TWI520807B

TWI520807B - 雷射加工裝置

Info

Publication number: TWI520807B
Application number: TW102109609A
Authority: TW
Inventors: 竹田浩之; 高橋悌史; 今城昭彥; 坂健太郎
Original assignee: 三菱電機股份有限公司
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2016-02-11
Also published as: TW201345641A; WO2013140993A1; CN104203484B; KR101653084B1; JP5847291B2; KR20140128444A; JPWO2013140993A1; CN104203484A

Description

雷射加工裝置

本發明係關於具備有雷射(laser)掃描裝置及使雷射掃描裝置與工件(work)的相對位置變化之二維驅動裝置之雷射加工裝置。

在具備有決定雷射光束(laser beam)的照射位置之雷射掃描裝置及決定前述雷射掃描裝置與工件的相對位置之二維驅動裝置之雷射加工裝置中，就雷射掃描裝置與二維驅動裝置相互干涉地進行驅動之協調驅動控制(以下稱為協調控制)而言，若以二維驅動裝置的計測位置為基準而驅動雷射掃描裝置，則由於工件與雷射掃描裝置的相對位置會有因雷射掃描裝置之加減速控制等所造成的延遲時間份及各種通訊的延遲時間份之變化，所以雷射照射位置會偏離加工指令位置。因此，必須預測二維驅動裝置的位置來驅動雷射掃描裝置，而有根據二維驅動裝置的前述預測位置，來驅動控制雷射掃描裝置而進行加工之雷射加工裝置曾經提出(參照例如專利文獻1)。

【先前技術文獻】 (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2002-1567號公報

然而，根據上述先前技術，二維驅動裝置的預測位置係從二維驅動裝置的現在位置及現在速度來求出，但在二維驅動裝置有加減速之情況，由於加減速時二維驅動裝置本身會產生變形，所以根據前述二維驅動裝置的預測位置來進行雷射加工時，會有在雷射照射位置與加工指令位置之間發生伴隨著二維驅動裝置的變形之位置偏差之問題。

本發明係鑑於上述問題而完成者，其目的在獲得可減低雷射照射位置與加工指令位置的偏差之雷射加工裝置。

為了解決上述課題，達成本發明之目的，本發明具備有：二維驅動部，係搭載工件(work)而在二維方向移動；雷射掃描部，係對於前述工件照射雷射光束且在二維方向掃描；延遲補償處理部，係根據前述二維驅動部的位置資訊，來求出前述二維驅動部之經過延遲時間後的預測位置；以及變形補償處理部，係根據前述二維驅動部的加速度資訊，來求出依前述二維驅動部之變形而定的修正量，且根據要給前述雷射掃描部的位置指令、前述預測位置、及前述修正量來驅動控制前述雷射掃描部。

根據本發明，就會達成可減低雷射照射位置與加工指令位置的偏差之效果。

1‧‧‧雷射光束

1a、1b‧‧‧雷射光束

2a‧‧‧電流計式掃描器(X軸方向用)

2b‧‧‧電流計式掃描器(Y軸方向用)

3‧‧‧工件

4‧‧‧XY滑台

5a‧‧‧電流計式編碼器(X軸)

5b‧‧‧電流計式編碼器(Y軸)

6a‧‧‧線性編碼器(X軸)

6b‧‧‧線性編碼器(Y軸)

8‧‧‧滑台X軸位置指令產生部

9‧‧‧滑台X軸控制部

10‧‧‧滑台Y軸位置指令產生部

11‧‧‧滑台Y軸控制部

14‧‧‧掃描器X軸位置指令產生部

15‧‧‧掃描器Y軸位置指令產生部

16‧‧‧X軸延遲補償處理部

17‧‧‧X軸變形補償處理部

18‧‧‧加法器

19‧‧‧減法器

20‧‧‧X軸旋轉角指令產生部

21‧‧‧X軸旋轉角控制部

22‧‧‧Y軸延遲補償處理部

23‧‧‧Y軸變形補償處理部

24‧‧‧加法器

25‧‧‧減法器

26‧‧‧Y軸旋轉角指令產生部

27‧‧‧Y軸旋轉角控制部

30‧‧‧減法器

32‧‧‧修正係數

33‧‧‧低通濾波器

34‧‧‧二次微分演算部

35‧‧‧常數因子(K_a)

29、36、50‧‧‧延遲因子(Z^-k)

42‧‧‧預見資訊

43‧‧‧位置/速度/加速度推估部

44‧‧‧預測部

51‧‧‧延遲因子(Z^-(k+1))

52、53‧‧‧減法器

54‧‧‧常數因子(K₁)

55‧‧‧常數因子(1-K₁)

56‧‧‧加法器

57‧‧‧加法器

60‧‧‧加工計畫處理部

61‧‧‧振盪器控制裝置

62‧‧‧雷射振盪器

63、63a、63b‧‧‧f θ透鏡

64a‧‧‧反射鏡(X軸)

64b‧‧‧反射鏡(Y軸)

65a、65b‧‧‧角度-位置變換部

66a、66b‧‧‧加速度感測器

70a、70b‧‧‧伺服馬達

71a、71b‧‧‧滾珠螺桿

72a、72b‧‧‧可動部

73‧‧‧頂滑台

73R‧‧‧頂滑台右

73L‧‧‧頂滑台左

74a、74b‧‧‧編碼器

75‧‧‧基座

76a、76b‧‧‧Y方向直線運動導件

76c、76d‧‧‧X方向直線運動導件

77‧‧‧滑鞍

78a、78b‧‧‧導軌

79a1、79a2、79b1、79b2‧‧‧導塊

80a、80b‧‧‧雷射掃描裝置

90、91、92‧‧‧加法器

100‧‧‧X軸位置偏差補償處理部

101‧‧‧Y軸位置偏差補償處理部

102‧‧‧控制裝置

103‧‧‧電流計式掃描器控制處理部

104‧‧‧XY滑台控制處理部

110‧‧‧X軸縱搖補償處理部

111‧‧‧Y軸縱搖補償處理部

112‧‧‧X軸剪力變形補償處理部

113‧‧‧Y軸剪力變形補償處理部

114‧‧‧Y軸平擺補償處理部

200、201、202、203、204、205‧‧‧雷射加工裝置

第1圖係顯示與本發明的實施形態1有關之雷射加工裝置的構成之方塊(block)圖。

第2圖係與本發明的實施形態1有關之XY滑台(table)的正面圖。

第3圖係與本發明的實施形態1有關之XY滑台的側面圖。

第4圖係顯示與本發明的實施形態1有關之變形補償處理部的構成之方塊圖。

第5圖係顯示與本發明的實施形態2有關之雷射加工裝置的構成之方塊圖。

第6圖係與本發明的實施形態3有關之延遲補償處理部的構成之方塊圖。

第7圖係與本發明的實施形態4有關之延遲補償處理部的構成之方塊圖。

第8圖係與本發明的實施形態5有關之變形補償處理部的構成之方塊圖。

第9圖係顯示與本發明的實施形態6有關之雷射加工裝置的構成之方塊圖。

第10圖係與本發明的實施形態7有關之頂滑台的位置變更後的XY滑台之正面圖。

第11圖係顯示與本發明的實施形態8有關之雷射加工裝置的構成之方塊圖。

第12圖係與本發明的實施形態9有關之XY滑台的正面圖。

第13圖係與本發明的實施形態9有關之XY滑台的側面圖。

第14圖係顯示與本發明的實施形態9有關之XY滑台的Y方向直線運動導件的構成之平面圖。

第15圖係標示有作用於與本發明的實施形態9有關之各部的力之XY滑台的側面圖。

第16圖係顯示與本發明的實施形態9有關之XY滑台縱搖(pitching)時的樣子之側面圖。

第17圖係顯示與本發明的實施形態9有關之XY滑台剪力變形時的樣子之側面圖。

第18圖係顯示與本發明的實施形態9有關之雷射加工裝置的構成之方塊圖。

第19圖係與本發明的實施形態10有關之XY滑台的正面圖。

第20圖係顯示與本發明的實施形態10有關之XY滑台的Y方向直線運動導件的構成之平面圖。

第21圖係顯示與本發明的實施形態10有關之XY滑台平擺(yawing)時的樣子之平面圖。

第22圖係顯示與本發明的實施形態10有關之雷射加工裝置的構成之方塊圖。

第23圖係與本發明的實施形態11有關之XY滑台的正面圖。

第24圖係顯示與本發明的實施形態12有關之具有複數個加工頭(head)之雷射加工裝置的構成之圖。

以下，根據圖式來詳細說明本發明之雷射加工裝置的實施形態。不過，本發明並不受此實施形態所限定。

實施形態1

第1圖係顯示與本發明的實施形態1有關之雷射加工裝置200的構成之方塊圖。此雷射加工裝置200具備有電流計式掃描器(Galvano scanner)2a(X軸方向用)、2b(Y軸方向用)、以及XY滑台(XY table)4(二維驅動部)，其中該電流計式掃描器2a、2b係用來使雷射光束1做二維的掃描之雷射掃描裝置，該XY滑台4係用來使工件(work)3的位置變化之二維驅動裝置。一般而言，由於利用電流計式掃描器2a、2b所可加工的範圍會比所要加工的整個範圍小，所以必須利用XY滑台4使工件3移動，來依序改變加工範圍而進行加工。因此形成為如上所述之構成。電流計式掃描器2a、2b的前端，安裝有用來使雷射光束1掃描之反射鏡(mirror)(X軸)64a、反射鏡(Y軸)64b。另外，電流計式掃描器2a、2b上安裝有用來計測旋轉角度之電流計式編碼器(Galvano encoder)5a、5b。X軸方向的照射位置係依雷射光束1在反射鏡64a上反射的角度而定，Y軸方向的照射位置係依雷射光束1在反射鏡64b上反射的角度而定。在由高速進行定位之反射鏡64a、64b所反射之雷射光束1係由f θ透鏡(f θ lens)63加以聚光使之照射在工件3上。工件3係搭載(固定)在XY滑台4上，並藉由XY滑台4而可進行工件3之位置的移動。XY滑台4上安裝有線性編碼器(linear encoder)(X軸)6a、線性編碼器(Y軸)6b，以分別取得XY滑台的X方向、Y方向的位置資訊。此外，輸出雷射光束1之雷射振盪器62係由振盪器控制裝置61加以控制。

電流計式掃描器2a、2b及XY滑台4的控制裝置102係具備有：加工計畫處理部60、電流計式掃描器控制處理部103、XY滑台控制處理部104、X軸位置偏差補償處理部100及Y軸位置偏差補償處理部101。電流計式掃描器控制處理部103具備有掃描器X軸位置指令產生部14、掃描器Y軸位置指令產生部15、X軸旋轉角指令產生部20、Y軸旋轉角指令產生部26、X軸旋轉角控制部21、及Y軸旋轉角控制部27。XY滑台控制處理部104具備有滑台X軸位置指令產生部8、滑台Y軸位置指令產生部10、滑台X軸控制部9、及滑台Y軸控制部11。X軸位置偏差補償處理部100具備有X軸延遲補償處理部16及X軸變形補償處理部17。Y軸位置偏差補償處理部101具備有Y軸延遲補償處理部22及Y軸變形補償處理部23。

以下說明XY滑台4的詳細構成。在第2圖所示之XY滑台4的正面圖中，藉由伺服馬達(servo motor)70a使滾珠螺桿71a旋轉，來驅動與頂滑台(top table)73結合之可動部72a，而使頂滑台73可在X方向移動。另外，在第3圖所示之XY滑台4的側面圖中，伺服馬達70b使滾珠螺桿71b旋轉，來驅動可動部72b，使滑鞍(saddle)77以上的部分可在Y方向移動。使XY滑台4在X方向、Y方向獨立地運動，就可使頂滑台73的位置移動至可動區域內的任意的位置。其中，伺服馬達70a、70b分別安裝有編碼器(encoder)74a、74b。由於線性編碼器6a、6b分別安裝在可動部72a、72b之位置，所以並不是直接計測頂滑台73的位置。因此，若XY滑台4發生變形，線性編碼器6a、6b與頂滑台73的相對位置就會變化，而成為加工時發生偏差的原因。

接著針對第1圖之雷射加工裝置的控制進行說明。加工計畫處理部60係在雷射加工之際為了縮短加工時間而產生XY滑台4的最佳的路徑(path)。加工計畫處理部60輸出的訊號係傳送至電流計式掃描器控制處理部103及XY滑台控制處理部104。

在XY滑台控制處理部104中，滑台X軸位置指令產生部8及滑台Y軸位置指令產生部10根據加工計畫處理部60的訊號而產生XY滑台4的X軸方向、Y軸方向的位置指令。滑台X軸位置指令產生部8輸出的訊號係傳送至滑台X軸控制部9。滑台X軸控制部9根據來自滑台X軸位置指令產生部8之訊號及來自線性編碼器6a 之位置資訊來計算出滑台X軸之控制訊號，以進行滑台X軸之驅動。同樣地，在滑台Y軸方面，滑台Y軸位置指令產生部10輸出的訊號係傳送至滑台Y軸控制部11。滑台Y軸控制部11根據來自滑台Y軸位置指令產生部10之訊號及來自線性編碼器6b之位置資訊來計算出滑台Y軸之控制訊號，以進行滑台Y軸之驅動。

從加工計畫處理部60傳送至電流計式掃描器控制部103之訊號，係傳送至掃描器X軸位置指令產生部14及掃描器Y軸位置指令產生部15。由掃描器X軸位置指令產生部14根據加工計畫處理部60的訊號而產生電流計式掃描器X軸的位置指令訊號。減法器19求出掃描器X軸位置指令產生部14輸出的訊號與X軸位置偏差補償處理部100所求出之表示補償處理後的滑台X軸位置之訊號之差，並使之輸入至X軸旋轉角指令產生部20。由X軸旋轉角指令產生部20產生與電流計式掃描器2a(X軸)有關之指令值，並使之輸入至X軸旋轉角控制部21。X軸旋轉角控制部21根據來自X軸旋轉角指令產生部20之訊號及來自電流計式編碼器5a之回授(feedback)訊號來計算出控制訊號，以控制電流計式掃描器2a。同樣地，由掃描器Y軸位置指令產生部15根據加工計畫處理部60的訊號而產生電流計式掃描器Y軸的位置指令訊號。由減法器25求出掃描器Y軸位置指令產生部15輸出的訊號與Y軸位置偏差補償處理部101所求出之表示補償處理後的滑台Y軸位置之訊號之差，並使之輸入至Y軸旋轉角指令產生部 26。由Y軸旋轉角指令產生部26產生與電流計式掃描器2b(Y軸)有關之指令值，並使之輸入至Y軸旋轉角控制部27。Y軸旋轉角控制部27根據來自Y軸旋轉角指令產生部26之訊號及來自電流計式編碼器5b之回授訊號來計算出控制訊號，以控制電流計式掃描器2b。

在電流計式掃描器之驅動控制中會產生延遲。在驅動電流計式掃描器到達目標為止必須要加減速，依加減速的情形而定，到達目標之時間會變化。加減速所需的時間稱為加減速控制之延遲。此外，硬體(hardware)間的通訊也會產生依取樣(sampling)週期而定之延遲。將此延遲稱為各種通訊延遲。X軸位置偏差補償處理部100根據來自線性編碼器6a之滑台X軸位置訊號，而在X軸延遲補償處理部16計算出經過電流計式掃描器2a的加減速控制之延遲及各種通訊延遲等延遲時間後的X軸方向的滑台預測位置。再者，在X軸變形補償處理部17計算出已將XY滑台4的X軸方向的變形考慮進去之滑台位置的修正量。X軸延遲補償處理部16及X軸變形補償處理部17之訊號經加法器18予以相加後，成為補償處理後的滑台X軸位置而輸出。同樣地，Y軸位置偏差補償處理部101根據來自線性編碼器6b之滑台Y軸位置訊號，將Y軸延遲補償處理部22及Y軸變形補償處理部23輸出之訊號經加法器24予以相加後，成為補償處理後的滑台Y軸位置而輸出。

控制雷射振盪器62之振盪器控制裝置61 接收來自電流計式編碼器5a、5b之訊號，振盪器控制裝置61根據此等訊號來控制控制雷射振盪器62，使雷射振盪器62輸出雷射光束1。

接著，說明X軸位置偏差補償處理部100及Y軸位置偏差補償處理部101兩者的構成元素，亦即X軸延遲補償處理部16及Y軸延遲補償處理部22、以及X軸變形補償處理部17及Y軸變形補償處理部23的詳細構成。另外，假設該控制系統係為離散系統(system)。

首先，說明X軸延遲補償處理部16及Y軸延遲補償處理部22的機能。將從XY滑台4的線性編碼器6a、6b得到之現在位置資訊記為P(n)，將現在速度記為V(n)。其中n表示取樣編號。若電流計式掃描器2a及2b的加減速控制等延遲時間為△T，則延遲時間△T後之滑台預測位置P’係如以下之式(1)般計算出。另外，式(1)係不管在X軸方向或是Y軸方向都成立。

P’=P(n)+V(n)△T…(1)因此，在X軸延遲補償處理部16及Y軸延遲補償處理部22中係以式(1)之方法來求出經過延遲時間後之滑台預測位置。由於此延遲補償處理係從XY滑台4的現在位置及現在速度來預測XY滑台4之經過延遲時間後的位置，所以在XY滑台4進行加速度運動之情況，預測位置與雷射照射位置之間會產生與加速度及延遲時間成比例之誤差E₁。若加速度為a，則誤差E₁可表示成如以下的式子。

E₁=a△T²/2…(2)

第4圖係顯示X軸變形補償處理部17及Y軸變形補償處理部23的方塊圖。X軸變形補償處理部17及Y軸變形補償處理部23分別使用XY滑台4的加速度來進行計算。安裝於XY滑台4之線性編碼器6a、6b的訊號中，通常包含有雜訊(noise)，從此等位置資訊直接進行二次微分來求出加速度資訊會有困難。因此，在施加使XY滑台4的X軸方向及Y軸方向的位置資訊平滑化之低通濾波器(low-pass filter)33後，才在二次微分演算部34進行二次微分操作來分別求出X軸方向及Y軸方向的加速度資訊。將求出的X軸方向及Y軸方向的加速度資訊分別乘以用來修正XY滑台4的變形之常數因子35(K_a)。在加速度造成變形之同時也產生延遲時間時，則藉由再乘以延遲因子36(Z^-k)來求出X軸變形補償處理部17及Y軸變形補償處理部23的各自的輸出。此輸出為已經將XY滑台4的變形考慮進去之修正量。此處，因為常數因子35係為藉由與加速度資訊相乘來進行位置的修正之常數，因此可將之想成是如同彈簧常數之常數。又，Z係表示Z轉換之記號，Z^-1係指延遲一個取樣週期之意。包含了延遲時間補償處理及變形補償處理之預測位置P’在將加速度記為A(n)時可表示成如式(3)所示。式(3)係不管在X軸方向或是Y軸方向都成立。

P’=P(n)+V(n)△T+K_aA(n)Z^-k…(3)因此，X軸變形補償處理部17及Y軸變形補償處理部23所做修正的修正量就是式(3)的右邊第三項所表示者。

藉由構成為如上述之控制系統，就可由X軸延遲補償處理部16及Y軸延遲補償處理部22計算出經過延遲時間後之XY滑台4的預測位置，以及利用X軸變形補償處理部17及Y軸變形補償處理部23來求出XY滑台4的加減速時的變形修正量。因此，將X軸延遲補償處理部16與X軸變形補償處理部17的訊號相加所得到者即為XY滑台4的補償處理後的X軸位置，將Y軸延遲補償處理部22與Y軸變形補償處理部23的訊號相加所得到者即為XY滑台4的補償處理後的Y軸位置。從掃描器X軸位置指令產生部14及掃描器Y軸位置指令產生部15所分別輸出的位置指令輸出及XY滑台4的修正處理後的X軸位置及Y軸位置來產生電流計式掃描器2a、2b的旋轉角指令，以控制電流計式掃描器2a、2b，就可減低雷射照射位置與加工指令位置之間之位置偏差。

又，X軸變形補償處理部17及Y軸變形補償處理部23係使用XY滑台4的加速度而進行處理之補償處理部，所以不僅可修正XY滑台4的機械性的變形，而且也具有減低X軸延遲補償處理部16及Y軸延遲補償處理部22的誤差之效果。此係因為進行的是線性的位置預測之X軸延遲補償處理部16及Y軸延遲補償處理部22所會產生的誤差係如式(2)所示與XY滑台加速度成比例之緣故。

在具備有雷射掃描裝置及二維驅動部之雷射加工裝置中，利用二維驅動裝置使雷射掃描裝置與工件的相對位置變化而使雷射光掃描來進行加工之雷射掃描裝置與二維驅動裝置的協調控制，若以二維驅動裝置的計測位置資訊為基準來驅動雷射掃描裝置就會因為雷射掃描裝置的加減速控制等所花費的時間而發生延遲，使得雷射照射位置偏離加工目標位置，所以必須預測經過延遲時間後之二維驅動裝置的位置。再者，在二維驅動裝置進行加減速之情況，二維驅動裝置本身會由於慣性力而變形，所以即使對準已將雷射掃描裝置之延遲考慮進去之預測位置而照射雷射，雷射照射位置與加工指令位置之間也會有偏差。

相對於此，在本實施形態之雷射加工裝置200中，係如上述預測在加減速時發生之二維驅動部(XY滑台4)的變形，然後驅動控制雷射掃描部來進行工件3之加工，因此可減低由於二維驅動部的變形所造成之位置偏差。而且，具有計算雷射掃描裝置的二維驅動部及經過延遲時間後之二維驅動裝置的預測位置之系統，因此可得到減低雷射照射位置與加工指令位置的偏差之效果。再者，因為X軸延遲補償處理部16及Y軸延遲補償處理部22係執行線性的位置預測，所以在二維驅動部進行加速度運動之情況，雖會在預測位置與實際位置之間產生與加速度及延遲時間(提前讀取時間)△T成比例之誤差，但由於組合了使用加速度資訊之變形補償處理部，因此可減低該誤差。

實施形態2

再者，在要取得XY滑台4的位置資訊之情況，可利用安裝在如第2及3圖所示之滑台驅動用的伺服馬達70a、70b之編碼器74a、74b，來從旋轉角算出滑台位置。在第2及3圖中，係伺服馬達70a、70b旋轉而使滾珠螺桿71a、71b旋轉來驅動可動部72a、72b之架構。因此，可利用編碼器74a、74b計測伺服馬達70a、70b的旋轉量，然後從滾珠螺桿71a、71b的導程(lead)來算出移動量。顯示具備有利用到編碼器74a、74b的控制系統之雷射加工裝置201的構成之方塊圖係顯示於第5圖中。為了取得XY滑台4的位置資訊，在本實施形態2中，使用編碼器74a、74b來取代實施形態1之線性編碼器6a、6b。第5圖中之新追加的角度-位置變換部65a及65b，分別為將編碼器74a、74b之X軸及Y軸方向的檢測角度變換為XY滑台4的X軸方向及Y軸方向的位置，以及將XY滑台4的X軸方向及Y軸方向的指令位置分別變換為要給予伺服馬達70a、70b的指令角度者。

使用編碼器74a、74b的訊號之XY滑台4的控制系統係為半封閉迴路控制(semi-closed loop control)，直接採用的話會有將在驅動系統產生的誤差包含進來之問題。不過，藉由如上述之X軸位置偏差補償處理部100及Y軸位置偏差補償處理部101以變更X軸變形補償處理部17及Y軸變形補償處理部23內的參數(parameter)之方式就可減低在半封閉迴路控制中產生之驅動系統的誤差。

在如上所述之本發明的實施形態2中，對於不利用線性編碼器6a、6b來直接計測二維驅動部(XY滑台4)的位置，而從伺服馬達70a、70b的旋轉角來間接地檢測出二維驅動部的位置時產生之由於驅動系統而產生的位置誤差，係可藉由X軸位置偏差補償處理部100及Y軸位置偏差補償處理部101來加以補償。

實施形態3

此外，實施形態1中之X軸延遲補償處理部16及Y軸延遲補償處理部22，雖從XY滑台4的現在位置及現在速度來求出經過延遲時間後之XY滑台4的預測位置，但亦可只利用XY滑台4的位置資訊來求出預測位置。從XY滑台4的現在位置資訊及延遲k個取樣週期之位置資訊來求出經過延遲時間後之XY滑台4的預測位置之X軸延遲補償處理部16或者Y軸延遲補償處理部22的構成的方塊圖係顯示於第6圖中。將線性編碼器6a及6b所計測出的XY滑台4的位置資訊及與延遲因子29相乘而求出的延遲k個取樣週期之位置資訊輸入至減法器30，來求出兩者的差。將從減法器30輸出的訊號與修正係數C相乘，然後在加法器31與現在的XY滑台4的位置資訊相加來求出X軸延遲補償處理部16及Y軸延遲補償處理部22的輸出。若將XY滑台4的現在位置表示成P(n)，將延遲k個取樣週期之位置表示成P(n-k)，則可藉由以下之式(4)來表示將電流計式掃描器2a及2b的加減速控制等的延遲時間考慮進去之預測位置P’。另外，式(4)係不管在X軸方向或是Y 軸方向都成立。

P’=P(n)+C(P(n)-P(n-k))…(4)

在如此之本實施形態3中由於只使用XY滑台4的位置資訊，因此不用如實施形態1般使用速度資訊就可預測位置。因此，可在因為位置資訊之雜訊等而難以求得速度資訊之情況使用此方法來預測XY滑台4的位置。由於此方法與實施形態1一樣為線性的位置預測所以在XY滑台4進行加速度運動之情況，也會在預測位置與雷射照射位置之間產生誤差E₂。若將加速度記為a，則誤差E₂可表示成如下的式子。

E₂=a△T²…(5)由於此方法係使用延遲k個取樣週期之位置資訊來求出預測位置，所以誤差E₂會為使用速度資訊而求出的誤差E₁之倍數。不過，由於此誤差係與加速度及延遲時間△T成比例，所以在X軸變形補償處理部17及Y軸變形補償處理部23進行使用加速度之補償就可減低誤差。

實施形態4

此外，實施形態3雖藉由X軸延遲補償處理部16及Y軸延遲補償處理部22以第6圖之方式使用XY滑台4的現在位置資訊及延遲k個取樣週期之位置資訊來計算XY滑台4的預測位置，但亦可使用XY滑台4的現在位置資訊及兩個以上的過去的位置資訊來計算XY滑台4的預測位置。第7圖顯示使用XY滑台4的現在位置、延遲k個取樣週期的位置、及延遲k+1個取樣週期的位置之X軸延遲補償處理部16及Y軸延遲補償處理部22的方塊圖。在減法器52求出XY滑台4的位置資訊與從延遲因子50(Z^-k)輸出的延遲k個取樣週期的位置資訊之差。然後將減法器52的輸出乘以常數因子54(K₁)。另外在減法器53求出XY滑台4的位置資訊與從延遲因子51(Z^-(k+1))輸出的k+1個取樣週期前的位置資訊之差。然後將減法器53的輸出乘以常數因子55(1-K₁)。在加法器56中將現在的位置資訊、乘以常數因子54(K₁)後之結果的輸出、及乘以常數因子55(1-K₁)後之結果的輸出予以相加並予以輸出至加法器57。在加法器57，將XY滑台4的現在位置資訊與加法器56的輸出予以相加而產生X軸延遲補償處理部16或Y軸延遲補償處理部22的輸出。

因此，可藉由以下之式(6)表示將電流計式掃描器2a及2b的加減速控制等的延遲時間考慮進去之XY滑台4的預測位置P’的計算。另外，式(6)係不管在X軸方向或是Y軸方向都成立。

P’=P(n)+K₁(P(n)-P(n-k))+(1-K₁)(P(n)-P(n-(k+1)))…(6)其中，K₁係從0到1之實數，係由修正中使用的k個取樣週期前的位置資訊與k+1個取樣週期前的位置資訊的比所決定之參數。以如此之方法來預測位置，因此可做到由於控制系統的取樣粗糙而無法完整修正之取樣週期以下之延遲時間份的位置預測。

實施形態5

此外，在藉由X軸變形補償處理部17及Y軸變形補償處理部23求出加速度之情況，亦可使用其中用到了卡爾曼濾波器(Kalman filter)之類的推估之方法。如第8圖所示之卡爾曼濾波器，係具有位置/速度/加速度推估部43及預測部44之系統。於預測部44係預先賦予有作為預見資訊42之XY滑台4的狀態方程式等。利用此方程式來預測位置、速度、加速度。於位置/速度/加速度推估部43係輸入有由預測部44預測出的位置資訊及實際計測的XY滑台的位置資訊，並依據預測出的位置及計測的位置來推估位置、速度、加速度。將得到的加速度資訊乘以常數因子35(K_a)及延遲因子36(Z^-k)來求出修正量之部分係與實施形態1相同。

在本實施形態5中，只要給定例如XY滑台4的滑台位置資訊及XY滑台4的狀態方程式來作為預見資訊42，就可利用依據卡爾曼濾波器而來之位置/速度/加速度推估部43及預測部44來算出加速度。在XY滑台4的位置資訊中含有雜訊之情況等，若將位置資訊予以二次微分則資料(data)會振動而有難以求出加速度資訊之情形。不過，藉由採用此方法，而給定XY滑台4的舉動來作為預見資訊42，則只要該預見資訊42正確就可藉由依據觀測資訊(XY滑台4的位置資訊)及預見資訊42來推估出加速度，而具有可抑制以二次微分來求出加速度時產生的資料的振動之效果。另外，在採用微分之方法中，先利用移動平均濾波器等來使位置資訊平滑化後才進行微分的話就會有造成延遲之問題，相對於此，上述方法係因為使用預見資訊42而可期待其減低延遲之效果。

實施形態6

此外，為了獲得XY滑台4的加速度資訊，亦可並非從位置資訊來算出，而是以第9圖之方式般在XY滑台4上黏貼加速度感測器(sensor)66a、66b來直接計測加速度資訊。在本實施形態6中，在XY滑台4本體上黏貼加速度感測器66a、66b，藉由直接計測加速度而可無延遲地取得加速度資訊，而具有可抑制在第4圖或第8圖的構成之情況發生之在推估部分及低通濾波器產生的延遲之效果。第9圖顯示具備有採用加速度感測器66a、66b的情況的控制系統之雷射加工裝置202的構成之方塊圖。與實施形態1(第4圖)及實施形態5(第8圖)不同，由於無需從位置資訊算出加速度，所以X軸變形補償處理部17及Y軸變形補償處理部23可只具備常數因子35(K_a)及延遲因子36(Z^-k)。

實施形態7

此外，X軸變形補償處理部17及Y軸變形補償處理部23可使常數因子(K_a)35(補償參數)可依XY滑台4的位置資訊而變化。例如，在顯示頂滑台73在X軸的一(負，minus)方向移動時之XY滑台4的正面圖之第10圖中，X軸可動部72a的位置可變化到偏離中心之位置。在此狀態下，若滑台在Y方向加減速，則可設想得到會發生在第2圖的狀態中不會發生之XY滑台4的平擺(yawing)等，而必須使常數因子(K_a)35變化來補償XY滑台4之變形。設定依頂滑台73的位置X、Y而決定常數因子(K_a)35之參數表(parameter table)，則不管頂滑台73在什麼位置，都可藉由適切地補償XY滑台4之變形而得到更加減低雷射加工位置與目標位置的誤差之效果。亦即，由於二維驅動部(XY滑台4)的位置之不同，而加減速時之二維驅動部的機械變形量也不同，所以設定依二維驅動部的位置而決定變形補償處理部的補償參數(K_a)之參數表，就可配合條件而減低變形所造成之位置偏差。

實施形態8

亦可不使用來自感測器的位置資訊，而使用XY滑台4的指令資訊來求出XY滑台4的加速度資訊。舉一個方法來說，藉由依據XY滑台4的位置指令來求出加速度指令，並考慮驅動系統的延遲，而可求出XY滑台4的加速度。第11圖顯示依據位置指令來求出XY滑台4的加速度之雷射加工裝置203的構成之方塊圖。由於從滑台X軸位置指令產生部8輸出的訊號係X方向的位置指令，所以使該訊號輸出至X軸變形補償處理部17。X軸變形補償處理部17將位置資訊予以二次微分來產生加速度指令，再乘以常數及延遲因子而算出作為X軸變形補償處理部17的輸出之修正量。不僅是X軸，Y軸亦以同樣之方式，將滑台Y軸位置指令產生部10的輸出予以輸入至Y軸變形補償處理部23來求出修正量。

實施形態9

考慮具有如正面圖(第12圖)、側面圖(第13圖)所示的構造之XY滑台4。在基座(base)75上設置與Y軸平行之直線運動導件76a、76b，使滑鞍77可沿著直線運動導件76a、76b而在Y方向移動。第14圖顯示從上觀看直線運動導件76a、76b的構造之平面圖。直線運動導件76a係由導軌(guide rail)78a及兩個導塊79a1、79a2所構成。直線運動導件76b係由導軌78b及兩個導塊79b1、79b2所構成。導塊79a1、79a2、79b1、79b2係固定至滑鞍77，且沿著導軌78a、78b而移動。因此，由四個導塊支撐滑鞍77以上部分的重量。滑鞍77上設置有與X軸平行之直線運動導件76c、76d，使頂滑台73可沿著直線運動導件76a、76b而在X方向移動。關於XY滑台4的驅動機構，係利用伺服馬達70a使滾珠螺桿71a旋轉而驅動可動部72a，藉此而使頂滑台73可在X方向移動。再者，利用伺服馬達70b使滾珠螺桿71b旋轉而驅動可動部72b，藉此而使頂滑台73可在Y方向移動。伺服馬達70a、70b上分別安裝有編碼器74a、74b。計測XY滑台4的位置之線性編碼器6a、6b分別安裝在可動部72a、72b之位置。因此，並非利用線性編碼器6a、6b來直接計測頂滑台73的位置。

考慮XY滑台在Y方向加減速之情況。此時，若滑鞍77以上部分的質量為M₁，加速度為a，則慣性力F_y1可用以下的式子加以表示。

F_y1=-M₁a…(7)靜止時，滑鞍77以上部分的重量均等地施加在導塊79a1、79a2、79b1、79b2上，各導塊分別在鉛直方向承受M₁g/4 的重量。其中，g為重力加速度。相對的，加減速時由於有慣性力作用所以為了保持力矩(moment)平衡，施加於各導塊之鉛直方向的力的平衡會變化。第15圖係顯示在XY滑台4之側面圖中於加速時作用的力，並考慮力矩的平衡。若每一個導塊的荷重為R，慣性力為M₁a，導塊間距離為L，以直線運動導件76a、76b為基準之滑鞍77以上的部分的重心高度為H₁。則根據力矩之平衡可將導塊因為慣性力而承受的荷重R表示成下式。

R=M₁aH₁/2L…(8)加上靜止時承受的重量，則施加於導塊79a1、79b1之荷重F₁，施加於導塊79a2、79b2之荷重F₂係如下式。

F₁=Mg/4+M₁aH₁/2L…(9)

F₂=Mg/4-M₁aH₁/2L…(10)加減速時係為成如式(9)、(10)所示之荷重會依導塊的位置而不同之狀態，導軌78a、78b會發生依荷重而定之變形。若在導塊79a1、79b1的位置之導軌的鉛直方向變形量為δ_ab1，在導塊79a2、79b2的位置之導軌的鉛直方向變形量為δ_ab2，則加減速時由於δ_ab1與δ_ab2不同所以XY滑台4之滑鞍77以上的部分會如第16圖所示般傾斜θ角。將此變形(轉動)稱為縱搖(pitching物體上下方向搖擺的動作)。其中，傾斜角θ可用以下的式子加以表示。

tan θ=(δ_ab1-δ_ab2)/L…(11)若從線性編碼器6b到頂滑台73之高度為H，則由於縱搖所造成之頂滑台在Y方向的位置偏移△Y₁可用下式加以表示。

△Y₁=H tan θ…(12)其中，頂滑台之因縱搖而發生的位置偏移△Y₁係為縱搖角θ及高度H之函數。高度H為常數，縱搖角θ係為如式(11)所示之導軌的變形量的函數。導軌的變形量係由導軌的剛性及施加於導塊的荷重所決定。導塊的荷重係如式(9)、(10)所示由慣性力及自重所決定，結果，頂滑台之因縱搖而發生的位置偏移△Y₁會為加速度a之函數。因此，與縱搖對應之修正量可決定為是加速度a的函數。此處雖擧在Y方向加速的情況為例進行說明，但在X方向也會發生同樣的現象，在X方向加減速的情況，頂滑台以上的部分會因為縱搖而轉動。因此，在X方向也一樣會發生與X方向的加速度成比例之位置偏移。

在XY滑台4進行加減速的情況，不僅會發生縱搖，也會因為慣性力而發生滑鞍77或頂滑台73等XY滑台4的構造構件本身之變形。將此變形成為剪力變形。XY滑台4在Y方向加減速時的剪力變形的樣子係顯示於第17圖中。由於在加減速之情況會有如式(7)所示之慣性力作用，所以會在慣性力作用的方向發生變形。此變形因為是彈性變形所以與慣性力成比例，若慣性力未作用，變形量即為0。由於剪力變形係因慣性力而發生，所以由於剪力變形而發生之Y方向的位置偏移△Y₂會為加速度之函數。

△Y₂=Ga…(13) 其中G係相當於機械剛性之比例常數。另外，在X方向也因為與Y方向同樣的原理而會出現剪力變形，所以在X方向也會發生與加速度成比例之位置偏移。

第18圖顯示在XY滑台4的加減速時發生縱搖及剪力變形的情況之雷射加工裝置204的控制系統的構成。此時，變形補償處理部係由縱搖補償處理部及剪力變形補償處理部所構成。因為在X方向、Y方向分別進行針對變形之補償，所以具備有X軸縱搖補償處理部110、Y軸縱搖補償處理部111、X軸剪力變形補償處理部112、以及Y軸剪力變形補償處理部113。於各變形補償處理部係輸入有XY滑台的位置資訊，且計算出加速度，並乘上常數、延遲因子等來決定出修正量。在第18圖中雖然是假想為縱搖與剪力變形同時發生的情況，但即便在只有縱搖變形之情況或是只有剪力變形之情況變形補償處理也都有效。

實施形態10

關於具有與實施形態9一樣的構造之XY滑台4，考慮如第19圖所示之頂滑台73的位置並不在加工機的中央而是在偏離中央的位置，且XY滑台4在Y方向以加速度a加速之情況。與實施形態9一樣，在此情況也會發生縱搖及剪力變形。除此之外，由於頂滑台位置之偏移，還會發生繞著與X軸及Y軸垂直之Z軸轉動之平擺。第20圖顯示此時產生之力。若將頂滑台73、可動部72a及工件3的質量的和記為M₂，則加速時在從中心偏離了X_c之位置會產生如式(14)所示之慣性力F_y2。

F_y2=-M₂a…(14)由於此慣性力會產生繞Z軸轉之力矩，所以會在導塊79a1、79a2、79b1、79b2產生記為R₂之反作用力，以抵銷該力矩。從導塊傳遞至導軌78a、78b之水平方向的反作用力R₂因為要與力矩平衡所以可表示成如下的式子。

R₂=M₂aX_c/2L…(15)由於水平方向的反作用力R₂在各導塊的位置導軌會在水平方向產生δ_R2之變形。因此會產生如第21圖所示之繞著Z軸轉動之平擺(yawing物體在水平面內搖擺的動作)，滑鞍以上的部分會從原來的位置轉動度角。其中轉動角可用以下的式子加以表示。

若轉動中心為加工機的中心，從加工機中心到頂滑台中心之距離為X_c，則由於平擺所造成之頂滑台的中心位置之Y軸方向的位置偏移δ_c可用下式加以表示。

若將以頂滑台中心為基準之加工位置的X座標記為X_p，則加工機中心基準的加工位置的X座標會為X_c+X_p，在加工位置之由於平擺所造成的Y方向的位置偏移△Y₃可用以下的式子加以表示。

由於平擺所造成的Y方向的位置偏移△Y₃係為頂滑台位置X_c、加工位置X_p、平擺角度之函數。平擺角度取決於導軌78a、78b的變形量，導軌78a、78b的變形量取決於慣性力F_y2。因此，平擺所造成的位置偏移係為加速度a、頂滑台位置X_c及加工位置X_p之函數。第22圖係顯示包含有以平擺所造成的位置偏移作為修正量的Y軸平擺補償處理部114之雷射加工裝置205的構成之方塊圖。於Y軸平擺補償處理部114將XY滑台4的X軸、Y軸的位置資訊及掃描器X軸位置指令予以輸入，來計算出修正量。依據XY滑台4的Y軸位置資訊求出加速度資訊，然後利用式(16)依據加速度資訊求出平擺角。依據加工機的X軸位置資訊及掃描器X軸位置指令來求出以加工機中心為基準之加工位置的X座標，然後從式(18)來求出在加工位置之由於平擺所造成之在Y方向的位置偏移，並作為Y軸平擺補償處理部114的輸出。

實施形態11

在實施形態10中，線性編碼器6b(計測器)的配置雖在加工機中心，但線性編碼器之配置亦可如第23圖所示在偏離中心的位置。發生平擺之情況，加工機中心雖不會發生位置偏移，但其他的點卻會發生位置偏移。因此，若將線性編碼器6b與加工機中心的距離記為X_e，將平擺角記為，則在線性編碼器6b的位置之位置偏移δ_e可用下式加以表示。

因此，因為平擺的緣故，線性編碼器6b所計測出的位置資訊也會變化，且對應於線性編碼器6b的配置位置，在Y 軸平擺補償處理部114之修正量也會不同。此時，可依據加工位置之Y方向的位置偏移及在線性編碼器6b的位置之位置偏移而將修正量△Y₄表示成如以下的式子。

在將線性編碼器6b配置在任意的位置之情況，必須提供利用式(20)求出的值來作為Y軸平擺補償處理部114的輸出。不過，因為線性編碼器6b的位置為固定，所以X_e為常數。

實施形態12

因為電流計式掃描器係以X方向用及Y方向用之兩個為一組來加工一個點，故雷射加工裝置的加工頭係由一組之兩個電流計式掃描器所構成。到實施形態11為止之雷射加工裝置，所說明的都是加工頭為一個之雷射加工裝置。雷射加工裝置中也有具有複數個加工頭，而同時加工複數個點者。考慮例如，為了如第24圖所示同時加工配置於頂滑台73R(頂滑台73的右側)、73L(頂滑台73的左側)之工件3的右半部及左半部，而有兩個頭之雷射掃描裝置80a、80b之情況。雷射掃描裝置80a、80b為了進行定位而分別具有上述的控制裝置102，且由從各控制裝置傳來之指令加以驅動。藉由形成為如此之構成，就可做到兩點同時加工，而可預期提高生產性。

不過，若發生實施形態10中記述之由於平擺所造成之位置偏移，則可設想在頂滑台左73L及頂滑台右73R之由於平擺所造成的位置偏移量不相同之情形。若以頂滑台73的中心為基準，將在頂滑台左73L及在頂滑台右73R的加工位置分別記為X_p1及X_pr，則在各加工位置之由於平擺所造成之位置偏移△Y₅、△Y₆可用以下的式子加以表示。

從式(21)、(22)可知，隨著加工位置之不同，平擺所造成之位置偏移也不同，且根據加工位置而相對於平擺之修正量也不同。因此，在具有複數個加工頭的雷射加工裝置之情況，必須按照各加工頭的加工位置而給予不同的修正量。因此，在變形補償處理部利用各加工頭的加工位置來計算修正量，然後依各加工頭使用不同之修正量來產生指令位置，就可減低各加工點的指令位置與雷射照射位置之位置偏差。

本發明並不限於上述實施形態，可在實施階段在未脫離其要旨之範圍內做各種變形。而且，上述實施形態中包含各種階段之發明，可藉由揭示的複數個構成要件的適當地組合來抽出各種發明。例如，即使從上述實施形態所示的全構成要件將幾個構成要件予以刪除掉，只要能解決發明所欲解決之課題欄中所述的課題，得到發明之效果欄中所述的效果，就可將該刪除構成要件後的構成當作是發明而予以抽出。另外，還可將不同的實施形態中的構成元素予以適當地組合。

(產業上之可利用性)

如以上所述，本發明之雷射加工裝置可利用於具備有雷射掃描裝置及使雷射掃描裝置與工件的相對位置變化之二維驅動裝置之雷射加工裝置，尤其適合用於伴隨著二維驅動裝置之變形之雷射照射位置與加工指令位置的偏差之減低。