JP2004017101A

JP2004017101A - レーザ加工制御方法及び装置

Info

Publication number: JP2004017101A
Application number: JP2002175992A
Authority: JP
Inventors: Shiroteru Onishi; 大西　城輝; Yasuyuki Okudaira; 奥平　恭之
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】オーバーシュートやアンダーシュートを小さくして、加工時間を短縮する。
【解決手段】移動量の大きさを限定したサーボ調整を行ない、目標角度への移動量Ｇが、調整した移動量の上限Ｅを超える場合には、その上限以下で位置決めしながら目標角度まで移動するよう指令値を操作する。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミラーを駆動してレーザ照射位置を制御するレーザ加工制御方法及び装置に係り、特に、レーザ光線を照射してプリント配線基板等に複数の穴開け加工を行なうレーザドリルマシンに用いるの好適な、加工時間を短縮することが可能なレーザ加工制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザにより加工を行なう際、ガルバノスキャナによって照射位置を移動させる方法を採ると、高速な加工が可能となる。
【０００３】
図１は、一般的なレーザドリルマシンの構成例である。本構成例は、図示しないレーザ発振器から照射される、例えばパルス状のレーザ光線１１を、所定の方向（図１では紙面に垂直なＹ方向）に走査するための第１のミラー（Ｙ軸ミラーと称する）１５が先端に取付けられた第１ガルバノスキャナ１４と、該第１ガルバノスキャナ１４によってｙ方向に走査されたレーザ光線１２を、前記第１ガルバノスキャナ１４による走査方向と垂直な方向（図１では紙面と平行なＸ方向）に走査するための第２のミラー１７（Ｘ軸ミラーと称する）が先端に取付けられた第２ガルバノスキャナ１６と、前記第１及び第２ガルバノスキャナ１４、１６により２方向に走査されたレーザ光線１３を、加工対象物１０の表面に対して垂直な方向に偏向するためのｆ−θレンズ１８とを備えている。図１の構成では、Ｙ軸ミラー１５で走査されて広がったレーザ光線１２を走査するＸ軸ミラー１７の方が、単一のレーザ光線１１を走査するＹ軸ミラー１５より大きい。
【０００４】
このガルバノスキャナにおいて、図示しないレーザ発振器から出力されたレーザ光線１１は、Ｙ軸ミラー１５、Ｘ軸ミラー１７で反射された後、ｆ−θレンズ１８を通過して加工対象物１０に集光される。Ｙ軸ミラー１５、Ｘ軸ミラー１７は、異なる方向に回転させることが可能で、これらのミラーの回転角度（単に角度又はミラー角度と称する）を変えることにより、レーザ光線を加工対象物１０の任意の位置に照射して加工を行なうことができる。
【０００５】
基板の穴開け等では高いスループットが要求されるため、加工対象物１０を移動させる方法に比べて、レーザ光線を移動させることにより、高速に処理を行なうことが可能な、ガルバノスキャナを用いることが多い。
【０００６】
このガルバノスキャナは、移動量によって位置決め時間が異なり、通常、移動量が大きくなるほど位置決めに時間がかかる。ここで言う位置決めとは、目標角度到達後、ミラーの振動がある範囲に収まってレーザ光線を照射できる状態を指す。移動量に依存せず高速・高精度に制御するためには、難しいサーボパラメータ調整を必要とし、実現が難しい。
【０００７】
そこで従来は、
（１）ある程度のところで妥協点を設け、全移動量で比較的高速・高精度が得られるサーボ調整を行なう、
（２）基板穴開けに比較的高頻度な小さい角度の移動に合わせてサーボ調整を行なう、
等が行なわれていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の（１）の場合、妥協した調整となってしまうため、スループットが低下する。又、後者の（２）の場合も、大きい角度の移動時位置決めに時間がかかるため、やはりスループット低下につながるという問題点を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、スループットを向上して、加工時間を短縮することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ミラーを駆動してレーザ照射位置を制御するレーザ加工制御方法において、前記ミラーの目標角度への移動量が、高速に位置決めできるようにサーボ調整した設定移動量を超える場合は、該設定移動量毎に位置決めしながら目標角度まで移動するよう指令値を操作するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１１】
又、前記設定移動量ずつ移動した時の余り移動量が、設定微小移動量よりも小さい場合は、一回目の移動に、この余り移動量を含めるようにして、余り移動量だけの移動を省略できるようしたものである。
【００１２】
又、前記移動途中の位置決め完了判断を、単なる時間待ちとして、移動途中の位置決め所要時間を短縮したものである。
【００１３】
又、前記移動途中の位置決めを、ミラー毎に独立して行い、他のミラーの位置決めを待たずに次々に移動するようにして、移動途中の待ち時間を短縮したものである。
【００１４】
又、前記微小移動量や待ち時間の最適値を実験により決定し、予め記憶させておくようにしたものである。
【００１５】
又、前記設定移動量、微小移動量や待ち時間を、駆動特性が異なるミラー毎に独立して決定するようにしたものである。
【００１６】
本発明は、又、ミラーを駆動してレーザ照射位置を制御するレーザ加工制御装置において、前記ミラーの目標角度への移動量が、高速に位置決めできるようにサーボ調整した設定移動量を超えたことを判定する手段と、前記目標角度の移動量が、前記設定移動量を超えた時は、該設定移動量毎に位置決めしながら目標角度まで移動するよう指令値を操作する手段とを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１７】
本発明においては、従来の（２）のように移動量の大きさを限定したサーボ調整を行ない、目標角度への移動量が、調整した移動量の上限を超える場合は、その上限以下で位置決めしながら目標角度まで移動するよう指令値を操作する。なお、この判断や操作にはデジタル計算機を用いることが望ましいが、そのような構成を、出願人は、既に特願２００１−２１０８３４で提案している。
【００１８】
なお、本発明に類似する技術として、特開２０００−３４３２６２には、２つの加工位置間の移動距離が、ガルバノメータのヒステリシス特性に基づく位置決め誤差の誤差許容距離を超える時に、前記移動距離を該誤差許容距離以下の距離に分割し、前記ガルバノメータを駆動して前記誤差解消動作を行ないつつ前記レーザ光を前記次の加工位置に位置決めする時、前記分割された距離ずつ前記レーザ光を移動させることが記載されているが、本発明のように、高速に位置決めが可能な移動量ずつ移動させて、位置決め時間を短縮するものではなかった。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
本発明の実施形態で用いるガルバノスキャナ制御装置とその周辺装置の構成例を図２に示す。このガルバノスキャナ制御装置３０は、上位コントローラ２０とデジタル信号をやり取りするデジタル計算器３２と、Ｄ／Ａ変換器３４と、アナログ回路３６と、ガルバノスキャナ１４又は１６のミラーを回転するモータ２２を駆動するためのパワーアンプ３８と、を用いて構成されている。
【００２１】
図において、２６は、前記上位コントローラ２０の出力により制御されるレーザ発振器である。
【００２２】
ここで、２つのミラー１５、１７の目標角度は、上位コントーラ２０からデジタル計算器３２に入力され、指令値が生成される。指令値は、Ｄ／Ａ変換器３４によってアナログの指令電圧に変換され、上位コントローラ２０からの移動開始指令をトリガとしてアナログ回路３６に入力される。
【００２３】
一方ミラー１５、１７の角度は、ガルバノスキャナ１４、１６に付設された角度センサ２４により計測され、計測角度信号がアナログ回路３６に入力される。
【００２４】
アナログ回路３６にはフィードバック制御が組まれており、前記Ｄ／Ａ変換器３４から入力される指令電圧と前記角度センサ２４から入力される計測角度信号に基づいて電流指令が出力される。パワーアンプ３８では、この電流指令に従った駆動電流が作り出され、これによりモータ２２が駆動され、ミラー１５、１７が回転する。
【００２５】
前記アナログ回路３６では、更に、モータの角度が予め設定された整定範囲に入ったことを示す整定範囲内信号が作成される。この整定範囲内信号はデジタル計算器３２に入力され、これを基に位置決め完了判断が行なわれ、上位コントローラ２０へ位置決め完了信号が出力される。
【００２６】
この位置決め完了信号を受けた上位コントローラ２０は、レーザ発振器２６へトリガ信号を出力し、レーザが照射される。
【００２７】
ここで、２つのガルバノスキャナ１４、１６への指令値出力の操作は、デジタル計算器３２で行なわれる。なお、同じような処理を上位コントローラ２０において行なうことも可能であるが、処理の負荷分散又は信号やり取りの回数を減らすために、デジタル計算器３２で行なう方が望ましい。
【００２８】
図３に、指令値及び現在値の従来例と本発明の第１実施形態を比較して示す。図において、細い破線Ａが従来の指令値、細い実線Ｂが従来の現在値、太い破線Ｃが第１実施形態の指令値、太い実線Ｄが第１実施形態の現在値である。なお、図中の波形のオーバーシュートやアンダーシュート及び正転範囲は、分かり易くするために大きく描いてある。
【００２９】
まず、従来の指令値出力方法について説明する。従来例では、細い破線Ａに示す如く、目標角度まで一気に指令値を与えることによって、高速に位置決めできるようサーボ調整した小さい移動量（設定移動量）Ｅを超える動きをさせることがある。この場合、細い実線Ｂに示す如く、オーバーシュートやアンダーシュートが大きくなり、整定範囲Ｆに収束するまでに時間がかかってしまう。又、整定範囲Ｆに入ったり出たりすることがあり、その場合、整定範囲内に収束したと判断するのが困難になる。
【００３０】
次に、本発明による指令値出力方法について説明する。
【００３１】
図４は、第１実施形態における指令値出力の手順である。まず、ステップ１００で、目標角度と現在角度から今回の移動量（算出移動量と称する）Ｇを算出する。次に、ステップ１０２で、算出移動量Ｇと、予めデジタル計算器３２に記憶させておいた設定移動量Ｅを比較し、算出移動量Ｇの方が設定移動量Ｅよりも大きければ、ステップ１０４で設定移動量Ｅ分の指令値を出力し、そうでなければ、ステップ１０６で算出移動量Ｇ分の指令値を出力する。ここでいう設定移動量Ｅは、高速に位置決めできるようサーボ調整した、小さい移動量（例えば調整移動量の上限値）以下の値である。
【００３２】
ステップ１０４又は１０６で指令値を出力した後、ステップ１０８で、アナログ回路３６から出力される整定範囲内信号を基に位置決め完了判断を行なう。ステップ１１０で、目標角度に達していると判定されれば、ステップ１１２で、上位コントローラ２０に位置決め完了信号を出力し、達していないと判定されれば、最初のステップ１００に戻り、目標角度に達するまで、この操作を繰り返す。
【００３３】
このように、図３に太い破線Ｃで示した如く、高速に位置決め可能な設定移動量Ｅずつ移動させることにより、図３に太い実線Ｄで示した如く、オーバーシュートやアンダーシュートが小さくなり、結果として位置決め時間を短縮することができる。
【００３４】
次に、本発明による指令値出力方法の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態の指令値出力手順であり、図４中の破線で囲んだ部分Ｈを抜き出して変更したものである。
【００３５】
即ち、図４のステップ１０２で、算出移動量Ｇが設定移動量Ｅを超えていた場合、ステップ２００で、目標値が上位コントローラ２０より出力されてから１回目の移動であるか否か判定する。一回目の移動である時は、ステップ２０２で、設定移動量Ｅ分の移動を繰り返した時の余り移動量Ｉを割算により算出する。算出された余り移動量Ｉが、予め設定しておいた微小移動量Ｊよりも小さい場合は、ステップ２０６で設定移動量Ｅに余り移動量Ｉを加えたものを指令値として、１回目の移動に、この余り移動量Ｉを含めてしまう。ここで言う微小移動量Ｊは、設定移動量Ｅよりも十分小さく、設定移動量に含めても移動特性に影響しない程度の量としておく。この微小移動量Ｊは、実験により適当な値を決定し、デジタル計算器３２に記憶させておく。これにより、図６（Ａ）に示す第１実施形態（第２実施形態で余り移動量Ｉが微小移動量Ｊより大きな場合も同じ）に比べ、図６（Ｂ）に示す如く、移動途中の位置決め回数を１回少なくできる場合がある。
【００３６】
次に、本発明による指令値出力方法の第３実施形態について説明する。
【００３７】
第１実施形態及び第２実施形態においては、共通のステップ１０８で、アナログ回路３６出力の整定範囲内信号を基に位置決め完了判断を行なっているが、第３実施形態では、この部分を単なる時間待ちにし、実質、移動量によって階段状の波形を一意的に決めてしまう。但し、目標角度到達時の最終位置決め精度は重要であるため、従来と同様に整定範囲内信号を基に正確な完了判断を行なう。
【００３８】
一方、移動途中の待ち時間（図３のＴ_１、Ｔ_２）については、実験により適当な値を決定し、デジタル計算器３２に記憶させておけばよい。この方法により、待ち時間を変えて、移動途中の位置決め許容範囲を可変にすることも可能となる。
【００３９】
なお、Ｘ軸ミラー１７とＹ軸ミラー１５は大きさが異なる（図１の例ではＸ軸ミラー１７の方がＹ軸ミラー１５より大きい）ため、駆動特性も異なるので、前記設定移動量Ｅと微小移動量Ｊや待ち時間Ｔ_１、Ｔ_２の最適値は、Ｘ軸とＹ軸で異なる場合がある。又、移動途中の位置決めにおいては、レーザを照射するわけではないので、目標位置まではＸ軸とＹ軸を別々に位置決め（他方の位置決めを待たずに次々に移動）すればよい。これらの制御方法により、加工時間の一層の短縮が可能となる。
【００４０】
なお、前記実施形態においては、いずれも、本発明が、レーザドリルマシンに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、例えばマーキングマシン等、他の機械にも同様に適用できることは明らかである。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、高速に位置決め可能な移動量ずつ移動させることにより、オーバーシュートやアンダーシュートが小さくなり、結果として加工時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用対象の一例であるレーザドリルマシンの要部構成を示す正面図
【図２】同じくガルバノスキャナ制御装置とその周辺装置の構成例を示すブロック線図
【図３】従来例と本発明の第１実施形態における指令値と現在値の変化状態を示すタイムチャート
【図４】本発明の第１実施形態における指令値の出力手順を示す流れ図
【図５】同じく第２実施形態における指令値の出力手順の要部を示す流れ図
【図６】本発明の第２実施形態における指令値と現在値の変化状態を示すタイムチャート
【符号の説明】
１４、１６…ガルバノスキャナ
１５、１７…ミラー
２０…上位コントローラ
２２…モータ
２４…角度センサ
２６…レーザ発振器
３０…ガルバノスキャナ制御装置
３２…デジタル計算器
３４…Ｄ／Ａ変換器
３６…アナログ回路
３８…パワーアンプ
Ｅ…設定移動量
Ｇ…算出移動量
Ｉ…余り移動量
Ｊ…設定微少移動量

Claims

ミラーを駆動してレーザ照射位置を制御するレーザ加工制御方法において、
前記ミラーの目標角度への移動量が、高速に位置決めできるようにサーボ調整した設定移動量を超える場合は、該設定移動量毎に位置決めしながら目標角度まで移動するよう指令値を操作することを特徴とするレーザ加工制御方法。
前記設定移動量ずつ移動した時の余り移動量が、設定微小移動量よりも小さい場合は、一回目の移動に、この余り移動量を含めることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工制御方法。
前記移動途中の位置決め完了判断を、単なる時間待ちとすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工制御方法。
前記移動途中の位置決めを、ミラー毎に独立して行なうことを特徴とする請求項１又は３に記載のレーザ加工制御方法。
前記微小移動量や待ち時間の最適値を実験により決定し、予め記憶させておくことを特徴とする請求項２又は３に記載のレーザ加工制御方法。
前記設定移動量、微小移動量や待ち時間を、ミラー毎に独立して決定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ加工制御方法。
ミラーを駆動してレーザ照射位置を制御するレーザ加工制御装置において、
前記ミラーの目標角度への移動量が、高速に位置決めできるようにサーボ調整した設定移動量を超えたことを判定する手段と、
前記目標角度の移動量が、前記設定移動量を超えた時は、該設定移動量毎に位置決めしながら目標角度まで移動するよう指令値を操作する手段と、
を備えたことを特徴とするレーザ加工制御装置。