JP5020117B2 - ガルバノスキャナ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、動作指令値を出力してガルバノスキャナを回転動作させるとともに、検出した角度検出値によりガルバノスキャナをフィードバック制御するガルバノスキャナの制御装置に関するものである。

ガルバノスキャナはレーザ加工機に搭載され、高速高精度なレーザ加工に用いられる。例えば、従来、プリント基板に高精度な穴あけ加工を行うレーザ加工機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このようなガルバノスキャナは、ミラーあるいは角度センサのディスクに起因するねじり方向の振動モードが発生するので、これを制御する制御装置は、ノッチフィルタのような振動周波数成分を減衰させるフィルタを用いて振動しないように制御している。しかしながら、長期間ガルバノスキャナを駆動していると、接着剤の経時変化等により機械剛性が変化する。その結果、機械振動周波数も変化するので、所定のタイミングでガルバノスキャナの振動周波数を計測し、ノッチフィルタの周波数設定値を補正するようにしている。

特開２００６−２７６１２８号公報

上記のようなガルバノスキャナにおいて、ミラーは通常、ミラーマウントに接着材で固定されている。また、エンコーダのような回転角度センサのディスクも接着剤を用いてシャフトに固定されることが多い。そのため、高加速度で加速減速を繰り返す動作を行うと、経時変化により接着部分の接着強度が時間とともに変化し、その結果、振動周波数が変化する。このため、従来のガルバノスキャナ制御装置にあっては、上記のように所定のタイミングで機械振動周波数を計測してノッチフィルタの設定値を補正する補正手段をもっていた。

従来のガルバノスキャナ制御装置にあっては上述のように設定値を修正する手段を持つ。しかしながら、従来のガルバノスキャナ制御装置は、機械特性（機械剛性や摩擦、ガタ等）が経時変化しても機械状態が正常であるか異常であるかを診断する手段を持っていない。その結果、例えば、ミラーやエンコーダのディスクの接着に用いられている接着剤の経時変化によって機械剛性が大きく低下したり、ベアリングの摩耗で摩擦が大きくなった場合でも駆動しつづけてしまい、位置決め精度が低下したり、エンコーダディスクやミラーの接着はがれ等の破損が発生したりする。また、このような機械特性が変化したガルバノスキャナを使ったレーザ加工機は、ビームの位置決め精度が低下し、加工不良を発生する。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ガルバノスキャナの機械状態を診断し、精度不良が発生する前に事前に注意信号を発生して、ガルバノスキャナの交換を適切な時期に行える機械状態診断機能を持ったガルバノスキャナ制御装置を得ることを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のガルバノスキャナ制御装置は、動作指令値を出力してガルバノスキャナを回転動作させるとともに、検出した角度検出値によりフィードバック制御するガルバノスキャナの制御装置において、ガルバノスキャナの周波数特性（周波数伝達関数と同意）を計測する為の加振信号を発生する加振信号発生部と、動作指令値に換えて加振信号をガルバノスキャナに出力する切換部と、加振信号によりガルバノスキャナを動作させた際の周波数特性を算出する周波数特性計算部と、ガルバノスキャナの周波数特性の特徴とガルバノスキャナの機械状態が記載された機械状態診断データと、周波数特性計算部の算出した周波数特性と機械状態診断データに基づいて、ガルバノスキャナが正常な状態か異常な状態かを診断する機械状態診断部と、機械状態診断部の診断結果を出力する表示部とを備えたことを特徴とする。

この発明のガルバノスキャナ制御装置によれば、周波数特性を計測することにより、ガルバノスキャナの機械状態を診断し、精度不良が発生する前に事前に注意信号を発生して、ガルバノスキャナの交換時期を知らせるので、ガルバノスキャナの交換を適切な時期に行えるとともに、機械特性が低下したガルバノスキャナを使ったレーザ加工機により加工不良が発生することがない、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるガルバノスキャナ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
ガルバノスキャナはミラーやエンコーダの接着材等の経時変化により、機械振動周波数が変化するので、機械振動を抑制するノッチフィルタの設定周波数を適宜、振動周波数を計測しながら修正する機能を持つ。しかしながら、従来、機械状態が正常であるか異常であるかを診断する機能がなかったので、機械剛性がかなり低くなったり、機械の摩擦が大きくなったりしても駆動しつづける。その結果、ガルバノスキャナは精度が低下し、また、このようなガルバノスキャナを搭載したレーザ加工機は精度低下による加工不良を出してしまうことがあった。本実施の形態のガルバノスキャナ制御装置においては、ガルバノスキャナの周波数特性計測部と機械状態診断部を持つので、ガルバノスキャナの機械特性が劣化しても、精度不良が発生する前に注意信号を発生して、ガルバノスキャナの交換を適切に行うことができる。

図１は本発明にかかるガルバノスキャナ制御装置が制御するガルバノスキャナの要部構成を示す斜視図である。図１においては、回動可能に支持されてレーザビームを反射するミラー１０２を備え、これによりレーザビームの位置決めをするガルバノスキャナ１０１の例を示す。ミラー１０２は、ミラーマウント１０３を介してシャフト１０４に固定されている。また、ミラー１０２とミラーマウント１０３は、接着剤によって接着されている。シャフト１０４は、２つの軸受け１０５，１０５によって図示しない筐体に回転自在に支持されている。２つの軸受け１０５，１０５間において、可動コイル１０６がシャフト１０４に固定されている。さらに可動コイル１０６を挟んで、極性の異なる１対の永久磁石１０７が対向して配置されている。そして、可動コイル１０６は永久磁石１０７の発生する磁界中に設置されており、可動コイル１０６と永久磁石１０７とによりシャフト１０４が回転するように構成されている。可動コイル１０６はシャフト１０４に矩形状に巻装されているが、その詳細は省略している。

シャフト１０４の回転角を計測するロータリエンコーダ（以下、エンコーダ）は、エンコーダディスク１１０とエンコーダヘッド１１１で構成されている。そして、ミラーマウント１０３と片方の軸受け１０５との間において、所定間隔で放射状に設けられた多数の放射状パターンを有するディスク１１０がマウント１１０Ｍによりシャフト１０４に固定されている。ディスク１１０はマウント１１０Ｍに接着剤により接着されている。エンコーダヘッド１１１は図示しない筐体に固定され、シャフト１０４が回転することで、ディスク１１０が回転し、エンコーダヘッド１１１とディスク１１０の放射状パターンとの相対位置が変化する。エンコーダヘッドは、この放射状パターンに光を照射するとともに、放射状パターンからの反射光を受光することで、この放射状パターンとの相対変位を計測し、シャフトの角度情報を正弦波、あるいはパルス信号に変換して出力する。一方、コイル１０６にはリード線１１２を介して回転に必要な電流を入力すると、可動コイル１０６から磁力が発生し、永久磁石１０７との間で、トルクが発生し、シャフト１０４ひいてはミラー１０２が回転されるように働く。ミラー１０２とミラーマウント１０３は、ミラー部４１を構成している。エンコーダディスク１１０とエンコーダヘッド１１１は、エンコーダ部４２を構成している。可動コイル１０６と永久磁石１０７とシャフト１０４は、モータ部４３を構成している。

図２は本発明にかかる実施の形態１のガルバノスキャナ制御装置２０Ａの機能構成ブロック図である。図２において、一点鎖線で囲まれた部分は、マイクロプロセッサで実行するデジタル制御処理部１Ａを示し、プログラムで記述されており、一定のサンプリング時間間隔で処理動作が行われる。このデジタル制御処理部１Ａの出力は電流指令としてデジタル値で出力され、Ｄ／Ａ変換器２でアナログ信号に変換される。電流アンプ３はＤ／Ａ変換器２のアナログ電圧に対応した電流をガルバノスキャナ１０１に供給する。

ガルバノスキャナ１０１は、電流アンプ３が供給する電流に応じてトルクを発生してミラー部４１を回転させる。エンコーダ部４２で検出したガルバノスキャナ１０１の角度信号はパルス信号や正弦波信号にて出力される。エンコーダ信号処理回路５はスキャナ１０１の角度信号をデジタル値に変換してデジタル制御処理部１Ａへ出力する。図中波線で示されるガルバノスキャナ制御装置２０Ａは、デジタル制御処理部１Ａと、Ｄ／Ａ変換器２と、電流アンプ３と、エンコーダ信号処理回路５とから構成される。

次に、デジタル制御処理部１Ａの構成と動作を説明をする。位置指令生成部６は、あらかじめ記載されている目標位置プログラムから、順次目標角度を読み出し、ガルバノスキャナ１０１が高速にしかもスムーズに目標角度に位置決めできるように加速減速処理を行いながら制御サンプリング周期毎に角度指令を計算し出力する。位置制御部７は、位置指令生成部６から出力される角度指令と、エンコーダ信号処理回路５から入力されるガルバノスキャナ１０１の角度検出値の角度誤差が０になるように位置制御演算を行い、速度制御部８に速度指令を出力する。位置制御演算は例えば比例積分計算により行う。速度制御部８は、位置制御部７から出力される速度指令と、エンコーダ信号処理回路５から入力される角度検出値の微分値を計算して角速度検出値を求め、角速度指令と角速度検出値の差が０となるように速度制御演算を行い、電流指令値を出力する。速度制御演算は例えば比例積分演算により行う。

振動抑制フィルタ９は、ガルバノスキャナ１０１の機械共振が起こる周波数成分を減衰させるフィルタであり、例えば、式１に示すような伝達関数を持つノッチフィルタを使用する。式１は２つの機械共振を減衰させるノッチフィルタの１例であり、式１において、ω１は第１のノッチ周波数、ζ１は第１のノッチ周波数のノッチ幅と深さを決めるダンピング定数、ω２は第２のノッチ周波数、ζ２は第２のノッチ周波数のノッチ幅と深さを決めるダンピング定数である。なお、ｓはラプラス演算子である。

前記速度制御部８から出力される電流指令は、振動抑制フィルタ９により振動成分が減衰され、スイッチ１０に出力される。スイッチ１０はスイッチ制御部１１により制御される。通常のミラー位置決め制御を行う場合は、スイッチ制御部１１はスイッチ１０を接点Ｂ側に接続し、振動抑制フィルタ９から出力される電流指令をＤ／Ａ変換器２に出力する。

ガルバノスキャナ１０１の周波数特性を計測する場合は、スイッチ制御部１１はスイッチ１０を接点Ａ側に切り替える。なお、スイッチ１０の切り替え時にはサーボ制御ループが動作しないように速度制御部８及び位置制御部７の出力を０にしてから行う。加振信号発生部１２は、ガルバノスキャナ１０１の周波数特性を計測するための加振信号を出力する。加振信号としては、ガルバノスキャナ１０１の振動周波数成分を持ったスィープサイン信号、マルチサイン信号、ランダム信号、Ｍ系列信号、及びインパルス信号等が出力される。加振信号発生部１２から出力される加振信号は、電流指令としてＤ／Ａ変換器２へ出力され、電流アンプ３で増幅されてガルバノスキャナ１０１を駆動し、エンコーダ信号処理回路５から角度検出値が出力される。周波数特性計算部１３は、加振時の前記電流指令と角度検出値の時系列データを入力し、前記電流指令から前記角度検出値までの周波数特性を計算する。他に、加振時の前記電流指令から前記角度検出値の微分値（角速度検出値）までの周波数特性を計算する場合や、加振時の前記電流指令から前記角度検出値の２階微分値（角加速度検出値）までの周波数特性を計算する場合もある。周波数特性は前記時系列データとシステム同定手法を用いて算出する。

図３に周波数特性計算部１３で求められるガルバノスキャナ１０１の電流指令から角速度検出値までの周波数特性の１例を示す。図３の周波数特性は、２つの共振と１つの反共振を持つ。なお、複数の共振、反共振を区別するため、周波数の低いものから順次、第１共振、第２共振、第１反共振と名付ける。図３のＦｋ１は第１共振周波数、Ｆｋ２は第２共振周波数、Ｆｈ１は第１反共振周波数、Ｇｋ１、Ｇｋ２、Ｇｈ１はそれぞれの共振、反共振に対するピークゲインである。また、振動周波数は、共振周波数、反共振周波数の総称とする。通常、第１反共振周波数Ｆｈ１、第１共振周波数Ｆｋ１のように最も低い振動周波数は、ミラー１０２とシャフト１０４間の捻れやミラー１０２自体の捻れ振動モードであり、それより高い第２共振周波数Ｆｋ２のような振動周波数は、エンコーダディスク１１０とシャフト１０４間の捻れやエンコーダディスク１１０の変形による捻じれ振動モードによる。前記ミラー部４１による共振周波数がエンコーダディスク１１０による共振周波数より低いのは、主にミラー部４１のイナーシャがエンコーダディスク１１０のイナーシャより大きいことによる。

なお、周波数特性計算部１３で求めた振動周波数は振動抑制フィルタ９に設定する。例えば、式１のω１はＦｋ１×（２π）、ω２はＦｋ２×（２π）を設定する。なお、（２π）は、単位系Ｈｚからｒａｄ／ｓｅｃに変換する係数である。

図４には、ミラー１０２とシャフト１０４間の捻れ方向の機械剛性が低下した場合の周波数特性変化の１例を示す。原因としてはミラー１０２とミラーマウント１０３との固定に使用されている接着剤の接着強度の低下などがある。図４では、第１共振周波数Ｆｋ１がＦｋ１ａに、第１反共振周波数Ｆｈ１がＦｈ１ａに低下している様子を示している。

また、図５にエンコーダディスク１１０とシャフト１０４間の捻れ方向の剛性が低下した場合の周波数変化の１例を示す。原因としてはエンコーダディスク１１０とマウント１１０Ｍとの固定に使用されている接着剤の接着強度の低下やエンコーダディスク１１０に使用される材料（プラスティック等）の特性変化などがある。図５では、第２共振周波数Ｆｋ２がＦｋ２ａに低下している様子を示している。

また、図６では、ガルバノスキャナ１０１のベアリング１０５が機械特性変化して、ガルバノスキャナ１０１の回転方向の摩擦が大きくなった場合の１例を示す。図では、第１共振周波数のピークゲインＧｋ１がＧｋ１ａに低下し、第１反共振のピークゲインＧｈ１がＧｈ１ａに上昇した様子を示す。また、第２共振のピークゲインも図６のように低下する。この場合は、第１共振周波数Ｆｋ１、第２共振周波数Ｆｋ２、第１反共振周波数Ｆｈ１の変化は小さい。なお、前記ピークゲインＧｋ１、Ｇｈ１や第２共振のピークゲインは、ベアリング１０５とシャフト１０４間にガタがあってシャフト１０４の回転ブレが発生する場合も同様な変化を起こすこともあるが、いずれも、ベアリング１０５の機械特性変化が前記ピークゲインの変化として現れる。このようにガルバノスキャナ１０１の機械特性の変化は、図４乃至図６で示したように、周波数特性の変化として現れる。

機械状態診断テーブル（機械状態診断データ）１４は、図４乃至図６で示した現象（特徴）を用いてガルバノスキャナ１０１の機械特性変化を診断するデータである。この機械状態診断テーブル１４の１例を図７に示す。図７は、ガルバノスキャナ１０１の各振動周波数、ピークゲインと、ガルバノスキャナ１０１の機械の状態を関係付けたテーブルの１例である。本テーブルの値は、基準となるガルバノスキャナを実測して求めた基準設定値であるが、同形状のガルバノスキャナを複数台実測して求めたり、構造解析シミュレーション等により事前に作成したりしてもよい。

図７の記号の意味を以下に説明する。Ｆｋ１ｘ１は第１共振周波数が低下して故障状態になる周波数、Ｆｋ１ｘ２は第１共振周波数が低下して正常な状態から故障状態に移行中と判断される要注意周波数、Ｆｋ１ｘ３は第１共振周波数が上昇して正常な状態から故障状態に移行中と判断される要注意周波数、Ｆｋ１ｘ４は第１共振周波数が上昇して故障状態になる周波数であり、これらは式２の関係にある。なお、式２のＦｋ１０は、ガルバノスキャナ１０１の機械剛性が正常時の第１共振周波数の値であり、例えば、工場出荷時のガルバノスキャナ１０１のサーボパラメータ調整直後の第１共振周波数である。

０＜Ｆｋ１ｘ１＜Ｆｋ１ｘ２＜Ｆｋ１０＜Ｆｋ１ｘ３＜Ｆｋ１ｘ４ ・・・（２）

同様に、Ｆｋ２ｘ１は第２共振周波数が低下して故障状態になる周波数、Ｆｋ２ｘ２は第２共振周波数が低下して正常な状態から故障状態に移行中と判断される要注意周波数、Ｆｋ２ｘ３は第２共振周波数が上昇して正常な状態から故障状態に移行中と判断される要注意周波数、Ｆｋ２ｘ４は第２共振周波数が上昇して故障状態になる周波数の周波数であり、これらは式３の関係にある。なお、式３のＦｋ２０は、ガルバノスキャナの機械剛性が正常時の第２共振周波数の値であり、例えば、工場出荷時のガルバノスキャナ１０１のサーボパラメータ調整直後の第２共振周波数である。

０＜Ｆｋ２ｘ１＜Ｆｋ２ｘ２＜Ｆｋ２０＜Ｆｋ２ｘ３＜Ｆｋ２ｘ４ ・・・（３）

同様に、Ｆｈ１ｘ１は第１反共振周波数が低下して故障状態になる周波数、Ｆｈ１ｘ２は第１反共振周波数が低下して正常な状態から故障状態に以降したと判断される要注意周波数、Ｆｈ１ｘ３は第１反共振周波数が上昇して正常な状態から故障状態に移行したと判断される要注意周波数、Ｆｈ１ｘ４は第１反共振周波数が上昇して故障状態になる周波数の周波数であり、これらは式４の関係にある。なお、式４のＦｈ１０は、ガルバノスキャナの機械剛性が正常時の第１反共振周波数の値であり、例えば、工場出荷時のガルバノスキャナ１０１のサーボパラメータ調整直後の第１反共振周波数である。

０＜Ｆｈ１ｘ１＜Ｆｈ１ｘ２＜Ｆｈ１０＜Ｆｈ１ｘ３＜Ｆｈ１ｘ４ ・・・（４）

同様に、Ｇｋ１ｘ１は第１共振のピークゲインが低下して故障状態になるピークゲイン、Ｇｋ１ｘ２は第１共振のピークゲインが低下して正常な状態から故障状態に以降したと判断される要注意ピークゲイン、Ｇｋ１ｘ３は第１共振のピークゲインが上昇して正常な状態から故障状態に移行中と判断される要注意ピークゲイン、Ｇｋ１ｘ４は第１共振周波数のピークゲインが上昇して故障状態になるピークゲインであり、これらは式５の関係にある。なお、式５のＧｋ１０は、ガルバノスキャナの機械剛性が正常時の第１共振のピークゲインであり、例えば、工場出荷時のガルバノスキャナ１０１のサーボパラメータ調整直後のピークゲインである。

０＜Ｇｋ１ｘ１＜Ｇｋ１ｘ２＜Ｇｋ１０＜Ｇｋ１ｘ３＜Ｇｋ１ｘ４ ・・・（５）

次に、第１の機械状態診断部１５は、前記周波数特性計算部１３の計算結果と機械状態診断テーブル１４により、ガルバノスキャナ１０１の機械状態を診断する。機械状態診断テーブル１４が図７のテーブルの場合、第１の機械状態診断部１５は、前記周波数特性計算部１３より、第１共振周波数Ｆｋ１、第２共振周波数Ｆｋ２、第１反共振周波数Ｆｈ１、第１共振ピークゲインＧｋ１を入力し、図７のデータテーブルを用いてそれらがどの周波数範囲、あるいは、ピークゲイン範囲になるかを検索し、その周波数範囲、ピークゲイン範囲に対応した機械状態診断結果をピックアップする。

例えば、前記周波数特性計算部１３より入力した第１共振周波数Ｆｋ１の値が、Ｆｋ１ｘ１〜Ｆｋ１ｘ２の周波数範囲に入っていれば、機械状態診断結果はミラー要注意となる。また、第２共振周波数Ｆｋ２の値が、０〜Ｆｋ２ｘ１の周波数範囲に入っていれば、機械状態診断結果はエンコーダ異常となる。

なお、機械状態診断結果が、ミラー異常、エンコーダ異常、ベアリング異常のいずれか１つでもあった場合、第１の機械状態診断部１５はガルバノスキャナ異常と診断し、前記診断結果であるスキャナ異常と、ミラー異常、エンコーダ異常、ベアリング異常等を適宜出力するとともに、必要に応じて周波数特性計算部１３の計測結果を出力する。また、ガルバノスキャナ異常が出た場合は、ガルバノスキャナの制御動作を停止するとともに、ガルバノスキャナ交換要求を出力する。また、ガルバノスキャナ異常が出ない場合で、その診断結果がミラー注意、エンコーダ注意、ベアリング注意のいずれか１つでもあった場合、ガルバノスキャナ要注意と診断し、前記診断結果であるスキャナ要注意、ミラー要注意、エンコーダ要注意、ベアリング要注意等を適宜出力するとともに、必要に応じて、周波数特性計算部１３の計測結果を出力する。また、ガルバノスキャナ要注意が出た場合は、ガルバノスキャナ１０１のメンテナンス要求を必要に応じて出力する。

表示部１６はディスプレイ装置やランプ、スピーカ装置等のマンマシンＩ／Ｆであり、第１の機械状態診断部１５の出力結果を表示する。記録部１７は、第１の機械状態診断部１５の出力結果を、記憶媒体（メモリ、ハードディスク、ＣＤ、ＤＶＤ、プリンタ紙等）に記憶あるいは記録し、機械状態の経時変化を調査するために使用する。

図８は機械状態の診断手順を示すフローチャートである。図８において、ステップＳ１は、位置制御部７の出力を０にして位置サーボ動作をＯＦＦする。ステップＳ２では、速度制御部８の出力を０にし、速度サーボ動作をＯＦＦにする。ステップＳ３では、スイッチ制御部１１によりスイッチ１０を接点Ａ側に切り替え、ガルバノスキャナ１０１に周波数特性計測のためのランダム信号を出力する準備をする。ステップＳ４では、加振信号生成部１２よりランダム信号を発生し、Ｄ／Ａ変換部２に電流指令として出力し、ガルバノスキャナ１０１を加振する。ステップＳ５では、周波数特性計算部１３で、加振時の前記電流指令とエンコーダ信号処理回路５から入力される角度検出値あるいは角度検出値の微分値、あるいは角度検出値の２階微分値を用いて、ガルバノスキャナ１０１の周波数特性を計算し、第１共振周波数Ｆｋ１と第２共振周波数Ｆｋ２、第１反共振周波数Ｆｈ１、第１共振周波数のピークゲインＧｋ１等の特徴量を計算し出力する。ステップＳ６では、周波数特性計算部１３で求めた前記第１共振周波数Ｆｋ１、第２共振周波数Ｆｋ２と第１反共振周波数Ｆｈ１を用いて振動抑制フィルタ９の周波数設定値を修正する。ステップＳ７では、第１の機械状態診断部１５により、周波数特性計算部１３で求めた前記第１共振周波数Ｆｋ１と第２共振周波数Ｆｋ２、第１反共振周波数Ｆｈ１、第１共振ピークゲインＧｈ１と機械状態診断テーブル１４により、機械状態診断を行う。機械状態診断結果は、前記のように、スキャナ異常、スキャナ要注意、ミラー要注意、ミラー異常、エンコーダ要注意、エンコーダ異常、ベアリング要注意、ベアリング異常の診断結果と、診断結果に応じて、ガルバノスキャナ交換要求、メンテナンス要求と周波数特性計算部１３の出力を出力する。ステップＳ８では第１の機械状態診断部１５の出力を表示部１６に表示する。ステップＳ９では、第１の機械状態診断部１５の出力を記憶部１７に記録する。

なお、図８の機械状態診断は、ガルバノスキャナ１０１がレーザ加工機のような加工機に搭載されている場合、レーザ加工機の加工作業前に起動したり、ガルバノスキャナ１０１の位置決め精度が基準値よりも悪くなったりした場合、あるいは、レーザ加工を行わない加工休止時間を利用して起動する。また、一定時間間隔で起動してもよい。

また、図７の機械状態診断部１４の例では、第１共振のピークゲインＧｋ１を用いてベアリングの機械状態診断を行っているが、第２共振のピークゲインを用いて同様にベアリングの機械状態診断を行ってもよいし、第１反共振のピークゲインＧｈ１を用いてベアリングの機械状態診断を行ってもよい。また、第１共振のピークゲインＧｋ１と第１反共振のピークゲインＧｈ１の差を用いてベアリングの機械状態診断を行ってもよい。

ガルバノスキャナ制御装置２０Ａは、上記のように動作して機械の状態を正常か要注意か故障かを診断し表示する手段を持つので、ガルバノスキャナ１０１の機械特性が経時変化し、機械状態が異常状態になって位置決め不良を起こす前にガルバノスキャナ１０１を交換する等の対策を行うことができる。

以上のように本実施の形態のガルバノスキャナ制御装置２０Ａによれば、機械状態診断部１５を有しており、ガルバノスキャナ１０１の機械剛性が変化したり、ベアリングの摩擦が変化したりしても、ガルバノスキャナ１０１の周波数特性を計測して、正常状態か故障が発生する前の要注意状態であるかを診断し、さらにその結果を表示する手段をもつことにより、ガルバノスキャナが位置決め不良を起こす前に交換を促すことができるので、加工不良を起こさず、安定した信頼性の高い位置決めができるといった従来にない効果を奏する。

実施の形態２．
図９は本発明にかかる実施の形態２のガルバノスキャナ制御装置２０Ｂの機能構成ブロック図である。図９において、本実施の形態のガルバノスキャナ制御装置２０Ｂは、要注意の度合いをしめす信号を計算し出力する第２の機械状態診断部１８を有している。上記実施の形態１のガルバノスキャナ制御装置２０Ａの第１の機械状態診断部１５では、ガルバノスキャナ１０１の機械状態が要注意と診断した場合に、どの程度で故障するのか、判別できない。これに対して本実施の形態の第２の機械状態診断部１８は、どの程度で故障するのか判別するために、要注意の度合いをしめす信号を出力する。なお、第２の機械状態診断部１８以外の構成は、実施の形態１のものと全く同じ動作をするので説明を省略し、第２の機械状態診断部１８の要注意度合いの算出式の説明のみ行う。なお、前記要注意度合いの計算は、図８の機械状態診断モードのＳ７の処理時に実施し、周波数特性計算部１３で求めた前記第１共振周波数Ｆｋ１、第２共振周波数Ｆｋ２、第１反共振周波数Ｆｈ１、第１共振ピークゲインＧｈ１と、機械状態診断テーブルの設定値である前記Ｆｋ１ｘ１、Ｆｋ１ｘ２、Ｆｋ１ｘ３、Ｆｋ１ｘ４、Ｆｋ２ｘ１、Ｆｋ２ｘ２、Ｆｋ２ｘ３、Ｆｋ２ｘ４、Ｆｈ１ｘ１、Ｆｈ１ｘ２、Ｆｈ１ｘ３、Ｆｈ１ｘ４、Ｇｋ１ｘ１、Ｇｋ１ｘ２、Ｇｋ１ｘ３、Ｇｋ１ｘ４を入力して計算する。なお、求める要注意レベルは、第１共振周波数Ｆｋ１を用いて求めたミラーの要注意レベルをＬｍ１、第１反共振周波数Ｆｈ１を用いて求めたミラーの要注意レベルをＬｍ２、前記Ｌｍ１とＬｍ２を考慮して求められるミラーの要注意レベルをＬｍ、第２共振周波数Ｆｋ２を用いて求めたエンコーダの要注意レベルをＬｅ、第１共振のピークゲインＧｈ１を用いて求めたベアリングの要注意レベルをＬｂとし、前記Ｌｍ、Ｌｅ、Ｌｂを考慮して求められるガルバノスキャナ１０１の要注意レベルをＬｇとすると、例えば、下記のように求められる。

（ａ）第１共振周波数Ｆｋ１が、Ｆｋ１ｘ１より上〜Ｆｋ１ｘ２以下の範囲にある場合のミラーの要注意レベルＬｍ１
Ｌｍ１＝（Ｆｋ１ｘ２−Ｆｋ１）／（Ｆｋ１ｘ２−Ｆｋ１ｘ１）（６）
（ｂ）第１共振周波数Ｆｋ１がＦｋ１ｘ３以上〜Ｆｋ１ｘ４未満の範囲にある場合のミラーの要注意レベルＬｍ１
Ｌｍ１＝（Ｆｋ１ｘ３−Ｆｋ１）／（Ｆｋ１ｘ３−Ｆｋ１ｘ４）（７）
（ｃ）第２共振周波数Ｆｋ２が、Ｆｋ２ｘ１より上〜Ｆｋ２ｘ２以下の範囲にある場合のエンコーダの要注意レベルＬｅ
Ｌｅ＝（Ｆｋ２ｘ２−Ｆｋ２）／（Ｆｋ２ｘ２−Ｆｋ２ｘ１）（８）
（ｄ）第２共振周波数Ｆｋ２が、Ｆｋ１ｘ３以上〜Ｆｋ１ｘ４未満の範囲にある場合のエンコーダの要注意レベルＬｅ
Ｌｅ＝（Ｆｋ２ｘ３−Ｆｋ２）／（Ｆｋ２ｘ３−Ｆｋ２ｘ４）（９）

（ｅ）第１反共振周波数Ｆｈ１が、Ｆｈ１ｘ１より上〜Ｆｈ１ｘ２以下の範囲にある場合のミラーの要注意レベルＬｍ２
Ｌｍ２＝（Ｆｈ１ｘ２―Ｆｈ１）／（Ｆｈ１ｘ２−Ｆｈ１ｘ１）（１０）
（ｆ）第１反共振周波数Ｆｈ１が、Ｆｋ１ｘ３以上〜Ｆｋ１ｘ４未満の範囲にある場合のミラーの要注意レベルＬｍ２
Ｌｍ２＝（Ｆｈ１ｘ３−Ｆｈ１）／（Ｆｈ１ｘ３−Ｆｈ１ｘ４）（１１）
（ｇ）第１共振ピークゲインＧｋ１が、Ｇｋ１ｘ１より上〜Ｇｋ１ｘ２以下の範囲にある場合のベアリングの要注意レベルＬｅ
Ｌｅ＝（Ｇｋ１ｘ２−Ｇｋ１）／（Ｇｋ１ｘ２−Ｇｋ１ｘ１）（１２）
（ｈ）第１共振ピークゲインＧｋ１が、Ｇｋ１ｘ３以上〜Ｇｋ１ｘ４未満の範囲にある場合のベアリングの要注意レベルＬｅ
Ｌｅ＝（Ｇｋ１ｘ３−Ｇｋ１）／（Ｇｋ１ｘ３−Ｇｋ１ｘ４）（１３）
（ｉ）前記Ｌｍ１とＬｍ２を考慮して求められるミラーの要注意レベルＬｍ
Ｌｍ＝ｍａｘ｛Ｌｍ１，Ｌｍ２｝（１４）
（ｊ）ガルバノスキャナの要注意レベルＬｇ
Ｌｇ＝ｍａｘ｛Ｌｍ、Ｌｅ、Ｌｂ｝（１５）

上記要注意レベルＬｍ１、Ｌｍ２、Ｌｅ、Ｌｂ、Ｌｍ、Ｌｇは、０〜１までの範囲をとり、０で正常、１で故障を意味する。

以上のように本実施の形態の第２の機械状態診断部１８は、実施の形態１の第１の機械状態診断部１５の出力に加えて、要注意レベルＬｍ１、Ｌｍ２、Ｌｅ、Ｌｂ、Ｌｍ、Ｌｇを計算し、適宜必要に応じてＬｅ、Ｌｂ、Ｌｍ、Ｌｇを出力する。第２の機械状態診断部１８の出力は、表示部１６で表示するとともに、記憶部１７で記録される。このように、要注意レベルを出力する機能も持つので、ガルバノスキャナの交換時期をより正確に知ることができる。

実施の形態３．
前記機械状態診断テーブル１４に設定される故障周波数、要注意周波数、故障ピークゲイン、及び要注意ピークゲインの値は、ガルバノスキャナの基準設定値であり、ガルバノスキャナ１０１の周波数特性の固体差が大きいと、適正な値からずれる可能性がある。そこで、本実施の形態においては、機械状態診断テーブル１４の設定値を個別のガルバノスキャナの周波数特性の初期値（例えば、工場出荷時のガルバノスキャナ１０１の正常な状態の周波数特性）を用いて修正することで、ガルバノスキャナ間の固体差の影響を小さくすることができる。

図１０は本発明にかかる実施の形態３のガルバノスキャナ制御装置２０Ｃの機能構成ブロック図である。図１０において、一点鎖線で囲まれた部分のデジタル制御処理部１Cは図２のデジタル制御処理部１Aと同様、プログラムで記述されており、一定のサンプリング時間間隔で処理動作が行われる。図１０のデジタル制御処理部１Ｃ内の構成部１〜１７は実施の形態１と同じ動作をするため説明は省略する。基準機械状態テーブル１９は、基準となるガルバノスキャナから求めた機械状態の異常、要注意とそれに対応する周波数特性の特徴値が対応付けられた表であり、図１１に一例を示す。図１１のＦｓｋ１ｘ１、Ｆｓｋ１ｘ２、Ｆｓｋ１ｘ３、Ｆｓｋ１ｘ４、Ｆｓｋ２ｘ１、Ｆｓｋ２ｘ２、Ｆｓｋ２ｘ３、Ｆｓｋ２ｘ４、Ｆｓｈ１ｘ１、Ｆｓｈ１ｘ２、Ｆｓｈ１ｘ３、Ｆｓｈ１ｘ４、Ｇｓｋ１ｘ１、Ｇｓｋ１ｘ２、Ｇｓｋ１ｘ３、Ｇｓｋ１ｘ４は、図７のＦｋ１ｘ１、Ｆｋ１ｘ２、Ｆｋ１ｘ３、Ｆｋ１ｘ４、Ｆｋ２ｘ１、Ｆｋ２ｘ２、Ｆｋ２ｘ３、Ｆｋ２ｘ４、Ｆｈ１ｘ１、Ｆｈ１ｘ２、Ｆｈ１ｘ３、Ｆｈ１ｘ４、Ｇｋ１ｘ１、Ｇｋ１ｘ２、Ｇｋ１ｘ３、Ｇｋ１ｘ４と対応する機械状態を判定する周波通特性の特徴量である。また、Ｆｓｋ１ｘ０、Ｆｓｋ２ｘ０、Ｆｓｈ１ｘ０、Ｇｓｋ１ｘ０は、前記基準となるガルバノスキャナの正常な状態の周波数特性の初期値であり、通常は、工場出荷時の値を設定する。なお、Ｆｓｋ１ｘ０は第１共振周波数の初期値、Ｆｓｋ２ｘ０は第２共振周波数の初期値、Ｆｓｈ１は第１反共振周波数の初期値、Ｇｓｋ１は第１共振周波数のピークゲインの初期値である。

周波数特性初期値テーブル２０は、個別のスキャナの正常な状態の周波数特性、通常、工場出荷時の初期値が記載された表であり、Ｆｉｋ１ｘ０は第１共振周波数の初期値、Ｆｉｋ２ｘ０は第２共振周波数の初期値、Ｆｉｈ１ｘ０は第１反共振周波数の初期値、Ｇｉｋ１ｘ０は第１共振のピークゲインの初期値である。これらの値は周波数特性計算部１３を用いてあらかじめ求めておく。

テーブルデータ作成部２１は前記基準機械状態テーブル１９と周波数特性初期値テーブル２０のデータを用いて、個別のスキャナに対応する機械状態を診断する第２の機械診断テーブル２２の設定値を計算する。計算式の１例を下記に示す。

まず、基準機械状態テーブル１９の機械状態の異常、要注意状態を判定する周波数特性の特徴量と初期値の比率を計算する。

αｓｋ１ｘ１＝Ｆｓｋ１ｘ１／Ｆｓｋ１ｘ０（１６）
αｓｋ１ｘ２＝Ｆｓｋ１ｘ２／Ｆｓｋ１ｘ０（１７）
αｓｋ１ｘ３＝Ｆｓｋ１ｘ３／Ｆｓｋ１ｘ０（１８）
αｓｋ１ｘ４＝Ｆｓｋ１ｘ４／Ｆｓｋ１ｘ０（１９）

αｓｋ２ｘ１＝Ｆｓｋ２ｘ１／Ｆｓｋ２ｘ０（２０）
αｓｋ２ｘ２＝Ｆｓｋ２ｘ２／Ｆｓｋ２ｘ０（２１）
αｓｋ２ｘ３＝Ｆｓｋ２ｘ３／Ｆｓｋ２ｘ０（２２）
αｓｋ２ｘ４＝Ｆｓｋ２ｘ４／Ｆｓｋ２ｘ０（２３）

αｓｈ１ｘ１＝Ｆｓｈ１ｘ１／Ｆｓｈ０ｘ０（２４）
αｓｈ１ｘ２＝Ｆｓｈ１ｘ２／Ｆｓｈ０ｘ０（２５）
αｓｈ１ｘ３＝Ｆｓｈ１ｘ３／Ｆｓｈ０ｘ０（２６）
αｓｈ１ｘ４＝Ｆｓｈ１ｘ４／Ｆｓｈ０ｘ０（２７）

αｓｇｋ１ｘ１＝Ｇｓｈ１ｘ１／Ｇｓｋ１ｘ０（２８）
αｓｇｋ１ｘ２＝Ｇｓｈ１ｘ２／Ｇｓｋ１ｘ０（２９）
αｓｇｋ１ｘ３＝Ｇｓｈ１ｘ３／Ｇｓｋ１ｘ０（３０）
αｓｇｋ１ｘ４＝Ｇｓｈ１ｘ４／Ｇｓｋ１ｘ０（３１）

次に、周波数特性初期値テーブル２０の値と１６式〜３１式の前記比率を用いて、第２の機械状態テーブル２２の機械状態の異常、要注意状態を判定する周波数特性の特徴量の設定値Ｆｉｋ１ｘ１、Ｆｉｋ１ｘ２、Ｆｉｋ１ｘ３、Ｆｉｋ１ｘ４、Ｆｉｋ２ｘ１、Ｆｉｋ２ｘ２、Ｆｉｋ２ｘ３、Ｆｉｋ２ｘ４、Ｆｉｈ１ｘ１、Ｆｉｈ１ｘ２、Ｆｉｈ１ｘ３、Ｆｉｈ１ｘ４、Ｇｉｋ１ｘ１、Ｇｉｋ１ｘ２、Ｇｉｋ１ｘ３、Ｇｉｋ１ｘ４を計算する。

Ｆｉｋ１ｘ１＝αｓｋ１ｘ１＊Ｆｉｋ１ｘ０（３２）
Ｆｉｋ１ｘ２＝αｓｋ１ｘ２＊Ｆｉｋ１ｘ０（３３）
Ｆｉｋ１ｘ３＝αｓｋ１ｘ３＊Ｆｉｋ１ｘ０（３４）
Ｆｉｋ１ｘ４＝αｓｋ１ｘ４＊Ｆｉｋ１ｘ０（３５）

Ｆｉｋ２ｘ１＝αｓｋ２ｘ１＊Ｆｉｋ２ｘ０（３６）
Ｆｉｋ２ｘ２＝αｓｋ２ｘ２＊Ｆｉｋ２ｘ０（３７）
Ｆｉｋ２ｘ３＝αｓｋ２ｘ３＊Ｆｉｋ２ｘ０（３８）
Ｆｉｋ２ｘ４＝αｓｋ２ｘ４＊Ｆｉｋ２ｘ０（３９）

Ｆｉｈ１ｘ１＝αｓｈ１ｘ１＊Ｆｉｈ１ｘ０（４０）
Ｆｉｈ１ｘ２＝αｓｈ１ｘ２＊Ｆｉｈ１ｘ０（４１）
Ｆｉｈ１ｘ３＝αｓｈ１ｘ３＊Ｆｉｈ１ｘ０（４２）
Ｆｉｈ１ｘ４＝αｓｈ１ｘ４×Ｆｉｈ１ｘ０（４３）

Ｇｉｈ１ｘ１＝αｓｇｋ１ｘ１×Ｇｉｋ１ｘ０（４４）
Ｇｉｈ１ｘ２＝αｓｇｋ１ｘ２×Ｇｉｋ１ｘ０（４５）
Ｇｉｈ１ｘ３＝αｓｇｋ１ｘ３×Ｇｉｋ１ｘ０（４６）
Ｇｉｈ１ｘ４＝αｓｇｋ１ｘ４×Ｇｉｋ１ｘ０（４７）

ここで求めたＦｉｋ１ｘ１、Ｆｉｋ１ｘ２、Ｆｉｋ１ｘ３、Ｆｉｋ１ｘ４、Ｆｉｋ２ｘ１、Ｆｉｋ２ｘ２、Ｆｉｋ２ｘ３、Ｆｉｋ２ｘ４、Ｆｉｈ１ｘ１、Ｆｉｈ１ｘ２、Ｆｉｈ１ｘ３、Ｆｉｈ１ｘ４、Ｇｉｋ１ｘ１、Ｇｉｋ１ｘ２、Ｇｉｋ１ｘ３、Ｇｉｋ１ｘ４は第２の機械状態診断テーブルに格納される。

第２の機械状態診断テーブル２２は個別のガルバノスキャナの機械状態を診断するように設定値を修正されたテーブルであり、実施の形態１の機械状態診断テーブル１４に対応するテーブルと同等の動作をするので説明は省略する。なお、設定値のＦｉｋ１ｘ１、Ｆｉｋ１ｘ２、Ｆｉｋ１ｘ３、Ｆｉｋ１ｘ４、Ｆｉｋ２ｘ１、Ｆｉｋ２ｘ２、Ｆｉｋ２ｘ３、Ｆｉｋ２ｘ４、Ｆｉｈ１ｘ１、Ｆｉｈ１ｘ２、Ｆｉｈ１ｘ３、Ｆｉｈ１ｘ４、Ｇｉｋ１ｘ１、Ｇｉｋ１ｘ２、Ｇｉｋ１ｘ３、Ｇｉｋ１ｘ４は、実施の形態１の機械状態診断テーブル１４の設定値Ｆｋ１ｘ１、Ｆｋ１ｘ２、Ｆｋ１ｘ３、Ｆｋ１ｘ４、Ｆｋ２ｘ１、Ｆｋ２ｘ２、Ｆｋ２ｘ３、Ｆｋ２ｘ４、Ｆｈ１ｘ１、Ｆｈ１ｘ２、Ｆｈ１ｘ３、Ｆｈ１ｘ４、Ｇｋ１ｘ１、Ｇｋ１ｘ２、Ｇｋ１ｘ３、Ｇｋ１ｘ４に対応する。

次に、第３の機械状態診断部２３は、前記周波数特性計算部１３の計算結果と第２の機械状態診断テーブル２２により、ガルバノスキャナ１０１の機械状態を診断するが、実施の形態１の第１の機械状態診断部１５と同等の動作をするので、説明は省略する。なお、第２の機械状態診断テーブル２２は、実施の形態１の機械状態診断テーブル１４に対応する。

このように、ガルバノスキャナ１０１の個別の周波数特性の初期値を使うことで、ガルバノスキャナの個体差があっても、機械状態診断データである図１３のデータテーブルは適切な値に修正されるので、ガルバノスキャナの機械状態を正確に診断することができる。

以上のように、本発明にかかるガルバノスキャナの制御装置は、ミラーを回転（あるいは回動）させてレーザ光等の光ビームの位置決めを行うガルバノスキャナの制御装置に有用であり、特に、レーザ加工機に用いられるガルバノスキャナの制御を行う制御装置に適している。

本発明にかかるガルバノスキャナ制御装置が制御するガルバノスキャナの要部構成を示す斜視図である。 本発明にかかる実施の形態１のガルバノスキャナ制御装置の機能構成ブロック図である。 ガルバノスキャナの周波数特性を示す図である。 ガルバノスキャナのミラーとシャフト間の捻れ方向の機械剛性が低下した場合の周波数特性の変化を示す図である。 ガルバノスキャナのエンコーダディスクとシャフト間の捻れ方向の剛性が低下した場合の周波数特性の変化を示す図である。 ガルバノスキャナのベアリングが機械特性変化して、ガルバノスキャナの回転方向の摩擦が大きくなった場合の周波数特性の変化を示す図である。 機械状態診断データの１例を示すテーブルを示す図である。 機械状態の診断手順を示すフローチャートである。 本発明にかかる実施の形態２のガルバノスキャナ制御装置の機能構成ブロック図である。 本発明にかかる実施の形態３のガルバノスキャナ制御装置の機能構成ブロック図である。 基準機械状態データの１例を示すテーブルを示す図である。 ガルバノスキャナの初期値データの１例を示すテーブルを示す図である。 第２の機械状態診断データの１例を示すテーブルを示す図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ デジタル制御処理部
２ Ｄ／Ａ変換器
３ 電流アンプ
５ エンコーダ信号処理回路
６ 位置指令生成部
７ 位置制御部
８ 速度制御部
９ 振動抑制フィルタ
１０ スイッチ（切換部）
１１ スイッチ制御部（切換部）
１２ 加振信号発生部
１３ 周波数特性計算部
１４ 機械特性診断テーブル（機械特性診断データ）
１５ 第１の機械状態診断部
１６ 表示部
１７ 記憶部
１８ 第２の機械状態診断部
１９ 基準機械状態テーブル
２０ 周波数特性初期値テーブル
２０Ａ，２０Ｂ ガルバノスキャナ制御装置
２１ テーブルデータ作成部
２２ 第２の機械特性診断テーブル（機械特性診断データ）
４１ ミラー部
４２ エンコーダ部
４３ モータ部
１０１ ガルバノスキャナ

Claims (7)

1. 動作指令値を出力してガルバノスキャナを回転動作させるとともに、ガルバノスキャナの回転角度を検出する角度センサの検出値によりフィードバック制御するガルバノスキャナの制御装置において、
   ガルバノスキャナの周波数特性を計測する為の加振信号を発生する加振信号発生部と、
   前記動作指令値に代えて前記加振信号によりガルバノスキャナを動作させた際の周波数特性を、前記加振信号によりガルバノスキャナを動作させた際の電流指令と前記角度センサの検出値とを用いて算出する周波数特性計算部と、
   ガルバノスキャナの正常状態及び故障が起きる前の要注意状態の際の周波数特性の特徴を含むガルバノスキャナの周波数特性の特徴と、故障状態と要注意状態、要注意状態と正常状態を診断できる２つ以上の診断基準と、標準初期値とを含むガルバノスキャナの機械状態とが関連して記載された機械状態診断データと、
   前記機械状態診断データにおける前記２つ以上の診断基準のそれぞれと前記標準初期値との比率を計算し、個別のガルバノスキャナの正常な状態の周波数特性における個別初期値と前記計算された比率とを用いて前記機械状態診断データにおける前記２つ以上の診断基準のそれぞれを修正し、修正された機械状態診断データを作成するデータ作成部と、
   前記周波数特性計算部の算出した周波数特性と前記修正された機械状態診断データとに基づいて、ガルバノスキャナが正常状態か要注意状態か故障状態かを診断する機械状態診断部と、
   前記機械状態診断部の診断結果を出力する表示部と、
   を備えたことを特徴とするガルバノスキャナ制御装置。
2. 前記機械状態診断データとして、ガルバノスキャナの共振周波数及び反共振周波数を用いることを特徴とする請求項１に記載のガルバノスキャナ制御装置。
3. 前記機械状態診断データとして、ガルバノスキャナの共振周波数及び反共振周波数のピークゲインを用いることを特徴とする請求項１に記載のガルバノスキャナ制御装置。
4. 前記機械状態診断部は、ミラー部の機械剛性状態を診断する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガルバノスキャナ制御装置。
5. 前記機械状態診断部は、センサ部の機械剛性状態を診断する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガルバノスキャナ制御装置。
6. 前記機械状態診断部は、ベアリングの機械状態を診断する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガルバノスキャナ制御装置。
7. 前記機械状態診断部は、要注意状態を状態の程度により複数の段階に分けて出力する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のガルバノスキャナ制御装置。

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