專利名稱：雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光精密加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)及 其加工方法。
背景技術(shù)：
近幾年來，半導(dǎo)體工業(yè)中高密度封裝/組裝和高密度互連(HDI)技術(shù)獲得了飛速 發(fā)展。作為一種高性能HDI解決方案，LTCC(Low TemperatureCo-fired Ceramics，低溫共 燒陶瓷)封裝技術(shù)為單芯片或多芯片模塊(MCM)封裝提供了高密度集成和高可靠性，已被 廣泛應(yīng)用于光電通信器件、MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))器件、生物醫(yī)學(xué)芯片、汽車電子、微波電路、 軍用T/R組件和航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。與此相應(yīng)，當(dāng)今的大規(guī)模LTCC制程工藝生產(chǎn)線，其技術(shù)水平具備以下特征8英 寸生瓷帶規(guī)格，導(dǎo)帶線寬和間距小于75i!m，層間互連通孔直徑小于lOOym、通孔間距小于 200 u m,堆疊通孔結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部埋置無源器件(電阻、電感、電容)。其典型工藝流程如圖(2) 所示，依次包括流延、切片、鉆孔、微孔填充、絲網(wǎng)印刷、腔體成型、層壓、熱切和共燒等工序。 其中，鉆孔、腔體成型工序，通常是利用機(jī)械沖孔機(jī)，對(duì)每層LTCC生瓷片進(jìn)行加工，形成電 氣連接微過孔、埋置無源器件所需的不規(guī)則腔體、微孔填充工序、層壓工序所需的機(jī)械定位 孔和絲網(wǎng)印刷工序、熱切工序所需的視覺定位基準(zhǔn)孔。出于工藝考慮，比如為減小物料傳輸 過程中LTCC生瓷片(典型厚度為0. 05mm 0. 17mm)的變形和避免真空機(jī)械手對(duì)生瓷片的 抓取操作不穩(wěn)定性，鉆孔和開腔體操作一般并不處于同一工序。在鉆孔工序之前，生瓷片為 空白基板，無任何圖案，經(jīng)過鉆孔工序后，其上形成部分圖形特征，然后生瓷片被轉(zhuǎn)移至其 它工序，絲網(wǎng)印刷工序完成后，再進(jìn)行腔體成型操作，此工序也常被稱作“返沖”工序，需要 二次上片機(jī)械定位和視覺對(duì)位，為降低人工操作帶來的主觀性對(duì)準(zhǔn)誤差和提高運(yùn)行效率， 大規(guī)模工藝生產(chǎn)線常采用自動(dòng)視覺對(duì)位。本文中，為簡便起見，將無需對(duì)位的加工操作稱作P1工序，將需要對(duì)位的加工操 作稱作P2工序，則顯然初次鉆孔操作屬于P1加工，二次腔體成型操作屬于P2加工。在P1 工序中，8英寸生瓷片上通常需要加工出多達(dá)30000個(gè)微孔，作為前道關(guān)鍵工序，在保證加 工定位精度(一般要求優(yōu)于士 15 ym)的前提下，其效率極為關(guān)鍵，也往往是制約整個(gè)生產(chǎn) 線產(chǎn)能的瓶頸；在P2工序中，需要以P1工序加工后形成的某些標(biāo)記為視覺定位基準(zhǔn)，二次 加工后一般要求圖形特征位置精度優(yōu)于士20i!m。然而在流片過程中幾乎所有的生瓷片均 存在一定的收縮變形量，盡管收縮很小，若僅考慮二次上片機(jī)械定位誤差基于剛體變換模 型進(jìn)行補(bǔ)償，將可能會(huì)使部分圖形特征錯(cuò)位而影響成品率。目前，幾乎所有的LTCC制程工藝生產(chǎn)線均選用機(jī)械沖孔方式進(jìn)行P1和P2工序加 工，機(jī)械沖孔方式的優(yōu)點(diǎn)是加工精度高，工藝效果優(yōu)良，缺點(diǎn)是靈活性不足、不能處理復(fù)雜 的圖形特征、需要經(jīng)常更換沖頭、維護(hù)費(fèi)用較高、機(jī)械振動(dòng)噪聲污染較大、加工效率受限于 沖頭機(jī)構(gòu)的頻率響應(yīng)，且漸趨不能適應(yīng)日新月異的輕薄化、微型化器件所需的層間互連通 孔直徑越來越小(50 ym以下)、孔間密度越來越高的工藝發(fā)展需求。因而，亟需研發(fā)出一套全新的加工系統(tǒng)及方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)及其加工方法，可適于LTCC 制程Pl工序或P2工序的加工，旨在解決現(xiàn)有的機(jī)械沖孔機(jī)靈活性不足、加工效率不高及P2 工序二次上片后因生瓷片收縮變形所帶來的自動(dòng)視覺對(duì)位準(zhǔn)確性差的難題，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡 單合理，原理、加工方法獨(dú)特；利用本發(fā)明，可以有效提高產(chǎn)能、提高加工效率、保證質(zhì)量、降 低成本。特別適合在大規(guī)模LTCC/HTCC(高溫共燒陶瓷)制程工藝生產(chǎn)線上應(yīng)用。本發(fā)明之一是這樣實(shí)現(xiàn)的一種雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)，其特征在于具有以下 機(jī)械結(jié)構(gòu)第一工作臺(tái)、第二工作臺(tái)、激光束傳遞裝置(LBDS)、真空吸附承片臺(tái)和圖像采集 裝置；第一工作臺(tái)，即對(duì)工件實(shí)施激光標(biāo)刻加工的二維掃描振鏡組件，其結(jié)構(gòu)具有第一 反射鏡、第二反射鏡、遠(yuǎn)心θ透鏡及其支撐框架；第二工作臺(tái)，即XYZ三維工作臺(tái)；激光束傳遞裝置，由激光器、激光束擴(kuò)束鏡和其它光學(xué)轉(zhuǎn)向鏡組成，它和振鏡組件 通過光學(xué)耦合方式物理連接；真空吸附承片臺(tái)，安裝于Y向工作臺(tái)上，跟隨XY工作臺(tái)在水平面內(nèi)移動(dòng)，用以完成 工件的定位和吸附。工件位于振鏡組件的遠(yuǎn)心f-θ透鏡的下方；圖像采集裝置具有CMOS圖像傳感器、2X放大物鏡和LED環(huán)形照明光源；振鏡組件和圖像采集裝置均安裝于Z向工作臺(tái)上。所述的XYZ三維工作臺(tái)由十字疊裝式XY工作臺(tái)及其上面的Z向工作臺(tái)組成，用以 實(shí)現(xiàn)吸附有工件的真空吸附承片臺(tái)在水平面內(nèi)的移動(dòng)定位和Z向激光聚焦；十字疊裝式XY 工作臺(tái)即兩維導(dǎo)軌式工作臺(tái)，設(shè)有絲杠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，利用永磁同步電機(jī)(PMSM)驅(qū)動(dòng)、絲杠傳 動(dòng)、滑動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)向完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，并通過兩條開放式光柵尺進(jìn)行位置測(cè) 量和構(gòu)成全閉環(huán)定位控制。XY工作臺(tái)亦可為其他形式的兩維工作臺(tái)，比如直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩 維工作臺(tái)、H型結(jié)構(gòu)兩維工作臺(tái)。所述的真空吸附承片臺(tái)較佳結(jié)構(gòu)可為具有承片臺(tái)基座、承片臺(tái)基板和承片臺(tái)外 框，承片臺(tái)外框中間為蜂窩板，蜂窩板的真空腔通過彈簧軟管與吸塵器連接，工件通過膠帶 粘接在工件框架上，真空吸附機(jī)械手放置于蜂窩板上，并設(shè)有有微型導(dǎo)桿氣缸、固定板、夾 緊板和圓柱定位銷組成的氣動(dòng)卡具工件機(jī)械定位機(jī)構(gòu)。所述的激光加工機(jī)采用雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，用以滿足高效率、高精度和大行程等 激光加工應(yīng)用需求。其中，第一工作臺(tái)慣量小、加減速極快，用以保證獲得高加工效率；第二 工作臺(tái)用以輔助第一工作臺(tái)以完成大幅面數(shù)據(jù)圖案的“拼接”加工。同時(shí)，第一工作臺(tái)可以 利用第二工作臺(tái)和圖像采集裝置，進(jìn)行在線振鏡校正，從而獲得高精度。本發(fā)明之二是這樣實(shí)現(xiàn)的利用上述雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)的加工方法，其特 征在于分為Pl非對(duì)位加工或P2對(duì)位加工兩種情形，兩種情形可以基于統(tǒng)一的仿射變換模 型，將工件坐標(biāo)空間映射到加工坐標(biāo)空間，即第一工作臺(tái)加工坐標(biāo)(xs，ys)和第二工作臺(tái)加 工坐標(biāo)(xt，yt))，從而將CAD數(shù)據(jù)圖案轉(zhuǎn)移至工件，使加工后的圖形特征位置誤差控制在理想精度范圍內(nèi)；所述的仿射變換模型，可用一個(gè)仿射變換矩陣
表示，待
定參數(shù)an、ai2、ai3、a21、b13和b23除表征了剛體定位平移、旋轉(zhuǎn)分量信息外，還建模了工件自 身縮放、切變兩種變形誤差信息。所述的加工方法，包括CAD/CAM數(shù)據(jù)處理、坐標(biāo)變換計(jì)算和視覺匹配三個(gè)關(guān)鍵軟 件模塊。其中，CAD/CAM數(shù)據(jù)處理模塊，其處理流程包括CAD圖形輸入文件解析、數(shù)據(jù)規(guī)范 化、基本圖元分解、區(qū)域劃分、軌跡生成與優(yōu)化、工藝參數(shù)設(shè)置和NC文件保存等幾大步驟。所述的區(qū)域劃分過程，以數(shù)據(jù)規(guī)范化后的工件坐標(biāo)(u，ν)作為輸入，依下述數(shù)學(xué) 式求得各振鏡掃描網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)坐標(biāo)(US，VS) 其中，DU、DV*區(qū)域劃分模塊的數(shù)據(jù)分塊網(wǎng)格矩形大小，L」為向下取整運(yùn)算符，不
同的m、η組合對(duì)應(yīng)于不同的振鏡掃描網(wǎng)格單元，且有局域性條件> 去A，h>全狄成立。工件坐標(biāo)經(jīng)過CAD/CAM數(shù)據(jù)處理模塊處理后得到的第一工作臺(tái)各振鏡掃描網(wǎng)格 單元數(shù)據(jù)坐標(biāo)(Us，Vs)，到第一工作臺(tái)加工坐標(biāo)(xs，ys)和第二工作臺(tái)加工坐標(biāo)(xt，yt)的
映射關(guān)系為 在確保振鏡掃描加工坐標(biāo)(xs，ys)局域性的前提條件下，第一工作臺(tái)和第二工作 臺(tái)可以統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，也可以單獨(dú)控制。所述的振鏡掃描加工坐標(biāo)(xs，ys)局域性的條件，可以通過選擇數(shù)據(jù)分塊網(wǎng)格矩 形大小Du =Dv々A (A為正方形區(qū)域振鏡校正范圍的邊長)得以嚴(yán)格保證。此時(shí)，可以 利用下述數(shù)學(xué)式計(jì)算第一工作臺(tái)加工坐標(biāo)(xs，ys)和第二工作臺(tái)加工坐標(biāo)(xt，yt) 其中，(cam_xoffset，cam_yoffset)為相機(jī)坐標(biāo)系中心相對(duì)于振鏡掃描坐標(biāo)系中 心的偏移?？梢?，整個(gè)加工過程是由第一工作臺(tái)坐標(biāo)(xs，ys)和第二工作臺(tái)坐標(biāo)(xt，yt)協(xié) 調(diào)配合完成的，是一種“拼接”加工。由下述不等式，可以得知振鏡掃描坐標(biāo)局限于邊長為 A的正方形區(qū)域 所述的Pl非對(duì)位加工情形下，仿射變換矩陣H僅包含平移變換，即an = a22 = 1， a12 = a21 = 0，通過在固定系統(tǒng)工作零點(diǎn)參數(shù)ΤΧ0、ΤΥ0設(shè)置的條件下，滑動(dòng)零點(diǎn)偏移參數(shù)a13、 a23，可以實(shí)現(xiàn)將CAD數(shù)據(jù)圖案加工于工件的不同位置。所述的P2對(duì)位加工情形下，每次上片后，無需對(duì)原來的工件坐標(biāo)(u，ν)重新進(jìn)行區(qū)域劃分計(jì)算，對(duì)于每個(gè)振鏡掃描網(wǎng)格單元B[m，η]，只需將XY工作臺(tái)定位至坐 標(biāo)(-(b13+cam_xof f set+an (0. 5+m) Du+a12 (0. 5+n) Dv) , - (b23+cam_yoff set+a21 (0. 5+m)
au an 0Du+a22 (0. 5+n) Dv))，且對(duì)網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)坐標(biāo)(us，vs)施加變換
后執(zhí)行振鏡
掃描加工，即可將Ρ2加工后的圖形特征位置誤差控制在理想精度范圍內(nèi)。所述的坐標(biāo)變換計(jì)算模塊的坐標(biāo)變換方法，使得所述第二工作臺(tái)無需額外配置旋 轉(zhuǎn)向直驅(qū)電機(jī)，也能處理工件機(jī)械定位有旋轉(zhuǎn)誤差情形，從而降低機(jī)器構(gòu)造成本。所述的待定參數(shù)計(jì)算方法，需要先基于圖像采集裝置和視覺匹配模塊進(jìn)行匹配控 制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，然后基于下述數(shù)學(xué)式求取仿射模型中的6個(gè)待定參數(shù)估計(jì)[sp-xt yp-yt 1]T = H[u ν 1]τ其中，(χρ, yp)為基準(zhǔn)對(duì)位標(biāo)記圖像在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。采用三點(diǎn)(非共線)對(duì)位方式采集三對(duì)匹配控制點(diǎn)，恰可以求得6個(gè)待定參數(shù)估 計(jì)；在工件僅有均質(zhì)變形(即兩個(gè)坐標(biāo)軸方向縮放變形量相同)、切變可以忽略不計(jì)時(shí)，有 an = a22和a12 = -a21兩個(gè)約束條件，因此可以采取兩點(diǎn)對(duì)位方式求得待定參數(shù)；也可以采 用四點(diǎn)對(duì)位、五點(diǎn)對(duì)位或更多基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)位方式，基于最小二乘法獲得優(yōu)化的參數(shù)估計(jì)，從而 減小數(shù)據(jù)噪聲的影響。所述的視覺匹配模塊的匹配算法精度，與所述圖像采集裝置中物鏡的放大倍率相 關(guān)，放大倍數(shù)越大，像素分辨率就越高，計(jì)算也越精確；然而，放大倍率越大時(shí)，視場也越小， 基準(zhǔn)對(duì)位標(biāo)記圖像跳出圖像視場的概率也越大，因而需要基于機(jī)械定位精度選擇物鏡放大倍率。所述的仿射變換模型可以擴(kuò)展至固定光路加工情形，即第一工作臺(tái)保持于加工中 心不運(yùn)動(dòng)或采取更為簡化的設(shè)計(jì)(僅存在第二工作臺(tái)，省掉了第一工作臺(tái))的情形；此時(shí)，令振鏡掃描坐標(biāo)(xs，ys)為(0，0)，即可得到工件坐標(biāo)空間坐標(biāo)(u，ν)到加 工坐標(biāo)空間(即第二工作臺(tái)坐標(biāo)(xt，yt))的映射關(guān)系 所述的加工方法，可以擴(kuò)展至振鏡掃描中心與相機(jī)中心共軸、多相機(jī)圖像采集情 形。共軸情形下，相機(jī)偏置(Cam_X0ffset，Cam_y0ffset)取值為(0，0)；多相機(jī)情形下，將有
多組相機(jī)偏置(caml_xoffset, caml_yoffset) > (cam2_xoffset, cam2_yoffset)......，坐標(biāo)
變換計(jì)算模塊將需要跟蹤當(dāng)前相機(jī)編號(hào)，以確保某幀圖像是由相對(duì)應(yīng)的相機(jī)采集得到的。本發(fā)明的積極效果是可以有效解決現(xiàn)有的機(jī)械沖孔機(jī)靈活性不足且加工效率不 高的問題，利用本發(fā)明，可以有效提高Pl工序的加工效率，并能有效處理P2工序在二次上片后因生瓷片收縮變形所帶來的自動(dòng)視覺對(duì)位準(zhǔn)確性難題，從而降低成本并提高產(chǎn)能；其 結(jié)構(gòu)簡單，原理、方法獨(dú)特；二次對(duì)位準(zhǔn)確。尤為適合在大規(guī)模LTCC/HTCC(高溫共燒陶瓷) 制程工藝生產(chǎn)線上應(yīng)用。本發(fā)明可拓展應(yīng)用至PCB行業(yè)BGA/CSP板、太陽能電池板、SMT模 版、LED、FPD、第二代半導(dǎo)體材料GaAs晶圓、第三代半導(dǎo)體材料GaN/SiC晶圓等的鉆孔、打 標(biāo)、切割、劃片、劃線及結(jié)構(gòu)化成型。以下結(jié)合一個(gè)較佳的具體實(shí)施例及附圖作詳述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例原理框圖。圖2是LTCC制程工藝流程示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的激光加工機(jī)關(guān)鍵部件立體圖(未包括LBDS)。圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的X向工作臺(tái)立體圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的振鏡組件立體圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的圖像采集裝置立體圖。圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的真空吸附承片臺(tái)部分剖切立體圖。圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的加工方法原理示意圖。圖10是本發(fā)明實(shí)施例提供的CAD/CAM數(shù)據(jù)處理模塊軟件流程圖。圖11是本發(fā)明實(shí)施例所提供的對(duì)輸入CAD文件進(jìn)行“區(qū)域劃分后”的示意圖。圖12是二次上片后，機(jī)械定位誤差示意圖。圖13是本發(fā)明實(shí)施例提供的振鏡坐標(biāo)變換示意圖。圖14是本發(fā)明實(shí)施例提供的加工方法實(shí)施流程圖。圖15是本發(fā)明實(shí)施例提供的視覺匹配模塊所使用的基準(zhǔn)對(duì)位標(biāo)記示意圖。圖16是本發(fā)明實(shí)施例提供的視覺匹配模塊的軟件流程圖。圖17是本發(fā)明實(shí)施例提供的電氣控制平臺(tái)架構(gòu)示意圖。圖中各符號(hào)含義真空吸附承片臺(tái)1，XY工作臺(tái)10、XYZ工作臺(tái)控制系統(tǒng)11、承片 臺(tái)基座12、承片臺(tái)基板13、承片臺(tái)外框14、聚氨酯圓皮帶15、蜂窩板16，固定板17、夾緊板 18、微型導(dǎo)桿氣缸19，X向工作臺(tái)101、Y向工作臺(tái)102、Z向工作臺(tái)103、X向底座111、支持 側(cè)絲杠支座組件112、滾動(dòng)導(dǎo)軌113、絲杠114a、絲杠母114b、絲杠母座115、固定側(cè)絲杠支 座組件116、聯(lián)軸器117、伺服電機(jī)118、光柵尺119 ；工件2，20數(shù)據(jù)分塊矩形、Pl圖形特征 21、P2圖形特征22、圓柱定位銷27、工件框架28、膠帶29 ；振鏡組件3、第一反射鏡31、第二 反射鏡32、遠(yuǎn)心f- θ透鏡33和支撐框架34 ；激光束傳遞系統(tǒng)(LBDS)4、激光器41、擴(kuò)束鏡 42 ；振鏡控制系統(tǒng)5 ；CAD/CAM數(shù)據(jù)處理模塊6，工件坐標(biāo)空間60、映射模型M 61、加工坐標(biāo) 空間62，CAD圖形輸入文件解析601、數(shù)據(jù)規(guī)范化602、基本圖元分解603、區(qū)域劃分604、軌 跡生成與優(yōu)化605、工藝參數(shù)設(shè)置606、NC文件保存607 ；坐標(biāo)變換計(jì)算模塊7 ；圖像采集裝 置8，CMOS圖像傳感器81、2X放大物鏡82、LED環(huán)形照明光源83 ；視覺匹配模塊9，圖像采 集線程92，共享內(nèi)存區(qū)93、運(yùn)動(dòng)控制線程94。
具體實(shí)施例方式此處所描述的較佳具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不適于限定本發(fā)明。本較佳實(shí)施例中，如圖3所示，激光加工機(jī)系統(tǒng)包括
第一工作臺(tái)，即二維掃描振鏡組件3，如圖6所示，由第一反射鏡31、第二反射鏡 32、遠(yuǎn)心f- θ透鏡33和支撐框架34組成。通過振鏡控制系統(tǒng)5，實(shí)現(xiàn)在工件2上的激光標(biāo) 刻加工。第二工作臺(tái)，即XYZ工作臺(tái)裝置。如圖4所示，第二工作臺(tái)由XY工作臺(tái)10和Z向 工作臺(tái)103組成。通過XYZ工作臺(tái)控制系統(tǒng)11實(shí)現(xiàn)真空吸附承片臺(tái)1(其上吸附有工件2) 在水平面內(nèi)的移動(dòng)定位和Z向激光聚焦。XY工作臺(tái)10由X向工作臺(tái)101和Y向工作臺(tái)102 組成，基于絲杠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即利用旋轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)(PMSM)驅(qū)動(dòng)、絲杠傳動(dòng)、滑動(dòng)導(dǎo)軌 導(dǎo)向從而完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。另外一種更優(yōu)的方案是，將第二工作臺(tái)設(shè)計(jì)為 直線電機(jī)平臺(tái)以獲得更高的加工效率。X向工作臺(tái)101結(jié)構(gòu)如圖5所示，伺服電機(jī)118輸出 軸通過聯(lián)軸器117與絲杠114a連接驅(qū)動(dòng)絲杠母114b完成X向的直線移動(dòng)；絲杠母座115 一端與絲杠母連接，另一端連接Y向工作臺(tái)102 ；絲杠兩端分別由固定側(cè)絲杠支座組件116 與支持側(cè)絲杠支座組件112支撐，兩組件安裝在X向底座111上實(shí)現(xiàn)絲杠定位和伺服電機(jī) 固定；滾動(dòng)導(dǎo)軌113在移動(dòng)過程中起導(dǎo)向作用；Y向工作臺(tái)102結(jié)構(gòu)形式與X向工作臺(tái)101 相同，兩個(gè)工作臺(tái)疊裝在一起，實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)二維移動(dòng)。Z向工作臺(tái)103，通過XYZ工作臺(tái)控 制系統(tǒng)11控制實(shí)現(xiàn)振鏡組件3與圖像采集裝置8的Z向移動(dòng)定位。其中XY工作臺(tái)10，利 用兩條開放式光柵尺119構(gòu)成全閉環(huán)控制，用于保證XY工作臺(tái)10水平移動(dòng)平面內(nèi)的重復(fù) 精度和定位精度至數(shù)微米量級(jí)。本發(fā)明采用上述的雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，將8英寸圖形特征，標(biāo)刻于工件2上。其中， 第一工作臺(tái)慣量小、加減速極快，用以保證獲得高加工效率，但是當(dāng)前技術(shù)水平的振鏡僅在 較小掃描區(qū)域(典型地，50mmX50mm矩形范圍)內(nèi)容易獲得微米量級(jí)精度，為了兼顧大行程 加工需要，需要引入第二工作臺(tái)，第二工作臺(tái)的工作行程較大(X、Y向均> 220mm)，實(shí)際上 兩個(gè)工作臺(tái)通過協(xié)調(diào)配合來完成大幅面數(shù)據(jù)圖案的“拼接”加工。同時(shí)，第一工作臺(tái)可以利 用第二工作臺(tái)和下述的圖像采集裝置8，進(jìn)行在線振鏡校正。激光束傳遞系統(tǒng)(Laser Beam Delivery System, LBDS)4，由激光器41和激光束 擴(kuò)束鏡42和其它光學(xué)轉(zhuǎn)向鏡組成，用以完成激光傳輸，需要盡量減小激光功率傳輸損耗， 以使得工件2表面能夠獲得足夠的激光輻射功率密度從而能夠完成加工。同時(shí)，還需要作 好光路密封，以防止光學(xué)鏡片受到設(shè)備使用環(huán)境污染。圖像采集裝置8，其結(jié)構(gòu)如圖(7)所示，該裝置由CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器81、2X放大物鏡82和 LED環(huán)形照明光源83組成；2X放大物鏡上端與CMOS圖像傳感器螺紋連接，下端連接LED環(huán) 形照明光源。另外，圖5中未示意的還包括光強(qiáng)調(diào)節(jié)模塊和1394接口板卡，光強(qiáng)調(diào)節(jié)模塊 用以改變照明光源亮度，1394接口板卡是用以輔助主控程序和1394接口 CMOS數(shù)字相機(jī)通 信的電子硬件裝置。真空吸附承片臺(tái)1，安裝于Y向工作臺(tái)102上，跟隨XY工作臺(tái)10在水平面內(nèi)移動(dòng)， 用以完成工件2的定位和吸附，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。該裝置由承片臺(tái)基座12、承片臺(tái)基板 13、承片臺(tái)外框14、蜂窩板16和聚氨酯圓皮帶15形成真空腔，真空腔通過彈簧軟管與吸塵器連接，工件2通過膠帶29粘接在工件框架28上，并通過真空吸附機(jī)械手放置于蜂窩板上 待加工。加工過程中產(chǎn)生的小型殘?jiān)ㄟ^蜂窩板上的芯孔、承片臺(tái)基板過孔與承片臺(tái)基座 空腔進(jìn)入吸塵器。聚氨酯圓皮帶安裝于承片臺(tái)外框與承片臺(tái)基板之間起密封作用。氣動(dòng)卡 具用以將工件準(zhǔn)確定位在真空吸附承片臺(tái)上。該裝置由兩個(gè)微型導(dǎo)桿氣缸19、固定板17、 夾緊板18和圓柱定位銷27等組成。氣缸缸體固定在與承片臺(tái)基座連接的固定板上，活塞 桿端連接夾緊板，通過微型導(dǎo)桿氣缸19推動(dòng)工件框架28移動(dòng)至緊靠圓柱定位銷27實(shí)現(xiàn)工 件機(jī)械定位，保證片間重復(fù)定位精度至數(shù)百微米量級(jí)。作為一個(gè)實(shí)施例，圖17示意了電氣控制平臺(tái)架構(gòu)，其中主要硬件選型如下第一 工作臺(tái)選用SCANLAB HurrySCANIO振鏡和RTC4StandAlone USB接口控制板卡，第二工作 臺(tái)選用FALDIC-W系列GYS401DC2-T2永磁同步交流旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)(PMSM)、RYC401D3-VVT2 伺服驅(qū)動(dòng)放大器、RSF MS21. 44-GA開放式光柵尺和GoogolTechGE-400-SV控制板卡，選 用 OptoWave AWAVE-355-8W 激光器、LIN0S355nm 100mm 焦距遠(yuǎn)心 f-0 透鏡、SillOptics 355nm 8X擴(kuò)束鏡，CMOS相機(jī)選用PointGrey Firefly MV 1394接口數(shù)字相機(jī)、2X放大物鏡。 以上選型能夠得到20 P m激光聚焦光斑、200 u m以上激光加工焦深，1. 92mmX 1. 44mm相機(jī) 視場(使用640X480分辨率，經(jīng)過標(biāo)定后)。另外，本發(fā)明提供了與上述裝置相應(yīng)的激光加工方法，即將CAD數(shù)據(jù)圖案轉(zhuǎn)移至工 件的加工方法，基本思想是尋求某種較優(yōu)(能同時(shí)建模工件自身變形誤差和剛體定位偏轉(zhuǎn)量 兩項(xiàng)信息)的映射模型，將工件坐標(biāo)空間(u，v)映射到加工坐標(biāo)空間(即第一工作臺(tái)掃描坐 標(biāo)(xs，ys)和第二工作臺(tái)加工坐標(biāo)(xt，yt))，使得經(jīng)過激光加工后的圖形特征位置誤差能控制 在理想精度范圍內(nèi)。圖9示意了本發(fā)明提供的加工方法原理，其中包括CAD/CAM數(shù)據(jù)處理6、 坐標(biāo)變換計(jì)算7和視覺匹配9三個(gè)關(guān)鍵軟件模塊。需要說明，加工方法包括P1非對(duì)位加工和 P2對(duì)位加工兩種情形，以下將會(huì)看到兩種情形可以基于統(tǒng)一的坐標(biāo)映射模型進(jìn)行處理。對(duì)于LTCC生瓷片，其加工方法實(shí)施流程圖如圖14所示，主要包括初次上片定位 P1加工、數(shù)據(jù)對(duì)位基準(zhǔn)點(diǎn)選擇、基準(zhǔn)點(diǎn)圖像采集、模版學(xué)習(xí)、其它工藝流程處理、二次上片定 位、模版加載、模版匹配、坐標(biāo)變換計(jì)算和P2加工等幾大步驟。其中，初次上片定位P1加 工，對(duì)空白工件進(jìn)行加工，無需對(duì)準(zhǔn)過程，而P2加工，對(duì)具有部分特征圖形的半成品工件進(jìn) 行二次加工，需要對(duì)準(zhǔn)過程。圖10示意了 CAD/CAM數(shù)據(jù)處理模塊軟件流程圖，以CAD圖形輸入文件解析601 開始，依次經(jīng)過數(shù)據(jù)規(guī)范化602、基本圖元分解603、區(qū)域劃分604、軌跡生成與優(yōu)化605、 工藝參數(shù)設(shè)置606，最后執(zhí)行NC文件保存607。其中，CAD圖形輸入文件解析601模塊，負(fù) 責(zé)解析CAD文件中的圖元；數(shù)據(jù)規(guī)范化602模塊，檢查所有圖元坐標(biāo)，求取邊界矩形，然后 以左下角為零點(diǎn)，重新計(jì)算圖元坐標(biāo)；基本圖元分解603，是考慮到振鏡控制系統(tǒng)5通常僅 支持線段插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)指令，因而對(duì)于復(fù)雜圖元(如多義線、橢圓、NURBS樣條曲線等) 需要先將其分解為線段和圓弧基本圖元集合，尤其是對(duì)于橢圓、NURBS樣條等參數(shù)化曲線， 需要利用逼近算法來處理；區(qū)域劃分604模塊，是考慮到振鏡掃描區(qū)域的局限性(一般為 50mmX50mm)，基本圖元有可能跨越相鄰振鏡掃描網(wǎng)格單元邊界，因而需要對(duì)線段和圓弧基 本圖元集合作進(jìn)一步的分解處理。這里有兩種技術(shù)方法可以完成此處理(a)、設(shè)定相鄰掃 描網(wǎng)格重疊量S (3mm< S < 8mm)，對(duì)所有的線段和圓弧進(jìn)行離散化操作得到微線段(最 大長度為S)/微圓弧(最大弧長為S)集合，然后對(duì)微線段/微圓弧集合進(jìn)行振鏡掃描網(wǎng)格單元?dú)w屬判定，最后在每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)合并共線段、共圓弧。(b)、直接利用振鏡掃描網(wǎng)格 矩形對(duì)線段/圓弧進(jìn)行裁減，基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的Cohen-Sutherland線段裁減算法和有 關(guān)圓弧裁減算法，依次獲得各振鏡掃描網(wǎng)格單元的基本圖元集合；軌跡生成與優(yōu)化605，對(duì) 于每個(gè)網(wǎng)格單元的圖元集合，依據(jù)有關(guān)遍歷算法進(jìn)行加工路徑規(guī)劃，以期獲得足夠平滑的 加工效果和加工效率；工藝參數(shù)設(shè)置606，用以設(shè)置激光器、振鏡系統(tǒng)的工作參數(shù)和相關(guān)工 藝控制參數(shù)；NC文件保存607，用以保存以上處理結(jié)果，可供下次直接加載使用。設(shè)有CAD圖形輸入文件，如圖11所示，其中？1121314為視覺對(duì)位標(biāo)記，分布于 對(duì)位基準(zhǔn)圖層Ll上，圖形特征21分布于圖層L2上，圖形特征22分布于圖層L3上，實(shí)際圖 形特征可能由更多圖層組成。在Pl工序，激光加工機(jī)需要加工出F1、F2、F3、F4視覺對(duì)位標(biāo) 記和圖形特征21 ；在P2工序，利用圖像采集裝置8，依次采集Pl工序形成的Fl、F2、F3、F4 視覺對(duì)位標(biāo)記圖像，利用視覺匹配模塊9獲得對(duì)位標(biāo)記實(shí)際坐標(biāo)，然后利用坐標(biāo)變換計(jì)算 模塊7計(jì)算工件的偏轉(zhuǎn)、變形量，然后加工出圖形特征22。原工件坐標(biāo)集合Ku，ν) Iu^O, v^O}經(jīng)過CAD/CAM數(shù)據(jù)處理后，將得到多個(gè)振鏡掃描網(wǎng)格單元B[i，j]，其中每個(gè)單元都 包含有坐標(biāo)受限的圖元集合Kus，vs) I |us|彡0.5A，Vs彡0.5A}。即使足夠精密的上片機(jī)構(gòu)也無法保證 完全相同的上片位置，在真空機(jī)械手將工件 框架28連同工件2放置到真空吸附承片臺(tái)1，且經(jīng)過微型導(dǎo)桿氣缸19推動(dòng)工件框架28靠 緊至圓柱定位銷27時(shí)，總會(huì)存在一定的一致性誤差，圖12示意了這種片間重復(fù)定位誤差。 本發(fā)明所述的機(jī)械定位方案，容易將重復(fù)定位精度控制在0. 5mm范圍之內(nèi)。通過“人工示教”過程，視覺匹配模塊9將“學(xué)習(xí)”、存儲(chǔ)模板的位置和幾何特征兩 項(xiàng)信息。本發(fā)明提供的模板匹配算法基于幾何特征匹配，故選擇具備顯著幾何特征的圖像 作為模板，圖15示意了本發(fā)明所使用的典型對(duì)位標(biāo)記一中心對(duì)稱梅花孔。幾何特征匹配 算法，相對(duì)于規(guī)一化相關(guān)性灰度匹配算法，更具魯棒性，在照明光源強(qiáng)度變化、圖像污染等 環(huán)境干擾條件下也能獲得相當(dāng)高的識(shí)別率和準(zhǔn)確度。圖16示意了視覺匹配模塊9的軟件流程圖，其中時(shí)活躍著兩個(gè)工作線程，即圖像 采集線程92和運(yùn)動(dòng)控制線程94，二者之間通過共享內(nèi)存區(qū)93的一些全局標(biāo)志變量、事件對(duì) 象完成時(shí)序、動(dòng)作上的協(xié)調(diào)配合。以下將詳細(xì)闡述坐標(biāo)變換計(jì)算模塊7的內(nèi)部機(jī)理，我們先考慮P2工序過程，在此 基礎(chǔ)上闡述Pl工序過程。先考慮單相機(jī)視覺系統(tǒng)，且激光加工中心與相機(jī)中心非共軸的情 形，相對(duì)于共軸、多相機(jī)情形，它更為簡單、更易于實(shí)現(xiàn)。先定義幾個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系，即工件坐標(biāo)系、振鏡掃描坐標(biāo)系、XY工作臺(tái)編程坐標(biāo) 系、相機(jī)坐標(biāo)系，其空間坐標(biāo)依次記為(U，v)、(xs, ys)、(xt, yt)、(xp, yp)，它們均以地球坐標(biāo) 系為參考，屬于“靜系”，承片臺(tái)“動(dòng)系”跟隨真空吸附承片臺(tái)1 一起運(yùn)動(dòng)，其空間坐標(biāo)記為 (xd，yd)，以上幾個(gè)坐標(biāo)系坐標(biāo)軸均互相平行。需要說明的是，振鏡坐標(biāo)(xs，ys)和相機(jī)坐標(biāo) (xp，yp)均具有局域性，超出特定的矩形限定范圍將是無意義的，因?yàn)槲锢砩喜豢蓪?shí)現(xiàn)。設(shè) 有IxsI彡25、IysI彡25、Xp彡0. 96和|yp|彡0. 72，即振鏡掃描范圍為50mmX 50mm，相 機(jī)視場(F0V, Field of View)大小為 1. 92mmX 1. 44mm。設(shè)當(dāng)XY工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)至編程坐標(biāo)位置(ΤΧ0，ΤΥ0)時(shí)，承片臺(tái)動(dòng)系中心(為承片臺(tái)上 某一虛擬參考點(diǎn)或真實(shí)參考點(diǎn))與振鏡掃描坐標(biāo)系中心重合，以下將會(huì)看到在Ρ2 二次上 片對(duì)位加工時(shí)，(ΤΧΟ,ΤΥΟ)為一個(gè)中間變量；在Pl加工時(shí)，(ΤΧΟ,ΤΥΟ)意義為可以單獨(dú)設(shè)置的工作零點(diǎn)坐標(biāo)。設(shè)(cam_X0ffset，Cam_y0ffSet)為相機(jī)坐標(biāo)系中心相對(duì)于振鏡掃描坐標(biāo) 系中心的偏移，這對(duì)偏移量容易由試驗(yàn)獲得。設(shè)所有獲得的坐標(biāo)(xp，yp)已經(jīng)過相機(jī)標(biāo)定， 單位為mm，與其它坐標(biāo)相同。則有下述關(guān)系式 P2加工時(shí)，不能僅考慮二次上片機(jī)械定位平移、旋轉(zhuǎn)誤差，因流片過程中工件通常 存在一定的收縮變形量，否則將可能會(huì)使加工完成后的部分圖形特征錯(cuò)位而影響成品率。 為此，我們將二次上片后，工件坐標(biāo)(u，ν)和承片臺(tái)動(dòng)系坐標(biāo)(xd，yd)建模為如下仿射映射 關(guān)系(齊次坐標(biāo)形式) 由式(1)、式(2)、式(3)，令
可得 記仿射變換矩陣孖=O21a21 b23，則有下述映射關(guān)系 仿射變換矩陣H，含有6個(gè)未知參數(shù)，已包含有平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、剪切和反射五種 基本變換，它能夠較好地表征工件自身變形誤差和剛體定位偏轉(zhuǎn)量兩項(xiàng)信息。為方便起見， 稱數(shù)據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)(u，ν)和相應(yīng)的通過視覺匹配模塊9所采集獲取的坐標(biāo)(Xp-Xt，yp_yt)為 一對(duì)匹配控制點(diǎn)。依據(jù)式(5)，利用三對(duì)不共線的匹配控制點(diǎn)，恰可以求得&11、&12、&13、321、 a22、a23、b13和b23。同時(shí)可以看到，變量a13與TX0、a23與TYO耦合在一起，因?yàn)闊o法獲知中間 變量ΤΧ0、ΤΥ0，從而也無法分離出a13、a23，但這無關(guān)緊要。在工件僅有均質(zhì)變形(即兩個(gè)坐 標(biāo)軸方向縮放變形量相同)、切變可以忽略不計(jì)時(shí)，此時(shí)仿射變換滿足an = a22和a12 = -a21 兩個(gè)約束(參數(shù)形如
縮放分量…為旋轉(zhuǎn)分量)，因而僅需要 兩對(duì)匹配控制點(diǎn)，即可求得仿射變換矩陣H。另外，為減小噪聲影響，可以利用三對(duì)以上匹配 控制點(diǎn)，基于最小二乘法，求得仿射變換參數(shù)的優(yōu)化估計(jì)值。定義如下誤差評(píng)價(jià)函數(shù)
=1
J取極小值時(shí)，此時(shí)各偏導(dǎo)數(shù)為零。令，就得到6個(gè)方程，寫成矩陣形式有 求解式(6)，即可求得6各待定參數(shù)的最佳估計(jì)。這些匹配控制點(diǎn)最好對(duì)稱分布， 若使用兩點(diǎn)對(duì)位，可取如圖11中所示的對(duì)角線方向兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)F1、F2 ；若使用四點(diǎn)對(duì)位，則 可以取如圖11中所示的圖形大小四個(gè)角點(diǎn)位置？1』2、？3、？4;若使用五點(diǎn)對(duì)位，可以在圖 形中心增設(shè)一個(gè)新對(duì)位基準(zhǔn)點(diǎn)F5，當(dāng)然也可以使用更多的對(duì)位基準(zhǔn)點(diǎn)。
由式(2)、式(4)，即可得到工件坐標(biāo)系空間坐標(biāo)(u，v)到加工平面空間坐標(biāo) (xs-xt, ys-yt)的映射關(guān)系
式(7)表明，在確保振鏡掃描加工坐標(biāo)(xs，ys)局域性的前提下，第一工作臺(tái)和第 二工作臺(tái)可以統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，也可以單獨(dú)控制。本發(fā)明所提供的實(shí)施例，采用單獨(dú)控制，即 用振鏡控制系統(tǒng)5控制第一工作臺(tái)，用XYZ工作臺(tái)控制系統(tǒng)11控制第二工作臺(tái)。如圖11所示，設(shè)DU、DV為區(qū)域劃分604模塊的數(shù)據(jù)分塊矩形大小。令非負(fù)整數(shù)
講二卜/乃^…^卜/化丄其中，丄」為向下取整運(yùn)算符，不同的m、n組合對(duì)應(yīng)于不同的振鏡 掃描網(wǎng)格單元，令振鏡掃描網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)坐標(biāo)us = u-(0. 5+m)Du,vs = v-(0. 5+n)Dv，不難看出則有 降式(8)代入式(7)，有； u=us+(0.5+m)Du,v=vs+(0.5+n)Dv由柯西不等式可知， 當(dāng)且僅當(dāng)anvs = a12us(即工件擺放位置與振鏡坐標(biāo)系成一定角度)時(shí)第-等號(hào)成立，當(dāng)且僅當(dāng)輸入坐標(biāo)(us，vs)處于數(shù)據(jù)分塊矩形四個(gè)角點(diǎn)時(shí)第二個(gè)等號(hào)成立，
同理有 —般地，因?yàn)楣ぜ湛s、切變兩種形變非常小，有咗，咗+fl222 。上面已 提及，振鏡坐標(biāo)(Xs，ys)具有局域性，超出特定的正方形限定范圍A_ (典型值為70mmX 70mm 正方形)，第一工作臺(tái)將變?yōu)槲锢砩喜豢蓪?shí)現(xiàn)系統(tǒng)。設(shè)振鏡校正范圍為邊長為A(典型值為 50mm)的正方形區(qū)域，一般有A <A_，在此正方形區(qū)域內(nèi)，振鏡掃描能夠保證加工精度。若
在數(shù)據(jù)分塊過程中，取，則有和| 義+ 22^^。在此振
鏡掃描局域性約束條件下，加工平面空間坐標(biāo)(xs_xt，ys-yt)可依式(11)分解為第一工作 臺(tái)坐標(biāo)(xs, ys)和第二工作臺(tái)坐標(biāo)(xt, yt)
xs^anus+anvs ys=aixUs+a22vs
—(11)
xt = -(bu + cam _ xoffset + (0.5 + m)Du + au(0.5 + n)Dv)
yt = ~(b23 + cam _ yoffset + alx (0.5 + m)Du + a22 (0.5 + n)Dv)
式(11)表明，整個(gè)加工是由第一工作臺(tái)坐標(biāo)(xs，ys)和第二工作臺(tái)坐標(biāo)(xt，yt) 協(xié)調(diào)配合完成的，是一種“拼接”加工。在P2加工情形，每次上片后，無需對(duì)原來的工件坐 標(biāo)(u，v)重新進(jìn)行區(qū)域劃分計(jì)算，對(duì)于每個(gè)振鏡掃描網(wǎng)格單元B[m，n]，只需將XY工作臺(tái) 定位至(-(b13+cam_xoffset+an (0. 5+m) Du+a12 (0. 5+n) Dv)，- (b23+cam_yoffset+a21 (0. 5+m)
anan0"Du+a22(0.5+n)Dv))，且對(duì)網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)坐標(biāo)(us, vs)施加變換付‘=a2Xan0執(zhí)行加工，001
即可將P2加工后的圖形特征位置誤差控制在理想精度范圍內(nèi)。這種坐標(biāo)變換處理方法，也 使得所述第二工作臺(tái)無需額外配置旋轉(zhuǎn)向直驅(qū)電機(jī)，也能處理工件機(jī)械定位有旋轉(zhuǎn)誤差情 形，從而降低機(jī)器構(gòu)造成本。振鏡掃描網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)坐標(biāo)(us，vs)和振鏡實(shí)際加工坐標(biāo)(xs， ys)的變換關(guān)系，如圖13所示意。本發(fā)明所述的上片機(jī)械定位方案，容易確保仿射變換旋轉(zhuǎn) 分量控制在士 10°范圍內(nèi)，式(10)的第一個(gè)等號(hào)不可能成立，此時(shí)在數(shù)據(jù)分塊操作時(shí)，僅 需將數(shù)據(jù)分塊網(wǎng)格矩形大小設(shè)為稍小于振鏡校正范圍即可，即Du = Dv = A- ￡，足可以確保
式(11〉有意義的前提條件^…^、丨^^)成立。式(11)可以推廣應(yīng)用至初次上片P1加工情形，此時(shí)可以令an = a22 = 1，a12 = a21 = 0，即仿射變換矩陣H僅包含平移變換。為了將CAD數(shù)據(jù)圖案加工于工件的不同位置， 可以滑動(dòng)坐標(biāo)(TX0-a13，TY0-a23)，這可以通過固定系統(tǒng)工作零點(diǎn)參數(shù)TX0、TY0，滑動(dòng)零點(diǎn)偏 移參數(shù)a13、a23來實(shí)現(xiàn)。參數(shù)TX0、TY0可以單獨(dú)設(shè)置，并可以通過人工觀測(cè)與激光加工中心 同軸的導(dǎo)引激光位置，確定最佳取值。在沒有導(dǎo)引激光的情況下，參數(shù)TX0、TY0最佳設(shè)置可 以通過加工試驗(yàn)確定。需要說明的是，以上推導(dǎo)過程，同樣適用于共軸、多相機(jī)情形，所不同的是共軸情 形下，相機(jī)偏置(Cam_XOffSet，cam_yoffset)取值為(0，0)；多相機(jī)情形下，將有多組相機(jī)
偏置(caml_xoffset, caml_yoffset) > (cam2_xoffset, cam2_yoffset)......，坐標(biāo)變換計(jì)算
模塊7將需要跟蹤當(dāng)前相機(jī)編號(hào)，以確保某幀圖像是由相對(duì)應(yīng)的相機(jī)采集得到的。另外，特別地，對(duì)于具備雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)而第一工作臺(tái)保持于加工中心不運(yùn)動(dòng) 或采取更為簡化的設(shè)計(jì)(僅存在第二工作臺(tái)，省掉了第一工作臺(tái))的固定光路加工情形，由
15式(7)，令振鏡掃描坐標(biāo)(xs, ys)為(0，0)，即可得到工件坐標(biāo)系空間坐標(biāo)(u, v)到第二工 作臺(tái)坐標(biāo)(xt，yt)的映射關(guān)系
f x = -(auu + a.7v + b,, + cam xoffset),…\ ''3 -\—(12) [y, = ~{a2lu + a22v + b23 + cam 一 yoffset)式(12)也同時(shí)適用于PI加工和P2加工情形PI加工時(shí)，可以令an = a22 = 1， a12 = a21 = 0，即仿射變換矩陣H僅包含平移變換。為了將CAD數(shù)據(jù)圖案加工于工件的不同 位置，可以滑動(dòng)坐標(biāo)(TX0-a13，TY0-a23)，這可以通過固定系統(tǒng)工作零點(diǎn)參數(shù)TXO、TY0，滑動(dòng) 零點(diǎn)偏移參數(shù)a13、a23來實(shí)現(xiàn)；P2加工時(shí)，同樣可以利用兩點(diǎn)對(duì)位、三點(diǎn)對(duì)位、四點(diǎn)對(duì)位、五點(diǎn) 對(duì)位或更多基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)位方式進(jìn)行匹配控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，然后基于式(5)求得仿射變換矩 陣H所包含的6個(gè)待定參數(shù)。本發(fā)明實(shí)施例所闡述的CAD/CAM數(shù)據(jù)處理、坐標(biāo)變換計(jì)算和視覺匹配等核心軟件 算法，能夠使所述激光加工系統(tǒng)集鉆孔、劃片、劃線和切割等多功能于一體，CAD數(shù)據(jù)直接驅(qū) 動(dòng)，可完成無縫拼接加工，排版、拼版加工和二次對(duì)位加工。HTCC(高溫共燒陶瓷)制程工藝與LTCC制程工藝比較，除生瓷片厚度(HTCC生瓷 片典型厚度為0. 2mm 0.4mm)和燒結(jié)溫度不同外，工藝流程基本相同。本發(fā)明所述的裝置 及其加工方法，尤為適合在大規(guī)模LTCC/HTCC制程工藝生產(chǎn)線上應(yīng)用，其有效性在實(shí)際應(yīng) 用中得到了驗(yàn)證。采用雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中所述第一工作臺(tái)慣量小、加減速極快，用以保證獲得 高加工效率；所述第二工作臺(tái)用以輔助第一工作臺(tái)以完成大幅面數(shù)據(jù)圖案的“拼接”加工。 同時(shí)，第一工作臺(tái)可以利用第二工作臺(tái)和圖像采集裝置8，進(jìn)行在線振鏡校正。本加工方法，可包括CAD/CAM數(shù)據(jù)處理、坐標(biāo)變換計(jì)算和視覺匹配三個(gè)關(guān)鍵軟件 模塊。所述的CAD/CAM數(shù)據(jù)處理模塊，流程包括CAD圖形輸入文件解析、數(shù)據(jù)規(guī)范化、基本 圖元分解、區(qū)域劃分、軌跡生成與優(yōu)化、工藝參數(shù)設(shè)置和NC文件保存等幾大步驟。所述的區(qū)域劃分過程，以數(shù)據(jù)規(guī)范化后的工件坐標(biāo)(u，v)作為輸入，依下述數(shù)學(xué) 式求得各振鏡掃描網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)坐標(biāo)(us，vs)。
m = [ulDu\,n = \y/Dv\ % 二 m - (0.5 + m)Du，二 v - (0.5 + n)Dv其中，Du、Dv為區(qū)域劃分模塊的數(shù)據(jù)分塊網(wǎng)格矩形大小，L 為向下取整運(yùn)算符，不 同的m、n組合對(duì)應(yīng)于不同的振鏡掃描網(wǎng)格單元，不難看到A。所述的方法，第一工作臺(tái)各振鏡掃描網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)坐標(biāo)，到第一工作臺(tái)加工坐標(biāo) (xs, ys)和第二工作臺(tái)加工坐標(biāo)(xt，yt)的映射關(guān)系為在確保振鏡掃描加工坐標(biāo)(xs，ys)局域性的前提下，第一工作臺(tái)和第二工作臺(tái)可 以統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，也可以單獨(dú)控制。所述的方法，在DU=DV=令A(yù) (A為正方形區(qū)域振鏡校正范
16圍邊長)區(qū)域劃分條件下，振鏡掃描局域性約束條件得以嚴(yán)格保證，即
全乂。可以利用下述數(shù)學(xué)式計(jì)
算第一工作臺(tái)加工坐標(biāo)(xs，ys)和第二工作臺(tái)加工坐標(biāo)(xt，yt)
其中(cam_xoffset，cam_yoffset)為相機(jī)坐標(biāo)系中心相對(duì)于振鏡掃描坐標(biāo)系中 心的偏移。整個(gè)加工過程是由第一工作臺(tái)坐標(biāo)(xs，ys)和第二工作臺(tái)坐標(biāo)(xt，yt)協(xié)調(diào)配 合完成的，是一種“拼接”加工。所述的方法，在P1加工情形，可以令an = a22 = l,a12 = a21 = 0，即仿射變換矩陣 H僅包含平移變換。為了將CAD數(shù)據(jù)圖案加工于工件的不同位置，可以滑動(dòng)坐標(biāo)(TX0-a13， TY0-a23)，這可以通過在固定系統(tǒng)工作零點(diǎn)參數(shù)TXO、TY0設(shè)置的條件下，滑動(dòng)零點(diǎn)偏移參數(shù) ai3、a23 來實(shí)現(xiàn)。所述的加工方法，在P2加工情形，需要先基于圖像采集裝置和視覺匹配模塊進(jìn)行 匹配控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，然后基于下述數(shù)學(xué)式求取仿射模型中的6個(gè)待定參數(shù)估計(jì)。 其中(Xp，yp)為基準(zhǔn)對(duì)位標(biāo)記圖像在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。采用三點(diǎn)(非共線)對(duì)位方式采集三對(duì)匹配控制點(diǎn)，恰可以求得6個(gè)待定參數(shù)估 計(jì)；在工件僅有均質(zhì)變形(即兩個(gè)坐標(biāo)軸方向縮放變形量相同)、切變可以忽略不計(jì)時(shí)，有 an = a22和a12 = -a21兩個(gè)約束條件，因此可以采取兩點(diǎn)對(duì)位方式求得待定參數(shù)；也可以采 用四點(diǎn)對(duì)位、五點(diǎn)對(duì)位或更多基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)位方式，基于最小二乘法獲得優(yōu)化的參數(shù)估計(jì)，從而 減小數(shù)據(jù)噪聲的影響。每次上片后，無需對(duì)原來的工件坐標(biāo)(u，v)重新進(jìn)行區(qū)域劃分計(jì)算，對(duì)于每個(gè) 振鏡掃描網(wǎng)格單元B [m，n]，只需將XY工作臺(tái)定位至(-(b13+cam_xof f set+an (0. 5+m) Du+a12 (0. 5+n)Dv), - (b23+cam_yof f set+a21 (0. 5+m) Du+a22 (0. 5+n)Dv))，且對(duì)網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)坐
執(zhí)行加工，即可將P2加工后的圖形特征位置誤差控制在理想精度范圍內(nèi)。所述的加工方法，可以擴(kuò)展至固定光路加工情形，即第一工作臺(tái)保持于加工中心 不運(yùn)動(dòng)或采取更為簡化的設(shè)計(jì)(僅存在第二工作臺(tái)，省掉了第一工作臺(tái))情形。此時(shí)，令振 鏡掃描坐標(biāo)(xs，ys)為(0，0)，即可得到工件坐標(biāo)空間坐標(biāo)(u，v)到加工坐標(biāo)空間(即第二 工作臺(tái)坐標(biāo)(xt，yt))的映射關(guān)系 標(biāo)(us, vs)施加變換# =
I' =+ QnV + b^+Cam- xoffset、
= -(a2lu + a22v + b23 + cam — yoffset)所述的加工方法，可以擴(kuò)展至振鏡掃描中心與相機(jī)中心共軸、多相機(jī)圖像采集情 形。共軸情形下，相機(jī)偏置(Cam_X0ffset，Cam_y0ffset)取值為(0，0)；多相機(jī)情形下，將有
多組相機(jī)偏置(caml_xoffset, caml_yoffset) > (cam2_xoffset, cam2_yoffset)......，坐標(biāo)
變換計(jì)算模塊將需要跟蹤當(dāng)前相機(jī)編號(hào)，以確保某幀圖像是由相對(duì)應(yīng)的相機(jī)采集得到的。該加工方法，考慮了工件的縮放、切變形變和定位平移、旋轉(zhuǎn)誤差，基于統(tǒng)一的仿 射變換模型處理非對(duì)位和對(duì)位加工兩種情形，從而將CAD數(shù)據(jù)圖案轉(zhuǎn)移至工件并使得加工 后的圖形特征位置誤差控制在理想精度范圍內(nèi)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
18
權(quán)利要求
一種雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)，其特征在于具有以下機(jī)械結(jié)構(gòu)第一工作臺(tái)、第二工作臺(tái)、激光束傳遞裝置(LBDS)、真空吸附承片臺(tái)和圖像采集裝置；第一工作臺(tái)，即二維掃描振鏡組件(3)，其結(jié)構(gòu)具有第一反射鏡(31)、第二反射鏡(32)，它和遠(yuǎn)心f-θ透鏡(33)和支撐框架(34)；第二工作臺(tái)，即XYZ三維工作臺(tái)；激光束傳遞裝置(LBDS)(4)，由激光器(41)、激光束擴(kuò)束鏡(42)和其它光學(xué)轉(zhuǎn)向鏡組成，它和振鏡組件(3)通過光學(xué)耦合方式物理連接；真空吸附承片臺(tái)(1)，安裝于Y向工作臺(tái)(102)上，跟隨XY工作臺(tái)(10)在水平面內(nèi)移動(dòng)，用以完成工件(2)的定位和吸附；工件(2)位于振鏡組件(3)的遠(yuǎn)心f-θ透鏡(33)的下方；圖像采集裝置(8)，具有CMOS圖像傳感器(81)、2X放大物鏡(82)和LED環(huán)形照明光源(83)；振鏡組件(3)和圖像采集裝置(8)均裝在Z向工作臺(tái)(103)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)，其特征在于所述的XYZ三維工作 臺(tái)具有十字疊裝式XY工作臺(tái)(10)及其上面的Z向工作臺(tái)(103)；十字疊裝式XY工作臺(tái) (10)即兩維導(dǎo)軌式工作臺(tái)，設(shè)有絲杠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，利用永磁同步電機(jī)(PMSM)驅(qū)動(dòng)、絲杠傳動(dòng)、 滑動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)向完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，并通過兩條開放式光柵尺(119)進(jìn)行位置 測(cè)量和構(gòu)成全閉環(huán)定位控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)，其特征在于所述的真空吸附 承片臺(tái)具有承片臺(tái)基座(12)、承片臺(tái)基板(13)和承片臺(tái)外框(14)，承片臺(tái)外框中間為蜂窩 板(16)，蜂窩板的真空腔通過彈簧軟管與吸塵器連接，工件(2)通過膠帶(29)粘接在工件 框架(28)上，真空吸附機(jī)械手放置于蜂窩板上，并設(shè)有微型導(dǎo)桿氣缸(19)、固定板(17)、夾 緊板(18)和圓柱定位銷(27)組成的氣動(dòng)卡具工件機(jī)械定位機(jī)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)的加工方法，其特征在于分 為Pl非對(duì)位加工或P2對(duì)位加工兩種情形，兩種情形可以基于統(tǒng)一的仿射變換模型，將工 件坐標(biāo)空間映射到加工坐標(biāo)空間，即第一工作臺(tái)加工坐標(biāo)(xs，ys)和第二工作臺(tái)加工坐標(biāo) (xt, yt)，從而將CAD數(shù)據(jù)圖案轉(zhuǎn)移至工件，使加工后的圖形特征位置誤差控制在理想精度“11 “12 辦 13范圍內(nèi)；所述的仿射變換模型，可用一個(gè)仿射變換矩陣H= 21 22 δ23表示，待定參數(shù)`0 0 1 _&、％、％、％、、* b23除表征了剛體定位平移、旋轉(zhuǎn)分量信息外，還建模了工件自身縮放、 切變兩種變形誤差信息；工件坐標(biāo)經(jīng)過CAD/CAM數(shù)據(jù)處理模塊(6)處理后得到的第一工作 臺(tái)各振鏡掃描網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)坐標(biāo)(us，vs)，到第一工作臺(tái)加工坐標(biāo)(xs，ys)和第二工作臺(tái)加 工坐標(biāo)(xt，yt)的映射關(guān)系為J Xs-Xl = aUus + auvs +^13 + cam_xoffset + αη(0.5 + m)Du + au(0.5 + n)Dv 1 兄 ~y, = a2ius + a2ivs + K + cam_y°ffset + 2i(0.5 + m)Du + a22(0.5 + n)Dv在確保振鏡掃描加工坐標(biāo)(xs，ys)局域性的前提條件下，第一工作臺(tái)和第二工作臺(tái)可 以統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，也可以單獨(dú)控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)的加工方法，其特征在于所述的P1 非對(duì)位加工情形下，仿射變換矩陣H僅包含平移變換，即an = a22 = 1，a12 = a21 = 0，通過 在固定系統(tǒng)工作零點(diǎn)參數(shù)TXO、TY0設(shè)置的條件下，滑動(dòng)零點(diǎn)偏移參數(shù)a13、a23，可以實(shí)現(xiàn)將 CAD數(shù)據(jù)圖案加工于工件的不同位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)的加工方法，其特征在于所述的 P2對(duì)位加工情形下，每次上片后，無需對(duì)原來的工件坐標(biāo)(u，v)重新進(jìn)行區(qū)域劃分(604) 計(jì)算，對(duì)于每個(gè)振鏡掃描網(wǎng)格單元B[m，n]，只需將XY工作臺(tái)(10)定位至坐標(biāo)(-(b13+cam_ xoffset+an (0. 5+m) Du+a12 (0. 5+n) Dv), - (b23+cam_yoffset+a21 (0. 5+m) Du+a22 (0. 5+n) Dv)),且 對(duì)網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)坐標(biāo)(Us，vs)施加變換 后執(zhí)行振鏡掃描加工，即可將P2 加工后的圖形特征位置誤差控制在理想精度范圍內(nèi)；這種坐標(biāo)變換處理方法，也使得所述 第二工作臺(tái)無需額外配置旋轉(zhuǎn)向直驅(qū)電機(jī)，也能處理工件機(jī)械定位有旋轉(zhuǎn)誤差情形，從而 降低機(jī)器構(gòu)造成本；所述的待定參數(shù)計(jì)算方法，需要先基于圖像采集裝置(8)和視覺匹配模塊(9)進(jìn)行匹 配控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，然后基于下述數(shù)學(xué)式求取仿射模型中的6個(gè)待定參數(shù)估計(jì)；[xp-xt yp-yt 1]T = H[u v 1]T其中，(xp，yp)為基準(zhǔn)對(duì)位標(biāo)記圖像在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；采用三點(diǎn)(非共線)對(duì)位方式采集三對(duì)匹配控制點(diǎn)，恰可以求得6個(gè)待定參數(shù)估計(jì)；在 工件僅有均質(zhì)變形(即兩個(gè)坐標(biāo)軸方向縮放變形量相同)、切變可以忽略不計(jì)時(shí)，有an = a22和a12 = -a21兩個(gè)約束條件，因此可以采取兩點(diǎn)對(duì)位方式求得待定參數(shù)；也可以采用四點(diǎn) 對(duì)位、五點(diǎn)對(duì)位或更多基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)位方式，基于最小二乘法獲得優(yōu)化的參數(shù)估計(jì)，從而減小數(shù) 據(jù)噪聲的影響。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)的加工方法，其特征在于所述的 CAD/CAM數(shù)據(jù)處理模塊(6)，其處理流程包括CAD圖形輸入文件解析(601)、數(shù)據(jù)規(guī)范化 (602)、基本圖元分解(603)、區(qū)域劃分(604)、軌跡生成與優(yōu)化(605)、工藝參數(shù)設(shè)置(606) 和NC文件保存(607)等幾大步驟；所述的區(qū)域劃分過程，以數(shù)據(jù)規(guī)范化后的工件坐標(biāo)(u，v)作為輸入，依下述數(shù)學(xué)式求 得各振鏡掃描網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)坐標(biāo)(us，vs)； 其中，DU、DV為區(qū)域劃分模塊的數(shù)據(jù)分塊網(wǎng)格矩形大小，」為向下取整運(yùn)算符，不同的 m、n組合對(duì)應(yīng)于不同的振鏡掃描網(wǎng)格單元，且有局域性條件<^DU ,|vj S成立。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)的加工方法，其特征在于所 述的振鏡掃描加工坐標(biāo)(xs，ys)局域性的條件，可以通過選擇數(shù)據(jù)分塊網(wǎng)格矩形大小DU=DV=^A (A為正方形區(qū)域振鏡校正范圍的邊長)得以嚴(yán)格保證；此時(shí)，可以利用下述數(shù)學(xué)式計(jì)算第一工作臺(tái)加工坐標(biāo)(xs，ys)和第二工作臺(tái)加工坐標(biāo) 其中，(cam_xoffset，cam_yoffset)為相機(jī)坐標(biāo)系中心相對(duì)于振鏡掃描坐標(biāo)系中心的 偏移；由下述不等式，可以得知振鏡掃描坐標(biāo)局限于邊長為A的正方形區(qū)域；
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)的加工方法，其特征在于所述的仿 射變換模型可以擴(kuò)展至固定光路加工情形，即第一工作臺(tái)保持于加工中心不運(yùn)動(dòng)或采取更 為簡化的設(shè)計(jì)(僅存在第二工作臺(tái)，省掉了第一工作臺(tái))的情形；此時(shí)，令振鏡掃描坐標(biāo)(xs，ys)為(0，0)，即可得到工件坐標(biāo)空間坐標(biāo)(u，v)到加工坐 標(biāo)空間(即第二工作臺(tái)坐標(biāo)(xt，yt))的映射關(guān)系
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)的加工方法，其特征在于所述的 視覺匹配模塊(9)的匹配算法精度，與所述圖像采集裝置中物鏡(82)的放大倍率相關(guān)，放 大倍數(shù)越大，像素分辨率就越高，計(jì)算也越精確；然而，放大倍率越大時(shí)，視場也越小，基準(zhǔn) 對(duì)位標(biāo)記圖像跳出圖像視場的概率也越大，因而需要基于機(jī)械定位精度選擇物鏡放大倍率。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光加工機(jī)及其加工方法，涉及激光精密加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。具有第一工作臺(tái)、第二工作臺(tái)、激光束傳遞裝置(LBDS)、真空吸附承片臺(tái)和圖像采集裝置；加工方法基于統(tǒng)一的仿射變換模型處理P1非對(duì)位和P2對(duì)位加工兩種情形；將工件坐標(biāo)空間映射到加工坐標(biāo)空間，即第一工作臺(tái)加工坐標(biāo)和第二工作臺(tái)加工坐標(biāo)，將CAD數(shù)據(jù)圖案轉(zhuǎn)移至工件，使加工后的圖形特征位置誤差控制在理想精度范圍內(nèi)；利用本發(fā)明，可以有效提高P1工序的加工效率，并能有效處理P2工序因工件變形所帶來的自動(dòng)視覺對(duì)位準(zhǔn)確性難題，從而降低成本并提高產(chǎn)能；其結(jié)構(gòu)簡單，原理、方法獨(dú)特。尤為適合在大規(guī)模LTCC/HTCC制程工藝生產(chǎn)線上應(yīng)用。
文檔編號(hào)B23K26/36GK101870039SQ201010198930
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月12日
發(fā)明者劉紅英, 孟凡輝, 宋波, 張孝其, 王定臨, 許志偉, 趙志偉, 高愛梅 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所