JP6673632B2 - レーザ光を高速で走査可能なガルバノスキャナを含む光造形加工機 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物においてレーザ光を高速で走査可能なガルバノスキャナを含む加工システムに関する。

一般に、ガルバノスキャナとは、互いに直交する２本の回転軸線を中心にそれぞれ回転可能な２つのミラーを備え、それらミラーをサーボモータ（ガルバノモーター）で回転駆動することによって被加工物におけるレーザ光の走査経路を変更する装置である。ガルバノスキャナは、被加工物にバーコード又は製造番号等を高速でマーキングする用途に広く用いられる。また、ガルバノスキャナは、近年普及しつつあるレーザ焼結式の３Ｄプリンタのような光造形加工機にも適用されている。このような光造形加工機は、薄く積層された金属粉末又は光硬化性樹脂等にレーザ光を照射して焼結、若しくは硬化することで所望の三次元形状の造形物を作成する。

図１１及び図１２は、一般的な光造形加工機におけるレーザ焼結加工の手順を時系列で示す概略図である。両図はテーブル上に積層された金属粉末Ｍを上方から見た平面図であり、ガルバノスキャナは先ず図１１中の矢印Ａ１１で示される経路に沿ってレーザ光を走査させて金属粉末Ｍを焼結する。その後、新たな金属粉末Ｍの薄層が供給され、ガルバノスキャナが今度は図１２中の矢印Ａ１２で示される経路に沿ってレーザ光を走査させて金属粉末Ｍを焼結する。このように、一般的なレーザ焼結加工では、新たな金属粉末Ｍの薄層が供給される都度、レーザ光の走査方向を変更して金属粉末Ｍを焼結し、そのような各層の焼結工程を繰り返し実行することで所望の三次元形状の造形物を作成する。

図１１及び図１２から分かるように、金属粉末Ｍの各層の焼結工程では、加工途中の造形物の上面が所定の幅（例えば５ｍｍ）を有する複数の帯状領域Ｒに分割され、それら帯状領域Ｒの各々に順番にレーザ光が照射される。そして、複数の帯状領域Ｒの各々において、レーザ光は帯状領域Ｒの横断方向に沿った高速の往復運動を繰り返し実行して金属粉末Ｍを焼結する(図１１中の矢印Ａ１１及び図１２中の矢印Ａ１２を参照）。

ここで、金属粉末の薄層をムラ無く均一に焼結するためには、レーザ光が往復移動する間にレーザ強度及びレーザ走査速度が一定にされるのが好ましい。また、レーザ光の往復運動の反転時にはレーザ光が瞬間的に停止するので、それによる焼結ムラ（焼けすぎ）を防止するために、レーザ光の反転時にレーザ出力をオフにするようなレーザ出力制御も実行され得る。図１３は、上述したレーザ出力制御について説明するための概略図である。より具体的に、図１３は、一般的なレーザ焼結加工におけるレーザ光の走査経路を概略的に示している。図中の符号Ｐで示されるレーザ光の走査経路において、破線で表されるレーザ光の停止期間中にはレーザ光の出力が一時的にオフにされる。

図１４は、一般的なレーザ焼結加工におけるレーザ光の走査速度の時間変化を示すグラフである。より具体的に、図１４のグラフは、レーザ光が図１１又は図１２中の帯状領域Ｒ内を一往復する間のレーザ光の走査速度の時間変化を示すグラフである。図１４のように、レーザ光は、サーボモータの順方向の加速、定速移動、及び減速の各フェーズを経て一旦停止し、次いで、サーボモータの逆方向の加速、定速移動、及び減速の各フェーズを経て再び停止する。この間のガルバノスキャナに対する駆動指令（加減速指令）はステップ状であるものの、ガルバノスキャナの応答時間による遅れが常に発生するので、図１４のように実際のレーザ光は或る時定数で加速ないし減速することになる。すなわち、従来のガルバノスキャナでは、サーボモータの加速能力に起因して、駆動指令に対する応答性が制限されるので、レーザ光の走査精度を維持しつつ走査速度を高速化するのが非常に困難であった。

また、一般にレーザ出力のオンオフ制御の時定数は、ガルバノスキャナの加減速制御の時定数よりも遥かに小さいので、やはりガルバノスキャナの加減速フェーズでは焼結ムラが発生し易くなる。これに関連して、特許文献１には、ガルバノスキャナの駆動指令に応じたレーザ出力波形を生成する制御方法が提案されている。より具体的に、特許文献１の制御方法では、ガルバノスキャナの加減速指令の時定数に応じて、レーザ光の照射タイミングを遅延させることによって焼結ムラを軽減しようとしている。ところが、ガルバノスキャナの現実の動作は駆動指令に対して幾分遅延するので、ガルバノスキャナの駆動指令に応じてレーザ出力波形を生成しても焼結ムラが完全に解消されることはない。

特開２００８−１７０５７９号公報 特許第５２２１７３５号公報

ガルバノスキャナによるレーザ光の走査精度を維持しつつ走査速度を高速化できる加工システムが求められている。

本発明の第１の態様によれば、レーザ光の走査方向を変更しながら被加工物を造形する光造形加工機であって、レーザ光を生成するレーザ光源と、レーザ光を反射するミラー及びミラーを回転駆動するサーボモータを備え、レーザ光を被加工物に照射するガルバノスキャナと、サーボモータに取付けられていてサーボモータの現実の動作を検出するロータリーエンコーダと、サーボモータの動作を制御する動作制御装置と、レーザ光の強度を制御するレーザ制御装置と、走査方向に対応する正弦波状の駆動指令を動作制御装置に送信すると共に、レーザ光の強度指令をレーザ制御装置に送信する上位制御装置と、を備え、動作制御装置及びレーザ制御装置は、ロータリーエンコーダから取得した情報に基づいてフィードバック制御を実行し、動作制御装置は、上位制御装置から受信した正弦波状の駆動指令と、ロータリーエンコーダが検出したサーボモータの現実の動作との間の第１偏差を所定のサンプリング周期で計算する偏差計算部と、第１偏差と正弦波状の駆動指令における１周期前に計算した１周期前補正量とに基づいて第１偏差を補正するための補正量を生成する学習制御部と、補正量による補正後の第２偏差とサーボモータの現実の動作とに基づいてサーボモータの動作を制御するサーボ制御部と、を備え、レーザ制御装置は、上位制御装置から受信した強度指令と、ロータリーエンコーダが検出したサーボモータの回転速度とに応じてレーザ光の強度を制御する、光造形加工機が提供される。
本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、レーザ制御装置が、ロータリーエンコーダが検出したサーボモータの回転速度に所定の係数を掛けてレーザ光の強度を決定する、光造形加工機が提供される。
本発明の第３の態様によれば、第１又は第２の態様において、動作制御装置とレーザ制御装置とが同一のプロセッサに組み込まれる、光造形加工機が提供される。

本発明の第１の態様によれば、ガルバノスキャナのサーボモータの動作が正弦波状の駆動指令に従って制御されるので、レーザ光を往復移動させるサーボモータの加減速が円滑化される。従って、第１の態様によれば、レーザ光の走査精度を維持しつつレーザ光の走査速度を高速化することができ、結果的に、レーザ焼結による造形加工の生産性を向上させることができる。
本発明の第２の態様によれば、サーボモータの制御偏差が学習制御によって縮小されるので、レーザ光が停止する際に発生する偏差による焼結ムラを軽減できるようになる。
本発明の第３の態様によれば、ガルバノスキャナの現実の動作に応じてレーザ光の強度が制御されるので、レーザ光が往復運動する間に発生する焼結ムラを軽減できるようになる。
本発明の第４の態様によれば、レーザ光源の制御機構が簡素化されるので、レーザ制御装置及び加工システムを製作するのが安価かつ容易になる。
本発明の第５の態様によれば、サーボモータ及びレーザ光源の制御が同一のプロセッサによって実行されるので、サーボモータのフィードバック情報をレーザ光の強度に反映させる際の応答時間を最小化することができる。

本発明の１つの実施形態の加工システムの構成を示すブロック図である。 図１の加工システムにおけるレーザ光源及びガルバノスキャナを概略的に示す斜視図である。 図１の加工システムにおける動作制御装置の構成を示すブロック図である。 図３の動作制御装置における学習制御部の構成を示すブロック図である。 図１中の上位制御装置が生成した速度指令の一例を示すグラフである。 本実施形態の加工システムにおけるレーザ光源及びガルバノスキャナの制御方法の手順を示すフローチャートである。 本実施形態の加工システムにおけるガルバノスキャナの制御偏差の数値シミュレーション結果を示す第１のグラフである。 従来の加工システムにおけるガルバノスキャナの制御偏差のシミュレーション結果を示す、図７に対応するグラフである。 本実施形態の加工システムにおけるガルバノスキャナの制御偏差のシミュレーション結果を示す第２のグラフである。 従来の加工システムにおけるガルバノスキャナの制御偏差のシミュレーション結果を示す、図９に対応するグラフである。 一般的な光造形加工機におけるレーザ焼結加工の手順を時系列で示す第１の概略図である。 一般的な光造形加工機におけるレーザ焼結加工の手順を時系列で示す第２の概略図である。 一般的なレーザ焼結加工におけるレーザ出力制御について説明するための概略図である。 一般的なレーザ焼結加工におけるレーザ光の走査速度の時間変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。各図面において、同様の構成要素には同様の符号が付与されている。なお、以下の記載は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲や用語の意義等を限定するものではない。

図１〜図１０を参照して、本発明の１つの実施形態の加工システムについて説明する。本実施形態の加工システムは、金属粉末又は光硬化性樹脂の積層体にレーザ光を照射する焼結工程を繰り返し実行し、それにより所望の三次元形状の造形物を作成するレーザ焼結式の光造形加工機である。図１は、本実施形態の例示的な加工システム１の構成を示すブロック図である。図１のように、本例の加工システム１は、レーザ光を生成するレーザ光源２と、レーザ光源２が生成したレーザ光を被加工物に照射するガルバノスキャナ３と、ガルバノスキャナ３の動作を制御する動作制御装置４と、レーザ光源２の動作を制御するレーザ制御装置５と、動作制御装置４及びレーザ制御装置５のそれぞれに制御信号を送信する上位制御装置６と、を含んでいる。これら構成要素について以下に順に説明する。

図２は、図１の加工システム１におけるレーザ光源２及びガルバノスキャナ３を概略的に示す斜視図である。図２のように、レーザ光源２及びガルバノスキャナ３は、被加工物が置かれるテーブルＴの上方に配置されている。ここでいう被加工物Ｗとは、レーザ光の照射を受けて焼結する金属粉末又は光硬化性樹脂の積層体である。このような積層体には、図示しない機械装置によって新たな薄層が繰り返し供給される。ただし、積層体の新たな薄層は使用者によって手動で供給されてもよい。

図２のように、レーザ光源２は、レーザ媒質、光共振器、及び励起源等を備える種々のレーザ発振器であり、ガルバノスキャナ３に向かってレーザ光を発射するように構成されている。また、ガルバノスキャナ３は、レーザ光源２が発射したレーザ光を順次反射させる複数のミラーと、複数のミラーのそれぞれを所定の回転軸線の周りで回転駆動する複数のサーボモータと、を備えている。より具体的に、本例のガルバノスキャナ３は、互いに直交する２本の回転軸線Ｒａ，Ｒｂを中心にそれぞれ回転可能な２つのミラー３１，３１と、それらミラー３１，３１をそれぞれ回転駆動する２つのサーボモータ３２，３２と、を備えている。ただし、ガルバノスキャナ３における複数のミラー及び複数のサーボモータの個数及び配置等は、図中の例のみに限定されない。

図２のように、レーザ光源２が発射したレーザ光は、２つのミラー３１，３１で順次反射してからテーブルＴ上の被加工物Ｗに到達する。そして、ガルバノスキャナ３の２つのサーボモータ３２，３２が２つのミラー３１，３１をそれぞれ回転駆動すると、それらミラー３１，３１に入射するレーザ光の入射角が連続的に変化させられる。その結果、被加工物Ｗに到達するレーザ光が、被加工物Ｗの上面を所定の走査経路に沿って走査するようになる。この際、被加工物Ｗに到達したレーザ光は、図１１及び図１２に示される例と同様に、全長５ｍｍ程度の行程に沿った往復運動を繰り返す。つまり、被加工物Ｗの上面におけるレーザ光の走査経路は、図１３に示されるレーザ光の走査経路Ｐと同様である。このようにして積層体の各層に対する焼結工程が実行される。

図１３から分かるように、ガルバノスキャナ３によるレーザ光の走査経路Ｐは、上述した帯状領域Ｒ（図１１及び図１２参照）の横断方向と平行なＸ方向の成分と、帯状領域Ｒの長手方向と平行なＹ方向の成分と、から構成されている。上述した通り、レーザ光の走査経路のＸ方向の全長Ｌは例えば５ｍｍである。そして、被加工物Ｗの１つの薄層に対する焼結工程では、ガルバノスキャナ３の一方のサーボモータ３２の回転運動が、Ｘ方向に沿ったレーザ光の直線運動（すなわち、往復運動）を引き起こし、他方のサーボモータ３２の回転運動が、Ｙ方向に沿ったレーザ光の直線運動を引き起こす。ただし、図１１及び図１２から分かるように、被加工物Ｗに新たな薄層が供給される都度、帯状領域Ｒの向きが９０°回転されるので、新たな薄層に対する焼結工程では、当該一方のサーボモータ３２の回転運動が、Ｙ方向に沿ったレーザ光の直線運動を引き起こし、当該他方のサーボモータ３２の回転運動が、Ｘ方向に沿ったレーザ光の直線運動（すなわち、往復運動）を引き起こす。なお、被加工物Ｗにおける走査経路Ｐ上のレーザ光の位置及び速度、すなわち、ミラー３１，３１を回転駆動するサーボモータ３２，３２の回転位置及び回転速度は、上記の動作制御装置４によって制御される。また、レーザ光源２が発射するレーザ光の強度及びオンオフの切り替え等は、上記のレーザ制御装置５によって制御される。

再び図１を参照すると、本例の動作制御装置４は、上位制御装置６から受信した駆動指令に従ってガルバノスキャナ３の１つのサーボモータ３２の動作を制御する機能を有する。なお、図１には１つの動作制御装置４のみが示されているものの、本実施形態の加工システム１はサーボモータ３２と同じ個数の動作制御装置４を有している。また、本例のレーザ制御装置５は、上位制御装置６から受信した制御信号に従ってレーザ光源２のレーザ光の強度を制御する機能を有する。特に、本例の加工システム１は、各サーボモータ３２の現実の動作を検出する検出器７をさらに含んでおり、動作制御装置４及びレーザ制御装置５は、検出器７から取得した情報に基づくフィードバック制御を実行する。この点についてはさらに後述する。上記の検出器７は、例えば、各サーボモータ３２に装着されたロータリーエンコーダである。

図３は、図１の加工システム１における動作制御装置４の構成を示すブロック図である。図３のように、本例の動作制御装置４は、偏差計算部４１、学習制御部４２、加算器４３、及びサーボ制御部４４を含んでいる。ここで、偏差計算部４１は、上位制御装置６から取得した駆動指令と、検出器７から取得したフィードバック情報と、の間の偏差を所定のサンプリング周期で計算する。また、学習制御部４２は、偏差計算部４１が計算した偏差を極小にするような補正量を生成する。学習制御部４２の具体的な構成については後述する。また、加算器４３は、偏差計算部４１が計算した偏差と、学習制御部４２が生成した補正量と、を加算する。加算器４３による加算結果は、所定のゲイン（ポジションゲイン）で増幅されてからサーボ制御部４４に入力される。そして、上記の補正量による補正後の偏差に基づいてサーボモータ３２の動作を制御する。特に、本例のサーボ制御部４４は、一般的なＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御方式に従ってサーボモータ３２の回転速度及び電流値等を制御する。

図４は、図３の動作制御装置４における学習制御部４２の構成を示すブロック図である。図４のように、本例の学習制御部４２は、加算器４２１、帯域制限フィルタ４２２、遅延メモリ４２３、及び位相補償器４２４を含んでいる。ここで、加算器４２１は、上記の偏差計算部４１から入力された偏差と、遅延メモリ４２３に保持されている一周期前の補正量と、を加算する。また、帯域制限フィルタ４２２は、一般的なローパスフィルタであり、加算器４２１による加算結果の高周波領域を遮断する。また、遅延メモリ４２３は、帯域制限フィルタ４２２からの出力値を１周期分の期間にわたって保持する。また、位相補償器４２４は、帯域制限フィルタ４２２からの出力値に対する位相補償を実行する。そして、位相補償器４２４からの出力値が、新たに偏差計算部４１で計算された偏差を補正するための補正量として、上記の加算器４３に入力される。

このように、本例の学習制御部４２は、遅延メモリ４２３に保持されている１周期前の偏差を用いて、新たに計算された偏差を補正するための補正量を生成している。再び図３を参照すると、加算器４３は、偏差計算部４１が計算した偏差と、学習制御部４２が生成した補正量と、を加算することによって当該偏差を補正している。そして、サーボ制御部４４は、上記の補正量による補正後の偏差に基づいてサーボモータ３２の動作を制御している。このような制御方法は一般に学習制御（或いは、繰り返し制御）と称される。学習制御を繰り返し実行することによって、偏差計算部４１が計算する偏差をゼロに向かって収束させることができる。なお、本実施形態の加工システム１の動作制御装置４における学習制御部４２は必須の構成要素ではなく、これは省略されてもよい。学習制御部４２が省略される場合、動作制御装置４のサーボ制御部４４は、偏差計算部４１が計算した偏差に基づく通常のフィードバック制御を実行する。

再び図１を参照すると、上位制御装置６は、ガルバノスキャナ３に対する駆動指令、及びレーザ光源２に対する強度指令を含む、種々の制御信号を生成して動作制御装置４及びレーザ制御装置５に送信する機能を有する。特に、本例の上位制御装置６は、レーザ光を図１３中のＸ方向に沿って往復移動させるための駆動指令として、サーボモータ３２に対する正弦波状の速度指令を生成する。図５は、上位制御装置６が生成した速度指令の一例を示すグラフである。図５のように、本例による速度指令の時間変化は正弦曲線によって表されており、図中の座標系の原点Ｏは、図１３の走査経路Ｐの始点Ｂに対応している。また、本例では、サーボモータ３２が順方向に回転する間は（すなわち、回転速度が正の値である間は）レーザ光が図１３中のＸ方向に沿って移動し、サーボモータ３２が逆方向に回転する間は（すなわち、回転速度が負の値である間は）レーザ光がＸ方向の逆向きに移動する。上位制御装置６が生成した正弦波状の駆動指令は動作制御装置４に送信される。そして、動作制御装置４は、上位制御装置６から取得した正弦波状の駆動指令に従ってサーボモータ３２の動作を制御する。

このように、本例の加工システム１によれば、各サーボモータ３２の動作が正弦波状の駆動指令（図５を参照）に従って制御されるので、被加工物Ｗの上面でレーザ光を往復移動させるサーボモータ３２の加減速が円滑化される。そのため、図５及び図１４から分かるように、本例の加工システム１によれば、レーザ光を往復移動させるサーボモータ３２の最高速度が比較的大きくなるので、レーザ焼結工程の所要時間が短縮され得る。なお、本例の加工システム１では、動作制御装置４の学習制御部４２が、サーボモータ３２の駆動指令とフィードバック情報との間の制御偏差をゼロに向かって収束させる学習制御を実行し得るので、サーボモータ３２が高速化されても、サーボモータ３２の動作を駆動指令に高精度に追従させることができる。その結果、レーザ焼結による高速かつ高精度の造形加工が実現される。

再び図１を参照すると、レーザ制御装置５は、検出器７が検出したサーボモータ３２の現実の動作に応じてレーザ光の強度を制御するように構成されている。より具体的に、本例のレーザ制御装置５は、検出器７から取得したサーボモータ３２の回転速度に所定の出力係数を掛けることによってレーザ光の強度を決定している。その結果、例えば、レーザ光の走査速度が増加するとレーザ光の強度が大きくされ、レーザ光の走査速度が減少するとレーザ光の強度が小さくされる。そして、レーザ光の走査速度がゼロになると（すなわち、レーザ光が停止すると）レーザ光の強度がゼロにされる。このようにレーザ光の現実の走査速度に応じてレーザ光の強度を制御することで、上述した正弦波状の駆動指令が採用される場合であっても、レーザ光の往復移動中に発生する焼結ムラを軽減することができる。なお、本例の加工システム１における動作制御装置４及びレーザ制御装置５は同一のプロセッサに組み込まれるのが好ましい。これにより、サーボモータ３２とレーザ光源２の制御が同一のプロセッサで実行されるので、サーボモータ３２のフィードバック情報をレーザ光の強度に反映させる際の応答時間を最小化することができる。

次に、本実施形態の加工システム１におけるレーザ光源２及びガルバノスキャナ３の制御方法についてフローチャートを参照して説明する。図６は、レーザ光源２及びガルバノスキャナ３の例示的な制御方法の手順を示すフローチャートである。図６のように、先ず、ステップＳ６０１では、上位制御装置６が、ガルバノスキャナ３のサーボモータ３２に対する正弦波状の駆動指令を生成する（図５を参照）。ステップＳ６０１で生成された駆動指令は、動作制御装置４の偏差計算部４１に送信される。次いで、ステップＳ６０２では、検出器７がサーボモータ３２の現実の動作を検出して動作制御装置４の偏差計算部４１に送信する。

次いで、ステップＳ６０３では、動作制御装置４の偏差計算部４１が、上位制御装置６から取得した駆動指令と、検出器７から取得したサーボモータの現実の動作と、の間の制御偏差を計算する。ステップＳ６０３で計算された偏差は、学習制御部４２及び加算器４３に送信される。次いで、ステップＳ６０４では、動作制御装置４の学習制御部４２が、偏差計算部４１から取得した制御偏差を極小にする補正量を生成する。このような補正量を生成する方法は上述した通りである。また、サーボモータの制御偏差を補正するための適切な補正量を生成する方法は特許文献２にも開示されている。次いで、ステップＳ６０５では、動作制御装置４のサーボ制御部４４が、ステップＳ６０４で生成された補正量による補正後の制御偏差に基づくサーボモータ３２のフィードバック制御を実行する。次いで、ステップＳ６０６では、レーザ制御装置５が、検出器７が検出したサーボモータの現実の動作に応じてレーザ光の強度を制御する。より具体的に、レーザ制御装置５は、現実の回転速度に所定の出力係数を掛けてレーザ光の強度を決定する。

次に、本実施形態の加工システム１における制御偏差の数値シミュレーション結果について説明する。図７は、上述した正弦波状の速度指令（図５を参照）に基づく位置偏差の数値シミュレーション結果を、当該速度指令に対応する位置指令と一緒に示すグラフである。他方、図８は、従来のステップ状の速度指令（図１４を参照）に基づく制御偏差の数値シミュレーション結果を、当該速度指令に対応する位置指令と一緒に示すグラフである。図７及び図８の数値シミュレーションでは、レーザ光が全長５ｍｍの行程を１５ｍｓｅｃで往復移動するという条件の下で位置偏差が計算されている。そのため、図７及び図８の横軸（時間軸）の全長は１５ｍｓｅｃの期間に相当する。上記の条件は、後述する図９及び図１０の数値シミュレーションでも同様に採用されている。なお、図７及び図８の数値シミュレーションでは、学習制御部４２によるサーボモータ３２の学習制御は実行されていない。

図７及び図８の各々を参照すると、位置指令のグラフ７１，８１上の各点の数値が左側の縦軸（１ｍｍ／ｄｉｖ）で表され、位置偏差のグラフ７２，８２上の各点の数値が、右側の縦軸（１ｍｍ／ｄｉｖ）で表されている。なお、左側の縦軸で表される位置指令の数値（ｍｍ）は、レーザ光の往復移動の起点ＢからのＸ方向の変位に相当する（図１３を参照）。図７及び図８から分かるように、従来のステップ状の速度指令が採用される場合には、位置偏差の最大値ｄ_maxが５００μｍであるのに対して（図８を参照）、上述した正弦波状の速度指令が採用される場合には、位置偏差の最大値ｄ_maxが２００μｍに減少している（図７を参照）。このように正弦波状の駆動指令に従ってサーボモータ３２の動作を制御することによって、サーボモータ３２の制御偏差を大幅に縮小できることが分かる。

続いて、図９及び図１０は、図７及び図８にそれぞれ対応する制御偏差の数値シミュレーション結果を示すグラフである。図９及び図１０の数値シミュレーションでは、学習制御部４２によるサーボモータ３２の学習制御が実行されている。その他の条件は、上述した図７及び図８の数値シミュレーションと同様である。図９及び図１０の各々を参照すると、図７及び図８と同様に、位置指令のグラフ９１，１０１上の各点の数値が左側の縦軸（１ｍｍ／ｄｉｖ）で表され、位置偏差のグラフ９２，１０２上の各点の数値が右側の縦軸で表されている。ただし、図１０中の右側の縦軸の１目盛の大きさが図７及び図８と同様に１ｍｍであるのに対して、図９中の右側の縦軸の１目盛の大きさが１μｍであることに注意が必要である。

図９及び図１０から分かるように、従来のステップ状の速度指令が採用される場合には、位置偏差の最大値ｄ_maxが２３０μｍであるのに対して（図１０を参照）、上述した正弦波状の速度指令が採用される場合には、位置偏差の最大値ｄ_maxが０．２μｍに減少している（図９を参照）。このように正弦波状の駆動指令を採用することに加えて、学習制御部４２が生成した補正量で制御偏差を補正してからフィードバック制御を実行することで、サーボモータ３２の位置偏差をさらに大幅に縮小できることが分かる。

以上のように、本実施形態の加工システム１によれば、ガルバノスキャナ３のサーボモータ３２の動作が正弦波状の駆動指令（図５を参照）に従って制御されるので、レーザ光を往復移動させるサーボモータ３２の加減速が円滑化される。従って、本実施形態の加工システム１によれば、レーザ光の走査精度を維持しつつレーザ光の走査速度を高速化することができ、結果的に、レーザ焼結による造形加工の生産性を向上させることができる。なお、図３及び図４のブロック図、並びに図６のフローチャート等には、ガルバノスキャナ３の一方のサーボモータ３２の制御方法のみが示されているものの、他方のサーボモータ３２もこれと同様に制御される。

本発明は、上記の実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で種々改変されうる。例えば、上記の実施形態の加工システム１は、レーザ焼結工程の繰り返しによって三次元的な造形物を形成する光造形加工機であるものの、本発明の加工システム１は、ガルバノスキャナ３の動作によってレーザ光を繰り返し往復移動させる加工機であれば如何なるものであってもよい。また、上記の実施形態に記載された加工システム１の各装置の構造及び機能等は一例にすぎず、本発明の効果を達成するために多様な構造及び機能等が採用され得る。

１ 加工システム
２ レーザ光源
３ ガルバノスキャナ
３１ ミラー
３２ サーボモータ
４ 動作制御装置
４１ 偏差計算部
４２ 学習制御部
４２１ 加算器
４２２ 帯域制限フィルタ
４２３ 遅延メモリ
４２４ 位相補償器
４３ 加算器
４４ サーボ制御部
５ レーザ制御装置
６ 上位制御装置
７ 検出器
Ｂ 起点
Ｌ 全長
Ｍ 金属粉末
Ｒａ 回転軸線
Ｒｂ 回転軸線
Ｐ 走査経路
Ｓ 帯状領域
Ｔ テーブル
Ｗ 被加工物

Claims (3)

1. レーザ光の走査方向を変更しながら被加工物を造形する光造形加工機であって、
   レーザ光を生成するレーザ光源と、
   前記レーザ光を反射するミラー及び前記ミラーを回転駆動するサーボモータを備え、前記レーザ光を被加工物に照射するガルバノスキャナと、
   前記サーボモータに取付けられていて前記サーボモータの現実の動作を検出するロータリーエンコーダと、
   前記サーボモータの動作を制御する動作制御装置と、
   前記レーザ光の強度を制御するレーザ制御装置と、
   前記走査方向に対応する正弦波状の駆動指令を前記動作制御装置に送信すると共に、前記レーザ光の強度指令を前記レーザ制御装置に送信する上位制御装置と、
   を備え、
   前記動作制御装置及び前記レーザ制御装置は、前記ロータリーエンコーダから取得した情報に基づいてフィードバック制御を実行し、
   前記動作制御装置は、
   前記上位制御装置から受信した前記正弦波状の駆動指令と、前記ロータリーエンコーダが検出した前記サーボモータの現実の動作との間の第１偏差を所定のサンプリング周期で計算する偏差計算部と、
   前記第１偏差と前記正弦波状の駆動指令における１周期前に計算した１周期前補正量とに基づいて前記第１偏差を補正するための補正量を生成する学習制御部と、
   前記補正量による補正後の第２偏差と前記サーボモータの現実の動作とに基づいて前記サーボモータの動作を制御するサーボ制御部と、
   を備え、
   前記レーザ制御装置は、前記上位制御装置から受信した前記強度指令と、前記ロータリーエンコーダが検出した前記サーボモータの回転速度とに応じて前記レーザ光の強度を制御する、光造形加工機。
2. 前記レーザ制御装置は、前記ロータリーエンコーダが検出した前記サーボモータの回転速度に所定の係数を掛けて前記レーザ光の強度を決定する、請求項１に記載の光造形加工機。
3. 前記動作制御装置と前記レーザ制御装置とが同一のプロセッサに組み込まれる、請求項１又は２に記載の光造形加工機。

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