JP2008170579A - ガルバノスキャナシステムおよび制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】加減速時間や、ガルバノメータの応答性に関係なく、レーザ加工開始点と終了点において、レーザの照射ムラが発生しないガルバノ制御用コントローラを提供する。
【解決手段】互いに直交する2軸のガルバノスキャナ101と、前記ガルバノスキャナ101にレーザ光を照射するレーザ装置105と、前記ガルバノスキャナ101と前記レーザ装置105を制御するコントローラ103かなるガルバノスキャナシステムにおいて、
前記コントローラ103は、前記ガルバノスキャナ101の駆動指令に従って、レーザ出力波形が生成されるものである。
【選択図】図1
Description
第1の従来のガルバノメータコントローラについて図2を用いて説明する。201は、コントローラからサーボドライバへの指令速度を示す。202は、一定遅延時間後に動作するガルバノメータの速度を示している。203はレーザの出力を示す。204はコントローラからサーボドライバへの指令などの遅れを考慮し、どの程度レーザの照射開始を遅らせるかを設定するためのレーザオンディレイパラメータである。205は、レーザの照射終了をコントローラの指令に対しどの程度遅らせるかを設定する為のレーザオフディレイパラメータである。
次に、動作について説明する。レーザオンディレイパラメータ205を設定し、ミラーの停止状態におけるレーザの照射を抑制し、一方、マーキングの描き終わり時点では、コントローラの指令は完了しているがミラーは遅れて動作が完了するので、レーザオフディレイパラメータ205を調整することで実際にミラー動作が停止するまではレーザの照射を継続する。このために、ミラー速度の加減速度領域では、より多くのレーザが照射されることで、加工痕の幅に加減速領域では太くなり、幅にむらができることになる。
また、第2の従来例としては、マーキング線の描き始め地点よりも手前から前記ガルバノメータの動作を開始させるとともに、マーキング線の描き終わり地点を越えても前記ガルバノメータが動作するように制御されている。
このように、従来のコントローラでは、動作指令から実際にガルバノメータが実動作開始するまでの遅延時間を設定することにより、レーザの出力開始タイミングとガルバノメータの実動作開始のタイミングを調整するように図られている。この時に出力されるレーザはモーションプログラムで指定された強度で出力される。例えば、指令速度に到達するまでの加速区間や、指定位置へ位置決めする際の減速区間においても、常に指定されたレーザ強度が出力される。この時のレーザ強度の設定は、アナログ指令のレーザの場合、出力電圧値で制御され、PWM照射のレーザの場合、PWM周期に対するPWM出力幅で決定される。
また、第3の実施例として、図10に、ガルバノメータによるレーザ加工装置を示す。
ガルバノメータを利用したレーザ加工技術は、高密度配線の回路基板等の加工に用いられ、前記ガルバノメータに取り付けられたガルバノミラーによって反射されたレーザ光を、被加工物の照射面上に照射して溶解、あるいは蒸発させて加工するものである。
図において11はガルバノミラーであり、12はガルバノミラーを回転させるガルバノメータである。ガルバノメータ12には、位置検出器であるエンコーダ13、および駆動装置14が接続されており、駆動装置14からの駆動電流に応じてガルバノミラー11を回転させるとともに、回転角はエンコーダ13で検出され、駆動装置14に与えられる。15はコントローラであり照射位置指令を駆動装置14に与え、駆動装置14は前記照射位置指令とエンコーダ13からの位置情報に基づいて駆動電流をガルバノメータに出力する。16はレーザ発振器でレーザ光をガルバノミラー12に出力する。21はコントローラ15の中央処理部で、加工命令に対し、コントローラソフトウェア22を使用して照射位置指令を定周期で生成し、駆動装置14に指令する。またレーザ出力指令(レーザパワー指令)を生成し、レーザ信号生成回路23に指令する。レーザ出力指令はコントローラの照射位置指令周期の間隔で、加工の度合いを均一にするように調整される。レーザ信号生成回路23は、中央処理部21からのレーザ出力指令に基づきレーザ駆動信号を生成し、レーザ発振器に出力する。
このように、コントローラからガルバノミラーへの照射位置指令の周期でレーザの出力指令を調整することで、レーザ照射点の移動速度の変化におけるレーザの単位時間当たりの照射エネルギーをできるだけ均一にする方法が提案されている。(たとえば、特許文献1参照)。
また、マーキング線の描き始め地点よりも手前から前記ガルバノメータの動作を開始させるとともに、マーキング線の描き終わり地点を越えても前記ガルバノメータが動作するように制御されていても、加減速期間に、定速期間のレーザ強度で照射されていることから、マーキング開始部と終了部が膨らむような加工痕となってしまうという問題が生じていた。
また、図11、図12に、第3の従来例のレーザ加工装置の動作の説明図を示す。図11(a)はコントローラ21から駆動装置14に与えられる位置指令、図11(b)は照射面上のレーザの移動速度、図11(c)は、コントローラ14の中央処理部からレーザ信号生成回路23に与えられるレーザ出力指令、図11(d)は、照射面に照射されるレーザパワーを表す。なお、コントローラ14のソフトウェアの制御周期を250μsとしている。図において、位置指令を駆動装置に与えるタイミングと実際の移動には250μsのタイムラグがあるものとし、中央処理部は、レーザパワー指令を位置指令と1周期ずらして発行している。また、レーザパワーの大きさは、目標速度に対する現在の指令速度の比率から周期毎に演算して調整する。その結果、図11(b)と図11(d)から速度変動に対応してレーザパワーも変動することになる。
しかしながら、加減速区間などの速度変化区間にあわせてレーザ光の出力を変動させる方法は、コントローラがガルバノミラーへの移動指令を出力する周期に依存してしまうため、コントローラからの指令周期が長いと、レーザ出力の調整間隔も長くなってしまい、緻密なレーザ出力調整ができなくなる。また、一方、コントローラからガルバノミラーへの照射位置指令の周期を短くすれば、より早い周期でのレーザ出力調整が可能にはなるが、実際は、CPUの処理性能に限界があり、指令の周期は簡単には高速化できないという問題が生じていた。
また、図12では、位置指令を駆動装置に与えるタイミングと実際の移動とのタイムラグを300μsとし、コントローラ14の制御周期と比例しない場合を示している。中央処理部がレーザパワー指令を発行するタイミングは、コントローラのソフトウェアの制御周期であるため、図6(d)に示すように、移動開始とレーザの照射のタイミングがずれ、加工の度合に影響してしまうという問題が生じしていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、加減速時間や、ガルバノメータの応答性に関係なく、レーザ加工開始点と終了点において、レーザの照射ムラが発生しないガルバノ制御用コントローラを提供することを目的とする。
請求項2に記載の発明は、前記コントローラが、レーザ出力遅延処理部を備えたものである。
請求項3に記載の発明は、前記コントローラが、前記ガルバノスキャナのレーザ照射開始までの移動量と、レーザ出力終了までの残移動量が入力されるレーザ出力決定部を備えたものである。
請求項4に記載の発明は、前記コントローラが、前記レーザ装置へのレーザパワー指令の増分値指令を生成するレーザ信号生成回路を備えたものである。
請求項5に記載の発明は、前記増分値指令が、前記レーザ信号生成回路の制御周期で、前記レーザパワー指令に演算された値が用いられるものである。
請求項6に記載の発明は、前記増分値指令が、前記レーザ信号生成回路の分解能に応じて分割されたものである。
請求項7に記載の発明は、ガルバノスキャナの移動開始時点または移動停止時点について、前記レーザ信号生成回路に最小分解能の前記増分値指令が、与えられるものである。
請求項8に記載の発明は、互いに直交する2軸のガルバノスキャナが駆動信号により操作され、レーザ装置により前記ガルバノスキャナにレーザ光を照射され、コントローラにより前記ガルバノスキャナと前記レーザ装置が制御されるガルバノスキャナシステムの制御方法において、前記コントローラで前記ガルバノスキャナの駆動指令に従って、レーザ出力波形が生成されるものである。
請求項9に記載の発明は、前記コントローラに前記レーザ光を照射するためのパラメータが設定され、前記ガルバノスキャナの動作が開始してから移動した距離と、前記パラメータとを比較して、前記レーザ装置から前記レーザ光を照射するものである。
請求項10に記載の発明は、前記コントローラに前記レーザ光を照射するためのパラメータが設定され、前記ガルバノスキャナの残移動量が、前記パラメータ以下になった場合に、前記レーザ装置から前記レーザ光の照射を停止するものである。
請求項11に記載の発明は、前記ガルバノスキャナの動作を開始してから移動量だけ移動に要する時間と、前記コントローラで設定されたレーザオンディレイパラメータの時間とを足し合わせた時間だけ遅延させて前記レーザ装置からレーザを照射するものである。
請求項12に記載の発明は、前記ガルバノスキャナの一定速度領域における残移動量と指令速度から求められる減速時間とレーザオフディレイパラメータを比較して、レーザオフディレイパラメータが、前記減速時間以下になった際に、前記レーザ装置の前記レーザ光の照射を停止するものである。
請求項13に記載の発明は、前記パラメータは、前記ガルバノスキャナの移動に関して、加減速区間分の距離が設定されているものである。
請求項14に記載の発明は、前記コントローラの中央処理部では、ソフトウェア制御周期でレーザパワー指令、増分値指令またはパワーディレイの少なくとも1つが、レーザ信号生成回路に与えられ、前記レーザ信号生成回路は、自己の制御周期単位で前記レーザパワー指令に対する加算する増分値を演算するものである。
請求項15に記載の発明は、前記増分値指令は、前記レーザ信号生成回路の分解能で分割され、前記レーザパワー指令が前記レーザ信号生成回路の分解能でステップ上に増加するものである。
請求項16に記載の発明は、前記ガルバノスキャナの動作開始時または動作停止時に前記レーザ光で加工する際には、レーザパワー指令に加算する増分値を最小分解能値として与えられるものである。
請求項17に記載の発明は、レーザ信号生成回路に、現在のレーザパワー指令と今回のレーザパワー指令の差分値を前記レーザ信号生成回路の分解能に応じて分割した値をパワー増分値として前記レーザ信号生成回路に与えるとともに、前記レーザ信号生成回路は、レーザ信号生成回路の制御周期毎に前記パワー増分値をレーザパワー指令に加算してレーザパワー信号を生成し、レーザ発振器に出力するという手順で処理するものである。
請求項4から7および14から17に記載の発明によると、コントローラのレーザ信号生成回路に出力指令を指令する際、現在のレーザパワー指令と今回のレーザパワー指令の差分値を前記レーザ信号生成回路の分解能に応じて分割し、分割した値をパワー増分値として前記レーザ信号生成回路に与え、レーザ信号生成回路は、前記パワー増分値を前記レーザ信号生成回路の制御周期毎に加算してレーザパワー信号を生成し、レーザ発振器に出力するため、コントローラのソフトウェアの制御周期より短い周期でレーザ駆動信号を更新できるため、速度変動に対して、より高精度な加工が実現できる。レーザ信号生成回路の分解能としては、ガルバノミラーへ最終的に指令を行う駆動装置の指令周期同等以上の分解能が必要である。
また、レーザパワー指令に加えパワーディレイ時間を指令し、前記レーザ信号生成回路は、出力指令受信時から前記パワーディレイ時間の経過後にレーザ駆動信号を前記レーザ発振器に出力するため、移動処理のタイムラグに対してもより高精度な加工が実現できる。
さらに、ガルバノメータが停止状態から動作を開始する時と、動作中から停止状態となる時のレーザパワーを指定できるので、加工開始点と加工終了点において確実にレーザ加工ができることを特徴とするものである。
モーションプログラムに記述されているレーザのオンオフ制御指令、レーザ強度やガルバノメータへの動作指令を、プログラム解析部302が動作指令作成部にて処理しやすい中間データへ変換し、指令作成部303へ処理を依頼する。
本発明が特許文献1と異なる部分は、レーザ照射区間を移動開始からの移動量と、目標位置までの残移動量により、レーザの出力区間を決定する機能を備えた部分である。
まず、ユーザは指定した箇所へのレーザ照射を行うように、ホストPC上で加工プログラムを作成する。
次に、コントローラのパラメータである、レーザ照射開始までの移動距離と、レーザ照射終了までの残移動距離を設定する。最後に、ホストPC上で作成された加工プログラムをコントローラへ送り実行する。
コントローラでは、ホストPCより設定されたパラメータに従い、レーザの照射を行う。
図4に本発明でのレーザ照射、指令および実駆動パターンの関係について示す。201、202、203、204は図2と同様である。コントローラからサーボドライバへ指令を開始する際に、レーザ照射開始までの移動量309として設定された値に到達するまで、レーザは照射しない。ここでは、指令速度201に達する加速時間から求められる距離が設定されている。パラメータで設定された移動量309だけ移動に要する時間と、コントローラで設定されたレーザオンディレイパラメータ204の時間とを足し合わせた時間だけ遅延させてレーザを照射する。
一方、レーザオフのタイミングは、一定速度領域において指令の残移動量310に到達すると、予めコントローラに設定されているレーザオフディレイパラメータと比較される。ここで、指令の残移動量310は減速に必要な距離が設定されており、残移動量310と指令速度201から求められる減速時間とレーザオフディレイパラメータ205とを比較して、レーザオフディレイパラメータ205が、減速時間以下になった際にレーザ照射を停止する。
このように、加減速区間分の距離をコントローラのパラメータとして設定することで、一定速度区間のみでのレーザの照射を行うことが可能となる。
レーザ出力決定部では、指令作成部が作成した既に移動した移動量と、パラメータで設定されたレーザ出力を開始するまでの移動量を比較する(ST601)。指定された移動量分動作していなければレーザ出力遅延処理部へのレーザ出力要求をオフ(ST603)し、既に指定された移動量以上動作していればレーザ出力遅延処理部へのレーザ出力要求をオン(ST602)する。また、ST604にてレーザ出力終了時の残移動量と現在の残移動量を比較し、残移動量が設定されたレーザ出力終了時の残移動量以下になった場合にレーザ出力遅延部へのレーザ出力要求をオフ(ST605)する。レーザ出力遅延処理部では、レーザ出力遅延時間に設定した時間経過後にレーザ出力の開始や停止を行う。
図8において、図8(a)はコントローラ21から駆動装置14に与えられる位置指令、図8(b)は照射面上のレーザの移動速度、図8(c)は、コントローラ14の中央処理部21からレーザ信号生成回路23に与えられるレーザ出力指令、図8(d)は、照射面に照射されるレーザパワーである。
図7、図8を用いて、動作について説明する。コントローラ14の中央処理部21はソフトウェアの制御周期でレーザ信号生成回路23に対しレーザパワー指令、増分値指令、パワーディレイを与える。レーザパワー指令は、レーザパワー指令値であり、初期時点(250μs時点)では“0”である。増分値指令は、レーザ信号生成回路の制御周期単位で、レーザパワー指令に対し加算されるレーザパワーの増分値である。コントローラのソフトウェアでは、式1に基づきレーザパワーの増分値の演算を行う。
(目標レーザパワー − 現在レーザパワー)÷(位置指令の周期/レーザ信号生成回路の制御周期) ・・・ 式1
たとえば、現在レーザパワーが“0” 、レーザパワーの目標値が“100”、位置指令の周期が250μs、前記レーザ信号生成回路23のハードウェア制御周期が“10μs”である場合、増分値指令は“100/25=4”となる。
パワーディレイは、レーザ信号生成回路23がレーザ発振器16にレーザ駆動信号を出力する際のディレイであり図7では“0”としている。
前記レーザ信号生成回路23は、前記レーザパワー指令“0”に前記増分値“4”をレーザ信号生成回路の制御周期毎に加算してレーザ駆動信号を生成し、レーザ発振器25に出力する。25回の加算終了後は最終値を出力しつづける。つぎのコントローラのソフトウェアの制御周期で新たな指令がくると、同様にしてレーザ信号生成回路の制御周期毎にレーザ駆動信号を生成する。
このように、コントローラのレーザ信号生成回路にレーザ出力指令を指令する際、現在のレーザパワー指令と今回のレーザパワー指令の差分値を前記レーザ信号生成回路の分解能に応じて分割し、分割した値をパワー増分値として前記レーザ信号生成回路に与えることにより、レーザ信号生成回路は、前記パワー増分値を前記レーザ信号生成回路の制御周期毎に加算してレーザパワー信号を生成し、レーザ発振器に出力するため、コントローラのソフトウェアの制御周期より短い周期でレーザ駆動信号を更新できるため、速度変動に対して、より高精度な加工が実現できる。
つぎに、図7、図9を用いて、タイムラグを入れた場合の動作について説明する。図9では、図8の条件に加え、位置指令を駆動装置に与えるタイミングと実際の移動には280μsのタイムラグがあるものとしている。この場合、レーザ出力指令としては、図8の場合と同様、レーザパワー指令“0”、増分値指令は“4”となる。一方、パワーディレイ値は、位置指令と実際の移動とのタイムラグにあわせるため“30”とする。
前記レーザ信号生成回路23は、パワーディレイを考慮して、中央処理部からの入力後30μs後から、前記レーザパワー指令“0”に前記増分値“4”をレーザ信号生成回路の制御周期毎に加算してレーザ駆動信号を生成しレーザ発振器16に出力する。
また、ガルバノメータが停止状態から移動を開始する時には、レーザパワー指令“0”が出力されると、移動開始時点でのレーザパワーが0となり、未加工部となるので、コントローラ側で設定された移動開始時のレーザパワー値を、ガルバノメータが停止状態から移動を開始する瞬間と、移動状態から停止状態になる瞬間に出力するようにする。コントローラのソフトウェアでは、式2,3に基づき移動開始時と移動完了時のレーザパワーの増分値の演算を行う。
(目標レーザパワー − 移動開始時レーザパワー)÷(位置指令の周期/レーザ信号生成回路の制御周期) ・・・ 式2
(移動終了時レーザパワー − 現在レーザパワー)÷(位置指令の周期/レーザ信号生成回路の制御周期) ・・・ 式3
加速時から一定速度に変化した場合、加速時は、増分値指令に応じて増加していき、一定速度になったことをエンコーダ信号から検出した場合、レーザは一定強度で照射される。
減速時は、オフディレイパラメータが残移動量以下になった場合、レーザ強度は減少値指令に応じて減少していく。このようにすることで、速度変動に対して、より高精度な加工が実現できる。
12 ガルバノメータ
13 エンコーダ
14 駆動装置
15 コントローラ
16 レーザ発振器
21 中央処理部
22 コントローラソフトウェア
23 レーザ出力生成回路
101 ガルバノメータ
102 サーボドライバ
103 コントローラ
104 ホストPC
105 レーザ装置
201 指令速度
202 ミラー速度
203 レーザ出力
204 レーザオンディレイタイマ
205 レーザオフディレイタイマ
206 単位時間あたりのレーザ照射量
207 従来制御方式での加工痕
208 理想加工痕
301 モーションプログラム
302 プログラム解析部
303 指令作成部
304 ドライバへの動作指令
305 レーザ出力線
306 レーザ出力遅延処理部
307 レーザ出力遅延時間
308 レーザ出力決定部
309 レーザ出力開始までの移動量
310 レーザ出力終了までの残移動量
401 本発明方式での加工痕
Claims (17)
- 互いに直交する2軸のガルバノスキャナと、前記ガルバノスキャナにレーザ光を照射するレーザ装置と、前記ガルバノスキャナと前記レーザ装置を制御するコントローラかなるガルバノスキャナシステムにおいて、
前記コントローラは、前記ガルバノスキャナの駆動指令に従って、レーザ出力波形が生成されることを特徴とするガルバノスキャナシステム。 - 前記コントローラは、レーザ出力遅延処理部を備えたことを特徴とする請求項1記載のガルバノスキャナシステム。
- 前記コントローラは、前記ガルバノスキャナのレーザ照射開始までの移動量と、レーザ出力終了までの残移動量が入力されるレーザ出力決定部を備えたことを特徴とする請求項1記載のガルバノスキャナシステム。
- 前記コントローラは、前記レーザ装置へのレーザパワー指令の増分値指令を生成するレーザ信号生成回路を備えたことを特徴とする請求項1記載のガルバノスキャナシステム。
- 前記増分値指令は、前記レーザ信号生成回路の制御周期で、前記レーザパワー指令に演算された値が用いられることを特徴とする請求項4記載のガルバノスキャナシステム。
- 前記増分値指令は、前記レーザ信号生成回路の分解能に応じて分割されたことを特徴とする請求項4記載のガルバノスキャナシステム。
- ガルバノスキャナの移動開始時点または移動停止時点について、前記レーザ信号生成回路に最小分解能の前記増分値指令が、与えられることを特徴とする請求項4記載のガルバノスキャナシステム。
- 互いに直交する2軸のガルバノスキャナが駆動信号により操作され、レーザ装置により前記ガルバノスキャナにレーザ光を照射され、コントローラにより前記ガルバノスキャナと前記レーザ装置が制御されるガルバノスキャナシステムの制御方法において、
前記コントローラで前記ガルバノスキャナの駆動指令に従って、レーザ出力波形が生成されることを特徴とするガルバノスキャナシステムの制御方法。 - 前記コントローラに前記レーザ光を照射するためのパラメータが設定され、前記ガルバノスキャナの動作が開始してから移動した距離と、前記パラメータとを比較して、前記レーザ装置から前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項8記載のガルバノスキャナシステムの制御方法。
- 前記コントローラに前記レーザ光を照射するためのパラメータが設定され、前記ガルバノスキャナの残移動量が、前記パラメータ以下になった場合に、前記レーザ装置から前記レーザ光の照射を停止することを特徴とする請求項8記載のガルバノスキャナシステムの制御方法。
- 前記ガルバノスキャナの動作を開始してから移動量だけ移動に要する時間と、前記コントローラで設定されたレーザオンディレイパラメータの時間とを足し合わせた時間だけ遅延させて前記レーザ装置からレーザを照射することを特徴とする請求項8記載のガルバノスキャナシステムの制御方法。
- 前記ガルバノスキャナの一定速度領域における残移動量と指令速度から求められる減速時間とレーザオフディレイパラメータを比較して、レーザオフディレイパラメータが、前記減速時間以下になった際に、前記レーザ装置の前記レーザ光の照射を停止することを特徴とする請求項8記載のガルバノスキャナシステムの制御方法。
- 前記パラメータは、前記ガルバノスキャナの移動に関して、加減速区間分の距離が設定されていることを特徴とする請求項8記載のガルバノスキャナシステムの制御方法。
- 前記コントローラの中央処理部では、ソフトウェア制御周期でレーザパワー指令、増分値指令またはパワーディレイの少なくとも1つが、レーザ信号生成回路に与えられ、前記レーザ信号生成回路は、自己の制御周期単位で前記レーザパワー指令に対する加算する増分値を演算することを特徴とする請求項8記載のガルバノスキャナシステムの制御方法。
- 前記増分値指令は、前記レーザ信号生成回路の分解能で分割され、前記レーザパワー指令が前記レーザ信号生成回路の分解能でステップ上に増加することを特徴とする請求項14記載のガルバノスキャナシステムの制御方法。
- 前記ガルバノスキャナの動作開始時または動作停止時に前記レーザ光で加工する際には、レーザパワー指令に加算する増分値を最小分解能値として与えられることを特徴とする請求項8記載のガルバノスキャナシステムの制御方法。
- レーザ信号生成回路に、現在のレーザパワー指令と今回のレーザパワー指令の差分値を前記レーザ信号生成回路の分解能に応じて分割した値をパワー増分値として前記レーザ信号生成回路に与えるとともに、前記レーザ信号生成回路は、レーザ信号生成回路の制御周期毎に前記パワー増分値をレーザパワー指令に加算してレーザパワー信号を生成し、レーザ発振器に出力するという手順で処理することを特徴とする請求項8記載のガルバノスキャナシステムの制御方法。
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