CN105398061B - 加工系统 - Google Patents

Abstract

加工系统包括：激光光源，其生成激光；检流计扫描器，其具备反射激光的镜和对镜进行旋转驱动的伺服电动机，该检流计扫描器使激光照射到被加工物；以及动作控制装置，其按照正弦波状的驱动指令来控制伺服电动机的动作。

Description

加工系统

技术领域

本发明涉及一种包括能够使激光在被加工物中高速地进行扫描的检流计扫描器(galvano scanner)的加工系统。

背景技术

一般来讲，检流计扫描器是如下一种装置：具备能够分别以相互正交的两条旋转轴线为中心来旋转的两个镜，通过利用伺服电动机(检流计电动机)对这些镜进行旋转驱动来变更激光在被加工物中的扫描路径。检流计扫描器广泛用于对被加工物高速地标记条形码或者制造编号等的用途。另外，检流计扫描器也应用于如近年来逐渐普及的激光烧结式的3D打印机那样的光造形加工机。这样的光造形加工机对薄地层叠的金属粉末或光固化性树脂等照射激光来进行烧结或固化，由此制作所希望的三维形状的造形物。

图11和图12是按时间序列表示一般的光造形加工机的激光烧结加工的过程的概要图。两图是从上方观察层叠在台上的金属粉末M的俯视图，检流计扫描器首先使激光沿图11中的箭头A11所示的路径进行扫描来烧结金属粉末M。之后，提供新的金属粉末M的薄层，这次检流计扫描器使激光沿图12中的箭头A12所示的路径进行扫描来烧结金属粉末M。这样，在一般的激光烧结加工中，每次提供新的金属粉末M的薄层时都变更激光的扫描方向来烧结金属粉末M，通过反复执行这样的各层的烧结工序来制作所希望的三维形状的造形物。

根据图11和图12可知，在金属粉末M的各层的烧结工序中，加工途中的造形物的上表面被分割为具有规定的宽度(例如5mm)的多个带状区域R，这些带状区域R分别按顺序被照射激光。而且，在多个带状区域R的各个带状区域R中，激光反复执行沿带状区域R的横截方向的高速的往返运动来烧结金属粉末M(参照图11中的箭头A11和图12中的箭头A12)。

在此，为了没有不均地均匀地烧结金属粉末的薄层，优选在激光往返移动的期间使激光强度和激光扫描速度固定。另外，在激光的往返运动的折返时激光的移动瞬间停止，因此为了防止由此引起的烧结不均(过度烧结)，也能够执行如在激光的折返时关闭激光输出这样的激光输出控制。图13是用于说明上述的激光输出控制的概要图。更具体地说，图13概要地示出一般的激光烧结加工中的激光的扫描路径。在图中的标记P所示的激光的扫描路径中，激光的输出在用虚线表示的激光移动的停止期间内被暂时关闭。

图14是表示一般的激光烧结加工中的激光的扫描速度的时间变化的曲线图。更具体地说，图14的曲线图是表示激光在图11或图12中的带状区域R内往返一次的期间的激光的扫描速度的时间变化的曲线图。如图14所示，激光经过伺服电动机的正向的加速、恒速移动以及减速的各阶段而暂时停止，接着经过伺服电动机的逆向的加速、恒速移动以及减速的各阶段而再次停止。该期间的针对检流计扫描器的驱动指令(加减速指令)呈阶梯状，但是由于经常发生因检流计扫描器的响应时间所引起的延迟，因此如图14那样，实际的激光以某时间常数进行加速或减速。即，在以往的检流计扫描器中，因伺服电动机的加速能力而导致对于驱动指令的响应性被限制，因此维持激光的扫描精度并且使扫描速度高速化是非常困难的。

另外，一般来讲激光输出的开关控制的时间常数远远小于检流计扫描器的加减速控制的时间常数，因此在检流计扫描器的加减速阶段还是容易产生烧结不均。关于此，在JP2008-170579A中提出了一种生成与检流计扫描器的驱动指令相应的激光输出波形的控制方法。更具体地说，在JP2008-170579A的控制方法中，根据检流计扫描器的加减速指令的时间常数，使激光的照射定时延迟，由此减轻烧结不均。然而，检流计扫描器的实际动作相对于驱动指令会有一些延迟，因此即使根据检流计扫描器的驱动指令生成激光输出波形也不会完全消除烧结不均。

寻求一种能够维持基于检流计扫描器的激光的扫描精度并且使扫描速度高速化的加工系统。

发明内容

根据本发明的第一方式，提供如下一种加工系统，该加工系统包括：激光光源，其生成激光；检流计扫描器，其具备反射激光的镜和对镜进行旋转驱动的伺服电动机，该检流计扫描器使激光照射到被加工物；以及动作控制装置，其按照正弦波状的驱动指令来控制伺服电动机的动作。

根据本发明的第二方式，提供如下一种加工系统：在第一方式中，还具备检测伺服电动机的实际动作的检测器，动作控制装置具有：偏差计算部，其以规定的周期计算驱动指令与检测器所检测出的伺服电动机的实际动作之间的偏差；学习控制部，其采用偏差计算部在一个周期之前计算出的上述偏差来生成用于对偏差计算部新计算出的偏差进行校正的校正量；以及伺服控制部，其基于通过校正量进行校正后的偏差来控制伺服电动机的动作。

根据本发明的第三方式，提供如下一种加工系统：在第二方式中，还包括激光控制装置，该激光控制装置根据检测器所检测出的伺服电动机的转速控制激光的强度。

根据本发明的第四方式，提供如下一种加工系统：在第三方式中，激光控制装置对检测器所检测出的伺服电动机的转速乘以规定的系数来决定激光的强度。

根据本发明的第五方式，提供如下一种加工系统：在第三方式或第四方式中，动作控制装置与激光控制装置被组装到同一处理器中。

这些以及其它本发明的目的、特征以及优点通过参照附图所表现的本发明的例示性的实施方式的详细说明会变得更明确。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的加工系统的结构的框图。

图2是概要地表示图1的加工系统中的激光光源和检流计扫描器的立体图。

图3是表示图1的加工系统中的动作控制装置的结构的框图。

图4是表示图3的动作控制装置中的学习控制部的结构的框图。

图5是表示图1中的上级控制装置所生成的速度指令的一例的曲线图。

图6是表示本实施方式的加工系统中的激光光源和检流计扫描器的控制方法的过程的流程图。

图7是表示本实施方式的加工系统中的检流计扫描器的控制偏差的数值仿真结果的第一曲线图。

图8是表示以往的加工系统中的检流计扫描器的控制偏差的仿真结果的、与图7对应的曲线图。

图9是表示本实施方式的加工系统中的检流计扫描器的控制偏差的仿真结果的第二曲线图。

图10是表示以往的加工系统中的检流计扫描器的控制偏差的仿真结果的、与图9对应的曲线图。

图11是按时间序列表示一般的光造形加工机的激光烧结加工的过程的第一概要图。

图12是按时间序列表示一般的光造形加工机的激光烧结加工的过程的第二概要图。

图13是用于说明一般的激光烧结加工中的激光输出控制的概要图。

图14是表示一般的激光烧结加工中的激光的扫描速度的时间变化的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。在各附图中，对相同的结构要素标注相同的附图标记。此外，以下的记载并不限定权利要求书所记载的发明的技术范围、用语的含义等。

参照图1～图10来说明本发明的一个实施方式的加工系统。本实施方式的加工系统是如下激光烧结式的光造形加工机：反复执行对金属粉末或光固化性树脂的层叠体照射激光的烧结工序，由此制作所希望的三维形状的造形物。图1是表示本实施方式的例示性的加工系统1的结构的框图。如图1所示，本例的加工系统1包括生成激光的激光光源2、将激光光源2所生成的激光照射到被加工物的检流计扫描器3、对检流计扫描器3的动作进行控制的动作控制装置4、对激光光源2的动作进行控制的激光控制装置5以及分别向动作控制装置4和激光控制装置5发送控制信号的上级控制装置6。下面依次说明这些结构要素。

图2是概要地表示图1的加工系统1中的激光光源2和检流计扫描器3的立体图。如图2所示，激光光源2和检流计扫描器3配置在放置被加工物的台T的上方。此处所说的被加工物W是接受激光的照射而烧结的金属粉末或光固化性树脂的层叠体。通过未图示的机械装置对这样的层叠体反复提供新的薄层。但是，也可以由使用者手动地提供层叠体的新的薄层。

如图2所示，激光光源2是具备激光介质、光谐振器以及激励源等的各种激光振荡器，构成为朝向检流计扫描器3发射激光。另外，检流计扫描器3具备使激光光源2所发射的激光依次反射的多个镜、以及使多个镜分别绕规定的旋转轴线旋转地进行驱动的多个伺服电动机。更具体地说，本例的检流计扫描器3具备能够分别以相互正交的两条旋转轴线Ra、Rb为中心来旋转的两个镜31、31以及分别对这些镜31、31进行旋转驱动的两个伺服电动机32、32。但是，检流计扫描器3中的多个镜和多个伺服电动机的个数以及配置等不限定于图中的例子。

如图2所示，激光光源2所发射的激光依次被两个镜31、31反射后到达台T上的被加工物W。而且，当检流计扫描器3的两个伺服电动机32、32分别对两个镜31、31进行旋转驱动时，使入射到这些镜31、31的激光的入射角连续地变化。其结果，到达被加工物W的激光沿规定的扫描路径扫描被加工物W的上表面。此时，到达被加工物W的激光与图11和图12所示的例子同样地反复进行沿全长5mm左右的行程的往返运动。也就是说，被加工物W的上表面中的激光的扫描路径与图13所示的激光的扫描路径P相同。像这样执行对层叠体的各层的烧结工序。

根据图13可知，基于检流计扫描器3的激光的扫描路径P由与上述的带状区域R(参照图11和图12)的横截方向平行的X方向的分量以及与带状区域R的长边方向平行的Y方向的分量构成。如上所述，激光的扫描路径的X方向的全长L例如为5mm。而且，在对被加工物W的一个薄层的烧结工序中，检流计扫描器3的一方的伺服电动机32的旋转运动引起激光的沿X方向的直线运动(即往返运动)，另一方的伺服电动机32的旋转运动引起激光的沿Y方向的直线运动。但是，根据图11和图12可知，每次对被加工物W提供新的薄层时，带状区域R的朝向都旋转90°，因此在对新的薄层的烧结工序中，该一方的伺服电动机32的旋转运动引起激光的沿Y方向的直线运动，该另一方的伺服电动机32的旋转运动引起激光的沿X方向的直线运动(即往返运动)。此外，被加工物W中的扫描路径P上的激光的位置和速度、即对镜31、31进行旋转驱动的伺服电动机32、32的旋转位置和转速是由上述的动作控制装置4来进行控制的。另外，激光光源2所发射的激光的强度和开关的切换等是由上述的激光控制装置5来进行控制的。

再次参照图1，本例的动作控制装置4具有按照从上级控制装置6接收到的驱动指令来对检流计扫描器3的一个伺服电动机32的动作进行控制的功能。此外，在图1中只示出一个动作控制装置4，但本实施方式的加工系统1具有与伺服电动机32相同个数的动作控制装置4。另外，本例的激光控制装置5具有按照从上级控制装置6接收到的控制信号来对激光光源2的激光的强度进行控制的功能。特别是，本例的加工系统1还包括对各伺服电动机32的实际动作进行检测的检测器7，动作控制装置4和激光控制装置5执行基于从检测器7获取到的信息的反馈控制。关于这一点在后面进一步进行叙述。上述的检测器7例如是安装于各伺服电动机32的旋转编码器。

图3是表示图1的加工系统1中的动作控制装置4的结构的框图。如图3所示，本例的动作控制装置4包括偏差计算部41、学习控制部42、加法器43以及伺服控制部44。在此，偏差计算部41以规定的采样周期计算从上级控制装置6获取到的驱动指令与从检测器7获取到的反馈信息之间的偏差。另外，学习控制部42生成使偏差计算部41所计算出的偏差极小的校正量。关于学习控制部42的具体的结构在后面进行叙述。另外，加法器43将偏差计算部41所计算出的偏差与学习控制部42所生成的校正量相加。通过加法器43得出的相加结果以规定的增益(位置增益)被放大后被输入到伺服控制部44。然后，基于通过上述的校正量进行校正后的偏差来控制伺服电动机32的动作。特别是，本例的伺服控制部44按照一般的PID(Proportional-Integral-Derivative：比例-积分-微分)控制方式来控制伺服电动机32的转速和电流值等。

图4是表示图3的动作控制装置4中的学习控制部42的结构的框图。如图4所示，本例的学习控制部42包括加法器421、带宽限制滤波器422、延迟存储器423以及相位补偿器424。在此，加法器421将从上述的偏差计算部41输入的偏差与保持在延迟存储器423中的一个周期前的校正量相加。另外，带宽限制滤波器422是一般的低通滤波器，截止通过加法器421得出的相加结果的高频区域。另外，延迟存储器423将来自带宽限制滤波器422的输出值保持一个周期的期间。另外，相位补偿器424执行对于来自带宽限制滤波器422的输出值的相位补偿。而且，来自相位补偿器424的输出值作为用于对由偏差计算部41新计算出的偏差进行校正的校正量被输入到上述的加法器43。

像这样，本例的学习控制部42使用延迟存储器423中保持的一个周期前的偏差来生成用于校正新计算出的偏差的校正量。再次参照图3，加法器43通过将偏差计算部41所计算出的偏差与学习控制部42所生成的校正量相加来校正该偏差。而且，伺服控制部44基于通过上述的校正量进行校正后的偏差来控制伺服电动机32的动作。这样的控制方法一般被称作学习控制(或者反复控制)。通过反复执行学习控制，能够使由偏差计算部41计算的偏差向零收敛。此外，本实施方式的加工系统1的动作控制装置4中的学习控制部42不是必需的结构要素，也可以省略。在省略学习控制部42的情况下，动作控制装置4的伺服控制部44执行基于偏差计算部41所计算出的偏差的通常的反馈控制。

再次参照图1，上级控制装置6具有如下功能：生成包括针对检流计扫描器3的驱动指令以及针对激光光源2的强度指令的各种控制信号并发送到动作控制装置4和激光控制装置5。特别是，本例的上级控制装置6生成针对伺服电动机32的正弦波状的速度指令来作为用于使激光沿图13中的X方向往返移动的驱动指令。图5是表示上级控制装置6所生成的速度指令的一例的曲线图。如图5所示，利用正弦曲线表示基于本例的速度指令的时间变化，图中的坐标系的原点O与图13的扫描路径P的起点B对应。另外，在本例中，在伺服电动机32正向旋转的期间(即转速为正的值的期间)，激光沿图13中的X方向移动，在伺服电动机32逆向旋转的期间(即转速为负的值的期间)，激光沿X方向的反方向移动。上级控制装置6所生成的正弦波状的驱动指令被发送到动作控制装置4。然后，动作控制装置4按照从上级控制装置6获取到的正弦波状的驱动指令来控制伺服电动机32的动作。

像这样，根据本例的加工系统1，按照正弦波状的驱动指令(参照图5)控制各伺服电动机32的动作，因此使激光在被加工物W的上表面往返移动的伺服电动机32的加减速顺畅。因此，根据图5和图14可知，根据本例的加工系统1，使激光往返移动的伺服电动机32的最高速度变得比较大，因此能够缩短激光烧结工序的所需时间。此外，在本例的加工系统1中，动作控制装置4的学习控制部42能够执行使伺服电动机32的驱动指令与反馈信息之间的控制偏差向零收敛的学习控制，因此即使伺服电动机32被高速化也能够使伺服电动机32的动作高精度地追随驱动指令。其结果，能够实现利用激光烧结的高速且高精度的造形加工。

再次参照图1，激光控制装置5构成为根据检测器7所检测出的伺服电动机32的实际动作来控制激光的强度。更具体地说，本例的激光控制装置5通过对从检测器7获取到的伺服电动机32的转速乘以规定的输出系数来决定激光的强度。其结果，例如当激光的扫描速度增加时激光的强度变大，当激光的扫描速度减少时激光的强度变小。而且，当激光的扫描速度变为零时(即当激光的移动停止时)激光的强度变为零。通过像这样根据激光的实际的扫描速度来控制激光的强度，即使在采用上述的正弦波状的驱动指令的情况下，也能够减轻在激光的往返移动中产生的烧结不均。此外，本例的加工系统1中的动作控制装置4和激光控制装置5优选被组装到同一处理器中。由此，由同一处理器来执行伺服电动机32和激光光源2的控制，因此能够使将伺服电动机32的反馈信息反映到激光的强度时的响应时间最小化。

接着，参照流程图来说明本实施方式的加工系统1中的激光光源2和检流计扫描器3的控制方法。图6是表示激光光源2和检流计扫描器3的例示性的控制方法的过程的流程图。如图6所示，首先在步骤S601中，上级控制装置6生成针对检流计扫描器3的伺服电动机32的正弦波状的驱动指令(参照图5)。在步骤S601中生成的驱动指令被发送到动作控制装置4的偏差计算部41。接着，在步骤S602中，检测器7检测伺服电动机32的实际动作并发送到动作控制装置4的偏差计算部41。

接着，在步骤S603中，动作控制装置4的偏差计算部41计算从上级控制装置6获取到的驱动指令与从检测器7获取到的伺服电动机的实际动作之间的控制偏差。在步骤S603中计算出的偏差被发送到学习控制部42和加法器43。接着，在步骤S604中，动作控制装置4的学习控制部42生成使从偏差计算部41获取到的控制偏差极小的校正量。生成这样的校正量的方法如上所述。另外，JP5221735B中也公开了生成用于对伺服电动机的控制偏差进行校正的适当的校正量的方法。接着，在步骤S605中，动作控制装置4的伺服控制部44执行基于通过在步骤S604中生成的校正量进行校正后的控制偏差的伺服电动机32的反馈控制。接着，在步骤S606中，激光控制装置5根据检测器7所检测出的伺服电动机的实际动作来控制激光的强度。更具体地说，激光控制装置5对实际的转速乘以规定的输出系数来决定激光的强度。

接着，说明本实施方式的加工系统1中的控制偏差的数值仿真结果。图7是将基于上述的正弦波状的速度指令(参照图5)的位置偏差的数值仿真结果同与该速度指令对应的位置指令一起表示的曲线图。另一方面，图8是将基于以往的阶梯状的速度指令(参照图14)的控制偏差的数值仿真结果同与该速度指令对应的位置指令一起表示的曲线图。在图7和图8的数值仿真中，在激光在15msec内往返移动全长5mm的行程这样的条件下计算位置偏差。因此，图7和图8的横轴(时间轴)的全长相当于15msec的期间。在后述的图9和图10的数值仿真中也同样采用上述的条件。此外，在图7和图8的数值仿真中，没有执行由学习控制部42进行的伺服电动机32的学习控制。

分别参照图7和图8，由左侧的纵轴(1mm/div)表示位置指令的曲线71、81上的各点的数值，由右侧的纵轴(1mm/div)表示位置偏差的曲线72、82上的各点的数值。此外，由左侧的纵轴表示的位置指令的数值(mm)相当于相对于激光的往返移动的起点B的、X方向的位移(参照图13)。根据图7和图8可知，在采用以往的阶梯状的速度指令的情况下，位置偏差的最大值d_max为500μm(参照图8)，与此相对，在采用上述的正弦波状的速度指令的情况下，位置偏差的最大值d_max减少到200μm(参照图7)。可知通过像这样按照正弦波状的驱动指令来控制伺服电动机32的动作，能够大幅缩小伺服电动机32的控制偏差。

接着，图9和图10是分别与图7和图8对应的、表示控制偏差的数值仿真结果的曲线图。在图9和图10的数值仿真中，执行由学习控制部42进行的伺服电动机32的学习控制。其它的条件与上述的图7和图8的数值仿真相同。分别参照图9和图10，与图7和图8同样地，由左侧的纵轴(1mm/div)表示位置指令的曲线91、101上的各点的数值，由右侧的纵轴表示位置偏差的曲线92、102上的各点的数值。但是，需要注意的是图10中的右侧的纵轴的1刻度的大小与图7和图8同样为1mm，与此相对地，图9中的右侧的纵轴的1刻度的大小为1μm。

根据图9和图10可知，在采用以往的阶梯状的速度指令的情况下，位置偏差的最大值d_max为230μm(参照图10)，与此相对，在采用上述的正弦波状的速度指令的情况下，位置偏差的最大值d_max减少到0.2μm(参照图9)。在像这样采用正弦波状的驱动指令的基础上，用学习控制部42所生成的校正量对控制偏差进行校正后执行反馈控制，由此能够进一步大幅缩小伺服电动机32的位置偏差。

如以上那样，根据本实施方式的加工系统1，按照正弦波状的驱动指令(参照图5)来控制检流计扫描器3的伺服电动机32的动作，因此使激光往返移动的伺服电动机32的加减速顺畅。因而，根据本实施方式的加工系统1，能够维持激光的扫描精度并且使激光的扫描速度高速化，从结果而言，能够使利用激光烧结的造形加工的生产率提高。此外，图3和图4的框图以及图6的流程图等只示出了检流计扫描器3的一方的伺服电动机32的控制方法，但另一方的伺服电动机32也同样地被控制。

发明的效果

根据本发明的第一方式，按照正弦波状的驱动指令来控制检流计扫描器的伺服电动机的动作，因此使激光往返移动的伺服电动机的加减速顺畅。因而，根据第一方式，能够维持激光的扫描精度并且使激光的扫描速度高速化，从结果而言，能够使利用激光烧结的造形加工的生产率提高。

根据本发明的第二方式，伺服电动机的控制偏差通过学习控制而被缩小，因此能够减轻由于在激光的移动停止时产生的偏差而导致的烧结不均。

根据本发明的第三方式，根据检流计扫描器的实际动作来控制激光的强度，因此能够减轻在激光往返运动的期间产生的烧结不均。

根据本发明的第四方式，激光光源的控制结构被简化，因此激光控制装置和加工系统的制作变得廉价且容易。

根据本发明的第五方式，由同一处理器执行伺服电动机和激光光源的控制，因此能够使将伺服电动机的反馈信息反映到激光的强度时的响应时间最小化。

本发明并不限定于上述的实施方式，能够在权利要求书所记载的范围内进行各种改变。例如，上述的实施方式的加工系统1是通过激光烧结工序的反复来形成三维的造形物的光造形加工机，但本发明的加工系统1只要是通过检流计扫描器3的动作来使激光反复地往返移动的加工机，则可以为任何加工机。另外，上述的实施方式所记载的加工系统1的各装置的结构和功能等只是一个例子，为了达到本发明的效果，能够采用多种结构和功能等。

Claims (5)

1.一种加工系统，包括：

激光光源，其生成激光；

检流计扫描器，其具备反射上述激光的镜和对上述镜进行旋转驱动的伺服电动机，该检流计扫描器使上述激光照射到被加工物；以及

动作控制装置，其按照正弦波状的驱动指令来控制上述伺服电动机的动作；

检测器，其安装于上述伺服电动机，检测上述伺服电动机的实际动作；

偏差计算部，其计算上述驱动指令与上述检测器所检测出的上述伺服电动机的实际动作之间的偏差；

学习控制部，其基于上述偏差和上述偏差计算部之前计算出的偏差来生成用于对上述偏差进行校正的校正量；以及

伺服控制部，其基于通过上述校正量进行校正后的上述偏差来控制上述伺服电动机的动作，

其中，上述校正量用于对上述伺服电动机的实际动作相对于上述驱动指令的响应延迟进行校正。

2.根据权利要求1所述的加工系统，其特征在于，

上述偏差计算部以规定的周期计算上述偏差，

上述学习控制部采用上述偏差计算部在一个周期之前计算出的上述偏差来生成上述校正量。

3.根据权利要求2所述的加工系统，其特征在于，

该加工系统还包括激光控制装置，该激光控制装置根据上述检测器所检测出的上述伺服电动机的转速来控制上述激光的强度。

4.根据权利要求3所述的加工系统，其特征在于，

上述激光控制装置对上述检测器所检测出的上述伺服电动机的转速乘以规定的系数来决定上述激光的强度。

5.根据权利要求3或4所述的加工系统，其特征在于，

上述动作控制装置与上述激光控制装置被组装到同一处理器中。