ複雑形状の形成は非常に困難である.医療用カテーテル・チューブ,回路検査用プローブの加工には現在機械加工,放電加工等が用いられるが,複雑微細形状の加工に極端な長時間を要する,加工力による変形のためカテーテル径などをある程度以上小さく出来ないなどの問題点がある。これらの問題点を解決するため,非接触加工のため加工力が発生せず,ワークと工具(電極)間隙の複雑なコントロールを必要としないレーザ加工を用いることが考えられる。
レーザ加工を適用する場合,非接触加工であるためにワーク・工具間の相対位置を検出することが難しい。また,カテーテル,ステント,プローブ等の微小部品を精度良く保持することは全ての加工法共通の課題である.
There has been an increasing demand for surgical catheters applied to cardiac surgery and brain surgery, medical catheters such as stents, tubes, and probes for high-density electronic circuit inspection that require small diameter and high flexibility.
The market for medical catheters and tubes is about 181.9 billion yen (according to Yano Research Institute Inc., 2006), which is increasing compared to the previous year. In particular, the developing microcatheter market is expected for brain surgery. Resin, coiled small-diameter wire, knitted small-diameter wire, etc. are used for the catheter and stent material, but relatively high-rigidity stainless steel metal tubes are often used. It is necessary to form a complicated shape on the surface of the thin tube material in order to have functions such as expanding the diameter, achieving both rigidity and flexibility, cutting the skin for injection, reducing friction, and collecting blood. It is. In particular, it is very difficult to form complex shapes on the surface because a microcatheter with a diameter of 0.2 mm or less is required in brain surgery. Machining and electrical discharge machining are currently used to process medical catheters and tubes and circuit inspection probes. However, it takes an extremely long time to process complex and fine shapes. There is a problem that it cannot be made smaller. In order to solve these problems, it is conceivable to use laser machining that does not generate machining force due to non-contact machining and does not require complicated control of the workpiece and tool (electrode) gap.
When applying laser processing, it is difficult to detect the relative position between the workpiece and the tool because of non-contact processing. In addition, it is a common problem for all processing methods to hold minute parts such as catheters, stents and probes with high accuracy.
一方、従来から、加工対象物(以下「ワーク」ともいう。)に対して加工用レーザ光で除去加工等の微細なレーザ加工を行うレーザ加工装置が利用されている。
この種のレーザ加工装置として、加工用レーザ光を出射する加工用レーザ光源に加え、加工用レーザ光の焦点とワークとの位置合せを行うため、加工用レーザ光と波長の異なる計測用レーザ光を出射する計測用レーザ光源を有するレーザ加工装置が知られている(たとえば、特許文献1および2参照)。
On the other hand, laser processing apparatuses that perform minute laser processing, such as removal processing, on a processing target (hereinafter also referred to as “workpiece”) with a processing laser beam are conventionally used.
As this type of laser processing equipment, in addition to the processing laser light source that emits processing laser light, the processing laser light has a wavelength different from that of the processing laser light in order to align the focus of the processing laser light and the workpiece. A laser processing apparatus having a measurement laser light source that emits light is known (see, for example,
特許文献1に記載のレーザ加工装置では、ワークで反射された計測用レーザ光は、ピンホールマスクを介してフォトディテクタに入射させ、共焦点効果を用いて材料の高さを計測,その情報を基に加工用レーザの焦点高さを調整する。
また、特許文献2に記載のレーザ加工装置では、計測用レーザ光源から出射されワークで反射された計測用レーザ光は、CCDカメラに入射する。そして、CCDカメラでの撮影結果やフォトディテクタでの受光量に基づいて、円筒内の高さを計測,その情報を基に加工用レーザの照射位置を調整する。
なお、特許文献1および2に記載のレーザ加工装置では、加工用レーザ光源からワークまでの光路の一部と、計測用レーザ光源からワークまでの光路の一部とが共通になっている。
In the laser processing apparatus described in
In the laser processing apparatus described in
In the laser processing apparatuses described in
さらに、特許文献3に記載のレーザ加工装置では、計測用レーザを用いてワークのZ軸方向を計測し、CCDカメラによりワークを撮影することにより、XY軸方向の計測を行うものである。
特許文献1および2に記載のレーザ加工装置では、加工用レーザおよび計測用レーザの2つのレーザ源を用いるものであり、両者の設置誤差が計測誤差に反映されるという問題点がある。また、基本的にZ方向の位置情報のみ計測可能であり、軸姿勢の測定を行うことはできない。
The laser processing apparatuses described in
また、特許文献3記載のレーザ加工の加工装置では、加工用レーザおよび計測用レーザの2つのレーザ源を用いるものであり、両者の設置誤差が計測誤差に反映されるという問題点がある。また、X,Y軸方向の計測はあらかじめ設定された基準加工地点のみで行われるため、正確なワーク設置が要求される。さらに、軸姿勢の測定は行うことができない。
Further, the laser processing apparatus described in
保持、搬送が難しい血管拡張用ステント、回路検査用コンタクトプローブ、注射針、医療用検査プローブ等の小径の軸形状のものでは正確に加工機へ設置することが難しいため、所望の位置に微細な形状を加工することは非常に困難である。
もし、ワークの姿勢を機上で計測、保持誤差を補正することができれば、高精度にワークを設置しなくてもワーク上の加工点へ正確にレーザを照射することができる。
計測用レーザによってワーク形状を計測し、必要に応じてレーザ除去加工を行う加工システムは多く存在するが、計測用レーザ、加工用レーザが同一ではないため計測点と加工点は異なる。もし、加工と計測を同一光源で行えば、計測点と加工点を同一とすることができる。
従来、軸位置をCCD、計測用レーザ等を用いて撮影・計測し、これらのデータを基に軸位置補正が行われているが、この場合、加工用光学系に加え、計測用光学系、照明が必要となるばかりか、移動可能エリアの減少、システムの巨大化などの問題の原因となっている。
一方、レーザ加工後の材料表面には熱影響層(HAZ)、バリ等が発生することが問題となっている。
Small diameter shafts such as vascular dilating stents, circuit inspection contact probes, injection needles, and medical inspection probes that are difficult to hold and transport are difficult to accurately place on a processing machine. It is very difficult to process the shape.
If the posture of the workpiece can be measured on the machine and the holding error can be corrected, it is possible to accurately irradiate the processing point on the workpiece with the laser without setting the workpiece with high accuracy.
There are many processing systems that measure the shape of a workpiece with a measuring laser and perform laser removal processing as necessary. However, since the measuring laser and the processing laser are not the same, the measurement point and the processing point are different. If processing and measurement are performed with the same light source, the measurement point and the processing point can be made the same.
Conventionally, the axial position is imaged and measured using a CCD, measuring laser, etc., and the axial position is corrected based on these data. In this case, in addition to the processing optical system, the measuring optical system, Not only does it require lighting, it causes problems such as a decrease in the movable area and an enormous system.
On the other hand, there is a problem that a heat-affected layer (HAZ), burrs and the like are generated on the surface of the material after laser processing.
本発明は、加工用レーザおよび計測用レーザを出射するレーザヘッドからの唯一の光源を用いて微小ワークの形状、位置、姿勢、およびレーザとの相対位置を計測できるようにすることにより、画期的かつ独自性の高い高精度レーザ加工装置を提供することを目的とする。その際、微小ワークの形状が既知の場合は、レーザ出射方向(Z軸方向)のワーク形状の測定を省略して行うことができる。
また、本発明は、加工製品のひとつに医療部品を想定しているため、レーザ加工後の微細形状の仕上げにバリの発生する機械加工を避け電解仕上げ加工することにより、加工量を高能率,高精度でコントロールすることが可能であり、また、仕上げに必要な材料除去量を最小にすることができる高精度レーザ加工装置を提供することを目的とする。
The present invention provides a breakthrough by enabling measurement of the shape, position, orientation, and relative position of a laser with a single light source from a laser head that emits a processing laser and a measurement laser. It is an object to provide an accurate and unique high-precision laser processing apparatus. At this time, if the shape of the minute workpiece is known, measurement of the workpiece shape in the laser emission direction (Z-axis direction) can be omitted.
In addition, since the present invention assumes a medical part as one of the processed products, the machining amount is highly efficient by avoiding mechanical processing that generates burrs in the fine shape finishing after laser processing, An object of the present invention is to provide a high-precision laser processing apparatus that can be controlled with high accuracy and can minimize the amount of material removal necessary for finishing.
上記目的を達成するため、本発明の高精度レーザ加工装置は、レーザ加工装置およびワーク保持具を支持するスピンドル、ならびに、該レーザ加工装置とスピンドルとをXYZ方向に相対移動させる移動ステージを備え、前記レーザ加工装置は、レーザ発振器、加工用レーザ光および計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段としてのレーザヘッドと、ワークで反射された計測用レーザ光の反射光量を測定するための反射光量測定手段と、計測用レーザ光の反射光を用いてワークを撮影可能な撮像素子と、レーザヘッドから出射された加工用レーザ光および計測用レーザ光の光路を形成するための光学系と、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザヘッドに対して、ワークよりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板と、前記移動ステージ、レーザ発振器、反射光量測定手段および撮像素子を制御する制御手段とを備え、計測用レーザ光を用いてワークの初期位置、および、ワーク保持手段によりワークを所定角度回転させたときの回転位置を計測して、制御手段によりワークの3次元位置を把握し、ワークの加工照射点を求めることによりワークの保持誤差を補正するワーク保持誤差補正手段を備えることを特徴としている。
また、本発明の高精度レーザ加工装置は、レーザ加工装置およびワーク保持具を支持するスピンドル、ならびに、該レーザ加工装置とスピンドルとをXYZ方向に相対移動させる移動ステージを備え、前記レーザ加工装置は、レーザ発振器、加工用レーザ光および計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段としてのレーザヘッドと、計測用レーザ光の反射光を用いてワークを撮影可能な撮像素子と、レーザヘッドから出射された加工用レーザ光および計測用レーザ光の光路を形成するための光学系と、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザヘッドに対して、ワークよりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板と、前記移動ステージ、レーザ発振器、反射光量測定手段および撮像素子を制御する制御手段とを備え、計測用レーザ光を用いてワークの初期位置、および、ワーク保持手段によりワークを所定角度回転させたときの回転位置を計測して、制御手段によりワークの3次元位置を把握し、ワークの加工照射点を求めることによりワークの保持誤差を補正するワーク保持誤差補正手段を備えることを特徴としている。
To achieve the above object, a high-precision laser processing apparatus of the present invention includes a laser processing apparatus and a spindle that supports a work holder, and a moving stage that relatively moves the laser processing apparatus and the spindle in the XYZ directions, The laser processing apparatus includes a laser oscillator, a laser head as laser beam emitting means for emitting a processing laser beam and a measurement laser beam, and a reflected light amount for measuring the reflected light amount of the measurement laser beam reflected by the workpiece. Measuring means, an imaging device capable of photographing a workpiece using reflected light of measurement laser light, an optical system for forming an optical path of processing laser light and measurement laser light emitted from a laser head, and processing Laser beam for measurement and laser beam for measurement, arranged at a position away from the workpiece with respect to the laser head in the optical axis direction of the laser beam for measurement and laser beam for measurement A reflecting plate, a moving stage, a laser oscillator, a reflected light amount measuring means, and a control means for controlling the image sensor are provided, and an initial position of the work is measured using the measurement laser beam, and the work is held by the work holding means. It is provided with a work holding error correcting means for measuring a rotational position when the angle is rotated, grasping a three-dimensional position of the work by the control means, and correcting a work holding error by obtaining a processing irradiation point of the work. It is a feature.
The high-precision laser processing apparatus of the present invention includes a spindle that supports the laser processing apparatus and the work holder, and a moving stage that relatively moves the laser processing apparatus and the spindle in the XYZ directions. A laser head as a laser beam emitting means for emitting a laser oscillator, a processing laser beam, and a measuring laser beam, an imaging device capable of photographing a workpiece using reflected light of the measuring laser beam, and a laser head The optical system for forming the optical path of the machining laser beam and measurement laser beam and the optical axis direction of the machining laser beam and measurement laser beam are arranged at a position farther from the workpiece than the laser head. And a reflector that reflects the measurement laser beam, and a control that controls the moving stage, the laser oscillator, the reflected light amount measuring means, and the image sensor. And measuring the initial position of the workpiece using the measuring laser beam and the rotation position when the workpiece is rotated by a predetermined angle by the workpiece holding means, and grasping the three-dimensional position of the workpiece by the control means. A workpiece holding error correcting means for correcting a workpiece holding error by obtaining a processing irradiation point of the workpiece is provided.
また、本発明のレーザ・電解複合加工装置は、前記高精度レーザ加工装置において、レーザ加工装置が載置されたステージ上にレーザ加工装置に隣接するようにして電解加工装置を載置することを特徴としている。 Further, the laser / electrolytic composite machining apparatus of the present invention is the high-precision laser machining apparatus, wherein the electrolytic machining apparatus is placed on a stage on which the laser machining apparatus is placed so as to be adjacent to the laser machining apparatus. It is a feature.
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
(1)加工用レーザおよび計測用レーザを出射する唯一のレーザヘッドからの光源で形状計測を行うため,計測位置と加工位置のずれがない形状計測/加工が可能となる。
(2)ワークの形状、位置、姿勢、およびレーザとの相対位置を計測できるようにすることにより、保持位置が一定しないワークに対して、または、保持誤差のあるワークに対してもレーザを正確な位置に照射することができる。
(3)計測用レーザ,専用光学系を必要としないため、システムの飛躍的な小型化が実現できる。
The present invention has the following excellent effects.
(1) Since shape measurement is performed with a light source from a single laser head that emits a processing laser and a measurement laser, shape measurement / processing with no deviation between the measurement position and the processing position is possible.
(2) By enabling measurement of the workpiece shape, position, orientation, and relative position with the laser, the laser can be accurately measured even for workpieces with non-constant holding positions or workpieces with holding errors. Can be irradiated to any position.
(3) Since a measurement laser and a dedicated optical system are not required, the system can be dramatically reduced in size.
(4)レーザ加工された微細形状の仕上げ加工を、バリの発生する機械加工を避け電解仕上げ加工することにより、電解電流量を変化させることで仕上げ領域、加工量を高能率、高精度でコントロールすることが可能である。また、仕上げに必要な材料除去量を最小にすることで、管剛性が高く保たれた状態で高い柔軟性、拡張性等の機能を付加できる。
(5)また電解加工ではワークへ電極を取り付け/取り外しする工程がボトルネックとなるケースが多く、特に微小ワークの場合更に顕在化するが、レーザ加工と電解加工を逐次に同一機上、ワンチャックで行うレーザ・電解逐次複合加工装置によれば、電解加工用電源とワーク保持機構を導通させることで、この問題を解決できる。
(4) By controlling the finishing area and the machining amount with high efficiency and high accuracy by changing the amount of electrolytic current by performing the electrolytic finishing to avoid the machining that generates burrs. Is possible. Further, by minimizing the amount of material removal necessary for finishing, it is possible to add functions such as high flexibility and expandability while maintaining high pipe rigidity.
(5) In many cases, the process of attaching / detaching the electrode to / from the workpiece is a bottleneck in electrolytic machining, especially in the case of micro workpieces. According to the laser / electrolytic sequential processing apparatus performed in
以下、図面を参照して、本発明の高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。 Hereinafter, embodiments of the high-precision laser processing and laser / electrolytic composite processing apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not construed as being limited thereto, and Various changes, modifications, and improvements can be made based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
〔実施の形態1〕
図1および2は、実施の形態1を説明するものであり、ワーク形状が既知でない場合である。
(高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の概略構成)
図1は、本発明の実施の形態1にかかる高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の概略構成を模式的に示す図である。
図2は、図1の高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置のレーザ加工装置を説明するための説明図である。
[Embodiment 1]
FIGS. 1 and 2 illustrate the first embodiment, and show a case where the workpiece shape is not known.
(Schematic configuration of high-precision laser processing and laser / electrolytic composite processing equipment)
FIG. 1 is a diagram schematically showing a schematic configuration of a high-precision laser machining and laser / electrolytic complex machining apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the laser processing apparatus of the high-precision laser processing and laser / electrolytic composite processing apparatus of FIG.
図1において、移動ステージ1上には、レーザ加工装置4および電解加工装置5が載置されており、また、移動ステージ2にはスピンドル6を支持する回転ステージ3が載置されている。
ステージドライバ(図示は省略されている。以下同じ。)により、移動ステージ1はY方向(紙面に垂直方向)に、また、移動ステージ2はXおよびZ方向に移動され、さらに、回転ステージ3は矢印Rで示す方向に回転される。
なお、スピンドル6を載置する移動ステージ2をXYZ方向に移動できるように構成する場合には、移動ステージ1を固定ステージとすることができる。要は、レーザ加工装置4および電解加工装置5とスピンドルとをXYZ方向に相対移動できるように構成しておけばよい。
ワーク保持具11は、血管拡張用ステント、回路検査用コンタクトプローブ、注射針、医療用検査プローブ等の小径軸の加工対象物であるワーク15を保持するものであって、スピンドル6に支持されており、スピンドル6の中心軸周りに回転駆動(図1の矢印C参照。)される。
In FIG. 1, a
A stage driver (not shown; the same applies hereinafter) moves the moving
When the moving
The
レーザ加工装置4のレーザヘッド7はレーザ発振器8に接続されており、また、電解加工装置5の電解電極10およびスピンドル6のワーク保持具11は電解加工用電源9に接続されている。
制御手段を構成するコントロールPC12は、ステージドライバ、レーザ発振器8、電解加工用電源9および後記する受光素子13、99、撮像素子14からの情報取得およびそれぞれの制御を行う。
The
The
(レーザ加工装置)
レーザ加工装置4について、図2を参照しながら説明する。
このレーザ加工装置4は、ワーク15の加工を行うための加工用レーザ光および加工用レーザ光の焦点とワーク15との位置合せ等を行うための計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段としてのレーザヘッド7と、レーザヘッド7からのレーザ出力変動測定手段としての受光素子13と、ワーク15で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定するための反射光量測定手段としての受光素子99と、計測用レーザ光の反射光を用いてワーク15を撮影可能な撮像素子14と、レーザヘッド7から出射された加工用レーザ光や計測用レーザ光の光路を形成するための光学系16とを備えている。
また、レーザ加工装置4は、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザヘッド7に対して、ワーク15よりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板17とを備えている。
(Laser processing equipment)
The
The
In addition, the
なお、以下では、加工用レーザ光および計測用レーザ光をまとめて表す場合には「レーザ光」と表記する。また、以下では、図1の左右方向(すなわち、ワーク15に照射されるレーザ光の光軸方向)をZ方向、紙面垂直方向をY方向、上下方向をX方向と表記する。
また、本形態では、ワーク15に照射されるレーザ光の光軸方向を加工表面に対して垂直にしているが、角度をつけ斜めに照射しても実施可能である。
Hereinafter, the processing laser beam and the measurement laser beam are collectively expressed as “laser beam”. In the following description, the left-right direction in FIG. 1 (that is, the optical axis direction of the laser light applied to the workpiece 15) is expressed as the Z direction, the vertical direction on the paper is the Y direction, and the vertical direction is the X direction.
Further, in this embodiment, the optical axis direction of the laser light applied to the
光学系16は、レンズ18、ミラー19、ビームサンプラー20、ビームスプリッタ98と、受光素子13、99、撮像素子14、レンズ21および対物レンズ22とを備えている。
The
ビームサンプラー20は、レーザヘッド7から出射され、レンズ18、ミラー19により導かれたレーザ光の大半を対物レンズ22に向かって透過させるとともに、残りのレーザ光を受光素子13に向かって反射する。また、ビームサンプラー20は、ワーク15や反射板17で反射された計測用レーザ光の一部をビームサンプラー98に向かって反射する。対物レンズ22は、レンズ21を透過したレーザ光をワーク15に集光する。ビームサンプラー98はワーク15や反射板17で反射された計測用レーザ光の一部を撮像素子14へ透過させると共に受光素子99へ反射する。
The
レーザヘッド7およびレーザ発振器8は、たとえばファイバーレーザであり、上述のように、加工用レーザ光と計測用レーザ光とを出力する。計測用レーザ光の出力は、加工用レーザ光の出力よりも非常に小さくなっている。たとえば、計測用レーザ光の出力は、加工用レーザ光の出力の20分の1程度である。また、本形態のレーザヘッド7は、ワーク15の適切な加工を行うため、出力の安定した加工用レーザ光を出射する。
The
受光素子13、99は、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の素子で構成されている。受光素子13、99は、その受光量を電気量に変換することで、レーザヘッド7からの出力光量のばらつき及びワーク15で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定する。
The
撮像素子14は、CCDやCMOS等のイメージセンサである。この撮像素子14は、ワーク15が計測用レーザ光の焦点Fの位置にあるときに、ワーク15の反射光が結像する位置が撮像素子14の受光面となるように配置されている。
The
反射板17は、ワーク15が、X方向で計測用レーザ光の焦点Fから外れた位置にあるときに、計測用レーザ光を反射する。この反射板17は、後述のように、ワーク2のX、Y方向の端部を検出するために用いられる。本形態の反射板17は、セラミック部材や金属部材で形成されている。
The
図1において、コントロールPC12には、レーザ発振器8と受光素子13、99と撮像素子14と電解加工用電源9と移動ステージ1、2および回転ステージ3を駆動するステージドライバとが接続されている。コントロールPC12は、上述のように、レーザ加工装置4、電解加工用電源9、ステージドライバの各種の制御を行う。たとえば、コントロールPC12は、レーザヘッド7に対して、レーザ光の出射指令、または、停止指令を出力する。また、コントロールPC12は、受光素子99で測定された反射光量に基づいて、計測用レーザ光の焦点FのZ方向位置を特定し、移動ステージ2を駆動させて焦点Fの位置までワーク15を移動する。また、コントロールPC12は、上記反射光量の変化に基づいて加工対象物の加工状態を検知する加工状態検知手段を備え、加工状態に応じてレーザ光の停止指令等の制御を行う。また、コントロールPC12は受光素子13で測定された光量を用いて計測用レーザ光の出力変動を正規化するための演算を行う。
In FIG. 1, a
(計測用レーザ光の焦点のZ方向位置の検出原理)
図3は、図1に示すワーク15のZ方向の位置と、受光素子99で測定される反射光量との関係を示すグラフである。
(Principle of detection of Z direction position of focus of laser beam for measurement)
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the position of the
レーザヘッド7から出射される計測用レーザ光の出力が一定である場合には、受光素子13で測定される計測用レーザ光の反射光量と、ワーク15のZ方向位置との関係は、図3の実線で示すグラフGのように略正規分布状になる。すなわち、Z方向で、ワーク15が計測用レーザ光の焦点Fの位置にあるときには、受光素子99で測定される反射光量は極大値Lとなり、ワーク15が焦点Fから対物レンズ22側または反射板17側に向かって離れるにしたがって、受光素子99で測定される反射光量は小さくなる。
When the output of the measurement laser beam emitted from the
したがって、計測用レーザ光の出力が一定である場合には、移動ステージ2でZ方向にワーク15を移動させながら、受光素子13で計測用レーザ光の反射光量を測定して、極大点Mを特定し、極大点Mに対応するワーク15のZ方向位置を測定することで、計測用レーザ光の焦点FのZ方向位置が検出される。
Therefore, when the output of the measurement laser beam is constant, the reflected light quantity of the measurement laser beam is measured by the
(ワークのX、Y方向端部の検出原理)
図4は、図1に示す反射板17で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子14で撮影される映像の一例を示す図である。
(Principle of detection of X and Y direction end of work)
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an image captured by the
本形態では、反射板17で反射された計測用レーザ光を用いて、ワーク15のX、Y方向の端部が検出される。以下、説明の都合上便宜的に直方体状のワーク15のX方向端部15b(図2も併せて参照。)が検出される場合を例に、本形態のワーク15のX、Y方向端部の検出原理を説明する。
In this embodiment, the measurement laser beam reflected by the reflecting
ワーク15のX方向端部15bの検出前に、まず、上述の方法で計測用レーザ光の焦点FのZ方向位置が検出され、ワーク15と焦点Fとの位置合せが行われる。すなわち、図2に示すように、Z方向で、ワーク15の面と焦点Fとの位置合せが行われる。この状態で、撮像素子14によって撮影された映像上に、焦点Fに対応する焦点対応点F1が設定される(図4参照)。その後、移動ステージ1によってワーク15がY方向へ移動され、Y方向で焦点Fから外れた位置に配置される。
Before detecting the
ワーク15がY方向で焦点Fから外れると、撮像素子14によってたとえば、図4に示す映像が撮影される。すなわち、反射板17で乱反射された計測用レーザ光の一部がワーク15によって遮られるため、撮像素子14によって撮影された映像上の、ワーク15に対応するワーク対応エリア15cが暗くなり、その他のエリアは明るくなる。また、Z方向で、ワーク15の面と焦点Fとの位置合せが行われているため、ワーク15のY方向端部に対応する端部対応線15dは、撮像素子14によって撮影された映像上で明確に特定される。すなわち、ワーク15のY方向端部15dが検出される。
When the
端部対応線15dが明確に特定されると、端部対応線15dと焦点対応点F1とのY方向の距離Y1が算出される。すなわち、Y方向端部15dと焦点Fとの距離が算出される。また、Y方向端部15dとワーク15の加工部位と距離は予め、設計上でわかっているため、焦点Fとワーク15の加工部位までのY方向の距離が算出される。同様に、ワーク15のX方向の端部も検出され、焦点Fとワーク15の加工部位までのZ方向の距離が算出される。また、焦点Fとワーク15の加工部位までの距離の算出は、コントロールPC12で行われている。
When the
(ワークの厚み計測)
図5は、図1に示す高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置でのワーク15の厚み計測の手順を示すフローチャートである。以上のように構成された高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置では、以下のように、ワーク15の厚み計測を行う。
(Work thickness measurement)
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for measuring the thickness of the
まず、移動ステージ1および2によって、レーザ装置4とワーク15とをX、Y方向へ相対移動させて、レーザヘッド7から出射されるレーザ光が照射される位置にワーク15を配置する(ステップS1)。その後、レーザヘッド7から計測用レーザ光を出射し(ステップS2)、受光素子99で反射光量を測定する(ステップS3)。
First, the moving
その後、ワーク2をX方向の所定範囲に配置して、各配置位置で反射光量を測定したか否かを判断する(ステップS4)。具体的には、ステップS4では、Z方向で計測用レーザ光の焦点Fの位置を含む所定範囲にワーク15を配置して、各配置位置で反射光量を測定したか否かを判断する。所定範囲で測定が行われていない場合には、ステップS3へ戻る。
Thereafter, the
一方、所定範囲で反射光量を測定している場合には、計測用レーザ光の焦点FのZ方向位置を検出する(ステップS6)。
このときの計測用レーザ光の焦点FのZ方向位置がそのX、Y方向におけるワーク15の厚みを表している。
On the other hand, when the amount of reflected light is measured within a predetermined range, the position in the Z direction of the focus F of the measurement laser beam is detected (step S6).
The Z-direction position of the focus F of the measurement laser beam at this time represents the thickness of the
その後、移動ステージ1および2によって、ワーク15をX、Y方向へ移動させ、各X、Y方向におけるワーク15の厚みを計測する(ステップ7)。X、Y方向のある領域についてワーク15の高さを検出したら、加工が必要と判断された位置にフラグを立て、加工位置を特定する(ステップS8)。ワーク15の加工位置の特定後には、特定された加工位置にレーザヘッド7から加工用レーザ光を出射してワーク15のレーザ加工を行う。また、加工用レーザ光に計測用レーザ光を混入し、規定の反射・散乱光量まで操作を繰り返してもよい。
Thereafter, the
なお、本実施の形態1では、ステップS2は、レーザヘッド7から計測用レーザ光を出射する計測用レーザ光出射ステップであり、ステップS3は、ワーク15で反射された計測用レーザ光の特性の1つである反射光量を測定する反射光特性測定ステップであり、ステップS6は、計測用レーザ光の焦点Fの位置を検出する焦点検出ステップである。
In the first embodiment, step S2 is a measurement laser light emission step for emitting measurement laser light from the
上記したワーク厚みの計測には、ワーク15のXYZ位置計測工程が含まれているが、加工対象であるワークの加工に厳密な精度が要求されない場合、例えば、事前にワークの形状・構造が既知で、あらかじめ設定した加工位置および加工量を加工すればよいような場合には、XYZ位置計測工程(上記のS3〜S6)を省略して以下の要領でワークの焦点位置を決定することができる。
(1)図5におけるS2の後、ワークの形状・寸法から算出して加工が可能な位置にワークを設置する。
(2)加工の進行に伴う加工深さ変化に起因する照射レーザスポット変化が残留加工厚の測定に致命的な影響を及ぼさない光学系(焦点距離の長い集光レンズ等を配置)を用いる。
(3)ワークの形状・寸法から事前にワークの加工位置および加工量を決定し、加工の進行に伴い残留加工厚の測定に致命的な影響を与えない範囲で適宜X方向にワークを移動させる。
The above-described measurement of the workpiece thickness includes an XYZ position measurement process of the
(1) After S <b> 2 in FIG. 5, the workpiece is placed at a position where it can be processed by calculating from the shape and dimensions of the workpiece.
(2) Use an optical system (arrangement of a condensing lens or the like having a long focal length) in which the irradiation laser spot change caused by the processing depth change accompanying the progress of processing does not have a fatal effect on the measurement of the residual processing thickness.
(3) The machining position and machining amount of the workpiece are determined in advance from the shape and dimensions of the workpiece, and the workpiece is appropriately moved in the X direction within a range that does not have a fatal effect on the measurement of the remaining machining thickness as the machining progresses. .
(ワークの軸中心計測)
本形態における加工対象物である小径の軸形状のワークの軸中心を計測するには、移動ステージ1および2によって、ワーク15をX、Y方向へ移動させて、レーザヘッド7から計測用レーザ光を出射し、反射板17で反射された計測用レーザ光を撮像素子14で撮影し、反射光が検出される部分とワーク15により遮られた部分の境界のピントが合った高さをワークの軸中心高さとする。
(Workpiece axis center measurement)
In order to measure the axial center of a small-diameter axial workpiece that is a workpiece in this embodiment, the
(ワーク保持誤差の補正)
図6に示すように、ワーク保持具11に対してワーク15が正確に保持されていない場合、レーザを本来の加工位置に照射しても正しい加工ができない。そのため、ワーク保持誤差を把握し、レーザ照射位置を移動させる必要がある。
本形態は、以下に説明するように、計測用レーザ光を用いてワーク15の初期位置、および、ワーク保持具11によりワーク15を所定角度回転させたときの回転位置を計測して、コントロールPCによりワークの3次元位置を把握し、ワーク15の加工照射点を求めることにより、ワークの保持誤差を補正する手段を備えるものである。
(Correction of workpiece holding error)
As shown in FIG. 6, when the
In this embodiment, as described below, the control PC measures the initial position of the
例として、図7に示すように、ワーク15であるところの微小管がその回転中心、すなわち、スピンドル6の回転中心sから偏心しているとする。
なお、測定においては、微小管の管径を考慮して、微小管の径方向のエッジの位置から微小管の中心座標を算出する。以下、微小管の中心座標のみを示す。
座標軸X、Y、Zは本発明の高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の持つ座標軸であり、微小管の回転中心sの座標軸X、Y、ZにおけるYおよびZ方向の位置ycおよびzcは未知である。
As an example, as shown in FIG. 7, it is assumed that the microtubule as the
In the measurement, the center coordinates of the microtubule are calculated from the position of the edge in the radial direction of the microtubule in consideration of the tube diameter of the microtubule. Only the center coordinates of the microtubules are shown below.
The coordinate axes X, Y, and Z are coordinate axes of the high-precision laser processing and laser / electrolytic composite processing apparatus of the present invention, and the positions yc and zc in the Y and Z directions on the coordinate axes X, Y, and Z of the rotation center s of the microtubule. Is unknown.
〈測定1〉
図8に示すように、微小管の初期位置において、Y方向の位置y0とY方向の傾きVyを計測用レーザ光を用いて測定する。
微小管のx点におけるY方向位置yは、
y=Vyx+y0 (1)
となる。
<
As shown in FIG. 8, in the initial position of the microtubules is measured using the measurement laser beam position y 0 and Y-direction tilt Vy of the Y-direction.
The Y-direction position y at the x point of the microtubule is
y = V y x + y 0 (1)
It becomes.
〈測定2〉
図9に示すように、微小管を初期位置から時計回りに90゜回転させ、その回転位置において、Z方向の位置z0とZ方向の傾きVzを計測用レーザ光を用いて測定する。
微小管のx点におけるZ方向位置zは、
z=Vzx+z0 (2)
<
As shown in FIG. 9, the microtubule is rotated 90 ° clockwise from the initial position, and the position z 0 in the Z direction and the inclination Vz in the Z direction are measured using the measurement laser beam at the rotation position.
The z-direction position z at the x point of the microtubule is
z = V z x + z 0 (2)
〈測定3〉
図10に示すように、微小管を初期位置から時計回りに180゜回転させ、その回転位置において、Y方向の位置y- 0とZ方向のY方向の傾きV-yを計測用レーザ光を用いて測定する。
微小管のx点におけるY方向位置y-は、
y-=V- yx+y- 0 (3)
となり、
V- y=-Vy
y0+y- 0=y+y-=2yc
の関係がある。
<
As shown in FIG. 10, the microtubules are rotated 180 degrees clockwise from the initial position in its rotational position, the position in the Y direction y - 0 and Z direction of the Y-direction tilt V - a measuring laser beam y Use to measure.
The Y-direction position y − at the x point of the microtubule is
y - = V - y x + y - 0 (3)
And
V - y = -V y
y 0 + y - 0 = y + y - = 2y c
There is a relationship.
式(1)(3)より微小管の回転中心のy位置ycを算出すると、
yc=(y0+y- 0)/2=(yp+y- p)/2 (4)
When calculating the y position y c of the rotation center of the microtubule from the equations (1) and (3),
y c = (y 0 + y - 0) / 2 = (y p + y - p) / 2 (4)
次に、図11に基づいて、微小管の加工照射点の求め方を説明する。
加工点X=xpにおけるY、Z座標値は式(1)(2)より
yp=Vyxp+y0
zp=Vzxp+z0
Next, based on FIG. 11, how to obtain the processing irradiation point of the microtubule will be described.
Y at the processing point X = x p, Z coordinate values formula (1) (2) from y p = V y x p + y 0
z p = V z x p + z 0
微小管の回転中心からの偏差は式(4)の結果を用いて、
y’=(yp-yc)
z’=(zp-yc)
である。
したがって、微小管を回転角θだけ回転させたときの加工点におけるY、Z座標値は、
Y=y’cosθ+z’sinθ+yc
Z=-y’sinθ+z’cosθ+zc
ただし、上式よりわかるように、加工用レーザの焦点のZ軸方向位置を厳密に加工点に合わせるにはzcを別途測定する必要がある。
The deviation from the center of rotation of the microtubule is calculated using the result of equation (4),
y ′ = (y p −y c )
z ′ = (z p -y c )
It is.
Therefore, the Y and Z coordinate values at the machining point when the microtube is rotated by the rotation angle θ are
Y = y′cos θ + z′sin θ + y c
Z = −y′sin θ + z ′ cos θ + z c
However, as can be seen from the above equation, the match strictly processing point in the Z-axis direction position of the focal point of the processing laser it is necessary to separately measure the z c.
上記のように、ワーク保持誤差の補正することができるので、ワーク保持機構は保持精度が比較的悪いが素早く簡単にワークを保持することが可能な機構,例えば平行板でワークを挟む様な機構を適用することが可能である。さらに同機構を用いれば,ワーク径が変化しても保持具を変えずに保持することが可能である。 Since the workpiece holding error can be corrected as described above, the workpiece holding mechanism has a relatively poor holding accuracy but can hold the workpiece quickly and easily, for example, a mechanism that sandwiches the workpiece between parallel plates. It is possible to apply. Furthermore, if the same mechanism is used, it is possible to hold the holder without changing the workpiece diameter even if the workpiece diameter changes.
(電解加工装置)
レーザ加工後のワーク表面には再凝固物,熱影響層が存在し,製品としては不完全である。これを仕上げるには、機械研磨、化学研磨等があるが、直径が0.5〜数mmの微小管を機械加工することは加工物の剛性の関係で適しておらず、また、化学研磨の場合、溶液温度の制御が難しく、加工時間が長い等の問題がある。
本形態では、図1に示すように、レーザ加工装置4が載置された移動ステージ1上にレーザ加工装置4に隣接するようにして電解加工装置5が載置されており、ワーク保持具11に保持されたワーク15を電解加工槽25および電解電極10近傍まで自由に移動できる構成となっている。
なお、スピンドル6を載置する移動ステージ2をXYZ方向に移動できるように構成する場合には、移動ステージ1を固定ステージとすることができ、要は、レーザ加工装置4および電解加工装置5とスピンドルとをXYZ方向に相対移動
できるように構成されていればよい。
(Electrolytic processing equipment)
The re-solidified product and heat-affected layer are present on the workpiece surface after laser processing, and the product is incomplete. To finish this, there are mechanical polishing, chemical polishing, etc., but machining microtubules with a diameter of 0.5 to several millimeters is not suitable due to the rigidity of the workpiece, In this case, there are problems such as difficulty in controlling the solution temperature and a long processing time.
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the
When the
ワーク15をレーザ加工装置4でレーザ加工後、ワーク15をワーク保持具11に保持したまま、電解加工槽25へ移動させる。スピンドル6のワーク保持具11および電解電極10を電解加工用電源9に導通させると、レーザ加工時の保持状態のまま電解仕上げ加工が可能となる。その際、レーザ加工時における計測結果とあらかじめ測定されたスピンドル6、電解電極10の相対位置からワーク15、電解電極10の相対距離を求め、電解加工に適したワーク位置をステージコントロールにより行い、電解加工を行うことができる。
After the
レーザ加工後に電解仕上げ加工を行うレーザ・電解複合加工によれば、直径0.1mm以下の微小管の加工が可能であり、機械加工+機械研磨、あるいは、機械加工+化学研磨に比べ仕上げ加工量を減少できるので加工能率が約10倍となり、バリレスであり、残留応力を低減でき、残留砥粒を無しとすることができる。 Laser / electrolytic composite processing that performs electrolytic finishing after laser processing enables processing of microtubules with a diameter of 0.1 mm or less, and the amount of finishing processed compared to mechanical processing + mechanical polishing or mechanical processing + chemical polishing Therefore, the machining efficiency becomes about 10 times, it is burr-less, the residual stress can be reduced, and the residual abrasive grains can be eliminated.
ワークを加工する工程を説明すると以下のようになる。
(1)設計形状をコントロールPC12へ入力する。
(2)ワーク15をワーク保持具11に設置する。
(3)集光光学系16、反射板17間にワーク15を移動する。
(4)ワーク保持誤差をレーザ計測する。
(5)計測結果からワーク保持誤差の補正を行いつつ設計形状の加工を行うためのステージコントロール、加工用レーザのOnOffを行いながら、ワーク15のレーザ加工を行う。
(6)ワーク15を電解加工漕25へ移動させる。ワーク保持具11、電解電極,に電解加工電源を導通させる。
(7)電解仕上げ加工を行う。
The process of machining the workpiece will be described as follows.
(1) The design shape is input to the
(2) The
(3) The
(4) Laser measurement of workpiece holding error.
(5) Laser machining of the
(6) The
(7) Perform electrolytic finishing.
〔実施の形態2〕
図12および13は、実施の形態2を説明するものであり、ワーク形状が既知の場合である。
本実施の形態2においては、撮像素子14の画像情報に基づいて、計測用レーザ光の焦点FのZ方向位置を特定する方式を採用しているため、上記した実施の形態1とは光学系16の構成が相違するものであり、実施の形態1における上記した(計測用レーザ光の焦点のZ方向位置の検出原理)、(ワークの厚み計測)の作業を省略できる点に特徴がある。
なお、本実施の形態2において、実施の形態1において説明した(ワーク保持誤差の補正)(電解加工装置)は同じであるので、説明は省略する。
[Embodiment 2]
12 and 13 are for explaining the second embodiment, and show a case where the workpiece shape is known.
In the second embodiment, since the method of specifying the Z-direction position of the focal point F of the measurement laser beam based on the image information of the
In the second embodiment, since (work holding error correction) (electrolytic machining apparatus) described in the first embodiment is the same, the description thereof is omitted.
図12および13において、光学系16は、凸レンズ23、ミラー19、ビームサンプラー20と、撮像素子14、凸レンズ24および対物レンズ22とを備えている。
12 and 13, the
ビームサンプラー20は、レーザヘッド7から出射され、レンズ18、ミラー19により導かれたレーザ光の大半を対物レンズ22に向かって透過させる。また、ビームサンプラー20は、ワーク15や反射板17で反射された計測用レーザ光の一部を撮像素子14に向かって反射する。対物レンズ22は、凸レンズ24を透過したレーザ光をワーク15に集光する。
The
レーザヘッド7は、たとえばファイバーレーザであり、上述のように、加工用レーザ光と計測用レーザ光とを出力する。計測用レーザ光の出力は、加工用レーザ光の出力よりも非常に小さくなっている。たとえば、計測用レーザ光の出力は、加工用レーザ光の出力の20分の1程度である。また、本形態のレーザヘッド7は、ワーク15の適切な加工を行うため、出力の安定した加工用レーザ光を出射する。
The
撮像素子14は、CCDやCMOS等のイメージセンサである。この撮像素子14は、ワーク15が計測用レーザ光の焦点Fの位置にあるときに、ワーク15の反射光が結像する位置が撮像素子14の受光面となるように配置されている。
The
反射板17は、ワーク15が、X方向で計測用レーザ光の焦点Fから外れた位置にあるときに、計測用レーザ光を反射する。この反射板17は、後述のように、ワーク2のX、Y方向の端部を検出するために用いられる。本形態の反射板17は、セラミック部材や金属部材で形成されている。
The
図12において、コントロールPC12には、レーザ発振器8と撮像素子14と電解加工用電源9と移動ステージ1、2および回転ステージ3を駆動するステージドライバとが接続されている。コントロールPC12は、上述のように、レーザ加工装置4、電解加工用電源9、ステージドライバの各種の制御を行う。たとえば、コントロールPC12は、レーザヘッド7に対して、レーザ光の出射指令、または、停止指令を出力する。また、コントロールPC12は、撮像素子14の情報に基づいて、計測用レーザ光の焦点FのZ方向位置を特定し、移動ステージ2を駆動させて焦点Fの位置までワーク15を移動する。また、コントロールPC12は、上記反射光量の変化に基づいて加工対象物の加工状態を検知する加工状態検知手段を備え、加工状態に応じてレーザ光の停止指令等の制御を行う。
In FIG. 12, a
(ワークのX、Y方向端部の検出原理)
図4は、図12に示す反射板17で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子14で撮影される映像の一例を示す図である。
(Principle of detection of X and Y direction end of work)
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an image captured by the
本形態では、反射板17で反射された計測用レーザ光を用いて、ワーク15のX、Y方向の端部が検出される。以下、説明の都合上便宜的に直方体状のワーク15のX方向端部15b(図13も併せて参照。)が検出される場合を例に、本形態のワーク15のX、Y方向端部の検出原理を説明する。
In this embodiment, the measurement laser beam reflected by the reflecting
ワーク15のX方向端部15bの検出前に、まず、上述の方法で計測用レーザ光の焦点FのZ方向位置が検出され、ワーク15と焦点Fとの位置合せが行われる。すなわち、図13に示すように、Z方向で、ワーク15の面と焦点Fとの位置合せが行われる。この状態で、撮像素子14によって撮影された映像上に、焦点Fに対応する焦点対応点F1が設定される(図4参照)。その後、移動ステージ1によってワーク15がY方向へ移動され、Y方向で焦点Fから外れた位置に配置される。
Before detecting the
ワーク15がY方向で焦点Fから外れると、撮像素子14によってたとえば、図4に示す映像が撮影される。すなわち、反射板17で乱反射された計測用レーザ光の一部がワーク15によって遮られるため、撮像素子14によって撮影された映像上の、ワーク15に対応するワーク対応エリア15cが暗くなり、その他のエリアは明るくなる。また、Z方向で、ワーク15の面と焦点Fとの位置合せが行われているため、ワーク15のY方向端部に対応する端部対応線15dは、撮像素子14によって撮影された映像上で明確に特定される。すなわち、ワーク15のY方向端部15dが検出される。
When the
端部対応線15dが明確に特定されると、端部対応線15dと焦点対応点F1とのY方向の距離Y1が算出される。すなわち、Y方向端部15dと焦点Fとの距離が算出される。また、Y方向端部15dとワーク15の加工部位と距離は予め、設計上でわかっているため、焦点Fとワーク15の加工部位までのY方向の距離が算出される。同様に、ワーク15のX方向の端部も検出され、焦点Fとワーク15の加工部位までのZ方向の距離が算出される。また、焦点Fとワーク15の加工部位までの距離の算出は、コントロールPC12で行われている。
When the
(ワークのZ位置計測)
本形態における加工対象物である小径の軸形状のワークの軸中心を計測するには、移動ステージ1および2によって、ワーク15をX、Y方向へ移動させて、レーザヘッド7から計測用レーザ光を出射し、反射板17で反射された計測用レーザ光を撮像素子14で撮影し、反射光が検出される部分とワーク15により遮られた部分の境界のピントが合った高さをワークの軸中心高さとする。
(Workpiece Z position measurement)
In order to measure the axial center of a small-diameter axial workpiece that is a workpiece in this embodiment, the
1 移動ステージ
2 移動ステージ
3 回転ステージ
4 レーザ加工装置
5 電解加工装置
6 スピンドル
7 レーザヘッド
8 レーザ発振器
9 電解加工用電源
10 電解電極
11 ワーク保持具
12 コントロールPC(制御手段)
13 受光素子
14 撮像素子
15 ワーク
16 光学系
17 反射板
18 レンズ
19 ミラー
20 ビームサンプラー
21 レンズ
22 対物レンズ
23 凸レンズ
24 凸レンズ
98 ビームサンプラー
99 受光素子
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