JP3867327B2 - レーザ加工装置及び合成移動速度算出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、紙などのシート材をレーザ光により加工するレーザ加工装置及び、相対的又は絶対的に複数次元で移動する物体の移動方向に沿った合成移動速度を算出する合成移動速度算出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザ光は細いビームで被加工物に照射することにより、高精度で所望のパターンを加工できる。例えば、用紙加工では、カット、ハーフ・カット及びミシン目を任意のパターンで高速に形成できるという利点がある。レーザ発振器は、通常、炭酸ガス・レーザであり、それをパルス発振させる。
【0003】
レーザ出力を一定にしたままでは、レーザ光を被加工用紙に照射するレーザ加工ヘッドと被加工用紙との相対的な速度により、加工品質に違いが生じる。レーザ出力は、励起パルスの周波数、パルス幅及びデューティ比などにより調整できるので、従来のレーザ加工装置、例えば、用紙を縦方向(用紙移動方向)に沿って加工する従来のレーザ加工装置では、被加工用紙の移動速度に応じてレーザ出力値を適応的に制御するようになっている(例えば、平成4年特許出願公開第12834号公報)。
【0004】
また、レーザ・ビームを一方向に移動させ、用紙をそれと直交する方向に移動させることで、用紙を任意のパターンにレーザ加工するレーザ加工装置が、昭和63年特許出願公開第177993号公報に記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このように、レーザ・ビーム(又は、レーザ光を被加工用紙に照射するレーザ加工ヘッド)と被加工用紙が相対的に二次元的に移動するレーザ加工でも、2次元の合成移動速度に応じて適応的にレーザ出力を制御するのが好ましい。そのためには、レーザ加工ヘッドと被加工用紙との間の相対的な合成速度を算出し、算出された合成移動速度に応じてレーザ出力を制御する必要がある。
【0006】
合成速度を算出するのに、従来は、マイクロコンピュータ上のソフトウエアを使用していた。マイクロコンピュータ上のソフトウエアでは、時間がかかるだけでなく、比較的大掛かりな装置になっていた。
【0007】
本発明は、被加工物に対してレーザ加工ヘッドが相対的な二次元移動する場合に、レーザ出力を合成移動速度に対して適応的に制御するレーザ加工装置を提示することを目的とする。
【0008】
本発明はまた、加工パターン・データの設定が容易なレーザ加工装置を提示することを目的とする。
【0009】
本発明はまた、相対的又は絶対的に複数次元で移動する物体の合成移動速度をより簡単な構成でより高速に算出できる合成移動速度算出装置を提示することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ加工装置は、被加工物にレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドと当該被加工物が相対的に複数の移動軸について二次元的に移動して当該被加工物をレーザ加工するレーザ加工装置であって、当該複数の移動軸のそれぞれについて軸移動速度を、小さい軸移動速度では小さい速度刻みで、大きな軸移動速度に対しては大きな速度刻みで検出する複数の軸移動速度検出手段と、当該複数の軸速度検出手段の出力から移動方向の合成移動速度を算出する合成移動速度算出手段であって、当該複数の移動軸に沿った各軸移動速度の組み合わせに対する合成移動速度のデータを記憶するメモリ装置を有する合成移動速度算出手段と、当該合成移動速度算出手段により算出される当該合成移動速度に従い、当該被加工物に照射するレーザ光のパワーを調整するパワー制御手段とを具備することを特徴とする。これにより、二次元的な移動でその移動速度が一定でなくても、一定品質でレーザ加工を行なえる。
【0011】
本発明に係るレーザ加工装置は、被加工物にレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドと当該被加工物が相対的に複数の移動軸について二次元的に移動して当該被加工物をレーザ加工するレーザ加工装置であって、当該複数の移動軸のそれぞれについて軸移動速度を、小さい軸移動速度では小さい速度刻みで、大きな軸移動速度に対しては大きな速度刻みで検出する複数の軸移動速度検出手段と、当該複数の軸速度検出手段の出力から移動方向の合成移動速度を算出する合成移動速度算出手段であって、当該複数の移動軸に沿った各軸移動速度の組み合わせに対する合成移動速度のデータを記憶するメモリ装置を有する合成移動速度算出手段と、当該合成移動速度算出手段の出力を積分し、移動距離を算出する移動距離算出手段と、当該移動距離算出手段により算出された移動距離と加工線に沿った加工パターン・データに従い、当該被加工物に対するレーザ光の照射を制御するレーザ照射制御手段とを具備することを特徴とする。これにより、加工パターン・データが、加工線に沿ったデータでよくなり、かつまた、被加工物に対するレーザ光の照射の制御が容易且つ高速になる。
【0016】
本発明に係る合成移動速度算出装置は、相対的又は絶対的に複数次元で移動する物体の移動方向に沿った合成移動速度を算出する合成移動速度算出装置であって、当該複数の移動軸のそれぞれについて軸移動速度を、小さい軸移動速度では小さい速度刻みで、大きな軸移動速度に対しては大きな速度刻みで検出する複数の軸移動速度検出手段と、当該複数の移動軸に沿った各軸移動速度の組み合わせに対する合成移動速度のデータ表を記憶するメモリ装置と、当該複数の軸移動速度検出手段により検出された複数の軸移動速度を当該メモリ装置の当該データ表に照合するデータ読み出し手段とを具備することを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0018】
図1は、本発明の一実施例の斜視図、図2は、本実施例の概略構成ブロック図を示す。
【0019】
図1を先ず、説明する。本実施例では、レーザ加工される用紙10は、プルロール方式によりガイド・ローラ12,14の間でピンと張った状態に保たれる。用紙10は、レーザ加工時には、静止する。ガイド・ローラ12,14の間の用紙10の上空に直交する2方向の可動フレーム16,18が図示しないガイド・レールにより支持されている。可動フレーム16の一端に取り付けられたモータ20が、可動フレーム18をX軸方向に移動させ、可動フレーム18の端部に取り付けられたモータ22が、レーザ加工ヘッド24をY軸方向に移動させる。即ち、レーザ加工ヘッド24は、XYプロッタ方式で、用紙10の上を二次元的に移動可能である。
【0020】
可動フレーム16の他端には、45度傾けた反射ミラー26が固定されており、レーザ発振器28のレーザ出力光が、反射ミラー30及び反射ミラー26により反射されてレーザ加工ヘッド24の頭部に入射し、ここで垂直下方向に反射され用紙10に向けて照射されるようになっている。
【0021】
モータ20,22には、その回転角(即ち、レーザ加工ヘッドの移動距離)を検出するロータリ・エンコーダ32,34がそれぞれ一体化されている。
【0022】
図2を説明する。図1と同じ構成要素には、同じ符号を付してある。システム制御回路(CPU)40は、全体を制御する回路であり、入力された加工データをメモリ42に記憶する。加工データは、加工開始座標(X1,Y1)、加工終了座標(X2,Y2)並びにその間の加工曲線データ及び加工パターン・データからなる。加工パターン・データは、例えば、ミシン目のタイ長とカット長であり、本実施例では、加工線に沿った長さデータでよい。
【0023】
システム制御回路40は、それぞれモータ駆動回路44,46を介してX軸モータ20及びY軸モータ22を駆動し、レーザ加工ヘッド24を移動可能な範囲内の任意の位置に移動させることができる。
【0024】
X軸カウンタ48及びY軸カウンタ50はどちらも、アップカウントとダウンカウントを外部制御できるアップダウン・カウンタからなり、システム制御回路40からの移動方向信号40a,40bによりX軸ロータリ・エンコーダ32及びY軸ロータリ・エンコーダ34の出力パルスをアップカウント又はダウンカウントする。ロータリ・エンコーダ32,34は、所定回転角度当たり1つのパルスを出力する回転検出素子であり、その出力パルスを計数することで、回転量、即ち、レーザ加工ヘッド24の移動量を検出できる。従って、X軸カウンタ48及びY軸カウンタ50の出力はそれぞれ、レーザ加工ヘッド24のX軸方向の絶対位置x及びY軸方向の絶対位置yを示す。
【0025】
システム制御回路40は、X軸カウンタ48及びY軸カウンタ50の出力x,yとメモリ42に記憶される加工データとを照合して、指定の加工線に沿って移動するように、X軸モータ20及びY軸モータ22を制御する。このような制御方式自体は周知である。システム制御回路40は、X軸の移動方向を示す移動方向信号40aをX軸カウンタ48のアップ/ダウン制御端子に印加し、Y軸の移動方向を示す移動方向信号40bをY軸カウンタ50のアップ/ダウン制御端子に印加する。
【0026】
差分算出回路52,54は、システム制御回路40からのクロック40cに従い、そのクロック40cの1周期内でのX軸カウンタ48及びY軸カウンタ50の計数値の差分の絶対値Δx,Δyを算出する。即ち、差分算出回路52は、所定単位時間内の、X軸方向の移動距離Δxを算出し、差分算出回路52は、同じ所定単位時間内の、Y軸方向の移動距離Δyを算出する。従って、差分算出回路50,52の出力Δx,Δyは、それぞれ、X軸方向及びY軸方向の移動速度をも示している。
【0027】
差分算出回路52,54の一例を図3に示す。ラッチ回路80はシステム制御回路40からのクロック40cの立ち下がりに応じて、カウンタ48,50の出力値をラッチする。減算器82はカウンタ48,50の出力値からラッチ回路80の出力を減算し、絶対値回路84は減算器82の出力を絶対値化する。ラッチ回路86は、システム制御回路40からのクロック40cの立ち上がりに応じて、絶対値回路86の出力をラッチする。これにより、差分算出回路52,54は、システム制御回路40からのクロック40cの1周期を単位時間とするX軸方向の移動距離Δx及びY軸方向の移動距離Δyを逐次的に算出できる。
【0028】
ルックアップ・テーブル56は、クロック40cにより規定される単位時間の移動距離Δx,Δyの組み合わせに対する合成移動速度vcの表データを記憶するメモリ装置からなり、x入力にその差分算出回路52の出力が入力すると共に、y入力に差分算出回路54の出力が入力し、x入力とy入力で特定されるアドレスに記憶されるデータを出力する。即ち、ルックアップ・テーブル56は、クロック40cに応じて差分算出回路52,54の出力Δx,Δyを取り込み、Δx,Δyの値に応じた合成移動速度vcを出力する。合成移動速度vcは、周知の通り、下記式で算出される。
【0029】
【数1】
【0030】
本実施例では、ルックアップ・テーブル方式で合成移動速度を算出するので、テーブル56を構成するメモリ素子のアドレス取り込みとデータ出力に要する時間で合成移動速度を出力でき、ディジタル演算又はソフトウエア演算に比べ、高速であるだけでなく、構成も簡潔に出来る。
【0031】
積分回路58は、テーブル56から出力される合成移動速度vcを積算し、移動距離Lを算出する。但し、システム制御回路40は、加工線のスタート時に、積分回路58にクリア信号40dを供給し、積分回路58の移動距離Lをクリアする。これにより、積分回路58は、加工線単位で移動距離を算出する。例えば、ミシン目加工では、タイ長及びカット長として加工パターンが決定される。その場合、指定されるタイ長又はカット長をX軸方向及びY軸方向の範囲に換算して、レーザ出力のオン/オフを制御してもよいが、そうすると、換算に時間がかかるだけでなく、レーザ加工ヘッド24が加工を行なう位置にあるかどうかを2次元で逐次モニタしなければならず、システム制御回路又はCPUの負担が大きい。また、本実施例のようにすることで、簡単な構成で且つ短時間でレーザ出力のオン/オフを制御できる。
【0032】
レーザ制御装置60は、レーザ発振器28の出力電力を制御するパワー制御回路62と、レーザ発振器28のレーザ出力のオン/オフを制御するオン/オフ制御回路64と、パワー制御回路62から出力されるレーザ励起電流パルスをオン/オフ制御回路64の出力の制御下で通過/遮蔽するゲート回路66とを具備する。
【0033】
レーザ加工ヘッド24の移動速度に関わらず、加工品質を維持するには、レーザ加工ヘッド24の移動速度が高速になるほどレーザ発振器28の出力パワーを上げる必要がある。また、レーザ発振器28をパルス発振させ、レーザ・パルスによるスポットを連続させることで連続加工する場合には、レーザ加工ヘッド24の移動速度が高速になるほど、パルス発振間隔を狭くする必要がある。レーザ・パルスによるスポットがつながらなくなり、加工端面がスムーズに連続しなくなることがあるからである。この点は、用紙送り方向の加工に関して、同一出願人に係る平成7年特許出願第194609号に詳細に説明されている。そこで、パワー制御回路62は、テーブル56から出力される合成移動速度vcに応じて、レーザ発振器28に印加すべき励起電流パルスのパルス幅とその周波数を制御する。具体的には、合成移動速度vcが速くなるほど、励起電流パルスのパルス幅を広くすると共に繰り返し周波数を高くし、レーザ・ビームによるスポットが連続しつつ、被加工物に照射されるレーザ・パワーが被加工物に適切な値になるようにする。どの程度のレーザ出力が適切かは、予め調査し、パワー制御回路62に設定しておく。
【0034】
システム制御回路40は、加工線の加工開始直前にその加工線の、加工線に沿った加工パターン・データをオン/オフ制御回路64にセットする。オン/オフ制御回路64は、積分回路58から出力される移動距離Lと、システム制御回路40からの加工パターン・データとを照合し、ゲート回路66の開閉を制御する。例えば、ミシン目では、オン/オフ制御回路64は、タイ長部分ではゲート回路66を閉じ、カット長部分ではゲート回路66を開ける。
【0035】
このようにして、パワー制御回路62によりパルス幅及び繰り返し周波数を制御された励起電流パルスが、ゲート回路66の開いている間、レーザ発振器28に印加される。レーザ発振器28は、印加される励起電流パルスに応じてパルス・レーザ発振し、レーザ・パルスを出力する。
【0036】
なお、レーザ発振器によっては、パルス駆動で、レーザ発振しない期間にも、極く短いパルス幅の励起電流パルスを印加しておく必要があるものがある。そのようなレーザ発振器に対しては、オン/オフ制御回路64の出力をパワー制御回路62に印加し、レーザ出力を禁止すべき期間については、パワー制御回路62の出力する励起電流パルスをその極く短いパルス幅に強制するようにして、ゲート回路66を除去すればよい。
【0037】
単位時間の移動距離Δx,Δyを線形にとると、過剰な精度になり、ルックアップ・テーブル56も巨大なものになってしまうことがある。例えば1〜1,000mm/sの速度範囲で測定誤差を2%に抑えるには、速度ステップを0.02mm/sとする必要がある。しかし、この速度ステップは、1,000mm/sに対しては0.002%となり、過剰な精度となる。一方の軸の1,000mm/sに対して2%の誤差とすると、データ量が約50,000になり、2軸では50,000×50,000個になってしまう。
【0038】
そこで、広い速度範囲内で所望の精度しつつ速度算出テーブルのデータ量を大幅に削減することが望まれる。図4は、そのような課題を解決する本発明の第2実施例の概略構成ブロック図を示す。図2と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【0039】
図4に示す実施例では、量子化回路70,72が差分算出回路52,54の出力Δx,Δyを、所望の精度になるように非線形で量子化する。例えば、Δx,Δyの大きさに応じて複数の区画に区分し、必要な範囲で所望の精度以上となるように、Δx,Δyが大きくなるほどステップを粗くする。量子化回路70,72の出力が、ルックアップ・テーブル74のそれぞれx入力及びy入力にそれぞれ印加される。
【0040】
例えば、速度換算(単位は、mm/s)で、
0.20未満:0.002刻み
0.20以上、0.40未満:0.004刻み
0.40以上、1.00未満:0.008刻み
1.00以上、2.00未満:0.020刻み
2.00以上、4.00未満:0.040刻み
4.00以上、10.0未満:0.080刻み
10.0以上、20.0未満:0.2刻み
20.0以上、40.0未満:0.4刻み
40.0以上、100.0未満:0.8刻み
100以上、200未満:2刻み
200以上、400未満:4刻み
400以上:8刻み
とする。刻みに丁度合致する移動速度でない場合には、直近の移動速度と近似する。例えば、0.123mm/sに相当する移動距離に対しては、0.122mm/s又は0.124mm/s相当とする。
【0041】
好ましくは、量子化回路70,72は、刻みに合致する移動距離を示すコード信号を出力する。これにより、移動距離をルックアップ・テーブル74のアドレスに変換する手間が省ける。
【0042】
量子化回路70,72により、広い速度範囲に渡り一定以上の精度を確保でき、特定の速度で過剰に精度がよくなったり悪くなると言うことが無くなる。更には、所望の速度範囲でルックアップ・テーブル74のx入力及びy入力のデータ数が削減されるので、ルックアップ・テーブル74に格納すべきデータ数も大幅に削減できる。
【0043】
これ以外の動作は、図2に示す実施例と全く同じであるので、説明を省略する。
【0044】
【発明の効果】
以上の説明から容易に理解できるように、本発明によれば、被加工物に対してレーザ加工ヘッドが相対的な二次元移動する場合の合成移動速度に対してレーザ出力を適応的に制御できる。これにより、加工線に沿った加工データにより加工パターンを指定できるようになるだけでなく、より簡略化した構成で、より高速にレーザ出力を制御できる。
【0045】
また、2次元的に移動する物体の合成移動速度をより簡単な構成でより高速に算出できる。所望の範囲で一定以上の精度を確保しつつ、構成を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例の機構部分の斜視図である。
【図2】 本実施例の概略構成ブロック図である。
【図3】 差分算出回路52,54の回路例である。
【図4】 本発明の変更実施例の概略構成ブロック図である。
【符号の説明】
10:加工対象の用紙
12,14:ガイド・ローラ
16,18:可動フレーム
20:X軸モータ
22:Y軸モータ
24:レーザ加工ヘッド
26:反射ミラー
28:レーザ発振器
30:反射ミラー
32,34:ロータリ・エンコーダ
40:システム制御回路(CPU)
40a,40b:移動方向信号
40c:クロック
40d:クリア信号
42:メモリ
44,46:モータ駆動回路
48:X軸カウンタ
50:Y軸カウンタ
52,54:差分算出回路
56:ルックアップ・テーブル
58:積分回路
60:レーザ制御装置
62:パワー制御回路
64:オン/オフ制御回路
66:ゲート回路
70,72:量子化回路
74:ルックアップ・テーブル
80:ラッチ回路
82:減算器
84:絶対値回路
86:ラッチ回路
Claims (5)
- 被加工物にレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドと当該被加工物が相対的に複数の移動軸について二次元的に移動して当該被加工物をレーザ加工するレーザ加工装置であって、
当該複数の移動軸のそれぞれについて軸移動速度を、小さい軸移動速度では小さい速度刻みで、大きな軸移動速度に対しては大きな速度刻みで検出する複数の軸移動速度検出手段と、
当該複数の軸速度検出手段の出力から移動方向の合成移動速度を算出する合成移動速度算出手段であって、当該複数の移動軸に沿った各軸移動速度の組み合わせに対する合成移動速度のデータを記憶するメモリ装置を有する合成移動速度算出手段と、
当該合成移動速度算出手段により算出される当該合成移動速度に従い、当該被加工物に照射するレーザ光のパワーを調整するパワー制御手段
とを具備することを特徴とするレーザ加工装置。 - 当該被加工物に照射すべきレーザ光がパルス光であり、
当該パワー制御手段は、当該合成移動速度に応じて、当該合成移動速度が速いほど、当該パルス光のパルス幅を広くすると共に当該パルス光の繰り返し周波数を高くする
請求項1に記載のレーザ加工装置。 - 更に、
当該合成移動速度算出手段の出力を積分し、移動距離を算出する移動距離算出手段と、
当該移動距離算出手段により算出された移動距離と加工線に沿った加工パターン・データに従い、当該被加工物に対するレーザ光の照射を制御するレーザ照射制御手段
とを具備する請求項1又は2に記載のレーザ加工装置。 - 被加工物にレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドと当該被加工物が相対的に複数の移動軸について二次元的に移動して当該被加工物をレーザ加工するレーザ加工装置であって、
当該複数の移動軸のそれぞれについて軸移動速度を、小さい軸移動速度では小さい速度刻みで、大きな軸移動速度に対しては大きな速度刻みで検出する複数の軸移動速度検出手段と、
当該複数の軸速度検出手段の出力から移動方向の合成移動速度を算出する合成移動速度算出手段であって、当該複数の移動軸に沿った各軸移動速度の組み合わせに対する合成移動速度のデータを記憶するメモリ装置を有する合成移動速度算出手段と、
当該合成移動速度算出手段の出力を積分し、移動距離を算出する移動距離算出手段と、
当該移動距離算出手段により算出された移動距離と加工線に沿った加工パターン・データに従い、当該被加工物に対するレーザ光の照射を制御するレーザ照射制御手段
とを具備することを特徴とするレーザ加工装置。 - 相対的又は絶対的に複数次元で移動する物体の移動方向に沿った合成移動速度を算出する合成移動速度算出装置であって、
当該複数の移動軸のそれぞれについて軸移動速度を、小さい軸移動速度では小さい速度刻みで、大きな軸移動速度に対しては大きな速度刻みで検出する複数の軸移動速度検出手段と、
当該複数の移動軸に沿った各軸移動速度の組み合わせに対する合成移動速度のデータ表を記憶するメモリ装置と、
当該複数の軸移動速度検出手段により検出された複数の軸移動速度を当該メモリ装置の当該データ表に照合するデータ読み出し手段
とを具備することを特徴とする合成移動速度算出装置。
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