专利名称：定位控制装置和机床的制作方法
技术领域：
本发明涉及定位控制装置。
背景技术：
诸如激光钻机、激光修整装置和激光修理装置的机床(machine tool)使用执行反 射激光束的反射镜的旋转定位的felvano马达。这些机床还使用电容传感器、光学编码器 或磁编码器以检测反射镜的旋转角度，以便提高其的旋转定位的精度。另外，例如，激光钻 机使用多个反射镜和多个felvano马达，并且高速操作这些(ialvano马达，以将激光照射点 移动到目标位置。然后，在所有马达的操作完成之后(即，在反射镜的旋转定位完成之后)， 激光钻机执行激光照射。另外，诸如半导体曝光装置和钻孔机的其它机床使用被双轴线性马达驱动的XY 台架(stage)。这些机床高速操作线性马达，以便将台架移动到目标位置，并且在所有线性 马达的操作完成之后(即，在台架的定位完成之后)执行曝光或钻孔。为了执行马达的高速操作，需要马达的迅速加速和迅速减速，这需要给马达提供 大电流。给马达提供这种大电流增加了马达中的生热，这可能使得马达的温度以及给马达 提供电流的电路的温度过高地升高。日本专利公开No. 2003-329960公开了一种马达控制 方法，该方法为移动指令提供等待时间，以便抑制马达中的生热。然而，如日本专利公开No. 2003-329960所公开的方法那样在移动指令之前提供 等待时间在诸如加工(machining)等的处理的吞吐率方面是不利的。
发明内容
本发明例如提供了在吞吐率方面有利的定位控制装置。作为本发明的一个方面，本发明提供了一种定位控制装置，该定位控制装置包括 配置为移动第一被驱动部件的第一马达，配置为移动第二被驱动部件的第二马达，以及控 制器，该控制器被配置为控制第一马达的操作以便将第一被驱动部件移动到第一目标位 置，并且该控制器被配置为控制第二马达的操作以便将第二被驱动部件移动到第二目标位 置。所述控制器被配置为获得第一马达将第一被驱动部件移动到第一目标位置所需的第一 移动时间，以及第二马达将第二驱动部件移动到第二目标位置所需的第二移动时间，并且 所述控制器被配置为使得第一和第二马达在第一和第二移动时间中的较长的移动时间期 间并行操作，以便将第一和第二被驱动部件分别移动到第一和第二目标位置。作为另一个方面，本发明提供了一种机床，该机床包括第一被驱动部件，第二被驱 动部件，和上述定位控制装置。该定位控制装置配置为分别移动第一和第二被驱动部件来 对被加工物进行加工。从下文参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清晰。
图1是示出了作为本发明的实施例1的定位控制装置的操作的流程图。图2示出了实施例1的定位控制装置中的电流放大器的配置。图3示出了实施例1的定位控制装置的配置。图4示出了实施例1中的条件1下的马达电流的时间响应波形。图5A和5B示出了实施例1中的条件1下的位置误差波形。图6A和6B分别示出了实施例1中的条件1下的马达功耗和平均马达功耗。图7A和7B分别示出了实施例1中的条件1下的放大器功耗和平均放大器功耗。图8示出了实施例1中的条件2下的马达电流波形。图9A和9B分别示出了实施例1中的条件2下的位置误差波形。图IOA和IOB分别示出了实施例1中的条件2下的马达功耗和平均马达功耗。图IlA和IlB分别示出了实施例1中的条件2下的放大器功耗和平均放大器功耗。图12示出了作为本发明的实施例2的机床的激光束加工装置。
具体实施例方式下面将参考附图描述本发明的示例性实施例。[实施例1]图1的流程图示出了作为本发明的第一实施例(实施例1)的定位控制装置的操 作。下面将描述这样的情况，其中该装置操作两个马达(第一马达和第二马达)，以控制第 一被驱动部件和第二被驱动部件(未示出)在X轴方向和Y轴方向(第一方向和第二方向) 上的位置。第一被驱动部件和第二被驱动部件例如是激光束加工装置中的两个反射镜，或 半导体曝光装置中的XY台架的X轴被驱动部分和Y轴被驱动部分。第一被驱动部件和第 二被驱动部件可以是彼此不同或相同的部件。下面，在X轴方向上移动第一被驱动部件的 马达以及在Y轴方向上移动第二被驱动部件的马达分别被称为“X轴马达”和“Y轴马达”。首先，在步骤Si，该装置分别指示X轴方向和Y轴方向上的目标位置(第一目标位 置和第二目标位置)。接着，在步骤S2，该装置计算X轴马达的将第一被驱动部件移动到X轴方向上的目 标位置所需的定位时间(第一移动时间)Tx。另外，该装置计算Y轴马达的将第二被驱动部 件移动到Y轴方向上的目标位置所需的定位时间(第二移动时间)Ty。下文，定位时间Tx 和定位时间Ty分别被称为“X轴定位时间Tx”和“Y轴定位时间Ty”。如果在步骤S3，X轴定位时间Tx比Y轴定位时间Ty长(Tx > Ty)，则在步骤S4， 该装置将X轴马达和Y轴马达的实际移动时间设为相应于、即等于X轴定位时间Tx的时间， 该X轴定位时间Tx是定位时间Tx和Ty中的比另一个长的一个定位时间(定位时间Tx和 Ty中的较长的定位时间)。换言之，该装置将Y轴马达的实际移动时间设为比Y轴定位时 间Ty长的时间。然后，在步骤S5，该装置在实际移动时间Tx中并行地(或同时发生地)操 作X轴马达和Y轴马达。因此，同时完成第一和第二被驱动部件到各自目标位置的移动。此外，如果在步骤S6，Y轴定位时间Ty比X轴定位时间Tx长(Ty > Tx)，则在步骤 S7，该装置将X轴马达和Y轴马达的实际移动时间设为相应于Y轴定位时间Ty的时间，Y轴 定位时间Ty是定位时间Tx和Ty中的较长的定位时间。换言之，该装置将X轴马达的实际移动时间设为比X轴定位时间Tx长的时间。然后，在步骤S8，装置在实际移动时间Ty中并行 地操作X轴马达和Y轴马达。因此，同时完成第一和第二被驱动部件到各自目标位置的移动。本实施例中使用的术语“并行地”、“同时发生地”和“同时地”不仅包括马达的操 作的开始时间和马达的操作的结束时间分别彼此一致的情况，而且还包括控制或处理的延 迟在开始时间或完成时间之间造成微小差异，而该微小差异可被认为没有差异的情况。在步骤S9，当X轴定位时间Tx等于Y轴定位时间Ty时，该装置在实际移动时间 Tx ( = Ty)中并行地操作X轴马达和Y轴马达。因此，同时完成第一和第二被驱动部件到各 自目标位置的移动。上述操作使得能够减小X轴和Y轴马达中的功耗，这导致抑制这些马达中的生热。 下面将对其进行具体描述。在这个实施例中，X轴马达和Y轴马达由(ialvano马达(单相马达)构成。每个 马达的电阻以表示，并且每个马达的电感以Lm[H]表示。图3示出了这个实施例的双轴(ialvano马达定位控制装置的配置。附图标记50 表示X轴马达M的目标角，其被从定位控制装置的外部输入定位控制装置。X轴马达M的 目标角是第一被驱动部件移动到X轴方向上的目标位置所需的旋转角度。附图标记51表示执行X轴马达M的前馈控制的X轴前馈控制块。附图标记52表 示X轴马达M的参考角，其被设为相应于从被输入X轴前馈控制的电流相加项的马达模型 获得的角度响应的值。附图标记53表示执行X轴马达M的反馈控制的X轴反馈控制块。 附图标记55表示作为X轴马达M的输出的旋转角度。附图标记56表示将被提供给X轴 马达M的电流(下面称为“马达电流”)。附图标记60表示Y轴马达64的目标角，其被从外部输入定位控制装置。Y轴马达 64的目标角是第二被驱动部件移动到Y轴方向上的目标位置所需的旋转角度。附图标记61表示执行Y轴马达64的前馈控制的Y轴前馈控制块。附图标记62表 示Y轴马达64的参考角，其被设为相应于从被输入Y轴前馈控制的电流相加项的马达模型 获得的角度响应的值。附图标记63表示执行Y轴马达64的反馈控制的Y轴反馈控制块。 附图标记65表示作为Y轴马达64的输出的旋转角度。附图标记66表示将被提供给Y轴 马达64的电流(下面称为“马达电流”)。X轴前馈控制块和Y轴前馈控制块51和61以及X轴反馈控制块和Y轴反馈控制 块53和63构成控制器。这个实施例采用X轴马达M的简单马达模型。该马达模型具有这样的传递函数， 即相对于马达电流[A]的编码器(未示出)中的角度[rad]的响应为1. 762e+4/s20该编 码器被设置在从X轴马达M的输出到X轴反馈控制块53的输入的反馈环中。被驱动部件 (例如，激光束加工装置中的反射镜)被附接在马达的输出轴。马达的输出轴和该被驱动部 件具有机械共振模式。然而，在本说明书中，为了简单起见，假设驱动部件和马达中的每一 个被形成为这样的刚性部件，在该刚性部件中没有由其旋转运动引起扭转变形。另外，本实 施例的定位控制装置采用二自由度的数字控制系统。根据最终状态(final state)控制以所谓抖动(jerk)最小化轨迹设计二自由度 控制系统中的X轴前馈控制的电流相加项。如上所述，X轴的参考角被设置为相应于从被 输入X轴前馈控制的电流相加项的马达模型获得的角度响应的值。因此，当该马达模型与实际马达相符时，X轴反馈控制不起作用。基于该马达模型与实际马达相符的假设进行下 面的描述。上面对X轴马达的描述类似地适用于Y轴马达。在"Nano-scale servo control，，(Tokyo Electrical Engineering College Publications Service, pages 174 to 178)中详细描述的最终状态控制是这样的控制方 法，该控制方法向受控对象提供输入，以便使系统的初始状态在有限时段中达到指定的最 终(终端)状态。作为受控对象的马达的模型被定义为如下的可控m阶离散时间系统x[k+l] = Ax[k]+Bu[k]当假设最终步数(st印number)N为N彡m时，控制输入u
、u[l]...和u[N_l] 使得受控对象能够从最初状态X
移动到最终状态X [N]。在这个实施例中，作为受控对象的马达的模型被从传递函数模型转换为离散时间 系统模型，并且马达电流的指令(下面被称为“马达电流指令”)被以抖动最小化轨迹设计， 在该抖动最小化轨迹中，马达的加速度的一阶微分值的和被最小化。下面，X轴马达和Y轴 马达分别被简称为“X轴”和“Y轴”。(关于控制定律(controllaw)的条件1)将描述这样的例子，其中执行在相应于7e-3rad的角移动量的角位置处的X轴的 定位以及在相应于3. 5e-3rad的角移动量的角位置处的Y轴的定位。下面的控制定律的组 合被称为条件1。根据下列值执行X轴的移动(操作)初始状态角位置χ
= Orad ；最终状态角位置χ [N] = 7e-3rad ；采样频率=150KHz ；和最终步数N = 80。最终步数指的是使X轴从最初状态达到最终状态的采样次数。根据下列值执行Y轴的移动初始状态角位置χ
= Orad ；最终状态角位置χ [N] = 3. 5e-3rad ；采样频率=150KHz ；禾口最终步数N = 57。图4示出了 X轴和Y轴的从它们的移动的开始时间到在它们的目标位置处的结束 时间的马达电流的时间响应波形。X轴的时间响应波形被以虚线示出，并且Y轴的时间响 应波形被以实线示出。另外，图5A示出了从开始时间到结束时间的X轴和Y轴的位置误差 波形，并且图5B示出了在目标位置附近的位置误差波形的放大部分。X轴的位置误差波形 被以虚线示出，并且Y轴的位置误差波形被以实线示出。在图5A和5B中，水平轴示出时间 [lO^sec]，并且垂直轴示出当前位置与目标位置的差(偏差)。当X轴和Y轴中所需的定位精度为20 μ rad时，如图5B所示，这种定位精度下的 移动所需的X轴和Y轴定位时间jTx和Ty为Tx = 500 μ secTy = 350 μ sec
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图6A示出了 X轴马达和Y轴马达的功耗。X轴的功耗被以虚线示出，并且Y轴的 功耗被以实线示出。通过如下表达式计算在各时间t各马达的功耗PM(t)Pm (t) = I2diRm其中Im[A]表示提供给马达的电流(马达电流)。图6B示出了 X轴马达和Y轴马达的平均功耗。X轴的平均功耗被以虚线示出，并 且Y轴的平均功耗被以实线示出。各马达在各时间t的平均功耗被定义为从时间0到时间 T的时间平均功耗。通过如下表达式计算平均功耗Pm avekme(t)
权利要求
1.一种定位控制装置，包括第一马达0154)，被配置用于移动第一被驱动部件G3)；第二马达05、64)，被配置用于移动第二被驱动部件07)；以及控制器(51、53、61、63、30-33)，所述控制器被配置用于控制所述第一马达的操作以便 将所述第一被驱动部件移动到第一目标位置，并且所述控制器被配置用于控制所述第二马 达的操作以便将所述第二被驱动部件移动到第二目标位置，其特征在于，所述控制器被配置用于获得所述第一马达将所述第一被驱动部件移动到 所述第一目标位置所需的第一移动时间(Tx)，以及所述第二马达将所述第二被驱动部件移 动到所述第二目标位置所需的第二移动时间(Ty)，并且所述控制器被配置用于使得所述第 一马达和所述第二马达在所述第一移动时间和所述第二移动时间中的较长的移动时间期 间并行操作，以便分别将所述第一被驱动部件和所述第二驱动部件移动到所述第一目标位 置和所述第二目标位置。
2.如权利要求1所述的定位控制装置，进一步包括数据表，所述数据表存储关于所述第一和第二马达Gl、M、45、64)中的每一个在多个 控制定律的每一个下的移动量、移动时间和控制输入之间的关系的数据。
3.如权利要求1所述的定位控制装置，其中所述控制器(51、53、61、63、30-33)被配置 用于对第一和第二马达Gl、M、45、64)中的每一个执行二自由度控制。
4.一种用于加工被加工物的机床，所述机床包括第一被驱动部件G3)；第二被驱动部件G7)；和根据权利要求1所述的定位控制装置，其特征在于，所述定位控制装置被配置用于分别移动所述第一被驱动部件和所述第二 被驱动部件以对所述被加工物进行加工。
全文摘要
本发明公开了定位控制装置以及机床，该定位控制装置包括移动第一被驱动部件(43)的第一马达(41)，移动第二被驱动部件(47)的第二马达(45)，以及控制第一和第二马达以便将第一和第二被驱动部件分别移动到第一和第二目标位置的控制器(30-33)。控制器获得第一马达将第一被驱动部件移动到第一目标位置所需的第一移动时间(Tx)，以及第二马达将第二被驱动部件移动到第二目标位置所需的第二移动时间(Ty)，并且使得第一和第二马达在第一和第二移动时间中的较长的移动时间期间并行操作，以便分别将第一和第二被驱动部件移动到第一和第二目标位置。
文档编号B23K26/08GK102085601SQ20101057123
公开日2011年6月8日 申请日期2010年12月3日 优先权日2009年12月8日
发明者上田伸治 申请人:佳能株式会社