DE102015114549A1

DE102015114549A1 - Verarbeitungssystem mit Galvoscanner zur Hochgeschwindigkeitslaserscannen

Info

Publication number: DE102015114549A1
Application number: DE102015114549.9A
Authority: DE
Inventors: Naoto Sonoda; Yukio Toyozawa
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2016-03-10
Also published as: CN105398061B; CN105398061A; US9720225B2; JP2016055308A; US20160070097A1; JP6673632B2

Abstract

Ein Bearbeitungssystem umfasst eine Laserstrahlquelle, die einen Laserstrahl erzeugt, einen Galvoscanner, der einen Spiegel zur Reflexion des Laserstrahls und einen Servomotor zum Drehen des Spiegels umfasst und den Laserstrahl auf ein Werkstück ausstrahlt, und eine Betriebssteuervorrichtung, die den Betrieb des Servomotors gemäß einem sinusförmigen Antriebsbefehl steuert.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bearbeitungssystem mit einem Galvoscanner, das zu einer Hochgeschwindigkeits-Laserabtastung eines Werkstücks in der Lage ist.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Im Allgemeinen ist ein ”Galvoscanner” eine Vorrichtung, die zwei Spiegel umfasst, welche sich um zwei zueinander senkrechte Drehachsen drehen können, und dazu ausgebildet ist, den Abtastpfad eines Laserstrahls auf einem Werkstück durch Antreiben einer Drehung dieser Spiegel unter Verwendung von Servomotoren (Galvo-Motoren) zu verändern. Galvoscanner werden verbreitet in Anwendungen zur Markierung von Werkstücken mit Barcodes oder zur Herstellung von Seriennummern usw. mit einer hohen Geschwindigkeit verwendet. Galvoscanner werden auch für die in der letzten Zeit zunehmend beliebten 3D-Drucker vom Lasersintertyp und andere derartige stereolithographische Vorrichtungen verwendet. Eine solche stereolithographische Vorrichtung erzeugt ein gewünschtes 3D-Formmodell, indem sie einen Laserstrahl auf Metallpulver oder ein lichthärtendes Harz, das zu einer dünnen Schicht ausgeführt ist, strahlt, um das Metallpulver zu sintern oder zu härten.
11 und 12 sind schematische Ansichten, die den Ablauf einer Lasersintertätigkeit in einer allgemeinen stereolithographischen Vorrichtung auf eine Zeitreihenweise zeigen. Die beiden Figuren sind von oben her gesehene Draufsichten auf Metallpulver, das zu einer Schicht auf einem Tisch ausgeführt ist, Der Galvoscanner lässt den Laserstrahl die Oberfläche zuerst entlang eines Pfads, der durch die Pfeile A11 in 11 gezeigt ist, abtasten, um das Metallpulver M zu sintern. Danach wird eine neue dünne Schicht des Metallpulvers M zugeführt und lässt der Galvoscanner dann den Laserstrahl die Oberfläche entlang des Pfads, der in 12 durch die Pfeile A12 gezeigt ist, abtasten, um das Metallpulver M zu sintern. Auf diese Weise umfasst eine allgemeine Lasersintertätigkeit eine Änderung der Abtastrichtung des Laserstrahls zum Sintern des Metallpulvers M mit jeder Zufuhr einer neuen dünnen Schicht des Metallpulvers M. Eine solche Sintertätigkeit jeder Schicht wird wiederholt durchgeführt, um ein gewünschtes 3D-Formmodell herzustellen.
Wie man aus 11 und 12 verstehen wird, wird bei dem Vorgang des Sinterns jeder Schicht des Metallpulvers M die obere Fläche des in Bearbeitung stehenden Modells in mehrere bandförmige Bereiche R mit vorherbestimmten Breiten (zum Beispiel 5 mm) geteilt. Jeder dieser bandförmigen Bereiche R wird durch den Laserstrahl abgetastet. Ferner wiederholt der Laserstrahl in jedem der mehreren bandförmigen Bereiche R eine Hin-und-Her-Bewegung mit einer hohen Geschwindigkeit entlang der Querrichtung des bandförmigen Bereichs R, um das Metallpulver M zu sintern (siehe die Pfeile A11 in 11 und die Pfeile A12 in 12).
Um eine dünne Schicht eines Metallpulvers ohne Unregelmäßigkeiten gleichmäßig zu sintern, werden die Laserintensität und die Laserabtastgeschwindigkeit vorzugsweise konstant gehalten, während der Laserstrahl hin und her bewegt wird. Der Laserstrahl wird für einen Augenblick angehalten, wenn die Hin-und-Her-Bewegung des Laserstrahls umgekehrt wird, wobei die Lasersteuerung so gestaltet sein kann, dass sie die Laserausgabe zu der Zeit der Umkehr des Laserstrahls abschaltet, um ein ungleichmäßiges Sintern (d. h., ein übermäßiges Sintern) aufgrund der Umkehr zu verhindern. 13 ist eine schematische Ansicht zur Erklärung der obigen Laserausgabesteuerung. Genauer zeigt 13 den Abtastpfad eines Laserstrahls bei einer allgemeinen Lasersintertätigkeit schematisch. Auf dem Abtastpfad des Laserstrahls, der in der Figur durch das Bezugszeichen P gezeigt ist, wird die Ausgabe des Laserstrahls während der Zeiträume, in denen der Laserstrahl angehalten ist, vorübergehend abgeschaltet. Diese Zeiträume sind durch die gestrichelten Linien gezeigt.
14 ist eine Kurve, die eine zeitliche Veränderung einer Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls bei einer allgemeinen Lasersintertätigkeit zeigt. Genauer ist die Kurve von 14 eine Kurve, die die zeitliche Veränderung der Abtastgeschwindigkeit eines Laserstrahls zeigt, während der Laserstrahl eine Hin-und-Her-Bewegung in einem bandförmigen Bereich R in 11 oder 12 ausführt. Wie in 14 gezeigt wird der Laserstrahl in der Vorwärtsrichtung des Servomotors beschleunigt, mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, und verlangsamt, bevor er vorübergehend angehalten wird. Dann wird der Laserstrahl in der Rückwärtsrichtung des Servomotors beschleunigt, mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, und verlangsamt, bevor er erneut angehalten wird. Die Antriebsbefehle (Beschleunigungs/Verlangsamungsbefehle) an den Galvoscanner für diese Zeiträume weisen Stufenformen auf, doch aufgrund der Ansprechzeit des Galvoscanners besteht stets eine Verzögerung, weshalb der tatsächliche Laserstrahl wie in 14 gezeigt mit einer bestimmten Zeitkonstanten beschleunigt oder verlangsamt wird. Das heißt, bei einem herkömmlichen Galvoscanner ist die Ansprechfähigkeit gegenüber einem Antriebsbefehl aufgrund der Beschleunigungsfähigkeit des Servomotors beschränkt, weshalb es schwierig ist, die Abtastgeschwindigkeit zu beschleunigen, während die Abtastgenauigkeit des Laserstrahls aufrechterhalten wird.
Im Allgemeinen ist die Zeitkonstante der Ein/Aus-Steuerung der Laserausgabe viel kleiner als die Zeitkonstante der Beschleunigungs/Verlangsamungssteuerung eines Galvoscanners, weshalb die Neigung besteht, dass es während der Beschleunigungs/Verlangsamungsphase eines Galvoscanners zu einer ungleichmäßigen Sinterung kommt. Diesbezüglich schlägt JP2008-170579A ein Steuerverfahren vor, das eine Laserausgangswellenform erzeugt, die dem Antriebsbefehl des Galvoscanners entspricht. Genauer verzögert das Steuerverfahren von JP2008-170579A in einem Versuch, die ungleichmäßige Sinterung zu verringern, den Zeitpunkt der Ausstrahlung des Laserstrahls gemäß einer Zeitkonstanten des Beschleunigungs/Verlangsamungsbefehls des Galvoscanners. Doch der tatsächliche Betrieb des Galvoscanners ist etwas von dem Antriebsbefehl verzögert, weshalb die ungleichmäßige Sinterung selbst dann nicht vollständig beseitigt werden kann, wenn eine Laserausgangswellenform erzeugt wird, die dem Antriebsbefehl des Galvoscanners entspricht.
Es wird ein Bearbeitungssystem gewünscht, das die Abtastgeschwindigkeit eines Laserstrahls durch einen Galvoscanner beschleunigen kann, während die Abtastgenauigkeit beibehalten wird.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Bearbeitungssystem bereitgestellt, das eine Laserstrahlquelle, die einen Laserstrahl erzeugt, einen Galvoscanner, der einen Spiegel zur Reflexion des Laserstrahls und einen Servomotor zum Drehen des Spiegels umfasst und den Laserstrahl auf ein Werkstück ausstrahlt, und eine Betriebssteuervorrichtung, die den Betrieb des Servomotors gemäß einem sinusförmigen Antriebsbefehl steuert, umfasst.
Nach einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird das Bearbeitungssystem nach dem ersten Gesichtspunkt bereitgestellt, das ferner einen Detektor umfasst, der den tatsächlichen Betrieb des Servomotors detektiert, wobei die Betriebssteuervorrichtung einen Fehlerberechnungsteil, der in bestimmten Perioden einen Fehler zwischen dem Antriebsbefehl und dem durch den Detektor detektierten tatsächlichen Betrieb des Servomotors berechnet, einen lernenden Steuerteil, der gemäß dem Fehler, welcher durch den Fehlerberechnungsteil in der vorhergehenden Periode berechnet wurde, ein Korrekturausmaß zur Korrektur des durch den Fehlerberechnungsteil neu berechneten Fehlers erzeugt, und einen Servosteuerteil, der den Betrieb des Servomotors auf Basis des Fehlers nach der Korrektur um das Korrekturausmaß steuert, umfasst.
Nach einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird das Bearbeitungssystem nach dem zweiten Gesichtspunkt bereitgestellt, das ferner eine Lasersteuervorrichtung umfasst, die die Intensität des Laserstrahls gemäß der durch den Detektor detektierten Umdrehungsgeschwindigkeit des Servomotors steuert.
Nach einem vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird das Bearbeitungssystem nach dem dritten Gesichtspunkt bereitgestellt, wobei die Lasersteuervorrichtung die durch den Detektor detektierte Umdrehungsgeschwindigkeit des Servomotors mit einem vorherbestimmten Koeffizienten multipliziert, um die Intensität des Laserstrahls zu bestimmen.
Nach einem fünften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird das Bearbeitungssystem des dritten oder vierten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei die Betriebssteuervorrichtung und die Lasersteuervorrichtung in den gleichen Prozessor eingebaut sind.
Diese und andere Aufgabe, Merkmale und Vorteile der vorliegende Erfindung werden unter Bezugnahme auf die ausführliche Beschreibung einer erläuternden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt ist, deutlicher werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Bearbeitungssystems einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Laserstrahlquelle und einen Galvoscanner in dem Bearbeitungssystem vom 1 schematisch zeigt.
3 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Betriebssteuervorrichtung in dem Bearbeitungssystem von 1 zeigt.
4 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines lernenden Steuerteils in der Betriebssteuervorrichtung von 3 zeigt.
5 ist eine Kurve, die ein Beispiel für einen Geschwindigkeitsbefehl zeigt, der durch die Host-Steuervorrichtung in 1 erzeugt wird.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das das Programm eines Verfahrens zur Steuerung einer Laserstrahlquelle und eines Galvoscanners in einem Bearbeitungssystem der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
7 ist eine erste Kurve, die die Ergebnisse einer numerischen Simulation des Steuerfehlers eines Galvoscanners in einem Bearbeitungssystems der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
8 ist eine 7 entsprechende Kurve, die die Ergebnisse einer Simulation des Steuerfehlers eines Galvoscanners in einem herkömmlichen Bearbeitungssystem zeigt.
9 ist eine zweite Kurve, die die Ergebnisse einer numerischen Simulation des Steuerfehlers eines Galvoscanners in einem Bearbeitungssystems der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
10 ist eine 9 entsprechende Kurve, die die Ergebnisse einer Simulation des Steuerfehlers eines Galvoscanners in einem herkömmlichen Bearbeitungssystem zeigt.
11 ist eine erste schematische Ansicht, die das Programm einer Lasersintertätigkeit in einer allgemeinen stereolithographischen Vorrichtung auf eine Zeitreihenweise zeigt.
12 ist eine zweite schematische Ansicht, die das Programm einer Lasersintertätigkeit in einer allgemeinen stereolithographischen Vorrichtung auf eine Zeitreihenweise zeigt.
13 ist eine schematische Ansicht zur Erklärung der Laserausgabesteuerung bei einer allgemeinen Lasersintertätigkeit.
14 ist eine Kurve, die eine zeitliche Veränderung einer Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls bei einer allgemeinen Lasersintertätigkeit zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich erklärt werden. In den Zeichnungen sind gleichen Aufbauelementen gleiche Bezugszeichen zugewiesen. Es ist zu beachten, dass die folgende Erklärung den technischen Umfang der Erfindungen, die in den Ansprüchen beschrieben sind, oder die Bedeutung der Fachausdrücke usw. nicht beschränkt.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 10 wird ein Bearbeitungssystem einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt werden. Das Bearbeitungssystem der vorliegenden Ausführungsform ist eine stereolithographische Vorrichtung vom Lasersintertyp, die eine Sintertätigkeit, welche das Bestrahlen eines geschichteten Objekts aus einem Metallpulver oder eines lichthärtenden Harzes mit einem Laserstrahl umfasst, wiederholt durchführt, um ein 3D-Formmodell zu erzeugen. 1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines anschaulichen Bearbeitungssystems 1 der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Wie in 1 gezeigt umfasst das Bearbeitungssystem 1 des vorliegenden Beispiels eine Laserstrahlquelle 2, die einen Laserstrahl erzeugt, einen Galvoscanner 3, der den durch die Laserstrahlquelle 2 erzeugten Laserstrahl zu einem Werkstück ausstrahlt, eine Betriebssteuervorrichtung 4, die den Betrieb des Galvoscanners 3 steuert, eine Lasersteuervorrichtung 5, die den Betrieb der Laserstrahlquelle 2 steuert, und eine Host-Steuervorrichtung 6, die Steuersignale an die Betriebssteuervorrichtung 4 und die Lasersteuervorrichtung 5 sendet. Diese Aufbauelemente werden nachstehend der Reihe nach erklärt werden.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Laserstrahlquelle 2 und einen Galvoscanner 3 in dem Bearbeitungssystem von 1 schematisch zeigt. Wie in 2 gezeigt befinden sich die Laserstrahlquelle 2 und der Galvoscanner 3 über einem Tisch T, auf dem das Werkstück angeordnet ist. Das ”Werkstück W”, auf das hier Bezug genommen wird, ist ein geschichtetes Objekt aus einem Metallpulver oder einem lichthärtenden Harz, das durch Laserbestrahlung gesintert wird. Ein derartiges geschichtetes Objekt wird durch ein nicht gezeigtes mechanisches System wiederholt mit einer neuen dünnen Schicht versorgt. Doch das geschichtete Objekt kann auch durch den Benutzer von Hand mit einer neuen dünnen Schicht versorgt werden.
Wie in 2 gezeigt ist die Laserstrahlquelle 2 einer von verschiedenen Laseroszillatoren, der ein Lasermedium, einen optischen Resonator, eine Anregungsquelle usw. umfasst, und so ausgebildet, dass sie einen Laserstrahl zu dem Galvoscanner 3 ausstrahlt. Ferner umfasst der Galvoscanner 3 mehrere Spiegel, die den Laserstrahl, der von der Laserstrahlquelle 2 ausgestrahlt wurde, aufeinanderfolgend reflektieren, und mehrere Servomotoren, die die mehreren Spiegel um vorherbestimmte Drehachsen drehen. Genauer umfasst der Galvoscanner 3 des vorliegenden Beispiels zwei Spiegel 31, 31, die sich um zwei zueinander senkrechte Drehachsen Ra, Rb drehen können, und zwei Servomotoren 32, 32, die diese Spiegel 31, 31 drehen. Doch die Anzahl, die Anordnung, usw. der mehreren Spiegel und der mehreren Servomotoren in dem Galvoscanner 3 ist nicht nur auf das Beispiel in den Figuren beschränkt.
Wie in 2 gezeigt erreicht der von der Laserstrahlquelle 2 ausgestrahlte Laserstrahl unter sukzessiver Reflexion durch die beiden Spiegel 31, 31 das Werkstück W auf dem Tisch T. Ferner werden die Einfallswinkel des Laserstrahls, der in diese Spiegel 31, 31 gelangt, fortlaufend verändert, während die beiden Spiegel 31, 31 des Galvoscanners 3 jeweils durch die beiden Servomotoren 32, 32 gedreht werden. Als Ergebnis tastet der Laserstrahl, der das Werkstück W erreicht, die obere Fläche des Werkstücks W entlang eines vorherbestimmten Abtastpfads ab. Dabei wiederholt der Laserstrahl, der das Werkstück W erreicht, auf die gleiche Weise wie bei dem Beispiel, das in 11 und 12 gezeigt ist, eine Hin-und-Her-Bewegung entlang eines Bewegungswegs mit einer gesamten Länge von 5 mm oder dergleichen. Das heißt, der Abtastpfad des Laserstrahls auf der oberen Fläche des Werkstücks W ist dem Abtastpfad P des Laserstrahls, der in 13 gezeigt ist, gleich. Auf diese Weise wird die Sintertätigkeit an jeder Schicht des geschichteten Objekts durchgeführt.
Wie man aus 13 verstehen wird, umfasst der Abtastpfad P des Laserstrahls durch den Galvoscanner 3 eine Komponente in der X-Richtung, die zu der Querrichtung des oben angeführten bandförmigen Bereichs R parallel ist (siehe 11 und 12), und eine Komponente in der Y-Richtung, die zu der Längsrichtung des bandförmigen Bereichs R parallel ist. Wie oben erklärt beträgt die gesamte Länge in der X-Richtung des Abtastpfads des Laserstrahls zum Beispiel 5 mm. Ferner verursacht bei der Tätigkeit des Sinterns einer dünnen Schicht des Werkstücks W die Drehbewegung eines Servomotors 32 des Galvoscanners 3 eine lineare Bewegung des Laserstrahls entlang der X-Richtung (das heißt, eine Hin-und-Her-Bewegung), während die Drehbewegung des anderen Servomotors 32 eine lineare Bewegung des Laserstrahls entlang der Y-Richtung verursacht. Doch wie man aus 11 und 12 verstehen wird, werden die bandförmigen Bereiche R mit jeder Lieferung einer neuen dünnen Schicht zu dem Werkstück W um 90° gedreht, weshalb bei der Tätigkeit des Sinterns der neuen dünnen Schicht die Drehbewegung eines Servomotors 32 eine lineare Bewegung des Laserstrahls entlang der Y-Richtung verursacht, während die Drehbewegung des anderen Servomotors 32 eine lineare Bewegung des Laserstrahls entlang der X-Richtung (das heißt, eine Hin-und-Her-Bewegung) verursacht. Es ist zu beachten, dass die Position und die Geschwindigkeit des Laserstrahls auf dem Abtastpfad P auf dem Werkstück W, das heißt, die Drehpositionen und die Umdrehungsgeschwindigkeiten der Servomotoren 32, 32, die die Spiegel 31, 31 antreiben, durch die obige Betriebssteuervorrichtung 4 gesteuert werden. Ferner werden die Intensität, das Ein/Ausschalten, usw. des Laserstrahls, der von der Laserstrahlquelle 2 ausgestrahlt wird, durch die obige Lasersteuervorrichtung 5 gesteuert.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 weist die Betriebssteuervorrichtung 4 des vorliegenden Beispiels die Funktion auf, den Betrieb eines Servomotors 32 des Galvoscanners 3 gemäß einem Antriebsbefehl, der von der Host-Steuervorrichtung 6 erhalten wird, zu steuern. Es ist zu beachten, dass 1 nur eine Betriebssteuervorrichtung 4 zeigt, aber das Bearbeitungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform die gleiche Anzahl an Betriebssteuervorrichtungen 4 wie an Servomotoren 32 aufweist. Ferner weist die Lasersteuervorrichtung 5 des vorliegenden Beispiels die Funktion auf, die Intensität des Laserstrahls der Laserstrahlquelle 2 gemäß einem Steuersignal, das von der Host-Steuervorrichtung erhalten wird, zu steuern. Insbesondere umfasst das Bearbeitungssystem 1 des vorliegenden Beispiels ferner Detektoren 7 zum Detektieren des tatsächlichen Betriebs der Servomotoren 32. Die Betriebssteuervorrichtung 4 und die Lasersteuervorrichtung 5 führen auf Basis von Informationen, die von den Detektoren 7 erlangt werden, eine Rückkopplungssteuerung durch. Dieser Punkt wird später näher erklärt werden. Die Detektoren 7 sind zum Beispiel Drehcodierer, die an den Servomotoren 32 angebracht sind.
3 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau der Betriebssteuervorrichtung 4 in dem Bearbeitungssystem 1 von 1 zeigt. Wie in 3 gezeigt umfasst die Betriebssteuervorrichtung 4 des vorliegenden Beispiels einen Fehlerberechnungsteil 41, einen lernenden Steuerteil 42, einen Addierer 43, und einen Servosteuerteil 44. Der Fehlerberechnungsteil 41 berechnet mit einer vorherbestimmten Abtastperiode den Steuerfehler zwischen dem Antriebsbefehl, der von der Host-Steuervorrichtung 6 erlangt wird, und der Rückmeldeinformation, die von dem Detektor 7 erlangt wird. Ferner erzeugt der lernende Steuerteil 42 ein Korrekturausmaß, das den Fehler, der durch den Fehlerberechnungsteil 41 berechnet wurde, minimiert. Der bestimmte Aufbau des lernenden Steuerteils 42 wird später erklärt werden. Ferner addiert der Addierer 43 den Fehler, der durch den Fehlerberechnungsteil 41 berechnet wurde, mit dem Korrekturausmaß, das durch den lernenden Steuerteil 42 erzeugt wurde. Das Ergebnis der Addition durch den Addierer 43 wird mit einer vorherbestimmten Verstärkung (positiven Verstärkung) verstärkt und wird dann in den Servosteuerteil 44 eingegeben. Ferner wird der Steuerfehler nach der Korrektur um das oben angeführte Korrekturausmaß als Basis zur Steuerung des Betriebs des Servomotors 32 verwendet. Insbesondere steuert der Servosteuerteil 44 des vorliegenden Beispiels die Umdrehungsgeschwindigkeit, den Strowert usw. des Servomotors 32 gemäß dem allgemeinen PID-(Proportional-Integral-Differential)-Steuersystem.
4 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau des lernenden Steuerteils 42 in der Betriebssteuervorrichtung 4 von 3 zeigt. Wie in 4 gezeigt umfasst der lernende Steuerteil 42 des vorliegenden Beispiels einen Addierer 421, ein Bandbegrenzungsfilter 422, einen Verzögerungsspeicher 423, und einen Phasenkompensator 424. Der Addierer 421 addiert den Fehler, der von dem obigen Fehlerkorrekturteil 41 eingegeben wurde, und das Korrekturausmaß der vorhergehenden Periode, das in dem Verzögerungsspeicher 423 gespeichert ist. Ferner ist das Bandbegrenzungsfilter 422 ein allgemeines Tiefpassfilter, das den Hochfrequenzbereich in den Ergebnissen der Addition durch den Addierer 421 abschneidet. Ferner speichert der Verzögerungsspeicher 423 den Ausgabewert von dem Bandbegrenzungsfilter für eine Zeit, die einer Periode gleich ist. Ferner führt der Phasenkompensator 424 an dem Ausgabewert von dem Bandbegrenzungsfilter 422 eine Phasenkompensation durch. Ferner wird der Ausgabewert von dem Phasenkompensator 424 als Korrekturausmaß zur Korrektur des Steuerfehlers, der durch den Fehlerkorrekturteil 41 neu berechnet wurde, in den obigen Addierer 43 eingegeben.
Auf diese Weise erzeugt der lernende Steuerteil 42 des vorliegenden Beispiels auf Basis des Steuerfehlers des vorhergehenden Zeitraums, der in dem Verzögerungsspeicher 423 gespeichert ist, ein Korrekturausmaß zur Korrektur des neu berechneten Steuerfehlers. Unter erneuter Bezugnahme auf 3 addiert der Addierer 43 den Steuerfehler, der durch den Fehlerberechnungsteil 41 berechnet wurde, und das Korrekturausmaß, das durch den lernenden Steuerteil 42 erzeugt wurde, um den Steuerfehler zu korrigieren. Ferner steuert der Servosteuerteil 44 den Betrieb des Servomotors 32 auf Basis des Fehlers nach der Korrektur um das obige Korrekturausmaß. Ein derartiges Korrekturverfahren wird allgemein als ”lernende Steuerung” (oder ”Wiederholungssteuerung”) bezeichnet. Durch wiederholtes Durchführen der lernenden Steuerung ist es möglich, den Steuerfehler, der durch den Fehlerkorrekturteil 41 berechnet wird, auf null konvergieren zu lassen. Der lernende Steuerteil 42 in der Betriebssteuervorrichtung 4 des Bearbeitungssystems 1 der vorliegenden Ausführungsform ist kein Wesentliches Aufbauelement und kann daher weggelassen werden. Wenn der lernende Steuerteil 42 weggelassen wird, führt der Servosteuerteil 44 der Betriebssteuervorrichtung 4 die gewöhnliche Rückmeldesteuerung auf Basis des durch den Fehlerberechnungsteil 41 berechneten Steuerfehlers durch.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 weist die Host-Steuervorrichtung 6 die Funktion auf, einen Antriebsbefehl für den Galvoscanner 3 und einen Intensitätsbefehl für die Laserstahlquelle 2 und andere verschiedene Steuersignale zu erzeugen und diese Befehle zu der Betriebssteuervorrichtung 4 und der Lasersteuervorrichtung 5 zu übertragen. Insbesondere erzeugt die Host-Steuervorrichtung 6 des vorliegenden Beispiels als Antriebsbefehl, um den Laserstrahl entlang der X-Richtung in 13 hin und her zu bewegen, einen sinusförmigen Geschwindigkeitsbefehl an den Servomotor 32. 5 ist eine Kurve, die ein Beispiel für einen durch die Host-Steuervorrichtung 6 erzeugten Geschwindigkeitsbefehl zeigt. Wie in 5 gezeigt ist die zeitliche Veränderung des Geschwindigkeitsbefehls nach diesem Beispiel durch eine Sinuskurve ausgedrückt. Der Ursprungspunkt 0 des Koordinatensystems in der Figur entspricht dem Anfangspunkt B des Abtastpfads von 13. Ferner bewegt sich bei dem vorliegenden Beispiel der Laserstrahl während der Drehung des Servomotors 32 in der Vorwärtsrichtung (das heißt, während die Umdrehungsgeschwindigkeit ein positiver Wert ist) entlang der X-Richtung in 13, während sich der Laserstrahl während der Drehung des Servomotors 32 in der entgegengesetzten Richtung (das heißt, während die Umdrehungsgeschwindigkeit ein negativer Wert ist) in die zu der X-Richtung entgegengesetzte Richtung bewegt. Der durch die Host-Steuervorrichtung 6 erzeugte sinusförmige Antriebsbefehl wird zu der Betriebssteuervorrichtung 6 übertragen. Ferner steuert die Betriebssteuervorrichtung 4 den Betrieb des Servomotors 32 gemäß dem sinusförmigen Antriebsbefehl, der von der Host-Steuervorrichtung 6 erlangt wird.
Auf diese Weise wird nach dem Bearbeitungssystem 1 des vorliegenden Beispiels der Betrieb des Servomotors 32 gemäß einem sinusförmigen Antriebsbefehl (siehe 5) gesteuert, weshalb es möglich ist, die Beschleunigung/Verlangsamung des Servomotors 32, um den Laserstrahl über die obere Fläche des Werkstücks W hin und her zu bewegen, zu glätten. Wie man aus 5 und 14 verstehen wird, ist nach dem Bearbeitungssystem 1 des vorliegenden Geschwindigkeit die Höchstgeschwindigkeit des Servomotors, um den Laserstrahl hin und her zu bewegen, verhältnismäßig groß, weshalb es möglich ist, die erforderliche Zeit für den Lasersinterprozess zu verkürzen. Bei dem Bearbeitungssystem 1 des vorliegenden Beispiels kann der lernende Steuerteil 42 der Betriebssteuervorrichtung 4 eine Steuerung, um den Steuerfehler zwischen dem Antriebsbefehl des Servomotors 32 und der Rückmeldeinformation auf null konvergieren zu lassen, durchführen, weshalb sichergestellt werden kann, dass der Betrieb des Servomotors 32 dem Antriebsbefehl selbst dann mit einer hohen Genauigkeit folgt, wenn der Servomotor 32 auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird. Als Ergebnis ist es möglich, eine hohe Geschwindigkeit und eine hochgenaue Modellierung durch Lasersintern zu verwirklichen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist die Lasersteuervorrichtung 5 dazu ausgebildet, die Intensität des Laserstrahls gemäß dem tatsächlichen Betrieb des Servomotors 32, der durch den Detektor 7 detektiert wird, zu steuern. Genauer multipliziert die Lasersteuervorrichtung 5 des vorliegenden Beispiels die Umdrehungsgeschwindigkeit des Servomotors 32, die von dem Detektor 7 erlangt wird, mit einem vorherbestimmten Ausgabekoeffizienten, um die Intensität des Laserstrahls zu bestimmen. Als Ergebnis wird zum Beispiel die Intensität des Laserstrahls erhöht, wenn die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls erhöht wird, und wird die Intensität des Laserstrahls verringert, wenn die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls verringert wird. Ferner erreicht die Intensität des Laserstrahls dann, wenn die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls null erreicht (das heißt, wenn der Laserstrahl angehalten ist), ebenfalls null. Durch das derartige Steuern der Intensität des Laserstrahls gemäß der tatsächlichen Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls ist es möglich, ein ungleichmäßiges Sintern, das während der Hin-und-Her-Bewegung des Laserstrahls auftreten kann, selbst dann zu verhindern, wenn der obige sinusförmige Antriebsbefehl eingesetzt wird. Die Betriebssteuervorrichtung 4 und die Lasersteuervorrichtung 5 des Bearbeitungssystems des vorliegenden Beispiels sind vorzugsweise in den gleichen Prozessor eingebaut. Dies stellt sicher, dass die Steuerung der Servomotoren 32 und der Laserstrahlquelle 2 durch den gleichen Prozessor durchgeführt wird, weshalb es möglich ist, die Ansprechzeit, wenn die Rückmeldeinformation des Servomotors 32 auf die Intensität des Laserstrahls zurück gespiegelt wird, zu minimieren.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf ein Ablaufdiagramm ein Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlquelle 2 und des Galvoscanners 3 in dem Bearbeitungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform erklärt werden. 6 ist ein Ablaufdiagramm, das das Programm eines erläuternden Verfahrens zur Steuerung der Laserstrahlquelle 2 und des Galvoscanners 3 zeigt. Wie in 6 gezeigt erzeugt zuerst bei Schritt S601 die Host-Steuervorrichtung 6 einen sinusförmigen Antriebsbefehl für den Servomotor 32 des Galvoscanners 3 (siehe 5). Der bei Schritt S601 erzeugte Antriebsbefehl wird zu dem Fehlerberechnungsteil 41 der Betriebssteuervorrichtung 4 übertragen. Als nächstes detektiert bei Schritt S602 der Detektor 7 den tatsächlichen Betrieb des Servomotors 32, und sendet er diesen zu dem Fehlerberechnungsteil 41 der Betriebssteuervorrichtung 4.
Als nächstes berechnet bei Schritt S603 der Fehlerberechnungsteil 41 den Steuerfehler zwischen dem Antriebsbefehl, der von der Host-Steuervorrichtung 6 erlangt wird, und dem tatsächlichen Betrieb des Servomotors, der von dem Detektor 7 erlangt wird. Der bei Schritt S603 berechnete Fehler wird zu dem lernenden Steuerteil 42 und dem Addierer 43 übertragen. Als nächstes erzeugt bei Schritt S604 der lernende Steuerteil 42 der Betriebssteuervorrichtung 4 ein Korrekturausmaß, um den von dem Fehlerberechnungsteil 41 erhaltenen Steuerfehler zu minimieren. Das Verfahren zur Erzeugung eines solchen Korrekturausmaßes ist so wie oben erklärt. Ferner ist auch in JP5221735B ein Verfahren zur Erzeugung eines passenden Korrekturausmaßes zur Korrektur des Steuerfehlers des Servomotors offenbart. Als nächstes führt bei Schritt S605 der Servosteuerteil 44 der Betriebssteuervorrichtung eine Rückmeldesteuerung des Servomotors 32 auf Basis des Steuerfehlers nach der Korrektur um das bei Schritt S604 erzeugte Korrekturausmaß durch. Als nächstes steuert bei Schritt S606 die Lasersteuervorrichtung 5 die Intensität des Laserstrahls gemäß dem tatsächlichen Betrieb des Servomotors, der durch den Detektor 7 detektiert wird. Genauer multipliziert die Lasersteuervorrichtung 5 die tatsächliche Umdrehungsgeschwindigkeit mit einem vorherbestimmten Ausgabekoeffizienten, um die Intensität des Laserstrahls zu bestimmen.
Als nächstes werden die Ergebnisse einer numerischen Simulation des Steuerfehlers bei dem Bearbeitungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform erklärt werden. 7 ist eine Kurve, die die Ergebnisse einer numerischen Simulation des Positionsfehlers auf Basis des oben angeführten sinusförmigen Geschwindigkeitsbefehls (siehe 2) zusammen mit dem Positionsbefehl, der diesem Geschwindigkeitsbefehl entspricht, zeigt. Andererseits ist 8 eine Kurve, die die Ergebnisse einer numerischen Simulation des Positionsfehlers auf Basis des herkömmlichen stufenartigen Geschwindigkeitsbefehls (siehe 14) zusammen mit dem Positionsbefehl, der diesem Geschwindigkeitsbefehl entspricht, zeigt. Bei den numerischen Simulationen von 7 und 8 wird der Positionsfehler unter der Bedingung, dass sich der Laserstrahl in 15 ms über einen Bewegungsweg mit einer Gesamtlänge von 5 mm hin und her bewegt, berechnet. Die Gesamtlängen der Abszissen (Zeitachsen) von 7 und 8 entsprechen Zeiträumen von 15 ms. Die obige Bedingung wird gleichermaßen bei den numerischen Simulationen von 9 und 10, die später erklärt werden, eingesetzt. Bei den numerischen Simulationen von 7 und 8 wird die lernende Steuerung des Servomotors 32 durch den lernenden Steuerteil 42 nicht durchgeführt.
Unter Bezugnahme auf 7 und 8 sind die numerischen Werte der Kurven 71, 81 der Positionsbefehle durch die Ordinaten an den linken Seiten (Teilung von 1 mm) ausgedrückt, während die numerischen Werte der Kurven 72, 82 der Positionsfehler durch die Ordinaten an den rechten Seiten (Teilung von 1 mm) ausgedrückt sind. Die numerischen Werte (mm) der Positionsbefehle, die durch die Ordinate an den linken Seiten ausgedrückt sind, entsprechen der Verschiebung in der X-Richtung von dem Anfangspunkt B der Hin-und-Her-Bewegung des Laserstrahls (siehe 13). Wie man aus 7 und 8 verstehen wird, beträgt der Höchstwert d_max des Positionsfehlers bei Einsatz des herkömmlichen stufenartigen Geschwindigkeitsbefehls 500 μm (siehe 8). Doch wenn der oben angeführte sinusförmige Geschwindigkeitsbefehl eingesetzt wird, nimmt der Höchstwert d_max des Positionsfehlers auf 200 μm ab (siehe 7). Daraus erkennt man, dass es durch eine derartige Steuerung des Betriebs des Servomotors 32 gemäß einem sinusförmigen Antriebsbefehls möglich ist, den Steuerfehler des Servomotors 32 beträchtlich zu verringern.
Als nächstes sind 9 und 10 Kurven, die jeweils 7 und 8 entsprechen und die Ergebnisse einer numerischen Simulation des Steuerfehlers zeigen. Bei der numerischen Simulation von 9 und 10 wird die lernende Steuerung des Servomotors 32 durch den lernenden Steuerteil 42 durchgeführt. Die sonstigen Bedingungen sind jenen bei den oben angeführten numerischen Simulationen von 7 und 8 gleich. Unter Bezugnahme auf jede von 9 und 10 sind auf die gleiche Weise wie bei 7 und 8 die numerischen Werte der Kurven 91, 101 der Positionsbefehle durch die Ordinaten an der linken Seite (Teilung von 1 mm) ausgedrückt, während die numerischen Werte der Kurven 92, 102 der Positionsfehler durch die Ordinaten an der rechten Seite ausgedrückt sind. Es ist jedoch nötig, anzumerken, dass die Größe einer Teilung der Ordinaten an der rechten Seite in 9 1 μm beträgt, während die Größer jeder Teilung bei den Ordinaten an der rechten Seite in 10 so wie bei 7 und 8 1 mm beträgt.
Wie man aus 9 und 10 verstehen wird, beträgt der Höchstwert d_max bei Einsatz eines herkömmlichen stufenartigen Geschwindigkeitsbefehls 230 μm (siehe 10). Doch wenn der oben angeführte sinusförmige Geschwindigkeitsbefehl eingesetzt wird, nimmt der Höchstwert d_max des Positionsfehlers auf 0,2 μm ab (siehe 9). Daraus erkennt man, dass es durch das Durchführen einer Rückmeldesteuerung nach der Korrektur des Steuerfehlers um ein Korrekturausmaß, das durch den lernenden Steuerteil 42 erzeugt wird, neben dem Einsatz des obigen sinusförmigen Antriebsbefehls möglich ist, den Positionsfehler des Servomotors 32 weiter zu verringern.
Auf die obige Weise wird nach dem Bearbeitungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform der Betrieb des Servomotors 32 des Galvoscanners 3 gemäß einem sinusförmigen Antriebsbefehl (siehe 5) gesteuert und ist es daher möglich, die Beschleunigung/Verlangsamung des Servomotors 32, um den Laserstrahl hin und her zu bewegen, zu glätten. Daher ist es nach dem Bearbeitungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls zu beschleunigen, während die Abtastgenauigkeit des Laserstrahls beibehalten wird, und ist es als Ergebnis möglich, die Produktivität beim Modellieren durch Lasersintern zu verbessern. Es ist zu beachten, dass die Blockdiagramme von 3 und 4 und das Ablaufdiagramm von 6 usw. nur das Verfahren zur Steuerung eines Servomotors 32 des Galvoscanners 3 zeigen, aber der andere Servomotor 32 auf eine gleiche Weise gesteuert wird.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Nach dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird der Betrieb des Servomotors des Galvoscanners durch einen sinusförmigen Antriebsbefehl gesteuert, weshalb es möglich ist, die Beschleunigung/Verlangsamung des Servomotors, um den Laserstrahl hin und her zu bewegen, zu glätten. Daher ist es nach dem ersten Gesichtspunkt möglich, die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls zu beschleunigen, während die Abtastgenauigkeit des Laserstrahls beibehalten wird, und ist es als Ergebnis möglich, die Produktivität beim Modellieren durch Lasersintern zu verbessern.
Nach dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird der Steuerfehler des Servomotors durch eine lernende Steuerung verringert, weshalb es möglich ist, eine ungleichmäßige Sinterung aufgrund eines Fehlers, der auftritt, wenn der Laserstrahl angehalten ist, zu verringern.
Nach dem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird die Intensität des Laserstrahls gemäß dem tatsächlichen Betrieb des Galvoscanners gesteuert, weshalb es möglich ist, eine ungleichmäßige Sinterung, die auftritt, während sich der Laserstrahl hin und her bewegt, zu verringern.
Nach dem vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Steuermechanismus der Laserstrahlquelle zu vereinfachen, und daher möglich, die Lasersteuervorrichtung und das Bearbeitungssystem auf eine billige und einfach Weise herzustellen.
Nach dem fünften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird die Steuerung des Servomotors und der Laserstrahlquelle durch den gleichen Prozessor durchgeführt, weshalb es möglich ist, die Ansprechzeit, wenn die Rückmeldeinformation des Servomotors auf die Intensität des Laserstrahls zurück gespiegelt wird, zu minimieren.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, und kann innerhalb des Umfangs, der in den Ansprüchen beschrieben ist, auf verschiedene Weisen abgeändert werden. Zum Beispiel ist das Bearbeitungssystem 1 der obigen Ausführungsform eine stereolithographische Vorrichtung, die durch Wiederholen einer Lasersintertätigkeit eine dreidimensionale Form bildet, doch kann das Bearbeitungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform jede beliebige Bearbeitungsmaschine sein, die einen Laserstrahl gemäß einem Betrieb eines Galvoscanners 3 wiederholt hin und her bewegen kann. Ferner sind die Aufbauten und Funktionen usw. der Vorrichtungen des Bearbeitungssystems 1, das in den obigen Ausführungsformen beschrieben ist, nur Beispiele. Es können verschiedene Aufbauten und Funktionen usw. eingesetzt werden, um die Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008-170579 A [0007]
JP 5221735 B [0043]

Claims

Bearbeitungssystem (1), umfassend: eine Laserstrahlquelle (2), die einen Laserstrahl erzeugt, einen Galvoscanner (3), der einen Spiegel (31) zur Reflexion des Laserstrahls und einen Servomotor (32) zum Drehen des Spiegels (31) umfasst und den Laserstrahl auf ein Werkstück (W) ausstrahlt, und eine Betriebssteuervorrichtung (4), die den Betrieb des Servomotors (32) gemäß einem sinusförmigen Antriebsbefehl steuert.
Bearbeitungssystem (1) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Detektor (7), der den tatsächlichen Betrieb des Servomotors (32) detektiert, wobei die Betriebssteuervorrichtung (4) Folgendes umfasst: einen Fehlerberechnungsteil (41), der in bestimmten Perioden einen Fehler zwischen dem Antriebsbefehl und dem durch den Detektor (7) detektierten tatsächlichen Betrieb des Servomotors (32) berechnet, einen lernenden Steuerteil (42), der gemäß dem Fehler, welcher durch den Fehlerberechnungsteil (41) in der vorhergehenden Periode berechnet wurde, ein Korrekturausmaß zur Korrektur des durch den Fehlerberechnungsteil (41) neu berechneten Fehlers erzeugt, und einen Servosteuerteil (44), der den Betrieb des Servomotors (32) auf Basis des Fehlers nach der Korrektur um das Korrekturausmaß steuert.
Bearbeitungssystem (1) nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Lasersteuervorrichtung (5), die die Intensität des Laserstrahls gemäß einer durch den Detektor (7) detektierten Umdrehungsgeschwindigkeit des Servomotors (32) steuert.
Bearbeitungssystem (1) nach Anspruch 3, wobei die Lasersteuervorrichtung (5) die durch den Detektor (7) detektierte Umdrehungsgeschwindigkeit des Servomotors (32) mit einem vorherbestimmten Koeffizienten multipliziert, um die Intensität des Laserstrahls zu bestimmen.
Bearbeitungssystem (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Betriebssteuervorrichtung (4) und die Lasersteuervorrichtung (5) in den gleichen Prozessor eingebaut sind.