KR20220116355A - 다중 축 공작 기계, 이를 제어하는 방법들 및 관련 배치들 - Google Patents

Abstract

레이저-기반 공작 기계의 다양한 실시예들 및 이를 제어하기 위한 기법들이 제공된다. 일부 실시예는 작업물들의 균일하고 재생산 가능한 처리를 용이하게 하는 기법들에 관한 것이다. 다른 실시예들은 고속-가변 초점 길이를 갖는 줌 렌즈에 관한 것이다. 또 다른 실시예들은, 레이저 에너지의 스캔 헤드로의 효율적 전달을 용이하게 할 수 있고, 작업물 처리 동안에 발생할 수 있는 열역학적 문제들을 해결할 수 있는 등 레이저-기반 다중 축 공작 기계의 다양한 특징들에 관한 것이다. 다른 실시예는, 처리 동안, 작업물 표면들에서 입자상 물질의 바람직하지 않은 축적을 최소화하거나 방지하기 위한 기법들에 관한 것이다. 다수의 다른 실시예 및 배치가 또한 상세화된다.

Description

다중 축 공작 기계, 이를 제어하는 방법들 및 관련 배치들 {MULTI-AXIS MACHINE TOOL, METHODS OF CONTROLLING THE SAME AND RELATED ARRANGEMENTS}

관련 출원들에 대한 교차 참조

본 출원은 각각이 그 전체가 참조로 통합되는 2017년 5월 5일에 출원된 미국 가출원 제62/502,311호 및 2017년 5월 25일에 출원된 미국 가출원 제62/511,072호의 이익을 주장한다.

기술 분야

본 발명의 실시예들은, 일반적으로, 다중 축 공작 기계에서 공구의 위치 또는 움직임이 하나 이상의 액추에이터를 사용하여 제어되는, 자동화된 움직임 제어를 가능하게 하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.

움직임 제어는 로봇 시스템(예를 들어, 다관절 로봇 구성, 직교 좌표(Cartesian) 로봇 구성, 원통 좌표 로봇 구성, 폴라(polar) 로봇 구성, 델타 로봇 구성 등 또는 이들의 조합), 수치 제어(NC: numerical control) 기계, 전산화된 NC(CNC: computerized NC) 기계 등(일반적으로 그리고 집합적으로 본 명세서에서 작업물을 처리하기 위해 적응될 수 있는 "공작 기계"로 지칭됨)에서 중요한 측면이다. 이들 공작 기계는, 전형적으로, 하나 이상의 제어기, 하나 이상의 액추에이터, 하나 이상의 센서(각각 분리된 디바이스로 제공되거나, 액추에이터에 내장됨), 공구 홀더 또는 공구 헤드, 및 다양한 데이터 통신 서브 시스템, 조작자 인터페이스 등을 포함한다. 공작 기계는, 포함된 액추에이터들의 타입과 개수에 의존하여, 다수의 독립적으로 제어 가능한 움직임 축을 갖는 "다중 축(multi-axis)" 공작 기계로서 제공될 수 있다.

기계 처리 및 다른 자동화 응용들에서 더 높은 생산성에 대한 지속적인 시장 요구는 다양한 타입의 액추에이터들, 센서들 및 관련 제어기들을 갖는 공작 기계의 사용을 증가시켜 왔다. 일부 경우에, 다중 축 공작 기계(또한, 본 명세서에서 "하이브리드 다중 축 공작 기계"로 지칭됨)에는 동일한 방향에 따라, 하지만 상이한 대역폭으로 움직임을 제공할 수 있는 다수의 액추에이터가 장착될 수 있다. 일반적으로, 제1 액추에이터가 주어진 스펙트럼 또는 주파수 성분을 갖는 명령 신호(command signal)에 응답하여, 제2 액추에이터가 동일한 명령 신호에 응답하여 움직임을 제공할 수 있는 것보다, 더 정밀하게 움직임을 제공할 수 있는 경우, 하나의 액추에이터(예를 들어, 제1 액추에이터)가 다른 액추에이터(예를 들어, 제2 액추에이터)보다 높은 대역폭을 갖는 것으로 특징지어질 수 있다. 하지만, 종종 제1 액추에이터가 움직임을 제공할 수 있는 움직임 범위는 제2 액추에이터가 움직임을 제공할 수 있는 움직임 범위보다 작을 것이다.

하이브리드 다중 축 공작 기계의 비교적 높은 대역폭 액추에이터와 비교적 낮은 대역폭 액추에이터 사이에 어떤 움직임 성분이 할당되어야 할지를 결정하는 것은 쉬운 작업이 아니다. 통상적인 전략은 처리될 작업물(workpiece to be processed)을 이동시키고/시키거나 하나 이상의 비교적 높은 대역폭 액추에이터를 작업물이 처리될 "구역(zone)" 또는 원하는 로케이션(desired location)으로 이동시키고, 그 후 작업물의 처리 동안, 비교적 높은 대역폭 액추에이터(들)를 동작시키면서 비교적 낮은 대역폭 액추에이터(들)의 위치를 일정하게 고정하도록 하나 이상의 비교적 낮은 대역폭 액추에이터를 동작시키는 것을 수반한다. 그 후, 작업물 및/또는 비교적 높은 대역폭 액추에이터(들)를 작업물이 처리될 다른 "구역"으로 이동시키도록 비교적 낮은 대역폭 액추에이터(들)가 작동된다. 움직임 제어에 대해 "구역별(zone-by-zone)" 접근법("스텝-앤드-리피트(step-and-repeat)" 접근법으로도 지칭됨)은 바람직하지 않은데, 그것은 하이브리드 다중 축 공작 기계의 처리량과 유연성을 상당히 제한하기 때문이다. 비교적 높은 대역폭 액추에이터(들)가 작동될 수 있는 작업물의 다양한 "구역들"을 적절하게 그리고 유리하게 규정하는 것도 곤란할 수 있다.

그 전체가 본 명세서에 참조로 통합되는 미국특허 제8,392,002호는, 부품 설명 프로그램에 규정된 공구 팁(tool tip) 궤적(주파수에 기반함)을, 하이브리드 다중 축 공작 기계의 비교적 낮은 대역폭 액추에이터와 비교적 높은 대역폭 액추에이터에 적절한 위치 제어 데이터의 서로 다른 세트들로 분해하도록 부품 설명 프로그램을 처리함으로써, "구역별" 접근법을 구현하는 것과 연관된 위에서 언급된 문제들을 해결하는 것으로 이해된다. 하지만, 미국특허 제8,392,002호에서 확인된 것처럼, 하이브리드 다중 축 공작 기계가 3축 직교좌표 단(Cartesian stage) 상에서 움직이는(riding) 2개의 회전 축을 갖는 5축 CNC 매니퓰레이터(CNC manipulator)를 사용하여 작업물을 고정하도록 구성되고, 공구 팁을 3개의 직교좌표 축으로 이동시키기 위해 비교적 높은 대역폭 액추에이터들을 포함할 때, 주파수-기반 분해 접근법의 이용은 회전 축들과 연관된 각도들에서 에러를 야기할 수 있다.

일 실시예는 작업물을 처리하기 위한 레이저-기반 다중 축 공작 기계로 광범위하게 특징지어질 수 있고, 공구는: 레이저 광을 생성하도록 구성되는 레이저 소스; 지지 프레임; 스캔 헤드; 지지 프레임과 스캔 헤드 사이에 결합된 제1 액추에이터 - 제1 액추에이터는 지지 프레임에 대해 제1 방향을 따라 스캔 헤드를 옮기도록(translate) 배치되고 구성됨 -; 제1 액추에이터와 지지 프레임 사이에 결합된 제2 액추에이터 - 제2 액추에이터는 지지 프레임에 대해 제2 방향을 따라 스캔 헤드 및 제1 액추에이터를 옮기도록 배치되고 구성됨 -; 및 레이저 소스로부터 전파 경로를 따라 스캔 헤드로 레이저 광을 안내하도록 배치되고 구성되는 복수의 미러를 포함한다. 복수의 미러는: 지지 프레임에 결합된 제1 미러; 및 제2 미러가 제2 방향을 따라 제1 미러에 대해 이동 가능하고, 스캔 헤드가 제1 방향을 따라 제2 미러에 대해 이동 가능하도록, 제2 액추에이터에 결합된 제2 미러를 포함한다.

다른 실시예는 작업물을 처리하기 위한 레이저-기반 공작 기계로 광범위하게 특징지어질 수 있고, 공구는: 레이저 광을 발생시키도록 구성되는 레이저 소스 - 레이저 광은 전파 경로를 따라 전파될 수 있음 -; 전파 경로에 배치된 스캔 렌즈; 스캔 렌즈에 결합된 제1 액추에이터 - 제1 액추에이터는 스캔 렌즈를 제1 방향을 따라 이동시키도록(move) 배치되고 구성됨 -; 및 스캔 렌즈와 레이저 소스 사이의 전파 경로에 배치된 줌 렌즈를 포함한다.

다른 실시예는 레이저 광으로 작업물을 처리하기 위한 다중 축 공작 기계로 광범위하게 특징지어질 수 있고, 공구는: 레이저 광을 발생시키도록 구성되는 레이저 소스 - 레이저 광은 전파 경로를 따라 전파 가능하여 작업물을 스폿에서 조명함 -; 작업물을 이동시키도록 작동하는 작업물 위치결정 조립체; 스폿을 이동시키도록 작동하는 공구 팁 위치결정 조립체; 및 작업물 위치결정 조립체 및 공구 팁 위치결정 조립체에 동작 가능하게 결합된 제어기를 포함하고, 제어기는 작업물 위치결정 조립체 및 공구 팁 위치결정 조립체로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 동작을 제어하여, 작업물과 스폿 사이의 상대적 움직임을 일정 속도로 야기하도록 동작한다. 상대적 움직임은 제1 축을 중심으로 한 동시 회전 운동(simultaneous rotational movement) 및 제1 축과는 상이한 제2 축을 따른 선형 움직임(linear movement)을 포함할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 다중 축 공작 기계를 제어하기 위한 제어 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 작업물 위치결정 조립체들을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공구 팁 위치결정 조립체를 개략적으로 도시한다.
도 4는 다른 실시예에 따른 다중 축 공작 기계를 제어하기 위한 제어 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일부 실시예에 따른 전처리 단계(pre-processing stage)들을 개략적으로 도시하는 블록도들이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일부 실시예에 따른 위치결정 조립체 조정 기법과 연관된 예시적인 위치들 및 움직임들을 개략적으로 도시한다.
도 9, 도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 줌 렌즈(zoom lens)를 포함하는 광학 배치를 개략적으로 도시한다.
도 12는 도 9, 도 10 및 도 11에 대해 설명한 바와 같이 구성된 줌 렌즈를 이용하여 수행된 실험 결과를 도시하는 그래프이다.
도 13 및 도 13b는 에러 수정 기법(error correction technique)을 구현하기 위한 에러 수정 시스템의 일부 실시예를 개략적으로 도시하는 블록도들이다.
도 14는 일 실시예에 따른 하이브리드 다중 축 공작 기계를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 15는 도 14의 선 XV-XV'를 따라 취해진, 도 14에 도시된 하이브리드 다중 축 공작 기계를 개략적으로 도시하는 부분 측면도이다.

예시적인 실시예들이, 첨부 도면들을 참조하여, 본 명세서에 설명된다. 달리 분명히 설명하지 않는 한, 도면들에서 구성요소, 특징, 요소 등의 크기, 위치 등과 이들 사이의 임의의 거리는 반드시 축척대로 도시된 것은 아니고, 명료함을 위해 과장된다. 도면들에서, 유사한 부호는 전체에 걸쳐 유사한 요소를 지칭한다. 따라서, 동일하거나 유사한 부호는, 대응하는 도면에서 언급되거나 설명되지 않더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호로 표시되지 않은 요소라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.

본 명세서에 사용되는 용어는 오직 특정 예시적인 실시예들을 설명하기 위한 것이고, 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 달리 규정되지 않는 한, 본 명세서에 사용되는 모든 용어들(기술적이고 과학적인 용어들을 포함함)은 이 기술분야에서 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 형태인 "하나의(a, an)", 및 "그(the)"는, 문맥상 분명하게 달리 지시하지 않는 한, 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 "포함하다" 및/또는 "포함하는"이란 용어는 설명된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않음이 인식되어야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 인용되는 값들의 범위는 그 범위의 상한값과 하한값 둘 다는 물론, 이들 사이의 임의의 서브-범위를 포함한다. 달리 지시되지 않는 한, "제1", 제2" 등과 같은 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구분하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 하나의 노드는 "제1 노드"로 지칭될 수 있고, 유사하게 다른 노드는 "제2 노드"로 지칭될 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다.

달리 지시되지 않는 한, 용어 "약", "대략", "거의" 등은, 양, 크기, 제제, 파라미터 및 기타 분량 및 특성이 정확하지 않고, 정확할 필요는 없지만, 원하는 경우, 공차, 변환 계수, 반올림, 측정 에러 등 및 이 기술분야의 숙련가에게 공지된 다른 인자들을 반영하여, 근사치와 같거나, 및/또는 이보다 크거나 작을 수 있음을 의미한다. "아래의(below)", "아래쪽의(beneath)", "낮은(lower)", "위의(above)", 그리고 "높은(upper)" 등과 같은 공간적으로 상대적 용어는, 도면들에 도시된 것처럼, 하나의 요소 또는 특징의 다른 요소 또는 특징에 대한 관계를 설명하도록, 설명을 용이함을 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적 용어가 도면들에 도시된 방향 외에 다른 방향들도 포괄하는 것으로 의도된다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들어, 도면들에서 물체가 회전되면, 다른 요소 또는 특징 "아래의" 또는 "아래쪽"으로 설명된 요소는 다른 요소 또는 특징의 "위"로 향할 것이다. 따라서, 예시적인 용어 "아래의"는 위와 아래 방향 둘 다를 포괄할 수 있다. 물체가 달리 지향될(예를 들어, 90도 또는 다른 방향으로 회전될) 수 있고, 본 명세서에서 사용되는 공간적 상대적 설명자는 그에 따라 해석될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 섹션 제목들은 오직 구조적인 목적을 위한 것이며, 달리 명시적으로 설명하지 않는 한, 설명한 주제를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 개시의 사상 및 교시를 벗어나지 않고 여러 상이한 형태들, 실시예들 및 조합들이 가능할 수 있고, 따라서 본 개시는 본 명세서에 제시된 예시적인 실시예들에 제한되는 것으로 해석되어서는 안됨이 인식될 것이다. 오히려, 이들 예시 및 실시예는, 본 개시가 철저하고 완전하도록 제공되며, 이 기술분야의 숙련자에게 본 개시의 범주를 시사할 것이다.

I. 시스템 개요

본 명세서에 설명된 실시예들은 일반적으로 작업물을 처리하도록 구성되는 다중 축 공작 기계들, 그러한 다중 축 공작 기계들을 제어하기 위한 방법들, 및 관련 배치들에 속하는 것으로 특징지어질 수 있다. 본 명세서에 설명된 실시예들에 따라 제어될 수 있는 다중 축 공작 기계의 예시는 라우터, 밀링 기계(milling machines), 플라즈마 절삭기, 방전 처리(EDM: electrical discharge machining) 시스템, 레이저 절삭기, 레이저 마킹기, 레이저 천공기, 레이저 조각기, 원격 레이저 용접 로봇, 3D 프린터, 워터제트(waterjet) 절삭기, 연마재 분사(abrasivejet) 절삭기 등을 포함한다. 따라서, 다중 축 공작 기계는 라우터 비트, 드릴 비트, 공구 비트, 그라인딩 비트, 블레이드 등과 같은 기계적 구조와 작업물을 물리적으로 접촉시켜, 작업물이 형성되는 하나 이상의 재료를 제거하고, 절삭하고, 연마하고, 거칠어지게 처리하는(roughen) 것 등으로 특징지어질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 다중 축 공작 기계는 (예를 들어, 레이저 소스에 의해 생성된 레이저 광, 토치(torch)에 의해 생성된 열, 이온 또는 전자 소스로부터 생성된 이온 빔 또는 전자 빔 등의 형태로, 또는 이들의 임의의 조합으로) 에너지를 지향시키고, 물질(예를 들어, 물, 공기, 모래 또는 다른 연마 입자, 페인트, 금속 파우더 등 또는 이들의 조합)의 흐름(stream) 또는 분사(jet) 등 또는 이들의 임의의 조합을 지향시켜, 작업물이 형성되는 하나 이상의 재료의 하나 이상의 속성 또는 특성(예를 들어, 화학 조성(chemical composition), 결정 구조, 전자 구조, 마이크로 구조, 나노 구조, 밀도, 점도(viscosity), 굴절률(index of refraction), 투자율(magnetic permeability), 비유전율(relative permittivity), 외부 또는 내부 시각적 외관(exterior or interior visual appearance), 질감(texture), 임의의 파장 광에 대한 투과율(transmissivity), 임의의 파장 광에 대한 반사율(reflectivity) 등)을 제거하거나, 절삭하거나, 천공하거나, 연마하거나, 거칠어지게 처리하거나, 가열하거나, 용해(melt)시키거나, 기화시키거나, 삭마(ablate)하거나, 분해(crack)하거나, 마킹(mark)하거나, 변색(discolor)시키거나, 발포(foam)하거나, 도장(paint) 또는 코팅(coat)하거나, 코팅 제거(decoat)하거나, 세정(clean)하거나, 용접(weld)하거나, 스크라이빙(scribe)하거나, 조각(engrave)하거나 다른 방식으로 수정 또는 변경하는 것으로 특징지어질 수 있다. 그러한 재료들은 작업물 처리 이전에 또는 작업물 처리 동안, 작업물의 외부 표면에 존재할 수 있거나, 작업물 처리 이전에 또는 작업물 처리 동안, 작업물 내에 위치될 수 있다(즉, 작업물의 외부 표면에 존재하지 않을 수 있다). 처리의 결과로 작업물 상에 또는 작업물 내에 형성될 수 있는 예시적인 특징들은 하나 이상의 개구부, 슬롯, 비아 또는 다른 홀, 홈, 채널, 트렌치, 스크라이브 라인, 커프(kerf), 오목 영역, 전도성 트레이스, 옴 접촉, 레지스트 패턴, 인간-인식 가능하거나 기계-판독 가능한 표시 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 인간-인식 가능하거나 기계-판독 가능한 표시는 전술된 속성들 또는 특성들 중 하나 이상을 갖는 작업물 상에 또는 내에 하나 이상의 영역을 포함할 수 있고, 이들 속성 또는 특성은 특징에 접하거나 달리 인접하고 있는 작업물의 임의의 영역의 임의의 대응하는 특성(들)과는 다르다.

작업물이 처리되는 방법에 관계없이, 작업물의 처리를 행하는 데에 사용되는 임의의 메커니즘(예를 들어, 전술한 기계적 구조들, 임의의 지향된 에너지, 물질의 지향된 흐름 또는 분사 등 또는 이들의 임의의 조합)은 본 명세서에서 "공구"로 지칭된다. 전술한 기계적 구조들 중 임의의 구조와 같은 임의의 공구가 또한, 본 명세서에서 "접촉형 공구(contact-type tool)"로서 지칭될 수 있고, 지향된 에너지, 물질의 지향된 흐름 또는 분사 등과 같은 임의의 공구가 또한, 본 명세서에서 "비접촉형 공구(contactless-type tool)"로서 지칭될 수 있다. 다중 축 공작 기계는 하나 이상의 공구 서브 시스템(예를 들어, 각각 위에서 논의된 바와 같이 상이한 공구와 연관됨)을 포함할 수 있고, 이들은 공구를 사용하여 작업물을 처리하기 위해 선택적으로 활성화되거나 다른 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 공구가 전술한 기계적 구조들 중 임의의 구조로 제공되는 경우, 다중 축 공작 기계는 공구를 회전시키거나 다른 방식으로 이동시키기 위한 공구 서브 시스템(예를 들어, 라우터, 드릴, 밀 등)을 포함할 수 있다. 공구가 지향된 에너지로서 제공되는 경우, 다중 축 공작 기계는 레이저 서브 시스템(예를 들어, 지향된 에너지가 레이저 광인 경우), 토치 서브 시스템(예를 들어, 지향된 에너지가 열인 경우), EDM 서브 시스템 또는 다른 전자 또는 이온 빔 소스(예를 들어, 지향된 에너지가 전자 빔, 이온 빔 등인 경우)와 같은 공구 서브 시스템을 포함할 수 있다. 공구가 물질의 지향된 흐름 또는 분사로서 제공되는 경우, 다중 축 공작 기계는 워터제트 절삭기, 연마재 분사 절삭기, 공기총 분무기(air gun sprayer), 정전식 분무 도장 시스템(electrostatic spray painting system) 등과 같은 공구 서브 시스템을 포함할 수 있다.

작업물과 물리적으로 접촉하거나 다른 방식으로 (예를 들어, 열의 흡수 또는 작업물 내의 전자기 방사를 통해, 입사한 전자 또는 이온의 운동 에너지를 작업물 내의 열로 변환하는 것에 의해, 작업물 부식 등에 의해) 작업물과 상호 작용하는 공구의 부분 또는 부분들은, 본 명세서에서 개별적으로 그리고 집합적으로 "공구 팁"으로 지칭되고, 공구에 의해 (예를 들어, 공구 팁에서) 최종적으로 처리되는 작업물의 임의의 영역은 본 명세서에서 "공작 영역(tooling region)"으로 지칭된다. 공구가 작업물과 교차하는 축(예를 들어, 라우터 비트, 드릴 비트 등)을 중심으로 회전할 수 있는 기계적 구조이거나, 공구가 작업물과 교차하는 축(본 명세서에서 "공작 축"으로도 지칭됨)을 따라 작업물로 지향된 에너지 또는 물질의 흐름 또는 분사인 실시예들에서, 공작 축에 의해 교차되는 작업물의 표면의 일 부분에 대한 공작 축의 각도는 본 명세서에서 "공작 각도"로서 지칭된다.

다중 축 공작 기계는 공구 팁을 위치시키거나(position), 작업물을 위치시키거나, 작업물에 대해 공구 팁을 이동시키거나, 공구 팁에 대해 작업물을 이동시키기기 위해 하나 이상의 액추에이터, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 따라서, 작업물 상의 또는 작업물 내에서의 공작 영역의 위치는, 공구 팁과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공할 때, 변경될 수 있다. 각각의 액추에이터는 공작 영역을 위치시키거나, 다른 방식으로 공작 영역과 작업물 사이의 상대적 움직임을 적어도 하나의 선형 축을 따라, 적어도 하나의 회전 축을 따라, 또는 이들의 임의의 조합을 따라 제공하도록, 배치되거나 달리 구성될 수 있다. 이 기술분야에 공지된 바와 같이, 선형 축들의 예시는 X-축, Y-축(X-축에 직교함), 및 Z-축(X-축 및 Y-축에 직교함)을 포함하고, 회전 축들의 예시는 A-축(즉, X-축에 평행한 축을 중심으로 한 회전을 규정함), B-축(즉, Y-축에 평행한 축을 중심으로 한 회전을 규정함) 및 C-축(즉, Z-축에 평행한 축을 중심으로 한 회전을 규정함)을 포함한다.

공작 영역을 위치시키거나, 다른 방식으로 공작 영역과 작업물 사이의 상대적 움직임을 선형 축을 따라 제공하도록 배치되거나 구성되는 액추에이터들은, 일반적으로 "선형 액추에이터들"로서 지칭될 수 있다. 공작 영역을 위치시키거나, 다른 방식으로 공작 영역과 작업물 사이의 상대적 움직임을 회전 축을 따라 제공하도록 배치되거나 구성되는 액추에이터들은, 일반적으로 "회전형 액추에이터들(rotary actuators)"로서 지칭될 수 있다. 다중 축 공작 기계 내에 포함될 수 있는 선형 액추에이터들의 예시는 하나 이상의 X-축 액추에이터(즉, X-축을 따른 움직임을 제공하도록 배치되거나 구성되는 액추에이터), 하나 이상의 Y-축 액추에이터(즉, Y-축을 따른 움직임을 제공하도록 배치되거나 구성되는 액추에이터), 및 하나 이상의 Z-축 액추에이터(즉, Z-축을 따른 움직임을 제공하도록 배치되거나 구성되는 액추에이터), 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 다중 축 공작 기계 내에 포함될 수 있는 회전형 액추에이터들의 예시는 하나 이상의 A-축 액추에이터(즉, A-축을 따라 움직임을 제공하도록 배치되거나 구성되는 액추에이터), 하나 이상의 B-축 액추에이터(즉, B-축을 따른 움직임을 제공하도록 배치되거나 구성되는 액추에이터), 및 하나 이상의 C-축 액추에이터(즉, C-축을 따른 움직임을 제공하도록 배치되거나 구성되는 액추에이터) 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 액추에이터가, 공작 영역을 위치시키거나, 다른 방식으로 공작 영역과 작업물 사이의 상대적 움직임을 축을 따라 제공하도록, 배치되거나 구성되는 경우, 해당 액추에이터는 해당 축과 "연관된" 것으로 특징지어질 수 있다.

다중 축 기계는 "스펙트럼 상보적(spectrally-complementary)" 다중 축 공작 기계로서, 혹은 "비-스펙트럼 상보적(non-spectrally-complementary)" 다중 축 공작 기계로서 특징지어질 수 있다. 스펙트럼 상보적 다중 축 공작 기계는, 동일한 축을 따라, 하지만 상이한 대역폭으로, 움직임을 제공할 수 있는 용장성 액추에이터들(redundant actuators)의 하나 이상의 세트를 포함한다. 비-스펙트럼 상보적 다중 축 공작 기계는 용장성 액추에이터들의 어떤 세트도 포함하지 않는다.

다중 축 공작 기계는 "축 상보적(axially-complementary)" 다중 축 공작 기계로서, 또는 "비-축 상보적(non-axially complementary)" 다중 축 공작 기계로서 특징지어질 수 있다. 축 상보적 다중 축 공작 기계는, 적어도 하나의 회전 축을 따라, 공구 팁 및/또는 작업물을 위치시키거나 공구 팁 및/또는 작업물에 움직임을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 회전형 액추에이터, 및 적어도 하나의 선형 축을 따라, 공구 팁 및/또는 작업물을 위치시키거나 공구 팁 및/또는 작업물에 움직임을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 선형 액추에이터를 포함하는 축 상보적 액추에이터들의 세트를 갖는다. 축 상보적 다중 축 공작 기계에서, 공구 및/또는 작업물이 회전 가능한 적어도 하나의 회전 축은 공구 및/또는 작업물이 옮겨질(translated) 수 있는 적어도 하나의 선형 축에 평행하지 않다. 예를 들어, 축 상보적 액추에이터들의 세트는 B-축을 따른 움직임을 제공하도록 구성된 회전형 액추에이터, 및 X-축을 따른, Z-축을 따른, 또는 X-축 및 Z-축을 따른 움직임을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 선형 액추에이터를 포함할 수 있다. 다른 예시에서, 축 상보적 액추에이터들의 세트는 B-축을 따른 움직임을 제공하도록 구성된 회전형 액추에이터, C-축을 따른 움직임을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 회전형 액추에이터, 및 X-축을 따른, Z-축을 따른, 또는 X-축 및 Z-축을 따른 움직임을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 선형 액추에이터를 포함할 수 있다. 하지만, 일반적으로, 축 상보적 액추에이터들의 세트는 서로 비-용장성인 것으로 특징지어질 수 있다. 비-축 상보적 다중 축 공작 기계는 축 상보적 액추에이터들의 세트를 포함하지 않는다. 스펙트럼 상보적 다중 축 공작 기계 또는 비-스펙트럼 상보적 다중 축 공작 기계가 축 상보적 다중 축 공작 기계로서, 또는 비-축 상보적 다중 축 공작 기계로서 구성될 수 있음이 인식되어야 한다.

일반적으로, 다중 축 공작 기계의 액추에이터들은 컴퓨터 파일(예를 들어, G-코드 컴퓨터 파일) 또는 컴퓨터 프로그램으로부터 획득되거나 다른 방식으로 유래된 액추에이터 명령들에 응답하여 구동된다. 액추에이터 명령이 컴퓨터 파일 또는 컴퓨터 프로그램으로부터 유래되는 실시예에서, 그러한 액추에이터 명령은 컴퓨터 파일에 규정되거나 컴퓨터 프로그램에 의해 규정된 원하는 궤적(또는 원하는 궤적의 성분)으로부터 보간될 수 있다. 궤적은, 다중 축 공작 기계에 의한 작업물의 처리 동안, 공작 영역이 어떻게 위치, 지향, 이동되는지 등을 설명하는 선, 원호, 스플라인(spline) 등 또는 이들의 임의의 조합과 같이, 공구 팁 및/또는 작업물 위치들 및/또는 움직임들(예를 들어, 하나 이상의 공간 축을 따라)의 시퀀스를 규정할 수 있다. 일부 실시예에서, 액추에이터 명령은 공구 팁 및/또는 작업물 위치들 및/또는 움직임들의 시퀀스에 대응할 수 있다.

일반적으로, 상이한 액추에이터 명령들은 상이한 축 위치들 또는 움직임들에 대응할 수 있고, 그에 의해 "선형 액추에이터 명령"은 위치 또는 움직임의 선형 성분에 대응하는 액추에이터 명령이고, "회전형 액추에이터 명령"은 위치 또는 움직임의 회전 성분에 대응하는 액추에이터 명령이다. 특히, "X-축 액추에이터 명령"은 X-축을 따른 위치 또는 움직임의 선형 성분에 대응할 수 있고, "Y-축 액추에이터 명령"은 Y-축(여기서, Y-축은 X-축에 직교함)을 따른 위치 또는 움직임의 선형 성분에 대응할 수 있고, "Z-축 액추에이터 명령"은 Z-축(여기서, Z-축은 Y-축에 직교함)을 따른 위치 또는 움직임의 선형 성분에 대응할 수 있고, "A-축 액추에이터 명령"은 "A-축"을 따른 위치 또는 움직임의 회전 성분(A-축 회전 움직임은 X-축에 평행한 축을 중심으로 한 회전을 특징지음)에 대응할 수 있고, "B-축 액추에이터 명령"은 "B-축"을 따른 위치 또는 움직임의 회전 성분(B-축 회전 움직임은 Y-축에 평행한 축을 중심으로 한 회전을 특징지음)에 대응할 수 있으며, "C-축 액추에이터 명령"은 "C-축"을 따른 위치 또는 움직임의 회전 성분(C-축 회전 움직임은 Z-축에 평행한 축을 중심으로 한 회전을 특징지음)에 대응할 수 있다. 액추에이터 명령이 축을 따른 위치 또는 움직임의 성분에 대응하는 경우, 해당 액추에이터 명령은 해당 축과 "연관된" 것으로 특징지어질 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "액추에이터 명령"은 시간에 걸쳐 변하는 진폭에 의해 특징지어지는 전기 신호를 지칭하고, 따라서 이 기술분야에서 "주파수 성분"으로 알려진 것에 관하여 특징지어질 수 있다. 전형적으로, 다중 축 공작 기계의 액추에이터는 액추에이터의 대역폭을 제한하는 하나 이상의 제약사항(예를 들어, 속도 제약, 가속도 제약, 저크(jerk) 제약 등)에 의해 특징지어질 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 액추에이터의 "대역폭"은 액추에이터와 연관된 임계 주파수(threshold frequency)를 초과하는 주파수 성분을 갖는 액추에이터 명령(또는 액추에이터 명령의 일 부분)에 정확하게 그리고 신뢰성 있게 반응하거나 응답하는 액추에이터의 능력을 지칭한다. 임의의 특정 액추에이터에 대한 임계 주파수는, 특정 액추에이터의 타입, 특정 액추에이터의 특정 구성, 특정 액추에이터의 질량, 특정 액추에이터에 부착되거나 이에 의해 이동 가능한 임의의 물체들의 질량 등에 의존하여, 변동될 수 있음이 인식되어야 한다. 예를 들어, 서보(servo) 모터, 스테퍼(stepper) 모터, 유압 실린더(hydraulic cylinder) 등과 같은 액추에이터들의 타입에 대한 임계 주파수는, (이 기술 분야에서 공지된 바와 같이) 서로 동일하거나 상이할 수 있으나, (이 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 서로 동일하거나 상이할 수 있는) 검류계, 음성 코일(voice-coil) 모터, 압전 액추에이터(piezoelectric actuators), 전자 빔 자기 편향기(electron beam magnetic deflector), 자기 변형식 액추에이터(magnetostrictive actuators) 등과 같은 액추에이터들의 타입에 대한 임계 주파수보다 일반적으로 낮다. 구성되는 방식에 의존하여, 회전형 액추에이터는 선형 액추에이터의 임계 주파수보다 낮은 임계 주파수를 가질 수 있다.

최종적으로, 액추에이터 명령은 다중 축 공작 기계의 대응하는 액추에이터에 출력되고, 각각의 액추에이터는, 공구 팁 및/또는 작업물을 위치시키거나, 수신된 액추에이터 명령과 연관된 위치 또는 움직임의 성분에 대응하는 축을 따라 이동시키도록 작동한다. 예를 들어, X-축 액추에이터 명령은, X-축을 따라 공구 팁 및/또는 작업물을 위치시키거나 이동시키도록 배치되거나 구성되는 선형 액추에이터에 최종적으로 출력될 것이고, B-축 액추에이터 명령은, B-축을 따라 공구 팁 및/또는 작업물을 위치시키거나 이동시키도록(즉, Y-축을 중심으로 공구 팁 및/또는 작업물을 회전시키도록) 배치되거나 구성되는 회전형 액추에이터에 최종적으로 출력될 것 등이다. 궤적이 2개 이상의 움직임 성분(예를 들어, X-축, Y-축, Z-축, A-축, B-축 또는 C-축 중 2개 이상에서의 동시 움직임)으로 분해될 수 있는 움직임을 설명하는 경우, 그러한 움직임 성분은 서로 "연관된" 것으로 특징지어질 수 있다. 궤적에 의해 설명되는 움직임의 관련 성분들에 대응하는 액추에이터 명령들도 마찬가지로, 서로 "연관된" 것으로 특징지어질 수 있다. 액추에이터 명령들이 동기화되거나 달리 조정된 방식으로 액추에이터들에 출력될 때, 액추에이터들은, 원하는 궤적에 일치하거나 다른 방식으로 이에 대응하는 경로("공구 경로(tool path)"로도 지칭됨)를 따라 공작 영역을 이동시키는 방식으로 공구 팁과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공함으로써, 본질적으로 반응하거나 응답한다.

액추에이터 명령들(즉, "스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들" 및 "축 상보적 액추에이터 명령들")의 특정 세트의 생성 및 사용에 관한 일부 일반적인 실시예들이 아래의 섹션에 논의된다. 두 세트의 액추에이터 명령들이 별도로 생성되고 사용되는 것으로 일반적으로 설명되지만, 두 세트의 액추에이터 명령들이 결합된 방식으로 함께 생성되고 사용될 수 있음이 인식되어야 한다. 두 세트의 액추에이터 명령들의 결합된 생성 및 사용에 대한 일부 예시는 도 1 내지 도 4에 대해 더 상세히 설명될 것이다.

A. 일반적으로, 스펙트럼 상보적 다중 축 공작 기계들을 위한 액추에이터 명령들에 관한 실시예들

다중 축 공작 기계가 하이브리드 다중 축 공작 기계인 실시예에서, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들의 세트는 용장성 액추에이터들의 대응하는 세트에 출력될 수 있다. 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들의 세트 내에서, 액추에이터 명령들 중 하나(예를 들어, 제1 액추에이터 명령)의 주파수 성분은 액추에이터 명령들 중 다른 하나(예를 들어, 제2 액추에이터 명령)의 주파수 성분보다 높을 것이고, 제1 액추에이터 명령은 용장성 액추에이터들의 세트에서 비교적 높은 대역폭 액추에이터(예를 들어, 제1 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들에 정확하게 또는 신뢰성 있게 반응하거나 응답할 수 있음)에 최종적으로 출력될 것이고, 반면에 제2 액추에이터 명령은 용장성 액추에이터들의 세트에서 비교적 낮은 대역폭 액추에이터(예를 들어, 제1 주파수 명령보다 제2 주파수 명령에 더 정확하게 또는 신뢰성 있게 반응하거나 응답할 수 있음)에 최종적으로 출력될 것이다.

스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들의 세트는 임의의 적합한 방식으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들의 세트는, 본 명세서에서 논의된 바와 같이 컴퓨터 파일 또는 컴퓨터 프로그램으로부터 획득되거나 다른 방식으로 유래된 액추에이터 명령(예를 들어, X-축, Y-축, Z-축, A-축, B-축 또는 C-축 등과 같은 단일 축을 따른 위치 또는 움직임을 설명함)을 처리함으로써 생성될 수 있다. 이 경우, 그러한 액추에이터 명령은 "예비 액추에이터 명령"으로도 지칭되고, 주파수의 예비 범위에 걸친 주파수 성분을 갖는다. 주파수의 예비 범위는 용장성 액추에이터들의 세트에서 적어도 하나의 액추에이터의 임계 주파수를 초과하는 하나 이상의 주파수에서 무시할 수 없는 주파수 성분을 포함할 수 있다. 예비 액추에이터 명령이 처리되어 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들의 세트를 생성할 수 있다.

일반적으로, 각각의 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령은 예비 범위 내에서, 예비 범위보다 작은 주파수의 서브 범위에 걸친 주파수 성분을 갖는다. 구체적으로, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들의 세트에서, 각각의 액추에이터 명령의 주파수 성분은 용장성 액추에이터들의 세트에서 대응하는 액추에이터의 임계 주파수를 초과하지 않는 하나 이상의 주파수에서 무시할 수 없는 주파수 성분을 포함한다. 예를 들어, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들의 세트 내에서, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들 중 하나(예를 들어, 용장성 액추에이터들의 세트에서 제1 액추에이터에 최종적으로 출력될 제1 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령)의 주파수 성분은 주파수의 제1 서브 범위에 걸쳐 있을 것이고, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들 중 다른 하나(예를 들어, 용장성 액추에이터들의 세트에서 제2 액추에이터에 최종적으로 출력될 제2 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령)는 주파수의 제2 서브 범위에 걸쳐 있을 것이다. 일 실시예에서, 제1 서브 범위의 평균 주파수는 제2 서브 범위의 평균 주파수보다 작거나, 이보다 크거나, 이와 동일할 수 있다. 제1 서브 범위의 크기(extent)는 제2 서브 범위의 크기보다 크거나, 이보다 작거나, 이와 동일할 수 있다. 제1 서브 범위는 제2 서브 범위와 겹치거나, 이와 접하거나(adjoin), 이로부터 이격될 수 있다.

일부 실시예에서, 예비 액추에이터 명령의 처리는, 하나 이상의 적합한 알고리즘에 따라 예비 액추에이터 명령(또는 예비 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)을 수정하는 것, 예비 액추에이터 명령(또는 예비 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)을 데시메이팅(decimating)하는 것, 하나 이상의 하위 보간법(low-order interpolation)을 예비 액추에이터 명령(또는 예비 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)에 적용하는 것 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해, 하나 이상의 적합한 필터를 예비 액추에이터 명령(또는 예비 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)에 적용하는 것을 포함할 수 있다. 적합한 필터들의 예시는 디지털 필터, 저역 통과 필터, 버터워스(Butterworth) 필터 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 적합한 알고리즘들의 예시는 ARMA(auto-regressive moving-average) 알고리즘 등을 포함한다. 일부 실시예에서, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들의 세트는, 각각 그 전체가 본 명세서에 참조로 통합되는 미국특허 제5,751,585호, 제6,706,999호 및 제8,392,002호 중 하나 이상에 설명된 바와 같이, 생성될 수 있다. 하지만, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들의 세트는, 각각 그 전체가 본 명세서에 참조로 통합되는 미국특허 제5,638,267호, 제5,988,411호, 제9,261,872호 중 하나 이상에, 또는 미국공개특허 제2014/0330424호, 제2015/0158121호, 제2015/0241865호 중 하나 이상에 설명된 기법들에 따라, 생성될 수 있음이 인식되어야 한다.

스펙트럼 상보적으로 처리되는 액추에이터 명령들의 세트가 2개의 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령만을 포함하는 것으로 설명되어 있더라도, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들의 세트가 임의의 수(예를 들어, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 등)의 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령을 포함할 수 있음이 인식되어야 한다. 공통 축에 대응하는 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령들의 세트에서, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령의 수는, 공통 축을 따라 위치시키거나 움직임을 제공할 수 있는 용장성 액추에이터들의 세트에서 용장성 액추에이터의 수와 동일할 수 있다.

B. 일반적으로, 축 상보적 다중 축 공작 기계들을 위한 액추에이터 명령들에 관한 실시예들

때때로, 회전형 액추에이터(예를 들어, B-축 액추에이터)에 발행될 회전형 액추에이터 명령(예를 들어, B-축 액추에이터 명령)은 회전형 액추에이터의 임계 주파수를 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 포함한다. 따라서, 다중 축 공작 기계가 축 상보적 다중 축 공작 기계인 실시예에서, 축 상보적 액추에이터 명령들의 세트는 회전형 액추에이터를 포함하는 축 상보적 액추에이터들의 세트에 출력되어, 회전형 액추에이터의 제한된 대역폭 성능을 보상할 수 있다. 예를 들어, 축 상보적 액추에이터 명령들의 세트는 회전형 액추에이터의 임계 주파수를 초과하지 않는 주파수 성분을 갖는 축 상보적 회전형 액추에이터 명령, 및 적어도 하나의 축 상보적 선형 액추에이터 명령을 포함할 수 있다. 축 상보적 회전형 액추에이터 명령은 회전형 액추에이터에 출력될 수 있고, 적어도 하나의 축 상보적 선형 액추에이터 명령은 하나 이상의 대응하는 선형 액추에이터(즉, 회전형 액추에이터와 마찬가지로 축 상보적 액추에이터들의 동일한 세트에 있음)에 출력될 수 있다.

축 상보적 액추에이터 명령들의 세트는 임의의 적합한 방식으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 축 상보적 액추에이터 명령들의 세트는, 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 컴퓨터 파일 또는 컴퓨터 프로그램으로부터 획득되거나 다른 방식으로 유래된 회전형 액추에이터 명령(예를 들어, B-축과 같은 단일 회전 축을 따른 위치 또는 움직임을 설명함)을 처리함으로써 생성될 수 있다. 이 경우, 그러한 회전형 액추에이터 명령은 "회전형 액추에이터 명령"으로도 지칭되고, 예비 주파수 범위에 걸친 주파수 성분을 갖는다. 예비 주파수 범위는 회전형 액추에이터의 임계 주파수를 초과하는 하나 이상의 주파수에서 무시할 수 없는 주파수 성분을 포함할 수 있다. 예비 회전형 액추에이터 명령은 적어도 하나의 축 상보적 회전형 액추에이터 명령, 및 적어도 하나의 축 상보적 선형 액추에이터 명령을 포함하는 축 상보적 액추에이터 명령들의 세트를 생성하도록 처리될 수 있다.

일부 실시예에서, 예비 회전형 액추에이터 명령의 처리는, 하나 이상의 적합한 알고리즘에 따라 예비 회전형 액추에이터 명령(또는 예비 회전형 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)을 수정하는 것, 예비 회전형 액추에이터 명령(또는 예비 회전형 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)을 데시메이팅(decimating)하는 것, 하나 이상의 하위 보간법을 예비 회전형 액추에이터 명령(또는 예비 회전형 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)에 적용하는 것 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해, 하나 이상의 적합한 필터를 예비 회전형 액추에이터 명령(또는 예비 회전형 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)에 적용하는 것을 포함할 수 있다. 적합한 필터들의 예시는 디지털 필터, 저역 통과 필터, 버터워스 필터 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 적합한 알고리즘들의 예시는 ARMA(auto-regressive moving-average) 알고리즘 등을 포함한다.

II. 축 상보적 액추에이터들 및 용장성 선형 액추에이터들을 갖는 다중 축 공작 기계를 제어하기

도 1은, 일 실시예에 따라, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106), 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112), B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116)를 포함하는 다중 축 공작 기계를 제어하기 위한 제어 시스템(100)을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 본 명세서에서 논의된 축들 사이의 공간 관계를 도시하는 범례가 101에 도시되어 있다. 일 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)는 각각 B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116)의 대역폭 이상인 대역폭을 갖는다. 하지만, 다른 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112) 중 하나 이상은 각각 B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116)의 대역폭보다 작은 대역폭을 가질 수 있다.

비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터 및 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(102 및 108)는 각각 용장성 액추에이터들의 세트(즉, 용장성 X-축 액추에이터들의 세트)를 구성한다. 마찬가지로, 용장성 액추에이터들의 세트는, 각각 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터 및 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(104 및 110)(즉, 용장성 Y-축 액추에이터들의 세트)와, 각각 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(106 및 112)(즉, 용장성 Z-축 액추에이터들의 세트)의 각 쌍에 의해 구성된다. 도시된 실시예가 단지 2개의 선형 액추에이터에 의해 구성된 용장성 선형 액추에이터들의 세트를 갖는 다중 축 공작 기계를 설명하더라도, 다중 축 공작 기계가 X-축, Y-축 및 Z-축 중 임의의 축을 따른 움직임을 제공하기 위해 배치되거나 구성되는 하나 이상의 추가적인 선형 액추에이터를 더 구비할 수 있어, 용장성 액추에이터들의 임의의 세트가 3개 이상의 선형 액추에이터를 포함할 수 있음이 인식될 것이다.

일 실시예에서, 용장성 액추에이터들의 세트 내의 어떤 액추에이터도 용장성 액추에이터들의 동일한 세트 내의 다른 액추에이터에 부착되거나 다른 액추에이터에 의해 이동되지 않는다. 예를 들어, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108)는 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에 부착되거나 이에 의해 이동되지 않는다. 하지만, 다른 실시예에서, 용장성 액추에이터들의 세트 내에서 적어도 하나의 액추에이터는, 용장성 액추에이터들의 동일한 세트 내의 다른 액추에이터에 부착되거나 다른 액추에이터에 의해 이동 가능하다. 그러한 실시예에서, 용장성 액추에이터들의 세트 내의 비교적 낮은 대역폭 액추에이터는, 용장성 액추에이터들의 세트 내의 비교적 높은 대역폭 액추에이터를 이동시키거나 이에 의해 이동 가능하다.

일 실시예에서, 용장성 X-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터 및/또는 용장성 Z-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터와 함께 고려되는 B-축 액추에이터(114)는 축 상보적 액추에이터들의 세트를 구성한다. 마찬가지로, 용장성 X-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터 및/또는 용장성 Y-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터와 함께 고려되는 C-축 액추에이터(116)는 축 상보적 액추에이터들의 세트를 구성한다. 또한, 용장성 X-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터, 용장성 Y-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터, 및/또는 용장성 Z-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터와 함께 고려되는 B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116)는 축 상보적 액추에이터들의 세트를 구성한다.

도시된 실시예에서, 다중 축 공작 기계는 임의의 A-축 액추에이터를 포함하지 않는다. 하지만, 다중 축 공작 기계는 A-축 액추에이터를 포함할 수 있고, 본 명세서에서 논의된 실시예들은 본 명세서에서 논의된 바와 같이 A-축 액추에이터를 제어하도록 적응될 수 있음이 인식되어야 한다.

A. 작업물 위치결정 조립체에 관한 실시예들

일 실시예에서, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106), B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116)는 본 명세서에서 "작업물 위치결정 조립체"로서 지칭되는 타입의 위치결정 조립체의 부품들로서 통합될 수 있다. 작업물 위치결정 조립체는, X-축, Y-축, Z-축, B-축, C-축 또는 이들의 임의의 조합을 따라, 동시에 또는 비-동시에, 작업물을 위치시키거나 다른 방식으로 이동시키도록 구성된다. 예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106), B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116)의 각각은, 그러한 액추에이터들 중 하나 이상이 서로 장착되거나 다른 방식으로 기계적으로 결합되게 허용하는 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 단(stages), 고정부(fixtures), 척(chunks), 레일, 베어링, 브라켓, 클램프, 스트랩(straps), 볼트, 나사, 핀, 멈춤 링(retaining rings), 타이(ties) 등, 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 이 경우, 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)는 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102) 상에 (예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에 의해 이동 가능하도록) 장착될 수 있고, 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104)는 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106) 상에 (예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106), 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102) 또는 이들의 임의의 조합에 의해 이동 가능하도록) 장착될 수 있고, B-축 액추에이터(114)는 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104) 상에 (예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106), 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102) 또는 이들의 임의의 조합에 의해 이동 가능하도록) 장착될 수 있고, C-축 액추에이터(116)는 B-축 액추에이터(114) 상에 (예를 들어, B-축 액추에이터(114), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106), 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102) 또는 이들의 임의의 조합에 의해 이동 가능하도록) 장착될 수 있다. 도 2a는, 위에서 논의된 바와 같이, 작업물 위치결정 조립체(예를 들어, 작업물 위치결정 조립체(200))에서 액추에이터들의 예시적인 배치를 개략적으로 도시한다. 하지만, 다른 실시예들에서, 작업물 위치결정 조립체(200) 내의 액추에이터들 중 하나 이상은 임의의 다른 적합한 또는 바람직한 방식으로 다르게 배치될 수 있다.

비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106), B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116) 중 하나 이상이 적합하거나 달리 원하는 방식으로 작업물 위치결정 조립체에서 생략될 수 있다는 점도 인식해야 한다. 예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102) 및 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)는 작업물 위치결정 조립체(200)에서 생략될 수 있고, 도 2b는 결과적인 작업물 위치결정 조립체(즉, 작업물 위치결정 조립체(201)로서)의 액추에이터들의 예시적인 배치를 개략적으로 도시한다. 하지만, 다른 실시예들에서, 작업물 위치결정 조립체(201) 내의 액추에이터들 중 하나 이상은 임의의 다른 적합한 또는 바람직한 방식으로 다르게 배치될 수 있다.

위의 내용의 관점에서, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106), B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116)의 각각은, 하나 이상의 유압 실린더, 하나 이상의 공기압 실리더(pneumatic cylinders), 하나 이상의 서보 모터(servo motors), 하나 이상의 음성 코일 액추에이터, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 전자 변형식 소자(electrostrictive elements) 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 각각 구동되는 하나 이상의 단(예를 들어, 지향성 구동단, 리드 스크류단(lead-screw stages), 볼 스크류단, 벨트 구동단 등)으로 제공될 수 있음이 인식되어야 한다. 게다가, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106), B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116) 중 임의의 액추에이터는 연속적 또는 계단식(stepped)(증분) 움직임을 제공하도록 구성될 수 있다.

작업물 고정부(도시되지 않음)는 임의의 적합한 또는 원하는 방식으로 작업물을 고정하거나, 유지하거나, 이송하는 것 등을 위해 (예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 C-축 액추에이터(116)에서) 작업물 위치결정 조립체에 기계적으로 결합될 수 있다. 따라서, 작업물은 고정부를 통해 작업물 위치결정 조립체에 결합될 수 있다. 작업물 고정부는 작업물이 클램핑되거나, 고정되거나, 유지되거나, 채워지거나(secured) 다른 방식으로 지지될 수 있는 하나 이상의 척 또는 다른 클램프, 클립 또는 다른 체결 디바이스(fastening device)(예를 들어, 볼트, 나사, 핀, 멈춤 링, 스트랩, 타이 등)로 제공될 수 있다.

B. 공구 팁 위치결정 조립체에 대한 실시예들

일 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)는 본 명세서에서 "공구 팁 위치결정 조립체"로서 지칭되는 타입의 위치결정 조립체 내에 통합될 수 있다. 공구 팁 위치결정 조립체는 X-축, Y-축, Z-축 또는 이들의 조합을 따라 동시에 또는 비-동시에 다중 축 공작 기계와 연관된 공구 팁을 위치시키거나 다른 방식으로 이동시키도록 구성된다. 하지만, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112) 중 하나 이상은 적합한 또는 달리 원하는 방식으로 공구 팁 위치결정 조립체에서 생략될 수 있음이 인식되어야 한다. 예를 들어, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)는 공구 팁 위치결정 조립체에서 생략될 수 있다. 일반적으로, 공구 팁 위치결정 조립체는 어떤 회전형 액추에이터도 포함하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 공구 팁 위치결정 조립체는 원하는 경우 하나 이상의 회전형 액추에이터(예를 들어, 하나 이상의 A-축, B-축 또는 C-축 회전형 액추에이터)를 포함하도록 구성될 수 있음이 인식되어야 한다.

공구 팁 위치결정 조립체(즉, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112))에 포함되는 전술한 비교적 높은 대역폭 액추에이터들 외에, 공구 팁 위치결정 조립체는 비교적 낮은 대역폭 액추에이터들 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 공구 팁 위치결정 조립체는 작업물 위치결정 조립체 내에 포함되지 않은 하나 이상의 비교적 낮은 대역폭 액추에이터를 포함한다. 예를 들어, 작업물 위치결정 조립체가 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116)를 포함하는 실시예에서(예를 들어, B-축 액추에이터(114)는 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104)에 의해 이동 가능하도록 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104) 상에 장착되고, C-축 액추에이터(116)는 B-축 액추에이터(114), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), 또는 이들의 임의의 조합에 의해 이동 가능하도록 B-축 액추에이터(114) 상에 장착되는 경우), 공구 팁 위치결정 조립체는 (예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)는 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에 의해 이동 가능하도록 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102) 상에 장착되는 경우) 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102) 및 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112) 중 하나 이상은 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)에, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에, 또는 다중 축 공작 기계의 임의의 다른 (이동식 또는 고정식) 구성요소에 장착될 수 있다.

일반적으로, 작업물 처리를 실시하는 데에 사용되는 메커니즘(즉, 사용될 "공구")에 의존하여, 공구 팁 위치결정 조립체는 "직렬(serial) 공구 팁 위치결정 조립체"로서, "병렬(parallel) 공구 팁 위치결정 조립체"로서, 또는 "하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체(예를 들어, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체 및 병렬 공구 팁 위치결정 조립체에 고유한 특성들을 결합함)"로서 특징지어질 수 있다.

i. 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에 관한 실시예들

일 실시예에서, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체는, 사용될 공구가 기계적 구조(예를 들어, 라우터 비트, 드릴 비트, 공구 비트, 그라인딩 비트, 블레이드 등)일 때 사용될 수 있다. 직렬 공구 팁 위치결정 조립체 내에서, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)의 각각은, 그러한 액추에이터들 중 하나 이상이 장착되거나 다른 방식으로 기계적으로 서로 결합되게 하는 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 단, 고정부, 척, 레일, 베어링, 브라켓, 클램프, 스트랩, 볼트, 나사, 핀, 멈춤 링, 타이 등, 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 이 경우, 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110)는 (예를 들어, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108)에 의해 이동 가능하도록) 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 상에 장착될 수 있고, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)는 (예를 들어, 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 또는 이들의 임의의 조합에 의해 이동 가능하도록) 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 상에 장착될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체 내의 액추에이터들 중 하나 이상은 임의의 다른 적합한 또는 원하는 방식으로 다르게 배치될 수 있다. 직렬 공구 팁 위치결정 조립체는, 사용될 공구가 기계적 구조(예를 들어, 라우터 비트, 드릴 비트, 공구 비트, 그라인딩 비트, 블레이드 등)를 포함할 때, 전형적으로 사용될 수 있다. 직렬 공구 팁 위치결정 조립체는, 사용될 공구가 예를 들어, 노즐, 헤드 등으로부터 분출되는 물질(예를 들어, 물, 공기, 모래 또는 다른 연마 입자, 페인트, 금속 파우더 등 또는 이들의 조합)의 흐름 또는 분사를 포함할 때, 사용될 수도 있다.

위의 내용의 관점에서, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에서 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)의 각각은, 하나 이상의 유압 실린더, 하나 이상의 공기압 실리더, 하나 이상의 서보 모터, 하나 이상의 음성 코일 액추에이터, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 전자 변형식 소자 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 각각 구동되는 하나 이상의 선형 단(예를 들어, 지향성 구동단, 리드 스크류단, 볼 스크류단, 벨트 구동단 등)으로 제공될 수 있음이 인식되어야 한다. 게다가, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에서 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112) 중 임의의 액추에이터는 연속적 또는 계단식(증분) 움직임을 제공하도록 구성될 수 있다.

공구 고정부(도시되지 않음)는 임의의 적합한 또는 원하는 방식으로 기계적 구조(예를 들어, 라우터 비트, 드릴 비트, 공구 비트, 그라인딩 비트, 블레이드 등)를 고정하거나, 유지하거나, 이송하는 것 등을 위해 (예를 들어, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)에서) 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에 기계적으로 결합될 수 있다. 따라서, 기계적 구조는 하나 이상의 척 또는 다른 클램프, 클립, 또는 다른 체결 디바이스(예를 들어, 볼트, 나사, 핀, 멈춤 링, 스트랩, 타이 등)로 제공될 수 있는 공구 고정부를 통해 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에 결합될 수 있다. 사용될 공구가 물질(예를 들어, 이 기술분야에 공지된 바와 같이, 물, 공기, 모래, 입자, 페인트, 파우더 등 또는 이들의 임의의 조합의 소스에 의해 제공되는 물, 공기, 모래 또는 다른 연마 입자, 페인트, 금속 파우더 등 또는 이들의 임의의 조합)의 흐름 또는 분사를 포함하는 경우, 흐름 또는 분사가 분출되는 노즐, 헤드 등은 "공구 고정부"로서 특징지어질 수 있다.

ii. 병렬 공구 팁 위치결정 조립체에 관한 실시예들

일 실시예예서, 병렬 공구 팁 위치결정 조립체는 사용될 공구가 지향된 에너지 빔 등일 때 사용될 수 있다. 병렬 공구 팁 위치결정 조립체 내에서, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112) 중 하나 이상의 특질(nature) 또는 구성은 사용될 공구에 의존할 것이다.

예를 들어, 사용될 공구가 전자 또는 이온 빔(예를 들어, 이 기술분야에서 공지된 바와 같이, 도시되지 않은 전자 또는 이온 소스로부터 생성됨)인 경우, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)는 하나 이상의 자기 렌즈, 실린더 렌즈, 에인 젤(Einzel) 렌즈, 쿼드로폴(quadropole) 렌즈, 멀티폴(multipole) 렌즈 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다.

다른 예시에서, 사용될 공구가 레이저 광(예를 들어, 이 기술분야에 공지된 바와 같이, 하나 이상의 레이저 소스로부터 생성되는 일련의 펄스로, 레이저 광의 연속적 또는 반연속적 빔으로 또는 이들의 임의의 조합으로 나타남)인 경우, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 및 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110)의 각각은, 검류계 구동식(galvanometer-driven) 미러 시스템, 고속 조향(fast-steering) 미러 시스템(예를 들어, 음성 코일 모터, 압전 액추에이터, 전자 변형식 액추에이터, 자기 변형식 액추에이터 등에 의해 작동되는 미러), 마이크로 전자 기계 시스템(microelectromechanical systems)(MEMS) 미러 시스템, 적응 광학(AO: adaptive optical) 시스템, 전자 광학 편향기(EOD) 시스템, 음향 광학 편향기(AOD) 시스템(예를 들어, 인가된 RF 신호에 응답하여 X-축 또는 Y-축과 같은 축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배치되고 구성됨) 등 또는 이들의 조합으로 제공될 수 있다. 공구가 레이저 광의 집속 빔(focused beam)으로 제공되는 경우(이 경우, "공구 팁"은 작업물을 처리하는 데에 충분히 높은 영향을 미치는 레이저 광의 집속 빔의 영역임), 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)는 하나 이상의 AOD 시스템(예를 들어, 인가된, 처프된(chirped) 하나 이상의 RF 신호에 응답하여, X-축 및 Y-축과 같은 2개의 축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배치되고 구성됨), 레이저 광이 전파하는 경로(즉, "전파 경로")에 배치되고 전파 경로를 따라 렌즈를 이동시키도록 구성된 액추에이터(예를 들어, 음성 코일)에 결합된 고정형 초점 렌즈(fixed focal-length lens), 전파 경로에 배치된 변동형 초점 렌즈(variable-focal length lens)(예를 들어, 줌 렌즈, 또는 COGNEX, VARIOPTIC 등에 의해 현재 제공되는 기술들을 통합한 소위 "유체 렌즈(liquid lens)") 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다.

도 3은 레이저 광의 집속 빔과 연관된 공구 팁을 위치시키거나 다른 방식으로 이동시키도록 구성된 병렬 공구 팁 위치결정 조립체의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 3을 참조하여, 병렬 공구 팁 위치결정 조립체(300)는 전파 경로(304)를 따라 전파되고 제1 검류계 구동식 미러 시스템(본 명세서에서 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108)로 제공됨) 및 제2 검류계 구동식 미러 시스템(본 명세서에서 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110)로 제공됨)에 의해 편향되는 레이저 광의 빔(beam)을 집속시키도록 구성된 스캔(scan) 렌즈(302)(예를 들어, f-세타(theta) 렌즈, 텔레센트릭(telecentric) 렌즈, 액시콘 렌즈(axicon lens) 등)를 선택적으로 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1 검류계 구동식 미러 시스템은 (예를 들어, X-축을 따른 레이저 광의 빔의 편향을 허용하도록) Y-축을 중심으로 미러(306a)를 회전시키도록 구성되는 모터(308a)에 (예를 들어, 샤프트를 통해) 결합된 미러(306a)를 포함한다. 유사하게, 제2 검류계 구동식 미러 시스템은 (예를 들어, Y-축을 따른 레이저 광의 빔의 편향을 허용하도록) X-축을 중심으로 미러(306b)를 회전시키도록 구성되는 모터(308b)에 (예를 들어, 샤프트를 통해) 결합된 미러(306b)를 포함한다. 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)로서, 병렬 공구 팁 위치결정 조립체(300)는 양방향 화살표(310)로 표시된 방향으로, 전파 경로(304)를 따라 렌즈를 이동시키도록 구성되는 액추에이터(예를 들어, 음성 코일, 도시되지 않음)에 결합된 렌즈도 포함할 수 있다.

일부 경우에, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112) 중 2개 이상에 의해 제공된 기능은 동일한 시스템에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 고속 조향 미러 시스템, MEMS 미러 시스템, AO 시스템 등과 같은 시스템은 X-축 및 Y-축을 따라 레이저 광을 편향시키도록 구동될 수 있다. MEMS 미러 시스템, AO 시스템 및 한 쌍의 AOD 시스템(예를 들어, 하나의 AOD 시스템은 X-축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배치되고 구성되고, 다른 AOD 시스템은 Y-축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배치되고 구성됨)과 같은 시스템들은, X-축 및 Y-축을 따라 레이저 광을 편향시키고, 공작 영역에서 레이저 광에 의해 조명되는 스폿의 크기를 변경하도록 구동될 수 있다(이에 따라 Z-축을 따른 처리 동안, 작업물로 전달되는 집속된 레이저 광의 빔 웨이스트(beam waist)의 위치를 효과적으로 변경함). 그러므로, 그러한 시스템들은 제공되고 구동되는 방식에 의존하여, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112) 또는 이들의 임의의 조합으로 특징지어질 수 있다.

iii. 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체에 관한 실시예들

일 실시예에서, 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체는 사용될 공구가 지향된 에너지의 빔 등일 때 사용될 수 있다. 예를 들어, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 및/또는 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110)는, 검류계 구동식 미러 시스템, 고속 조향 미러 시스템(예를 들어, 음성 코일 모터, 압전 액추에이터, 전자 변형식 액추에이터, 자기 변형식 액추에이터 등에 의해 작동되는 미러), MEMS 미러 시스템, AO 시스템, EOD 시스템, AOD 시스템 등과 같은 시스템으로 제공될 때, (예를 들어, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)에 의해 이동 가능하도록) 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)에 장착되거나 다른 방식으로 기계적으로 결합될 수 있다. 이 예시에서, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)는 하나 이상의 유압 실린더, 하나 이상의 공기압 실린더, 하나 이상의 서보 모터, 하나 이상의 음성 코일 액추에이터, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 전자 변형식 소자 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 각각 구동되는 하나 이상의 단(예를 들어, 지향성 구동단, 리드 스크류단, 볼 스크류단, 벨트 구동단 등)으로 제공될 수 있다.

다른 예시에서, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 및/또는 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110)는, 검류계 구동식 미러 시스템, 고속 조향 미러 시스템(예를 들어, 음성 코일 모터, 압전 액추에이터, 전자 변형식 액추에이터, 자기 변형식 액추에이터 등에 의해 작동되는 미러), MEMS 미러 시스템, AO 시스템, EOD 시스템, AOD 시스템 등과 같은 시스템으로 제공될 때, (예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)에 의해 이동 가능하도록) 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)에 장착되거나 다른 방식으로 기계적으로 결합될 수 있다. 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체는, 또한 본 명세서에 제공된 실시예들 중 임의의 실시예에서 논의된 바와 같이, (예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)에 의해 이동 가능하도록) 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)에 장착되거나 다른 방식으로 기계적으로 결합될 수 있는 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)(예를 들어, 병렬 공구 팁 위치결정 조립체와 관련하여 본 명세서에서 논의된 바와 같이 제공됨)를 더 포함할 수 있다. 대안적으로, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)는 다중 축 공작 기계의 임의의 다른 (이동식 또는 고정식) 구성요소에 장착되거나 다른 방식으로 기계적으로 결합될 수 있다. 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112) 및 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106) 외에, 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체는 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)를 더 포함할 수 있다. 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)는, 차례로, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에 장착되거나 다른 방식으로 기계적으로 결합될 수 있다. 이 예시에서, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102) 및 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)의 각각은, 하나 이상의 유압 실린더, 하나 이상의 공기압 실린더, 하나 이상의 서보 모터, 하나 이상의 음성 코일 액추에이터, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 전자 변형식 소자 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 각각 구동되는 하나 이상의 단(예를 들어, 지향성 구동단, 리드 스크류단, 볼 스크류단, 벨트 구동단 등)으로 제공될 수 있다.

다른 예시에서, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)는, MEMS 미러 시스템, AO 시스템, 한 쌍의 AOD 시스템 등으로 제공될 때, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 및 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 중 하나에 장착되거나 다른 방식으로 기계적으로 결합되고, 차례로, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 및 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 중 다른 하나에 장착되거나 다른 방식으로 기계적으로 결합될 수 있다. 이 예시에서, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 및 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110)의 각각은, 하나 이상의 유압 실린더, 하나 이상의 공기압 실리더, 하나 이상의 서보 모터, 하나 이상의 음성 코일 액추에이터, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 전자 변형식 소자 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 각각 구동되는 하나 이상의 단(예를 들어, 지향성 구동단, 리드 스크류단, 볼 스크류단, 벨트 구동단 등)으로 제공될 수 있다.

C. 작업물 및 공구 팁 위치결정 조립체들에 대한 추가적인 설명들

위의 내용에도 불구하고, (예를 들어, 작업물을 위치시키고/시키거나 이동시키기 위해) 작업물 위치결정 조립체 내에 통합되는 것으로 상술한 비교적 낮은 대역폭 액추에이터들 중 임의의 액추에이터는 (예를 들어, 공구 팁을 위치시키고/시키거나 이동시키기 위해) 공구 팁 위치결정 조립체의 일부로서 추가적으로 또는 대안적으로 통합될 수 있음이 인식되어야 한다. 또한, 위의 내용에도 불구하고, 일부 실시예에서, 작업물 위치결정 조립체는 GF MACHINING SOLUTIONS MANAGEMENT SA사에 의해 제공되는 AGIECHARMILLES 레이저 제품 라인, MICROLUTION 주식회사에 의해 제공되는 MICROLUTION ML-D, DMG MORI AKIENGESELLSHAFT/DMG MORI COMPANY 유한회사에 의해 제공되는 LASERTEC 제품 라인에서 발견되는 것과 같은, 산업상 현재 이용 가능한 임의의 5-축 작업물 위치결정/이동 조립체로 제공될 수 있음이 인식되어야 한다. 일 실시예에서, 작업물 위치결정 조립체는 전술한 미국특허 제8,392,002호의 도 4a 내지 도 4c에 설명된 것으로 제공될 수 있다.

마찬가지로, 위의 내용에도 불구하고, 일부 실시예에서, 공구 팁 위치결정 조립체는 CAMBRIDGE TECHNOLOGY사에 의해 제공되는 3-축 스캔 시스템, RAYLASE사에 의해 제공되는 MINISCAN, SUPERSCAN, AXIALSCAN 및 FOCUSSHIFER 제품 라인, KEYENCE사에 의해 제공되는 MD-시리즈 3-축 하이브리드 레이저 마커 제품 라인, ARGES GmbH사에 의해 제공되는 WOMBAT, ANTEATER, ELEPHANT, PRECESSION ELEPHANT 및 PRECESSION ELEPHANT 2 시리즈의 스캔 헤드들, DMG MORI AKIENGESELLSHAFT/DMG MORI COMPANY 유한회사에 의해 제공되는 LASERTEC 제품 라인에서 발견되는 것과 같은, 산업상 현재 이용 가능한 임의의 레이저 스캔 또는 집속 조립체로 제공될 수 있음이 인식되어야 한다. 또한, 위의 내용에도 불구하고, 일부 실시예에서, 공구 팁 위치결정 조립체는 각각 그 전체가 본 명세서에 참조로 통합되는 미국특허 제8,121,717호 또는 국제공개특허 WO 2014/009150 A1호 중 임의의 특허에 설명된 것으로, 또는 전술한 미국특허 제8,392,002호의 도 5a 내지 도 5c에 설명된 것으로 제공될 수 있음이 인식되어야 한다.

다중 축 공작 기계의 일 실시예의 특정 구성요소들이 위에서 예시적으로 설명되었고, 제어 시스템(100)에 의해 구현되는, 다중 축 공작 기계를 제어하기 위한 액추에이터 명령들을 처리하고 생성하는 알고리즘이 이제 도 1을 참조하여 더 상세히 논의된다.

D. 액추에이터 명령들의 처리에 관한 실시예들

도 1을 참조하여, 제어 시스템(100)은 예비 액추에이터 명령들(예를 들어, 본 명세서에서 논의된 바와 같이 컴퓨터 파일 또는 컴퓨터 프로그램으로부터 획득되거나 다른 방식으로 유래됨)을 수신한다. 도시된 바와 같이, 예비 액추에이터 명령들은, 예비 선형 액추에이터 명령들(예비 X-축 액추에이터 명령(즉, X_prelim.), 예비 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_prelim.) 및 예비 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_prelim.)); 및 예비 회전형 액추에이터 명령들(예비 B-축 액추에이터 명령(즉, B_prelim.) 및 예비 C-축 액추에이터 명령(즉, C_prelim.))을 포함한다. 일 실시예에서, 예비 액추에이터 명령들 중 적어도 하나는 비교적 낮은 대역폭 액추에이터에 대응하는 임계 주파수를 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 가질 것이다. 예를 들어, 예비 X-축 액추에이터 명령(즉, X_prelim.)은 대응하는 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)의 임계 주파수를 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 갖거나, 예비 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_prelim.)은 대응하는 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104)의 임계 주파수를 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 갖거나, 예비 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_prelim.)은 대응하는 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)의 임계 주파수를 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 갖거나, 예비 B-축 액추에이터 명령(즉, B_prelim.)은 대응하는 비교적 낮은 대역폭 B-축 액추에이터(114)의 주파수 성분을 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 갖거나, 예비 C-축 액추에이터 명령(즉, C_prelim.)은 대응하는 비교적 낮은 대역폭 C-축 액추에이터(116)의 주파수 성분을 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 갖거나 이들의 조합을 가질 수 있다. 하지만, 전술한 예비 액추에이터 명령들 중 임의의 명령 또는 모든 명령이 대응하는 비교적 낮은 대역폭 액추에이터의 임계 주파수 이하인 무시할 수 없는 주파수 성분을 가질 수 있음이 인식되어야 한다.

예비 액추에이터 명령들이 처리되어 중간 선형 액추에이터 명령들의 제1 세트를 생성한다. 예를 들어, 역방향 기구학 변환(inverse kinematic transform)(118)은 예비 X-축 액추에이터 명령(즉, X_prelim.), 예비 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_prelim.), 예비 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_prelim.), 예비 B-축 액추에이터 명령(즉, B_prelim.) 및 예비 C-축 액추에이터 명령(즉, C_prelim.)에 적용되어, 중간 선형 액추에이터 명령들의 제1 세트를 생성한다. 중간 선형 액추에이터 명령들의 제1 세트는 제1 중간 X-축 액추에이터 명령(즉, X0), 제1 중간 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y0) 및 제1 중간 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z0)을 포함한다. 역방향 기구학 변환(118)은 다음의 수학식에 따라 적용될 수 있다:

위의 수학식에 나타난 바와 같이, 역방향 기구학 변환은 B-축 및 C-축을 따라 고정된 기준 회전 위치에서 중간 선형 액추에이터 명령들의 제1 세트를 계산한다. 위의 주어진 예시에서, 고정 기준 회전 위치는 B-축 및 C-축 각각에 대해 0도이지만, 임의의 다른 적합한 또는 원하는 각도일 수 있다.

예비 회전형 액추에이터 명령들(예를 들어, 예비 B-축 액추에이터 명령(B_prelim.) 및 예비 C-축 액추에이터 명령(C_prelim.))에는 처리 단계(120)가 실시되어 하나 이상의 처리된 회전형 액추에이터 명령을 생성한다. 도시된 실시예에서, B_low는 처리된 B-축 액추에이터 명령을 의미하고(signify), C_low는 처리된 C-축 액추에이터 명령을 의미하며, 이들 모두는 처리 단계(120)에서 생성된다. 처리 단계(120)에서, 예비 회전형 액추에이터 명령에는, 예를 들어, 하나 이상의 적합한 필터를 예비 회전형 액추에이터 명령에 적용하는 것, 하나 이상의 적합한 알고리즘에 따라 예비 회전형 액추에이터 명령을 수정하는 것, 예비 회전형 액추에이터 명령을 데시메이팅하는 것, 하나 이상의 하위 보간법을 예비 회전형 액추에이터 명령에 적용하는 것 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 하나 이상의 프로세스가 실시될 수 있다. 적합한 필터들의 예시는 디지털 필터, 저역 통과 필터, 버터워스 필터 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 적합한 알고리즘들의 예시는 ARMA(auto-regressive moving-average) 알고리즘 등을 포함한다. 처리된 회전형 액추에이터 명령은 예비 회전형 액추에이터 명령에 대응하지만, 대응하는 회전형 액추에이터의 임계 주파수를 초과하는 어떤 주파수 성분도 갖지 않는다(또는, 무시해도 좋은 양만을 갖는다). 따라서, 처리된 B-축 액추에이터 명령(즉, B_low)은 비교적 낮은 대역폭 B-축 액추에이터(114)의 임계 주파수를 초과하는 어떤 주파수 성분도 갖지 않고(또는 무시해도 좋은 양만을 갖고), 처리된 C-축 액추에이터 명령(즉, C_low)은 비교적 낮은 대역폭 C-축 액추에이터(116)의 임계 주파수를 초과하는 어떤 주파수 성분도 갖지 않는(또는 무시해도 좋은 양만을 갖는) 등이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 전술된 처리된 회전형 액추에이터 명령들의 각각은, 본 명세서에서 "저주파 성분 회전형 액추에이터 명령", 또는 보다 일반적으로는, "저주파 성분 액추에이터 명령"으로도 지칭된다.

중간 선형 액추에이터 명령들의 제1 세트와 처리된 회전형 명령들이 처리되어 중간 선형 액추에이터 명령들의 제2 세트를 생성한다. 예를 들어, 정방향 기구학 변환(122)이 제1 중간 X-축 액추에이터 명령(즉, X0), 제1 중간 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y0), 제1 중간 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z0), 처리된 B-축 액추에이터 명령(즉, B_low) 및 처리된 C-축 액추에이터 명령(즉, C_low)에 적용되어, 중간 선형 액추에이터 명령들의 제2 세트를 생성한다. 중간 선형 액추에이터 명령들의 제2 세트는 제2 중간 X-축 액추에이터 명령(즉, X1), 제2 중간 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y1) 및 제2 중간 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z1)을 포함한다. 정방향 기구학 변환은 다음의 수학식에 따라 적용될 수 있다:

중간 선형 액추에이터 명령들(예를 들어, 제2 중간 X-축 액추에이터 명령(X1), 제2 중간 Y-축 액추에이터 명령(Y1) 및 제2 중간 Z-축 액추에이터 명령(Z1))의 제2 세트에는 처리 단계(124)가 실시되어, 처리된 선형 액추에이터 명령들의 제1 세트를 생성한다. 처리된 선형 액추에이터 명령들의 제1 세트는 저주파 성분 X-축 액추에이터 명령(즉, X_low), 저주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_low) 및 저주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_low)을 포함할 수 있다. 처리 단계(124)에서, 제2 중간 선형 액추에이터 명령에는, 예를 들어, 하나 이상의 적합한 필터를 제2 중간 선형 액추에이터 명령에 적용하는 것, 하나 이상의 적합한 알고리즘에 따라 제2 중간 선형 액추에이터 명령을 수정하는 것, 제2 중간 선형 액추에이터 명령을 데시메이팅하는 것, 하나 이상의 하위 보간법을 제2 중간 선형 액추에이터 명령에 적용하는 것 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 하나 이상의 프로세스가 실시될 수 있다. 적합한 필터들의 예시는 디지털 필터, 저역 통과 필터, 버터워스 필터 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 적합한 알고리즘들의 예시는 ARMA(auto-regressive moving-average) 알고리즘 등을 포함한다. 처리된 선형 액추에이터 명령은 예비 선형 액추에이터 명령에 대응하지만, 대응하는 선형 액추에이터의 임계 주파수를 초과하는 어떤 주파수 성분도 갖지 않는다(또는 무시해도 좋을 양만을 갖는다). 따라서, 저주파 성분 X-축 액추에이터 명령(즉, X_low)은 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)의 임계 주파수를 초과하는 어떤 주파수 성분도 갖지 않고(또는, 무시해도 좋을 양만을 갖고), 저주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_low)은 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104)의 임계 주파수를 초과하는 어떤 주파수 성분도 갖지 않고(또는 무시해도 좋을 양만을 가지며), 저주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_low)은 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)의 임계 주파수를 초과하는 어떤 주파수 성분도 갖지 않는다(또는 무시해도 좋을 양만을 갖는다).

중간 선형 액추에이터 명령들의 제2 세트에서 대응하는 액추에이터 명령들로부터 저주파 성분 선형 액추에이터 명령들(예를 들어, X_low, Y_low 및 Z_low)이 감산되어, 처리된 선형 액추에이터 명령들의 제2 세트를 생성한다. 처리된 선형 액추에이터 명령들의 제2 세트는 고주파 성분 X-축 액추에이터 명령(즉, X_high), 고주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_high) 및 고주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_high)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 중간 X-축 액추에이터 명령(즉, X1)으로부터 저주파 성분 X-축 액추에이터 명령(즉, X_low)이 감산되어, 고주파 성분 X-축 액추에이터 명령(즉, X_high)을 산출할 수 있고, 제2 중간 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y1)으로부터 저주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_low)이 감산되어, 고주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_high)을 산출할 수 있고, 제2 중간 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z1)으로부터 저주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_low)이 감산되어, 고주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_high)을 산출할 수 있다. 위에서 논의된 감산(subtraction)은 합산기(126)에서 구현될 수 있고, 이 기술분야에서 공지된 임의의 적합한 또는 원하는 방식으로 구현될 수 있다. 전형적으로, 고주파 성분 X-축 액추에이터 명령(즉, X_high)은 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)의 임계 주파수를 초과하지만 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108)의 임계 주파수 이하인 주파수 성분을 갖는다. 마찬가지로, 고주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_high)은 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104)의 임계 주파수를 초과하지만, 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110)의 임계 주파수 이하인 주파수 성분을 갖고; 고주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_high)은 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)의 임계 주파수를 초과하지만 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)의 임계 주파수 이하인 주파수 성분을 갖는다.

최종적으로, 도시된 바와 같이, 저주파 성분 X-축 액추에이터 명령(즉, X_low), 저주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_low), 저주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_low), 고주파 성분 X-축 액추에이터 명령(즉, X_high), 고주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_high), 고주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_high), 저주파 성분 B-축 액추에이터 명령(즉, B_low) 및 저주파 성분 C-축 액추에이터 명령(즉, C_low)은, 각각 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106), 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112), B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116)에 출력된다.

도시되진 않았지만, 제어 시스템(100)은 저주파 성분 X-축 액추에이터 명령(즉, X_low), 저주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_low), 저주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_low), 고주파 성분 X-축 액추에이터 명령(즉, X_high), 고주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_high), 고주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_high), 저주파 성분 B-축 액추에이터 명령(즉, B_low) 및 저주파 성분 C-축 액추에이터 명령(즉, C_low)의 생성 및/또는 이들 액추에이터 명령 중 임의의 명령의 그들 각각의 액추에이터로의 출력에 의해 야기된 임의의 처리 또는 전송(transport) 지연들을 보상하기 위한 하나 이상의 지연 버퍼를 포함할 수 있어, 액추에이터 명령들은 동기화되거나 달리 조정된 방식으로 출력될 수 있다. 액추에이터 명령들을 동기화되거나 달리 조정된 방식으로 출력할 때, 액추에이터들은, 공구 경로를 따라 공작 영역을 이동시키는 방식으로 공구 팁과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하도록, 유사하게 동기화되거나 달리 조정된 방식으로 본질적으로 반응하거나 응답한다.

일반적으로, 제어 시스템(100)은 다중 축 공작 기계의 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 전술한 액추에이터들 중 하나 이상, 공구의 동작을 제어하거나 다른 방식으로 이에 영향을 미치는 하나 이상의 구성요소 등 또는 이들의 임의의 조합)에 (예를 들어, USB, RS-232, 이더넷, Firewire, Wi-Fi, RFID, NFC, 블루투스, Li-Fi, SERCOS, MARCO, EtherCAT 등 또는 이들의 임의의 조합과 같이 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 링크를 통해) 통신 연결된 하나 이상의 제어기에 의해 구현될 수 있다. 일반적으로, 제어기는 명령어들을 실행할 때, 전술한 액추에이터 명령들을 처리하고 생성하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함하는 것으로 특징지어질 수 있다. 프로세서는 명령어들을 실행하도록 구성되는 프로그램 가능 프로세서(예를 들어, 하나 이상의 범용 컴퓨터 프로세서, 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함함)로 제공될 수 있다. 프로세서(들)에 의해 실행 가능한 명령어들은, 소프트웨어, 펌웨어 등, 또는 PLD(programmable logic devices), FPGA(field-programmable gate arrays), FPOA(field-programmable object arrays), 디지털, 아날로그 및 혼합된 아날로그/디지털 회로를 포함하는 ASIC(application-specific integrated circuits) 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 임의의 적합한 회로의 형태로 구현될 수 있다. 명령어들의 실행은, 하나의 프로세서 상에서 수행되거나, 프로세서들에 걸쳐 분산되거나, 디바이스 내의 프로세서들에 걸쳐 혹은 디바이스들의 네트워크 등에 걸쳐 병렬 처리되는 등 또는 이들의 조합으로 행해질 수 있다. 일 실시예에서, 제어기는 프로세서에 의해 액세스 가능한(예를 들어, 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 링크를 통해), 컴퓨터 메모리와 같은 유형의 매체(tangible media)를 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "컴퓨터 메모리"는 자기 매체(예를 들어, 자기 테이프, 하드 디스크 드라이브 등), 광 디스크, 휘발성 또는 비휘발성 반도체 메모리(예를 들어, RAM, ROM, NAND형 플래쉬 메모리, NOR형 플래쉬 메모리, SONOS 메모리 등) 등을 포함하고, 로컬로, 원격으로(예를 들어, 네트워크를 통해), 또는 이들의 조합으로 액세스될 수 있다. 일반적으로, 명령어들은 본 명세서에 제공된 설명으로부터 기술자에 의해 쉽사리 창시될(authored) 수 있는 예를 들어, C, C++, Visual Basic, Java, Python, Tel, Perl, Scheme, Ruby 등으로 기입될 수 있는 컴퓨터 소프트웨어(예를 들어, 실행 가능한 코드, 파일, 명령어 등, 라이브러리 파일 등)으로 저장될 수 있다. 컴퓨터 소프트웨어는 통상적으로 컴퓨터 메모리에 의해 전달되는 하나 이상의 데이터 구조에 저장된다.

도시되진 않았지만, 하나 이상의 드라이버(예를 들어, RF 드라이버, 서보 드라이버, 라인 드라이버, 전원 등)는 전술한 액추에이터들 중 하나 이상의 입력, 공구의 동작을 제어하거나 다른 방식으로 이에 영향을 미치는 하나 이상의 구성요소 등 또는 이들의 임의의 조합에 통신 연결된다. 각각의 드라이버는, 전형적으로, 제어기가 통신 연결되는 입력을 포함한다. 따라서, 제어기는 다중 축 공작 기계의 하나 이상의 구성요소와 연관된 하나 이상의 드라이버의 입력(들)로 송신될 수 있는 하나 이상의 제어 신호(예를 들어, 액추에이터 명령, 공구 제어 명령 등)를 생성하도록 작동한다. 드라이버는, 제어 신호를 수신할 때, 전형적으로, 전류가 드라이버와 결합된 구성요소(예를 들어, 액추에이터, 공구 등)에 공급되게 하여, 구성요소를 동작시키고 명령 신호에 대응하는 효과를 생성한다. 따라서, 전술한 액추에이터들, 공구 등과 같은 구성요소들은 제어기에 의해 생성되어 출력된 명령 신호들(예를 들어, 액추에이터 명령, 공구 제어 명령 등)에 응답한다.

위의 내용의 관점에서, 제어 시스템(100)은 다중 축 공작 기계의 비교적 낮은 대역폭 액추에이터(예를 들어, 비교적 큰 움직임 범위를 가짐)와 비교적 높은 대역폭 액추에이터(예를 들어, 비교적 작은 움직임 범위를 가짐)의 동기화된 및 조정된 동작을 연속적으로 제공하여, 작업물에 대해 공작 영역을 위치시키거나 다른 방식으로(예를 들어, 원하는 궤적에 정확하고 신뢰성 있게 대응하는 방식으로) 이동시키도록 사용될 수 있음이 인식될 것이다. 제어 시스템(100)은 (예를 들어, 원하는 궤적에 따라) 작업물에 대해 공작 영역을 정확하게 위치시킬 수 있지만, 작업물 처리 동안, 임의의 점에서 궁극적으로 나타나는 공작 각도는 기준 공작 각도에서 벗어날 수 있다. 일반적으로, 기준 공작 각도는 공작 축에 의해 교차되는 작업물의 표면의 일 부분에 수직인 선으로부터 측정될 때 전형적으로 0도이지만, (예를 들어, 궤적에 의해 명시적으로 지정되거나 다른 방식으로 암시적으로 요구되는 바와 같이) 임의의 다른 각도일 수 있다. 일반적으로, 고주파 성분 선형 액추에이터 명령이 용장성 회전형 액추에이터들의 세트의 일부가 아닌 회전형 액추에이터의 임계 주파수를 초과하는 주파수 성분을 갖는 경우, 공작 각도에서의 편차가 발생한다. 공작 영역이 작업물에 대해 이동되는 (또는 이동될) 속도에 의존하여, 공작 각도에서의 편차는 15 도 초과, 또는 심지어 50 도 이상일 수 있다. 하지만, 그러한 공작 각도 편차들은 (예를 들어, 원하는 궤적 등에 기초하여, 다중 축 공작 기계에서의 액추에이터들의 특성에 기초하여) 사전 계산될 수 있고, 작업물 처리 동안, (예를 들어, 공작 영역이 작업물에 대해 이동되는 속도를 조정하는 것, 처리 단계(120 및 124) 중 하나 이상에서의 처리를 조정하는 것 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해) (완전히 또는 부분적으로) 보상될 수 있다. 보상 및 최적화의 결과로, 기준 공작 각도로부터 실제 획득된 공작 각도의 편차 크기(도 단위로 측정됨)는 10 도 미만(예를 들어, 8 도, 6 도, 5 도, 4 도, 2 도, 1 도, 0.5 도 등 이하, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이)으로 감소될 수 있다.

III. 축 상보적 액추에이터들 및 용장성 회전형 액추에이터들을 갖는 다중 축 공작 기계를 제어하기

도 4는, 일 실시예에 따라, 도 1 내지 도 3에 대해 위에서 예시적으로 논의한 액추에이터들과 같은 액추에이터들을 포함하는 다중 축 공작 기계를 제어하기 위한 제어 시스템(400)을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 하지만, 현재 실시예에서, 다중 축 공작 기계는 B-축 액추에이터(402), C-축 액추에이터(404), 또는 B-축 액추에이터(402) 및 C-축 액추에이터(404)를 추가적으로 포함할 수 있다. B-축 액추에이터(402)의 임계 주파수는 B-축 액추에이터(114)의 임계 주파수보다 높다. 따라서, B-축 액추에이터(114)는 본 명세서에서 "비교적 낮은 대역폭 B-축 액추에이터"로도 지칭될 수 있고, B-축 액추에이터(402)는 본 명세서에서 "비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터"로도 지칭될 수 있다. 마찬가지로, C-축 액추에이터(404)의 임계 주파수는 C-축 액추에이터(116)의 임계 주파수보다 높다. 따라서, C-축 액추에이터(116)는 본 명세서에서 "비교적 낮은 대역폭 C-축 액추에이터"로도 지칭될 수 있고, C-축 액추에이터(404)는 본 명세서에서 "비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터"로도 지칭될 수 있다.

비교적 낮은 대역폭 B-축 액추에이터 및 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(114 및 402)는 각각 용장성 액추에이터들의 세트(즉, 용장성 B-축 액추에이터들의 세트)를 구성할 수 있다. 마찬가지로, 용장성 액추에이터들의 세트는 각각 비교적 낮은 대역폭 C-축 액추에이터 및 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(116 및 404)의 각 쌍(즉, 용장성 C-축 액추에이터들의 세트)에 의해 구성된다. 도시된 실시예가 단지 2개의 회전형 액추에이터에 의해 구성된 용장성 액추에이터들의 세트를 갖는 다중 축 공작 기계를 설명하더라도, 다중 축 공작 기계가 B-축 또는 C-축 중 임의의 축을 따른 움직임을 제공하도록 배치되거나 구성되는 하나 이상의 추가적인 회전형 액추에이터를 더 구비할 수 있어, 용장성 액추에이터들의 임의의 세트가 3개 이상의 회전형 액추에이터를 포함할 수 있음이 인식될 것이다.

일 실시예에서, 용장성 X-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터 및/또는 용장성 Z-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터와 함께 고려되는 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402)는 축 상보적 액추에이터들의 세트를 구성한다. 다른 실시예에서, 용장성 X-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터 및/또는 용장성 Y-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터와 함께 고려되는 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)는 축 상보적 액추에이터들의 세트를 구성한다. 또 다른 실시예에서, 용장성 X-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터,용장성 Y-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터 및/또는 용장성 Z-축 액추에이터들의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터와 함께 고려되는 비교적 높은 대역폭 B-축 및 C-축 액추에이터들(402 및 404)은 축 상보적 액추에이터들의 세트를 구성한다.

A. 공구 팁 위치결정 조립체에 대한 실시예들

일 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404) 중 하나 또는 둘 다는, 예시적으로 상술한 공구 팁 위치결정 조립체 내에 통합될 수 있어, 결과적인 공구 팁 위치결정 조립체가 다중 축 공작 기계와 연관된 공구 팁을, X-축, Y-축, Z-축 또는 이들의 임의의 조합 외에, B-축 및/또는 C-축을 따라 동시에 또는 비-동시에 위치시키거나 다른 방식으로 이동시키도록 구성될 수 있다. 하지만, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112), 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404) 중 하나 이상이, 적합한 또는 달리 원하는 방식으로, 공구 팁 위치결정 조립체에서 생략될 수 있음이 인식되어야 한다. 전술된 바와 같이, 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404) 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 공구 팁 위치결정 조립체는 "직렬 공구 팁 위치결정 조립체"로서, "병렬 공구 팁 위치결정 조립체"로서, 또는 "하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체(예를 들어, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체와 병렬 공구 팁 위치결정 조립체에 고유한 특성들을 결합함)"로서 특징지어질 수 있다.

i. 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에 관한 실시예들

직렬 공구 팁 위치결정 조립체 내에서(예를 들어, 상술한 바와 같이), 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)는, 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)가 서로에 대해, 또는 직렬 공구 팁 내에 포함되는 전술한 액추에이터들 중 임의의 액추에이터에 장착되거나 다른 방식으로 기계적으로 결합되도록 하는 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 단, 고정부, 척, 레일, 베어링, 브라켓, 클램프, 스트랩, 볼트, 나사, 핀, 멈춤 링, 타이 등, 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

직렬 공구 팁 위치결정 조립체에서 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)의 각각은, 하나 이상의 공기압 실리더, 하나 이상의 서보 모터, 하나 이상의 음성 코일 액추에이터, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 전자 변형식 소자 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 각각 구동되는 하나 이상의 회전 단(예를 들어, 지향성 구동단, 리드 스크류단, 볼 스크류단, 벨트 구동단 등)으로 제공될 수 있다. 게다가, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에서 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404) 중 임의의 액추에이터는 연속적이거나 계단식(증분) 움직임을 제공하도록 구성될 수 있다.

공구 고정부(도시되지 않음)는, 임의의 적합한 또는 원하는 방식으로, 기계적 구조(예를 들어, 라우터 비트, 드릴 비트, 공구 비트, 그라인딩 비트, 블레이드 등), 또는 물질의 흐름 또는 분사가 분출되는 다른 구조(예를 들어, 노즐, 헤드 등)를 고정하거나, 유지하거나, 이송하는 것 등을 위해, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)(위에서 논의된 바와 같이)에서, 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402)에서, 또는 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)에서, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에 기계적으로 결합될 수 있다.

ii. 병렬 공구 팁 위치결정 조립체에 관한 실시예들

일 실시예에서, 병렬 공구 팁 위치결정 조립체는, 예시적으로 상술한 바와 같이, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112) 중 하나 이상 외에, 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)를 포함한다. 이 경우, 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)의 구성은 사용될 공구에 의존할 것이다. 아래에 논의된 예시적인 실시예들은 사용될 공구가 레이저 광(예를 들어, 이 기술분야에 공지된 바와 같이, 하나 이상의 레이저 소스로부터 생성되는 일련의 펄스로, 레이저 광의 연속적 또는 반연속적 빔으로 또는 이들의 임의의 조합으로 나타남)을 포함하는 사례들에 관한 것이다.

사용될 공구가 레이저 광일 때, 레이저 광은 공작 영역에서 또는 그 근처에서 작업물의 일 부분을 조명하도록 (예를 들어, 전술한 전파 경로를 따라) 지향될 수 있다. 작업물의 표면에서 볼 때, 또는 다른 방식으로 공작 영역에서 작업물과 교차하는 전파 경로의 일 부분과 직교하는 평면에서 볼 때, 조명된 부분("스폿"으로도 지칭됨)에서 레이저 광의 공간적 세기 분포는 원형 또는 비-원형을 갖는 것으로 특징지어질 수 있다. 비-원형의 예시는 타원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 불규칙한 형태 등을 포함한다. 원형 또는 비-원형 스폿 형상(spot shape)들은 하나 이상의 빔 크로핑(beam-cropping) 개구, 회절 광학 소자, AOD 시스템, 프리즘, 렌즈 등(이는 다중 축 공작 기계의 일부로서 포함되고, 전파 경로 내에 배치될 수 있음)을 이 기술 분야에 공지된 임의의 적합한 방식으로 이용하여 생성될 수 있거나, 공작 영역에서 작업물과 교차하는 전파 경로의 일 부분에 직교하지 않거나 비평면인 공작 영역에서 작업물의 표면을 조명하는 레이저 광의 빔의 결과로 생성될 수 있거나, 이들의 임의의 조합으로 생성될 수 있다.

위의 내용의 관점에서, 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)는 병렬 공구 팁 위치결정 조립체(예를 들어, 병렬 공구 팁 위치결정 조립체(300))에서 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 또는 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 중 임의의 액추에이터의 광학적으로 "상류(upstream)" 또는 광학적으로 "하류(downstream)"인 임의의 적합한 또는 원하는 로케이션에서의 전파 경로에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)는 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 미러 시스템, 적응 광학(AO) 시스템 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있고, 레이저 광의 입사 빔의 공간적 세기 분포의 지향성을 효과적으로 변경하는 방식으로 전파 경로에 대한 공간적 세기 분포의 형상을 변경시키도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)는, 전파 경로에 대한 공간적 에너지 분포의 지향성을 변경시키도록 (예를 들어, 전파 경로가 연장되는 축을 중심으로) 액추에이터에 의해 회전되거나 다른 방식으로 이동될 수 있는, 하나 이상의 프리즘으로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)는 그 전체가 본 명세서에 참조로 통합되는 미국특허 제6,362,454호에 설명된 것으로 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)는 하나 이상의 AOD 시스템(예를 들어, 인가되고 처프된 하나 이상의 RF 신호에 응답하여, X-축 및 Y-축과 같이 2개의 축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배치되고 구성됨)으로 제공될 수 있다.

일부 경우에, 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)와, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112) 중 하나 이상에 의해 제공된 기능은 동일한 시스템에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, MEMS 미러 시스템, AO 시스템, 및 한 쌍의 AOD 시스템(예를 들어, X-축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배치되고 구성되는 하나의 AOD 시스템, 및 Y-축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배치되고 구성되는 다른 AOD 시스템)과 같은 시스템들은, X-축 및 Y-축을 따라 레이저 광을 편향시키고, 공작 영역에서 레이저 광에 의해 조명되는 스폿의 크기를 변경하고(이에 따라 Z-축을 따른 처리 동안, 작업물로 전달되는 집속된 레이저 광의 빔 웨이스트의 위치를 효과적으로 변경함), 전파 경로에 대한 레이저 광의 빔의 공간적 에너지 분포의 지향성을 변경하도록 구동될 수 있다. 그러므로, 그러한 시스템들은 제공되고 구동되는 방식에 의존하여, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112), 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404) 또는 이들의 임의의 조합으로 특징지어질 수 있다.

iii. 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체에 관한 실시예들

일 실시예에서, 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체는, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체와 관련하여 예시적으로 상술한 바와 같이, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112), 및 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404) 중 하나 이상 외에, 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402)를 포함한다. 이 경우, 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402)는, X-축, Y-축, Z-축, C-축 또는 이들의 임의의 조합을 따라 동시에 또는 비-동시에 이동 가능하도록, 전술한 액추에이터들 중 하나 이상에 부착되고 이에 의해 이동 가능하다. 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402)의 구성이 사용될 공구에 의존할 것임이 인식될 것이다. 아래에 논의된 예시적인 실시예들은 사용될 공구가 레이저 광(예를 들어, 이 기술분야에 공지된 바와 같이, 하나 이상의 레이저 소스로부터 생성되는 일련의 펄스로, 레이저 광의 연속적 또는 반연속적 빔으로 또는 이들의 임의의 조합으로 나타남)을 포함하는 사례들에 관한 것이다. 사용될 공구가 레이저 광일 때, 레이저 광은 공작 영역에서 또는 그 근처에서 작업물의 일 부분을 조명하도록 (예를 들어, 전술한 전파 경로를 따라) 지향될 수 있다.

B. 공구 팁 위치결정 조립체에 관한 추가적인 설명들

위의 내용에도 불구하고, (예를 들어, 작업물을 위치시키고/시키거나 이동시키기 위해) 작업물 위치결정 조립체 내에 통합되는 것으로 상술한 비교적 낮은 대역폭 액추에이터들 중 임의의 액추에이터는, (예를 들어, 공구 팁을 위치시키고/시키거나 이동시키기 위해) 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402) 또는 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)를 포함하는 공구 팁 위치결정 조립체의 일부로서 추가적으로 또는 대안적으로 통합될 수 있음이 인식되어야 한다. 또한, 위의 내용에도 불구하고, 일부 실시예에서, 공구 팁 위치결정 조립체는 ARGES GmbH사에 의해 제공되는 PRECESSION ELEPHANT 및 PRECESSION ELEPHANT 2 시리즈의 스캔 헤드들에서 발견되는 것과 같은, 산업상 현재 이용 가능한 임의의 레이저 스캔 또는 집속 조립체로 제공될 수 있음이 인식되어야 한다. 또한, 위의 내용에도 불구하고, 일부 실시예에서, 공구 팁 위치결정 조립체는 그 전체가 본 명세서에 참조로 통합되는 국제공개특허 WO 2014/009150 A1호에 설명된 것으로 제공될 수 있음이 인식되어야 한다.

C. 액추에이터 명령들의 처리에 관한 실시예들

일반적으로, 제어 시스템(400)은, 제어 시스템(100)에 대해 예시적으로 설명된 바와 같은 하나 이상의 제어기에 의해 구현될 수 있고, 제어 시스템(400)의 동작은, 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402), 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404) 또는 이들의 조합의 존재를 고려하기 위해 도입된 일부 추가적인 프로세스 및 동작을 제외하고는, 도 1에 대해 위에서 논의된 제어 시스템(100)의 동작과 동일하다. 이들 추가적인 프로세스 및 동작은 이제 아래에 설명될 것이다.

예비 회전형 액추에이터 명령들(예를 들어, 예비 B-축 액추에이터 명령(B_prelim.) 및 예비 C-축 액추에이터 명령(C_prelim.))에서의 대응하는 액추에이터 명령들로부터 저주파 성분 회전형 액추에이터 명령들(예를 들어, B_low 및 C_low)이 감산되어, 하나 이상의 추가 처리된(further-processed) 회전형 액추에이터 명령을 생성한다. 예를 들어, 예비 B-축 액추에이터 명령(즉, B_prelim.)으로부터 저주파 성분 B-축 액추에이터 명령(즉, B_low)이 감산되어, 고주파 성분 B-축 액추에이터 명령(즉, B_high)을 추가 처리된 회전형 액추에이터 명령으로서 산출할 수 있다. 유사하게, 예비 C-축 액추에이터 명령(즉, C_prelim.)으로부터 저주파 성분 C-축 액추에이터 명령(즉, C_low)이 감산되어, 고주파 성분 C-축 액추에이터 명령(즉, C_high)을 추가 처리된 회전형 액추에이터 명령으로서 산출할 수 있다. 위에서 논의된 감산은 합산기(406)에서 구현될 수 있고, 이 기술분야에 공지된 임의의 적합한 또는 원하는 방식으로 구현될 수 있다. 전형적으로, 고주파 성분 B-축 액추에이터 명령(즉, B_high)은 비교적 낮은 대역폭 B-축 액추에이터(114)의 임계 주파수를 초과하지만 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402)의 임계 주파수 이하인 주파수 성분을 갖는다. 마찬가지로, 고주파 성분 C-축 액추에이터 명령(즉, C_high)은 비교적 낮은 대역폭 C-축 액추에이터(116)의 임계 주파수를 초과하지만 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)의 임계 주파수 이하인 주파수 성분을 갖는다.

최종적으로, 도시된 바와 같이, 고주파 성분 B-축 액추에이터 명령(즉, B_high), 고주파 성분 C-축 액추에이터 명령(즉, C_high) 또는 이들의 임의의 조합은, 비교적 높은 대역폭 B-축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C-축 액추에이터(404)의 각각의 하나(respective one)에 출력된다. 도시되진 않았지만, 제어 시스템(400)은 고주파 성분 B-축 액추에이터 명령(즉, B_high), 고주파 성분 C-축 액추에이터 명령(즉, C_high)의 생성 및/또는 이들 액추에이터 명령 중 임의의 명령의 그들 각자의 액추에이터로의 출력에 의해 야기된 임의의 처리 또는 전송 지연들을 보상하기 위한 하나 이상의 지연 버퍼를 포함할 수 있어, 도시된 액추에이터 명령들은 동기화되거나 달리 조정된 방식으로 출력될 수 있다. 액추에이터 명령들을 동기화되거나 달리 조정된 방식으로 출력할 때, 액추에이터들은, 공구 경로를 따라 공작 영역을 이동시키는 방식으로 공구 팁과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하도록, 유사하게 동기화되거나 달리 조정된 방식으로 본질적으로 반응하거나 응답한다.

IV. 특징 품질에 관한 추가적인 고려사항들

작업물이 전술한 비접촉형 공구들 중 임의의 공구를 사용하여 처리될 때, 에너지 또는 물질의 흐름 또는 분사를 지향시켜, 작업물에 지향된 에너지 또는 물질이 균일하게(또는 적어도 다소 또는 실질적으로 균일하게) 적용되는 것이 종종 바람직하다. 이는, 작업물 내에 또는 작업물 상에 형성된 특징들이 (예를 들어, 폭, 깊이, 색, 화학 조성, 결정 구조, 전자 구조, 마이크로 구조, 나노 구조, 밀도, 점도, 굴절률, 투자율, 비유전율, 외부 또는 내부 시각적 외관 등에 관하여) 재생산 가능하고/하거나 균일한 특성들을 갖도록 보장하는 데에 도움이 된다.

일부 실시예에서, 전술한 목표는, (예를 들어, 공작 영역에서) 지향된 에너지의 순시 전력(instantaneous power), (예를 들어, 공작 영역에서) 물질의 흐름 또는 분사의 압력 또는 속도, 공작 영역의 크기, 공작 영역이 공구 경로를 따라 이동하는 속도(본 명세서에서 "공구 속도"로도 지칭됨) 등 또는 이들의 임의의 조합이 모두 허용 가능한 한계 내에 있고, 이들이 컴퓨터 모델링, 실험 등 또는 이들의 임의의 조합에 기초하여 사전 결정될 수 있다는 것을 보장함으로써, 달성될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 지향된 에너지의 순시 전력, 또는 물질의 흐름 또는 분사의 압력 또는 속도와 같은, 파라미터들은 일반적으로 그리고 집합적으로 "공구 전력"으로도 지칭된다.

일 실시예에서, 전술한 목표는, 공작 영역이 공구 경로를 따라 이동함에 따라 공구 속도 대 공구 전력의 비율이 일정하게(또는 적어도 실질적으로 일정하게) 유지되도록 공구 속도가 변할 때(또는 공구 속도가 사전 결정된 양만큼 변할 때) 공구 전력을 변화시키는 것을 수반하는 "일정 비율(constant ratio)" 기법을 구현함으로써, 달성될 수 있다. 일정 비율 기법을 구현하는 것은, 공작 영역이 공구 경로를 따라 이동함에 따라 공작 영역의 크기가 일정하게 유지되도록 (또는 공작 영역의 크기가 원하는 크기에서 바람직하지 않게 벗어나지 않도록) 보장하는 데에 도움이 될 수 있다.

다른 실시예에서, 전술한 목표는, 공작 영역이 공작 경로를 따라 이동함에 따라 일정한(또는 적어도 실질적으로 일정한) 공구 전력 및 공구 속도를 유지하는 것을 수반하는 "일정 속도(constant speed)" 기법을 구현함으로써, 달성될 수 있다. 일정 속도 기법은, 컴퓨터 파일(예를 들어, G-코드 컴퓨터 파일) 또는 컴퓨터 프로그램으로부터 획득되거나 다른 방식으로 유래된 하나 이상의 액추에이터 명령(각각 본 명세서에서 "원시 액추에이터 명령(raw actuator command)"으로도 지칭됨)을, 그러한 액추에이터 명령들이 하나 이상의 대응하는 예비 액추에이터 명령으로서 (예를 들어, 제어 시스템(100 또는 400)과 같은 제어 시스템의) 역방향 기구학 변환(118) 및 처리(120) 단계들에 입력되기 전에, 처리함으로써 구현될 수 있다. 따라서, 도 5를 참조하여, 하나 이상의 원시 액추에이터 명령에는 전처리 단계(본 명세서에서 "속도 처리" 단계(500)로도 지칭됨)가 실시되어, 수정된 예비 액추에이터 명령들(즉, 예비 액추에이터 명령들(X_prelim.', Y_prelim.', Z_prelim.', B_prelim.' 및 C_prelim.') 의 세트를 생성할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 원시 액추에이터 명령들은, 원시 선형 액추에이터 명령들(원시 X-축 액추에이터 명령들(즉, X_raw), 원시 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_raw) 및 원시 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_raw)); 및 원시 회전형 액추에이터 명령들(원시 B-축 액추에이터 명령(즉, B_raw) 및 원시 C-축 액추에이터 명령(즉, C_raw))을 포함한다. 논의하기 위해, 속도 처리 단계(500)에서의 처리는, 원시 액추에이터 명령들과 연관된 공구 경로들이 라인 세그먼트(line segment)들만 포함한다는 가정에 기초하여, 수행되고, 공구 경로의 임의의 굴곡진 부분(curved portion)은 여러 짧은 라인 세그먼트를 이용하여 근사화될 수 있음이 인식되어야 한다. 마찬가지로, 원시 액추에이터 명령들과 연관된 공구 경로들은 라인 세그먼트들 외에, 또는 그 대신에 곡선(curved line)들을 포함할 수 있음이 인식되어야 한다.

집합적으로, 원시 액추에이터 명령들은, 원하는 궤적에 일치하거나 다른 방식으로 이에 대응하는 공구 경로의 하나 이상의 세그먼트(각각 "원시 공구 경로 세그먼트" 또는 더 일반적으로, "공구 경로 세그먼트"로도 지칭됨)에 대해, X-축, Y-축, Z-축, B-축 및 C-축을 따른 공구 팁 및/또는 작업물 위치들의 시퀀스를 명시한다. 따라서, 공구 팁 또는 작업물 위치는 n-튜플(n-tuple)로 특징지어질 수 있고, 여기서 n은 다중 축 공작 기계가 움직임을 제공할 수 있는 축의 수에 대응한다. 다중 축 공작 기계가 X-축, Y-축, Z-축, B-축 및 C-축 또는 이들의 임의의 조합을 따라 상대적 운동을 수행할 수 있는 경우, 공구 팁 또는 작업물 위치는, 5-튜플(x_j, y_j, z_j, b_j, c_j), 여기서 "x"는 X-축을 따른 위치에 대응하고, "y"는 Y-축을 따른 위치에 대응하고, "z"는 Z-축을 따른 위치에 대응하고, "b"는 B-축을 따른 위치에 대응하고 "c"는 C-축을 따른 위치에 대응한다. 추가적으로, 아래 첨자 "j"는 공구 팁/작업물 위치들의 시퀀스에서 공구 팁/작업물 위치의 로케이션을 식별하는 정수이다. 예를 들어, (x₁, y₁, z₁, b₁, c₁)은 j 공구 팁/작업물 위치들의 시퀀스에서 제1 공구 팁/작업물 위치를 특징지을 수 있고, (x₂, y₂, z₂, b₂, c₂)는 j 공구 팁/작업물 위치들의 시퀀스에서 제2 공구 팁/작업물 위치를 특징지을 수 있고, (x₃, y₃, z₃, b₃, c₃)는 j 공구 팁/작업물 위치들의 시퀀스에서 제3 공구 팁/작업물 위치를 특징지을 수 있는 것 등이다. j는 1보다 큰(예를 들어, 2, 5, 10, 50, 100, 500, 1000, 2500, 5000, 10000 이상 등 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의) 임의의 정수일 수 있음이 인식될 것이다. 원시 액추에이터 명령들에 의해 지정된 j 공구 팁/작업물 위치들의 시퀀스에서 임의의 공구 팁 또는 작업물 위치는 본 명세서에서 "원시" 위치로 일반적으로 지칭될 수 있다.

속도 처리 단계(500)에서, 원시 액추에이터 명령들은 각각의 원시 공구 경로 세그먼트의 시작 위치 및 종료 위치를 식별하기 위해 해석되거나 다른 방식으로 처리된다. 일 실시예에서, j 공구 팁/작업물 위치들의 시퀀스에서 임의의 2개의 순차-정렬된(sequentially-ordered) 원시 위치는 한 쌍의 시작 및 종료 위치들로 간주될 수 있다. 이 경우, 한 쌍의 순차-정렬된 위치들에서 제1 위치는 원시 "시작 위치"로 간주되고, 한 쌍의 순차-정렬된 위치들에서 제2 위치는 원시 "종료 위치"로 간주된다. 예를 들어, 전술한 제1 원시 공구 팁/작업물 위치(x₁, y₁, z₁, b₁, c₁)는 원시 액추에이터 명령들과 연관된 제1 원시 공구 경로 세그먼트의 원시 시작 위치에 대응할 수 있고, 전술한 제2 원시 공구 팁/작업물 위치(x₂, y₂, z₂, b₂, c₂)는 제1 원시 공구 경로 세그먼트의 원시 종료 위치에 대응할 수 있다. 마찬가지로, 전술한 제2 원시 공구 팁/작업물 위치(x₂, y₂, z₂, b₂, c₂)는 원시 액추에이터 명령들과 연관된 제2 원시 공구 경로 세그먼트의 원시 시작 위치에 대응할 수 있고, 전술한 제3 원시 공구 팁/작업물 위치(x₃, y₃, z₃, b₃, c₃)는 제2 원시 공구 경로 세그먼트의 원시 종료 위치에 대응할 수 있다.

각각의 원시 공구 경로 세그먼트에 대한 각각의 원시 시작 및 종료 위치에 대한 좌표계는, 기준 프레임(reference frame)으로 변환된다. 일 실시예에서, 기준 프레임은 B-축 및 C-축을 따른 위치들 B가 0으로 설정되도록 선택되어, 각각의 원시 위치는 대응하는 3-튜플(x_j, y_j, z_j)에 의해 특징지어질 수 있다. 따라서, 원시 시작 위치의 x, y, z, b 및 c 좌표들은 다음의 수학식에 따라 기준 프레임으로 변환될 수 있다:

여기서 x_start_raw, y_start_raw, z_start_raw, b_start_raw 및 c_start_raw는 각각 일반적(generic) 원시 시작 위치의 x, y, z, b 및 c 좌표들이고, x_start_ref, y_start_ref 및 z_start_ref는 각각 기준 프레임(즉, 기준 시작 위치)으로 변환된 일반적 원시 시작 위치의 x, y 및 z 좌표들이다. 마찬가지로, 다음과 같은 수학식에 따라 원시 종료 위치의 x, y, z, b 및 c 좌표들이 기준 프레임으로 변환될 수 있다:

여기서 x_end_raw, y_end_raw, z_end_raw, b_start_raw 및 c_start_raw는 각각 일반적 원시 종료 위치의 x, y, z, b 및 c 좌표들이고, x_end_ref, y_end_ref 및 z_end_ref는 각각 기준 프레임(즉, 기준 종료 위치)으로 변환된 일반적 원시 종료 위치의 x, y 및 z 좌표들이다.

한 쌍의 원시 시작 및 종료 위치들을 대응 쌍의 기준 시작 및 종료 위치들로 변환한 후에, 각 쌍의 기준 시작 및 종료 위치들 내에서, 기준 시작 위치로부터 기준 종료 위치까지의 공구 팁과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 데 필요한 서보 사이클의 수(n)가 결정된다. 일 실시예에서, 서보 사이클의 수(n)는 다음의 수학식에 따라 결정된다:

여기서 T는 서보 사이클의 지속 시간을 나타내고(전형적으로, 초, 밀리 초 또는 마이크로초로 측정됨), t는 원시 공구 경로 세그먼트의 기준 시작 위치로부터 기준 종료 위치까지의 공구 팁과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 데 필요한 시간(즉, "세그먼트 시간")을 나타낸다. 일반적으로, 서보 사이클 지속 시간 T는 1 밀리초 미만이다. 일부 실시예에서, T는 750㎲ 이하, 500㎲ 이하, 250㎲ 이하, 100㎲ 이하, 75㎲ 이하, 50㎲ 이하, 25㎲ 이하, 10㎲ 이하, 5㎲ 이하 등, 또는 이들 값의 임의의 값 사이이다. 임의의 원시 공구 경로 세그먼트에 대해 계산된 서보 사이클의 수(n)는 임의의 다른 원시 공구 경로 세그먼트에 대해 계산된 서보 사이클의 수(n)와 동일하거나 상이할 수 있다.

일 실시예에서, 세그먼트 시간(t)은 다음의 수학식에 따라 결정된다:

여기서 d는 각 쌍의 기준 시작 및 종료 위치들 사이의 거리(즉, "세그먼트 거리")를 나타내고, V는 전술된 공구 속도를 나타낸다. 일반적으로, 공구 속도는, 상술한 것들 중 임의의 것과 같은 비접촉형 공구에 의해 작업물에 대해 수행될 처리의 타입에 따라, (예를 들어, 다중 축 공작 기계의 사용자 또는 조작자에 의해) 사전 결정되거나 다른 방식으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 비접촉형 공구가 지향된 에너지로(예를 들어, 레이저 소스에 의해 생성된 레이저 광의 형태로) 제공되면, 공작 영역이 하나 또는 두개의 축을 따라 이동할 때, 공구 속도는 100 mm/sec 내지 7 m/sec 범위에 있을 수 있고, 공작 영역이 3개 이상의 축을 따라 이동할 때, 공구 속도는 100 mm/sec 내지 700 mm/sec 범위에 있을 수 있다.

일 실시예에서, 세그먼트 거리(d)는 다음의 수학식에 따라 결정될 수 있다:

한 쌍의 기준 시작 및 종료 위치들 사이에서 공구 팁과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 데에 필요한 서보 사이클의 수(n)를 결정한 후에, 한 쌍의 기준 시작 및 종료 위치들에 대응하는 원시 시작 및 종료 위치들을 갖는 원시 공구 경로 세그먼트는 결정된 서보 사이클의 수(n)에 기초하여 보간된다. 사용될 수 있는 예시적인 보간 방법들은 선형 보간법, 다항식 보간법, 스플라인 보간법 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 수행된 보간이 선형 보간인 경우, 각각의 축을 따라(예를 들어, X-축, Y-축, Z-축, B-축 및 C-축 각각을 따라) 각 쌍의 인접한 (원시 또는 보간) 위치들 사이의 거리는 일정하다(또는 적어도 실질적으로 균일하다).

임의의 특정 원시 공구 경로 세그먼트를 보간할 때, 하나 이상의 보간된 위치는, 결정된 서보 사이클의 수(n)에 기초하여, 해당 특정 원시 공구 경로 세그먼트에 대한 각 쌍의 원시 시작 및 종료 위치들 사이에서, j 공구 팁/작업물 위치들의 시퀀스에 삽입된다. 예를 들어, 전술된 제1 및 제2 원시 공구 팁/작업물 위치들((x₁, y₁, z₁, b₁, c₁) 및 (x₂, y₂, z₂, b₂, c₂))이 각각 전술한 제1 원시 공구 경로 세그먼트에 대한 시작 및 종료 위치들에 각각 대응하고, 결정된 서보 사이클의 수(n)가 4와 같다고 가정하면, 보간법은, 제1 및 제2 원시 공구 팁/작업물 위치들((x₁, y₁, z₁, b₁, c₁) 및 (x₂, y₂, z₂, b₂, c₂)) 사이에서 각각 j 공구 팁/작업물 위치들의 시퀀스에 삽입될 3개의 보간된 위치를 생성할 수 있다. 이 예시에서, 3개의 보간된 위치는 제1 보간된 공구 팁/작업물 위치(x_i1, y_i1, z_i1, b_i1, c_i1), 제2 보간된 공구 팁/작업물 위치(x_i2, y_i2, z_i2, b_i2, c_i2) 및 제3 보간 공구 팁/작업물 위치(x_i3, y_i3, z_i3, b_i3, c_i3)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 전술된 제2 및 제3 공구 팁/작업물 위치들((x₂, y₂, z₂, b₂, c₂) 및 (x₃, y₃, z₃, b₃, c₃))이 각각 전술한 제2 원시 공구 경로 세그먼트에 대한 시작 및 종료 위치들에 각각 대응하고, 결정된 서보 사이클의 수(n)가 3과 같다고 가정하면, 보간법은, 제2 및 제3 공구 팁/작업물 위치들((x₂, y₂, z₂, b₂, c₂) 및 (x₃, y₃, z₃, b₃, c₃)) 사이에서 각각 j 공구 팁/작업물 위치들의 시퀀스에 삽입될 2개의 보간된 공구 팁/작업물 위치를 생성할 수 있다. 이 예시에서, 2개의 보간된 위치는 제4 보간된 공구 팁/작업물 위치(x_i4, y_i4, z_i4, b_i4, c_i4) 및 제5 보간된 공구 팁/작업물 위치(x_i5, y_i5, z_i5, b_i5, c_i5)를 포함할 수 있다.

각각의 축에 대한 하나 이상의 원시 공구 경로 세그먼트를 보간한 후에, 원시 및 보간된 위치들의 시퀀스는 전술된 예비 액추에이터 명령들로서 출력된다. 예를 들어, X-축을 따른 전술된 제1 및 제2 원시 공구 경로 세그먼트들에 대한 원시 및 보간된 위치들(즉, x₁, x_i1, x_i2, x_i3, x₂, x_i4, x_i5, x₃)의 시퀀스는 수정된 예비 X-축 액추에이터 명령(즉, X_prelim.')으로 출력될 수 있고, Y-축을 따른 전술된 제1 및 제2 원시 공구 경로 세그먼트들에 대한 원시 및 보간된 위치들(즉, y₁, y_i1, y_i2, y_i3, y₂, y_i4, y_i5, y₃)의 시퀀스는 수정된 예비 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_prelim.')으로 출력될 수 있고, Z-축을 따른 전술된 제1 및 제2 원시 공구 경로 세그먼트들에 대한 원시 및 보간된 위치들(즉, z₁, z_i1, z_i2, z_i3, z₂, z_i4, z_i5, z₃)의 시퀀스는 수정된 예비 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_prelim.')으로 출력될 수 있고, B-축을 따른 전술된 제1 및 제2 원시 공구 경로 세그먼트들에 대한 원시 및 보간된 위치들(즉, b₁, b_i1, b_i2, b_i3, b₂, b_i4, b_i5, b₃)의 시퀀스는 수정된 예비 B-축 액추에이터 명령(즉, B_prelim.')으로 출력될 수 있고, C-축을 따른 전술된 제1 및 제2 원시 공구 경로 세그먼트들에 대한 원시 및 보간된 위치들(즉, c₁, c_i1, c_i2, c_i3, c₂, c_i4, c_i5, c₃)의 시퀀스는 수정된 예비 C-축 액추에이터 명령(즉, C_prelim.')으로 출력될 수 있다.

각각의 축에 대한 하나 이상의 원시 공구 경로 세그먼트를 보간한 후에, 임의의 쌍의 순차적인 원시 또는 보간된 위치들이 공구 경로 세그먼트의 시작 위치 및 종료 위치("처리된 공구 경로 세그먼트"로도 지칭됨)로 특징지어질 수 있다. 예를 들어, 전술한 제1 원시 공구 팁/작업물 위치(x₁, y₁, z₁, b₁, c₁)는 제1 처리된 공구 경로 세그먼트의 시작 위치에 대응할 수 있고, 전술된 제1 보간된 공구 팁/작업물 위치(x_i1, y_i1, z_i1, b_i1, c_i1)는 제1 처리된 공구 경로 세그먼트의 종료 위치에 대응할 수 있다. 마찬가지로, 전술한 제1 보간 공구 팁/작업물 위치(x_i1, y_i1, z_i1, b_i1, c_i1)는 제2 처리된 공구 경로 세그먼트의 시작 위치에 대응할 수 있고, 전술된 제1 보간된 공구 팁/작업물 위치(x_i2, y_i2, z_i2, b_i2, c_i2)는 제2 원시 공구 경로 세그먼트의 종료 위치에 대응할 수 있다.기타

일반적으로, X-축, Y-축, Z-축, B-축 및 C-축에 대한 수정된 예비 액추에이터 명령들은 조정된 방식으로 출력되고 서보 사이클(n)에 대해 동기화되어, 각각의 축에 대해, 대응하는 (원시 또는 보간된) 위치들의 세트가 제어 시스템(100 또는 400)에서 함께 처리될 수 있다. 이 경우, 수정된 예비 액추에이터 명령들(X_prelim.', Y_prelim.', Z_prelim.', B_prelim.', 및 C_prelim.')은 전술한 예비 액추에이터 명령들(X_prelim., Y_prelim., Z_prelim., B_prelim., 및 C_prelim.)에 각각 대응한다. 따라서, 위에서 주어진 예시를 계속하여, n = 1 서보 사이클 동안, 제1 원시 공구 팁/작업물 위치들(x₁, y₁, z₁, b₁, c₁)은, 각각 수정된 예비 액추에이터 명령들(X_prelim.', Y_prelim.', Z_prelim.', B_prelim.', C_prelim.')에서, 제어 시스템(100 또는 400)(예를 들어, 역방향 기구학 변환(118) 및 처리(120))에 출력될 수 있다. n = 2 서보 사이클 동안, 제1 보간된 위치들(x_i1, y_i1, z_i1, b_i1, ci)은, 각각 수정된 예비 액추에이터 명령들(X_prelim.', Y_prelim.', Z_prelim.', B_prelim.', C_prelim.')에서, 제어 시스템(100 또는 400)(특히, 역방향 기구학 변환(118) 및 처리(120))에 출력될 수 있다. n = 3 서보 사이클 동안, 제2 보간된 위치(x_i2, y_i2, z_i2, b_i2, c_i2)는, 수정된 예비 액추에이터 명령들(X_prelim.', Y_prelim.', Z_prelim.', B_prelim.', C_prelim.')에서, 제어 시스템(100 또는 400)(예를 들어, 역방향 기구학 변환(118) 및 처리(120))에 출력될 수 있다. 기타

속도 처리 단계(500)에 의해 출력된 예비 액추에이터 명령을 처리함으로써 생성되어, (예를 들어, 상술된 바와 같은) 프로세스 제어 시스템(100 또는 400)에 의해 출력되는 액추에이터 명령들은, 작업물 위치결정 조립체 및 공구 팁 위치결정 조립체 중 하나 또는 둘 다의 액추에이터들로 하여금 공작 영역을 일정한 (또는 적어도 실질적으로 일정한) 속도로 공구 경로를 따라 이동시킬 수 있게 한다.

V. 위치결정 조립체 조정에 관한 실시예들

공작 영역을 일정한 (또는 적어도 실질적으로 일정한) 공구 속도로 공구 경로를 따라 이동시키는 것은, 상술한 상황(예를 들어, 작업물에 지향된 에너지 또는 물질이 균일하게 또는 적어도 다소 또는 실질적으로 균일하게 적용되도록 에너지 또는 물질의 흐름 또는 분사를 지향시키는 것이 바람직한 경우)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 여러 상황에 바람직할 수 있다. 전술한 일정 속도 기법은, 일반적으로 직선들 또는 비교적 부드러운 곡선들(예를 들어, 연속적인 1차 도함수를 갖는 곡선들)을 갖는 라인들을 갖는 특징들을 생성하는 데에 사용될 수 있다.

일정 속도 기법은 또한, 비교적 날카로운 곡선들을 갖는 라인들 또는 불연속점이 있는 도함수를 갖는 굴곡진 라인들을 갖는 특징들을 생성하는 데에 사용될 수 있다. 하지만, 이 경우, 다중 축 공작 기계에서 액추에이터들의 하나 이상의 제약사항 내에 있게 하기 위해서는 공구 속도가 비교적 낮게 유지되어야 한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 공구 속도가 처리 속도 또는 처리량에 바람직하지 않게 영향을 줄 정도로 낮게 유지되는 경우, 속도 처리 단계(500)에 의해 출력되는 액추에이터 명령들은 "재위치결정(repositioning)" 기법에 따라 처리될 수 있고, 그에 의해 추가 액추에이터 명령들(본 명세서에서 "위치결정 조립체 조정 액추에이터 명령들"로도 지칭됨)의 세트는 한 쌍의 순차적인 공구 경로 세그먼트들과 연관된 예비 액추에이터 명령들의 시퀀스에 삽입된다. 공구 경로 세그먼트들과 연관된 액추에이터 명령들과는 달리, 위치결정 조립체 조정 액추에이터 명령들의 세트가 다중 축 공작 기계의 액추에이터들에 출력될 때, 공구는 작업물을 처리하는 것으로부터 비활성화되거나, 분리되거나, 다른 방식으로 보호된다.

위치결정 조립체 조정 기법은, 하나 이상의 액추에이터 명령(예를 들어, 전술한 수정된 예비 액추에이터 명령들(X_prelim.', Y_prelim.', Z_prelim.', B_prelim 및 C_prelim.')을, 그러한 액추에이터 명령들이 하나 이상의 대응하는 예비 액추에이터 명령으로서 (예를 들어, 제어 시스템(100 또는 400)과 같은 제어 시스템의) 역방향 기구학 변환(118) 및 처리(120) 단계들에 입력되기 전에, 먼저 처리함으로써 구현될 수 있다. 따라서, 도 6을 참조하여, 하나 이상의 수정된 예비 액추에이터 명령에는 전처리 단계(본 명세서에서 "위치결정 조립체 조정 처리" 단계(600)로도 지칭됨)가 실시되어, 다른 세트의 수정된 예비 액추에이터 명령들(즉, 예비 액추에이터 명령들(X_prelim.'', Y_prelim.'', Z_prelim.'', B_prelim.'' 및 C_prelim.'')을 생성할 수 있다.

위치결정 조립체 조정 처리 단계(600)에서, 수정된 예비 액추에이터 명령들(예를 들어, X_prelim.', Y_prelim.', Z_prelim.', B_prelim 및 C_prelim.')은, 임의의 특정 축(예를 들어, X-축, Y-축, Z-축, B-축 또는 C-축 중 임의의 축)을 따라, 프로세스 공구 경로 세그먼트들의 시퀀스에서의 하나의 프로세스 공구 경로 세그먼트(예를 들어, 제1 프로세스 공구 경로 세그먼트)로부터 시퀀스에서의 다른 프로세스 공구 경로 세그먼트(예를 들어, 제2 프로세스 공구 경로 세그먼트)까지의 움직임이, (예를 들어, 속도, 가속도, 저크, 또는 이들의 임의의 조합에 관하여) 해당 특정 축과 연관된 임계값을 초과하는지를 결정하기 위해 해석되거나 다른 방식으로 처리된다. 따라서, 하나의 축과 연관된 임계값은 하나 이상의 다른 축과 연관된 임계값과 동일하거나 상이할 수 있다. 일반적으로, 특정 축과 연관된 임계값은 특정 축과 연관된 액추에이터의 대역폭에 대응할 것이다. 다중 축 공작 기계가 특정 축과 연관된 용장성 액추에이터들의 세트를 포함하는 경우, 특정 축과 연관된 임계값은 최고 대역폭을 갖는 용장성 액추에이터들의 세트의 액추에이터의 대역폭에 대응할 것이다.

임의의 축에 대해 임계값이 초과되는 것으로 결정되면, 위치결정 조립체 조정 처리 단계(600)는, 그러한 축들 각각에 대해, (a) 해당 축에 연관된 임계값을 초과하지 않고 (예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 속도(v₁)로부터) 축을 따라 완전 정지까지(예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 속도(v = 0)로) 감속하는 데에 필요한 거리(즉, "감속 거리(deceleration distance)")를 결정하기 위해; (b) 해당 축에 연관된 임계값을 초과하지 않고 축을 따라 원하는 속도까지(예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 속도(v₂)로) 가속하는 데에 필요한 거리(즉, "가속 거리(acceleration distance)")를 결정하기 위해; (c) 해당 축과 연관된 모든 액추에이터들이 적절하게 정착될 때까지, 축을 따라 원하는 속도로(예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 속도(v₂)로) 횡단시키는 최소 거리(즉, "정착 거리(settling distance)")를 결정하기 위해, 해당 축과 연관된 예비 액추에이터 명령을 분석한다.

전형적으로, 감속 거리는 최대 감속이 달성될 수 있는 거리에 해당하지만, 감속 거리는 단지 약간 또는 중간 정도의 감속이 달성되는 거리에 대응할 수 있다. 마찬가지로, 가속 거리는 최대 가속이 달성될 수 있는 거리에 해당하지만, 가속 거리는 단지 약간 또는 중간 정도의 가속이 달성되는 거리에 대응할 수도 있다. 게다가, 감속 또는 가속은 하나 이상의 일정한 감속 또는 가속 프로파일, 하나 이상의 가변 감속 또는 가속 프로파일, 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 정착 거리는 다음의 수학식에 따라 결정될 수 있다:

여기서 t_settle은 축과 연관된 임의의 액추에이터의 최단 정착 시간을 나타낸다.

다음으로, 축을 따른 위치들은, 상술한 바와 같이 결정된, 감속 거리, 가속 거리 및 정착 거리에 기초하여, 계산된다. 이들 위치는, (a) 감속 거리만큼 제1 프로세스 공구 경로 세그먼트의 종료 위치로부터 오프셋된 위치(즉, 감속 위치); 및 (b) 가속 거리와 정착 거리의 합에 의해 제1 프로세스 공구 경로 세그먼트의 종료 위치로부터 오프셋된 위치(즉, 후퇴 위치(move-back position))를 포함한다. 전술한 제1 프로세스 공구 경로 세그먼트의 종료 위치, 감속 위치 및 후퇴 위치는 각각 도 7 및 도 8에 p₀, p₁ 및 p₂에 도시되어 있고, 도 8에 도시된 바와 같이, 공통 축을 따라 서로 분리되어 있다. 제1 프로세스 공구 경로 세그먼트의 종료 위치(p₀)는 또한, 제2 프로세스 공구 경로 세그먼트의 시작 위치를 나타내고 있음이 인식되어야 한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 감속 거리는 제1 프로세스 공구 경로 세그먼트의 종료 위치(p₀)와 감속 위치(p₁) 사이의 축을 따른 거리이다. 마찬가지로, 가속 거리와 정착 거리의 합은 제1 프로세스 공구 경로 세그먼트의 종료 위치(p₀) 후퇴 위치 (p₂) 사이의 축을 따른 거리이다. 도 7 및 도 8에서, 위치(p₃)는, (즉, 후퇴 위치(p₂)로부터 가속될 때) 원하는 속도(예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 속도(v₂))가 처음 달성되는 축을 따른 위치(즉, 원하는 속도 위치)를 나타낸다. 원하는 속도 위치 p₃와 제2 프로세스 공구 경로 세그먼트의 시작 위치(즉, 위치(p₀)) 사이의 거리는 전술한 정착 거리에 대응한다.

전술한 바와 같이, 위치결정 조립체 조정 액추에이터 명령들의 세트에 대응하는 액추에이터 명령들이 다중 축 공작 기계의 액추에이터들에 출력될 때, 공구는 작업물을 처리하는 것으로부터 비활성화되거나, 분리되거나, 다른 방식으로 보호된다. 위치결정 조립체 조정 액추에이터 명령들의 세트에 대응하는 액추에이터 명령들이 액추에이터들에 출력된 후에, 공구는 작업물을 처리하기 위해 재활성화되거나, 재결합되거나, 다른 방식으로 허용된다. 감속 위치 p₁ 및 후퇴 위치 p₂가 전술한 바와 같이 하나의 축에 대해 결정될 때, 임계값이 이들 다른 축 중 임의의 축에 대해 초과되지 않더라도, 공구가 작업물을 처리하기 위해 재활성화되거나, 재결합되거나, 다른 방식으로 허용되는 시간까지, 공작 영역이 (제2 프로세스 공구 경로 세그먼트 그 자체뿐만 아니라) 제2 프로세스 공구 경로 세그먼트의 시작 위치에 정확하게 정렬되는 것을 보장하도록, 하나 이상의 다른 축의 감속 및 후퇴 위치들이 또한, 결정될 수 있다. 따라서, 위치결정 조립체 조정 액추에이터 명령들의 세트에 대응하는 액추에이터 명령들은 그러한 다른 축들 중 임의의 축과 연관된 임의의 액추에이터에게, 위에서 논의된 방식으로, 각각 그들의 관련 축을 따라 그들 각각의 감속, 후퇴 및 제2 프로세스 공구 경로 시작 위치들(p₁, p₂, 및 p₀)로 이동하는 것을 명령할 수 있다.

위치결정 조립체 조정 액추에이터 명령들의 세트는, 일단 생성되면, 수정된 예비 액추에이터 명령들(예를 들어, X_prelim.', Y_prelim.', Z_prelim.', B_prelim 및 C_prelim.')에 삽입되고, 이에 따라 수정된 예비 액추에이터 명령들(즉, 예비 액추에이터 명령(X_prelim.'', Y_prelim.'', Z_prelim.'', B_prelim.'' 및 C_prelim.'')의 다른 세트를 생성하여 전술한 예비 액추에이터 명령들로서 출력될 수 있다. 일반적으로, 위치결정 조립체 조정 액추에이터 명령들의 세트는 조정된 방식으로 수정된 예비 액추에이터 명령들에 삽입되어, 각각의 축에 대한 제2 프로세스 공구 경로 시작 위치들(p₀)이 제어 시스템(100 또는 400)에서 함께 처리될 수 있다. 따라서, 위치결정 조립체 조정 액추에이터 명령들의 세트는 수정된 예비 액추에이터 명령들에 삽입되어, 축들 각각에 대해 제2 프로세스 공구 경로 시작 위치들(p₀)은 서로 시간적으로 정렬된다.

일 실시예에서, 위치결정 조립체 조정 처리 단계(600)는, 각각의 축에 대해, 제2 프로세스 공구 경로 시작 위치들(p₀)을, 체류 시간(dwell time)(예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 체류 시간(d₁)) 동안, 임의의 축을 따른 감속 위치 p₁에서 체류하게 함으로써 시간적으로 정렬시킬 수 있으므로, 축들 각각에 대한 후퇴 위치 p₂는 서로 시간적으로 정렬된다. 다른 실시예에서, 위치결정 조립체 조정 처리 단계(600)는, 각각의 축에 대해, 제2 프로세스 공구 경로 시작 위치들(p₀)을, 체류 시간(예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 체류 시간(p₂)) 동안, 임의의 축을 따른 후퇴 위치 p₂에서 체류하게 함으로써 시간적으로 정렬시킬 수 있으므로, 축들 각각에 대한 제2 프로세스 공구 경로 시작 위치(p₀)가 서로 시간적으로 정렬된다.

VI. 에러 수정에 관한 추가 실시예들

본 명세서에 설명된 다중 축 공작 기계들은 공구 팁과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하기 위해 선형 및 회전형 액추에이터 둘 다를 사용한다. 액추에이터들에 의해 도입된 움직임에서의 임의의 에러들은, 원하는 궤적으로부터 바람직하지 않게 벗어나는 공구 경로를 따라 공작 영역이 이동하게 할 가능성을 갖는다. 일부 실시예에서, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106), B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116)와 같은 액추에이터들은 서보 시스템으로 제공된다. 일반적으로, 서보 시스템은 서보 시스템과 연관된 추적 에러들(tracking errors)을 수정하기 위해 에러 감지 부의 피드백(error-sensing negative feedback)을 가질 것이다. 추적 에러가 다중 축 공작 기계의 사양들을 초과하지 않는 한, 추적 에러들은 용인된다(tolerated). 하지만, 다중 축 공작 기계의 액추에이터들이 더 적극적으로 구동됨에 따라(예를 들어, 액추에이터들이 더 큰 가속도로, 더 고주파 성분을 갖는 액추에이터 명령들을 사용하는 것 등으로 구동됨에 따라) 추적 에러가 증가할 수 있다.

위의 내용의 관점에서, 에러 수정 기법이 구현될 수 있고, 그에 의해 비교적 높은 대역폭 액추에이터들 중 하나 이상이 다중 축 공작 기계의 비교적 낮은 대역폭 액추에이터들 또는 회전형 액추에이터들 중 하나 이상과 연관된 추적 에러들을 보상하기 위해 사용된다. 에러 수정 기법의 실시예가 본 명세서에 개시된 바와 같은 임의의 다중 축 공작 기계와 관련하여 아래에 설명되어 있지만, 에러 수정 기법은 용장성 액추에이터들의 하나 이상의 세트, 축 상보적 액추에이터들의 하나 이상의 세트, 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 임의의 다른 공작 기계로 구현될 수 있음이 인식되어야 한다.

일반적으로, 에러 수정 기법은 실시간 에러 수정 기법이다. 보상될 수 있는 에러들은 2개의 소스로부터 비롯된다. 제1 에러 소스는, 각각 비교적 낮은 대역폭 액추에이터(예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104) 또는 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106))에 출력되는 하나 이상의 저주파 성분 선형 액추에이터 명령에 명시된 위치와, 비교적 낮은 대역폭 액추에이터가 이동한 실제 위치(비교적 낮은 대역폭 액추에이터와 연관된 피드백 신호로 표시됨) 사이의 차이이다. 제2 에러 소스는, 각각 회전형 액추에이터(예를 들어, B-축 액추에이터(114) 또는 C-축 액추에이터(116))에 출력되는 하나 이상의 저주파 성분 회전형 액추에이터 명령에 명시된 위치와, 회전형 액추에이터가 이동한 실제 위치(회전형 액추에이터와 연관된 피드백 신호로 표시됨) 사이의 차이이다.

도 13a는 위에서 논의된 에러 수정 기법을 구현하기 위한 실시간 에러 수정 시스템(1300)의 실시예를 개략적으로 도시하는 블록도이다. 일반적으로, 실시간 에러 수정 시스템(1300)은, 비교적 낮은 대역폭 액추에이터들과 연관된 에러들을, 수정을 위해 비교적 높은 대역폭 액추에이터들 중 하나 이상(예를 들어, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112) 중 하나 이상)에 공급함으로써, 에러 수정 기법을 구현한다. 또한, 회전형 액추에이터들과 연관된 에러들은 초기에 대응하는 선형 에러들로 변환되고, 그 후 선형 에러들이 비교적 높은 대역폭 액추에이터들 중 하나 이상에 공급된다. 에러 수정 기법은 제1 에러 및 제2 에러 소스들의 결합된 효과를 해결하고 다중 축 공작 기계의 동적 정확도를 실시간으로 향상시키는 데에 도움이 된다.

도 13a를 참조하여, 실시간 에러 수정 시스템(1300)은 제어 시스템(100)에 의해 생성된 특정 명령들을 입력으로서 취하는 것으로 특징지어질 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 실시간 에러 수정 시스템(1300)은, 입력으로서, 중간 선형 액추에이터 명령들(즉, 제1 중간 X-축 액추에이터 명령(X0), 제1 중간 Y-축 액추에이터 명령(Y0) 및 제1 중간 Z-축 액추에이터 명령(Z0))의 제1 세트, 중간 선형 액추에이터 명령들(즉, 제2 중간 X-축 액추에이터 명령(X1), 제2 중간 Y-축 액추에이터 명령(Y1) 및 제2 중간 Z-축 액추에이터 명령(Z1))의 제2 세트, 처리된 회전형 액추에이터 명령들(즉, B_low 및 C_low), 처리된 선형 액추에이터 명령들(즉, 저주파 성분 X-축 액추에이터 명령(X_low), 저주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(Y_low) 및 저주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(Z_low))의 제1 세트 및 처리된 선형 액추에이터 명령들(즉, 고주파 성분 X-축 액추에이터 명령(X_high), 고주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(Y_high) 및 고주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(Z_high))의 제2 세트를 취할 수 있다.

중간 선형 액추에이터 명령들의 제1 세트와, B-축 회전형 액추에이터(114) 및 C-축 회전형 액추에이터(116)(또는 다른 방식으로 이와 연관된)에 의해 생성된 회전 피드백 신호들(즉, 각각 B_fbk 및 C_fbk)이 처리되어 중간 선형 액추에이터 명령들의 제3 세트를 생성한다. 예를 들어, 정방향 기구학 변환(1302)은 제1 중간 X-축 액추에이터 명령(즉, X0), 제1 중간 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y0), 제1 중간 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z0), B-축 회전 피드백 신호(즉, B_fbk) 및 C-축 회전 피드백 신호(즉, C_fbk)에 적용되어, 중간 선형 액추에이터 명령들의 제3 세트를 생성한다. 중간 선형 액추에이터 명령들의 제3 세트는 제3 중간 X-축 액추에이터 명령(즉, X2), 제3 중간 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y2), 및 제3 중간 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z2)을 포함한다. 정방향 기구학 변환은 다음의 수학식에 따라 적용될 수 있다:

위의 수학식에서 볼 수 있듯이 정방향 기구학 변환은 B-축 및 C-축을 따라 실제 피드백 위치들에서 중간 선형 액추에이터 명령들의 제3 세트를 계산한다.

중간 선형 액추에이터 명령들의 제2 및 제3 세트들의 각각의 하나 사이의 차이는, 회전형 액추에이터들 중 하나 이상(예를 들어, B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116) 중 하나 이상)의 추적 에러들에 의해 야기된 선형 에러들을 나타내는 제1 선형 에러 신호들(즉, 제1 선형 에러 신호들(eX1, eY1 및 eZ1))의 세트로 나타내어진다. 제1 선형 에러 신호(eX1, eY1 및 eZ1) 각각은, 비교적 낮은 대역폭 선형 액추에이터들의 하나 이상(예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104) 및 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106) 중 하나 이상)의 추적 에러들에 의해 야기된 선형 에러들을 나타내는 대응하는 제2 선형 에러 신호(eX2, eY2 및 eZ2)(집합적으로 "제2 선형 에러들의 세트"로 지칭됨)와 결합된다. 도시된 바와 같이, 각각의 제2 선형 에러 신호(eX2, eY2 및 eZ2)는, 액추에이터에 출력되는 액추에이터 명령에 의해 명령된 위치와, 액추에이터에 의해 생성된 피드백 신호에 의해 표시된 위치 사이의 차이에 대응한다. 따라서, 저주파 성분 X-축 액추에이터 명령(즉, X_low), 저주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_low) 및 저주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_low)에 반응할 때, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104) 및 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)는 각각 피드백 신호(X_fbk, Y_fbk 및 Z_fbk)를 생성한다.

도 13a에 도시된 실시예에서, 결합된 제1 및 제2 선형 에러 신호들(즉, eX1 + eX2, eY1 + eY2 및 eZ1 + eZ2) 각각은 또한, 처리된 선형 명령들(즉, 고주파 성분 X-축 액추에이터 명령(X_high), 고주파 성분 Y-축 액추에이터 명령(Y_high) 및 고주파 성분 Z-축 액추에이터 명령(Z_high))의 제2 세트와 결합되고, 이에 따라 처리된 선형 명령들의 제3 세트를 생성한다. 처리된 선형 명령들의 제3 세트는 처리된 선형 명령들의 제2 세트로부터 뿐만 아니라 제1 및 제2 선형 에러 신호들로부터 유래되기 때문에, 처리된 선형 명령들의 제3 세트의 주파수 성분(즉, 회전형 액추에이터들 및 비교적 낮은 대역폭 선형 액추에이터들의 임계 주파수 초과 뿐만 아니라 이하인 주파수 성분을 포함함)이 혼합될 수 있다. 따라서, 처리된 선형 명령들의 제3 세트는 복합 X-축 액추에이터 명령(즉, X_comp.), 복합 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_comp.) 및 복합 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_comp.)을 포함할 수 있다. 복합 X-축 액추에이터 명령(즉, X_comp.)은 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)의 임계 주파수 미만에서부터 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)의 임계 주파수 이상까지의 주파수 범위에 걸친 주파수 성분을 갖는다. 마찬가지로, 복합 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_comp.)은 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104)의 임계 주파수 미만부터 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104)의 임계 주파수 이상까지의 주파수 범위에 걸친 주파수 성분을 갖고; 복합 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_comp.)은 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)의 임계 주파수 미만부터 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)의 임계 주파수 이상까지의 주파수 범위에 걸친 주파수 성분을 갖는다.

최종적으로, 도시된 바와 같이, 복합 X-축 액추에이터 명령(즉, X_comp.), 복합 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_comp.) 및 복합 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_comp.)이 각각 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)에 출력된다. 도 13a에 도시된 바와 같이, 처리된 선형 명령들의 제3 세트는, 처리된 선형 명령들의 제2 세트(즉, X_high, Y_high 및 Z_high) 대신에 비교적 높은 대역폭 액추에이터들에 출력된다.

도 13a에 도시된 실시예에 따르면, 실시간 에러 수정 시스템(1300)은 제어 시스템(100)을 이용하여 구현된다. 상술한 바와 같이, 제어 시스템(100)은 다중 축 공작 기계를 제어하는 적합한 액추에이터 명령들을 생성하고 처리하기 위한 알고리즘을 구현하고, 그에 의해 예비 액추에이터 명령들의 주파수 성분은 다중 축 공작 기계에 포함된 액추에이터들의 임계 주파수들에 대응하는 다수의 주파수 대역으로 분해되는 것으로 특징지어질 수 있다. 하지만, 실시간 에러 수정 시스템(1300) 또는 그 변형은 임의의 다른 타입의 제어 시스템을 이용하여 구현될 수 있음이 인식될 것이다.

예를 들어, 실시간 에러 수정 시스템은 위에서 논의한 바와 같이 예비 액추에이터 명령들의 주파수 성분을 다수의 주파수 대역으로 분해하지 않는 제어 시스템을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 전술한 예비 액추에이터 명령들을 간단히 생성하고 출력할 수 있다. 이 예시에서, 실시간 에러 수정 시스템(1300)의 변형은, 도 13b에 예시적으로 도시된 바와 같이, 실시간 에러 수정 시스템(1301)으로 제공될 수 있다.

도 13b를 참조하여, 실시간 에러 수정 시스템(1301)은, 역방향 기구학 변환(예를 들어, 전술한 역방향 기구학 변환(118))을 적용함으로써 예비 액추에이터 명령들(예를 들어, 전술한 예비 액추에이터 명령들(X_prelim., Y_prelim., Z_prelim., B_prelim., C_prelim.))을 처리하여, 중간 선형 액추에이터 명령들의 세트(예를 들어, 전술한 중간 선형 액추에이터 명령들(X0, Y0 및 Z0)의 제1 세트)를 생성하도록 구성될 수 있다.

예비 액추에이터 명령들은 또한, 다중 축 공작 기계의 회전형 액추에이터들 중 각각의 하나에 출력되고, 각각의 피드백 신호가 생성된다. 예를 들어, 예비 X-축 액추에이터 명령(즉, X_prelim.)은 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에 출력되고, 예비 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_prelim.)은 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104)에 출력되고, 예비 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_prelim.)은 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)에 출력되고, 예비 B-축 액추에이터 명령(즉, B_prelim.)은 B-축 액추에이터(114)에 출력되고, 예비 C-축 액추에이터 명령(즉, C_prelim.)은 비교적 낮은 대역폭 C-축 액추에이터(116)에 출력된다. 전술한 액추에이터들은, 차례로, 대응하는 피드백 신호들(예를 들어, 전술한 피드백 신호들(X_fbk, Y_fbk, Z_fbk, B_fbk 및 C_fbk))을 생성하고 출력할 수 있다.

중간 선형 액추에이터 명령들(예를 들어, X0, Y0 및 Z0)의 제1 세트와 회전 피드백 신호들(예를 들어, B_fbk 및 C_fbk)은, 정방향 기구학 변환(예를 들어, 전술한 정방향 기구학 변환(1302))을 적용함으로써 예비 X-축 액추에이터 명령(즉, X_prelim.), 예비 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_prelim.) 및 예비 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_prelim.)과 함께 처리되어, 중간 선형 액추에이터 명령들의 다른 세트(예를 들어, 중간 선형 액추에이터 명령들(X3, Y3 및 Z3)의 제4 세트)를 생성한다.

실시간 에러 수정 시스템(1301)은, 전술한 제1 선형 에러 신호들(즉, eX1, eY1 및 eZ1)의 세트를 유도하기 위해, 예비 선형 액추에이터 명령들(즉, 예비 X-축 액추에이터 명령(X_prelim.), 예비 Y-축 액추에이터 명령(Y_prelim.) 및 예비 Z-축 액추에이터 명령(Z_prelim.))의 각각의 하나와, 중간 선형 액추에이터 명령들(즉, X3, Y3 및 Z3)의 제4 세트 사이의 차이를 계산한다. 마찬가지로, 액추에이터에 출력되는 각각의 액추에이터 명령에 의해 명령된 위치와 액추에이터에 의해 생성된 피드백 신호에 의해 표시된 위치 사이의 차이는, 전술한 제2 선형 에러 신호들(즉, eX2, eY2 및 eZ2)의 세트를 유도하기 위해, 계산된다.

제1 선형 에러 신호들(eX1, eY1 및 eZ1) 각각은 대응하는 제2 선형 에러 신호(eX2, eY2 및 eZ2)과 결합되고, 그 후 결합된 제1 및 제2 선형 에러 신호들(즉, eX1 + eX2, eY1 + eY2 및 eZ1 + eZ2)은 처리된 선형 명령들의 제4 세트로서 비교적 높은 대역폭 액추에이터들 중 대응하는 하나에 출력된다. 처리된 선형 명령들의 제4 세트는 에러 수정 X-축 액추에이터 명령(X_corr.), 에러 수정 Y-축 액추에이터 명령(Y_corr.) 및 에러 수정 Z-축 액추에이터 명령(Z_corr.)을 포함할 수 있다. 에러 수정 X-축 액추에이터 명령(즉, X_corr.), 에러 수정 Y-축 액추에이터 명령(즉, Y_corr.) 및 에러 수정 Z-축 액추에이터 명령(즉, Z_corr.)은, 각각 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112), B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116)에 출력된다.

VII. 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터에 관한 추가 실시예들

병렬 공구 팁 위치결정 조립체와 관련하여 전술한 바와 같이, 공구가 레이저 광의 집속 빔으로 제공된다면, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)는 레이저 광이 전파되는 경로(즉, "전파 경로")에 배치된 줌 렌즈로서 제공될 수 있다. 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 줌 렌즈는 초점 길이가 변할 수 있는 렌즈 요소의 기계적 조립체이다. 도 9는, 일 실시예에 따라, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)로 이용될 수 있는 줌 렌즈를 도시한다.

도 9를 참조하여, 일 실시예에 따른 줌 렌즈는 줌 렌즈(900)로 제공될 수 있고, 대물 렌즈 요소(objective lens element)(902)(예를 들어, 발산 렌즈 요소(diverging lens element)) 및 수렴 렌즈 요소(converging lens element)(904)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 대물 렌즈 요소(902)는 발산 렌즈(예를 들어, 이중-오목 렌즈(double-concave lens))로 제공되고, 수렴 렌즈 요소(904)는 이중-볼록 렌즈(double-convex lens)로 제공된다. 대물 렌즈 요소(902) 및 수렴 렌즈 요소(904)가 단일 렌즈 시스템으로서 도시되어 있지만, 대물 렌즈 요소(902) 및 수렴 렌즈 요소(904) 중 하나 또는 둘 다는 이 기술분야에서 공지된 바와 같이 복합 렌즈 시스템으로 제공될 수 있음이 인식될 것이다.

대물 렌즈 요소(902) 및 수렴 렌즈 요소(904) 둘 다는 이 기술분야에서 공지된 임의의 적합한 방식으로 공통 축(예를 들어, 전술한 전파 경로(304)와 같은 전파 경로와 동일 선상에 있음)을 따라 배치된다. 일반적으로, 스캔 렌즈(scan lens)(302)는 제1 초점 길이(f₁)를 갖는 것으로 특징지어질 수 있고, 수렴 렌즈 요소(904)는 제2 초점 길이(f₂)(즉, 수렴 렌즈 요소(904)의 축으로부터 측정됨)를 갖는 것으로 특징지어질 수 있고, 대물 렌즈 요소(902)는 제3 초점 길이(f₃)(즉, 대물 렌즈 요소(902)의 축으로부터 측정됨)를 갖는 것으로 특징지어질 수 있다. 일반적으로, 제1 초점 길이(f₁)는 제2 초점 길이(f₂)보다 크고, 제2 초점 길이(f₂)는 제3 초점 길이(f₃)보다 크다.

또한, 도시되진 않았지만, 대물 렌즈 요소(902)는, 수렴 렌즈 요소(904)에 대해 전파 경로(304)를 따라 대물 렌즈 요소(902)를 이동시키도록 배치되고 구성되는 액추에이터(예를 들어, 하나 이상의 유압 실린더, 하나 이상의 공기압 실리더, 하나 이상의 서보 모터, 하나 이상의 음성 코일 액추에이터, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 전자 변형식 요소, 하나 이상의 검류계 구동 캠(gavalnometer-driven cams) 등 또는 이들의 임의의 조합)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 이 액추에이터(본 명세서에서 "줌 렌즈 액추에이터"로도 지칭됨)는 대물 렌즈 요소(902)를 수렴 렌즈 요소(904)로부터 멀어지도록 이동시키거나 수렴 렌즈 요소(904)를 향하여 이동시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 줌 렌즈 액추에이터는, 적어도 1mm, 적어도 5mm, 적어도 10mm, 적어도 15mm, 적어도 20mm, 적어도 25mm, 적어도 30mm, 적어도 40mm, 적어도 50mm, 적어도 75mm 등 또는 이들 값의 임의의 값 사이의 거리만큼 수렴 렌즈 소자(904)를 향하여, 또는 이로부터 멀어지도록 대물 렌즈 요소(902)를 이동시키도록 구성될 수 있다. 수렴 렌즈 요소(904)는 스캔 렌즈(302)에 대해 위치적으로 고정될 수 있거나, 스캔 렌즈(302)에 대해 이동 가능할 수 있다.

줌 렌즈(900)는 스캔 렌즈(예를 들어, 전술한 스캔 렌즈(302)로 제공됨)의 광학적으로 상류에 배치된다. 도시되진 않았지만, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 및 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110)(예를 들어, 각각은 도 3에 대해 논의된 전술한 제1 및 제2 검류계 구동식 미러 시스템들과 같은 검류계 구동식 미러 시스템들로 제공됨)는 줌 렌즈(900)와 스캔 렌즈(302) 사이에 개재될 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 줌 렌즈 액추에이터는, 대물 렌즈 요소(902)의 초점면(focal plane)(즉, 제3 초점 길이(f₃)에 있음)이 수렴 렌즈 요소(904)의 초점면(즉, 제2 초점 길이(f₂)에 있음)과 일치하도록, 대물 렌즈 요소(902)를 "제로-시프트 위치(zero-shift position)"에 위치시키도록 동작될 수 있다. 대물 렌즈 요소(902)가 위에서 논의된 바와 같이(즉, "제로-시프트 위치"에 있음) 위치될 때, 줌 렌즈(900)를 통해 전파된 후의 레이저 광의 빔(906)은, 스캔 렌즈(302)의 초점면(즉, 제1 초점 길이(f₁)에 있음)과 일치하는 초점(focal point)(908)에서 스캔 렌즈(302)에 의해 집속된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 대물 렌즈 요소(902)의 초점면(즉, 제3 초점 길이(f₃)에 있음)이 수렴 렌즈 요소(904)로부터 멀어지는 방향으로 수렴 렌즈 요소(904)의 초점면(즉, 제2 초점 길이(f₂)에 있음)으로부터 멀어지도록, 줌 렌즈 액추에이터는 대물 렌즈 요소(902)를 수렴 렌즈 요소(904)로부터 멀어지게 하는 방향으로 제로-시프트 위치로부터 멀어지게 시프트(shift)시키도록 동작될 수 있다. 대물 렌즈 요소(902)가 위에서 논의된 바와 같이 (즉, "양의-시프트 위치(positive-shift position)"에 있음) 위치될 때, (줌 렌즈(900)를 통해 전파되고 스캔 렌즈(302)에 의해 집속된 후) 레이저 광의 빔(906)의 초점(908)은 스캔 렌즈(302)를 향하여 시프트된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 줌 렌즈(900)와 스캔 렌즈(302) 사이에서, 레이저 광의 빔(906)은 스캔 렌즈(302)를 향하여 전파됨에 따라 수렴한다.

도 11에 도시된 바와 같이, 대물 렌즈 요소(902)의 초점면(즉, 제3 초점 길이(f₃)에 있음)이 수렴 렌즈 요소(904)를 향하는 방향으로 수렴 렌즈 요소(904)의 초점면(즉, 제2 초점 길이(f₂)에 있음)으로부터 멀어지도록, 줌 렌즈 액추에이터는 대물 렌즈 요소(902)를 수렴 렌즈 요소(904)를 향하는 방향으로 제로-시프트 위치로부터 멀어지게 시프트시키도록 동작될 수 있다. 대물 렌즈 요소(902)가 위에서 논의된 바와 같이(즉, "음의-시프트 위치"에 있음) 위치될 때, (줌 렌즈(900)를 통해 전파되고 스캔 렌즈(302)에 의해 집속된 후의) 레이저 광의 빔(906)의 초점(908)은 스캔 렌즈(302)로부터 멀어지도록 시프트된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 줌 렌즈(900)와 스캔 렌즈(302) 사이에서, 레이저 광의 빔(906)은 스캔 렌즈(302)를 향하여 전파됨에 따라 발산한다.

초점(908)이 (도 10에 도시된 바와 같이) 스캔 렌즈(302)를 향하여, 또는 (도 11에 도시된 바와 같이) 스캔 렌즈(302)로부터 멀어지도록 시프트되는 거리(d_fp)는 다음의 수학식에 따라 결정될 수 있다:

여기서 d_s는 시프트된 바와 같이, 대물 렌즈 요소(902)의 축으로부터의 거리와 같고 수렴 렌즈 요소(904)의 초점면이다. 위에서 논의된 바와 같이, f₁는 스캔 렌즈(302)의 초점 길이를 나타내고, f₂는 수렴 렌즈 요소(904)의 초점 길이를 나타내고, f₃는 대물 렌즈 요소(902)의 초점 길이를 나타낸다. f₁, f₂ 및 f₃는 초점(908)의 시프트 거리(d_fp)에 대한 대물 렌즈 요소(902)의 시프트 거리(d_s)의 비율이 1:1과 같거나, 1:1보다 크거나, 1:1보다 작을 수 있도록 보장하기 위해 선택되거나 달리 설정될 수 있음이 인식되어야 한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이 초점 위치(908)의 시프팅은 또한, 본 명세서에서 "포커스 높이 변조(focus height modulation)"로도 지칭될 수 있다.

또한, 대물 렌즈 요소(902)의 시프트 거리(d_s)가 최대 양의-시프트 위치로부터 최대 음의-시프트 위치까지 스캔되는 경우, (위에서 논의된 바와 같이, 줌 렌즈(900) 및 스캔 렌즈(302)를 통해 전파된 후) 작업물의 공작 영역으로 최종적으로 전달된 레이저 광의 집속 빔의 스폿 크기(spot size)가 1㎛ 미만으로 변동되도록, 대물 렌즈 요소(902), 수렴 렌즈 요소(904) 및 스캔 렌즈(302)의 특성들이 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 대물 렌즈 요소(902)의 시프트 거리(d_s)가 최대 양의-시프트 위치로부터 최대 음의-시프트 위치까지 스캔되는 경우, (즉, 위에서 논의된 바와 같이, 줌 렌즈(900) 및 스캔 렌즈(302)를 통해 전파된 후) 작업물의 공작 영역으로 최종적으로 전달된 레이저 광의 집속 빔의 스폿 크기에서의 변동은 0.75㎛ 미만, 0.5㎛ 미만, 0.25㎛ 미만, 0.1㎛ 미만, 0.075㎛ 미만, 0.05㎛ 미만, 0.025㎛ 미만, 0.01㎛ 미만 등으로 또는 이들 값 중 임의의 값 사이로 변동될 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "스폿 크기"는 공작 축이 작업물의 공작 영역을 횡단하는 로케이션에 전달된 레이저 펄스의 직경(diameter) 또는 최대 공간 폭(spatial width)을 지칭한다. 본 명세서에서 논의하기 위해, 스폿 크기는, 공작 축으로부터, 광학 강도가 공작 축에서의 광학 강도의 적어도 1/e²로 떨어질 때까지 반경 또는 횡방향 거리(traverse distance)로서 측정된다.

도 12는 대물 렌즈 요소(902)의 시프트 거리(d_s)가 20mm의 최대 양의-시프트 위치로부터, 20mm의 최대 음의-시프트 위치까지 스캔되는 실험의 결과를 나타내는 그래프를 도시하고, 대시 선(dashed line)(좌측에 도시된 수직 축과 연관됨)으로 도시된 바와 같이, 초점(908)의 시프트 거리(d_fp)에서 대응하는 시프트와, 회색 실선(우측에 도시된 수직 축과 연관됨)으로 도시된 바와 같이, 약 0.066 ㎛의 작업물의 공작 영역(즉, 작업물의 표면)으로 최종적으로 전달된 레이저 광의 집속 빔의 스폿 크기에 대한 변동성을 초래한다.

상술한 바와 같이 구성되는 줌 렌즈(900)는 스캔 렌즈(302)의 초점면 평탄도, 초점(908)에서의 스폿 크기, 초점(908)에서의 스폿 형상, 및 텔레센트릭성(telecentricity)에 대한 최소한의 영향으로 제한된 범위(예를 들어, 제1 초점 길이의 약 +/-10%)에 걸쳐 양호하게 제어되는 포커스 높이 변조(focus height modulation)를 제공한다. 게다가, 대물 렌즈 요소(902)는 무게가 단지 수 그램(only a few grams)이고, 이에 따라 줌 렌즈 액추에이터로 하여금 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)보다 훨씬 더 높은 대역폭으로 대물 렌즈 요소(902)를 이동시킬 수 있게 한다.

VIII. 하이브리드 다중 축 공작 기계의 예시적인 실시예

도 14는 일 실시예에 따른 하이브리드 다중 축 공작 기계를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 15는 도 14의 선 XV-XV'를 따라 취해진, 도 14에 도시된 하이브리드 다중 축 공작 기계를 개략적으로 도시하는 부분 측면도이다.

도 14 및 도 15를 참조하여, 다중 축 공작 기계(1400)와 같은 하이브리드 다중 축 공작 기계는 레이저 광(예를 들어, 일련의 펄스로, 레이저 광의 연속적 또는 반연속적 빔으로 또는 이들의 임의의 조합으로 나타남)을 생성하기 위한 레이저 소스(1402), 및 레이저 소스(1402)에 의해 생성된 레이저 광을 컨디셔닝하기(예를 들어, 확장하고, 시준(collimating)하고, 필터링하고, 편광시키고, 집속시키고, 감쇠시키고, 산란시키고, 흡수시키고, 반사시키는 등 또는 이들의 임의의 조합을 행하기) 위한 레이저 광학계(laser optics)와 같은 구성요소들을 포함할 수 있다. 레이저 광학계의 예시는 각각 제1 및 제2 광학 셔터들(1404a 및 1404b)과 같은 하나 이상의 셔터, 각각 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 제7, 제8, 및 제9 폴드 미러들(fold mirrors)(1406a, 1406b, 1406c, 1406d, 1406e, 1406f, 1406g, 1406h 및 1406i), 및 각각 제1 및 제2 시준기들(collimators)(1408a 및 1408b)를 포함할 수 있다.

일반적으로, 레이저 소스(1402)는 레이저 광을 발생시키도록 작동한다. 이와 같이, 레이저 소스(104)는 펄스 레이저 소스, CW 레이저 소스, QCW 레이저 소스, 버스트 모드 레이저 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 레이저 소스(1402)가 QCW 또는 CW 레이저 소스를 포함하는 경우, 레이저 소스(104)는, (예를 들어, 하나 이상의 레이저 펄스를 생성하기 위해) QCW 또는 CW 레이저 소스로부터 출력되는 레이저 방사선의 빔을 일시적으로 변조하기 위한 펄스 게이팅 유닛(예를 들어, 음향 광학(acousto-optic)(AO) 변조기(AOM), 빔 초퍼 등)을 선택적으로 포함할 수 있다. 도시되지 않았지만, 다중 축 공작 기계(1400)는, 레이저 소스(1402)에 의해 출력된 광의 파장을 변환하도록 구성되는 하나 이상의 고조파 발생 결정체(harmonic generation crystals)("파장 변환 결정체"로도 알려짐)을 선택적으로 포함할 수 있다. 따라서, 작업물 위치결정 조립체(201)에 의해 지지되는 작업물에 최종적으로 전달된 레이저 광은, 전자기 스펙트럼의 자외선(UV), 가시광(예를 들어, 보라색, 청색, 녹색, 적색, 등) 또는 적외선(IR) 범위들 중 하나 이상에서 하나 이상의 파장, 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 것으로 특징지어질 수 있다. 전자기 스펙트럼의 UV 범위의 레이저 펄스들은, 157nm, 200nm, 334nm, 337nm, 351nm, 380nm 등 또는 이들 값 중 임의의 값 사이와 같이, 150nm(또는 대략) 내지 385nm(또는 대략)의 범위의 하나 이상의 파장을 가질 수 있다. 전자기 스펙트럼의 가시광 녹색 범위의 레이저 펄스들은, 511nm, 515nm, 530nm, 532nm, 543nm, 568nm 등 또는 이들 값 중 임의의 값 사이와 같이, 500nm(또는 대략) 내지 570nm(또는 대략)의 범위의 하나 이상의 파장을 가질 수 있다. 전자기 스펙트럼의 IR 범위의 레이저 펄스들은, 700nm 내지 1000nm, 752.5nm, 780nm 내지 1060nm, 799.3nm, 980nm, 1047nm, 1053nm, 1060nm, 1064nm, 1080nm, 1090nm, 1152nm, 1150nm 내지 1350nm, 1540nm, 2.6㎛ 내지 4㎛, 4.8㎛ 내지 8.3㎛, 9.4㎛, 10.6㎛ 등 또는 이들 값 중 임의의 값 사이와 같이, 750nm(또는 대략) 내지 15㎛(또는 대략)의 범위의 하나 이상의 파장을 가질 수 있다.

작업물 위치결정 조립체(201)에 의해 지지되는 작업물에 최종적으로 전달되어 출력된 레이저 펄스들은, 10fs 내지 900ms의 범위에서 (즉, 펄스 대 시간에서의 광 전력의 반치전폭(the full-width at half-maximum)(FWHM)에 기초하여) 펄스 폭 또는 펄스 지속 시간을 가질 수 있다. 하지만, 펄스 지속 시간은 30fs 미만 또는 900ms 초과일 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 레이저 소스(1402)에 의해 출력된 적어도 하나의 레이저 펄스는, 10fs, 15fs, 30fs, 50fs, 100fs, 150fs, 200fs, 300fs, 500fs, 700fs, 750fs, 850fs, 900fs, 1ps, 2ps, 3ps, 4ps, 5ps, 7ps, 10ps, 15ps, 25ps, 50ps, 75ps, 100ps, 200ps, 500ps, 1ns, 1.5ns, 2ns, 5ns, 10ns, 20ns, 50ns, 100ns, 200ns, 400ns, 800ns, 1000ns, 2㎲, 5㎲, 10㎲, 50㎲, 100㎲, 300㎲, 500㎲, 900㎲, 1ms, 2ms, 5ms, 10ms, 20ms, 50ms, 100ms, 300ms, 500ms, 900ms, 1초 등 이상 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 펄스 지속 시간을 가질 수 있다. 마찬가지로, 레이저 소스(1402)에 의해 출력된 적어도 하나의 레이저 펄스는, 1s, 900ms, 500ms, 300ms, 100ms, 50ms, 20ms, 10ms, 5ms, 2ms, 1ms, 300ms, 900㎲, 500㎲, 300㎲, 100㎲, 50㎲, 10㎲, 5㎲, 1㎲, 800ns, 400ns, 200ns, 100ns, 50ns, 20ns, 10ns, 5ns, 2ns, 1.5ns, 1ns, 500ps, 200ps, 100ps, 75ps, 50ps, 25ps, 15ps, 10ps, 7ps, 5ps, 4ps, 3ps, 2ps, 1ps, 900fs, 850fs, 800fs, 750fs, 700fs, 500fs, 300fs, 200fs, 150fs, 100fs, 50fs, 30fs, 15fs, 10fs 등 미만 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 펄스 지속 시간을 가질 수 있다.

레이저 소스(1402)에 의해 출력된 레이저 펄스들은 100mW 내지 50kW의 범위의 평균 전력을 가질 수 있다. 하지만, 평균 전력은 100mW 미만 또는 50kW 초과일 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 레이저 소스(1402)에 의해 출력된 레이저 펄스들은, 100mW, 300mW, 500mW, 800mW, 1W, 2W, 3W, 4W, 5W, 6W, 7W, 10W, 15W, 18W, 25W, 30W, 50W, 60W, 100W, 150W, 200W, 250W, 500W, 2kW, 3kW, 20kW, 50kW 등 이상 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 평균 전력을 가질 수 있다. 마찬가지로, 레이저 소스(1402)에 의해 출력된 레이저 펄스들은, 50kW, 20kW, 3kW, 2kW, 500W, 250W, 200W, 150W, 100W, 60W, 50W, 30W, 25W, 18W, 15W, 10W, 7W, 6W, 5W, 4W, 3W, 2W, 1W, 800mW, 500mW, 300mW, 100 mW 등 미만 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 평균 전력을 가질 수 있다.

레이저 펄스들은, 5kHz의 1GHz의 범위의 펄스 반복률(pulse repetition rate)로 레이저 소스(1402)에 의해 출력될 수 있다. 하지만, 펄스 반복률은 5kHz 미만 또는 1GHz 초과일 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 레이저 펄스들은, 레이저 소스(104)에 의해, 5kHz, 50kHz, 100kHz, 175kHz, 225kHz, 250kHz, 275kHz, 500kHz, 800kHz, 900kHz, 1MHz, 1.5MHz, 1.8MHz, 1.9MHz, 2MHz, 2.5MHz, 3MHz, 4MHz, 5MHz, 10MHz, 20MHz, 50MHz, 70MHz, 100MHz, 150MHz, 200MHz, 250MHz, 300MHz, 350MHz, 500MHz, 550MHz, 700MHz, 900MHz, 2GHz, 10GHz 등 이상 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 펄스 반복률로 출력될 수 있다. 마찬가지로, 레이저 펄스들은, 레이저 소스(1402)에 의해, 10GHz, 2GHz, 1GHz, 900MHz, 700MHz, 550MHz, 500MHz, 350MHz, 300MHz, 250MHz, 200MHz, 150MHz, 100MHz, 90MHz, 70MHz, 50MHz, 20MHz, 10MHz, 5MHz, 4MHz, 3MHz, 2.5MHz, 2MHz, 1.9MHz, 1.8MHz, 1.5MHz, 1MHz, 900kHz, 800kHz, 500kHz, 275kHz, 250kHz, 225kHz, 175kHz, 100kHz, 50kHz, 5kHz 등 미만 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 펄스 반복률로 출력될 수 있다.

레이저 소스(1402)의 레이저들의 타입의 예시는, 가스 레이저(예를 들어, 이산화탄소 레이저, 일산화탄소 레이저, 엑시머 레이저(excimer lasers) 등), 고체-상태(solid-state) 레이저(예를 들어, Nd:YAG 레이저 등), 로드 레이저(rod laser), 광섬유 레이저, 광 결정 로드/광섬유 레이저, 수동 모드-고정 고체-상태 벌크(passively mode-locked solid-state bulk) 또는 광섬유 레이저, 색소 레이저(dye laser), 모드-고정 다이오드(mode-locked diode) 레이저, 펄스 레이저(예를 들어, ms-펄스, ns-펄스, ps-펄스, fs-펄스 레이저들), CW 레이저, QCW 레이저 등 또는 이들의 임의의 조합으로 특징지어질 수 있다. 레이저 소스(1402)로 제공될 수 있는 레이저 소스들의 구체적인 예시는, EOLITE사에 의해 제조된 BOREAS, HEGOA, SIROCCO 또는 CHINOOK 시리즈의 레이저들; PYROPHOTONICS사에 의해 제조된 PYROFLEX 시리즈의 레이저들; COHERENT사에 의해 제조된 PALADIN Advanced 355 또는 DIAMOND 시리즈(예를 들어, DIAMOND E-시리즈, G-시리즈, J-2 시리즈, J-3 시리즈, J-5 시리즈)의 레이저들; SYNRAD사에 의해 제조된 PULSTAR 또는 FIRESTAR 시리즈 레이저들; TRUMPF사에 의해 모두 제조된 TRUFLOW-시리즈의 레이저들(예를 들어, TRUFLOW 2000, 2700, 3000, 3200, 3600, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 10000, 12000, 15000, 20000), TRUCOAX-시리즈의 레이저들(예를 들어, TRUCOAX 1000), 또는 TRUDISK-시리즈, TRUPULSE-시리즈, TRUDIODE-시리즈, TRUFIBER-시리즈 또는 TRUMICRO-시리즈의 레이저들; IMRA AMERICA사에 의해 제조된 FCPA μJEWEL 또는 FEMTOLITE 시리즈의 레이저들; AMPLITUDE SYSTEMES사에 의해 제조된 TANGERINE 및 SATSUMA 시리즈 레이저들(및 MIKAN 및 T-PULSE 시리즈 발진기들); IPG PHOTONICS사에 의해 제조된 CL-시리즈, CLPF-시리즈, CLPN-시리즈, CLPNT-시리즈, CLT-시리즈, ELM-시리즈, ELPF-시리즈, ELPN-시리즈, ELPP-시리즈, ELR-시리즈, ELS-시리즈, FLPN-시리즈, FLPNT-시리즈, FLT-시리즈, GLPF-시리즈, GLPN-시리즈, GLR-시리즈, HLPN-시리즈, HLPP-시리즈, RFL-시리즈, TLM-시리즈, TLPN-시리즈, TLR-시리즈, ULPN-시리즈, ULR-시리즈, VLM-시리즈, VLPN-시리즈, YLM-시리즈, YLPF-시리즈, YLPN-시리즈, YLPP-시리즈, YLR-시리즈, YLS-시리즈, FLPM-시리즈, FLPMT-시리즈, DLM-시리즈, BLM-시리즈 또는 DLR-시리즈의 레이저들(예를 들어, GPLN-100-M, GPLN-500-QCW, GPLN-500-M, GPLN-500-R, GPLN-2000-S, UPLN-355-M, UPLN-355-R, UPLN-355-QCW-R 등을 포함함) 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 레이저 소스를 포함한다.

일 실시예에서, 제1 및 제2 광학 셔터들(1404a 및 1404b) 중 하나 또는 둘 다는 각각, 홍채의 개구(aperture)를 통과하는 광의 양을 제어하기 위해, 이 기술 분야에 공지된 임의의 방식으로 개방 또는 폐쇄될 수 있는 수동-작동되거나 제어기 작동되는 홍채(controller-actuated iris)로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 시준기들(1408a 및 1408b) 중 하나 또는 둘 다는 각각, 빔-감소 또는 빔-확장 시준기로 제공될 수 있다.

다중 축 공작 기계(1400)는 작업물 위치결정 조립체를 더 포함한다. 일 실시예에서, 작업물 위치결정 조립체는 전술한 작업물 위치결정 조립체(201)로 제공되고, 공구 팁 위치결정 조립체는 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체로 제공된다. 따라서, 작업물 위치결정 조립체(201)는, 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104), B-축 액추에이터(114) 및 C-축 액추에이터(116)(예를 들어, 여기서 B-축 액추에이터(114)는, 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104)에 의해 이동 가능하도록, 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104) 상에 장착되고, C-축 액추에이터(116)는, B-축 액추에이터(114), 비교적 낮은 대역폭 Y-축 액추에이터(104) 또는 이들의 임의의 조합에 의해 이동 가능하도록, B-축 액추에이터(114) 상에 장착됨)를 포함할 수 있다. 작업물 고정부(도시되지 않음)는, (예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 C-축 액추에이터(116)에서) 임의의 적절한 또는 원하는 방식으로 작업물(도시되지 않음)을 고정하거나, 유지하거나, 이송하는 것 등을 위해 작업물 위치결정 조립체(201)에 기계적으로 결합될 수 있다. 작업물 고정부는 작업물이 클램핑되거나, 고정되거나, 유지되거나, 채워지거나 다른 방식으로 지지될 수 있는 하나 이상의 척 또는 다른 클램프, 클립 또는 다른 체결 디바이스(예를 들어, 볼트, 나사, 핀, 멈춤 링, 스트랩, 타이 등)로 제공될 수 있다.

다중 축 공작 기계(1400)는 공구 팁 위치결정 조립체를 더 포함한다. 도시된 실시예에서, 공구 팁 위치결정 조립체는 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)(예를 들어, 여기서 X-축을 따라 지향된 선형 단으로 제공됨), (예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에 의해 이동 가능하도록 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에 결합된 고정부(1409)를 통해) 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102) 상에 장착된 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)(예를 들어, 여기서 Z-축을 따라 지향된 단으로 제공됨), 및 (예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)에 의해, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에 의해, 또는 이들의 조합에 의해 이동 가능하도록) 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106) 상에 장착된 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)를 포함하는 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체로 제공된다. 대안적인 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)는 공구 팁 위치결정 조립체에서 생략된다(즉, 다중 축 공작 기계(1400)는 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)를 포함하지 않는다).

전술한 구성요소들 외에, 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체는 또한, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 및 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 및 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110)는 각각 (예를 들어, 도 3에 대해 논의한 바와 같이) 검류계 구동식 미러 시스템으로 제공되고, (예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)에 의해, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에 의해, 또는 이들의 조합에 의해 이동 가능하도록) 비교적 낮은 Z-축 액추에이터(106) 상에 장착된 공통 스캔 헤드(1410)에 통합된다. 스캔 헤드(1410)는 또한, 스캔 렌즈(예를 들어, 도 3 또는 도 9 내지 도 11 중 어느 하나에 대해 위에서 논의한 바와 같이)를 포함할 수 있다.

다중 축 공작 기계(1400)는 프로세스 베이스(1412) 및 시스템 베이스(1414)를 더 포함한다. 프로세스 베이스(1412)는, 다중 축 공작 기계(1400) 외부에서 발생된 진동들로부터, 작업물 위치결정 조립체(201), 레이저 소스(1402), 레이저 광학계 등과 같은 구성요소들을 적어도 부분적으로 격리시키도록 구성된다. 따라서, 일 실시예에서, 프로세스 베이스(1412)는 비교적 무거운 블록의 화강암(granite), 휘록암(diabase) 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공된다. 프로세스 베이스(1412)는 시스템 베이스(1414) 상에 또는 그 내부에 안착되고, 한 세트의 마운트(mounts)(1413)(예를 들어, 탄성 물질(elastomer material)로 제조됨)에 놓인다. 마운트(1413)는 (예를 들어, 그러한 진동들에 기인하는 처리 동안의 임의의 정확도 열화를 방지하거나 다른 방식으로 최소화하기 위해) 다중 축 공작 기계(1400) 외부에서 발생된 진동들을 감쇠시키도록 구성된다. 시스템 베이스(1414)는, 예를 들어, 바닥(도시되지 않음)에서 지지될 수 있다. 일 실시예에서, 다중 축 공작 기계(1400)의 액추에이터, 레이저 소스(1402), 셔터(1404a, 1404b) 등과 연관된 임의의 제어기들이 시스템 베이스(1414) 내에 수용될 수 있다.

다중 축 공작 기계(1400)는 프로세스 베이스(1412)에 결합된 지지 프레임(1416)(예를 들어, 갠트리(gantry))(1416)을 더 포함한다. 지지 프레임(1416)은 작업물 위치결정 조립체(201) 위로 공구 팁 조립체를 지지하도록 구성될 수 있다. 지지 프레임(1416)은 작업물 위치결정 조립체(201)의 반대 측에서 프로세스 베이스(1412)에 결합되고 통상적으로 빔(1420)을 지지하는 한 쌍의 지지부(1418)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 공구 팁 위치결정 조립체의 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)는 빔(1420)에 결합되고, 이에 의해 지지 프레임(1416)이 작업물 위치결정 조립체(201)를 통해 공구 팁 조립체를 지지하도록 허용할 수 있다. 지지 프레임(1416)은 전술한 공구 팁 위치결정 조립체 내의 액추에이터들, 스캔 렌즈 등과 같은 구성요소들을 작업물 위치결정 조립체(201)에 의해 발생된 진동들로부터뿐만 아니라 다중 축 공작 기계(1400) 외부에서 발생된 진동들로부터 적어도 부분적으로 격리시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 지지 프레임(1416)의 지지부(1418) 및 빔(1420)은 비교적 무거운 블록의 화강암, 휘록암 등 또는 이들의 임의의 조합으로 형성될 수 있다.

다중 축 공작 기계(1400)는 (예를 들어, 지지부(1418) 및 빔(1420)에서) 지지 프레임(1416)에 결합된 광학 벽(optics wall)(1422)을 더 포함한다. 광학 벽(1422)은 전술한 레이저 광학계의 일부를 지지할 수 있다. 예를 들어, 도 15에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각 제1 및 제2 광학 셔터들(1404a 및 1404b), 각각 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 및 제6 폴드 미러들(1406a, 1406b, 1406c, 1406d, 1406e 및 1406f), 및 각각 제1 및 제2 시준기들(1408a, 1408b)과 같은 레이저 광학계가 광학 벽에 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 셔터들(1404a 및 1404b) 중 하나 또는 둘 다는 임의의 적절한 방식으로 프로세스 베이스(1412)에 결합될 수 있다.

일반적으로, 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 및 제7 폴드 미러들(1406a, 1406b, 1406c, 1406d, 1406e, 1406f 및 1406g)은 각각 전술한 전파 경로(304)와 같은 전파 경로를 따라 다른 레이저 광학계들(예를 들어, 제1 및 제2 시준기(1408a 및 1408b) 각각)을 통해 광학 벽(1422)에 형성된 광 포트(optical port)(1424) 내로 레이저 광(예를 들어, 레이저 소스(1402)에 의해 생성되고 각각 제1 및 제2 광학 셔터들(1404a 및 1404b)에 의해 전달됨)을 안내하도록 광학 벽(1422)의 일측에 배치된다. 따라서, 전파 경로(304)는 광학 벽(1422)의 일측(즉, 레이저 소스(1402)가 위치되어 있는 광학 벽(1422)의 제1 측)으로부터 광 포트(1424)를 통해 광학 벽(1422)의 다른 측(예를 들면, 공구 팁 위치결정 조립체가 위치되어 있는 광학 벽(1422)의 제2 측)으로 연장된다.

제8 및 제9 폴드 미러들(1406h 및 1406i)은 각각 광 포트(1424)를 통해 전파되는 레이저 광을 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)로 안내한다. 이 경우, 제8 폴드 미러(1406h)는 미러 지지 빔(1426)을 통해 지지 프레임(1416)(예를 들어, 빔(1420))에 결합되어, 제8 폴드 미러(1406h)의 방향 및 위치가, 다중 축 공작 기계(1400)의 동작 동안, 적어도 실질적으로 고정된 상태를 유지할 수 있다. 제9 폴드 미러(1406i)는 고정부(1409)에 결합되어, 제9 폴드 미러(1406i)의 방향 및 위치가, 다중 축 공작 기계(1400)의 동작 동안, 적어도 실질적으로 고정된 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 제9 폴드 미러(1406i)는 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에 의해 X-축을 따라 이동될 수 있다. 전술한 바와 같이, 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)는 고정부(1409)를 통해 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에 결합된다. 따라서, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112) 및 스캔 헤드(1410)는, 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)의 동작 동안, 제9 폴드 미러(1406i)에 대해 Z-축을 따라 이동할 수 있다.

예시적으로 도시된 바와 같이, 제8 폴드 미러(1406h)는 Y-축을 따라 제7 폴드 미러(1406g)에 정렬되고, 제9 폴드 미러(1406i)는 X-축을 따라 제8 폴드 미러(1406h)에 정렬되고, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)는 Z-축을 따라 제9 폴드 미러(1406i)에 정렬된다. 마찬가지로, 스캔 헤드(1410)는 Z-축을 따라 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)에 정렬된다. 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)가 공구 팁 위치결정 조립체에서 생략되는 대안적인 실시예에서, 스캔 헤드(1410)는 Z-축을 따라 제9 폴드 미러(1406i)에 정렬될 수 있다.

레이저 광이, 제9 폴드 미러(1406i)에 의해 반사된 후에, 전파 경로(304)를 따라 전파되고(선택적으로, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)를 통과하여) 스캔 헤드(1410)로 들어가서, 여기서 그것이 비교적 높은 대역폭 X-축 액추에이터(108) 및 비교적 높은 대역폭 Y-축 액추에이터(110)에 의해 편향될 수 있다. 그 후, 레이저 광은, 작업물 위치결정 조립체(201)에 고정된 작업물로 전파되기 전에, 스캔 헤드(1410)에서 스캔 렌즈에 의해 집속된다.

도시된 실시예는 광학 벽(1422)에 광 포트(1424)를 갖는 다중 축 공작 기계(1400)를 고려하고, 전파 경로(304)는 광 포트(1424)를 통해 연장될 수 있지만, 광학 벽(1422)은 전파 경로(304)가 제7 폴드 미러(1406g)로부터 제8 폴드 미러(1406h)로 연장될 수 있게 하는 임의의 다른 방식으로 구성될 수 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, 광학 벽(1422)은 그 에지(edge)로부터 연장되는 노치(notch)를 포함할 수 있고, 광 포트(1424)와 일치하는 영역을 포괄할 수 있다.

상술한 바와 같이 구성되고 배치된, 제8 및 제9 폴드 미러들(1406h 및 1406i)과 같은 폴드 미러들은, 각각 레이저 광을 스캔 헤드(1410)로 안내하는 자유-공간 빔 전달 시스템(free-space beam delivery system)과, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112)를 선택적으로 제공한다. 제9 폴드 미러(1406i)는 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에 장착되고, Z-축을 따라 스캔 헤드(1410)(그리고, 포함되는 경우, 비교적 높은 대역폭 Z-축 액추에이터(112))에 뿐만 아니라 X-축을 따른 제8 폴드 미러(1406h)에 정렬되기 때문에, 제8 폴드 미러(1406h)로부터 스캔 헤드(1410)로의 전파 경로의 길이 및 구성은, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102) 및/또는 비교적 낮은 대역폭 Z-축 액추에이터(106)의 동작 동안, 동적으로 변할 수 있다. 이는 고정 빔 전달 시스템(fixed beam delivery system)을 갖는 특정한 종래의 레이저-기반 다중 축 공작 기계에 비하여 유리할 수 있는데, 이는, 레이저-기반 다중 축 공작 기계의 동작 동안, 스캔 헤드(1410)가 고정될 것을 요구하고, 그러한 종래의 레이저-기반 다중 축 공작 기계에 의해 처리될 수 있는 작업물의 크기를 제한한다. 상술한 바와 같이 구성된, 작업물 위치결정 조립체(201)와 공구 팁 위치결정 조립체의 결합된 동작을 통해, 다중 축 공작 기계(1400)는, 1000mm(또는 1000mm 미만) x 1000mm(또는 1000mm 미만) x 750mm(또는 500mm 미만)의 X-축, Y-축 및 Z-축의 최대 치수를 갖는 처리 부피 내의 어느 곳이든지 공작 영역을 배치할 수 있다. 일 실시예에서, X-축에서의 처리 부피의 최대 치수는 750mm, 500mm, 250mm, 200mm, 150mm 등 이하, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이일 수 있다. 일 실시예에서, Y-축에서의 처리 부피의 최대 치수는 750mm, 500mm, 250mm, 200mm, 150mm 등 이하 또는 이들 값 중 임의의 값 사이일 수 있다. 일 실시예에서, Z-축에서의 처리 부피의 최대 치수는 500mm, 250mm, 200mm, 150mm 등 이하, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이일 수 있다. 게다가, 상술한 바와 같이 구성될 때, 레이저 광은 다중 축 공작 기계(1400)의 자유-공간 빔 전달 시스템에서 공기를 통해 전파 경로(304)를 따라 전파될 수 있다. 이는 광 섬유를 사용하여 레이저 광을 스캔 헤드(1410)로 전달하는 특정한 종래의 레이저-기반 다중 축 공작 기계에 비하여 유리할 수 있다.

다중 축 공작 기계(1400)는 폴드 미러, 셔터 및 시준기와 같은 레이저 광학계의 특정한 수와 배치를 포함하는 것으로 도시되고 상술되었지만, 다중 축 공작 기계(1400)는, 전술한 자유-공간 빔 전달 시스템이 보존되는 한, 임의의 다른 수, 타입, 및 배치의 레이저 광학계를 포함할 수 있음이 인식될 것이다.

도시되지 않았지만, 다중 축 공작 기계(1400)는, 레이저 소스(1402)에 의해 점유된 공간을 둘러싸는 슈라우드(shroud) 또는 하우징과, 각각 제1 및 제2 광학 셔터들(1404a 및 1404b), 각각 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 및 제7 폴드 미러들(1406a, 1406b, 1406c, 1406d, 1406e, 1406f 및 1406g), 및 각각 제1, 제2 시준기들(1408a 및 1408b)과 같은 레이저 광학계를 포함할 수 있다. 이 슈라우드("광학 슈라우드"로도 지칭됨)는 시스템 베이스(1414)에 결합되고, 다중 축 공작 기계(1400)의 외부의 일 부분을 규정할 수 있다. 광학 슈라우드는, 광학 슈라우드의 움직임이 (예를 들어, 조작자가 그것에 기댐으로 인해) 광학 벽(1422)에 부착된 레이저 광학계의 위치 또는 정렬에 바람직하지 않게 영향을 미치는 것을 방지하기 위해, 또는 작업물 위치결정 조립체(201)에 의해 고정된 작업물이 처리되는 정확도에 바람직하지 않게 영향을 미치는 것을 방지하기 위해, 광학 벽(1422)으로부터 이격되어 있다.

광학 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간은 또한, 입자상 물질(particulate matter)(예를 들어, 작업물의 레이저 처리 동안, 생성된 증기, 잔해 등)이 레이저 소스 및 레이저 광학계의 광학면 상에 축적되는 것을 방지하기 위해 양전기로(positively) 가압될 수 있다. 따라서, 다중 축 공작 기계(1400)는, (예를 들어, 작업물의 레이저 처리 동안, 생성된 증기, 잔해 등과 같은 입자상 물질이 레이저 소스(1402) 및 레이저 광학계의 광학면 상에 축적되는 것을 방지하기 위해), 광학 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간을 양전기로 가압하기 위한 펌프(도시되지 않았지만, 광학 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간 내에 배치되고 다중 축 공작 기계(1400) 외부의 환경과 유체 연통함)를 포함할 수 있다.

도시되지 않았지만, 다중 축 공작 기계(1400)는 각각 및 제8 및 제9 폴드 미러들(1406h 및 1406i)과 같은 레이저 광학계에 의해 점유된 공간을 둘러싸는 슈라우드 또는 하우징, 공구 팁 위치결정 조립체 및 작업물 위치 지정 조립체를 포함할 수 있다. 이 슈라우드("프로세스 슈라우드(process shroud)"로도 지칭됨)는 시스템 베이스(1414) 및 광학 슈라우드에 결합되고, 다중 축 공작 기계(1400)의 외부의 다른 부분을 규정할 수 있다. 프로세스 슈라우드는 (예를 들어, 작업자가 그것에 기댐으로 인해) 프로세스 슈라우드의 움직임이 광학 벽(1422)에 부착된 레이저 광학계의 위치 또는 정렬에 바람직하지 않게 영향을 미치는 것을 방지하기 위해, 또는 작업물 위치결정 조립체(201)에 의해 고정된 작업물이 처리되는 정확도에 바람직하지 않게 영향을 미치는 것을 방지하기 위해, 광학 벽(1422)으로부터 이격되어 있다. 일반적으로, 프로세스 슈라우드는, 작업물의 레이저 처리 동안, 생성된 입자상 물질이 프로세스 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간을 탈출하여 다중 축 공작 기계(1400) 외부의 환경으로 나가는 것을 방지(또는 적어도 실질적으로 방지)하도록 구성된다.

IX. 열 문제 관리에 관한 실시예들

도시되진 않았지만, 다중 축 공작 기계(1400)는, 레이저 소스(1402)가 그 동작 동안 바람직하지 않게 과열되는 것을 방지하도록 구성되는 냉각기(chiller) 또는 다른 디바이스를 포함할 수 있다. 동작 동안, 레이저 소스(1402), 펌프, 냉각기 등과 같은 구성요소들은 열을 발생시킬 수 있다. 일부 경우에, 발생된 열은, 광학 벽(1422), 지지 프레임(1416)(예를 들어, 지지부(1418) 및/또는 빔(1420)), 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102) 등와 같은 다중 축 공작 기계(1400)의 구성요소들을 통해 프로세스 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간으로 확산될 수 있다. 일부 경우에, 프로세스 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간으로 확산된 열이 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)의 열 팽창을 유도하기에 충분할 수 있다는 것이 발견되었다. 하지만, 일반적으로, 주변 온도(ambient temperature)가 7μ정도로 낮아지면 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)의 열 팽창이 유도될 수 있다.

전술한 바와 같이, 다중 축 공작 기계(1400)에서, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)는 X-축을 따라 지향된 선형 단으로 제공된다. 선형 단은, 전형적으로, 베드(예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 재료로 형성됨), 베드에 부착된 트랙 레일, 및 트랙 레일에 이동 가능하게 장착된 캐리지(carriage)를 포함한다. 전형적으로, 선형 단은 베드를 빔(1420)에 고정함으로써(예를 들어, 복수의 나사, 볼트, 핀 등 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여) 빔(1420)에 장착된다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 재료로 형성되는, 선형 단의 베드는 빔(1420)에 비하여 비교적 높은 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion)(CTE)를 가지고, 이는 전형적으로 화강암으로 형성된다. 예를 들어, 베드의 CTE는 약 12x10^-6/μ이고, 빔(1420)의 CTE는 약 3x10^-6/μ이다. 선형 단의 베드와 빔(1420) 사이의 CTE에서의 차이로 인해, 선형 단이 빔(1420)에 부착될 때, (예를 들어, 과도한 양의 열이 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)로 확산되는 경우) 베드는 구부러지거나, 뒤틀리거나 달리 바람직하지 않게 변형될 수 있다.

비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)의 바람직하지 않은 변형을 최소화하거나 다른 방식으로 방지하기 위해 수많은 기법들이 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 다중 축 공작 기계(1400)는, 환경의 주변 온도가 다중 축 공작 기계(1400)가 조립되었던 환경의 온도와 동일하거나(또는 실질적으로 동일한) 환경에서 동작될 수 있다. 다른 실시예에서, 다중 축 공작 기계(1400)는 (예를 들어, 프로세스 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간의 주변 온도는 광학 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간의 주변 온도와 적어도 실질적으로 동일하도록) 프로세스 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간을 가열하도록 구성되는 가열 유닛(heating unit)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 다중 축 공작 기계(1400)는 (예를 들어, 광학 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간의 주변 온도가 프로세스 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간의 주변 온도와 적어도 실질적으로 동일하도록) 광학 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간을 냉각하도록 구성되는 냉각 유닛(cooling unit)을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 광학 벽(1422)은, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)와 동일하거나 유사한 CTE를 갖는 재료(예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금)로 형성될 수 있고, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)(또는 그의 베드)와 유사한 관성 모멘트(moment of inertia)를 갖도록 (예를 들어, 두께, 높이, 길이 등에 관하여) 크기가 조정될 수 있다. 상술한 바와 같이 구성된, 광학 벽(1422)은 (예를 들어, 부분적으로, 광학 벽(1422)이 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)와 대향하는 빔(1420)의 측면에 결합된다는 사실로 인해) 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)에서 발생할 수 있는 임의의 열-유도 변형(thermally-induced deformation)에 효과적으로 대응할 수 있다.

다른 실시예에서, 광학 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간 내에서 가열된 가스의 일 부분을 프로세스 슈라우드에 의해 둘러싸인 공간으로 전달하는 덕트 시스템(duct system)을 갖는 다중 축 공작 기계(1400)를 제공함으로써, 비교적 낮은 대역폭 X-축 액추에이터(102)의 바람직하지 않은 구부러짐 또는 변형이 최소화되거나 다른 방식으로 방지될 수 있다.

X. 입자성 물질의 관리에 관한 실시예들

전술한 바와 같이, 입자상 물질(예를 들어, 증기, 잔해 등)(작업물의 레이저 처리 동안, 생성될 수 있음)이, 레이저 광의 빔과 같은 공구를 사용한 작업물의 처리 동안, 생성될 수 있다. 입자상 물질이 바람직하지 않게 표면에(예를 들어, 스캔 헤드(1410)와 같은 스캔 헤드의 표면에, 제8 또는 제9 폴드 미러들(1406h 또는 1406i)과 같은 미러들의 표면 등에) 축적되는 것을 방지하거나 그 분량이 다른 방식으로 최소화되도록 하기 위해, 또는 입자상 물질이 바람직하지 않게 (예를 들어, 다중 축 공작 기계(1400)의 프로세스 슈라우드를 통해) 다중 축 공작 기계로부터 탈출하는 것 등을 방지하기 위해, 공작 기계는 작업물 위치결정 조립체에 결합된 포집 노즐(capture-nozzle)을 포함할 수 있다. 포집 노즐은 진공 소스(vacuum source)과 유체 연통할 수 있고, 입자상 물질을 수용하도록 구성되는 유입구(inlet)를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 유입구는, 처리 동안, 공작 영역이 생성되는 작업물에 가깝게 위치된다. 따라서, 포집 노즐은 작업물이 최종적으로 고정되는 것과 동일한 단에 연결될 수 있다. 예를 들어, 작업물이 (예를 들어, 척 등의 고정부에 의해) C-축 액추에이터(116)에 결합되는 경우, 포집 노즐의 유입구가 처리 동안 작업물과 함께 움직일 수 있도록, 포집 노즐은 또한, C-축 액추에이터(116)에 결합될 수 있다.

포집 노즐 외에, 다중 축 공작 기계는, 예를 들어, 포집 노즐로부터 작업물의 반대 크기로 배치되고 (예를 들어, 처리 동안, 가스 흐름 분사 노즐이 포집 노즐과 작업물과 함께 이동할 수 있도록) 포집 노즐이 결합된 단과 동일한 단에 결합되는 가스 흐름 분사 노즐을 선택적으로 포함한다. 일반적으로, 가스 흐름 분사 노즐은 고압 가스의 소스에 결합되고, 처리 동안, 고압 가스를 공작 영역으로 지향시키도록 구성된다.

XI. 결론

전술한 내용은 본 발명의 실시예들 및 예시들을 도시하는 것일 뿐 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 도면을 참조로 몇몇 특정의 예시적인 실시예들 및 예시들을 설명하였지만, 이 기술 분야에서 통상의 기술자라면 본 발명의 신규한 교시 및 장점을 실질적으로 벗어나지 않으면서, 개시된 실시예들 및 예시들에 대한 여러 변형예들은 물론, 다른 실시예들도 가능하다는 것을 쉽사리 인식할 것이다. 따라서, 그러한 모든 변형예는 청구항들에 규정된 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다. 예를 들어, 숙련자라면 임의의 문장, 문단, 예시 또는 실시예의 주제가 다른 문장, 문단, 예시 또는 실시예의 일부 또는 전체의 주제와, 그러한 상호 배타적인 경우를 제외하고는, 조합될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그러므로 본 발명의 범주는 다음의 청구항들에 의해 결정되고, 청구항들의 균등물도 본 명세서에 포함되어야 한다.

Claims (7)

1. 작업물을 처리하기 위한 레이저-기반 다중 축 공작 기계(laser-based multi-axis machine tool)로서,
   레이저 광을 발생시키도록 구성되는 레이저 소스(laser source);
   지지 프레임(support frame);
   스캔 헤드(scan head);
   상기 지지 프레임과 상기 스캔 헤드 사이에 결합된 제1 액추에이터 - 상기 제1 액추에이터는 상기 지지 프레임에 대해 제1 방향을 따라 상기 스캔 헤드를 옮기도록(translate) 배치되고 구성됨 -;
   상기 제1 액추에이터와 상기 지지 프레임 사이에 결합된 제2 액추에이터 - 상기 제2 액추에이터는 상기 지지 프레임에 대해 제2 방향을 따라 상기 스캔 헤드 및 상기 제1 액추에이터를 옮기도록 배치되고 구성됨 -; 및
   상기 레이저 소스으로부터 전파 경로를 따라 상기 스캔 헤드로 상기 레이저 광을 안내하도록 배치되고 구성되는 복수의 미러
   를 포함하고, 상기 복수의 미러는:
   상기 지지 프레임에 결합된 제1 미러; 및
   제2 미러가 상기 제2 방향을 따라 상기 제1 미러에 대해 이동 가능하고, 상기 스캔 헤드가 상기 제1 방향을 따라 상기 제2 미러에 대해 이동 가능하도록, 상기 제2 액추에이터에 결합된 제2 미러를 포함하는, 레이저-기반 다중 축 공작 기계.
2. 작업물을 처리하기 위한 레이저-기반 공작 기계로서,
   레이저 광을 발생시키도록 구성되는 레이저 소스 - 상기 레이저 광은 전파 경로를 따라 전파될 수 있음 -;
   상기 전파 경로에 배치된 스캔 렌즈;
   상기 스캔 렌즈에 결합된 제1 액추에이터 - 상기 제1 액추에이터는 상기 스캔 렌즈를 제1 방향을 따라 이동(move)시키도록 배치되고 구성됨 -; 및
   상기 스캔 렌즈와 상기 레이저 소스 사이의 상기 전파 경로에 배치된 줌 렌즈(zoom lens)를 포함하는, 레이저-기반 공작 기계.
3. 제2항에 있어서,
   상기 줌 렌즈가 상기 제1 방향을 따라 이동 가능하도록, 상기 줌 렌즈는 상기 제1 액추에이터에 결합되는, 레이저-기반 공작 기계.
4. 제2항에 있어서,
   상기 줌 렌즈는:
   상기 전파 경로에 배치된 수렴 렌즈 요소(converging lens element); 및
   상기 전파 경로에 배치된 대물 렌즈 요소(objective lens element)
   를 포함하고, 상기 수렴 렌즈 요소는 상기 수렴 렌즈 요소에 대해 이동 가능한, 레이저-기반 공작 기계.
5. 제4항에 있어서,
   상기 대물 렌즈 요소는 발산 렌즈 요소(diverging lens element)를 포함하는, 레이저-기반 공작 기계.
6. 제4항에 있어서,
   상기 줌 렌즈는 상기 대물 렌즈 요소에 결합된 액추에이터를 더 포함하는, 레이저-기반 공작 기계.
7. 레이저 광으로 작업물을 처리하기 위한 다중 축 공작 기계로서,
   상기 레이저 광을 발생시키도록 구성되는 레이저 소스 - 상기 레이저 광은 전파 경로를 따라 전파 가능하여 상기 작업물을 스폿(spot)에서 조명함 -;
   상기 작업물을 이동시키도록 작동하는 작업물 위치결정 조립체(workpiece positioning assembly);
   상기 스폿을 이동시키도록 작동하는 공구 팁 위치결정 조립체(tool tip positioning assembly); 및
   상기 작업물 위치결정 조립체 및 상기 공구 팁 위치결정 조립체에 동작 가능하게 결합된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 작업물 위치결정 조립체 및 상기 공구 팁 위치결정 조립체로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 동작을 제어하여, 상기 작업물과 상기 스폿 사이의 상대적 움직임을 일정 속도로 야기하도록 동작하고,
   상기 상대적 움직임은 제1 축을 중심으로 한 동시 회전 운동(simultaneous rotational movement) 및 상기 제1 축과는 상이한 제2 축을 따른 선형 움직임(linear movement)을 포함하는, 다중 축 공작 기계.

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