TW201902605A - 多軸工具、其控制方法和相關配置 - Google Patents

多軸工具、其控制方法和相關配置 Download PDF

Info

Publication number
TW201902605A
TW201902605A TW107115277A TW107115277A TW201902605A TW 201902605 A TW201902605 A TW 201902605A TW 107115277 A TW107115277 A TW 107115277A TW 107115277 A TW107115277 A TW 107115277A TW 201902605 A TW201902605 A TW 201902605A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
axis
actuator
frequency
workpiece
axis actuator
Prior art date
Application number
TW107115277A
Other languages
English (en)
Inventor
廣 陸
布萊恩 強漢森
馬克 寇摩斯基
可偉 盧
李光宇
Original Assignee
美商伊雷克托科學工業股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商伊雷克托科學工業股份有限公司 filed Critical 美商伊雷克托科學工業股份有限公司
Publication of TW201902605A publication Critical patent/TW201902605A/zh

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B23K26/0876—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions
    • B23K26/0884—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions in at least three axial directions, e.g. manipulators, robots
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special environment or atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/127—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special environment or atmosphere, e.g. in an enclosure in an enclosure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special environment or atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/127—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special environment or atmosphere, e.g. in an enclosure in an enclosure
    • B23K26/128—Laser beam path enclosures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B23K26/706—Protective screens

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Numerical Control (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)

Abstract

提供基於雷射之工具機及用於控制該工具機之技術的各種實施例。一些實施例係關於用以促進對工件之均一且可再現處理之技術。其他實施例係關於具有可快速改變之焦距的變焦透鏡。其他實施例係關於基於雷射之多軸工具機之各種特徵，該等特徵可促進雷射能量至掃描頭之有效遞送、可解決在工件處理期間可能產生的熱機問題，等。另一實施例係關於用於最小化或防止顆粒物質在處理期間在工件表面上之不合需要之聚積。亦詳述數個其他實施例及佈置。

Description

多軸工具、其控制方法和相關配置
本發明之實施例大體而言係關於用於實現自動運動控制之系統及方法，其中使用一或多個致動器來控制多軸工具機中之工具的位置或移動。
相關申請案之交互參照
本申請案主張2017年5月25日申請之美國臨時申請案第62/511,072號及2017年5月5日申請之美國臨時申請案第62/502,311號的權益，該等申請案中之每一者以全文引用方式併入本文中。
運動控制在機器人系統(例如，涉及多關節型機器人組態、笛卡爾座標型機器人組態、圓柱座標型機器人組態、極座標型機器人組態、三角型機器人組態等等或其組合)、數值控制(NC)機器、電腦化NC(CNC)機器等等(本文中一般統稱為「工具機」，該等工具機可適於處理工件)中係重要的態樣。此等工具機通常包括一或多個控制器、一或多個致動器、一或多個感測器(各自提供為離散裝置，或嵌入致動器中)、工具架或工具頭，以及各種資料通信子系統、操作員介面等等。取決於所包括致動器的類型及數目，可將工具機提供為具有多個可獨立控制的運動軸之「多軸」工具機。
機械加工及其他自動化應用中對較高生產率之持續的市場需要已導致越來越多地使用具有各種類型之致動器、感測器及相關控制器的工具 機。在一些情況下，多軸工具機(本文中亦稱為「混合多軸工具機」)可具備能夠沿著相同方向，但在不同頻寬下賦予移動之多個致動器。通常，若第一致動器可回應於具有給定頻譜或頻率內容之命令信號而賦予移動比第二致動器可回應於相同命令信號而賦予移動更準確，則一個致動器(例如，第一致動器)可表徵為具有比另一致動器(例如，第二致動器)更高的頻寬。然而，第一致動器可賦予移動之運動範圍通常將小於第二致動器可賦予移動之運動範圍。
決定應在混合多軸工具機之相對高頻寬致動器與相對低頻寬致動器之間分配哪些運動分量並非容易的任務。常見策略涉及操作一或多個相對低頻寬致動器來使將要處理之工件移動且/或將使一或多個相對高頻寬致動器移動至將要在其中處理工件之所要位置或「區」，並且然後當在處理工件期間操作(數個)相對高頻寬致動器時，保持(數個)相對低頻寬致動器之位置恆定。此後，操作(數個)相對低頻寬致動器來使工件及/或(數個)相對高頻寬致動器移動至將要在其中處理工件之另一「區」。運動控制之此種「逐個區」方法(亦稱為「分步重複」方法)係不合需要的，因為其顯著限制混合多軸工具機之產出量及靈活性。亦可能難以適當地或有利地定義可在其中操作(數個)相對高頻寬致動器之各種工件「區」。
以全文引用方式併入本文中之美國專利案第8,392,002號被理解為藉由處理零件描述程式以將零件描述程式中所定義之工具尖軌跡(基於頻率)分解成適合於混合多軸工具機之相對低頻寬致動器及相對高頻寬致動器的多組不同的位置控制資料，來解決與實施「逐個區」方法相關聯之上述問題。然而，並且如美國專利案第8,392,002號中所確認，當混合多軸工具機經組配來使用具有騎在3軸笛卡爾級上之兩個旋轉軸的5軸CNC機械手來固持工件，並且包括相對高頻寬致動器來使工具尖在3個笛卡爾軸中移動時，使用基於頻率的分解方法可導致與旋轉軸相關聯之角度的錯誤。
一個實施例可大致表徵為一種用於處理一工件之基於雷射之多軸工具機，其中該工具包括：一雷射源，其經組配來產生雷射光；一支撐框架；一掃描頭；一第一致動器，其耦接於該支撐框架與該掃描頭之間，其中該第一致動器經佈置且經組配來沿著一第一方向相對於該支撐框架平移該掃描頭；一第二致動器，其耦接於該第一致動器與該支撐框架之間，其中該第二致動器經佈置且經組配來沿著一第二方向相對於該支撐框架平移該掃描頭及該第一致動器；以及複數個鏡，其經佈置且經組配來沿著一傳播路徑將該雷射光自該雷射源導引至該掃描頭。該複數個鏡可包括：一第一鏡，其耦接至該支撐框架；以及一第二鏡，其耦接至該第二致動器，使得該第二鏡可相對於該第一鏡沿著該第二方向移動且使得該掃描頭可相對於該第二鏡沿著該第一方向移動。
另一實施例可大致表徵為一種用於處理一工件之基於雷射之工具機，其中該工具包括：一雷射源，其經組配來產生雷射光，該雷射光可沿著一傳播路徑傳播；一掃描透鏡，其佈置於該傳播路徑中；一第一致動器，其耦接至該掃描透鏡，其中該第一致動器經佈置且經組配來沿著一第一方向移動該掃描透鏡；以及一變焦透鏡，其在該傳播路徑中佈置於該掃描透鏡與該雷射源之間。
另一實施例可大致表徵為一種用於利用雷射光處理一工件之多軸工具機，其中該工具包括：一雷射源，其經組配來產生該雷射光，該雷射光可沿著一傳播路徑傳播以在一光點處照射該工件；一工件定位總成，其可操作以移動該工件；一工具尖定位總成，其可操作以移動該光點；以及一控制器，其可操作地耦接至該工件定位總成及該工具尖定位總成，其中該控制器可操作以控制選自由該工件定位總成及該工具尖定位總成組成的組中之至少一者的一操作，以引起該工件與該光點之間的以一恆定速度之相對移動。該相對移動可 包括繞著一第一軸之同時旋轉移動及沿著不同於該第一軸之一第二軸的線性移動。
100‧‧‧控制系統
102‧‧‧相對低頻寬X軸致動器
104‧‧‧相對低頻寬Y軸致動器
106‧‧‧相對低頻寬Z軸致動器
108‧‧‧相對高頻寬X軸致動器
110‧‧‧相對高頻寬Y軸致動器
112‧‧‧相對高頻寬Z軸致動器
114‧‧‧B軸致動器
116‧‧‧C軸致動器
118‧‧‧反向運動變換
120‧‧‧處理級
122‧‧‧正向運動變換
124‧‧‧處理級
126‧‧‧求和器
200‧‧‧工件定位總成
201‧‧‧工件定位總成
300‧‧‧工具尖定位總成
302‧‧‧掃描透鏡
304‧‧‧傳播路徑
306a‧‧‧鏡
306b‧‧‧鏡
308a‧‧‧馬達
308b‧‧‧馬達
310‧‧‧雙箭頭
400‧‧‧控制系統
402‧‧‧B軸致動器
404‧‧‧C軸致動器
406‧‧‧求和器
500‧‧‧速度處理級
600‧‧‧定位總成調整處理級
900‧‧‧變焦透鏡
902‧‧‧物鏡元件
904‧‧‧會聚透鏡元件
906‧‧‧雷射光束
908‧‧‧焦點
1300‧‧‧即時錯誤校正系統
1301‧‧‧即時錯誤校正系統
1302‧‧‧正向運動變換
1400‧‧‧多軸工具機
1402‧‧‧雷射源
1404a‧‧‧第一光學光閥
1404b‧‧‧第二光學光閥
1406a‧‧‧第一摺疊鏡
1406b‧‧‧第二摺疊鏡
1406c‧‧‧第三摺疊鏡
1406d‧‧‧第四摺疊鏡
1406e‧‧‧第五摺疊鏡
1406f‧‧‧第六摺疊鏡
1406g‧‧‧第七摺疊鏡
1406h‧‧‧第八摺疊鏡
1406i‧‧‧第九摺疊鏡
1408a‧‧‧第一準直儀
1408b‧‧‧第二準直儀
1409‧‧‧夾具
1410‧‧‧掃描頭
1412‧‧‧處理基座
1413‧‧‧支架
1414‧‧‧系統基座
1416‧‧‧支撐框架
1418‧‧‧支撐件
1420‧‧‧橫桿
1422‧‧‧光學件壁
1424‧‧‧光學埠
1426‧‧‧鏡支撐橫桿
d 1 ‧‧‧第一停留時間
d 2 ‧‧‧第二停留時間
d s ‧‧‧移位距離
d fp ‧‧‧距離
f 1 ‧‧‧第一焦距
f 2 ‧‧‧第二焦距
f 3 ‧‧‧第三焦距
p 0‧‧‧第二處理工具路徑開始位置
p 1‧‧‧減速位置
p 2‧‧‧後移位置
p 3‧‧‧所要速度位置
圖1為示意性地例示根據一個實施例之用於控制多軸工具機的控制系統之方塊圖。
圖2A及圖2B示意性地例示根據本發明之一些實施例的工件定位總成。
圖3示意性地例示根據本發明之一個實施例的工具尖定位總成。
圖4為示意性地例示根據另一實施例之用於控制多軸工具機的控制系統之方塊圖。
圖5及圖6為示意性地例示根據本發明的一些實施例之預處理級之方塊圖。
圖7及圖8示意性地例示根據本發明的一些實施例之與定位總成調整技術相關聯之示例性位置及移動。
圖9、圖10及圖11示意性地例示根據本發明的一個實施例的包括變焦透鏡之光學佈置。
圖12為例示使用關於圖9、圖10及圖11所描述而組配的變焦透鏡執行的實驗之結果的曲線圖。
圖13及圖13B為示意性地例示用於實施錯誤校正技術之錯誤校正系統的一些實施例之方塊圖。
圖14為示意性地例示根據一個實施例之混合多軸工具機之透視圖。
圖15為示意性地例示沿著圖14中的線XV-XV'截取的圖14中所示之混合多軸工具機之部分側視平面圖。
本文參考隨附圖式描述示例性實施例。除非另外明確地說明， 否則在圖式中，組件、特徵、元件等之尺寸、位置等，以及其間的任何距離不一定按比例，而是為清晰起見加以誇示。在圖式中，相同編號通篇指代相同元件。因此，可能在參考其他圖式時描述相同或類似數字，即使該等數字在對應圖式中未提及亦未描述。又，即使未經參考數字指示之元件亦可能參考其他圖式加以描述。
本文所使用之術語僅出於描述特定示例性實施例之目的且不意欲係限制性的。除非另外定義，否則本文中所使用之所有術語(包括技術及科學術語)具有一般熟習此項技術者通常所理解之相同意義。如本文所使用，除非上下文另外明確指示，否則單數形式「一」及「該」意欲亦包括複數形式。應意識到，本說明書使用術語「包含」來指定所述特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件之存在，而並不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或添加。除非另外指出，否則值之範圍在被陳述時包括該範圍之上限及下限以及上限與下限之間的任何子範圍。除非另外指示，否則諸如「第一」、「第二」等僅用來區分一個元件與另一個元件。例如，一個節點可被稱為「第一節點」，並且類似地，另一節點可被稱為「第二節點」，或反之亦然。
除非另外指示，否則術語「約」、「大約」等意謂量、尺寸、配方、參數及其他數量及特性並非且不需要係確切的，而是可按需要為近似的及/或較大或較小的，從而反映容限、轉換因子、捨位、量測錯誤等等，及熟習此項技術者已知的其他因子。為便於描述，本文可使用諸如「下方」、「之下」、「下部」、「上方」及「上部」等等空間相對術語來描述一個元件或特徵與另一元件或特徵之關係，如圖中所例示。應意識到，空間相對術語意欲涵蓋除圖中所描繪之定向之外的不同定向。例如，若翻轉圖中之物件，則被描述為「在其他元件下方」或「在其他元件之下」的元件或特徵隨後將被定向為 「在其他元件或特徵上方」。因此，示例性術語「下方」可涵蓋上方及下方兩種定向。物件可以其他方式定向(例如，旋轉90度或在其他定向上)，且可相應地解釋本文所使用之空間相對描述符。
本文中所使用之章節標題僅用於組織目的，且除非另外明確地陳述，否則該等章節標題不應被理解為限制所描述之標的。應瞭解，諸多不同形式、實施例及組合在不背離本揭示案之精神及教示的情況下係可能的，且因此本揭示案不應被視為限於本文所闡明之示例性實施例。實情為，提供此等實例及實施例以使得本揭示案係全面及完整的，並且將揭示內容之範疇傳達給熟習此項技術者。
I.系統概述
本文中所描述的實施例通常可表徵為關於經組配來處理工件之多軸工具機、用於控制此類多軸工具機之方法及相關佈置。可根據本文所描述之實施例來控制之多軸工具機之實例包括刳刨機、銑床、電漿切割機、放電加工(EDM)系統、雷射切割機、雷射刻線機、雷射鑽孔機、雷射雕刻機、遠程雷射焊接機器人、3D印表機、噴水切割機、研磨噴射切割機等等。因此，多軸工具機可表徵為經組配來使工件與諸如刳刨機刀頭、鑽頭、工具刀頭、磨碎刀頭、刀片等之機械結構接觸，以對形成工件之一或多種材料進行移除、切割、拋光、粗糙化等。另外或替代地，多軸工具機可表徵為經組配來引導能量(例如，呈如下形式：由雷射源產生之雷射光、由火炬產生之熱量、由離子源或電子源產生之離子束或電子束等等，或其任何組合)，引導物質(例如，水、空氣、砂或其他研磨顆粒、油漆、金屬粉末等等或其任何組合)之串流或射流等等或其任何組合，以對形成工件之一或多種材料進行移除、切割、鑽孔、拋光、粗糙化、加熱、熔化、汽化、削磨、碎裂、標記、變色、發泡、噴塗或塗佈、去除塗層、清潔、焊接、刻劃、雕刻，或以其他方式修改或改變該或該等材料 之一或多個性質或特性(例如，化學組成、晶體結構、電子結構、微結構、奈米結構、密度、黏度、折射率、磁導率、相對電容率、外部或內部視覺外觀、紋理、對任何波長之光的透射率、對任何波長之光的反射率，等)。此類材料可在工件處理之前或工件處理期間存在於工件之外表面處，或可在工件處理之前或工件處理期間位於工件內(即，不存在於工件之外表面處)。可由於處理而形成在工件上或工件內之示例性特徵可包括一或多個開口、狹槽、通孔或其他孔、凹槽、通道、溝槽、切割道、鋸痕、凹入區域、傳導跡線、歐姆接點、抗蝕劑圖案、人類可察覺或機器可讀標誌等，或其任何組合。如本文中所使用，人類可察覺或機器可讀標誌可包括在工件中或工件上的具有不同於工件之鄰接或以其他方式鄰近於該特徵的任何區域之任何對應特性的前述性質或特性中的一或多者之一或多個區域。
無論如何處理工件，用來實現對工件之處理的任何機構(例如，任何前述機械結構、任何所引導能量、所引導物質之串流或射流等等，或其任何組合)在本文中均被稱為「工具」。諸如前述機械結構中之任一者之任何工具可在本文中亦稱為「接觸式工具」，且諸如所引導能量、物質之所引導串流或射流等之任何工具可在本文中亦稱為「非接觸式工具」。該多軸工具機可包括一或多個工具子系統(例如，各自與諸如上文所論述之不同工具相關聯)，該或該等工具子系統可選擇性地啟動或以其他方式嚙合以使用工具處理工件。舉例而言，若該工具提供為前述機械結構中之任一者，則多軸工具機可包括用於旋轉或以其他方式移動該工具之工具子系統(例如，刳刨機(router)、鑽機、碾磨機，等)。若該工具提供為所引導能量，則多軸工具機可包括工具子系統，諸如雷射子系統(例如，若所引導能量為雷射光)、火炬子系統(例如，若所引導能量為熱)、EDM子系統或其他電子或離子束源(例如，若所引導能量為電子束、離子束，等)。若工具提供為物質之所引導串流或射流，則多軸工具機可包括工具 子系統，諸如噴水切割機、研磨噴射切割機、氣槍噴霧器、靜電噴霧上漆系統，等。
工具的實體地接觸工件或以其他方式與工件互動(例如，經由吸收工件內的熱量或電磁輻射、藉由將入射電子或離子之動能轉換成工件內的熱量、藉由工件腐蝕等)之部分或數個部分在本文中單獨且統稱為「工具尖」，並且工件的最終由工具處理(例如，在工具尖處)之任何區域在本文中被稱為「加工區域」。在工具為可繞與工件相交之軸(在本文中亦稱為「加工軸」)旋轉之機械結構(例如，如同刳刨機刀頭、鑽頭等的情況)或工具為沿著與工件相交之軸被引導至工件上的能量或物質之串流或射流的實施例中，加工軸相對於工件表面之部分(加工軸與該部分相交)的角度在本文中被稱為「加工角度」。
多軸工具機包括一或多個致動器，用來定位工具尖、定位工件、使工具尖相對於工件移動、使工件相對於工具尖移動，或其任何組合。因此，在賦予工具尖與工件之間的相對移動後，可改變加工區域在工件上或工件內之定位。每一致動器可經佈置或以其他方式組配來沿著至少一個線性軸、沿著至少一個旋轉軸定位加工區域或以其他方式賦予加工區域與工件之間的相對移動，或其任何組合。如此項技術中已知的，線性軸之實例包括X軸、Y軸(與X軸正交)及Z軸(與X軸及Y軸正交)，且旋轉軸之實例包括A軸(亦即，定義繞平行於X軸之軸的旋轉)、B軸(亦即，定義繞平行於Y軸之軸的旋轉)及C軸(亦即，定義繞平行於Z軸之軸的旋轉)。
經佈置或組配來沿著線性軸定位加工區域或以其他方式賦予加工區域與工件之間的相對移動之致動器通常可稱為「線性致動器」。經佈置或組配來沿著旋轉軸定位加工區域或以其他方式賦予加工區域與工件之間的相對移動之致動器通常可稱為「旋轉致動器」。多軸工具機內可包括之線性致動器的實例包括一或多個X軸致動器(亦即，經佈置或組配來賦予沿著X軸之運動的 致動器)、一或多個Y軸致動器(亦即，經佈置或組配來賦予沿著Y軸之運動的致動器)及一或多個Z軸致動器(亦即，經佈置或組配來賦予沿著Z軸之運動的致動器)，或其任何組合。多軸工具機內可包括之旋轉致動器的實例包括一或多個A軸致動器(亦即，經佈置或組配來賦予沿著A軸之運動的致動器)、一或多個B軸致動器(亦即，經佈置或組配來賦予沿著B軸之運動的致動器)及一或多個C軸致動器(亦即，經佈置或組配來賦予沿著C軸之運動的致動器)，或其任何組合。若致動器經佈置或經組配來定位加工區域或以其他方式賦予加工區域與工件之間沿著軸的相對移動，則致動器可表徵為與該軸「相關聯」。
多軸機可表徵為「頻譜互補」多軸工具機，或「非頻譜互補」多軸工具機。頻譜互補多軸工具機包括能夠沿著相同軸，但在不同頻寬下賦予移動的一或多組冗餘致動器。非頻譜互補多軸工具機不包括任何一組冗餘致動器。
多軸工具機可表徵為「軸向互補」多軸工具機，或「非軸向互補」多軸工具機。軸向互補多軸工具機具有一組軸向互補致動器，該等軸向互補致動器包括：至少一個旋轉致動器，其經組配來沿著至少一個旋轉軸定位工具尖及/或工件或向工具尖及/或工件賦予移動；以及至少一個線性致動器，其經組配來沿著至少一個線性軸定位工具尖及/或工件或向工具尖及/或工件賦予移動。在軸向互補多軸工具機中，工具及/或工件可繞其旋轉之至少一個旋轉軸不平行於工具及/或工件可沿著其平移之至少一個線性軸。例如，一組軸向互補致動器可包括：旋轉致動器，其經組配來賦予沿著B軸之運動；以及至少一個線性致動器，其經組配來賦予沿著X軸、沿著Z軸或沿著X軸及Z軸之運動。在另一實例中，一組軸向互補致動器可包括：旋轉致動器，其經組配來賦予沿著B軸之運動；以及至少一個旋轉致動器，其經組配來賦予沿著C軸之運動；以及至少一個線性致動器，其經組配來賦予沿著X軸、沿著Z軸或沿著X軸及Z軸之 運動。然而，一般而言，一組軸向互補致動器可表徵為彼此非冗餘的。非軸向互補多軸工具機不包括一組軸向互補致動器。應意識到，頻譜互補多軸工具機或非頻譜互補多軸工具機可經組配成軸向互補多軸工具機或非軸向互補多軸工具機。
通常，回應於自電腦檔案(例如，G碼電腦檔案)或電腦程式獲得或以其他方式導出之致動器命令來驅動多軸工具機之致動器。在自電腦檔案或電腦程式導出致動器命令之實施例中，此種致動器命令可由在電腦檔案中定義或由電腦程式定義之所要軌跡(或所要軌跡之分量)內插。軌跡可定義一連串工具尖及/或工件位置及/或移動(例如，沿著一或多個空間軸)，諸如線、圓弧、齒條等或其任何組合，該等位置及/或移動描述在由多軸工具機處理工件期間，將如何對加工區域進行定位、定向、移動等。在一些實施例中，致動器命令可對應於一連串工具尖及/或工件位置及/或移動。
通常，不同致動器命令可對應於不同軸向位置或移動，因此，「線性致動器命令」為對應於位置或移動之線性分量的致動器命令，並且「旋轉致動器命令」為對應於位置或移動之旋轉分量的致動器命令。詳言之，「X軸致動器命令」可對應於沿著X軸之位置或移動之線性分量，「Y軸致動器命令」可對應於沿著Y軸(其中Y軸與X軸正交)之位置或移動之線性分量，「Z軸致動器命令」可對應於沿著Z軸(其中Z軸與Y軸正交)之位置或移動之線性分量，「A軸致動器命令」可對應於沿著「A軸」(A軸旋轉運動表徵繞平行於X軸之軸的旋轉)之位置或移動之旋轉分量，「B軸致動器命令」可對應於沿著「B軸」(B軸旋轉運動表徵繞平行於Y軸之軸的旋轉)之位置或移動之旋轉分量，並且「C軸致動器命令」可對應於沿著「C軸」(C軸旋轉運動表徵繞平行於Z軸之軸的旋轉)之位置或移動之旋轉分量。若致動器命令對應於位置或移動沿著一軸之分量，則該致動器命令可表徵為與該軸「相關聯」。
如本文所使用，術語「致動器命令」指代由振幅所表徵之電信號，該振幅隨時間而改變並且因此可按此項技術中已知的方式表徵為「頻率內容」。通常，多軸工具機之致動器將由限制致動器之頻寬的一或多個約束(例如，速度約束、加速度約束、急沖度約束等)來表徵。如本文所使用，致動器之「頻寬」指代致動器準確地或可靠地對具有超出與致動器相關聯之臨限頻率之頻率內容的致動器命令(或致動器命令之一部分)作出反應或回應之能力。應意識到，取決於特定致動器之類型、特定致動器之具體構造、特定致動器之質量、附接至特定致動器或可由特定致動器移動之任何物件的質量等等，可改變用於任何特定致動器之臨限頻率。例如，用於諸如伺服馬達、步進馬達、液壓缸等致動器類型之臨限頻率可彼此相同或不同(如此項技術中已知的)，但通常小於用於諸如電流計、語音線圈馬達、壓電致動器、電子束磁性偏轉器、磁致伸縮致動器等(如此項技術中已知，該等致動器可彼此相同或不同)致動器類型之臨限頻率。取決於組配轉致動器之方式，旋轉致動器可具有小於線性致動器之臨限頻率的臨限頻率。
最終，致動器命令被輸出至多軸工具機之對應致動器，其中每一致動器可操作來沿著對應於與所接收致動器命令相關聯之位置或移動之分量的軸定位或移動工具尖及/或工件。例如，X軸致動器命令最終將被輸出至經佈置或組配來沿著X軸定位或移動工具尖及/或工件之線性致動器，B軸致動器命令最終將被輸出至經佈置或組配來沿著B軸定位或移動工具尖及/或工件(亦即，使工具尖及/或工件繞Y軸旋轉)之旋轉致動器等。若軌跡描述可被分解成兩個或兩個以上移動分量(例如，在X軸、Y軸、Z軸、A軸、B軸或C軸中之兩者或兩者以上中的並行運動)之移動，則此類運動分量可表徵為彼此「相關聯」。對應於由軌跡所描述之相關運動分量之致動器命令同樣可表徵為彼此「相關聯」。當致動器命令以同步化方式或以其他方式協調之方式輸出至致動器時，致動器 基本上藉由以沿著匹配或以其他方式對應於所要軌跡之路徑(亦稱為「工具路徑」)來移動加工區域之方式賦予工具尖與工件之間的相對移動來作出反應或回應。
在以下章節中論述關於某些組致動器命令(亦即，「頻譜互補致動器命令」及「軸向互補致動器命令」)之產生及使用的一些一般實施例。雖然兩組致動器命令通常經描述為單獨地產生及使用，但應意識到，兩組致動器命令可以組合方式一起產生及使用。將關於圖1至圖4更詳細地描述兩組致動器命令之組合式產生及使用的一些實例。
A.關於通常用於頻譜互補多軸工具機之致動器命令的實施例
在多軸工具機為混合多軸工具機之實施例中，可將一組頻譜互補致動器命令輸出至對應的一組冗餘致動器。在一組頻譜互補致動器命令內，致動器命令中之一者(例如，第一致動器命令)的頻率內容將比致動器命令中之另一者(例如，第二致動器命令)的頻率內容更高，並且第一致動器命令最終將被輸出至該組冗餘致動器中之相對高頻寬致動器(例如，能夠準確地或可靠地對第一頻譜互補致動器命令作出反應或回應)，而第二致動器命令最終將被輸出至該組冗餘致動器中之相對低頻寬致動器(例如，能夠比對第一頻率命令作出反應或回應更準確地或可靠地對第二頻率命令作出反應或回應)。
可以任何適合的方式產生該組頻譜互補致動器命令。例如，可藉由處理自電腦檔案或電腦程式獲得或以其他方式導出之致動器命令(例如，描述沿著諸如X軸、Y軸，Z軸、A軸，B軸或C軸等等之單個軸的位置或移動)來產生該組頻譜互補致動器命令，如本文所論述。在此情況下，此種致動器命令亦被稱為「初步致動器命令」，並且具有跨過初步頻率範圍之頻率內容。初步頻率範圍可包括在一或多個頻率下的不可忽略頻率內容，該頻率內容超出該組冗餘致動器中之至少一個致動器之臨限頻率。初步致動器命令可經處理來產生 一組頻譜互補致動器命令。
通常，每一頻譜互補致動器命令具有跨過小於初步範圍且處於初步範圍內之頻率子範圍的頻率內容。具體而言，該組頻譜互補致動器命令中之每一致動器命令的頻率內容包括在一或多個頻率下的不可忽略頻率內容，該頻率內容不超出該組冗餘致動器中之對應致動器之臨限頻率。例如，在一組頻譜互補致動器命令內，頻譜互補致動器命令中之一者(例如，最終將被輸出至該組冗餘致動器中之第一致動器的第一頻譜互補致動器命令)的頻率內容將跨過第一頻率子範圍，並且頻譜互補致動器命令中之另一者(例如，最終將被輸出至該組冗餘致動器中之第二致動器的第二頻譜互補致動器命令)的頻率內容將跨過第二頻率子範圍。在一個實施例中，第一子範圍之平均頻率可小於、大於或等於第二子範圍之平均頻率。第一子範圍之限度可大於、小於或等於第二子範圍之限度。第一子範圍可與第二子範圍重疊、毗連或隔開。
在一些實施例中，對初步致動器命令之處理可包括：藉由根據一或多個適合的演算法修改初步致動器命令(或自初步致動器命令導出之另一命令)，將一或多個適合的濾波器應用於初步致動器命令(或自初步致動器命令導出之另一命令)；藉由整數倍降低取樣初步致動器命令(或自初步致動器命令導出之另一命令)，將一或多個低階內插應用於初步致動器命令(或自初步致動器命令導出之另一命令)等等或其任何組合。適合的濾波器之實例包括數位濾波器、低通濾波器、巴特沃斯濾波器等等或其任何組合。適合的演算法之實例包括自動回歸移動平均演算法等等。在一些實施例中，可如美國專利案第5,751,585號、第6,706,999號及第8,392,002號中之一或多者中所描述來產生該組頻譜互補致動器命令，該等專利案中之每一者以全文引用方式併入本文中。然而，應意識到，可根據美國專利案第5,638,267號、第5,988,411號、第9,261,872號中之一或多者中或美國專利申請公開案第2014/0330424號、第2015/0158121 號、第2015/0241865號中之一或多者中所描述之技術來產生該組頻譜互補致動器命令，該等專利案中之每一者以全文引用方式併入本文中。
雖然該組頻譜互補的經處理之致動器命令已被描述為僅包括兩個頻譜互補致動器命令，但應意識到，該組頻譜互補致動器命令可包括任何數目個頻譜互補致動器命令(例如，3、4、5、6、7、8等)。一組頻譜互補致動器命令中對應於公共軸之頻譜互補致動器命令的數目可等於該組冗餘致動器中能夠沿著該公共軸進行定位或賦予移動之冗餘致動器的數目。
B.關於通常用於軸向互補多軸工具機之致動器命令的實施例
有時，將要發佈至旋轉致動器(例如，B軸致動器)之旋轉致動器命令(例如，B軸致動器命令)含有超出旋轉致動器之臨限頻率的不可忽略頻率內容。相應地，並且在多軸工具機為軸向互補多軸工具機之實施例中，可將一組軸向互補致動器命令輸出至包括旋轉致動器之一組軸向互補致動器，以補償旋轉致動器之有限頻寬能力。例如，一組軸向互補致動器命令可包括：軸向互補旋轉致動器命令，其具有不超出旋轉致動器之臨限頻率的頻率內容；以及至少一個軸向互補線性致動器命令。軸向互補旋轉致動器命令可被輸出至旋轉致動器，並且至少一個軸向互補線性致動器命令可被輸出至一或多個對應的線性致動器(亦即，與旋轉致動器處於同一組軸向互補致動器中)。
可以任何適合的方式產生該組軸向互補致動器命令。例如，可藉由處理自電腦檔案或電腦程式獲得或以其他方式導出之旋轉致動器命令(例如，描述沿著諸如B軸之單個旋轉軸的位置或移動)來產生該組軸向互補致動器命令，如本文所論述。在此情況下，此種旋轉致動器命令亦被稱為「旋轉致動器命令」，並且具有跨過初步頻率範圍之頻率內容。初步頻率範圍可包括在一或多個頻率下的不可忽略頻率內容，該頻率內容超出旋轉致動器之臨限頻率。初步旋轉致動器命令可經處理來產生一組軸向互補致動器命令，該組軸向互補 致動器命令包括至少一個軸向互補旋轉致動器命令及至少一個軸向互補線性致動器命令。
在一些實施例中，對初步旋轉致動器命令之處理可包括：藉由根據一或多個適合的演算法修改初步旋轉致動器命令(或自初步旋轉致動器命令導出之另一命令)，將一或多個適合的濾波器應用於初步旋轉致動器命令(或自初步旋轉致動器命令導出之另一命令)；藉由整數倍降低取樣初步旋轉致動器命令(或自初步旋轉致動器命令導出之另一命令)，將一或多個低階內插應用於初步旋轉致動器命令(或自初步旋轉致動器命令導出之另一命令)等等或其任何組合。適合的濾波器之實例包括數位濾波器、低通濾波器、巴特沃斯濾波器等等或其任何組合。適合的演算法之實例包括自動回歸移動平均演算法等等。
II.控制具有軸向互補致動器及冗餘線性致動器之多軸工具機
圖1為示意性地例示用於控制多軸工具機之控制系統100的方塊圖，根據一個實施例，該多軸工具機包括相對低頻寬X軸致動器102、相對低頻寬Y軸致動器104、相對低頻寬Z軸致動器106、相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110、相對高頻寬Z軸致動器112、B軸致動器114及C軸致動器116。在101處例示了例示本文所論述之軸之間的空間關係之圖例。在一個實施例中，相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112各自具有大於或等於B軸致動器114及C軸致動器116之頻寬的頻寬。然而，在另一實施例中，相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112中之一或多者可具有小於B軸致動器114及C軸致動器116之頻寬的頻寬。
相對低頻寬X軸致動器102及相對高頻寬X軸致動器108分別構成一組冗餘致動器(亦即，一組冗餘X軸致動器)。同樣，分別由每一對相對低頻寬Y軸致動器104及相對高頻寬Y軸致動器110構成一組冗餘致動器(亦即，一組冗 餘Y軸致動器)，並且分別由相對低頻寬Z軸致動器106及相對高頻寬Z軸致動器112構成一組冗餘致動器(亦即，一組冗餘Z軸致動器)。雖然所例示實施例描述具有由僅兩個線性致動器構成之一組冗餘線性致動器的多軸工具機，但應瞭解，多軸工具機可進一步配備有一或多個額外的線性致動器，該或該等線性致動器經佈置或組配來賦予沿著X軸、Y軸及Z軸中之任一者的移動，以使得任何一組冗餘致動器可包括三個或三個以上線性致動器。
在一個實施例中，任何組冗餘致動器內之致動器均不附接至同一組冗餘致動器中之另一致動器，或藉由同一組冗餘致動器中之另一致動器使其移動。例如，相對高頻寬X軸致動器108既不附接至相對低頻寬X軸致動器102，也不藉由相對低頻寬X軸致動器102使其移動。然而，在另一實施例中，一組冗餘致動器內之至少一個致動器可附接至同一組冗餘致動器中之另一致動器，且藉由同一組冗餘致動器中之另一致動器使其移動。在此種實施例中，一組冗餘致動器中之相對低頻寬致動器可移動該組冗餘致動器中之相對高頻寬致動器，或可藉由該組冗餘致動器中之相對高頻寬致動器使其移動。
在一個實施例中，與該組冗餘X軸致動器內之一或多個致動器及/或該組冗餘Z軸致動器內之一或多個一起考慮，B軸致動器114構成一組軸向互補致動器。同樣，與該組冗餘X軸致動器內之一或多個致動器及/或該組冗餘Y軸致動器內之一或多個一起考慮，C軸致動器116構成一組軸向互補致動器。另外，與該組冗餘X軸致動器內之一或多個致動器、該組冗餘Y軸致動器內之一或多個致動器及/或該組冗餘Z軸致動器內之一或多個一起考慮，B軸致動器114及C軸致動器116構成一組軸向互補致動器。
在所例示之實施例中，多軸工具機不包括任何A軸致動器。然而，應意識到，多軸工具機可包括A軸致動器，並且本文所論述之實施例可適於控制如本文所論述之A軸致動器。
A.關於工件定位總成之實施例
在一個實施例中，可將相對低頻寬X軸致動器102、相對低頻寬Y軸致動器104、相對低頻寬Z軸致動器106、B軸致動器114及C軸致動器116併入為在本文中稱為「工件定位總成」之一種類型的定位總成之部分。該定位總成經組配來同時或不同時沿著X軸、Y軸、Z軸、B軸、C軸或其任何組合定位或以其他方式移動工件。例如，相對低頻寬X軸致動器102、相對低頻寬Y軸致動器104、相對低頻寬Z軸致動器106、B軸致動器114及C軸致動器116中之每一者可包括一或多個組件(例如，級、夾具、卡盤、軌道、軸承、托架、夾鉗、繫帶、螺栓、螺桿、銷、擋圈、繫結件等，未展示)以准許此類致動器中之一或多者安裝至彼此或以其他方式彼此機械耦接。在此情況下，相對低頻寬Z軸致動器106可安裝於相對低頻寬X軸致動器102上(例如，以便可由相對低頻寬X軸致動器102移動)，相對低頻寬Y軸致動器104可安裝於相對低頻寬Z軸致動器106上(例如，以便可由相對低頻寬Z軸致動器106、相對低頻寬X軸致動器102或其任何組合移動)，B軸致動器114可安裝於相對低頻寬Y軸致動器104上(例如，以便可由相對低頻寬Y軸致動器104、相對低頻寬Z軸致動器106、相對低頻寬X軸致動器102或其任何組合移動)，並且C軸致動器116可安裝於B軸致動器114上(例如，以便可由B軸致動器114、相對低頻寬Y軸致動器104、相對低頻寬Z軸致動器106、相對低頻寬X軸致動器102或其任何組合移動)。圖2A示意性地例示工件定位總成(例如，工件定位總成200)中之致動器之示例性佈置，如以上所論述。然而，在其他實施例中，可以任何其他適合的或合乎需要的方式不同地佈置工件定位總成200內之致動器中之一或多者。
亦應意識到，若適合或另外需要，可自工件定位總成省略相對低頻寬X軸致動器102、相對低頻寬Y軸致動器104、相對低頻寬Z軸致動器106、B軸致動器114及C軸致動器116中之一或多者。舉例而言，相對低頻寬X 軸致動器102及相對低頻寬Z軸致動器106可自工件定位總成200省略，並且圖2B示意性地例示所得工件定位總成(亦即，工件定位總成201)中之致動器之示例性佈置。然而，在其他實施例中，工件定位總成201內之致動器中之一或多者可以任何其他合適或合乎需要的方式不同地佈置。
鑒於以上情況，應意識到，可將相對低頻寬X軸致動器102、相對低頻寬Y軸致動器104、相對低頻寬Z軸致動器106、B軸致動器114及C軸致動器116中之每一者提供為一或多個級(例如，直接驅動級、導螺桿級、滾珠螺桿級、皮帶驅動級等)，該或該等級各自藉由一或多個液壓缸、一或多個氣壓缸、一或多個伺服馬達、一或多個語音線圈致動器、一或多個壓電致動器、一或多個電致伸縮元件等等或其任何組合來驅動。此外，相對低頻寬X軸致動器102、相對低頻寬Y軸致動器104、相對低頻寬Z軸致動器106、B軸致動器114及C軸致動器116中之任一者可經組配來提供連續或步進(遞增)運動。
工件夾具(未展示)可機械耦接至工件定位總成(例如，在相對低頻寬C軸致動器116處)，以便以任何適合或所要方式對工件進行固持、保持、攜帶等。相應地，工件可經由夾具耦接至工件定位總成。可將工件夾具提供為一或多個卡盤或其他夾鉗、夾子或其他緊固裝置(例如，螺栓、螺桿、銷、擋圈、繫帶、繫結件等)，工件可夾緊、固定、固持、緊固或以其他方式支撐至該或該等卡盤或其他夾鉗、夾子或其他緊固裝置。
B.關於工具尖定位總成之實施例
在一個實施例中，相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112可併入於在本文中稱為「工具尖定位總成」之一種類型的定位總成內。該工具尖定位總成經組配來同時或不同時沿著X軸、Y軸、Z軸或其任何組合定位或以其他方式移動與多軸工具機相關聯之工具尖。然而，應意識到，若適合或另外需要，可自工具尖定位總成省略相對高 頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112中之一或多者。舉例而言，相對高頻寬Z軸致動器112可自工具尖定位總成省略。通常，工具尖定位總成不包括任何旋轉致動器。雖然如此，應意識到，工具尖定位總成可經組配以在需要時包括一或多個旋轉致動器(例如，一或多個A軸、B軸或C軸旋轉致動器)。
除了包括在工具尖定位總成中的前述相對高頻寬致動器(亦即，相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112)之外，工具尖定位總成可進一步包括相對低頻寬致動器中之一或多者。舉例而言，在一個實施例中，工具尖定位總成包括未併入於工件定位總成內的一或多個相對低頻寬致動器。舉例而言，在工件定位總成包括相對低頻寬Y軸致動器104、B軸致動器114及C軸致動器116(例如，其中B軸致動器114安裝在相對低頻寬Y軸致動器104上，以便可移動藉由相對低頻寬Y軸致動器104移動，且C軸致動器116安裝在B軸致動器114上，以便可藉由B軸致動器114、相對低頻寬Y軸致動器104移動，或其任何組合)之實施例中，工具尖定位總成可包括相對低頻寬X軸致動器102及相對低頻寬Z軸致動器106(例如，其中相對低頻寬Z軸致動器106安裝在相對低頻寬X軸致動器102上，以便可藉由相對低頻寬X軸致動器102移動)。在此實施例中，相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112中之一或多者可安裝至相對低頻寬Z軸致動器106、相對低頻寬X軸致動器102或多軸工具機之任何其他組件(可移動或靜止)。
一般而言，且取決於用來實現對工件之處理的機構(亦即，將要使用之「工具」)，工具尖定位總成可表徵為「串聯工具尖定位總成」、「並聯工具尖定位總成」或「混合工具尖定位總成」(例如，組合了串聯工具尖定位總成及並聯工具尖定位總成所特有之特性)。
i.關於串聯工具尖定位總成之實施例
在一個實施例中，當將要使用之工具為機械結構(例如，刳刨機刀頭、鑽頭、工具刀頭、磨碎刀頭、刀片等)時，可採用串聯工具尖定位總成。在串聯工具尖定位總成內，相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112中之每一者可包括一或多個組件(例如，級、夾具、卡盤、軌道、軸承、托架、夾鉗、繫帶、螺栓、螺桿、銷、擋圈、繫結件等，未展示)以准許此類致動器中之一或多者安裝至彼此或以其他方式彼此機械耦接。在此情況下，相對高頻寬Y軸致動器110可安裝於相對高頻寬X軸致動器108上(例如，以便可由相對高頻寬X軸致動器108移動)，並且相對高頻寬Z軸致動器112可安裝於相對高頻寬Y軸致動器110上(例如，以便可由相對高頻寬Y軸致動器110、相對高頻寬X軸致動器108或其任何組合移動)。然而，在其他實施例中，可以任何其他適合的或合乎需要的方式不同地佈置串聯工具尖定位總成內之致動器中之一或多者。當將要使用之工具包括機械結構(例如，刳刨機刀頭、鑽頭、工具刀頭、磨碎刀頭、刀片等)時，通常採用串聯工具尖定位總成。當將要使用之工具包括自例如噴嘴、噴頭等噴出之物質(例如，水、空氣、砂或其他研磨顆粒、油漆、金屬粉末等等或其任何組合)之串流或射流時，亦可採用串聯工具尖定位總成。
鑒於以上情況，應意識到，可將串聯工具尖定位總成中之相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112中之每一者提供為一或多個線性級(例如，直接驅動級、導螺桿級、滾珠螺桿級、皮帶驅動級等)，該或該等級各自藉由一或多個液壓缸、一或多個氣壓缸、一或多個伺服馬達、一或多個語音線圈致動器、一或多個壓電致動器、一或多個電致伸縮元件等等或其任何組合來驅動。此外，串聯工具尖定位總成中之相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器 112中之任一者可經組配來提供連續或步進(遞增)運動。
工具夾具(未展示)可機械耦接至串聯工具尖定位總成(例如，在相對高頻寬Z軸致動器112處)，以便以任何適合或所要方式對機械結構(例如，刳刨機刀頭、鑽頭、工具刀頭、磨碎刀頭、刀片等)進行固持、保持、攜帶等。相應地，機械結構可經由工具夾具耦接至串聯工具尖定位總成，該工具夾具可提供為一或多個卡盤或其他夾鉗、夾持件或其他緊固裝置(例如，螺栓、螺桿、銷、擋圈、繫帶、繫結件等)。若將要使用之工具包括物質(例如，如此項技術中已知的，由水源、空氣源、砂源、顆粒源、油漆源、粉末源等等或其任何組合所提供之水、空氣、砂或其他研磨顆粒、油漆、金屬粉末等等或其任何組合)之串流或射流，則噴出串流或射流之噴嘴、噴頭等可表徵為「工具夾具」。
ii.關於並聯工具尖定位總成之實施例
在一個實施例中，當將要使用之工具為所引導能量束等時，可採用並聯工具尖定位總成。在並聯工具尖定位總成內，相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112中之一或多者的本質及組態將取決於將要使用之工具。
例如，若將要使用之工具為電子束或離子束(例如，如此項技術中已知的，由電子源或離子源產生，未展示)，則可將相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112提供為一或多個磁透鏡、圓柱透鏡、單透鏡、四極透鏡、多極透鏡等等或其任何組合。
在另一實例中，若將要使用之工具為雷射光(例如，如此項技術中已知的，表現為由一或多個雷射源所產生之一系列脈衝、連續或擬連續雷射光束或其任何組合)，則可將相對高頻寬X軸致動器108及相對高頻寬Y軸致動器110中之每一者提供為電流計驅動鏡系統、快速轉向鏡系統(例如，由語音線圈馬達、壓電致動器、電致伸縮致動器、磁致伸縮致動器等致動之鏡)、微機電系 統(MEMS)鏡系統、自適應光學(AO)系統、電光偏轉器(EOD)系統、聲光偏轉器(AOD)系統(例如，經佈置及組配來回應於所施加RF信號而沿著諸如X軸或Y軸之軸繞射雷射光)等等或其任何組合。若將工具提供為聚焦雷射光束(在此情況下，「工具尖」為雷射光之聚焦光束之具有足夠高通量來處理工件之區域)，則可將相對高頻寬Z軸致動器112提供為：一或多個AOD系統(例如，經佈置及組配來回應於一或多個所施加啾頻RF信號而沿著諸如X軸及Y軸之兩個軸繞射雷射光)；固定焦距透鏡，其設置於雷射光傳播之路徑(亦即，「傳播路徑」)中且耦接至致動器(例如，語音線圈)，該致動器經組配來使透鏡沿著傳播路徑移動；可變焦距透鏡(例如，變焦透鏡，或併入當前由COGNEX、VARIOPTIC等提供之技術的所謂「液體透鏡」)，其設置於傳播路徑中；等等或其任何組合。
圖3示意性地例示並聯工具尖定位總成之一個實施例，該並聯工具尖定位總成經組配來定位或以其他方式移動與聚焦雷射光束相關聯之工具尖。參考圖3，並聯工具尖定位總成300視需要包括掃描透鏡302(例如，f-θ透鏡、遠心透鏡、錐透鏡等)，該掃描透鏡經組配來聚焦沿著傳播路徑304傳播之雷射光束，該雷射光束已藉由第一電流計驅動鏡系統(此處提供為相對高頻寬X軸致動器108)及第二電流計驅動鏡系統(此處提供為相對高頻寬Y軸致動器110)偏轉。如所例示，第一電流計驅動鏡系統包括耦接至馬達308a(例如，經由軸桿)之鏡306a，該馬達經組配來使鏡306a繞Y軸旋轉(例如，以便准許雷射光束沿著X軸偏轉)。類似地，第二電流計驅動鏡系統包括耦接至馬達308b(例如，經由軸桿)之鏡306b，該馬達經組配來使鏡306b繞X軸旋轉(例如，以便准許雷射光束沿著Y軸偏轉)。並聯工具尖定位總成300亦可包括耦接至致動器(例如，語音線圈，未展示)之透鏡來作為相對高頻寬Z軸致動器112，該致動器經組配來使透鏡在由310處的雙箭頭所指示之方向上沿著傳播路徑304移動。
在一些情況下，由相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸 致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112中之兩者或兩者以上所提供之功能可由相同系統提供。例如，諸如快速轉向鏡系統、MEMS鏡系統、AO系統等之系統可經驅動來沿著X軸及Y軸偏轉雷射光。諸如MEMS鏡系統、AO系統及一對AOD系統(例如，一個AOD系統經佈置及組配來沿著X軸繞射雷射光，且另一AOD系統經佈置及組配來沿著Y軸繞射雷射光)之系統可經驅動來沿著X軸及Y軸偏轉雷射光，並且改變在加工區域處由雷射光照射之光點的尺寸(因此有效地改變在處理期間遞送至工件之聚焦雷射光束腰沿著Z軸之位置)。因此，取決於提供及驅動此類系統之方式，可將此類系統表徵為相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110、相對高頻寬Z軸致動器112或其任何組合。
iii.關於混合工具尖定位總成之實施例
在一個實施例中，當將要使用之工具為所引導能量束等時，可採用混合工具尖定位總成。例如，當提供為諸如電流計驅動鏡系統、快速轉向鏡系統(例如，由語音線圈馬達、壓電致動器、電致伸縮致動器、磁致伸縮致動器等致動之鏡)、MEMS鏡系統、AO系統、EOD系統、AOD系統等之系統時，相對高頻寬X軸致動器108及/或相對高頻寬Y軸致動器110可安裝至或以其他方式機械耦接至相對高頻寬Z軸致動器112(例如，以便可由相對高頻寬Z軸致動器112移動)。在此實例中，可將相對高頻寬Z軸致動器112提供為一或多個級(例如，直接驅動級、導螺桿級、滾珠螺桿級、皮帶驅動級等)，該或該等級各自藉由一或多個液壓缸、一或多個氣壓缸、一或多個伺服馬達、一或多個語音線圈致動器、一或多個壓電致動器、一或多個電致伸縮元件等等或其任何組合來驅動。
在另一實例中，在提供為諸如電流計驅動鏡系統、快速引導鏡系統(例如，藉由語音線圈馬達、壓電致動器、電致伸縮致動器、磁致伸縮致動器等致動之鏡)之系統時，MEMS鏡系統、AO系統、EOD系統、AOD系統等、 相對高頻寬X軸致動器108及/或相對高頻寬Y軸致動器110可安裝至或以其他方式機械耦接至相對低頻寬Z軸致動器106(例如，以便可藉由相對低頻寬Z軸致動器106移動)。混合工具尖定位總成可進一步包括相對高頻寬Z軸致動器112(例如，如本文相對於並聯工具尖定位總成所論述而提供)，該相對高頻寬Z軸致動器亦可安裝至或以其他方式機械耦接至相對低頻寬Z軸致動器106，如在本文中提供的實施例中之任一者中所論述(例如，以便可藉由相對低頻寬Z軸致動器106移動)。或者，相對高頻寬Z軸致動器112可安裝至或以其他方式機械耦接至多軸工具機之任何其他組件(可移動或靜止)。除了相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110、相對高頻寬Z軸致動器112及相對低頻寬Z軸致動器106之外，混合工具尖定位總成可進一步包括相對低頻寬X軸致動器102。相對低頻寬Z軸致動器106又可安裝至或以其他方式機械耦接至相對低頻寬X軸致動器102。在此實例中，相對低頻寬X軸致動器102及相對低頻寬Z軸致動器106中之每一者可提供為一或多個級(例如，直接驅動級、導螺桿級、滾珠螺桿級、皮帶驅動級等)，該或該等級各自藉由一或多個液壓缸、一或多個氣壓缸、一或多個伺服馬達、一或多個語音線圈致動器、一或多個壓電致動器、一或多個電致伸縮元件等等或其任何組合來驅動。
在另一實例中，當提供為諸如MEMS鏡系統、AO系統、一對AOD系統等之系統時，相對高頻寬Z軸致動器112可安裝至或以其他方式機械耦接至相對高頻寬X軸致動器108及相對高頻寬Y軸致動器110中之一者，該一者又可安裝至或以其他方式機械耦接至相對高頻寬X軸致動器108及相對高頻寬Y軸致動器110中之另一者。在此實例中，可將相對高頻寬X軸致動器108及相對高頻寬Y軸致動器110中之每一者提供為一或多個級(例如，直接驅動級、導螺桿級、滾珠螺桿級、皮帶驅動級等)，該或該等級各自藉由一或多個液壓缸、一或多個氣壓缸、一或多個伺服馬達、一或多個語音線圈致動器、一或多個壓電致 動器、一或多個電致伸縮元件等等或其任何組合來驅動。
C.關於工件及工具尖定位總成之額外註解
雖然為以上情況，應意識到，以上描述為併入於工件定位總成內(例如，以定位及/或移動工件)之相對低頻寬致動器中之任一者可另外或替代地併入為工具尖定位總成之部分(例如，以定位及/或移動工具尖)。此外，並且雖然為以上情況，應意識到，在一些實施例中，工件定位總成可提供為業內當前可用之任何5軸工件定位/移動總成，諸如在由GF MACHINING SOLUTIONS MANAGEMENT SA所提供之AGIECHARMILLES雷射產品線、由MICROLUTION INC.所提供之MICROLUTION ML-D、由DMG MORI AKIENGESELLSHAFT/DMG MORI COMPANY LIMITED所提供之LASERTEC產品線中找到之5軸工件定位/移動總成。在一個實施例中，可如前述美國專利案第8,392,002號之圖4A至圖4C中所描述來提供工件定位總成。
同樣，並且雖然為以上情況，應意識到，在一些實施例中，工具尖定位總成可提供為業內當前可用之任何雷射掃描或聚焦總成，諸如在由CAMBRIDGE TECHNOLOGY所提供之3軸掃描系統、由RAYLASE所提供之MINISCAN、SUPERSCAN、AXIALSCAN及FOCUSSHIFER產品線、由KEYENCE CORP.所提供之MD系列3軸混合雷射標記器產品線、由ARGES GmbH所提供之WOMBAT、ANTEATER、ELEPHANT、PRECESSION ELEPHANT及PRECESSION ELEPHANT 2系列掃描頭、由DMG MORI AKIENGESELLSHAFT/DMG MORI COMPANY LIMITED所提供之LASERTEC產品線中找到之雷射掃描或聚焦總成。此外，並且雖然為以上情況，應意識到，在一些實施例中，可如美國專利案第8,121,717號或國際專利公開案第WO 2014/009150 A1號(該等專利案中之每一者以全文引用方式併入本文中)中之任一者中所描述，或如前述美國專利案第8,392,002號之圖5A至圖5C中所描述來提供 工具尖定位總成。
以上已示例性地描述了多軸工具機之一個實施例的某些組件，現在參考圖1更詳細地論述由控制系統100實施之用於處理及產生致動器命令來控制多軸工具機之演算法。
D.關於致動器命令之處理的實施例
參考圖1，控制系統100接收初步致動器命令(例如，自電腦文件或電腦程式獲得或以其他方式導出，如本文所論述)。如所示，初步致動器命令包括以下初步線性致動器命令：初步X軸致動器命令(亦即，X_prelim.)、初步Y軸致動器命令(亦即，Y_prelim.)及初步Z軸致動器命令(亦即，Z_prelim.)；以及初步旋轉致動器命令：初步B軸致動器命令(亦即，B_prelim.)及初步C軸致動器命令(亦即，C_prelim.)。在一個實施例中，初步致動器命令中之至少一者將具有超出對應相對低頻寬致動器之臨限頻率的不可忽略頻率內容。例如，初步X軸致動器命令(亦即，X_prelim.)可具有超出對應相對低頻寬X軸致動器102之臨限頻率的不可忽略頻率內容，初步Y軸致動器命令(亦即，Y_prelim.)可具有超出對應相對低頻寬Y軸致動器104之臨限頻率的不可忽略頻率內容，初步Z軸致動器命令(亦即，Z_prelim.)可具有超出對應相對低頻寬Z軸致動器106之臨限頻率的不可忽略頻率內容，初步B軸致動器命令(亦即，B_prelim.)可具有超出對應相對低頻寬B軸致動器114之臨限頻率的不可忽略頻率內容，初步C軸致動器命令(亦即，C_prelim.)可具有超出對應相對低頻寬C軸致動器116之臨限頻率的不可忽略頻率內容，或其任何組合。然而，應意識到，任何或所有前述初步致動器命令可具有處於或低於對應相對低頻寬致動器之臨限頻率的不可忽略頻率內容。
可處理初步致動器命令來產生第一組中間線性致動器命令。例如，將反向運動變換118應用於初步X軸致動器命令(亦即，X_prelim.)、初步Y 軸致動器命令(亦即，Y_prelim.)、初步Z軸致動器命令(亦即，Z_prelim.)、初步B軸致動器命令(亦即，B_prelim.)及初步C軸致動器命令(亦即，C_prelim.)來產生第一組中間線性致動器命令。第一組中間線性致動器命令包括第一中間X軸致動器命令(亦即，X0)、第一中間Y軸致動器命令(亦即，Y0)及第一中間Z軸致動器命令(亦即，Z0)。可根據以下方程式應用反向運動變換118：
如以上方程式中所示，反向運動變換計算在沿著B軸及C軸的固定參考旋轉位置處之第一組中間線性致動器命令。在以上給出之實例中，固定參考旋轉位置對於B軸及C軸中之每一者為0度，但可為任何其他合適或所要角度。
初步旋轉致動器命令(例如，初步B軸致動器命令B_prelim.及初步C軸致動器命令C_prelim.)經受處理級120來產生一或多個經處理之旋轉致動器命令。在所例示之實施例中，B_low表示經處理之B軸致動器命令，且C_low表示經處理之C軸致動器命令，兩者均在處理級120處產生。在處理級120處，初步旋轉致動器命令可經受一或多個過程，該或該等過程例如包括：將一或多個適合的濾波器應用於初步旋轉致動器命令，根據一或多個適合的演算法修改初步旋轉致動器命令，整數倍降低取樣初步旋轉致動器命令，將一或多個低階內插應用於初步旋轉致動器命令等等或其任何組合。適合的濾波器之實例包括數位濾波器、低通濾波器、巴特沃斯濾波器等等或其任何組合。適合的演算法之實例包括自動回歸移動平均演算法等等。經處理之旋轉致動器命令對應於初 步旋轉致動器命令，但不具有任何(或僅具有可忽略量的)超出對應旋轉致動器之臨限頻率的頻率內容。因此，經處理之B軸致動器命令(亦即，B_low)不具有任何(或僅具有可忽略量的)超出相對低頻寬B軸致動器114之臨限頻率的頻率內容，經處理之C軸致動器命令(亦即，C_low)不具有任何(或僅具有可忽略量的)超出相對低頻寬C軸致動器116之臨限頻率的頻率內容等。如本文所使用，上述經處理之旋轉致動器命令中之每一者在本文中亦稱為「低頻率內容旋轉致動器命令」，或更一般而言，稱為「低頻率內容致動器命令」。
處理第一組中間線性致動器命令及經處理之旋轉命令來產生第二組中間線性致動器命令。例如，將正向運動變換122應用於第一中間X軸致動器命令(亦即，X0)、第一中間Y軸致動器命令(亦即，Y0)、第一中間Z軸致動器命令(亦即，Z0)、經處理之B軸致動器命令(亦即，B_low)及經處理之C軸致動器命令(亦即，C_low)，以產生第二組中間線性致動器命令。第二組中間線性致動器命令包括第二中間X軸致動器命令(亦即，X1)、第二中間Y軸致動器命令(亦即，Y1)及第二中間Z軸致動器命令(亦即，Z1)。可根據以下方程式應用正向運動變換：
第二組中間線性致動器命令(例如，第二中間X軸致動器命令X1、第二中間Y軸致動器命令Y1及第二中間Z軸致動器命令Z1)經受處理級124來產生第一組經處理之線性致動器命令。第一組經處理之線性致動器命令可包括低頻率內容X軸致動器命令(亦即，X_low)、低頻率內容Y軸致動器命令(亦即，Y_low)及低頻率內容Z軸致動器命令(亦即，Z_low)。在處理級124處，第二中間線性致動器命令可經受一或多個過程，該或該等過程例如包括：將一或多個適合的濾波器應用於第二中間線性致動器命令，根據一或多個適合的演算 法修改第二中間線性致動器命令，整數倍降低取樣第二中間線性致動器命令，將一或多個低階內插應用於第二中間線性致動器命令等等或其任何組合。適合的濾波器之實例包括數位濾波器、低通濾波器、巴特沃斯濾波器等等或其任何組合。適合的演算法之實例包括自動回歸移動平均演算法等等。經處理之線性致動器命令對應於初步線性致動器命令，但不具有(或僅具有可忽略量的)超出對應線性致動器之臨限頻率的任何頻率內容。因此，低頻率內容X軸致動器命令(亦即，X_low)不具有任何(或僅具有可忽略量的)超出相對低頻寬X軸致動器102之臨限頻率的頻率內容，低頻率內容Y軸致動器命令(亦即，Y_low)不具有任何(或僅具有可忽略量的)超出相對低頻寬Y軸致動器104之臨限頻率的頻率內容，並且低頻率內容Z軸致動器命令(亦即，Z_low)不具有任何(或僅具有可忽略量的)超出相對低頻寬Z軸致動器106之臨限頻率的頻率內容。
自第二組中間線性致動器命令中之對應致動器命令減去低頻率內容線性致動器命令(例如，X_low、Y_low及Z_low)來產生第二組經處理之線性致動器命令。第二組經處理之線性致動器命令可包括高頻率內容X軸致動器命令(亦即，X_high)、高頻率內容Y軸致動器命令(亦即，Y_high)及高頻率內容Z軸致動器命令(亦即，Z_high)。例如，可自第二中間X軸致動器命令(亦即，X1)減去低頻率內容X軸致動器命令(亦即，X_low)來產生高頻率內容X軸致動器命令(亦即X_high)，可自第二中間Y軸致動器命令(亦即，Y1)減去低頻率內容Y軸致動器命令(亦即，Y_low)來產生高頻率內容Y軸致動器命令(亦即Y_high)，並且可自第二中間Z軸致動器命令(亦即，Z1)減去低頻率內容Z軸致動器命令(亦即，Z_low)來產生高頻率內容Z軸致動器命令(亦即Z_high)。以上所論述之減法可在求和器126處實施，該求和器可以此技術中已知之任何適合或所要方式實施。通常，高頻率內容X軸致動器命令(亦即，X_high)之頻率內容超出相對低頻寬X軸致動器102之臨限頻率，但處於或低於相對高頻寬X軸致動器108之臨限 頻率。同樣，高頻率內容Y軸致動器命令(亦即，Y_high)之頻率內容超出相對低頻寬Y軸致動器104之臨限頻率，但處於或低於相對高頻寬Y軸致動器110之臨限頻率；並且高頻率內容Z軸致動器命令(亦即，Z_high)之頻率內容超出相對低頻寬Z軸致動器106之臨限頻率，但處於或低於相對高頻寬Z軸致動器112之臨限頻率。
最終，並且如所示，將低頻率內容X軸致動器命令(亦即，X_low)、低頻率內容Y軸致動器命令(亦即，Y_low)、低頻率內容Z軸致動器命令(亦即，Z_low)、高頻率內容X軸致動器命令(亦即，X_high)、高頻率內容Y軸致動器命令(亦即，Y_high)、高頻率內容Z軸致動器命令(亦即，Z_high)、低頻率內容B軸致動器命令(亦即，B_low)及低頻率內容C軸致動器命令(亦即，C_low)分別輸出至相對低頻寬X軸致動器102、相對低頻寬Y軸致動器104、相對低頻寬Z軸致動器106、相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110、相對高頻寬Z軸致動器112、B軸致動器114及C軸致動器116。
雖然未例示，但控制系統100可包括一或多個延遲緩衝器，用來補償由低頻率內容X軸致動器命令(亦即，X_low)、低頻率內容Y軸致動器命令(亦即，Y_low)、低頻率內容Z軸致動器命令(亦即，Z_low)、高頻率內容X軸致動器命令(亦即，X_high)、高頻率內容Y軸致動器命令(亦即，Y_high)、高頻率內容Z軸致動器命令(亦即，Z_high)、低頻率內容B軸致動器命令(亦即，B_low)及低頻率內容C軸致動器命令(亦即，C_low)之產生及/或此等致動器命令中之任一者至其相應致動器之輸出所引起的任何處理或傳輸延遲，以使得可以同步化方式或以其他方式協調之方式輸出該等致動器命令。在以同步化方式或以其他方式協調之方式輸出致動器命令後，致動器基本上以類似同步化方式或以其他方式協調之方式作出反應或回應，以便以沿著工具路徑來移動加工區域之方式賦予工具尖與工件之間的相對移動。
一般而言，控制系統100可由一或多個控制器實施，該或該等控制器可通信地耦接(例如，經由一或多個有線或無線通信鏈路，諸如USB、RS-232、乙太網路、Firewire、Wi-Fi、RFID、NFC、藍芽、Li-Fi、SERCOS、MARCO、EtherCAT等等或其任何組合)至多軸工具機之一或多個組件(例如，前述致動器中之一或多者、控制或以其他方式影響工具之操作的一或多個組件等等或其任何組合)。一般而言，控制器可表徵為包括一或多個處理器，該或該等處理器經組配來在執行指令後處理及產生前述致動器命令。處理器可提供為經組配來執行指令之可程式化處理器(例如，包括一或多個通用電腦處理器、微處理器、數位信號處理器等等或其任何組合)。可由(數個)處理器執行之指令可實施於軟體、韌體等中，或實施於任何適合形式的電路中，該電路包括可程式化邏輯裝置(PLD)、現場可程式化閘陣列(FPGA)、現場可程式化物件陣列(FPOA)、特殊應用積體電路(ASIC)(包括數位電路、類比電路及混合類比/數位電路)等等或其任何組合。指令之執行可在一個處理器上進行，分散在處理器之間，跨裝置內之處理器或跨裝置之網路並行地進行等等或其任何組合。在一個實施例中，控制器包括諸如電腦記憶體之有形媒體，該電腦記憶體可由處理器存取(例如，經由一或多個有線或無線通信鏈路)。如本文所使用，「電腦記憶體」包括磁性媒體(例如，磁帶、硬碟機等)、光碟、依電性或非依電性半導體記憶體(例如，RAM、ROM、NAND型快閃記憶體、NOR型快閃記憶體、SONOS記憶體等)等，且可在本地存取、在遠端存取(例如，跨網路)或其組合。一般而言，指令可儲存為電腦軟體(例如，可執行程式碼、檔案、指令等，程式庫檔案等)，該等電腦軟體可由技術人員根據本文所提供之描述容易地編寫，例如，用C、C++、Visual Basic，Java、Python、Tel、Perl，Scheme、Ruby等撰寫。電腦軟體通常儲存於由電腦記憶體傳達之一或多個資料結構中。
雖然未展示，但一或多個驅動器(例如，RF驅動器、伺服驅動 器、線驅動器、電源等)可通信地耦接至前述致動器中之一或多者、控制或以其他方式影響工具之操作的一或多個組件等等或其任何組合的輸入端。每一驅動器通常包括輸入端，控制器可通信地耦接至該輸入端。因此，控制器可操作來產生一或多個控制信號(例如，致動器命令、工具控制命令等)，該等控制信號可傳輸至與多軸工具機之一或多個組件相關聯的一或多個驅動器之(數個)輸入端。接收控制信號後，驅動器通常使電流供應至其所耦接至之組件(例如、致動器、工具等)，以便操作該組件且產生對應於命令信號之效果。因此，諸如前述致動器、工具等之組件回應於由控制器產生及輸出之命令信號(例如，致動器命令、工具控制命令等)。
鑒於以上情況，應瞭解，控制系統100可用來連續地提供多軸工具機之相對低頻寬致動器(例如，具有相對大的運動範圍)及相對高頻寬致動器(例如，具有相對小的運動範圍)之同步化且協調的操作，來相對於工件定位或以其他方式移動加工區域(例如以準確且可靠地對應於所要軌跡之方式)。雖然控制系統100可相對於工件準確地定位加工區域(例如，根據所要軌跡)，但在工件處理期間的任何點處最終表現出之加工角度有可能偏離參考加工角度。一般而言，參考加工角度通常為0度，如自與工件之與加工軸相交的表面部分正交之線所量測，但可為任何其他角度(例如，由軌跡明確地或隱含地指定或以其他方式要求)。一般而言，若高頻率內容線性致動器命令具有超出旋轉致動器之臨限頻率的頻率內容，該旋轉致動器並非一組冗餘旋轉致動器之部分，則加工角度之偏差出現。取決於加工區域相對於工件移動(或將移動)之速度，加工角度之偏差可大於15度，並且甚至大於或等於50度。然而，可在工件處理期間預先計算(例如，基於多軸工具機中之致動器的特性、基於所要軌跡等)並且補償(完全地或部分地)此類加工角度偏差(例如，藉由調整加工區域相對於工件移動之速度、藉由調整處理級120及124中之一或多者處的處理等等，或其任何組合)。 由於補償及最佳化，自參考加工角度(以度量測)實際獲得之加工角度的偏差之量值可減小至10度以下(例如，小於或等於8度、6度、5度、4度、2度、1度、0.5度等，或介於此等值中之任一者之間)。
III.控制具有軸向互補致動器及冗餘旋轉致動器之多軸工具機
圖4為示意性地例示用於控制多軸工具機之控制系統400的方塊圖，根據一個實施例，該多軸工具機包括致動器，諸如以上關於圖1至圖3示例性地論述之致動器。然而，在當前實施例中，多軸工具機可另外包括B軸致動器402、C軸致動器404或B軸致動器402及C軸致動器404。B軸致動器402之臨限頻率高於B軸致動器114之臨限頻率。相應地，B軸致動器114在本文中亦可稱為「相對低頻寬B軸致動器」，且B軸致動器402在本文中亦可稱為「相對高頻寬B軸致動器」。同樣，C軸致動器404之臨限頻率高於C軸致動器116之臨限頻率。相應地，C軸致動器116在本文中亦可稱為「相對低頻寬C軸致動器」，且C軸致動器404在本文中亦可稱為「相對高頻寬B軸致動器」。
相對低頻寬B軸致動器114及相對高頻寬B軸致動器402分別構成一組冗餘致動器(亦即，一組冗餘B軸致動器)。同樣，分別由每一對相對低頻寬C軸致動器116及相對高頻寬C軸致動器404構成一組冗餘致動器(亦即，一組冗餘C軸致動器)。雖然所例示實施例描述具有由僅兩個旋轉致動器構成之一組冗餘致動器的多軸工具機，但應瞭解，多軸工具機可進一步配備有一或多個額外的旋轉致動器，該或該等旋轉致動器經佈置或組配來賦予沿著B軸或C軸中之任一者的移動，以使得任何一組冗餘致動器可包括三個或三個以上旋轉致動器。
在一個實施例中，與該組冗餘X軸致動器內之一或多個致動器及/或該組冗餘Z軸致動器內之一或多個一起考慮，相對高頻寬B軸致動器402構成一組軸向互補致動器。在另一實施例中，與該組冗餘X軸致動器內之一或多個致動器及/或該組冗餘Y軸致動器內之一或多個一起考慮，相對高頻寬C軸致 動器404構成一組軸向互補致動器。在又一個實施例中，與該組冗餘X軸致動器內之一或多個致動器、該組冗餘Y軸致動器內之一或多個致動器及/或該組冗餘Z軸致動器內之一或多個一起考慮，相對高頻寬B軸致動器402及相對高頻寬C軸致動器404分別構成一組軸向互補致動器。
A.關於工具尖定位總成之實施例
在一個實施例中，相對高頻寬B軸致動器402及相對高頻寬C軸致動器404中之一或兩者可併入於工具尖定位總成內，如以上示例性地描述，以使得所得工具尖定位總成可經組配來同時或不同時沿著除X軸、Y軸，Z軸或其任何組合之外的B軸及/或C軸定位或以其他方式移動與多軸工具機相關聯之工具尖。然而，應意識到，若適合或另外需要，可自工具尖定位總成省略相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110、相對高頻寬Z軸致動器112、相對高頻寬B軸致動器402及相對高頻寬C軸致動器404中之一或多者。如以上所提及，包括相對高頻寬B軸致動器402及相對高頻寬C軸致動器404中之一或兩者的工具尖定位總成可表徵為「串聯工具尖定位總成」、「並聯工具尖定位總成」或「混合工具尖定位總成」(例如，組合了串聯工具尖定位總成及並聯工具尖定位總成所特有之特性)。
i.關於串聯工具尖定位總成之實施例
在串聯工具尖定位總成(例如，如以上所描述)內，相對高頻寬B軸致動器402及相對高頻寬C軸致動器404中之任一者可包括一或多個組件(例如，級、夾具、卡盤、軌道、軸承、托架、夾鉗、繫帶、螺栓、螺桿、銷、擋圈、繫結件等，未展示)，以准許相對高頻寬B軸致動器402及相對高頻寬C軸致動器404安裝至彼此或以其他方式機械耦接，或者安裝或以其他方式機械耦接至串聯工具尖內所包括之前述致動器中之任一者。
串聯工具尖定位總成中之相對高頻寬B軸致動器402及相對高頻 寬C軸致動器404中之每一者可提供為一或多個旋轉級(例如，直接驅動級、導螺桿級、滾珠螺桿級、皮帶驅動級等)，該或該等旋轉級各自藉由一或多個液壓缸、一或多個氣壓缸、一或多個伺服馬達、一或多個語音線圈致動器、一或多個壓電致動器、一或多個電致伸縮元件等等或其任何組合來驅動。此外，串聯工具尖定位總成中之相對高頻寬B軸致動器402及相對高頻寬C軸致動器404中之任一者可經組配來提供連續或步進(遞增)運動。
工具夾具(未展示)可在相對高頻寬Z軸致動器112(如以上所論述)處、相對高頻寬B軸致動器402處或相對高頻寬C軸致動器404處機械耦接至串聯工具尖定位總成，以便以任何適合或所要方式對機械結構(例如，刳刨機刀頭、鑽頭、工具刀頭、磨碎刀頭、刀片等)或噴出物質之串流或射流的其他結構(例如，噴嘴、噴頭等)進行固持、保持、攜帶等。
ii.關於並聯工具尖定位總成之實施例
在一個實施例中，除如以上示例性地描述之相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112中之一或多者之外，並聯工具尖定位總成包括相對高頻寬C軸致動器404。在此情況下，相對高頻寬C軸致動器404之組態將取決於將要使用之工具。以下所論述之示例性實施例係關於將要使用之工具包括雷射光(例如，表現為由如此項技術中已知的一或多個雷射源所產生之一系列脈衝、連續或擬連續雷射光束或其任何組合)之實例。
當將要使用之工具為雷射光時，可引導雷射光(例如，沿著前述傳播路徑)來在加工區域處或加工區域附近照射工件之一部分。當在工件之表面上觀察時，或當在與傳播路徑之在加工區域處與工件相交之部分正交的平面中觀察時，所照射部分(亦稱為「光點」)處之雷射光的空間強度分佈可表徵為具有圓形形狀或非圓形形狀。非圓形形狀之實例包括橢圓形形狀、三角形形狀、 正方形形狀、矩形形狀、不規則形狀等。圓形或非圓形光點形狀可以此技術中已知的任何適合方式使用一或多個光束修剪孔、繞射光學元件、AOD系統、稜鏡、透鏡等(其可包括為多軸工具機之一部分且設置於傳播路徑內)來產生，或可由於雷射光束在加工區域處照射工件之表面而產生，該表面為非平面的或不與傳播路徑之在加工區域處與工件相交之部分正交，或其任何組合。
鑒於以上情況，相對高頻寬C軸致動器404可在任何適合或所要位置處設置於傳播路徑中，該位置為並聯工具尖定位總成(例如，並聯工具尖定位總成300)中之相對高頻寬X軸致動器108或相對高頻寬Y軸致動器110中之任一者的光學「上游」或光學「下游」。在一個實施例中，相對高頻寬C軸致動器404可提供為微機電系統(MEMS)鏡系統、自適應光學(AO)系統或其任何組合，且經組配來以有效地改變入射雷射光束之空間強度分佈的定向之方式來改變空間強度分佈相對於傳播路徑之形狀。在另一實施例中，相對高頻寬C軸致動器404可提供為一或多個稜鏡，該或該等稜鏡可由致動器旋轉(例如，繞傳播路徑延伸所沿著之軸)或以其他方式移動，以改變空間能量分佈相對於傳播路徑之定向。在一個實施例中，可如美國專利案第6,362,454號中所描述來提供相對高頻寬C軸致動器404，該專利案以引用方式併入本文中。在又一實施例中，相對高頻寬C軸致動器404可提供為一或多個AOD系統(例如，經佈置及組配來回應於一或多個所施加啾頻RF信號沿著諸如X軸及Y軸之兩個軸繞射雷射光)。
在一些情況下，由相對高頻寬C軸致動器404及相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112中之一或多者所提供之功能可由相同系統提供。例如，諸如MEMS鏡系統、AO系統及一對AOD系統(例如，一個AOD系統經佈置及組配來沿著X軸繞射雷射光，且另一AOD系統經佈置及組配來沿著Y軸繞射雷射光)之系統可經驅動來沿著X軸及Y軸偏轉雷射光，改變在加工區域處由雷射光照射之光點的尺寸(因此有效地改變 在處理期間沿著Z軸遞送至工件之聚焦雷射光束腰之定位)，並且改變在處理期間遞送至工件之聚焦雷射光束腰沿著Z軸之位置)。因此，取決於提供及驅動此類系統之方式，可將此類系統表徵為相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110、相對高頻寬Z軸致動器112、相對高頻寬C軸致動器404或其任何組合。
iii.關於混合工具尖定位總成之實施例
在一個實施例中，除如以上結合串聯工具尖定位總成示例性地描述之相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110、相對高頻寬Z軸致動器112及相對高頻寬C軸致動器404中之一或多者之外，混合工具尖定位總成包括相對高頻寬B軸致動器402。在此情況下，相對高頻寬B軸致動器402附接至前述致動器中之一或多者且可由前述致動器中之一或多者移動，以便可同時或不同時沿著X軸、Y軸、Z軸、C軸或其任何組合移動。應瞭解，相對高頻寬B軸致動器402之組態將取決於將要使用之工具。以下所論述之示例性實施例係關於將要使用之工具包括雷射光(例如，表現為由如此項技術中已知的一或多個雷射源所產生之一系列脈衝、連續或擬連續雷射光束或其任何組合)的實例。當將要使用之工具為雷射光時，可引導雷射光(例如，沿著前述傳播路徑)來在加工區域處或加工區域附近照射工件之一部分。
B.關於工具尖定位總成之額外註解
雖然為以上情況，應意識到，以上描述為併入於工件定位總成內(例如，以定位及/或移動工件)之相對低頻寬致動器中之任一者可另外或替代地併入為工具尖定位總成之部分(例如，以定位及/或移動工具尖)，該工具尖定位總成包括相對高頻寬B軸致動器402或相對高頻寬C軸致動器404。此外，並且雖然為以上情況，應意識到，在一些實施例中，工具尖定位總成可提供為業內當前可用的任何雷射掃描或聚焦總成，諸如在由ARGES GmbH所提供之 PRECESSION ELEPHANT及PRECESSION ELEPHANT 2系列掃描頭中找到之雷射掃描或聚焦總成。此外，並且雖然為以上情況，應意識到，在一些實施例中，可如國際專利公開案第WO 2014/009150 A1號中所描述來工具尖定位總成，該專利案以全文引用方式併入本文中。
C.關於致動器命令之處理的實施例
一般而言，控制系統400可藉由如關於控制系統100示例性地描述之一或多個控制器來實施，並且除經引入來考慮相對高頻寬B軸致動器402、相對高頻寬C軸致動器404或其組合之存在的一些額外過程之外，控制系統400之操作與以上關於圖1所論述之控制系統100之操作相同。現將在以下描述此等額外的過程及操作。
自初步旋轉致動器命令(例如，初步B軸致動器命令B_prelim.及初步C軸致動器命令C_prelim.)中之對應致動器命令減去低頻率內容旋轉致動器命令(例如，B_low及C_low)來產生一或多個經進一步處理之旋轉致動器命令。例如，可自初步B軸致動器命令(亦即，B_prelim.)減去低頻率內容B軸致動器命令(亦即，B_low)來產生作為經進一步處理之旋轉致動器命令的高頻率內容B軸致動器命令(亦即，B_high)。類似地，可自初步C軸致動器命令(亦即，C_prelim.)減去低頻率內容C軸致動器命令(亦即，C_low)來產生作為經進一步處理之旋轉致動器命令的高頻率內容C軸致動器命令(亦即，C_high)。以上所論述之減法可在求和器406處實施，該求和器可以此技術中已知之任何適合或所要方式實施。通常，高頻率內容B軸致動器命令(亦即，B_high)之頻率內容超出相對低頻寬B軸致動器114之臨限頻率，但處於或低於相對高頻寬B軸致動器402之臨限頻率。同樣，高頻率內容C軸致動器命令(亦即，C_high)之頻率內容超出相對低頻寬C軸致動器116之臨限頻率，但處於或低於相對高頻寬C軸致動器404之臨限頻率。
最終，並且如所示，高頻率內容B軸致動器命令(亦即，B_high)、高頻率內容C軸致動器命令(亦即，C_high)或其任何組合被輸出至相對高頻寬B軸致動器402及相對高頻寬C軸致動器404中之相應一者。雖然未例示，但控制系統400可包括一或多個延遲緩衝器，用來補償由高頻率內容B軸致動器命令(亦即，B_high)、高頻率內容C軸致動器命令(亦即，C_high)之產生及/或此等致動器命令中之任一者至其相應致動器之輸出所引起的任何處理或傳輸延遲，以使得可以同步化方式或以其他方式協調之方式輸出所例示致動器命令。在以同步化方式或以其他方式協調之方式輸出致動器命令後，致動器基本上以類似同步化方式或以其他方式協調之方式作出反應或回應，以便以沿著工具路徑來移動加工區域之方式賦予工具尖與工件之間的相對移動。
IV.關於特徵品質之額外考慮因素
在使用前述非接觸式工具中任一者處理工件時，常常需要引導能量或物質之串流或射流，使得所引導能量或物質均勻(或至少在某種程度上或基本均勻)施加至工件。此有助於確保形成於工件內或工件上之特徵具有可再現及/或均一特性(例如，在以下方面：寬度、深度、顏色、化學組成、晶體結構、電子結構、微觀結構、奈米結構、密度、黏度、折射率、磁導率、相對電容率、外部或內部視覺外觀，等)。
在一些實施例中，可藉由確保所引導能量(例如，在加工區域處)之瞬時功率、物質串流或射流(例如，在加工區域處)之壓力或速度、加工區域之尺寸、加工區域沿著工具路徑移動之速度(在本文中亦稱為「工具速度」)等等或其任何組合全部在可接受限制內來達成前述目標，該等各者可基於電腦模型化、實驗等等或其任何組合預先判定。如本文中所使用，諸如所引導能量之瞬時功率或物質串流或射流之壓力或速度之參數亦統稱為「工具功率」。
在一個實施例中，可藉由實施「恆定比率」技術來達成前述目 標，該技術涉及在工具速度改變時(或在工具速度改變預定量時)改變工具功率，使得在加工區域沿著工具路徑移動時，工具功率與工具速度的比率保持恆定(或至少基本恆定)。實施恆定比率技術可幫助確保在加工區域沿著工具路徑移動時，加工區域之尺寸保持恆定(或加工區域之尺寸不會不當地偏離所要尺寸)。
在另一實施例中，可藉由實施「恆定速度」技術來達成前述目標，該技術涉及在加工區域沿著工具路徑移動時維持恆定(或至少基本恆定)的工具功率及工具速度。恆定速度技術可藉由處理自電腦檔案(例如，G碼電腦檔案)或電腦程式獲得或以其他方式導出之一或多個致動器命令(各自在本文中亦稱為「原始致動器命令」)，隨後將此類致動器命令輸入至(例如，諸如控制系統100或400之控制系統的)反向運動變換級118及處理級120作為一或多個對應初步致動器命令來加以實施。因此並且參考圖5，一或多個原始致動器命令可經受預處理級(在本文中亦稱為「速度處理」級500)，以產生一組經修改的初步致動器命令(亦即，初步致動器命令X_prelim.'、Y_prelim.'、Z_prelim.'、B_prelim.'及C_prelim.')。
如圖5中所示，原始致動器命令包括以下原始線性致動器命令：原始X軸致動器命令(亦即，X_raw)、原始Y軸致動器命令(亦即，Y_raw)及原始Z軸致動器命令(亦即，Z_raw)；以及原始旋轉致動器命令：原始B軸致動器命令(亦即，B_raw)及原始C軸致動器命令(亦即，C_raw)。出於論述之目的，基於與原始致動器命令相關聯之工具路徑僅含有線段的假設來執行速度處理級500處之處理，並且應意識到，工具路徑之任何彎曲部分可接近於許多短線段。同樣，應意識到，除了線段之外或代替線段，與原始致動器命令相關聯之工具路徑可含有彎曲線。
共同地，原始致動器命令對於匹配或以其他方式對應於所要軌 跡之工具路徑之一或多個段(各自亦稱為「原始工具路徑段」或更一般而言，「工具路徑段」)指定沿著X軸、Y軸、Z軸、B軸及C軸之一連串工具尖及/或工件位置。因此，工具尖或工件位置可表徵為n元組，其中n對應於多軸工具機能夠賦予移動所沿著的軸之數目。若多軸工具機能夠沿著X軸、Y軸、Z軸、B軸及C軸或其任何組合賦予相對移動，則工具尖或工件位置可因此表徵為5元組(xj,yj,zj,bj,cj)，其中「x」對應於沿著X軸之位置，「y」對應於沿著Y軸之位置，「z」對應於沿著Z軸之位置，「b」對應於沿著B軸之位置，並且「c」對應於沿著C軸之位置。另外，下標「j」為識別工具尖/工件位置在該連串工具尖/工件位置中之定位的整數。舉例而言，(x1,y1,z1,b1,c1)可表徵一連串j個工具尖/工件位置中的第一工具尖/工件位置，(x2,y2,z2,b2,c2)可表徵該連串j個工具尖/工件位置中的第二工具尖/工件位置，(x3,y3,z3,b3,c3)可表徵該連串j個工具尖/工件位置中的第三工具尖/工件位置，等。將瞭解，j可為大於1(例如，大於或等於2、5、10、50、100、500、1000、2500、5000、10000等，或介於此等值中之任一者之間)的任何整數。由原始致動器命令指定之該連串j個工具尖/工件位置中的任何工具尖或工件位置亦可在本文中大體稱為「原始」位置。
在速度處理級500處，解譯或以其他方式處理該等原始致動器命令以識別每一原始工具路徑段之開始位置及結束位置。
在一個實施例中，該連串j個工具尖/工件位置中的任何兩個依序原始位置可被視為一對開始及結束位置。在此情況下，該對依序位置中之第一位置將被視為原始「開始位置」，並且該對依序位置中之第二位置將被視為原始「結束位置」。舉例而言，前述第一原始工具尖/工件位置(x1,y1,z1,b1,c1)可對應於與原始致動器命令相關聯之第一原始工具路徑段的原始開始位置，且前述第二原始工具尖/工件位置(x2,y2,z2,b2,c2)可對應於第一原始工具路徑段之原始結束位置。同樣，前述第二原始工具尖/工件位置(x2,y2,z2,b2,c2)可對應於與 原始致動器命令相關聯之第二原始工具路徑段之原始開始位置，並且前述第三原始工具尖/工件位置(x3,y3,z3,b3,c3)可對應於第二原始工具路徑段之原始結束位置。
用於每一原始工具路徑段的每一原始開始及結束位置的座標系統變換成參考系。在一個實施例中，選擇參考系，使得沿著B軸及C軸之位置B設定為零，以使得每一原始位置可由對應3元組(xj,yj,zj)表徵。因此，原始開始位置之x、y、z、b及c座標可根據以下方程式變換成參考系： 其中x_start_raw、y_start_raw、z_start_raw、b_start_raw及c_start_raw分別為通用原始開始位置之x、y、z、b及c座標，並且x_start_ref、y_start_ref及z_start_ref分別為已變換成參考系之通用原始開始位置(亦即，參考開始位置)之x、y及z座標。同樣，原始結束位置之x、y、z、b及c座標可根據以下方程式變換成參考系： 其中x_end_raw、y_end_raw、z_end_raw、b_start_raw及c_start_raw分別為通用原始結束位置之x、y、z、b及c座標，並且x_end_ref、y_end_ref及z_end_ref分別為已變換成參考系之通用原始結束位置(亦即，參考結束位置)之 x、y及z座標。
在將一對原始開始及結束位置變換成一對對應參考開始及結束位置之後，判定每一對參考開始及結束位置內賦予工具尖與工件之間自參考開始位置至參考結束位置之相對移動所需的伺服循環之數目n。在一個實施例中，根據以下方程式判定伺服循環之數目n： 其中T表示伺服循環之持續時間(通常以秒、毫秒或微秒量測)，並且t表示賦予工具尖與工件之間自原始工具路徑段之參考開始位置至參考結束位置的相對移動所需的時間(亦即，「段時間」)。一般而言，伺服循環持續時間T小於1毫秒。在一些實施例中，T小於或等於750μs、小於或等於500μs、小於或等於250μs、小於或等於100μs、小於或等於75μs、小於或等於50μs、小於或等於25μs、小於或等於10μs、小於或等於5μs，等，或介於此等值中之任一者之間。應意識到，針對任何原始工具路徑段所計算的伺服循環之數目n可與針對任何其他原始工具路徑段所計算的伺服循環之數目n相同或不同。
在一個實施例中，根據以下方程式判定段時間t： 其中d表示每一對參考開始與結束位置之間的距離(亦即，「段距離」)，並且V表示前述工具速度。一般而言，工具速度可根據將藉由諸如上文所描述的彼等非接觸式工具中之任一者之非接觸式工具對工件執行的處理之類型而預先判定或以其他方式設定(例如，藉由多軸工具機之使用者或操作者)。舉例而言，在非接觸式工具提供為所引導能量(例如，呈藉由雷射源產生之雷射光形式)時，在加工區域沿著一個或兩個軸移動時，工具速度可在100mm/sec至7m/sec之範圍內，並且在加工區域沿著三個或三個以上軸移動時，工具速度可在100mm/sec至700mm/sec之範圍內。
在一個實施例中，可根據以下方程式判定段距離d：
在判定賦予工具尖與工件之間在一對參考開始與結束位置之間的相對移動所需的伺服循環之數目n之後，基於伺服循環之判定數目n內插具有對應於該對參考開始及結束位置之原始開始及結束位置的原始工具路徑段。可使用的示例性內插方法包括線性內插、多項式內插、樣條內插等等或其任何組合。若所執行的內插為線性內插，則沿著每一軸(例如，沿著X軸、Y軸、Z軸、B軸及C軸中之每一者的每一對鄰近位置(原始或經內插)之間的距離為均一的(或至少基本均一)。
在內插任何特定原始工具路徑段時，將一或多個經內插位置基於伺服循環之判定數目n在該特定原始工具路徑段的每一對原始開始與結束位置之間插入至該連串j個工具尖/工件位置中。舉例而言，假定前述第一及第二原始工具尖/工件位置(x1,y1,z1,b1,c1)及(x2,y2,z2,b2,c2)分別對應於前述第一原始工具路徑段之各別開始及結束位置，並且假定伺服循環之判定數目n等於4，則內插可產生待分別在第一與第二原始工具尖/工件位置(x1,y1,z1,b1,c1)與(x2,y2,z2,b2,c2)之間插入至該連串j個工具尖/工件位置中的三個經內插位置。在此實例中，三個經內插位置可包括第一經內插工具尖/工件位置(xi1,yi1,zi1,bi1,ci1)、第二經內插工具尖/工件位置(xi2,yi2,zi2,bi2,ci2)及第三經內插工具尖/工件位置(xi3,yi3,zi3,bi3,ci3)。同樣，假定前述第二及第三原始工具尖/工件位置(x2,y2,z2,b2,c2)及(x3,y3,z3,b3,c3)分別對應於前述第二原始工具路徑段之各別開始及結束位置，並且假定伺服循環之判定數目n等於3，則內插可產生待分別在第二與第三原始工具尖/工件位置(x2,y2,z2,b2,c2)與(x3,y3,z3,b3,c3)之間插入至該連串j個工具尖/工件位置中的兩個經內插工具尖/工件位置。在此實例中，兩個經內插位置可包括第四經內插工具尖/工件位置(xi4,yi4,zi4,bi4,ci4)及第五經內插工具 尖/工件位置(xi5,yi5,zi5,bi5,ci5)。
在針對每一軸內插一或多個原始工具路徑段之後，該連串原始及經內插位置接著輸出為前述初步致動器命令。舉例而言，用於前述沿著X軸之第一及第二原始工具路徑段的該連串原始及經內插位置(亦即，x1,xi1,xi2,xi3,x2,xi4,xi5,x3)可輸出為經修改初步X軸致動器命令(亦即，X_prelim.')，用於前述沿著Y軸之第一及第二原始工具路徑段的該連串原始及經內插位置(亦即，y1,yi1,yi2,yi3,y2,yi4,yi5,y3)可輸出為經修改初步Y軸致動器命令(亦即，Y_prelim.')，用於沿著Z軸之前述第一及第二原始工具路徑段的該連串原始及經內插位置(亦即，z1,zi1,zi2,zi3,z2,zi4,zi5,z3)可輸出為經修改初步Z軸致動器命令(亦即，Z_prelim.')，用於沿著B軸之前述第一及第二原始工具路徑段的該連串原始及經內插位置(亦即，b1,bi1,bi2,bi3,b2,bi4,bi5,b3)可輸出為經修改初步B軸致動器命令(亦即，B_prelim.')，且用於沿著C軸之前述第一及第二原始工具路徑段的該連串原始及經內插位置(亦即，c1,ci1,ci2,ci3,c2,ci4,ci5,c3)可輸出為經修改初步C軸致動器命令(亦即，C_prelim.')。
在針對每一軸內插一或多個原始工具路徑段之後，任何對依序原始或經內插位置可表徵為工具路徑段(亦稱為「經處理工具路徑段」)之開始位置及結束位置。舉例而言，前述第一原始工具尖/工件位置(x1,y1,z1,b1,c1)可對應於第一經處理工具路徑段之開始位置，並且前述第一經內插工具尖/工件位置(xi1,yi1,zi1,bi1,ci1)可對應於第一經處理工具路徑段之結束位置。同樣，前述第一經內插工具尖/工件位置(xi1,yi1,zi1,bi1,ci1)可對應於第二經處理工具路徑段之開始位置，並且前述第一經內插工具尖/工件位置(xi2,yi2,zi2,bi2,ci2)可對應於第二經處理工具路徑段之結束位置。以此類推。
一般而言，用於X軸、Y軸、Z軸、B軸及C軸之經修改初步致動器命令以協調方式輸出，相對於伺服循環n同步，使得針對每一軸之對應(原始 或經內插)位置組可一起在控制系統100或400處處理。在此情況下，經修改初步致動器命令X_prelim.'、Y_prelim.'、Z_prelim.'、B_prelim.'及C_prelim.'分別對應於前述初步致動器命令X_prelim.、Y_prelim.、Z_prelim.、B_prelim.及C_prelim.。因此，繼續上文給出的實例，對於n=1個伺服循環，第一原始工具尖/工件位置(x1,y1,z1,b1,c1)可分別在經修改初步致動器命令X_prelim.'、Y_prelim.'、Z_prelim.'、B_prelim.'及C_prelim.'中輸出至控制系統100或400(例如，輸出至反向運動變換118及處理120)。對於n=2個伺服循環，第一經內插位置(xi1,yi1,zi1,bi1,ci1)可分別在經修改初步致動器命令X_prelim.'、Y_prelim.'、Z_prelim.'、B_prelim.'及C_prelim.'中輸出至控制系統100或400(特定言之，輸出至反向運動變換118及處理120)。對於n_3個伺服循環，第二經內插位置(xi2,yi2,zi2,bi2,ci2)可分別在經修改初步致動器命令X_prelim.'、Y_prelim.'、Z_prelim.'、B_prelim.'及C_prelim.'中輸出至控制系統100或400(例如，輸出至反向運動變換118及處理120)。以此類推。
由處理由速度處理級500輸出之初步致動器命令而產生的由過程控制系統100或400(例如，如上文所論述)輸出的致動器命令使得工件定位總成及工具尖定位總成中之一者或兩者的致動器能夠以恆定(或至少基本恆定)速度沿著工具路徑移動加工區域。
V.關於定位總成調整之實施例
以恆定(或至少基本恆定)工具速度沿著工具路徑移動加工區域在許多情境下可能合乎需要，包括但不限於上文所描述的情境(例如，在需要引導能量或物質串流或射流，使得所引導能量或物質均勻或至少在某種程度上或基本均勻地施加至工件時)。前述恆定速度技術可通常用來產生具有直線或相對平滑曲線的線(例如，具有連續一階導數的曲線)的特徵。
恆定速度技術亦可用於產生具有帶有相對急劇曲線的線或帶有 不連續導數的彎曲線的特徵。然而，在此情況下，工具速度應保持相對較低，以便留在多軸工具機中的致動器之一或多個約束內。在一個實施例中，例如，在工具速度原本將保持得過低以致不當影響處理速度或處理量之情況下，可根據「重新定位」技術處理由速度處理級500輸出的致動器命令，由此一組額外致動器命令(在本文中亦稱為「定位總成調整致動器命令」)插入至與一對依序工具路徑段相關聯的一連串初步致動器命令中。不同於與工具路徑段相關聯的致動器命令，在一組定位總成調整致動器命令輸出至多軸工具機之致動器時，工具被撤銷啟動、脫嚙或以其他方式防止處理工件。
定位總成調整技術可藉由首先處理一或多個致動器命令(例如，前述組經修改初步致動器命令X_prelim.'、Y_prelim.'、Z_prelim.'、B_prelim.'及C_prelim.')，隨後將此類致動器命令輸入至(例如，諸如控制系統100或400之控制系統的)反向運動變換級118及處理級120作為一或多個對應初步致動器命令來加以實施。因此，並且參考圖6，一或多個經修改初步致動器命令可經受預處理級(在本文中亦稱為「定位總成調整處理」級600)以產生另一組經修改初步致動器命令(亦即，初步致動器命令X_prelim."、Y_prelim."、Z_prelim."、B_prelim."及C_prelim.")。
在定位總成調整處理級600處，解譯或以其他方式處理經修改初步致動器命令(例如，X_prelim.'、Y_prelim.'、Z_prelim.'、B_prelim.'及C_prelim.')以判定沿著任何特定軸(例如，X軸、Y軸、Z軸、B軸或C軸中之任一者)自一連串處理工具路徑段中之一個處理工具路徑段(例如，第一處理工具路徑段)至該連串中的另一處理工具路徑段(例如，第二處理工具路徑段)的移動是否將超過與該特定軸相關聯之臨限值(例如，在以下方面：速度、加速度、加速度變化率，或其任何組合)。因此，有可能與一個軸相關聯之臨限值可相同或不同於與一或多個其他軸相關聯之臨限值。一般而言，與特定軸相關聯之臨限值 將對應於與該特定軸相關聯之致動器之頻寬。若多軸工具機包括與特定軸相關聯之一組冗餘致動器，則與該特定軸相關聯之臨限值將對應於該組冗餘致動器中具有最高頻寬的致動器之頻寬。
若判定將超過用於任何軸之臨限值，則對於此類軸中之每一者，定位總成調整處理級600分析與該軸相關聯之初步致動器命令，以：(a)判定沿著該軸減速(例如，自第一速度v 1，如圖7中所示)至完全停止(例如，至速度v=0，如圖7中所示)而不超過與該軸相關聯之臨限值所需的距離(亦即，「減速距離」)；(b)判定沿著該軸加速至所要速度(例如，至第二速度v 2，如圖7中所示)而不超過與該軸相關聯之臨限值所需的距離(亦即，「加速距離」)；以及(c)判定在與該軸相關聯之所有致動器將適當安定之前以所要速度(例如，第二速度v 2，如圖7中所示)沿著該軸橫穿之最小距離(亦即，「安定距離」)。
通常，減速距離對應於可達成最大減速之距離，但減速距離可對應於達成僅輕微或中等減速之距離。同樣，加速距離對應於可達成最大加速之距離，但加速距離可對應於達成僅輕微或中等加速之距離。此外，可使用一或多個恆定減速或加速型態、一或多個可變減速或加速型態或其任何組合來達成減速或加速。在一個實施例中，可根據以下方程式判定安定距離：安定距離=v 2＊t settle ，其中tsettle表示與該軸相關聯之任何致動器之最短安定時間。
接下來，基於如上文所描述判定之減速距離、加速距離及安定距離計算沿著該軸之位置。此等位置包括：(a)由於減速距離而自第一處理工具路徑段之結束位置的位置偏移(亦即，減速位置)；以及(b)由於加速距離與安定距離之總和而自第一處理工具路徑段之結束位置的位置偏移(亦即，後移位置)。第一處理工具路徑段之前述結束位置、減速位置及後移位置分別在p 0、p 1及p 2處在圖7及圖8中例示，並且如圖8中所示，沿著公共軸彼此分離。應意識 到，第一處理工具路徑段之結束位置p 0亦表示第二處理工具路徑段之開始位置。如圖8中所示，減速距離為沿著該軸在第一處理工具路徑段之結束位置p 0與減速位置p 1之間的距離。同樣，加速距離與安定距離之總和為沿著該軸在第一處理工具路徑段之結束位置p 0與後移位置p 2之間的距離。在圖7及圖8中，位置p 3指示沿著該軸的首次達成(亦即，在自後移位置p 2加速之後)所要速度(例如，第二速度v 2，如圖7中所示)的位置(亦即，所要速度位置)。所要速度位置p 3與第二處理工具路徑段之開始位置(亦即，位置p 0)之間的距離對應於前述安定距離。
如上文所提及，在對應於該組定位總成調整致動器命令之致動器命令輸出至多軸工具機之致動器時，撤銷啟動、脫嚙或以其他方式防止工具處理工件。在對應於該組定位總成調整致動器命令之致動器命令輸出至致動器之後，工具重新啟動、重新嚙合或以其他方式被准許處理工件。在如上文所論述判定一個軸之減速位置p 1及後移位置p 2時，亦可判定(例如，如上文所論述)一或多個其他軸之減速位置及後移位置，即使對於彼等其他軸中之任一者不超過臨限值，以確保至工具重新啟動、重新嚙合或以其他方式被准許處理工件之時間，加工區域準確地對準至第二處理工具路徑段之開始位置(以及第二處理工具路徑段自身)。因此，對應於該組定位總成調整致動器命令之致動器命令可命令與此類其他軸中之任一者相關聯的任何致動器沿著其相關聯軸以如上文所論述之方式分別移動至其相應減速位置p 1、後移位置p 2及第二處理工具路徑開始位置p 0。
一旦產生，即將該組定位總成調整致動器命令插入至經修改初步致動器命令(例如，X_prelim.'、Y_prelim.'、Z_prelim.'、B_prelim.及C_prelim.')中，由此產生另一組經修改初步致動器命令(亦即，初步致動器命令X_prelim."、Y_prelim."、Z_prelim."、B_prelim."及C_prelim.")，其可接著輸出為 前述初步致動器命令。一般而言，該組定位總成調整致動器命令以協調方式插入至經修改初步致動器命令中，使得用於每一軸之第二處理工具路徑開始位置p 0可一起在控制系統100或400處處理。因此，該組定位總成調整致動器命令插入至經修改初步致動器命令中，使得用於軸中之每一者之第二處理工具路徑開始位置p 0在時間上彼此對準。
在一個實施例中，定位總成調整處理級600可藉由沿著任何軸停留在減速位置p 1歷時停留時間(例如，第一停留時間d1，如圖7中所示)而在時間上對準用於每一軸之第二處理工具路徑開始位置p 0，以使得用於該等軸中之每一者的後移位置p 2在時間上彼此對準。在另一實施例中，定位總成調整處理級600可藉由沿著任何軸停留在後移位置p 2歷時停留時間(例如，第二停留時間d2，如圖7中所示)而在時間上對準用於每一軸之第二處理工具路徑開始位置p0，以使得用於該等軸中之每一者的第二處理工具路徑開始位置p 0在時間上彼此對準。
VI.關於錯誤校正之另外實施例
本文中所描述的多軸工具機使用線性及旋轉致動器兩者賦予工具尖與工件之間的相對移動。由致動器引入的任何移動錯誤有可能引起加工區域沿著自所要軌跡不當偏離的工具路徑移動。在一些實施例中，諸如相對低頻寬X軸致動器102、相對低頻寬Y軸致動器104、相對低頻寬Z軸致動器106、B軸致動器114及C軸致動器116之致動器提供為伺服系統。一般而言，伺服系統將具有錯誤感測負回饋以校正與伺服系統相關聯之追蹤錯誤。只要追蹤錯誤不超過多軸工具機之規範，追蹤錯誤即被容許。然而，追蹤錯誤可隨著多軸工具機機械加工工具之致動器更強力地驅動(例如，在致動器以較大加速度率驅動時，致動器命令具有較高頻率內容時，等)而變大。
鑒於以上情況，可實施錯誤校正技術，由此使用相對高頻寬致 動器中之一或多者來補償與多軸工具機之相對低頻寬致動器或旋轉致動器中之一或多者相關聯之追蹤錯誤。雖然在下文結合如本文中所揭示之任何多軸工具機描述錯誤校正技術之實施例，但應意識到，可藉由具有一或多組冗餘致動器、一或多組軸向互補致動器或其任何組合的任何其他工具機實施錯誤校正技術。
一般而言，錯誤校正技術為即時錯誤校正技術。可補償之錯誤來自兩個源。第一錯誤源為各自輸出至相對低頻寬致動器(例如，相對低頻寬X軸致動器102、相對低頻寬Y軸致動器104或相對低頻寬Z軸致動器106)的一或多個低頻率內容線性致動器命令中指定的位置與相對低頻寬致動器移動至的實際位置(如由與相對低頻寬致動器相關聯之回饋信號表示)之間的差。第二錯誤源為在各自輸出至旋轉致動器(例如，B軸致動器114或C軸致動器116)之一或多個低頻率內容旋轉致動器命令中指定的位置與旋轉致動器移動至的實際位置(如由與旋轉致動器相關聯之回饋信號表示)之間的差。
圖13A為示意性地例示用於實施上文所論述的錯誤校正技術之即時錯誤校正系統1300之實施例的方塊圖。一般而言，即時錯誤校正系統1300藉由將與相對低頻寬致動器相關聯之錯誤饋送至相對高頻寬致動器中之一或多者(例如，相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112中之一或多者)以進行校正來實施錯誤校正技術。另外，與旋轉致動器相關聯之錯誤最初轉換為對應線性錯誤，且該等線性錯誤接著饋送至相對高頻寬致動器中之一或多者中。錯誤校正技術解決第一與第二錯誤源之組合效應，並且有助於即時地改良多軸工具機之動態準確度。
參考圖13A，即時錯誤校正系統1300可表徵為取得由控制系統100產生之特定命令作為輸入。舉例而言，在所例示之實施例中，即時錯誤校正系統1300可取得以下各項作為輸入：第一組中間線性致動器命令(亦即，第一 中間X軸致動器命令X0、第一中間Y軸致動器命令Y0及第一中間Z軸致動器命令Z0)、第二組中間線性致動器命令(亦即，第二中間X軸致動器命令X1、第二中間Y軸致動器命令Y1及第二中間Z軸致動器命令Z1)、經處理旋轉致動器命令(亦即，B_low及C_low)、第一組經處理線性致動器命令(亦即，低頻率內容X軸致動器命令X_low、低頻率內容Y軸致動器命令Y_low及低頻率內容Z軸致動器命令Z_low)及第二組經處理線性致動器命令(亦即，高頻率內容X軸致動器命令X_high、高頻率內容Y軸致動器命令Y_high，及高頻率內容Z軸致動器命令Z_high)。
由B軸旋轉致動器114及C軸旋轉致動器116產生(或以其他方式與其相關聯)之第一組中間線性致動器命令及旋轉回饋信號(亦即，分別為B_fbk及C_fbk)經處理以產生第三組中間線性致動器命令。舉例而言，正向運動變換1302應用於第一中間X軸致動器命令(亦即，X0)、第一中間Y軸致動器命令(亦即，Y0)、第一中間Z軸致動器命令(亦即，Z0)、B軸旋轉回饋信號(亦即，B_fbk)及C軸旋轉回饋信號(亦即，C_fbk)以產生第三組中間線性致動器命令。第三組中間線性致動器命令包括第三中間X軸致動器命令(亦即，X2)、第三中間Y軸致動器命令(亦即，Y2)及第三中間Z軸致動器命令(亦即，Z2)。可根據以下方程式應用正向運動變換：
如以上方程式中所示，正向運動變換在沿著B軸及C軸之實際回饋位置處計算第三組中間線性致動器命令。
第二組與第三組中間線性致動器命令中之各別命令之間的差表現為一組第一線性錯誤信號(亦即，第一線性錯誤信號eX1、eY1及eZ1)，其表示由旋轉致動器中之一或多者(例如，B軸致動器114及C軸致動器116中之一或多者)之追蹤錯誤造成的線性錯誤。第一線性錯誤信號eX1、eY1及eZ1中之每一 者與對應第二線性錯誤信號eX2、eY2及eZ2(統稱為「第二線性錯誤組」)組合，該等第二線性錯誤信號表示由相對低頻寬線性致動器中之一或多者(例如，相對低頻寬X軸致動器102、相對低頻寬Y軸致動器104及相對低頻寬Z軸致動器106中之一或多者)之追蹤錯誤造成的線性錯誤。如所示，每一第二線性錯誤信號(eX2、eY2及eZ2)對應於由輸出至致動器之致動器命令命令的位置與由致動器產生的回饋信號指示的位置之間的差。因此，在對低頻率內容X軸致動器命令(亦即，X_low)、低頻率內容Y軸致動器命令(亦即，Y_low)及低頻率內容Z軸致動器命令(亦即，Z_low)作出反應之後，相對低頻寬X軸致動器102、相對低頻寬Y軸致動器104及相對低頻寬Z軸致動器106即刻分別產生回饋信號X_fbk、Y_fbk及Z_fbk。
在圖13A中所例示的實施例中，組合的第一與第二線性錯誤信號(亦即，eX1+eX2、eY1+eY2及eZ1+eZ2)中之每一者亦與第二組經處理線性命令(亦即，高頻率內容X軸致動器命令X_high、高頻率內容Y軸致動器命令Y_high及高頻率內容Z軸致動器命令Z_high)組合，以藉此產生第三組經處理線性命令。因為第三組經處理線性命令係自第一及第二線性錯誤信號以及第二組經處理線性命令導出，因此第三組經處理線性命令之頻率內容可為混合的(亦即，包括低於或處於以及高於旋轉致動器及相對低頻寬線性致動器中之任一者之臨限頻率的頻率內容)。因此，第三組經處理線性命令可包括複合X軸致動器命令(亦即，X_comp.)、複合Y軸致動器命令(亦即，Y_comp.)及複合Z軸致動器命令(亦即，Z_comp.)。複合X軸致動器命令(亦即，X_comp.)具有橫跨自低於相對低頻寬X軸致動器102之臨限頻率至高於相對低頻寬X軸致動器102之臨限頻率之頻率範圍的頻率內容。同樣，複合Y軸致動器命令(亦即，Y_comp.)具有橫跨自低於相對低頻寬Y軸致動器104之臨限頻率至高於相對低頻寬Y軸致動器104之臨限頻率之頻率範圍的頻率內容；並且複合Z軸致動器命令(亦即， Z_comp.)具有橫跨自低於相對低頻寬Z軸致動器106之臨限頻率至高於相對低頻寬Z軸致動器106之臨限頻率之頻率範圍的頻率內容。
最終，並且如所示，複合X軸致動器命令(亦即，X_comp.)、複合Y軸致動器命令(亦即，Y_comp.)及複合Z軸致動器命令(亦即，Z_comp.)分別輸出至相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110及相對高頻寬Z軸致動器112。如圖13A中所例示，第三組經處理線性命令替代第二組經處理線性命令(亦即，X_high、Y_high及Z_high)輸出至相對高頻寬致動器。
根據13A圖中所例示的實施例，藉由控制系統100實施即時錯誤校正系統1300。如上文所描述，控制系統100可表徵為實施用於處理及產生合適致動器命令以控制多軸工具機，由此將初步致動器命令之頻率內容分解為對應於包括在多軸工具機中的致動器之臨限頻率的多個頻帶之演算法。然而，將瞭解，可藉由任何其他類型的控制系統實施即時錯誤校正系統1300或其變化。
舉例而言，可藉由不如上文所論述將初步致動器命令之頻率內容分解為多個頻帶之控制系統實施即時錯誤校正系統。舉例而言，控制系統可簡單地產生及輸出前述初步致動器命令。在此實例中，即時錯誤校正系統1300之變體可提供為即時錯誤校正系統1301，如圖13B中所示例性例示。
參考圖13B，即時錯誤校正系統1301可經組配來處理初步致動器命令(例如，前述初步致動器命令X_prelim.、Y_prelim.、Z_prelim.、B_prelim.、C_prelim.)以藉由應用反向運動變換(例如，前述反向運動變換118)產生一組中間線性致動器命令(例如，前述第一組中間線性致動器命令X0、Y0及Z0)。
初步致動器命令亦輸出至多軸工具機之旋轉致動器中之各別致動器，並且產生各別回饋信號。舉例而言，初步X軸致動器命令(亦即，X_prelim.)輸出至相對低頻寬X軸致動器102，初步Y軸致動器命令(亦即， Y_prelim.)輸出至相對低頻寬Y軸致動器104，初步Z軸致動器命令(亦即，Z_prelim.)輸出至相對低頻寬Z軸致動器106，初步B軸致動器命令(亦即，B_prelim.)輸出至B軸致動器114，並且初步C軸致動器命令(亦即，C_prelim.)輸出至相對低頻寬C軸致動器116。前述致動器又可產生及輸出對應回饋信號(例如，前述回饋信號X_fbk、Y_fbk、Z_fbk、B_fbk及C_fbk)。
處理第一組中間線性致動器命令(例如，X0、Y0及Z0)及旋轉回饋信號(例如，B_fbk及C_fbk)連同初步X軸致動器命令(亦即，X_prelim.)、初步Y軸致動器命令(亦即，Y_prelim.)及初步Z軸致動器命令(亦即，Z_prelim.)，以藉由應用正向運動變換(例如，前述正向運動變換1302)產生另一組中間線性致動器命令(例如，第四組中間線性致動器命令X3、Y3及Z3)。
即時錯誤校正系統1301計算初步線性致動器命令(亦即，初步X軸致動器命令X_prelim.、初步Y軸致動器命令Y_prelim.及初步Z軸致動器命令Z_prelim.)中之各別命令與第四組中間線性致動器命令(亦即，X3、Y3及Z3)之間的差以導出前述第一線性錯誤信號組(亦即，eX1、eY1及eZ1)。同樣，計算由輸出至致動器之每一致動器命令命令的位置與由致動器產生的回饋信號指示的位置之間的差，以導出前述第二線性錯誤信號組(亦即，eX2、eY2及eZ2)。
第一線性錯誤信號eX1、eY1及eZ1中之每一者與對應第二線性錯誤信號eX2、eY2及eZ2組合，並且組合的第一及第二線性錯誤信號(亦即，eX1+eX2、eY1+eY2及eZ1+eZ2)中之每一者接著輸出至相對高頻寬致動器中之對應者作為第四組經處理線性命令。第四組經處理線性命令可包括錯誤校正X軸致動器命令X_corr.、錯誤校正Y軸致動器命令Y_corr.及錯誤校正Z軸致動器命令Z_corr.。錯誤校正X軸致動器命令(亦即，X_corr.)、錯誤校正Y軸致動器命令(亦即，Y_corr.)及錯誤校正Z軸致動器命令(亦即，Z_corr.)分別輸出至相對高頻寬X軸致動器108、相對高頻寬Y軸致動器110、相對高頻寬Z軸致動器112、B 軸致動器114及C軸致動器116。
VII.關於相對高頻寬Z軸致動器之另外實施例
如上文相對於並聯工具尖定位總成所提及，若工具將提供為雷射光之聚焦光束，則相對較高頻寬Z軸致動器112可提供為設置在雷射光傳播路徑(亦即，「傳播路徑」)中的變焦透鏡。如一般熟習此項技術者將理解，變焦透鏡為透鏡元件之機械總成，其焦距可改變。圖9例示根據一個實施例之變焦透鏡，其可用作相對較高頻寬Z軸致動器112。
參考圖9，根據一個實施例之變焦透鏡可提供為變焦透鏡900，且包括物鏡元件902(例如，發散透鏡元件)及會聚透鏡元件904。在所例示之實施例中，物鏡元件902提供為發散透鏡(例如，雙凹透鏡)，且會聚透鏡元件904提供為雙凸透鏡。雖然物鏡元件902與會聚透鏡元件904例示為單個透鏡系統，但將瞭解，物鏡元件902及會聚透鏡元件904中之一者或兩者可提供為複合透鏡系統，如此項技術中已知。
物鏡元件902及會聚透鏡元件904兩者以此項技術中已知之任何合適方式沿著公共軸(例如，與諸如前述傳播路徑304之傳播路徑共線)佈置。一般而言，掃描透鏡302可表6為具有第一焦距f 1，會聚透鏡元件904可表徵為具有第二焦距f 2(亦即，自會聚透鏡元件904之軸量測)，並且物鏡元件902可表徵為具有第三焦距f 3(亦即，自物鏡元件902之軸量測)。一般而言，第一焦距f 1大於第二焦距f 2，並且第二焦距f 2大於第三焦距f 3。
另外，並且雖然未展示，但物鏡元件902可耦接至經佈置及經組配來沿著傳播路徑304相對於會聚透鏡元件904移動物鏡元件902之致動器(例如，一或多個液壓缸、一或多個氣壓缸、一或多個伺服馬達、一或多個語音線圈致動器、一或多個壓電致動器、一或多個電致伸縮元件、一或多個電流計驅動凸輪等等或其任何組合)。舉例而言，此致動器(在本文中亦稱為「變焦透鏡 致動器」)可遠離會聚透鏡元件904或朝向會聚透鏡元件904移動物鏡元件902。在一些實施例中，變焦透鏡致動器可經組配來朝向或遠離會聚透鏡元件904移動物鏡元件902達至少1mm、至少5mm、至少10mm、至少15mm、至少20mm、至少25mm、至少30mm、至少40mm、至少50mm、至少75mm等或介於此等值中之任一者之間的距離。會聚透鏡元件904可在位置上相對於掃描透鏡302固定，或可相對於掃描透鏡302移動。
變焦透鏡900以光學方式佈置在掃描透鏡(例如，提供為前述掃描透鏡302)上游。雖然未展示，但相對高頻寬X軸致動器108及相對高頻寬Y軸致動器110(例如，各自提供為電流計驅動鏡系統，諸如相對於圖3論述之前述第一及第二電流計驅動鏡系統)可插置於變焦透鏡900與掃描透鏡302之間。
如圖9中所示，變焦透鏡致動器可操作以將物鏡元件902定位在「零移位位置」，使得物鏡元件902之焦平面(亦即，在第三焦距f 3處)與會聚透鏡元件904之焦平面(亦即，在第二焦距f 2處)重合。在物鏡元件902如上文所論述而定位(亦即，在「零移位位置」處)時，在已傳播經過變焦透鏡900之後，雷射光束906藉由掃描透鏡302聚焦在與掃描透鏡302之焦平面(亦即，在第一焦距f 1處)重合之焦點908處。
如圖10中所示，變焦透鏡致動器可操作以使物鏡元件902在移動遠離會聚透鏡元件904之方向上移位遠離零移位位置，使得物鏡元件902之焦平面(亦即，在第三焦距f 3處)在遠離會聚透鏡元件904之方向上移動遠離會聚透鏡元件904之焦平面(亦即，在第二焦距f 2處)。在物鏡元件902如上文所論述而定位(亦即，在「正移位位置」)處時，雷射光束906(在已傳播經過變焦透鏡900並且由掃描透鏡302聚焦之後)之焦點908朝向掃描透鏡302移位。如圖10中所示，在變焦透鏡900與掃描透鏡302之間，雷射光束906隨著其朝向掃描透鏡302傳播而會聚。
如圖11中所示，變焦透鏡致動器可操作以在朝向會聚透鏡元件904移動之方向上使物鏡元件902移位遠離零移位位置，使得物鏡元件902之焦平面(亦即，在第三焦距f 3處)在朝向會聚透鏡元件904之方向上移動遠離會聚透鏡元件904之焦平面(亦即，在第二焦距f 2處)。在物鏡元件902如上文所論述而定位(亦即，在「負移位位置」處)時，雷射光束906(在已傳播經過變焦透鏡900並且由掃描透鏡302聚焦之後)之焦點908遠離掃描透鏡302而移位。如圖11中所示，在變焦透鏡900與掃描透鏡302之間，雷射光束906隨著其朝向掃描透鏡302傳播而發散。
可根據以下方程式判定焦點908朝向掃描透鏡302(如圖10中所示)或遠離掃描透鏡302(如圖11中所示)而移位的距離dfp： 其中ds等於在移位時距物鏡元件902之軸及會聚透鏡元件904之焦平面之距離。如上文所論述，f 1表示掃描透鏡302之焦距，f 2表示會聚透鏡元件904之焦距，並且f 3表示物鏡元件902之焦距。應意識到，f 1、f 2及f 3可經選擇或以其他方式設定以確保物鏡元件902之移位距離ds與焦點908之移位距離dfp之比率可等於1：1、大於1：1或小於1：1。如本文所描述之焦點908之移位亦可在本文中稱為「聚焦高度調制」。
另外，可選擇物鏡元件902、會聚透鏡元件904及掃描透鏡302之特性，使得最終遞送至工件之加工區域(亦即，在已傳播經過變焦透鏡900及掃描透鏡302之後，如上文所論述)的聚焦雷射光光束之光點尺寸隨著自最大正移位位置至最大負移位位置掃描物鏡元件902之移位距離ds變化小於1μm。在一些實施例中，最終遞送至工件之加工區域(亦即，在已傳播經過變焦透鏡900及掃描透鏡302之後，如上文所論述)的聚焦雷射光束之光點尺寸的變化可隨著自最大正移位位置至最大負移位位置掃描物鏡元件902之移位距離ds變化小於0.75 μm、小於0.5μm、小於0.25μm、小於0.1μm、小於0.075μm、小於0.05μm、小於0.025μm、小於0.01μm等或介於此等值中之任一者之間。
如本文所使用，術語「光點尺寸」係指在加工軸橫穿工件之加工區域的位置處遞送的雷射脈衝之直徑或最大空間寬度。出於本文中論述之目的，光點尺寸量測為自加工軸至光學強度下降至加工軸處的光學強度之至少1/e2的位置的徑向或橫向距離。
圖12例示展示自最大正移位位置20mm至最大負移位位置20mm掃描物鏡元件902之移位距離ds的實驗之結果的曲線圖，所述掃描導致焦點908之移位距離dfp的對應移位(如虛線(與左側例示的豎直軸相關聯)所示)及最終遞送至工件之加工區域(亦即，工件之表面)之聚焦雷射光束之光點尺寸之約0.066μm的變化，如灰色實線(與右側例示的豎直軸相關聯)所示。
如上文所描述而建構，變焦透鏡900提供對受限範圍(例如，約第一焦距之+/-10%)的控制良好的聚焦高度調制，而對掃描透鏡302之焦平面扁平度、焦點908處之光點尺寸、焦點908處之光點形狀及遠心性具有極小影響。此外，物鏡元件902重量僅幾公克，由此准許變焦透鏡致動器以比相對低頻寬Z軸致動器106高得多的頻寬移動物鏡元件902。
VIII.混合多軸工具機之示例性實施例
圖14為示意性地例示根據一個實施例之混合多軸工具機的透視圖。圖15為示意性地例示沿著圖14中的線XV-XV'截取的圖14中所示之混合多軸工具機的部分側視平面圖。
參考圖14及圖15，諸如多軸工具機1400之混合多軸工具機可包括以下組件，諸如用於產生雷射光(例如，表現為一系列脈衝、連續或準連續雷射光束，或其任何組合)之雷射源1402及用於調節(例如，擴大、準直、濾波、偏振、聚焦、衰減、散射、吸收、反射等或其任何組合)由雷射源1402產生之雷 射光的雷射光學件。可提供雷射光學件之實例，包括：一或多個光閥，諸如各別第一光學光閥1404a及第二光學光閥1404b；各別第一摺疊鏡1406a、第二摺疊鏡1406b、第三摺疊鏡1406c、第四摺疊鏡1406d、第五摺疊鏡1406e、第六摺疊鏡1406f、第七摺疊鏡1406g、第八摺疊鏡1406h及第九摺疊鏡1406i；以及各別第一準直儀1408a及第二準直儀1408b。
一般而言，雷射源1402可操作以產生雷射光。由此，雷射源104可包括脈衝雷射源、CW雷射源、QCW雷射源、叢發模式雷射等等或其任何組合。在雷射源1402包括QCW或CW雷射源之情況下，視情況，雷射源104可包括脈衝閘控單元(例如，聲光(AO)調制器(AOM)、截光器，等)以在時間上調制自QCW或CW雷射源輸出之雷射輻射束(例如，以產生一或多個雷射脈衝)。雖然未例示，但多軸工具機1400可視情況包括一或多個諧波產生晶體(亦稱為「波長轉換晶體」)，其經組配來轉換由雷射源1402輸出之光的波長。因此，最終遞送至由工件定位總成201支撐之工件的雷射光可表徵為具有在紫外線(UV)、可見(例如，紫色、藍色、綠色、紅色等)或電磁光譜之紅外(IR)範圍中之一或多者或其任何組合中的一或多個波長。在電磁光譜之UV範圍中的雷射脈衝可具有在150nm(或大約)至385nm(大約)之範圍內，諸如157nm、200nm、334nm、337nm、351nm、380nm等或介於此等值中之任一者之間的一或多個波長。在電磁光譜之可見綠色範圍中之雷射脈衝可具有在500nm(或大約)至570nm(或大約)之範圍內，諸如511nm、515nm、530nm、532nm、543nm、568nm等或介於此等值中之任一者之間的一或多個波長。在電磁光譜之IR範圍中的雷射脈衝可具有在750nm(或大約)至15μm(或大約)之範圍內，諸如700nm至1000nm、752.5nm、780nm至1060nm、799.3nm、980nm、1047nm、1053nm、1060nm、1064nm、1080nm、1090nm、1152nm、1150nm至1350nm、1540nm、2.6μm至4μm、4.8μm至8.3μm、9.4μm、10.6μm等或介於此等值中之任 一者之間的一或多個波長。
最終遞送至由工件定位總成201支撐之工件的雷射脈衝輸出可具有處於10fs至900ms範圍內之脈寬或脈衝持續時間(亦即，基於脈衝與時間中的光功率之半高全寬(FWHM))。然而，將瞭解，可使脈衝持續時間小於30fs或大於900ms。因此，由雷射源1402輸出之至少一個雷射脈衝可具有大於或等於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、2μs、5μs、10μs、50μs、100μs、300μs、500μs、900μs、1ms、2ms、5ms、10ms、20ms、50ms、100ms、300ms、500ms、900ms、1s等或介於此等值中之任一者之間的脈衝持續時間。同樣，由雷射源1402輸出之至少一個雷射脈衝可具有小於1s、900ms、500ms、300ms、100ms、50ms、20ms、10ms、5ms、2ms、1ms、300ms、900μs,500μs、300μs,100μs、50μs,10μs,5μs、1μs,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等或介於此等值中之任一者之間的脈衝持續時間。
由雷射源1402輸出的雷射脈衝可具有在100mW至50kW範圍內的平均功率。然而，將瞭解，可使平均功率小於100mW或大於50kW。因此，由雷射源1402輸出之雷射脈衝可具有大於或等於100mW、300mW、500mW、800mW、1W、2W、3W、4W、5W、6W、7W、10W、15W、18W、25W、30W、50W、60W、100W、150W、200W、250W、500W、2kW、3 kW、20kW、50kW等或介於此等值中之任一者之間的平均功率。同樣，由雷射源1402輸出之雷射脈衝可具有小於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、100mW等或介於此等值中之任一者之間的平均功率。
可由雷射源1402以自5kHz至1GHz範圍內之脈衝重複率輸出雷射脈衝。然而，將瞭解，脈衝重複率可低於5kHz或大於1GHz。因此，可由雷射源104以大於或等於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等或介於此等值中之任一者之間的脈衝重複率輸出雷射脈衝。同樣，可由雷射源1402以小於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等或介於此等值中之任一者之間的脈衝重複率輸出雷射脈衝。
雷射源1402可表徵的雷射類型之實例為氣體雷射(例如，二氧化碳雷射、一氧化碳雷射、準分子雷射，等)、固態雷射(例如，Nd：YAG雷射，等)、棒雷射、光纖雷射、光子晶體棒/光纖雷射、被動模式鎖定固態主體或光纖雷射、染料雷射、模式鎖定二極體雷射、脈衝式雷射(例如，ms、ns、ps、fs脈衝式雷射)、CW雷射、QCW雷射等等或其任何組合。可提供為雷射源1402之 雷射源的特定實例包括一或多個雷射源，諸如：由EOLITE製造之BOREAS、HEGOA、SIROCCO、或CHINOOK系列雷射；由PYROPHOTONICS製造之PYROFLEX系列雷射；由COHERENT製造之PALADIN 355或DIAMOND系列(例如，DIAMOND E、G、J-2、J-3、J-5系列)；由SYNRAD製造之PULSTAR或FIRESTAR系列雷射；全部由TRUMPF製造之TRUFLOW系列雷射(例如，TRUFLOW 2000、2700、3000、3200、3600、4000、5000、6000、7000、8000、10000、12000、15000、20000)、TRUCOAX系列雷射(例如，TRUCOAX 1000)或TRUDISK、TRUPULSE、TRUDIODE、TRUFIBER或TRUMICRO系列雷射；由IMRA AMERICA製造之FCPA jaJEWEL或FEMTOLITE系列雷射；由AMPLITUDE SYSTEMES製造之TANGERINE及SATSUMA系列雷射(及MIKAN及T-PULSE系列振盪器)；由IPG PHOTONICS製造之CL-、CLPF-、CLPN-、CLPNT-、CLT-、ELM-、ELPF-、ELPN-、ELPP-、ELR-、ELS-、FLPN-、FLPNT-、FLT-、GLPF-、GLPN-、GLR-、HLPN-、HLPP-、RFL-、TLM-、TLPN-、TLR-、ULPN-、ULR-、VLM-、VLPN-、YLM-、YLPF-、YLPN-、YLPP-、YLR-、YLS-、FLPM-、FLPMT-、DLM-、BLM-或DLR系列雷射(例如，包括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等)，等等或其任何組合。
在一個實施例中，各別第一光學光閥1404a及第二光學光閥1404b中之一者或兩者可提供為手動致動或控制器致動光圈，其可以此項技術中已知之任何方式打開或閉合以控制通過光圈孔徑之光的量。在一個實施例中，各別第一準直儀1408a及第二準直儀1408b中之一者或兩者可提供為光束減小或光束擴大準直儀。
多軸工具機1400進一步包含工件定位總成。在一個實施例中， 工件定位總成提供為前述工件定位總成201，並且工具尖定位總成提供為混合工具尖定位總成。因此，工件定位總成201可包括相對低頻寬Y軸致動器104、B軸致動器114及C軸致動器116(例如，其中B軸致動器114安裝在相對低頻寬Y軸致動器104上，以便可藉由相對低頻寬Y軸致動器104移動，並且C軸致動器116安裝在B軸致動器114上，以便可藉由B軸致動器114、相對低頻寬Y軸致動器104或其任何組合而移動)。工件夾具(未展示)可機械耦接至工件定位總成201(例如，在相對低頻寬C軸致動器116處)以按任何合適或所要方式固持、保持、攜帶等工件(亦未展示)。工件夾具可提供為一或多個卡盤或其他夾鉗、夾子或其他緊固裝置(例如，螺栓、螺桿、銷、擋圈、繫帶、繫結件等)，工件可夾緊、固定、固持、緊固或以其他方式支撐至該或該等卡盤或其他夾鉗、夾子或其他緊固裝置。
多軸工具機1400進一步包含工具尖定位總成。在所例示之實施例中，工具尖定位總成提供為混合工具尖定位總成，其包括相對低頻寬X軸致動器102(例如，此處提供為沿著X軸定向之線性級)、安裝在相對低頻寬X軸致動器102上(例如，經由耦接至相對低頻寬X軸致動器102以便可藉由相對低頻寬X軸致動器102移動之夾具1409)之相對低頻寬Z軸致動器106(例如，此處提供為沿著Z軸定向之級)及安裝在相對低頻寬Z軸致動器106上(例如，以便可藉由相對低頻寬Z軸致動器106、相對低頻寬X軸致動器102或其組合移動)之相對高頻寬Z軸致動器112。在替代實施例中，相對高頻寬Z軸致動器112自工具尖定位總成省略(亦即，多軸工具機1400不包括相對高頻寬Z軸致動器112)。
除了前述組件之外，混合工具尖定位總成亦包括相對高頻寬X軸致動器108及相對高頻寬Y軸致動器110。在所例示之實施例中，相對高頻寬X軸致動器108及相對高頻寬Y軸致動器110各自提供為電流計驅動鏡系統(例如，如相對於圖3所論述)，並且併入至安裝在相對低頻寬Z軸致動器106上(例如，以 便可藉由相對低頻寬Z軸致動器106、相對低頻寬X軸致動器102或其組合而移動)的公共掃描頭1410中。掃描頭1410亦可包括掃描透鏡(例如，如上文相對於圖3或圖9至圖11中之任一者所論述)。
多軸工具機1400進一步包含處理基座1412及系統基座1414。處理基座1412經組配來至少部分地隔離諸如工件定位總成201、雷射源1402、雷射光學件等之組件與在多軸工具機1400外部產生之振動。因此，在一個實施例中，處理基座1412提供為相對重之花崗石、輝綠岩、等或其任何組合之塊體。處理基座1412安放於系統基座1414上或其內，且擱置在一組支架1413(例如，由彈性體材料製成)上。支架1413經組配來衰減在多軸工具機1400外部產生之振動(例如，以防止或以其他方式最小化在處理期間將可能由此類振動造成的準確度之任何降低)。系統基座1414可例如支撐在底板(未展示)上。在一個實施例中，與多軸工具機1400之致動器、雷射源1402、光閥1404a、1404b等相關聯之任何控制器可容納在系統基座1414內。
多軸工具機1400進一步包括耦接至處理基座1412之支撐框架1416(例如，台架)1416。支撐框架1416可經組配以將工具尖總成支撐在工件定位總成201上。支撐框架1416可包括在工件定位總成201之對置側處耦接至處理基座1412並且通常支撐橫桿1420之一對支撐件1418。在所例示之實施例中，工具尖定位總成之相對低頻寬X軸致動器102耦接至橫桿1420，由此准許支撐框架1416將工具尖總成支撐在工件定位總成201上。支撐框架1416可經組配以至少部分地隔離諸如前述工具尖定位總成內之致動器、掃描透鏡等組件與在多軸工具機1400外部產生之振動以及由工件定位總成201產生之振動。因此，在一個實施例中，支撐框架1416之支撐件1418及橫桿1420可形成為相對重之花崗石、輝綠岩等等或其任何組合之塊體。
多軸工具機1400進一步包括耦接至支撐框架1416(例如，在支 撐件1418及橫桿1420處)之光學件壁1422。光學件壁1422可支撐前述雷射光學件中的一些。舉例而言，並且最佳如圖15中所示，諸如各別第一光學光閥1404a及第二光學光閥1404b、各別第一摺疊鏡1406a、第二摺疊鏡1406b、第三摺疊鏡1406c、第四摺疊鏡1406d、第五摺疊鏡1406e及第六摺疊鏡1406f以及各別第一準直儀1408a及第二準直儀1408b之雷射光學件可耦接至光學件壁。在另一實施例中，各別第一光閥1404a及第二光閥1404b中之一者或兩者可以任何合適的方式耦接至處理基座1412。
一般而言，各別第一摺疊鏡1406a、第二摺疊鏡1406b、第三摺疊鏡1406c、第四摺疊鏡1406d、第五摺疊鏡1406e、第六摺疊鏡1406f及第七摺疊鏡1406g佈置於光學件壁1422之一個側上，以便沿著諸如前述傳播路徑304之傳播路徑導引雷射光(例如，由雷射源1402產生並且由各別第一光學光閥1404a及第二光學光閥1404b傳遞)經過其他雷射光學件(例如，各別第一準直儀1408a及第二準直儀1408b)並且進入形成於光學件壁1422中的光學埠1424中。因此，傳播路徑304自光學件壁1422之一個側(亦即，光學件壁1422之第一側，雷射源1402位於此處)經由光學埠1424延伸至光學件壁1422之另一側(例如，光學件壁1422之第二側，工具尖定位總成位於此處)。
各別第八摺疊鏡1406h及第九摺疊鏡1406i將傳播經過光學埠1424之雷射光導引至相對高頻寬Z軸致動器112中。在此情況下，第八摺疊鏡1406h可經由鏡支撐橫桿1426耦接至支撐框架1416(例如，耦接至橫桿1420)，使得第八摺疊鏡1406h之定向及位置可在多軸工具機1400之操作期間保持至少基本固定。第九摺疊鏡1406i可耦接至夾具1409，使得第九摺疊鏡1406i之定向及位置可在多軸工具機1400之操作期間保持至少基本固定。因此，第九摺疊鏡1406i可藉由相對低頻寬X軸致動器102而沿著X軸移動。如上文所提及，相對低頻寬Z軸致動器106經由夾具1409耦接至相對低頻寬X軸致動器102。因此，相對 高頻寬Z軸致動器112及掃描頭1410可在相對低頻寬Z軸致動器106之操作期間相對於第九摺疊鏡1406i沿著Z軸移動。
如示例性例示，第八摺疊鏡1406h沿著Y軸對準至第七摺疊鏡1406g，第九摺疊鏡1406i沿著X軸對準至第八摺疊鏡1406h，並且相對高頻寬Z軸致動器112沿著Z軸對準至第九摺疊鏡1406i。同樣，掃描頭1410沿著Z軸對準至相對高頻寬Z軸致動器112。在高頻寬Z軸致動器112自工具尖定位總成省略之替代實施例中，掃描頭1410可沿著Z軸對準至第九摺疊鏡1406i。
在雷射光由第九摺疊鏡1406i反射之後，其沿著傳播路徑304傳播(視情況，通過相對高頻寬Z軸致動器112)，並且進入掃描頭1410中，在此處其可藉由相對高頻寬X軸致動器108及相對高頻寬Y軸致動器110偏轉。此後，雷射光藉由掃描頭1410中之掃描透鏡聚焦，隨後傳播至緊固至工件定位總成201之工件。
雖然所例示實施例設想多軸工具機1400具有在光學件壁1422中之光學埠1424，並且傳播路徑304可延伸穿過光學埠1424，但將瞭解，光學件壁1422可以使得傳播路徑304能夠自第七摺疊鏡1406g延伸至第八摺疊鏡1406h之任何其他方式加以組配。舉例而言，光學件壁1422可包括自其邊緣延伸之凹口，且涵蓋與光學埠1424重合之區域。
如上文所描述而建構並且佈置，諸如各別第八摺疊鏡1406h及第九摺疊鏡1406i之摺疊鏡提供自由空間光束遞送系統以將雷射光導引至掃描頭1410，並且視情況導引至相對高頻寬Z軸致動器112。因為第九摺疊鏡1406i安裝至相對低頻寬X軸致動器102並且沿著X軸對準至第八摺疊鏡1406h且沿著Z軸對準至掃描頭1410(及相對高頻寬Z軸致動器112，若包括)，因此自第八摺疊鏡1406h至掃描頭1410之傳播路徑之長度及組態可在相對低頻寬X軸致動器102及/或相對低頻寬Z軸致動器106之操作期間動態地改變。與具有固定光束遞送系統 的特定習知基於雷射之多軸工具機相比，此可為有益的，習知基於雷射之多軸工具機需要掃描頭1410在基於雷射之多軸工具機之操作期間靜止並且限制可由此類習知基於雷射之多軸工具機處理的工件之尺寸。如上文所描述而建構，經由工件定位總成201及工具尖定位總成之組合操作，多軸工具機1400可將加工區域置於X軸、Y軸及Z軸之最大尺寸為1000mm(或小於1000mm)×1000mm(或小於1000mm)×750mm(或小於500mm)之處理容積內的任何地方。在一個實施例中，處理容積在X軸上的最大尺寸可等於或小於750mm、500mm、250mm、200mm、150mm等或介於此等值中之任一者之間。在一個實施例中，處理體積在Y軸上之最大尺寸可等於或小於750mm、500mm、250mm、200mm、150mm等或介於此等值中之任一者之間。在一個實施例中，處理體積在Z軸上之最大尺寸可等於或小於500mm、250mm、200mm、150mm等或介於此等值中之任一者之間。此外並且在如上文所描述而建構時，雷射光可沿著傳播路徑304傳播經過多軸工具機1400之自由空間光束遞送系統中的空氣。與使用光纖來將雷射光遞送至掃描頭1410的特定習知基於雷射之多軸工具機相比，此可為有益的。
雖然上文已將多軸工具機1400例示並且描述為包括諸如摺疊鏡、光閥及準直儀之特定數目及佈置之雷射光學件，但將瞭解，多軸工具機1400可包括任何不同數目、類型及佈置之雷射光學件，只要保留前述自由空間光束遞送系統即可。
雖然未展示，但多軸工具機1400可包括圍封由雷射源1402及諸如各別第一光學光閥1404a及第二光學光閥1404b、各別第一摺疊鏡1406a、第二摺疊鏡1406b、第三摺疊鏡1406c、第四摺疊鏡1406d、第五摺疊鏡1406e、第六摺疊鏡1406f及第七摺疊鏡1406g以及各別第一準直儀1408a及第二準直儀1408b之雷射光學件佔據的空間之防護罩或殼體。此防護罩(亦稱為「光學件防護罩」 耦接至系統基座1414，且可定義多軸工具機1400之外部的一部分。光學件防護罩與光學件壁1422隔開以防止光學件防護罩之移動(例如，由於操作者靠在上面)不當地影響附接至光學件壁1422之雷射光學件之位置或對準或因其他原因不當地影響由工件定位總成201固持之工件的處理準確度。
由光學件防護罩圍封之空間亦可主動加壓以防止顆粒物質(例如，在雷射處理工件期間產生之蒸氣、殘渣等)累積在雷射源及雷射光學件之光學表面上。因此，多軸工具機1400可包括泵(未展示，但設置於由光學件防護罩圍封之空間內並且與多軸工具機1400外部的環境流體連通)以對由光學件防護罩圍封的空間主動加壓(例如，以便防止諸如在雷射處理工件期間產生之蒸氣、殘渣等顆粒物質累積在雷射源1402及雷射光學件之光學表面上)。
雖然未展示，但多軸工具機1400可包括圍封由及諸如各別第八摺疊鏡1406h及第九摺疊鏡1406i之雷射光學件、工具尖定位總成及工件定位總成佔據的空間之防護罩或殼體。此防護罩(亦稱為「處理防護罩」耦接至系統基座1414及光學件防護罩，並且可定義多軸工具機1400之外部的另一部分。處理防護罩與光學件壁1422隔開以防止處理防護罩之移動(例如，由於操作者靠在上面)不當地影響附接至光學件壁1422之雷射光學件之位置或對準或因其他原因不當地影響由工件定位總成201固持的工件之處理準確度。一般而言，處理防護罩經組配來防止(或至少基本防止)在雷射處理工件期間產生之顆粒物質退出由處理防護罩圍封的空間進入在多軸工具機1400外部的環境。
IX.關於管理熱問題之實施例
雖然未展示，但多軸工具機1400可包括經組配來防止雷射源1402在其操作期間不當地過熱之冷凍器或其他裝置。在操作期間，諸如雷射源1402、泵、冷凍器等組件可產生熱。在一些情況下，所產生的熱可經由多軸工具機1400之諸如光學件壁1422、支撐框架1416(例如，支撐件1418及/或橫桿 1420)、相對低頻寬X軸致動器102等組件擴散至由處理防護罩圍封之空間中。已發現，在一些情況下，擴散至由處理防護罩圍封之空間中的熱可足以誘發相對低頻寬X軸致動器102之熱膨脹。然而，一般而言，相對低頻寬X軸致動器102之熱膨脹可由於周圍溫度之低至7℉之改變而誘發。
如上文所提及，在多軸工具機1400中，相對低頻寬X軸致動器102提供為沿著X軸定向之線性級。該線性級通常包括床(例如，由諸如鋁或鋁合金之材料形成)、附接至該床之追蹤軌道及可移動地安裝至該追蹤軌道之托架。通常，線性級藉由將床固定至橫桿1420(例如，使用複數個螺桿、螺栓、銷等等或其任何組合)而安裝至橫桿1420。由諸如鋁或鋁合金之材料形成，線性級之床與通常由花崗石形成的橫桿1420相比具有相對較高的熱膨脹係數(CTE)。舉例而言，床之CTE為約12×10-6/℉，而橫桿1420之CTE為約3×10-6/℉。由於線性級之床與橫桿1420之間的CTE差，在線性級附接至橫桿1420時，床可能弓曲、翹曲或以其他方式不當地變形(例如，若過大量之熱擴散至相對低頻寬X軸致動器102中)。
可實施眾多技術以最小化或以其他方式防止相對低頻寬X軸致動器102之非所要變形。在一個實施例中，多軸工具機1400可在環境之周圍溫度等於(或基本等於)組裝多軸工具機1400之環境的溫度之環境中操作。在另一實施例中，多軸工具機1400可包括經組配來加熱由處理防護罩圍封的空間(例如，以使得由處理防護罩圍封的空間之周圍溫度至少基本等於由光學件防護罩圍封的空間之周圍溫度)之加熱單元。在另一實施例中，多軸工具機1400可包括經組配來冷卻由光學件防護罩圍封的空間(例如，以使得由光學件防護罩圍封的空間之周圍溫度至少基本等於由處理防護罩圍封的空間之周圍溫度)之冷卻單元。在又一實施例中，光學件壁1422可由與相對低頻寬X軸致動器102具有相同或類似CTE且可設定尺寸(例如，在厚度、高度、長度等方面)以與相對低頻寬X 軸致動器102(或其床)具有類似慣性力矩之材料(例如，鋁或鋁合金)形成。如上文所描述而組配，光學件壁1422可有效地抵抗在相對低頻寬X軸致動器102中可能發生(例如，部分地由於以下事實：光學件壁1422耦接至與相對低頻寬X軸致動器102相對的橫桿1420側)的任何熱誘發的變形。
在另一實施例中，可藉由向多軸工具機1400提供管道系統來最小化或以其他方式防止相對低頻寬X軸致動器102之非所要弓曲或變形，該管道系統將由光學件防護罩圍封的空間內之受熱氣體的一部分轉移至由處理防護罩圍封的空間中。
X.關於管理顆粒物質之實施例
如上文所提及，在使用諸如雷射光束之工具處理工件期間可能產生顆粒物質(例如，在雷射處理工件期間可能產生蒸氣、殘渣，等)。為防止或以其他方式最小化不當地累積在表面(例如，諸如掃描頭1410之掃描頭的表面、諸如第八摺疊鏡1406h或第九摺疊鏡1406i之鏡的表面等)上或不當地退出多軸工具機(例如，經由多軸工具機1400之處理防護罩)的顆粒物質的量等，工具機可包括耦接至工件定位總成之俘獲噴嘴。俘獲噴嘴可與真空源流體連通並且具有經組配來接收顆粒物質之入口。在一個實施例中，入口定位得接近於工件上的在處理期間產生加工區域之位置。因此，俘獲噴嘴可連接至工件最終固定至的相同級。舉例而言，若工件耦接至C軸致動器116(例如，藉由諸如卡盤之夾具，等)，則俘獲噴嘴亦可耦接至C軸致動器116，以使得俘獲噴嘴之入口可在處理期間隨工件一起移動。
除了俘獲噴嘴之外，多軸工具機亦可視情況包括佈置於工件之與俘獲噴嘴相對的尺寸上並且例如耦接至與俘獲噴嘴耦接至的該相同的級的氣體流注入噴嘴(例如，以使得氣體流注入噴嘴可在處理期間隨俘獲噴嘴及工件一起移動)。一般而言，氣體流注入噴嘴耦接至高壓氣體源，並且經組配來在處理 期間將高壓氣體引導至加工區域。
XI.結論
前文係對本發明之實施例及實例的說明且不應被理解為對本發明之限制。雖然已參考圖式描述數個特定實施例及實例，但熟習此項技術者將容易瞭解，在不實質上脫離本發明之新穎性教示及優點的情況下，對所揭示之實施例及實例以及其他實施例之諸多修改係可能的。因此，所有此類修改意欲包括於如申請專利範圍中所界定的本發明之範疇內。例如，技藝人士將瞭解，任何句子、段落、實例或實施例之標的可與一些或所有其他句子、段落、實例或實施例之標的組合，除此類組合互斥的情況外。因此，本發明之範疇應由以下申請專利範圍以及包括在其中之申請專利範圍的等效物來判定。

Claims (7)

  1. 一種用於處理一工件之基於雷射之多軸工具機，其包含：一雷射源，其經組配來產生雷射光；一支撐框架；一掃描頭；一第一致動器，其耦接於該支撐框架與該掃描頭之間，其中該第一致動器經佈置且經組配來沿著一第一方向相對於該支撐框架平移該掃描頭；一第二致動器，其耦接於該第一致動器與該支撐框架之間，其中該第二致動器經佈置且經組配來沿著一第二方向相對於該支撐框架平移該掃描頭及該第一致動器；以及複數個鏡，其經佈置且經組配來沿著一傳播路徑將該雷射光自該雷射源導引至該掃描頭，其中該複數個鏡包括：一第一鏡，其耦接至該支撐框架；以及一第二鏡，其耦接至該第二致動器，使得該第二鏡可相對於該第一鏡沿著該第二方向移動且使得該掃描頭可相對於該第二鏡沿著該第一方向移動。
  2. 一種用於處理一工件之基於雷射之工具機，其包含：一雷射源，其經組配來產生雷射光，該雷射光可沿著一傳播路徑傳播；一掃描透鏡，其佈置於該傳播路徑中；一第一致動器，其耦接至該掃描透鏡，其中該第一致動器經佈置且經組配來沿著一第一方向移動該掃描透鏡；以及一變焦透鏡，其在該傳播路徑中佈置於該掃描透鏡與該雷射源之間。
  3. 如申請專利範圍第2項之基於雷射之工具機，其中該變焦透鏡耦接至該第一致動器，使得該變焦透鏡可沿著該第一方向移動。
  4. 如申請專利範圍第2項之基於雷射之工具機，其中該變焦透鏡包 括：一會聚透鏡元件，其佈置於該傳播路徑中；以及一物鏡元件，其佈置於該傳播路徑中，其中該會聚透鏡元件可相對於該會聚透鏡元件移動。
  5. 如申請專利範圍第4項之基於雷射之工具機，其中該物鏡元件包括一發散透鏡元件。
  6. 如申請專利範圍第4項之基於雷射之工具機，其中該變焦透鏡進一步包括耦接至該物鏡元件之一致動器。
  7. 一種用於利用雷射光處理一工件之多軸工具機，其包含：一雷射源，其經組配來產生該雷射光，該雷射光可沿著一傳播路徑傳播以在一光點處照射該工件；一工件定位總成，其可操作以移動該工件；一工具尖定位總成，其可操作以移動該光點；以及一控制器，其可操作地耦接至該工件定位總成及該工具尖定位總成，其中該控制器可操作以控制選自由該工件定位總成及該工具尖定位總成組成的組中之至少一者的一操作，以引起該工件與該光點之間的以一恆定速度之相對移動，其中該相對移動包括繞著一第一軸之同時旋轉移動及沿著不同於該第一軸之一第二軸的線性移動。
TW107115277A 2017-05-05 2018-05-04 多軸工具、其控制方法和相關配置 TW201902605A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762502311P 2017-05-05 2017-05-05
US62/502,311 2017-05-05
US201762511072P 2017-05-25 2017-05-25
US62/511,072 2017-05-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW201902605A true TW201902605A (zh) 2019-01-16

Family

ID=64016684

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW111134786A TW202300267A (zh) 2017-05-05 2018-05-04 多軸工具機、其控制方法和相關配置
TW107115277A TW201902605A (zh) 2017-05-05 2018-05-04 多軸工具、其控制方法和相關配置

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW111134786A TW202300267A (zh) 2017-05-05 2018-05-04 多軸工具機、其控制方法和相關配置

Country Status (8)

Country Link
US (2) US20210276125A1 (zh)
EP (1) EP3618997A4 (zh)
JP (2) JP2020519446A (zh)
KR (2) KR20220116355A (zh)
CN (1) CN110573292A (zh)
SG (1) SG11201909363WA (zh)
TW (2) TW202300267A (zh)
WO (1) WO2018204241A1 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI718945B (zh) * 2020-05-12 2021-02-11 國立彰化師範大學 主動式恆定施力感測控制系統
TWI738601B (zh) * 2020-07-28 2021-09-01 盟立自動化股份有限公司 工具的移動路徑的生成方法
US12023565B2 (en) 2021-08-26 2024-07-02 Industrial Technology Research Institute Projection system and projection calibration method using the same
US12028642B2 (en) 2022-10-25 2024-07-02 Industrial Technology Research Institute Target tracking system and target tracking method using the same

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12145216B2 (en) * 2017-05-15 2024-11-19 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Systems and methods for laser cleaving diamonds
KR102820595B1 (ko) * 2018-10-16 2025-06-16 일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드 레이저 처리 시스템용 프레임 및 외부 슈라우딩
JP7181790B2 (ja) * 2018-12-28 2022-12-01 株式会社キーエンス レーザ加工装置
JP6898366B2 (ja) * 2019-01-22 2021-07-07 ファナック株式会社 ロボット装置及び熱変位量推定装置
US12103110B2 (en) * 2019-03-22 2024-10-01 Via Mechanics, Ltd. Laser processing apparatus and laser processing method
RU194549U1 (ru) * 2019-06-04 2019-12-13 Илья Андреевич Богданов Многофункциональный станок с числовым программным управлением
CN110883486B (zh) * 2019-12-24 2025-07-18 东莞市科泰汽车检夹具有限公司 一种用于工件焊接的定位装置
US20230211437A1 (en) * 2020-07-15 2023-07-06 Fanuc Corporation Laser machining system
KR102570759B1 (ko) * 2022-06-30 2023-08-25 최병찬 레이저 절삭 가공장치 및 이의 가공방법
CN118493387A (zh) * 2024-05-27 2024-08-16 上海新时达机器人有限公司 机器人外部轴联动轨迹编程方法、装置、设备及存储介质
TWI900227B (zh) * 2024-09-11 2025-10-01 中華精測科技股份有限公司 用於雷射加工的定位調整系統及其操作方法
WO2026120979A1 (ja) * 2024-12-04 2026-06-11 川崎重工業株式会社 ロボットシステムおよびロボットシステムの制御方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2833489B2 (ja) * 1993-09-27 1998-12-09 三菱電機株式会社 レーザ加工機
CN2216443Y (zh) * 1994-07-18 1996-01-03 王佛性 激光加工机的变焦距光学聚焦系统
JPH09122944A (ja) * 1995-10-26 1997-05-13 Amada Co Ltd レーザ加工機
US6528762B2 (en) 2001-02-12 2003-03-04 W. A. Whitney Co. Laser beam position control apparatus for a CNC laser equipped machine tool
US6706999B1 (en) * 2003-02-24 2004-03-16 Electro Scientific Industries, Inc. Laser beam tertiary positioner apparatus and method
DE202004021725U1 (de) 2004-06-05 2010-07-15 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Laserbearbeitungsmaschine mit Strahldiagnosevorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Strahlkenndatums eines Laserstrahls an einer Laserbearbeitungsmaschine
JP5266647B2 (ja) * 2006-03-23 2013-08-21 日産自動車株式会社 レーザ溶接装置およびその調整方法
JP5201975B2 (ja) * 2007-12-14 2013-06-05 株式会社キーエンス レーザ加工装置、レーザ加工方法
US8392002B2 (en) 2010-10-14 2013-03-05 Delta Tau Data Systems, Inc. Hybrid machine control incorporating fast-tool servos
CN103212854B (zh) * 2012-01-19 2016-04-27 昆山思拓机器有限公司 激光切割加工方法
JP5994168B2 (ja) * 2012-03-26 2016-09-21 邦男 荒井 Ｘ、ｙ独立駆動方式のレーザー加工装置
CN102773612B (zh) * 2012-06-07 2015-06-10 江阴德力激光设备有限公司 一种振镜式紫外激光切割晶圆芯片装置及其方法
US9718146B2 (en) * 2013-06-03 2017-08-01 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. System and method for calibrating laser processing machines
CN203719627U (zh) * 2014-01-20 2014-07-16 东莞市亿辉光电科技有限公司 全自动大平面三维影像测量仪
EP3183093B1 (en) * 2015-06-22 2020-08-05 Electro Scientific Industries, Inc. Multi-axis machine tool and methods of controlling the same
CN106392330B (zh) * 2016-06-13 2017-12-05 济南新天科技有限公司 大幅面分割拼接激光打标机

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI718945B (zh) * 2020-05-12 2021-02-11 國立彰化師範大學 主動式恆定施力感測控制系統
TWI738601B (zh) * 2020-07-28 2021-09-01 盟立自動化股份有限公司 工具的移動路徑的生成方法
US11415959B2 (en) 2020-07-28 2022-08-16 Mirle Automation Corporation Method for generating movement path of tool
US12023565B2 (en) 2021-08-26 2024-07-02 Industrial Technology Research Institute Projection system and projection calibration method using the same
US12667766B2 (en) 2021-08-26 2026-06-30 Industrial Technology Research Institute Projection system
US12028642B2 (en) 2022-10-25 2024-07-02 Industrial Technology Research Institute Target tracking system and target tracking method using the same

Also Published As

Publication number Publication date
CN110573292A (zh) 2019-12-13
US20210276125A1 (en) 2021-09-09
JP2022169542A (ja) 2022-11-09
EP3618997A4 (en) 2021-06-02
KR20190138876A (ko) 2019-12-16
EP3618997A1 (en) 2020-03-11
US20220410315A1 (en) 2022-12-29
TW202300267A (zh) 2023-01-01
KR102490377B1 (ko) 2023-01-19
WO2018204241A1 (en) 2018-11-08
JP2020519446A (ja) 2020-07-02
KR20220116355A (ko) 2022-08-22
SG11201909363WA (en) 2019-11-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102490377B1 (ko) 다중 축 공작 기계, 이를 제어하는 방법들 및 관련 배치들
JP7717128B2 (ja) 多軸工作機械
CA2924823C (en) Laser processing systems capable of dithering
US8916798B2 (en) Laser machining apparatus with switchable laser system and laser machining method
JP2020519446A5 (zh)
JP7733282B2 (ja) 超硬材料のレーザ加工方法及びその装置並びに工作機械
Zhou et al. Vector and temporal manipulation for laser processing efficiency improvement
Subramonian et al. Transforming Linear Laser Cutting machine Into Laser Lathing–An Empirical Investigation & Evaluation of Roundness Quality
Sepold et al. 7 Laser systems for materials processing: 2 Production engineering