JP2014232242A - 回転体の制御装置及びそれを使用したレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】指令インターバルを短縮しても、振動を抑制できる回転体の制御装置及びレーザ加工装置を提供する。【解決手段】前回の角度指令信号から今回の角度指令信号が出されるまでの時間及び前回と今回の移動方向とから、発生する振動周波数を予測する発生振動周波数予測部と、追従誤差に基づいて振動振幅（ゲイン）を同定する振動振幅同定部と、トルク指令信号に加算するための振動抑制信号を作成する振動抑制信号作成部と、前記トルク指令信号に前記振動抑制信号が加えられた場合に過不足となる角度変化量を算出する角度変化量算出部と、前記角度指令の倍率を変更する角度指令倍率変更部と、前記発生振動周波数予測部で予測された振動周波数と前記振動振幅同定部で同定された振動振幅（ゲイン）と前記角度変化量算出部で算出された角度変化量とが対応づけて記憶されている記憶部と、を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の位置を指定された目標値に追従するように制御する装置であって、レーザ加工装置におけるガルバノミラーの駆動制御に好適な回転体の制御装置及びそれを使用したレーザ加工装置に関する。

レーザ光を偏向するガルバノミラーを持つ装置の一例であるプリント配線板穴明け用レーザ加工装置は、レーザ光を用いてプリント配線板に半導体素子等の実装や層間の電気的結合に使用する穴を明ける装置である。従来のプリント配線板穴明け用レーザ加工装置は、レーザ発振器と、レーザ光の断面形状を形成するための断面形状形成装置と、レーザ光を偏向する一対のガルバノミラーと、ガルバノミラーを駆動するガルバノスキャナと、レーザ光を集光するＦθレンズと、プリント配線板を搭載して水平面内を二次元的に位置決めするためのＸＹテーブルサーボ機構を備えている。

レーザ加工装置は通常、階層的に構成される数値制御（ＮＣ）装置であり、ガルバノスキャナ制御装置はその最下層に位置する。上位階層の制御装置（以下、「上位制御装置」と呼ぶ。）では、プリント配線板のＣＡＭデータ（Computer Aided Manufacturing）に基づき記述されたＮＣプログラムに従って、穴位置座標を順次ガルバノスキャナの角度指令信号に変換し、ガルバノミラー制御装置に送る。ガルバノスキャナが目標角度に到達すると、レーザ光を照射して穴明け加工を実施する。そのため、角度指令信号の送信とレーザ光の照射制御は上位制御装置内部で同期を取って行われる。

制御対象であるガルバノスキャナは、永久磁石とコイル、ヨークで構成される磁気回路を持つ。永久磁石は回転シャフトに接着されており、磁石と電流が印加されたコイルにより発生する力（ローレンツカ）が回転シャフトに加わり、回転シャフトが回転する。このようなガルバノスキャナは回転シャフトのねじれ方向に振動モードを持つため、これを制御する制御装置は通常、ノッチフィルタなどの振動抑制を目的とした補償要素を持っている。

図１１に、ガルバノスキャナの機械振動特性の一例を示す。図１１の横軸は周波数であり、縦軸はトルク指令信号を入力、角度変化量を出力とした際の振幅比（ゲイン）を示す。図中のｆ１は、ねじり一次振動モード周波数を表しており、ｆ１でゲインが高い、すなわち他の周波数よりも入力に対する出力が大きいことが特徴的である。

レーザ加工装置の加工スループットを向上するために、角度指令信号の時間間隔（以下、指令インターバルと呼ぶ）を短くすると、指令インターバルに起因する入力成分によってガルバノスキャナの例えばねじり一次振動モードが励起され、位置決め時にガルバノミラーが振動することで加工精度が低下する問題があった。

このため、従来のガルバノスキャナ制御装置では、連続して加工する場合に、指令インターバルに起因する入力成分が前記ねじり一次振動モード周波数と合致しないように時間間隔を延ばして、振動モードの励起を避ける手法が取られていた（特許文献１）。しかしながら、このような従来技術においては、指令インターバルが長くなり、加工スループットが上げられない問題点があった。

特許３５１９２７８号公報

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、指令インターバルを短縮しても、振動を抑制できる回転体の制御装置及びそれを使用したレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の回転体の制御装置においては、上位装置から与えられる角度指令信号がトルク指令信号生成部に与えられて、前記角度指令信号に基づく角度変化量に応じた倍率のトルク指令信号に変換され、当該トルク指令信号に基づき制御周期毎の目標角度信号が作成され、回転体の現在の角度がフィードバックされて追従誤差が作成される回転体の制御装置において、
前回の角度指令信号から今回の角度指令信号が出されるまでの時間及び前回と今回の移動方向とから、発生する振動周波数を予測する発生振動周波数予測部と、
前記追従誤差に基づいて振動振幅（ゲイン）を同定する振動振幅同定部と、
前記トルク指令信号に加算するための振動抑制信号を作成する振動抑制信号作成部と、
前記トルク指令信号に前記振動抑制信号が加えられた場合に過不足となる角度変化量を算出する角度変化量算出部と、
前記角度指令信号の倍率を変更する角度指令倍率変更部と
前記発生振動周波数予測部で予測された振動周波数と前記振動振幅同定部で同定された振動振幅（ゲイン）と前記角度変化量算出部で算出された角度変化量とが対応づけて記憶されている記憶部と、
を有し、
前記振動抑制信号作成部は、予測される振動の周波数に対応する振動振幅（ゲイン）を前記記憶部から読取って前記振動抑制信号を作成し、
前記角度指令倍率変更部は、予測される振動の周波数に対応する角度変化量を前記記憶部から読取って前記角度指令信号の倍率を変更する
ことを特徴とする。

また請求項２に記載の回転体の制御装置においては、前記振動抑制信号作成部により作成される振動抑制信号は、周波数が制御周期の逆数の整数倍である正弦波であることを特徴とする。

また請求項３に記載のレーザ加工装置においては、請求項１又は２のいずれかの回転体の制御装置をガルバノミラーの駆動制御に使用したことを特徴とする。

本発明によれば、指令インターバルを短縮しても、振動を抑制できる回転体の制御装置及びそれを使用したレーザ加工装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施例となるガルバノスキャナ制御装置とその周辺のブロック図である。 本発明を適用する場合のベースとなるガルバノスキャナ制御装置とその周辺のブロック図である。 図１における動作の流れを示すフローチャートである。 加工パターンの一例を示す模式図である。 図４の加工パターンにおけるｘｃｈガルバノスキャナのトルク指令信号を示す模式図である。 図４の加工パターンにおけるｙｃｈガルバノスキャナのトルク指令信号を示す模式図である。 トルク指令信号と振動抑制信号を表す模式図である。 トルク指令信号による角度変化量と振動抑制信号に起因する角度変化量を示す模式図である。 本実施例において、同じ方向への動作を繰り返した場合の追従誤差の模式図である。 従来のガルバノスキャナ制御装置において、同じ方向への動作を繰り返した場合の追従誤差の模式図である。 ガルバノスキャナの機械振動特性の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図２は、本実施例のベースとなるガルバノスキャナ制御装置とその周辺のブロック図である。先ず、このガルバノスキャナ制御装置について説明をする。

加工対象物の任意の位置にレーザ光を照射する場合、先ず上位制御装置２０１は、ＮＣプログラムに記述された穴位置座標から算出したガルバノスキャナ３０の角度指令信号１０１を、ガルバノスキャナ制御装置２０に送る。ガルバノスキャナ制御装置２０では、トルク指令生成部２０２で、事前に算出されて記憶部（図示せず）に記憶されたトルク指令信号１０３に対し、角度指令信号１０１に基づく角度変化量に応じた倍率をかけてトルク指令信号１０３を作成する。トルク指令信号１０３は、ガルバノスキャナ３０の機械振動特性を模擬したデジタルフィルタ２０３に入り、制御周期毎の目標角度信号１０４としてフィードバック・ループに与えられる。目標角度信号１０４からガルバノスキャナ３０の現在の角度を減算した追従誤差１０５は、補償要素２０４で制御演算処理をされた後に、もう一方のトルク指令信号１０３が加算され操作量１０６となる。操作量１０６はＤ／Ａ変換器２０５へ送られ、ガルバノスキャナ３０の電流指令信号１０７となる。電流指令信号１０７はアンプ６０で増幅され、駆動電流１０８としてガルバノスキャナ３０の電気揺動アクチュエータ部に印加され、回転シャフトが回転する。このとき、現在の角度は角度検出器（図示せず）によって検出され、角度パルス１０９とされる。パルスカウンタ２０６によって、再びディジタル信号である角度信号１１０へと変換され、フィードバックされる。これらの処理を繰り返すことにより、ガルバノミラーは徐々に目標角度に接近する。目標角度に到達した後にレーザ光を照射し、穴明け加工を行う。

図１は、本発明の実施例となるガルバノスキャナ制御装置の構成を表すブロック図であり、前述の図２と同等の機能のものは同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に対し、新たに追加されているものとして、２１５は前回の角度指令信号１０１から今回の角度指令信号１０１が出されるまでの時間と前回と今回の移動方向とから、発生する振動周波数を予測する発生振動周波数予測部、２０９は前記発生する振動周波数と振動振幅（ゲイン）に関して予め決定された対応表を記憶している記憶部、２０８は前記発生する振動の周波数１１７に対応する振動振幅を記憶部２０９から読取り、前記重畳した振動を抑制する振動抑制信号１１１を作成し、トルク指令信号１０３に加算する振動抑制信号作成部、２１６は当初の角度指令信号１０１に前記振動抑制信号１１１が加えられた場合の前記角度変化量を算出する角度変化量算出部、２１０は振動抑制信号１１１に起因する角度変化量１１８を補う角度指令信号１０２の倍率を変更するための角度指令倍率変更部、２０７は振動振幅同定部、２１１〜２１４はスイッチである。

本実施例における動作の流れを図３に示す。
本実施例の動作としては、記憶部２０９に振動周波数と振動振幅（ゲイン）と角度変化量を関連付けて記憶する初期化モードと、追従誤差に重畳する振動を抑制する振動補償モードに分けられる。実際に装置で加工を行う場合は、振動補償モードを用いる。

はじめに、初期化モードでの動作を以下に説明する。
初期化モードは、追従誤差１０５に振動が重畳しやすい、あらかじめ決められた複数の条件でガルバノスキャナ３０を駆動し、発生する振動周波数１１７を発生振動周波数予測部２１５で予測し、また追従誤差１０５から振動振幅同定部２０７で振動振幅（ゲイン）１１４を同定し、振動抑制信号作成部２０８で作成された振動抑制信号１１１に起因する角度変化量１１８を角度変化量算出部２１６で算出し、ここで得られた振動周波数１１７と振動振幅（ゲイン）１１４と角度変化量１１８を対応付けて記憶部２０９に記憶することを目的としたモードである。 スイッチ２１１は接点ａに接続されており、トルク指令生成部２０２と角度指令倍率変更部２１０は切り離される。スイッチ２１２はＯＮに設定されており、追従誤差１０５が振動振幅同定部２０７に入力される。スイッチ２１３はＯＦＦに設定されており、振動抑制信号作成部２０８はトルク指令信号１０３側と切り離される。スイッチ２１４はＯＮに設定されており、振動抑制信号作成部２０８と角度変化量算出部２１６が接続される（ステップＳ２０）。

上位制御装置２０１より角度指令信号１０１が受け取られる（ステップＳ３０）。発生振動周波数予測部２１５で発生する振動周波数１１７が予測される（ステップＳ４０）。次に、トルク指令生成部２０２でトルク指令信号１０３が生成される（ステップＳ５０）。位置決め動作が実施される（ステップＳ６０）。振動振幅同定部２０７で追従誤差に重畳する振動振幅を求めるために必要な振動振幅（ゲイン）１１４が算出される（ステップＳ７０）。算出された振動振幅（ゲイン）１１４が、予測された振動周波数１１７と対応付けて記憶部２０９に記憶される（ステップＳ８０）。振動抑制信号作成部２０８で作成した振動抑制信号１１１に基づいて角度変化量１１８が角度変化量算出部２１６で算出され、記憶部２０９に記憶される（ステップＳ９０）。次の動作があるかどうかが判断される（ステップＳ１００）。ありの場合はＳ１０に戻り、なしの場合は終了（ＥＮＤ）となる。

次に、初期化モードが完了し、振動周波数１１７と振動振幅（ゲイン）１１４と角度変化量１１８を対応付けて記憶部２０９に記憶した状態での、振動補償モードの動作を以下に説明する。

スイッチ２１１は接点ｂに接続され、角度指令倍率変更部２１０がトルク指令生成部２０２の入力側に接続される。スイッチ２１２はＯＦＦに設定されて、その先の振動振幅同定部２０７が系から切り離される。スイッチ２１３はＯＮに設定されて、振動抑制信号作成部２０８がトルク指令信号１０３側に接続される。スイッチ２１４はＯＦＦにされて、その先の角度変化量算出部２１６は系から切り離される（ステップＳ１１０）。

上位制御装置２０１より角度指令信号１０１が受け取られる（ステップＳ１２０）。発生振動周波数予測部２１５で発生する振動周波数１１７が予測される（ステップＳ１３０）。予測された振動周波数１１７に対応する振動振幅（ゲイン）１１４が記憶部２０９から読み取られ、振動抑制信号作成部２０８では振動振幅（ゲイン）１１４に対し、角度指令信号１０１に基づく角度変化量に応じた倍率をかけた振動抑制信号１１１が作成される（ステップＳ１４０）。また、予測された振動周波数１１７に対応する角度変化量１１６が記憶部２０９から読み取られ、それを元に角度指令倍率変更部２１０で角度指令信号１０１の大きさが変更される（ステップＳ１５０）。次に、トルク指令生成部２０２でトルク指令信号１０３が生成される（ステップＳ１６０）。位置決め動作が実施される（ステップＳ１７０）。次の動作があるかどうかが判断される（ステップＳ１００）。ありの場合はＳ１０に戻り、なしの場合は終了（ＥＮＤ）となる。以上の工程により、振動抑制信号が加算され、位置決め時における振動が低減する。

次に、前述した個々の構成要素の機能の動きについて詳細に説明する。
先ず、発生振動周波数予測部２１５について説明する。発生振動周波数予測部２１５は、前回の角度指令信号１０１から今回の角度指令信号１０１が出されるまでの時間と前回と今回の移動方向とから、発生する振動周波数を予測する。

ここで、加工パターンに依存して発生する振動の周波数について説明する。
図４は加工パターンの一例を示し、Ｘ方向に位置決めするガルバノスキャナ（以下、ｘｃｈスキャナと呼ぶ）とＹ方向に位置決めするガルバノスキャナ（以下、ｙｃｈスキャナと呼ぶ）のトルク指令信号１０３を、図５、６にそれぞれ示す。ｘｃｈスキャナの場合、一方向の移動（以降、送り動作と呼ぶ）となり、トルク指令信号１０３は周期的になる。一方、ｙｃｈスキャナの場合、往復した動作（以降、往復動作と呼ぶ）となり、トルク指令信号１０３は二回の動作で一周期とみなせる。
以上から、前回と同じ方向への動作であれば、トルク指令信号１０３の基本周波数ｆ_ｆは次式で算出される。

（数１）
ｆ_ｆ＝ｎ／Ｔ_i（ｎ=1,2,3・・・）

一方、前回とは逆方向の動作であれば、トルク指令信号の基本周波数ｆ_ｂは次式で算出される。

（数２）
ｆ_ｂ＝((２ｎ−１)／２)×(ｎ／Ｔ_i)（ｎ=1,2,3・・・）

なお、Ｔ_ｉは前回の角度指令信号１０１から今回の角度指令信号１０１が出されるまでの時間を表す。上記トルク指令信号１０３の基本周波数がねじり一次振動モードの周波数と合致していても、通常はトルク指令信号生成時にねじり一次振動モードの成分を落として作成することが一般的なため、理想的には加工パターンに起因する振動はほとんど発生しないはずである。しかしながら、実際にはアンプ６０などの非線形要素の影響より、完全な制振は難しいため、加工パターンに起因する振動は無視できない。追従誤差１０５には、式１および式２で算出されるトルク指令信号１０３の基本周波数により、ガルバノスキャナが励振されて発生する振動成分が重畳すると考えられるため、発生振動周波数予測部２１５は前回の角度指令信号１０１から今回の角度指令信号１０１が出されるまでの時間と前回と今回の移動方向とから、発生する振動周波数を予測される振動周波数１１７として出力する。

次に、初期化モードでのみ使用される振動振幅同定部２０７について説明する。
振動振幅同定部２０７は、追従誤差１０５から振動振幅（ゲイン）１１４を同定する。時間波形より振動振幅（ゲイン）１１４を同定する手法としては、追従誤差１０５に対して最小二乗法を用いて同定することが考えられる。算出方法は、例えば特開２０１２−２１３７９０号に開示されている。

次に、振動抑制信号作成部２０８について説明する。
振動抑制信号作成部２０８では、発生振動周波数予測部２１５で予測された振動周波数１１７に対応する振動振幅（ゲイン）１１４を記憶部２０９から読み込み、角度指令信号１０１に基づく角度変化量に応じた倍率をかけて振動抑制信号１１１を生成する。振動抑制信号１１１は一周期の正弦波で、その周波数ｆは発生振動周波数予測部２１５で求めた振動周波数ｆ’に最も近い、下記の次式を満たす周波数とする。すなわち、振動抑制信号１１１は、周波数が制御周期の逆数の整数倍である正弦波である。なお、式中のＴ_ｓは、ガルバノスキャナ制御装置の制御周期を表す。

（数３）
ｆ＝１／(Ｔ_ｓ×ｎ)（ｎ=1,2,3・・・ｋ-2,ｋ-1,ｋ,ｋ+1,ｋ+2・・・）

上記の式を適用する理由としては、ガルバノスキャナ制御装置のようなディジタル信号を用いた制御装置では制御周期が決まっており、その周期以外では指令を出すことができない。そのため、この式を満たさない周波数を選択した場合、振動抑制信号１１１は単一周波数とならず、本来抑制したい振動以外の周波数を励起することになり、位置決め精度が劣化するためである。

次に、初期化モードでのみ使用する角度変化量算出部２１６について説明する。
振動抑制信号１１１は加速度の次元であるため、振動抑制信号１１１を加えることに起因する角度変化量は振動抑制信号を２階積分することにより算出することが可能である。角度変化量算出部２１６は積分器を直列に２つ持ち、振動抑制信号１１１から角度変化量１１８を算出する。なお、ねじり振動モードの影響も含めた角度変化量を算出したい場合は、２つの積分器をねじり振動モードを考慮したデジタルフィルタに置き換えればよい。

次に、記憶部２０９について説明する。
記憶部２０９には、初期化モードにおいてあらかじめ決められた複数の条件でガルバノスキャナを駆動して算出された、振動周波数１１７と振動振幅（ゲイン）１１４と角度変化量１１８を対応付けて記憶する。ｋを自然数とした一例を、下表に示す。
なお、追従誤差に重畳する振動はねじり一次振動モード周波数ｆ１と振動周波数が合致した場合に最大となることが知られている。そのため、初期化モードでの動作条件は振動周波数が数式３を満たすねじり一次振動モード周波数ｆ１とその近辺の複数の周波数となるようｋを選択するとよい。

また、本例では５つの周波数での振動振幅を表記したが、表を拡張することでより振動抑制精度を高められる。

以上のように作成された振動抑制信号１１１とトルク指令信号１０３を図７に示す。

次に、補償モードでのみ用いる角度指令倍率変更部２１０について説明する。
トルク指令信号１０３に振動抑制信号１１１を加えて動作させると、追従誤差１０５に生じる振動は抑制される一方で、一定の角度変化が生じる。図８に、図７のトルク指令信号１０３に起因する角度変化量と振動抑制信号１１１に起因する角度変化量を示す。

図から判るように、目標角度ｂに対して振動抑制信号１１１に起因する角度変化量ａだけずれることになる。そのため、角度指令倍率変更部２１０では、上位制御装置２０１より受け取った角度指令信号１０１に対し、この角度指令信号１０１と記憶部２０９から読み出した角度変化量１１６とから算出される角度指令倍率をかけ、新たな角度指令信号１０１を作成する。そのときの角度指令倍率αは、振動抑制信号１１１に起因する角度変化量ａと角度指令（目標角度）ｂを用いて、次式の通り求められる。

（数４）
α＝ｂ／(ｂ−ａ)

図９は、本実施例において、反対方向への動作が続いた場合の追従誤差の模式図であり、従来手法の例を図１０に示す。図のように、従来手法では動作が進むにつれてねじり一次振動モード周波数で振動が増大していくことが判る。一方、本実施例では振動抑制信号が加わる二回目以降で、従来増大する傾向にあった振動が低減しており、良好な位置決め精度を持っていることが判る。

２０ ：ガルバノスキャナ制御装置
２０２：トルク指令生成部
２０３：デジタルフィルタ
２０４：補償要素
２０５：Ｄ／Ａ変換機
２０６：パルスカウンタ
２０７：振動振幅同定部
２０８：振幅抑制信号作成部
２０９：記憶部
２１０：角度指令倍率変更部
２１１〜２１４：スイッチ
２１５：発生振動周波数予測部
２１６：角度変化量算出部

Claims (3)

1. 上位装置から与えられる角度指令信号がトルク指令信号生成部に与えられて、前記角度指令信号に基づく角度変化量に応じた倍率のトルク指令信号に変換され、当該トルク指令信号に基づき制御周期毎の目標角度信号が作成され、回転体の現在の角度がフィードバックされて追従誤差が作成される回転体の制御装置において、
   前回の角度指令信号から今回の角度指令信号が出されるまでの時間及び前回と今回の移動方向とから、発生する振動周波数を予測する発生振動周波数予測部と、
   前記追従誤差に基づいて振動振幅（ゲイン）を同定する振動振幅同定部と、
   前記トルク指令信号に加算するための振動抑制信号を作成する振動抑制信号作成部と、
   前記トルク指令信号に前記振動抑制信号が加えられた場合に過不足となる角度変化量を算出する角度変化量算出部と、
   前記角度指令信号の倍率を変更する角度指令倍率変更部と
   前記発生振動周波数予測部で予測された振動周波数と前記振動振幅同定部で同定された振動振幅（ゲイン）と前記角度変化量算出部で算出された角度変化量とが対応づけて記憶されている記憶部と、
   を有し、
   前記振動抑制信号作成部は、予測される振動の周波数に対応する振動振幅（ゲイン）を前記記憶部から読取って前記振動抑制信号を作成し、
   前記角度指令倍率変更部は、予測される振動の周波数に対応する角度変化量を前記記憶部から読取って前記角度指令信号の倍率を変更する
   ことを特徴とする回転体の制御装置。
2. 請求項１に記載の回転体の制御装置において、前記振動抑制信号作成部により作成される振動抑制信号は、周波数が制御周期の逆数の整数倍である正弦波であることを特徴とする回転体の制御装置。
3. 請求項１又は２のいずれかの回転体の制御装置をガルバノミラーの駆動制御に使用したことを特徴とするレーザ加工装置。
   

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