CN116991114B - 一种激光加工拼接误差的测量与补偿校正方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光加工拼接误差的测量与补偿校正方法，设计与所校正的振镜最大加工幅面长宽相等的误差检测加工图形，测量出分离误差和重叠误差；测量X向、Y向的误差检测加工图形的各拼接处的误差；对原有或默认的振镜校准数据文件中边缘位置的数据进行反向修正补偿；保存修正补偿后的振镜校准文件；按照校准程序软件的操作步骤使新的校准数据文件生效；检查拼接误差补偿效果，误差超出允许误差范围，则返回重新进行拼接误差的检测与补偿校准；本发明通过设计误差检测加工图形并进行校准文件反向修正补偿的方法，大幅度减小拼接误差，同时整体操作流程简洁、方便，适应于更多设备调试与产品生产现场的技术人员应用。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种激光加工拼接误差的测量与补偿校正方法。
背景技术
激光振镜控制加工方式作为一种便捷、高效的方式，已广泛应用于激光切割、焊接、清洗、标刻等加工领域中，在激光精密加工领域中，激光振镜扫描工作范围通常小于100×100mm，这对于大幅面材料和大幅面图案的加工，需要通过二维运动平台与振镜的配合运动才能够实现。例如，对于幅面超过400×350mm的柔性电路板中电路图形的切割，对于幅面超过500×450mm的陶瓷板中连续图形的标刻，都是通过设计工作台和行程范围超过最大加工尺寸工件的X-Y二维运动平台来实现加工，工件在二维运动平台上移动一个工作距离后，进行振镜的激光扫描加工，振镜加工完成后，运动平台再带动工件移动一个小于振镜最大扫描范围的运动距离，然后再进行下一次的振镜扫描加工，如此重复，完成工件完整幅面图形的加工。
在这种运动平台配合振镜扫描的加工过程中，由于振镜扫描误差、运动平台的定位误差、工作台的安装误差等原因，使得振镜上一扫描工作区域的加工图形，与下一扫描工作区域加工图形的连接处，并不能准确地连接，通常出现图案断开或者重合的问题，一般会产生±（10~20）μm的拼接误差，对于精密器件的激光切割、标刻及焊接的场合中，由于在振镜加工区域连接处的加工问题，常常使得一整块材料加工的不合格，或者隐藏的加工问题带给后续工艺或最终产品的严重质量问题。例如，专利申请CN202110354694.9公开的一种多振镜拼接打印方法，就是通过安装并控制多个激光扫描振镜，进行振镜扫描重叠区域内的打印轨迹预设；专利号CN201620941048.7公开的一种振镜拼接激光刻蚀机，就是通过安装两件或两件以上的激光器和振镜头，以减少拼接刻蚀的次数，以及由拼接误差带来的良品率低的问题。但是，上述专利申请都是通过多个激光扫描振镜拼装，这样同样会出现振镜上一扫描工作区域的加工图形，与下一扫描工作区域加工图形的连接处不能准确连接的情况，图案出现拼接误差的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光加工拼接误差的测量与补偿校正方法，在不需要增加外置测量反馈仪器以及改变现有加工控制硬件的基础上，解决了二维运动平台复合振镜扫描的加工误差问题，满足高精度激光加工的需求，具有方便、有效的特点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种激光加工拼接误差的测量与补偿校正方法，包括以下步骤：
步骤S1、将相邻振镜加工区域的连续图形加工拼接误差分为分离误差和重叠误差两种，设计与所校正的振镜最大加工幅面长宽相等的误差检测加工图形，将该误差检测加工图形延伸到振镜最大加工幅面的四周边缘，并且该误差检测加工图形与X向、Y向的下一振镜加工区域的误差检测加工图形相连接，同时在误差检测加工图形加工完成后，测量出分离误差和重叠误差；
步骤S2、使用原有激光振镜与运动平台控制参数，在激光加工设备上导入步骤S1设计的误差检测加工图形，使用测试纸或正常加工材料加工该误差检测加工图形，加工完成后，应用二次元影像测量仪、视频显微镜或高精度视觉测量方法，测量所加工图形的X向、Y向各拼接处的误差，记作（Xerri，Yerri），i=1，2，……，n，其中用正值表示重叠误差、负值表示分离误差；
步骤S3、打开振镜校准程序软件中原有或默认的振镜校准数据文件，由步骤S2得到的所有（Xerri，Yerri）数据，对原有或默认的振镜校准数据文件中边缘位置的数据进行反向修正补偿；保存修正补偿后的振镜校准数据文件；
步骤S4、将步骤S3中修正补偿并保存后的振镜校准数据文件加载至振镜校准程序软件中，替换原有或默认的振镜校准数据文件，按照校准程序软件的操作步骤使新的校准数据文件生效；
步骤S5、用测试纸加工检测图形，或者直接加工产品，检查拼接误差补偿效果；如果拼接误差未完全消除，或需要进一步提升补偿效果，则返回步骤S2-S4再进行一次拼接误差检测与补偿校准；
步骤S6、定期检验产品拼接误差程度，如果因传动***误差、光路***误差或振镜控制误差漂移使得拼接误差超出允许误差范围，则返回步骤S2-S5重新进行拼接误差的检测与补偿校准。
所述步骤S3中的反向修正补偿，其方法为：将X向与Y向拼接位置处的测量误差（Xerri，Yerri）分别与振镜扫描范围X向、Y向的边缘位置数据相对应，对原有数据进行补偿，具体为，X向拼接点误差值（Xerri，Yerri）对应振镜扫描范围X向的左侧和右侧边缘位置数据进行二等分补偿，Y向拼接点误差值（Xerri，Yerri）对应振镜扫描范围Y向的上方和下方边缘位置数据进行二等分补偿；
如误差值为正，则在原有数据基础上两侧位置点均加大一半的误差值；如误差值为负，则在原有数据基础上两侧位置点均缩小一半的误差值；将振镜校准文件中所有边缘位置点的（Xi，Yi）值根据（Xerri，Yerri）修正完成后，保存为新的振镜校准数据文件，其中X i 表示边缘位置点i处的X向原数据，Yi表示边缘位置点i处的Y向原数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1. 本发明通过设计误差检测加工图形并进行校准文件反向修正补偿的方法，大幅度减小拼接误差，相比传统改进拼接误差的方法，传统方法是通过逐级提高设备进给***、光路***、工作台治具及振镜的运行精度，通过采用更为精密的运动部件、光学元件，以及提升闭环控制精度的方法来实现，与传统方法相比，传统方法需要更多昂贵的硬件设备投入，同时也增加了设备的调试、控制与维护难度，本发明的方法无需对原有硬件条件做升级改造，同时也不增加控制与维护难度。
2. 本发明提出的拼接误差测量与修正补偿方法，适用于不同类型与规格的双轴运动平台与振镜扫描配合运动的激光加工设备平台，同时本发明提出的方法也适用于这类设备平台的激光精密切割、焊接、清洗、标刻等激光加工工艺过程。
3. 本发明提出的拼接误差测量与修正补偿方法，无需使用激光干涉仪、直线光栅尺等其他精密复杂的仪器与设备，只需应用精密加工领域常用的二次元影像测量仪、视频显微镜或视觉测量仪，适应性强，同时本发明方法整体操作流程简洁、方便，适应于更多的设备调试与产品生产现场的技术人员应用。
附图说明
图1为本发明流程示意图。
图2为X方向左右相邻两次振镜加工范围边缘处产生的分离误差，误差为-15μm。
图3为X方向左右相邻两次振镜加工范围边缘处产生的重叠误差，误差为15μm。
图4为实施例一的拼接误差检测加工图形，四个虚线框内的矩形块表示振镜单次加工范围，矩形块内的黑实线表示激光雕刻图形。
图5为X方向误差检测结果与相邻扫描区域形成的负值误差与拼接误差的关系图，圆点为理论位置、星形点为表示误差值的加工点。
图6为X方向误差检测结果与相邻扫描区域形成的正值误差与拼接误差的关系图，圆点为理论位置、星形点为表示误差值的加工点。
图7为补偿校正前圆弧图形加工拼接误差结果，补偿校正前X向拼接误差为-15.21μm。
图8为补偿校正后圆弧图形加工拼接误差结果，补偿校正后X向拼接误差为1.67μm。
图9为振镜扫描范围内理论位置与两次实际扫描位置的误差比较，圆形点为理论位置点，星形点为实际位置点，误差值在图中放大5倍表示。
图10为矩形加工图形Y向拼接误差补偿前示意图。
图11为矩形加工图形Y向拼接误差补偿后实际效果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。
实施例一
图1为本发明一种激光加工拼接误差的测量与补偿校正方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、根据运动平台与振镜复合加工产生拼接误差的原因，原有运动平台与振镜配合运动进行激光加工所产生的拼接误差，如图2和图3所示，在X方向的左右相邻两个振镜加工范围的边缘相接位置处产生了影响产品质量的加工误差，分为分离误差和重叠误差两种；
根据振镜的单次最大加工幅面，设计与所校正的振镜最大加工幅面长宽相等的误差检测加工图形，如图4所示，四个虚线框内的矩形块表示振镜单次加工范围，矩形块内的黑实线表示激光雕刻图形，加工图形延伸到了振镜单次最大加工幅面的四周边缘，并且该误差检测加工图形与X向、Y向的下一振镜加工区域的误差检测加工图形相连接；误差检测加工图形加工完成后，在相邻振镜扫描范围的拼接位置可以有效分离出X、Y向的拼接误差值。
步骤S2、使用原有激光振镜与运动平台控制参数，在激光加工设备上导入步骤S1设计的误差检测加工图形，使用测试纸加工该检测图形，加工完成后用二次元影像测量仪测量加工图形X、Y向各拼接处的误差，并记作（Xerr i ，Yerr i ），i=1，2，……，n；将测量得到的拼接误差表示如图5、图6所示。
由图5、图6可见，单次振镜加工边缘位置处的误差存在两种情况，分别为小于或大于理论位置，当运动平台移动后，振镜扫描区域的边缘位置与下一相邻振镜加工区域的边缘位置相连接，从而形成分离误差或重叠误差。图5的振镜误差对应形成了图2的实际加工拼接误差，即振镜实际定位小于理论位置时产生分离拼接误差，用负值进行记录；图6的振镜误差对应了图3的实际加工拼接误差，即振镜实际定位大于理论位置时产生重叠拼接误差，用正值进行记录。振镜Y方向定位误差与振镜扫描区域Y向拼接误差存在同样的对应关系。
步骤S3、打开振镜校准程序软件中原有或默认的振镜校准数据文件，由步骤S2得到的（Xerr i ，Yerr i ）数据，对原有或默认的振镜校准数据文件中边缘位置的数据进行反向修正，即误差值为正时，在两侧边缘位置点原有数据基础上均加大一半的误差值；误差值为负时，在两侧边缘位置点原有数据基础上均缩小一半的误差值。
所述步骤S3中的反向修正补偿，其方法为：将X向与Y向拼接位置处的测量误差（Xerr i ，Yerr i ）分别与振镜扫描范围X向、Y向的边缘位置数据相对应，对原有数据进行补偿，具体为，X向拼接点误差值（Xerr i ，Yerr i ）对应振镜扫描范围X向的左侧和右侧边缘位置数据进行二等分补偿，Y向拼接点误差值（Xerr i ，Yerr i ）对应振镜扫描范围Y向的上方和下方边缘位置数据进行二等分补偿；
如误差值为正，则在原有数据基础上两侧位置点均加大一半的误差值；如误差值为负，则在原有数据基础上两侧位置点均缩小一半的误差值；将振镜校准文件中所有边缘位置点的（X i ，Y i ）值根据（Xerr i ，Yerr i ）修正完成后，保存修正补偿后的振镜校准数据文件，其中X i 表示边缘位置点i处的X向原数据，Yi表示边缘位置点i处的Y向原数据。
步骤S4、以correXion5.exe振镜校准程序软件为例，将步骤S3中修正保存的振镜校准数据文件导入校准程序，导入修正补偿后的校准数据文件后进行数据生成与保存，即完成新的校准数据文件替换与生效。
步骤S5、应用步骤S4更新生效的振镜校准数据文件，用测试纸直接加工产品图形，检查拼接误差补偿校正效果，误差补偿校正前后的激光加工拼接误差比较如图7、图8所示，图中可见，拼接误差已由补偿前的-15.21μm降低为补偿后的1.67μm，如果拼接误差未完全消除，或需要进一步提升补偿效果，则返回步骤S2-S4再进行一次拼接误差检测与补偿校准。
步骤S6、由于运动平台与振镜配合运动进行激光加工中的拼接误差中除了振镜控制误差因素外，还包含由运动平台电机运动特性、激光光路变化以及器件温度稳定性等误差影响因素，因此，在产品生产与设备运行过程中，定期检测由上述因素所形成拼接误差的实际变化情况，如果因传动***误差、光路***误差或振镜控制误差漂移使得拼接误差超出允许误差范围，则按本发明方法返回步骤S2-S5进行误差修正补偿，以保证产品的加工质量；或者在产品质检过程中，当发现拼接误差增大的情况时，按照本发明方法返回步骤S2-S5进行拼接误差的检测与修正补偿，使设备加工质量处于良好状态。
待校准设备正常运行35天后，设计并按照拼接误差测试图形进行加工后，测量得到的振镜扫描范围内各处的实际误差如图9所示，图中振镜扫描点的理论位置与两次实际扫描位置的误差比较分别以圆形点和星形点表示。
测量振镜扫描范围边缘处的拼接误差值，并将其反向修正补偿至原有振镜校准数据文件中，导入校准程序软件并使新的校准数据文件生效后，进行实际产品图形的加工，补偿前后Y向拼接误差的实际补偿效果如图10和图11所示；图10为补偿前直线拼接误差，加工线宽20μm，矩形框理论宽度1mm，左右两处拼接误差分别为12.07μm、13.52μm；图11为补偿后直线拼接误差，从图中看出左右两拼接处拼接误差已基本消除，拼接误差补偿校准效果良好。
实施例二
本发明提出的拼接误差测量与修正补偿方法，适用于不同类型与规格的双轴运动平台与振镜扫描配合运动的激光加工设备平台，本实施例是二维运动平台与振镜扫描配合运动应用于激光清洗领域中，在半导体材料与精密模具的激光清洗中，由于相邻振镜扫描区域的拼接误差会造成激光清洗质量的不良。如用于精密器件制造的因瓦合金模具，由于其表面在使用过程中会产生局部氧化、局部粘着化学试剂及脱模剂等，需要对存在表面异物的区域进行激光清洗，由振镜扫描拼接处形成的分离误差会造成模具表面异物清洗不良，而振镜扫描拼接处所形成的重叠误差会造成激光清洗过程对因瓦合金基体的烧蚀损坏。由于生产中模具需要高频率重复使用，因此其表面也需要多频次的激光清洗，而由于以上分离误差和重叠误差带来的清洗不良和过度清洗会造成合金模具的最终完全损坏，带来生产成本的增加。
对于幅面为450×300mm的因瓦合金模具，采用精密激光清洗技术，原有拼接误差为18.4μm，因使用与激光清洗所造成的损伤使得单个模具的使用寿命为2800小时。按照本发明的方法，对激光振镜拼接误差进行测量与补偿校准，首先设计拼接误差检测加工图形，然后经过加工检测图形、误差值测量、校准数据文件反向补偿、新校准数据文件生效与拼接效果测试加工后，经测量，通过补偿校准后激光清洗振镜拼接误差降低为1.7μm，同时，单个模具的使用寿命也因此增加到4000小时，拼接误差补偿校准效果良好。
综上，本发明提出的方法也适用于这类设备平台的激光精密切割、焊接、清洗、标刻等激光加工工艺过程。
Claims (1)
1.一种激光加工拼接误差的测量与补偿校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将相邻振镜加工区域的连续图形加工拼接误差分为分离误差和重叠误差两种，设计与所校正的振镜最大加工幅面长宽相等的误差检测加工图形，将该误差检测加工图形延伸到振镜最大加工幅面的四周边缘，并且该误差检测加工图形与X向、Y向的下一振镜加工区域的误差检测加工图形相连接，同时在误差检测加工图形加工完成后，测量出分离误差和重叠误差；
步骤S2、使用原有激光振镜与运动平台控制参数，在激光加工设备上导入步骤S1设计的误差检测加工图形，使用测试纸或正常加工材料加工该误差检测加工图形，加工完成后，应用二次元影像测量仪、视频显微镜或高精度视觉测量方法，测量所加工图形的X向、Y向各拼接处的误差，记作(Xerri，Yerri)，i＝1，2，……，n，其中用正值表示重叠误差、负值表示分离误差；
步骤S3、打开振镜校准程序软件中原有或默认的振镜校准数据文件，由步骤S2得到的所有(Xerri，Yerri)数据，对原有或默认的振镜校准数据文件中边缘位置的数据进行反向修正补偿；保存修正补偿后的振镜校准数据文件；
步骤S4、将步骤S3中修正补偿并保存后的振镜校准数据文件加载至振镜校准程序软件中，替换原有或默认的振镜校准数据文件，按照校准程序软件的操作步骤使新的校准数据文件生效；
步骤S5、用测试纸加工检测图形，或者直接加工产品，检查拼接误差补偿效果；如果拼接误差未完全消除，或需要进一步提升补偿效果，则返回步骤S2-S4再进行一次拼接误差检测与补偿校准；
步骤S6、定期检验产品拼接误差程度，如果因传动***误差、光路***误差或振镜控制误差漂移使得拼接误差超出允许误差范围，则返回步骤S2-S5重新进行拼接误差的检测与补偿校准；
所述步骤S3中的反向修正补偿，其方法为：将X向与Y向拼接位置处的测量误差(Xerri，Yerri)分别与振镜扫描范围X向、Y向的边缘位置数据相对应，对原有数据进行补偿，具体为，X向拼接点误差值(Xerri，Yerri)对应振镜扫描范围X向的左侧和右侧边缘位置数据进行二等分补偿，Y向拼接点误差值(Xerri，Yerri)对应振镜扫描范围Y向的上方和下方边缘位置数据进行二等分补偿；
如误差值为正，则在原有数据基础上两侧位置点均加大一半的误差值；如误差值为负，则在原有数据基础上两侧位置点均缩小一半的误差值；将振镜校准文件中所有边缘位置点的值(Xi，Yi)根据(Xerri，Yerri)修正完成后，保存为新的振镜校准数据文件，其中Xi表示边缘位置点i处的X向原数据，Yi表示边缘位置点i处的Y向原数据。
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