JP6382220B2 - 材料加工低慣性レーザー走査エンドエフェクタ操作 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、その開示が全体として参照により本明細書に組み込まれる、２０１２年１２月２０日に出願された米国特許仮出願第６１／７４０，３４０号の利益を主張する。

レーザーは、例えば、切断、穿孔、切削、及びスクライビングを含めた、幾つもの工業的製造プロセスで使用することができる。非走査（フライングオプティクス）レーザープロセスでレーザービームを移動させるためには、レーザー光学系が、加工中のワークピースに対して移動し、ワークピースに対するレーザービームの向きは、一定のままで維持される。対照的に、走査レーザープロセスは、操向技術を利用して、ワークピース上に所望のレーザースポット軌道をトレースする（走査する）。走査プロセスでは、レーザービーム発射角は、加工中のワークピースに対して静止したまま維持される光学トレインを使用して、変更される。走査プロセスでは、レーザービームの向きは、ビームのスポット軌道の時変関数である。

全般的に、本開示は、走査レーザーシステムと関連する、高度に動的な局所的ワークピース加工を達成するための、方法及び装置を目的とする。この装置は、走査されたレーザー出力をワークピースにわたって追跡する、低質量の局所的エンドエフェクタを駆動するために、低慣性のロボット機構を利用する。このロボット機構に関するアクチュエータ（例えば、重いモーター）は、静止したまま維持され、エンドエフェクタ及びロボットマニピュレータが、ワークピースにわたって移動してレーザービームを追跡することのみが必要とされる。この構成により、エンドエフェクタによる、高度に動的な走査ビームの正確な追跡を可能にする、最小限のシステム慣性がもたらされる。これらの低慣性走査システムは、プロセスのスループットに対する影響が最小限に抑えられるような、十分な加速度及び速度を有する、局所的ワークピース加工を提供する。それゆえ、ワークピースは、製品品質を維持しつつ、高速でレーザー変換することができる。

一実施形態では、本開示は、静止ベース部を有するロボットマニピュレータと、そのロボットマニピュレータによって作動されるエンドエフェクタであって、このエンドエフェクタが、ワークピースに隣接する、エンドエフェクタと、ワークピースにわたってレーザービームを移動させるように構成された、レーザー及び光学トレインを含む走査レーザーヘッドユニットと、エンドエフェクタの移動がレーザービームの移動を追跡するように、ロボットマニピュレータを移動させるように構成された、制御ユニットとを含む、装置を目的とする。

別の実施形態では、本開示は、デルタロボット及びケーブル懸架式ロボットから選択されるロボットマニピュレータを含むシステムを目的とし、このロボットマニピュレータは、静止ベース部を含む。エンドエフェクタが、ロボットマニピュレータに取り付けられ、このエンドエフェクタは、ワークピースのサンプル領域に隣接し、このエンドエフェクタは、デブリ管理装置、光学素子、センサ、放射線エミッタ、及び材料ディスペンサのうちの少なくとも１つから選択される。エンドエフェクタ供給システムが、エンドエフェクタに接続され、走査レーザーヘッドユニットが、ワークピースに対して固定され、このレーザー走査ユニットは、ワークピースのサンプル領域内の位置にレーザービームを移動させるように構成された、レーザー及びガルバノメータ式スキャナを含む。このシステムは、ワークピースのサンプル領域内のレーザービームの位置から、±５ミリメートルの距離の範囲内に、ロボットマニピュレータを移動させるように構成された、制御ユニットを更に含む。この制御ユニットは、レーザーの軌道及びパラメータに基づいて、レーザービームを制御するためのレーザー制御モジュールに関する電力信号、走査レーザーヘッドユニットを制御するためのレーザーヘッドユニット制御モジュールに関する軌道データ、及びロボットマニピュレータを作動させるためのロボットマニピュレータ制御モジュールに関するロボット位置データを生成する、軌道生成モジュールを含む。

別の実施形態では、本開示は、材料のウェブの真上に走査レーザーヘッドユニットを設置することであって、この走査レーザーヘッドユニットが、材料の表面にわたってレーザービームを移動させるように構成された、レーザー及びガルバノメータ式スキャナを含むことと、そのウェブの真上に、デルタロボット及びケーブル懸架式ロボットから選択されるロボットマニピュレータを設置することであって、このロボットマニピュレータが、デブリ管理装置を取り付けられていることと、レーザービームを追跡して、表面からデブリを除去するように、ロボットマニピュレータ及びデブリ管理ノズルを移動させることとを含む、デブリ管理のための方法を目的とする。

更に別の実施形態では、本開示は、材料の上方に走査レーザーヘッドユニットを位置決めすることであって、この走査レーザーヘッドユニットが、材料のサンプル領域にわたってレーザービームを移動させるように構成された、ガルバノメータ式スキャナを含むことと、この材料のサンプル領域に隣接してロボットマニピュレータを位置決めすることであって、このロボットマニピュレータが、サンプル領域の上に重ね合わされるエンドエフェクタに接続されることと、サンプル領域内のレーザービームの移動を、±５ミリメートルの距離の範囲内で追跡するように、ロボットマニピュレータ及びエンドエフェクタを制御することとを含む、材料が製造される際に、その材料のサンプル領域をリアルタイムで加工するための方法を目的とする。

更に別の実施形態では、本開示は、ウェブ材料が製造される際に、そのウェブ材料からデブリを除去するための、オンラインコンピュータ化システムを目的とする。このシステムは、デルタロボット及びケーブル懸架式ロボットから選択されるロボットマニピュレータと、このロボットマニピュレータに取り付けられたデブリ管理ノズルであって、このノズルが、ウェブ材料のサンプル領域に隣接する、デブリ管理ノズルと、このデブリ管理ノズルに接続された供給源であって、この供給源が、真空及び加圧空気のうちの少なくとも一方を提供する、供給源と、レーザー及びガルバノメータ式スキャナを含む、走査レーザーヘッドユニットと、遠隔コンピュータと通信して、エンドエフェクタの移動がサンプル領域内のレーザービームの移動を追跡するように、ロボットマニピュレータを移動させるように構成された、制御ユニットとを含む。

別の実施形態では、本開示は、命令を含むコンピュータ可読記憶媒体を目的とし、この命令は、実行されると、コンピューティングデバイスの１つ以上のプロセッサに、それらのプロセッサ上で実行されるソフトウェアプログラムによって、ワークピースの表面に対する座標を含むレーザー軌道データを受信させ、このソフトウェアプログラムが、その位置データを、（ａ）ガルバノメータ式スキャナ内の少なくとも１つの反射鏡の位置を表す、回転位置データであって、このスキャナが表面に対して固定され、このスキャナが表面にわたってレーザービームを移動させるように構成される、回転位置データと、（ｂ）エンドエフェクタに取り付けられたロボットマニピュレータを駆動して、表面にわたるレーザービームの移動を、エンドエフェクタに追跡させるための、位置データとに変換する。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細を、添付の図面及び以下の説明に記載する。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、それらの説明及び図面から、並びに特許請求の範囲から、明らかとなるであろう。

非走査レーザー加工システムの概略図である。 レーザーヘッドユニット内のガルバノメータ式スキャナの拡大内部図を含む、走査レーザー加工システムの概略斜視図である。 レーザーヘッドユニット内のガルバノメータ式スキャナの拡大内部図を含む、デルタロボットマニピュレータを有する走査レーザー加工システムの概略斜視図である。 本明細書の図３及び図５の走査レーザー加工システムと共に使用するために好適な、エンドエフェクタの概略断面図である。 レーザーヘッドユニット内のガルバノメータ式スキャナの拡大内部図を含む、ケーブル懸架式ロボットマニピュレータを有する走査レーザー加工システムの概略斜視図である。 図５の走査レーザー加工システムと共に使用するために好適な、ケーブル制御機構の斜視図である。 図５のケーブル懸架式走査レーザー加工システムの動作を制御するために好適な、制御ユニットの流れ図である。 実施例でのロボットマニピュレータに関する、レーザースポットの位置及びエンドエフェクタの位置対時間のプロットである。ｘ軸及びｙ軸に沿ったエンドエフェクタ位置が、それぞれ、実線及び破線で表され、ｘ軸及びｙ軸に沿ったレーザースポット位置が、それぞれ、一点鎖線及び点線によって表される。 エンドエフェクタとレーザースポット位置との相対位置誤差のプロットであり、相対ｘ誤差及び相対ｙ誤差が、それぞれ、破線及び一点鎖線によって表される。実線は、軌道の長さに沿った、システムの全相対誤差のベクトルノルム（二乗和の平方根）を示す。

これらの図面内の同様の記号は、同様の要素を示す。

図１を参照すると、フライングオプティク（非走査）レーザー加工システム１０は、床などの安定表面に設置されている、固定式の平坦なテーブル１２を含む。ワークピース１４は、テーブル１２上に安置されるか、又は方向Ａに沿ってテーブル１２を横断して移動する。平行レール部材１６、１８の内部に、方向Ａ及び方向Ｂに沿って移動するクロスバー２０を含む、剛性のガントリ様機構１５が、テーブル１２上に設置される。レーザーヘッドユニット２２が、クロスバー２０に沿って、方向Ｃ及び方向Ｄで移動する。レーザー（図示せず）によるレーザービームが、光学トレイン２４によって、レール部材１６、１８に沿って、レーザーヘッドユニット２２に送達される。レーザーヘッドユニット２２によって送達されるビームの向きは固定されているため、平行レール部材１６、１８は、比較的大きい距離にわたって、クロスバー２０及び／又はレーザーヘッドユニット２２を迅速に移動させることが可能であるべきである。平行レール部材１６、１８及びクロスバー２０は、ワークピース１４にわたって、レーザーヘッドユニット２２を素早く正確に移動させるために、剛性にするべきであり、したがって、テーブル１２のサイズ及び加工されるワークピース１４の面積を有する、嵩高な、質量の規模である。レーザービームの方向を加速及び／又は変化させるために、ガントリ機構１５の構成要素及びレーザーヘッドユニット２２の著しい慣性を克服しなければならない。非走査レーザーシステム１０の設計では、レーザーヘッドユニット２２及びワークピース１４は、互いに比較的近接している場合が多く、このことにより、システム１０の潜在的な最終用途が制限される。

非走査レーザーシステム１０では、レーザーヘッドユニット２２及びワークピース１４は、一体に近接して位置決めすることができるため、ワークピース１４上のレーザースポット付近に、加工機能を追加することは、比較的単純である。例えば、レーザー切断の後にワークピース１４から遊離したデブリを管理するために、レーザーヘッドユニット２２は、真空システム又は圧縮空気源に取り付けられるノズル２８を含み得る。しかしながら、ノズル２８などの追加的加工機器はまた、レーザーヘッドユニット２２の質量も増大させ、このことにより、レーザービームの方向を加速及び／又は変化させる能力が、更に制限される。

図２の走査レーザーシステム３０は、床などの安定表面に固定設置される、固定式の平坦なワークピース処理表面３２を含む。ワークピース３４は、この表面３２上に安置されるか、又は方向Ａに沿って表面３２を横断して移動する。レーザーヘッドユニット３６は、テーブル３２及びワークピース３４に対して固定することができ、又は移動可能とすることもできる。レーザービーム３８は、レーザー（図２には示さず）によってレーザーヘッドユニット３６に送達され、ガルバノメータ走査ユニット４１の一部を形成する小型反射鏡４２、４４の構成体を横断する。ガルバノメータ走査ユニット４１は、任意数の反射鏡４２、４４、並びに特定の用途に関して必要とされるような集束光学系を含み得るものであり、図２に示す構成体は、使用することが可能な１つの設計の、単なる実施例に過ぎない。ガルバノメータ走査ユニット４１内の反射鏡４２、４４は、軸５０、５２を介して、モーター４６、４８に取り付けられる。反射鏡４２は、モーター４６によって角度θ_１の範囲内で回転し、反射鏡４４は、モーター４８によって角度θ_２の範囲内で回転する。反射鏡４２、４４の移動は、操向レーザービーム４０を、ワークピース３４の随所に操向する。反射鏡４２、４４は、小型かつ軽量であるため、操向レーザービーム４０を操作するために、これらの部品を素早く正確に移動させるために克服しなければならない慣性は、比較的小さいものであり、操向ビーム４０を素早く加速させて、ワークピース３４上の加工区域５５内に正確に配置することができる。

走査レーザー加工システム３０では、レーザーヘッドユニット３６とワークピース３４との間の作動距離は、図１の非走査システム１０でのレーザーヘッドユニット２２とワークピース１４との間の作動距離と比較して、相対的に大きい。

図２のデバイス３０などの走査レーザー加工システムは、多くの望ましい特性（高い動的性能、増大した作動距離、及び大きい加工区域）を有するが、追加的加工機能を加工区域５５内で実行することは、困難な場合がある。例えば、走査システム３０に対するデブリ管理は、空気又は水を送達して、排出された粒子を加工区域５５から真空システム６２内に移動させるための、流体供給デバイス６０を含み得るものであり、このことにより、排出された粒子が、ワークピース３４上に沈積してレーザー伝送に干渉することが防止される。これらの大域的加工方法の有効性は、レーザーヘッドユニット３６とワークピース３４との間の大きい作動距離によって制限されるものであり、この大きい作動距離は、最終的に、レーザー加工から生じるあらゆる汚染物が、加工部品上に沈積し、かつ／又は加工部品を汚損する機会を、より多く提供する。

本開示で説明される走査レーザーシステムは、ワークピースの加工区域に対して局所的（近位）に追加的加工機能を実行するために選択された、低慣性エンドエフェクタを使用して、ワークピースに遠位のレーザーヘッドユニットによって操向されるレーザービームを追跡することを可能にする。加工速度に対する影響を最小限に抑えた、迅速かつ正確なワークピース加工が所望される場合、レーザー走査システムによって提供される、加工区域への高度に動的なビーム送達は、低慣性エンドエフェクタを使用する、加工区域内での局所加工能力と相まって、重要なものとなり得る。例えば、走査レーザービームを追跡する低慣性ノズルは、そのレーザーがワークピースの随所に移動する際、その加工区域に空気又は真空を送達することができる。この局所的なデブリ管理は、レーザーによってワークピースから遊離した粒子を、より有効に除去することができ、このことにより、ディスプレイパネル、光学フィルム、テープなどの、敏感な製品に関する品質を向上させることができる。

図３は、床などの安定表面に固定設置された、固定式の平坦なワークピース処理表面１０２を含む、走査レーザー材料加工システム１００の実施形態を示す。ワークピース１０４は、ワークピース処理表面１０２上に安置されるか、又は方向Ａに沿ってワークピース処理表面１０２を横断して移動する。レーザーヘッドユニット１０６は、ワークピース処理表面１０２及びワークピース１０４に対して固定することができ、又は移動可能とすることもできる。レーザービーム１０８は、レーザー（図示せず）によってレーザーヘッドユニット１０６に送達される。

ガルバノメータ走査ユニット１４１は、レーザービーム１０８を操向するために移動させることが可能な、モーター駆動反射鏡の構成体を含む。ガルバノメータ走査ユニット１４１は、任意数の反射鏡、並びに特定の用途に関して必要とされる集束光学系を含み得るものであり、図３に概略的に示す構成体は、使用することが可能な１つの設計の、単なる実施例に過ぎない。ガルバノメータ走査ユニット１４１内の反射鏡１４２、１４４は、軸１５０、１５２を介して、モーター１４６、１４８に取り付けられる。反射鏡１４２は、モーター１４６によって角度θ_１の範囲内で回転し、反射鏡１４４は、モーター１４８によって角度θ_２の範囲内で回転する。それゆえ、反射鏡１４２、１４４の移動を使用して、操向レーザービーム１１０を、ワークピース１０４の随所に方向付けることができる。反射鏡１４２、１４４は、小型かつ軽量であるため、レーザービーム１１０を操向するために、これらの部品を素早く正確に移動させるために克服しなければならない慣性は、比較的小さいものであり、操向ビーム１１０を素早く加速させて、ワークピース１０４上の加工区域１５５内に正確に配置することができる。

システム１００は、ロボットマニピュレータ１７０によってワークピース１０４に対して移動される、エンドエフェクタ１６０を更に含む。この実施形態では、ロボットマニピュレータは、３つの軸を含むデルタロボットであり、エンドエフェクタ１６０が完全な３自由度を有するように、ワークピース１０４に対してｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向のいずれにもエンドエフェクタ１６０を移動させるように適合させることができる。

図３の実施形態では、ロボットマニピュレータ１７０は、静止ベース部１７２、及び上部アーム１７４の構成体を含み、これらの上部アーム１７４は、それぞれ、静止ベース部１７２上のフレキシブルジョイント１７３に取り付けられた第１端部１７４Ａを有する。上部アーム１７４は、それぞれ、肘関節１７６に取り付けられた第２端部１７４Ｂを有し、この肘関節１７６は、下部アーム１７８の第１端部１７８Ａに接続される。下部アーム１７８のそれぞれの第２端部１７８Ｂは、エンドエフェクタ１６０に接続される。

操向レーザービーム１１０が、ワークピース１０４上の加工区域１５５の随所に移動して、切断、穿孔、スクライビング、切削などによってワークピース１０４を加工する際、エンドエフェクタ１６０は、レーザービームがワークピース１０４上に入射する位置１５６を、既定のスタンドオフ距離ｄの範囲内で追跡する。この既定のスタンドオフ距離ｄは、エンドエフェクタ１６０の意図された用途に応じて、多様に変化し得るが、一部の実施形態では、エンドエフェクタ１６０は、常に、レーザースポット１５６の約±１００ミリメートル（ｍｍ）のスタンドオフ距離ｄの範囲内に存在する。他の実施形態では、ｄは、レーザースポット１５６の±５ｍｍの範囲内、又はレーザースポット１５６の±０．１ｍｍの範囲内である。

エンドエフェクタ１６０は、レーザースポット１５６に隣接する区域内での、意図される加工用途に応じて、多様に変化し得る。エンドエフェクタ１６０は、ロボットマニピュレータ１７０が、必要とされる加工区域１５５にわたって、エンドエフェクタ１６０を迅速に移動させて、特定の用途に関して必要とされるスタンドオフ距離（例えば、上述のような±１００ｍｍ）で、ワークピース１０４上のレーザースポット１５６を追跡することができるように、十分な低質量を有する任意のタイプのデバイスから選択することができる。例えば、エンドエフェクタ１６０によってアクセス可能な加工区域１５５は、典型的には約５０×５０ｍｍ〜約５００×５００ｍｍである（この場合、デブリは、２５０×２５０ｍｍ〜５００×５００ｍｍの範囲で、より大きい問題となる）が、多くの他のサイズも可能である。エンドエフェクタ１６０は、最大毎秒１５０ｍ／秒の変化率で、ロボットマニピュレータ１７０によってエンドエフェクタ１６０を加速させることができるように、十分な低質量を有するべきである。エンドエフェクタ１６０は、典型的には、加工区域１５５の内部で、約１ｍ／秒〜約５ｍ／秒の速度で移動するが、このことは、製造設定での変換動作に関して極めて有用である。

エンドエフェクタ１６０は、任意選択的に、供給源１８２への適切な可撓性ケーブル、チューブ、光ファイバ、配線、又はこれらの組み合わせ１８０に接続することができる。供給源１８２は、例えば、真空ポンプ、空気、不活性ガス、若しくは水などの加圧流体源、ワークピースの表面上で焼結するための粉末合金混合物のような固体反応物源、ワークピースを作製している材料（又は、ワークピースの表面上の別の化学物質）と反応する液体化学物質源、又はワークピースの表面上に化学反応（例えば、硬化）を引き起こすための紫外線（ＵＶ）などの放射線源のうちのいずれか、あるいは全てから選択することができる。

例えば、デブリ管理のために好適な実施形態では、図４のエンドエフェクタ１６０は、真空１８２Ａと、空気、不活性ガス、又は水などの加圧流体１８２Ｂとを含む供給源１８２に、可撓性チューブ１８０（図３）を介して接続されるノズルである。この実施形態では、レーザービーム１１０は、ワークピース表面１０４Ａを加工して、粒子及びヒューム１８５を含む、デブリのプルームを生じさせる。粒子及びヒューム１８５は、表面１０４Ａ付近のレーザービーム１１０の伝送を変化させて、潜在的に燃焼を引き起こし、加工される製品の品質に悪影響を及ぼす恐れがある。実質的に、表面１０４Ａから粒子及びヒューム１８５を連続的に除去するために、エンドエフェクタ１６０は、流体供給１８２Ｂからの加圧流体を表面１０４Ａ上に方向付ける、流体供給ノズル部分１９０を含む。流体供給ノズル部分１９０からの加圧流体の流れは、表面１０４Ａから粒子及びヒューム１８５を遊離させる。次いで、遊離した粒子及びヒューム１８５は、真空源１８２Ａからの真空流に引き込まれ、真空ノズル１９２の構成体を介して、表面１０４Ａから除去される。

上述のように、上記の、図４で説明された特定のデブリ管理の実施形態に加えて、エンドエフェクタ１６０は、例えば、カメラ若しくは他のレンズ系などの光学素子、加工中のワークピースの検査のためのセンサ、放射線エミッタ、固体若しくは液体材料ディスペンサ、及びこれらの組み合わせから選択することができる。本明細書で説明されるエンドエフェクタは、ワークピースのレーザー変換で特に良好に機能し、移動ウェブのライン及び一般のオンライン加工などの、制約された空間内で利益をもたらすために使用することができる。しかしながら、本明細書で説明される、低質量、高速のエンドエフェクタは、能動的局所運動（切断、加熱、真空引きなど）若しくは受動的局所運動（目視検査、プロセス監視など）又は双方の組み合わせを含めた、高速局所運動により利益を得ることが可能な、任意の用途で使用することができる。

図５は、床などの安定表面に固定設置された、固定式の平坦なワークピース処理表面２０２を含む、走査レーザー材料加工システム２００の別の実施形態の概略図である。ワークピース２０４は、ワークピース処理表面２０２上に安置されるか、又は方向Ａに沿ってワークピース処理表面２０２を横断して移動する。レーザーヘッドユニット２０６は、ワークピース処理表面２０２及びワークピース２０４に対して固定することができ、又は移動可能とすることもできる。レーザービーム２０８は、レーザー（図示せず）によってレーザーヘッドユニット２０６に送達される。

ガルバノメータ走査ユニット２４１は、レーザービーム２０８を操向するために移動させることが可能な、モーター駆動反射鏡の構成体を含む。ガルバノメータ走査ユニット２４１は、任意数の反射鏡、並びに特定の用途に関して必要とされる集束光学系を含み得るものであり、図５に概略的に示す構成体は、使用することが可能な１つの設計の、単なる実施例に過ぎない。ガルバノメータ走査ユニット２４１内の反射鏡２４２、２４４は、軸２５０、２５２を介して、モーター２４６、２４８に取り付けられる。反射鏡２４２は、モーター２４６によって角度θ_１の範囲内で回転し、反射鏡２４４は、モーター２４８によって角度θ_２の範囲内で回転する。それゆえ、反射鏡２４２、２４４の移動を使用して、操向レーザービーム２１０を、ワークピース２０４の随所に方向付けることができる。反射鏡２４２、２４４は、小型かつ軽量であるため、操向レーザービーム２１０を方向付けるために、これらの部品を素早く正確に移動させるために克服しなければならない慣性は、比較的小さいものであり、操向ビーム２１０を素早く加速させて、ワークピース２０４上の加工区域２５５内に正確に配置することができる。

システム２００は、ロボットマニピュレータ２７０によってワークピース２０４に対して移動される、エンドエフェクタ２６０を更に含む。この実施形態では、ロボットマニピュレータ２７０は、複数の張力を加えられたケーブル２７２によって操作されるケーブルロボットである。ケーブル２７２の相対的張力を変化させることによって、エンドエフェクタ２６０の位置、速度、及び加速度を正確に制御し、ワークピース２０４上のレーザービームスポット２５６を追跡することができる。このロボットマニピュレータ２７０のケーブル懸架形態により、ロボットマニピュレータ２７０の慣性は、懸架ケーブル２７２及びアクチュエータ内部構造物（図示せず）の慣性のみに更に低減されるため、ロボットマニピュレータ２７０は、図３のロボットマニピュレータ１７０よりも低い慣性を有する。ケーブルロボット２７０は、任意数のケーブル２７２を含み得るものであり、図５の実施例では、４つのケーブルを含み、エンドエフェクタ２６０の移動に関して３自由度を提供する。７つのケーブル２７２を使用すると、ロボット２７０は、最大６の自由度を有することが可能であり、ワークピース２０４に対して、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向のいずれにも（及び回転式に）エンドエフェクタ２６０を移動させるように、適合させることができる。

図５の実施形態では、ケーブル２７２は、それぞれ、エンドエフェクタ２６０に取り付けられた第１端部２７２Ａ、及びケーブル制御機構２７５に取り付けられた第２端部２７２Ｂを含む。図６は、単一のケーブル２７２に関する、ケーブル制御機構２７５の実施例を示す。このケーブル制御機構は、ケーブル２７２の張力及び有効長を制御するものであり、ウインチドラム２７８が設置されている出力軸を有する、モーター２７６を含む。ウインチドラム２７８は、ケーブル２７２の第２端部２７２Ｂに係合する。張力負荷セル２８４を経て、案内プーリー２８６の周囲を通過した後、ケーブル２７２の第１端部２７２Ａは、エンドエフェクタ２６０に接続する。

この設計を使用すると、エンドエフェクタ２６０は、ワークピース２０４と接触することなく、ケーブル制御機構２７５によってケーブル２７２内に維持される張力を介して、加工区域２５５の上に懸架される。エンドエフェクタ２６０に作用する重力による、ケーブル２７２内のあらゆる垂下は、任意選択的に、エンドエフェクタ２６０を可撓性チューブ２８０に接続し、その可撓性チューブ２８０を、空気などの加圧ガスの供給源２８２に接続することによって、低減及び／又は排除することができる。次いで、エンドエフェクタは、エンドエフェクタ２６０から流出する加圧ガスを、加工区域２５５の上方にエンドエフェクタ２６０を維持するための、空気支持構造として使用することができる。

操向レーザービーム２１０が、ワークピース２０４上の加工区域２５５の随所に移動して、切断、穿孔、スクライビング、切削などによってワークピース２０４を加工する際、エンドエフェクタ２６０は、レーザービームがワークピース２０４上に入射する位置２５６を、既定のスタンドオフ距離ｄの範囲内で追跡する。この既定のスタンドオフ距離ｄは、エンドエフェクタ２６０の意図された用途に応じて、多様に変化し得るが、一部の実施形態では、エンドエフェクタ２６０は、常に、レーザースポット２５６の約±１００ミリメートル（ｍｍ）のスタンドオフ距離ｄの範囲内に存在する。他の実施形態では、ｄは、レーザースポット２５６の±５ｍｍの範囲内、又はレーザースポット２５６の±０．１ｍｍの範囲内である。

エンドエフェクタ２６０は、意図された用途に応じて、多様に変化し得るものであり、ロボットマニピュレータ２７０が、必要とされる加工区域２５５にわたって、エンドエフェクタ２６０を迅速に移動させて、特定の用途に関して必要とされるスタンドオフ距離（例えば、上述のような±１００ｍｍ）で、ワークピース２０４上のレーザースポット２５６を追跡することができるように、十分な低質量を有する任意のタイプのデバイスから選択することができる。例えば、ケーブル懸架式ロボット２７０を使用して、エンドエフェクタ２６０によってアクセス可能な加工区域２５５は、典型的には約５０×５０ｍｍ〜約５００×５００ｍｍであるが、多くの他のサイズも可能である。エンドエフェクタ２６０は、最大毎秒２００ｍ／秒の変化率（重力Ｇの２０倍）で、ロボットマニピュレータ２７０によって加速されることにより、エンドエフェクタ２６０が少なくとも約５ｍ／秒の速度に到達することができるように、十分な低質量を有するべきである。

エンドエフェクタ２６０は、任意選択的に、供給源２８２への可撓性ケーブル、チューブ、光ファイバ、配線、又はこれらの組み合わせ２８０に接続することができる。供給源２８２は、例えば、真空ポンプ、空気、不活性ガス、若しくは水などの加圧流体源、ワークピースの表面上で焼結するための粉末合金混合物のような固体反応物源、ワークピースを作製している材料（又は、ワークピースの表面上の別の化学物質）と反応する液体化学物質源、又はワークピースの表面上に化学反応（例えば、硬化）を引き起こすための、紫外線（ＵＶ）などの放射線源のうちのいずれか、あるいは全てから選択することができる。

上記の図４で説明された特定のデブリ管理の実施形態に加えて、エンドエフェクタ２６０は、例えば、カメラ若しくは他のレンズ系などの光学素子、加工中のワークピースの検査のためのセンサ、放射線エミッタ、固体若しくは液体材料ディスペンサ、及びこれらの組み合わせから選択することができる。本明細書で説明されるエンドエフェクタ２６０は、ワークピースのレーザー変換で特に良好に機能し、移動ウェブのライン及び一般のオンライン加工などの、制約された空間内で利益をもたらすために使用することができる。しかしながら、低質量、高速のエンドエフェクタは、能動的局所運動（切断、加熱、真空引きなど）若しくは受動的局所運動（目視検査、プロセス監視など）又は双方の組み合わせを含めた、高速局所運動により利益を得ることが可能な、任意の用途で使用することができる。

図７は、ワークピース３０４の表面にわたるレーザービーム３１０の移動を、エンドエフェクタ３６０に追跡させるように構成されたプロセッサを含む、制御ユニット３００の実施形態を示す、概略的な流れ図である（図５、６もまた参照されたい）。ワークピース３０４に対するレーザービーム３１０の移動を制御するために、オペレータは、最初に、ワークピース３０４上の場所、ワークピース３０４の上方の場所、又はワークピース３０４の下方の場所の、ワークピース座標の形態で、制御ユニット３００内に、軌道パラメータ３０１を伴うレーザー軌道データを入力する。制御ユニット３００は、このレーザーの軌道及びパラメータ３０１に基づいて、レーザー制御モジュール３０３に関する電力信号、レーザーヘッドユニット制御モジュール３０４に関する軌道データ、及びロボットマニピュレータ制御モジュール３０６に対するロボット位置データを生成する、軌道生成モジュール３０２を含む。

レーザー制御モジュール３０３は、レーザーコントローラ３０７にレーザー制御信号を提供して、レーザー３０９に電力供給する。レーザーヘッドユニット制御モジュール３０４は、レーザーヘッドユニットコントローラ３０８に、ガルバノメータ３４１内の反射鏡アレイに関する回転位置データとして、レーザーヘッドユニット制御信号を提供し、ガルバノメータ３４１は、レーザー３０９によって放出される操向レーザービーム３１０の、ワークピース３０４に対する軌道を制御する。

ロボットマニピュレータ制御モジュール３０６によって提供されるロボット位置データとしては、例えば、ウインチドラムに関する角度位置データ、及びロボットマニピュレータのケーブルに関する張力データが挙げられる（図５、６）。ロボットマニピュレータ制御モジュール３０６は、張力負荷セル３８４及びケーブル３７２の構成体を制御する、ケーブル機構３７５を作動させる。例えば、一部の実施形態では、ロボット位置データは、ウインチドラムの角度（またそれゆえ、有効ケーブル長）に対応する回転データとして、ケーブル機構３７５に提供することができる。これらの信号は、対応する張力負荷セル３８４への入力に関する位置フィードバックに基づいて、トルクデータに変換することができる。上記により、取り込まれたアートワーク及びパラメータ３０１によって指定されるような、ワークピース３０４に対する場所３５６に、エンドエフェクタ３６０を位置決めするための、対応するケーブル内の適正な相対的張力がもたらされる。

レーザーヘッドユニット制御信号及びロボットマニピュレータ制御信号は、エンドエフェクタ３６０が、ワークピース３０４上にレーザービーム３１０が入射する位置３５６から既定のスタンドオフ距離ｄ（図５）の範囲内で、操向レーザービーム３１０の移動を追跡するように、コントローラ３００内のプロセッサによって調整される。

レーザーヘッドユニット制御信号及びロボットマニピュレータ制御信号は、１つ以上のハードウェアマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、又は任意の他の同等の集積論理回路若しくはディスクリート論理回路、並びにそのような構成要素の任意の組み合わせを含めた、制御ユニット３００のモジュール内の１つ以上のプロセッサによって実行される、ソフトウェア命令として生成することができる。それらのソフトウェア命令は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラマブル読み出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、フロッピー（登録商標）ディスク、カセット、磁気媒体、光媒体、又は他のコンピュータ可読記憶媒体などの、非一時的コンピュータ可読媒体内に記憶させることができる。

上述の加工システムは、ロールツーロール製造プロセスでの、ウェブ材料の変換及び加工に関して、特に良好に適している。そのようなプロセスでは、ワークピースは、走査レーザーを使用して高速で変換される、材料の移動ウェブであり、低慣性エンドエフェクタを使用して、走査レーザービームによって変換された区域を更に加工することができる。例えば、本明細書で説明される低慣性材料加工システムは、レーザー加工を通じた清浄な変換により利益を受けることが可能な（又は、そのような変換を必要とする）任意のそのような高スループットプロセスで、有用とすることができる。具体的には、本明細書の低慣性材料加工システムは、例えば、ＬＣＤパネル、落書き防止フィルム、及びテープなどの、最終製品の光学品質が重要である、デブリに敏感なフィルム製品の、清浄なレーザー変換に関して有用である。

図７のコントローラ３００は、製造工場の内部に配置することができ、又は製造工場の外部に、あるいは双方の組み合わせに、例えば、中央の場所又は変換の現場に配置することができる。説明された構成要素は、単一のコンピューティングプラットフォーム上で実行することができ、又は同じソフトウェアシステム内に統合することもできる。

低慣性のレーザー走査及びエンドエフェクタ運動を使用する材料加工システムを、図５に示すような２軸レーザー走査ヘッド及び３自由度のケーブル懸架式ロボットを使用して構築した。表１には、以下で説明される実施例を構築する際に使用した、市販の機器のリストを記載する。

表１に記載したレーザー走査ヘッドを、２０４ｍｍの作動距離のレンズを使用して設置することにより、１４０×１４０ｍｍの照射野サイズを生じさせた。表１に含まれる電子機器、モーター、及びドライブを使用して、ケーブル懸架式ロボットを注文制作した。４つのケーブル案内組立体（図６の、張力負荷セル２８４及び案内プーリー２８６）を、１．４×０．８３メートルの矩形の角部に案内プーリー２８６を配置した状態で、矩形の配置構成で設置することにより、約１．２×０．６メートルのエンドエフェクタ作業空間を生じさせた。

この材料加工システムを、図７で概説したスキームによって制御した。制御ユニット３００の構成要素は、ローカルホストＰＣと表１に記載の埋め込みコントローラとの間で分散させ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）を介してそれらの２つを接続した。レーザー制御モジュール３０３、レーザーヘッドユニット制御モジュール３０４、ロボットマニピュレータ制御モジュール３０６は、ローカルホストパーソナルコンピュータ（ＰＣ）上に実装した。レーザーコントローラ３０７及びレーザーヘッドユニットコントローラ３０８は、入手可能なＦＰＧＡリソースを利用して、埋め込みコントローラ上に実装した。

コントローラ３０７、３０８に関する設定点は、ホストＰＣ上のモジュール３０３、３０４、３０６を介して、オフラインで計算した。指定の軌道を与えることにより、レーザースポット位置３５６及びエンドエフェクタノズル３６０の位置に関して、軌道生成モジュール３０２によってデカルト座標を生成した。軌道生成モジュール３０２はまた、全ての必要な遅延及びオフセットを考慮して、レーザー制御モジュール３０３に、レーザーコントローラ３０７への送信（すなわち、ワット単位でのレーザー出力電力）に関して、対応するレーザー制御信号も提供するものとした。

次いで、ガルバノメータ３４１及びエンドエフェクタ３６０に関するデカルト座標を、それぞれ、レーザーヘッドユニット制御モジュール３０４及びロボットマニピュレータ制御モジュール３０６に渡して、ガルバノメータ３４１及びケーブルコントローラ３７５の固有座標系へと変換した。これらの固有座標は、ガルバノメータ３４１に関する反射鏡の角度、及びケーブルコントローラ３７５に関するウインチドラムの回転を説明する。各設定点に関して、指定の最小ケーブル張力、並びにロボットの物理特性及びエンドエフェクタ３６０の位置によって判定された構造マトリックスに基づいて、ロボットマニピュレータ制御モジュール３０６によって、対応する最適張力を算出した。説明される実施例の、設定及び予期される動的性能を前提とすると、１５〜２０Ｎの最小張力値が良好な値であることが見出された。

上述の固有の軌道データから、表１に記載の埋め込みコントローラのＦＰＧＡ上で実行される、対応するコントローラ３０７、３０８、３７５によって、適切な制御信号を生成した。レーザーコントローラ３０７は、軌道電力データを取得して、対応するＴＴＬ波形を生成することにより、レーザー出力を駆動する。レーザーヘッドユニットコントローラ３０８は、計算されたガルバノ反射鏡の角度を、ＸＹ２−１００スキャナプロトコルを介して、ガルバノスキャナ３４１に送信するが、これらの信号は、９４０１デジタルＩ／Ｏモジュールによって生成するものとした。ケーブルコントローラ３７５は、（トルクとしての）最適張力、並びに所望のウインチ角度位置を受理して、モーターエンコーダからのフィードバックを考慮しつつ、表１に記載のモータードライブを使用する張力負荷セル３８４に、適切なトルク値を送信する。全てのトルク指令は、ケーブルコントローラ３７５によって、９５１６ドライブインタフェースモジュールを介して張力負荷セル３８４に送信される。

全ての軌道データ（設定点、レーザー制御、及び最適張力）を、０．５ミリ秒の時間ステップで生成することにより、２ｋＨｚの更新率を生じさせた。レーザーコントローラ３０７、ガルバノコントローラ３０８、ケーブルコントローラ３７５は、２０ｋＨｚで動作させた。

実行経路は、作業空間の原点を中心とする、４０ミリメートルの正方形からなるものとした。この経路は、原点から開始して、左上の角部まで、ｘ軸に沿って負に、及びｙ軸に沿って正に移動し、次いで、左下の角部までｙ軸に沿って負に移動し、次いで、右下の角部までｘ軸に沿って正に移動し、次いで、右上の角部までｙ軸に沿って正に移動し、次いで、左上の角部までｘ軸に沿って負に移動して戻り、次いで、最終的に原点に戻るものとした。軌道生成モジュール３０２によって生成された軌道は、毎秒１５０ｍ／秒に制限された加速度で、速度を最大化するように設定されることにより、区分的に一定な加速プロファイル、連続的な速度プロファイル、及び連続微分可能な位置プロファイルを生じさせた。

レーザーヘッドユニットコントローラ３０８への入力座標は、収集されたガルバノスキャナ較正データに基づく共一次内挿法を使用して、レーザーヘッドユニット制御モジュール３０４によって生成するものとした。

ケーブルコントローラ３７５への入力は、ロボットマニピュレータ制御モジュール３０６によって生成するものとした。これらの計算は、ケーブル機構、及び作業空間内部でのそれらの場所を含む、この機械システムのジオメトリからもたらされる、相対的ケーブル長に基づいて実施した。

ケーブルコントローラ３７５によって提供された座標を、ロボットマニピュレータ制御モジュール３０６によって算出された最適な静的張力によって補完した。これらの張力は、（それ自体がエンドエフェクタ位置の関数である）システムの構造マトリックスと共に、提供される最小許容ケーブル張力に基づいて算出される。

エンドエフェクタ３６０は、１７グラムの質量を有するものとした。このシステムの出力（レーザー３０９とエンドエフェクタ３６０との複合同期運動）を、高速ビデオキャプチャを使用して検証した。較正されたビデオからの実世界デカルト座標が、図８に示され、ｘ軸及びｙ軸に沿ったエンドエフェクタ３６０の位置が、それぞれ、実線及び破線で表され、ｘ軸及びｙ軸に沿ったレーザースポット位置が、それぞれ、一点鎖線及び点線によって表される。エンドエフェクタ３６０とレーザースポット位置３５６との相対位置誤差が、図９に示され、相対ｘ誤差及び相対ｙ誤差が、それぞれ、破線及び一点鎖線によって表される。実線は、軌道の長さに沿った、システムの全相対誤差（二乗和の平方根）を示す。この特定の設定では、軌道の全体に沿って、３ｍｍ未満の相対誤差が観察された。

本発明の様々な実施形態が説明されてきた。これらの実施形態及び他の実施形態は、以下の特許請求の範囲の範疇にある。

Claims (11)

1. 静止ベース部を備えるロボットマニピュレータと、
   前記ロボットマニピュレータによって作動され、ワークピースに隣接するエンドエフェクタと、
   前記ワークピースにわたってレーザービームを移動させるように構成されたレーザー及び光学トレインを備える走査レーザーヘッドユニットであって、任意に前記ワークピースに対して固定される走査レーザーヘッドユニットと、
   前記エンドエフェクタの移動が前記レーザービームの移動を追跡するように前記ロボットマニピュレータを移動させるように構成された制御ユニットと、を備える装置。
2. 前記エンドエフェクタが、前記ワークピースにおけるレーザービーム位置を±５ミリメートルの範囲内で追跡する、請求項１に記載の装置。
3. 前記制御ユニットが、レーザーの軌道及びパラメータに基づいて、レーザー制御モジュールが前記レーザービームを制御するための電力信号、レーザーヘッドユニット制御モジュールが前記走査レーザーヘッドユニットを制御するための軌道データ、及びロボットマニピュレータ制御モジュールが前記ロボットマニピュレータを作動させるためのロボット位置データを生成する軌道生成モジュールを備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記エンドエフェクタが、デブリ管理装置、光学素子、センサ、放射線エミッタ、及び材料ディスペンサのうちの少なくとも１つから選択される、請求項１に記載の装置。
5. 前記材料ディスペンサが、不活性ガス供給ノズル又は焼結用の粉末合金混合物を分配するためのノズルを含む、請求項４に記載の装置。
6. 前記ロボットマニピュレータが、デルタロボットを含み、任意に前記デルタロボットが静止ベース部に取り付けられた少なくとも３つの関節アームの構成体を有し、前記関節アームが、前記静止ベース部に接続された第１端部、及び前記エンドエフェクタに接続された第２端部を有する、請求項１に記載の装置。
7. デルタロボット及びケーブル懸架式ロボットから選択され、静止ベース部を備えるロボットマニピュレータと、
   前記ロボットマニピュレータに取り付けられ、ワークピースのサンプル領域に隣接し、デブリ管理装置、光学素子、センサ、放射線エミッタ、及び材料ディスペンサのうちの少なくとも１つから選択されるエンドエフェクタと、
   前記エンドエフェクタに接続されたエンドエフェクタ供給システムと、
   前記ワークピースに対して固定され、前記ワークピースの前記サンプル領域内の位置にレーザービームを移動させるように構成されたレーザー及びガルバノメータ式スキャナを備える走査レーザーヘッドユニットと、
   前記ワークピースの前記サンプル領域内の前記レーザービームの前記位置から前記ロボットマニピュレータを±５ミリメートルの距離の範囲内で移動させるように構成された制御ユニットであって、レーザーの軌道及びパラメータに基づいて、レーザー制御モジュールが前記レーザービームを制御するための電力信号、レーザーヘッドユニット制御モジュールが前記走査レーザーヘッドユニットを制御するための軌道データ、及びロボットマニピュレータ制御モジュールが前記ロボットマニピュレータを作動させるためのロボット位置データを生成する軌道生成モジュールを備える制御ユニットと、を備えるシステム。
8. デブリ管理のための方法であって、
   材料のウェブの真上に走査レーザーヘッドユニットを設置することを含み、前記走査レーザーヘッドユニットが、前記材料の表面にわたってレーザービームを移動させるように構成されたレーザー及びガルバノメータ式スキャナを備え、
   前記ウェブの真上に、デルタロボット及びケーブル懸架式ロボットから選択されるロボットマニピュレータを設置することを含み、前記ロボットマニピュレータが、デブリ管理装置を取り付けられ、
   前記レーザービームを追跡するとともに前記表面からデブリを除去するように、前記ロボットマニピュレータ及び前記デブリ管理装置を移動させることを含む、方法。
9. 前記レーザービームが、レーザーの軌道及びパラメータに基づいて、レーザー制御モジュールが前記レーザービームを制御するための電力信号、レーザーヘッドユニット制御モジュールが前記走査レーザーヘッドユニットを制御するための軌道データ、及びロボットマニピュレータ制御モジュールが前記ロボットマニピュレータを作動させるためのロボット位置データを生成する軌道生成モジュールによって制御される、請求項８に記載の方法。
10. 材料が製造される際に前記材料のサンプル領域をリアルタイムで加工するための方法であって、
    前記材料の上方に走査レーザーヘッドユニットを位置決めする工程を含み、前記走査レーザーヘッドユニットが、前記材料の前記サンプル領域にわたってレーザービームを移動させるように構成されたガルバノメータ式スキャナを備え、
    前記材料の前記サンプル領域に隣接してロボットマニピュレータを位置決めする工程を含み、前記ロボットマニピュレータが、前記サンプル領域に重ね合わされるエンドエフェクタに接続され、
    前記サンプル領域内の前記レーザービームの前記移動を±５ミリメートルの距離の範囲内で追跡するように、前記ロボットマニピュレータ及び前記エンドエフェクタを制御する制御工程を含む方法。
11. 前記制御工程が、レーザーの軌道及びパラメータに基づいて、レーザー制御モジュールが前記レーザービームを制御するための電力信号、レーザーヘッドユニット制御モジュールが前記走査レーザーヘッドユニットを制御するための軌道データ、及びロボットマニピュレータ制御モジュールが前記ロボットマニピュレータを作動させるためのロボット位置データを生成する軌道生成モジュールを備える制御ユニットによって実行される、請求項１０に記載の方法。

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