TWM646654U

TWM646654U - 雷射加工系統

Info

Publication number: TWM646654U
Application number: TW112203999U
Authority: TW
Inventors: 張軼峯; 林儀婷; 蔡昌裕; 丁川康
Original assignee: 新代科技股份有限公司; 國立清華大學
Priority date: 2023-04-27
Filing date: 2023-04-27
Publication date: 2023-10-01

Abstract

本創作的控制單元根據加工檔、振鏡加工範圍與目標加工速度計算出加工路徑的可行解集合，再根據可行解集合的外部軸向平滑度，用以產生對應的加工路徑資訊；該控制單元再根據該加工路徑資訊產生工件驅動裝置控制命令、振鏡驅動裝置控制命令及外部軸向驅動裝置控制命令控制該工件驅動裝置、該振鏡驅動裝置與該外部軸向驅動裝置執行相對應的驅動。用以達到同時考量加工路徑長、外部軸向速度、加工品質最佳化的同動雷射掃描路徑。

Description

雷射加工系統

本創作係關於一種雷射加工，更特定言之是透過同時考量雷射加工的加工速度、外部軸向速度等多項品質指標，將此同動控制問題規劃最佳化的同動雷射掃描路徑的雷射加工系統。

雷射加工系統中同動雷射路徑掃描係指工件座標、振鏡座標(外部軸向馬達移動振鏡位置)、振鏡掃描點座標(振鏡範圍內的加工點位置)三者同步移動以決定最終加工位置，達到擴大整體加工範圍、優化加工品質的效果。

一般而言，振鏡範圍內的加工點掃描速度遠大於外部軸向馬達帶動振鏡移動的速度，因此外部軸向馬達帶動振鏡移動的速度(以下簡稱外部軸向速度)變化越小越好，且外部軸向馬達帶動振鏡移動的路徑(以下簡稱外部軸向路徑)越簡化越好。舉例來說，當外部軸向速度變化越小時，雷射加工品質也較佳；當外部軸向路徑越簡化時，外部軸向速度加減速段越少。

現有雷射加工技術為單純根據加工圖形幾何形狀生成一固定加工路徑，無法依據使用者實際加工需求進行加工路徑優化，應用較為受限。

本創作的目的在於提供一種雷射加工系統，因雷射振鏡加工範圍與振鏡掃描範圍相關，當大範圍加工時，需搭配外部軸向移動振鏡，藉由工件軸(控制工件座標)、外部軸(控制振鏡座標)與振鏡軸(控制振鏡掃描點座標)的同步控制移動雷射光點，以擴充整體加工範圍。

本創作的另一目的在於提供一種雷射加工系統，透過同時考量雷射加工的目標加工速度、外部軸向速度等多項品質指標，將此同動控制問題規劃為多目標最佳化問題 (Multi-objective Optimization Problem, MOP)，並進行同動路徑最佳化。

為了達成上述目的，本創作提供一種雷射加工系統，應用於雷射加工的一加工機台，包括：一輸入單元；一工件驅動裝置；一振鏡驅動裝置；一外部軸向驅動裝置；一控制單元其耦接該輸入單元、該工件驅動裝置、該振鏡驅動裝置與該外部軸向驅動裝置；該控制單元接收由該輸入單元傳來的一加工檔、一振鏡加工範圍與一目標加工速度，該控制單元根據該加工檔、該振鏡加工範圍與該目標加工速度計算出加工路徑的一第一組可行解，該第一組可行解滿足完全覆蓋該加工檔中的一加工圖形；該控制單元根據該第一組可行解的外部軸向平滑度，用以產生對應該第一組可行解的一第一加工路徑資訊；該控制單元再根據該第一加工路徑資訊產生一第一工件驅動裝置控制命令、一第一振鏡驅動裝置控制命令及一第一外部軸向驅動裝置控制命令；該控制單元將該第一工件驅動裝置控制命令、該第一振鏡驅動裝置控制命令及該第一外部軸向驅動裝置控制命令分別傳送至該工件驅動裝置、該振鏡驅動裝置與該外部軸向驅動裝置用以控制及執行相對應的驅動。

相較於先前技術，本創作提出一個大範圍同動雷射掃描路徑設計，透過同時考量雷射加工的目標加工速度、外部軸向速度等多項品質指標，將此同動控制問題規劃為多目標最佳化問題，用以同動路徑最佳化。藉此，可達到同時考量加工路徑長、外部軸向速度、加工品質(如過燒程度等)最佳化的同動雷射掃描路徑。改善目前現有作法僅根據加工圖形簡化為外部軸向、振鏡軸向搭配的同動路徑，路徑生成無彈性，且無考量加工條件與特性的限制。

以下將詳述本創作之各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細說明之外，本創作亦可廣泛地施行於其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本創作之範圍內，並以申請專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本創作有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本創作可能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本創作形成不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。

本案的目的在於提供一種雷射加工系統，當大範圍加工時，搭配外部軸向移動振鏡，藉由工件軸(控制工件座標)、外部軸(控制振鏡座標)與振鏡軸(控制振鏡掃描點座標)的同步控制移動雷射光點，以擴充整體加工範圍。透過同時考量雷射加工的目標加工速度、外部軸向速度等多項品質指標，將此同動控制問題規劃為多目標最佳化問題 (Multi-objective Optimization Problem, MOP)，並進行同動路徑最佳化。舉例來說，如圖1所示，針對加工圖形10比較圖1中第一外部軸向路徑20與第二外部軸向路徑30的外部軸向速度變化程度(例如：平滑度)、速度限制、路徑簡化程度(例如：路徑長)等多種指標後，選擇最符合使用者實際需求的外部軸向路徑進行加工。

請參閱圖2，本案雷射加工系統的方塊圖。本案是一種雷射加工系統，應用於雷射加工的一加工機台100，包括：一輸入單元110，該輸入單元110不限制輸入方式，可以是該加工機台100上的輸入界面或外接的輸入裝置(例如筆電、伺服器)；一工件驅動裝置120用以控制加工工件的位置、角度(空間座標)；一振鏡驅動裝置130用以控制振鏡範圍內的加工點(空間座標)位置；一外部軸向驅動裝置140用以控制移動振鏡位置(空間座標)。

一控制單元150其耦接該輸入單元110、該工件驅動裝置120、該振鏡驅動裝置130與該外部軸向驅動裝置140；該控制單元150接收由該輸入單元110傳來的一加工檔、一振鏡加工範圍與一目標加工速度等資訊。其中該加工檔110的加工圖檔可以是CAD檔或影像檔等不加以限制，或該加工檔110可以是加工路徑檔(例如以程式描述加工路徑)。本說明例該振鏡加工範圍(如圖3所示)為一矩形區塊200(實施應用上不限形狀，視雷射加工機台的振鏡而定)舉例說明，一個加工圖形300的外部軸向路徑點由多個該振鏡加工範圍的矩形區塊200中心點所構成，如圖4所示。一個可行解必須達到所有矩形區塊200與加工圖形300覆蓋率100%，外部軸向路徑涵蓋之加工範圍可包含、覆蓋完整的加工圖案300。

該振鏡加工範圍的矩形區塊200的座標、排列順序的改變，就代表外部軸向路徑的改變，路徑長短、轉角角度等皆會影響速度規劃細節，改變外部軸向速度平滑程度進而影響加工品質。

請參閱圖5，為本案雷射加工方法的流程圖一。該控制單元150根據由該輸入單元110傳來的該加工檔、該振鏡加工範圍與該目標加工速度計算找出加工路徑的多組可行解為一第一組可行解，該第一組可行解滿足完全覆蓋該加工檔中的加工圖形。其中，該目標加工速度為該工件驅動裝置、該振鏡驅動裝置與該外部軸向驅動裝置三者的合成速度。

該控制單元150根據該第一組可行解的外部軸向平滑度，評估前述第一組可行解的多組可行解，找出該第一組可行解的最佳加工路徑資訊為一第一加工路徑資訊；其中，該外部軸向平滑度是該外部軸向驅動裝置在加工路徑上產生的運動軌跡速度平滑度。

該控制單元150再根據該第一加工路徑資訊產生一第一工件驅動裝置控制命令、一第一振鏡驅動裝置控制命令及一第一外部軸向驅動裝置控制命令；該控制單元150輸出該第一工件驅動裝置控制命令、該第一振鏡驅動裝置控制命令及該第一外部軸向驅動裝置控制命令分別傳送至該工件驅動裝置120、該振鏡驅動裝置130與該外部軸向驅動裝置140用以控制及執行該些裝置相對應的驅動。實施應用上，該控制單元150依據不同的該目標加工速度將計算出不同的該第一加工路徑資訊。由於該目標加工速度為該工件驅動裝置120、該振鏡驅動裝置130與該外部軸向驅動裝置140三者的合成速度。在不同的加工情境中，當該目標加工速度有變化時，該工件驅動裝置120、該振鏡驅動裝置130與該外部軸向驅動裝置140三者各自的速度可能也會改變，該控制單元150會對應計算出不同的該第一加工路徑資訊。

實施應用上，進一步該控制單元150更包括接收由該輸入單元110傳來的一外部軸向速度限制，該控制單元150根據該加工檔、該振鏡加工範圍、該外部軸向速度限制與該目標加工速度計算出加工路徑的一第一組可行解的多組可行解，該第二組可行解滿足完全覆蓋該加工檔中的該加工圖形；該控制單元根據該第二組可行解的外部軸向平滑度，用以產生對應該第二組可行解的最佳加工路徑資訊為一第二加工路徑資訊。該控制單元150再根據該第二加工路徑資訊產生一第二工件驅動裝置控制命令、一第二振鏡驅動裝置控制命令與一第二外部軸向驅動裝置控制命令，該控制單元150再將該第二工件驅動裝置控制命令、該第二振鏡驅動裝置控制命令與該第二外部軸向驅動裝置控制命令分別傳送至該工件驅動裝置120、該振鏡驅動裝置130與該外部軸向驅動裝置140用以控制及執行該些裝置相對應的驅動。

請再參閱圖6，為本案雷射加工方法的流程圖二。實施應用上，本案需符合外部軸向速度限制，或/及考慮外部軸向路徑長度。

實施應用上，該控制單元150更包括根據該第一組可行解的路徑長度，用以產生對應該第一組可行解的一第三加工路徑資訊；該第一組可行解的路徑長度為該工件驅動裝置120、該振鏡驅動裝置130與該外部軸向驅動裝置130三者於雷射加工中的路徑長度。

實施應用上，該控制單元150更包括根據該第二組可行解的路徑長度，用以產生對應該第二組可行解的一第四加工路徑資訊；該第二組可行解的路徑長度為該工件驅動裝置、該振鏡驅動裝置與該外部軸向驅動裝置三者於雷射加工中的路徑長度。

請參閱圖7，實施應用上，應用於雷射加工的加工機台400，除前述的該輸入單元110、該工件驅動裝置120、該振鏡驅動裝置及該外部軸向驅動裝置140外，該控制單元150耦接一雷射源160，因此，前述的該第一加工路徑資訊、該第二加工路徑資訊、該第三加工路徑資訊或該第四加工路徑資訊包含有該雷射源160的強度和開關時間資訊。

進一步，該控制單元150根據該第一組可行解的雷射源160的開關次數與該第一組可行解的外部軸向平滑度，用以產生對應該第一組可行解的一第五加工路徑資訊控制該雷射源的強度和開關時間。

進一步，該控制單元150根據該第二組可行解的雷射源160的開關次數與該第二組可行解的外部軸向平滑度，用以產生對應該第二組可行解的一第六加工路徑資訊控制該雷射源的強度和開關時間。

進一步，該控制單元150根據該第一組可行解的雷射源開關次數、該第一組可行解的外部軸向平滑度與該第一組可行解的路徑長度，用以產生對應該第一組可行解的一第七加工路徑資訊控制該雷射源的強度和開關時間。

進一步，該控制單元150根據該第二組可行解的雷射源開關次數、該第二組可行解的外部軸向平滑度與該第二組可行解的路徑長度，用以產生對應該第二組可行解的一第八加工路徑資訊控制該雷射源的強度和開關時間。

實施應用上，該控制單元150根據一第一演算法計算產生該第一組可行解或該第二組可行解，該控制單元150根據一第二演算法計算產生該第一加工路徑資訊、該第二加工路徑資訊、該第三加工路徑資訊、該第四加工路徑資訊、該第五加工路徑資訊、該第六加工路徑資訊、該第七加工路徑資訊或該第八加工路徑資訊，且該第一演算法和該第二演算法可以是相同或不同的演算法。

本技術透過大範圍同動雷射掃描路徑設計，可達到同時考量加工路徑長、外部軸向速度、加工品質(如過燒程度等)最佳化的同動雷射掃描路徑。改善目前現有僅根據加工圖形簡化為外部軸向、振鏡軸向搭配的同動路徑，路徑生成無彈性，且無考量加工條件與特性的缺失。

本技術將此大範圍同動雷射路徑掃描問題規劃為一多目標最佳化問題(Multi-objective Optimization Problem, MOP)，並使用多目標演化式演算法求解，考量實際物理、工程應用限制與邊界條件，進一步限縮搜尋空間，將問題規劃解析為有限制的多目標最佳化問題。

實施應用上，該第一演算法及第二演算法可以是 Population-Based Metaheuristic Algorithm (種群元啟發式演算法)，每個步驟皆有一定的隨機性，族群中的每一個體即為一個候選解，透過將同動雷射路徑在意的加工品質指標設計為多項可評估、量化的計算函式，在族群演化的過程中進行留強汰弱的演化機制，最終得到多個目標相互權衡後的最佳解。

同動控制問題規劃各個目標的評估方式可透過真實計算得該目標的表現，或是透過設計啟發函式來進行該目標表現估計。多目標間的權重可由使用者自行定義，選擇偏好權重進行最佳化；或是使用帕累托最優(Dominance and Pareto Optimality )的概念設計多目標演算法。

上述揭示的實施形態僅例示性說明本創作之原理、特點及其功效，並非用以限制本創作之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本創作之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本創作所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

10:加工圖形

20:第一外部軸向路徑

30:第二外部軸向路徑

100、400:加工機台

110:輸入單元

120:工件驅動裝置

130:振鏡驅動裝置

140:外部軸向驅動裝置

150:控制單元

160:雷射源

200:矩形區塊

300:加工圖形

[圖1]為本案雷射加工多目標路徑示意圖。 [圖2]為本案雷射加工系統的方塊圖。 [圖3]為本案振鏡加工範圍的定義圖。 [圖4]為本案外部軸向路徑點示意圖。 [圖5]為本案雷射加工方法的流程圖一。 [圖6]為本案雷射加工方法的流程圖二。 [圖7] 為本案雷射加工系統的另一方塊圖。

100:加工機台

110:輸入單元

120:工件驅動裝置

130:振鏡驅動裝置

140:外部軸向驅動裝置

150:控制單元

Claims

一種雷射加工系統，應用於雷射加工的一加工機台，包括：一輸入單元；一工件驅動裝置；一振鏡驅動裝置；一外部軸向驅動裝置；一控制單元，其耦接該輸入單元、該工件驅動裝置、該振鏡驅動裝置與該外部軸向驅動裝置；該控制單元接收由該輸入單元傳來的一加工檔、一振鏡加工範圍與一目標加工速度，該控制單元根據該加工檔、該振鏡加工範圍與該目標加工速度計算出加工路徑的一第一組可行解，該第一組可行解滿足完全覆蓋該加工檔中的一加工圖形；該控制單元根據該第一組可行解的外部軸向平滑度，用以產生對應該第一組可行解的一第一加工路徑資訊；該控制單元再根據該第一加工路徑資訊產生一第一工件驅動裝置控制命令、一第一振鏡驅動裝置控制命令及一第一外部軸向驅動裝置控制命令；該控制單元將該第一工件驅動裝置控制命令、該第一振鏡驅動裝置控制命令及該第一外部軸向驅動裝置控制命令分別傳送至該工件驅動裝置、該振鏡驅動裝置與該外部軸向驅動裝置用以控制及執行相對應的驅動。
如請求項1所述之雷射加工系統，其中，該目標加工速度為該工件驅動裝置、該振鏡驅動裝置與該外部軸向驅動裝置三者的合成速度。
如請求項1所述之雷射加工系統，其中，該外部軸向平滑度是該外部軸向驅動裝置在加工路徑上產生的運動軌跡速度平滑度。
如請求項1所述之雷射加工系統，其中，該控制單元依據不同的該目標加工速度計算出不同的該第一加工路徑資訊。
如請求項1所述之雷射加工系統，其中，進一步該控制單元更包括接收由該輸入單元傳來的一外部軸向速度限制，該控制單元根據該加工檔、該振鏡加工範圍、該外部軸向速度限制與該目標加工速度計算出加工路徑的一第二組可行解，該第二組可行解滿足完全覆蓋該加工檔中的該加工圖形；該控制單元根據該第二組可行解的外部軸向平滑度，用以產生對應該第二組可行解的一第二加工路徑資訊；該控制單元根據該第二加工路徑資訊產生一第二工件驅動裝置控制命令、一第二振鏡驅動裝置控制命令與一第二外部軸向驅動裝置控制命令，該控制單元將該第二工件驅動裝置控制命令、該第二振鏡驅動裝置控制命令與該第二外部軸向驅動裝置控制命令分別傳送至該工件驅動裝置、該振鏡驅動裝置與該外部軸向驅動裝置用以控制及執行相對應的驅動。
如請求項1所述之雷射加工系統，其中，該控制單元更包括根據該第一組可行解的路徑長度，用以產生對應該第一組可行解的一第三加工路徑資訊；該第一組可行解的路徑長度為該工件驅動裝置、該振鏡驅動裝置與該外部軸向驅動裝置三者於雷射加工中的路徑長度。
如請求項5所述之雷射加工系統，其中，該控制單元更包括根據該第二組可行解的路徑長度，用以產生對應該第二組可行解的一第四加工路徑資訊；該第二組可行解的路徑長度為該工件驅動裝置、該振鏡驅動裝置與該外部軸向驅動裝置三者於雷射加工中的路徑長度。
如請求項1所述之雷射加工系統，其中，進一步該控制單元耦接一雷射源，該第一加工路徑資訊包含有該雷射源的強度和開關時間資訊。
如請求項5所述之雷射加工系統，其中，進一步該控制單元耦接一雷射源，該第二加工路徑資訊包含有該雷射源的強度和開關時間資訊。
如請求項6所述之雷射加工系統，其中，進一步該控制單元耦接一雷射源，該第三加工路徑資訊包含有該雷射源的強度和開關時間資訊。
如請求項7所述之雷射加工系統，其中，進一步該控制單元耦接一雷射源，該第四加工路徑資訊包含有該雷射源的強度和開關時間資訊。
如請求項1的雷射加工系統，其中，進一步該控制單元耦接一雷射源，該控制單元根據該第一組可行解的雷射源開關次數與該第一組可行解的外部軸向平滑度，用以產生對應該第一組可行解的一第五加工路徑資訊控制該雷射源的強度和開關時間。
如請求項5的雷射加工系統，其中，進一步該控制單元耦接一雷射源，該控制單元根據該第二組可行解的雷射源開關次數與該第二組可行解的外部軸向平滑度，用以產生對應該第二組可行解的一第六加工路徑資訊控制該雷射源的強度和開關時間。
如請求項6的雷射加工系統，其中，進一步該控制單元耦接一雷射源，該控制單元根據該第一組可行解的雷射源開關次數、該第一組可行解的外部軸向平滑度與該第一組可行解的路徑長度，用以產生對應該第一組可行解的一第七加工路徑資訊控制該雷射源的強度和開關時間。
如請求項7的雷射加工系統，其中，進一步該控制單元耦接一雷射源，該控制單元根據該第二組可行解的雷射源開關次數、該第二組可行解的外部軸向平滑度與該第二組可行解的路徑長度，用以產生對應該第二組可行解的一第八加工路徑資訊控制該雷射源的強度和開關時間。