KR101186258B1 - 레이저 가공장치의 스테이지와 스캐너의 동기화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 가공장치의 스테이지와 스캐너의 동기화 방법에 관한 것이다. 본 발명은 스테이지를 작동해서 가공한 후에, 스테이지에 대한 좌표 오차를 보정하는 스테이지 코디네이션 단계; 스캐너를 작동해서 가공한 후에, 스캐너에 대한 오차를 보정하는 스캐너 코디네이션 단계; 및 상기 스테이지와 상기 스캐너를 동시에 작동시킨 후에, 상기 스테이지와 상기 스캐너의 좌표 오차를 보정하는 동기화 단계;를 포함하는 레이저 가공장치의 스테이지와 스캐너의 동기화 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 개별적으로 동작되던 스테이지와 스캐너를 동기화시킬 수 있어서 가공속도 및 가공의 정밀도가 향상될 수 있다. 특히 본 발명은 피가공물을 정지시키지 않으면서 X.Y축 스테이지 동작 속도에 따라 스캐너를 실시간으로 제어할 수 있다.

Description

레이저 가공장치의 스테이지와 스캐너의 동기화 방법{Synchronizing Method for Stage and Scanner in Laser Processing Apparatus}

본 발명은 레이저 가공장치의 스테이지와 스캐너의 동기화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 범용적으로 사용될 수 있는 레이저 가공장치의 스테이지와 스캐너의 동기화 방법에 관한 것이다.

레이저 가공장치는 구성방법 및 사용목적에 따라 레이저를 일정한 지점에 주사시키고 포커싱렌즈로 집광시킨 상태에서 X.Y축 스테이지만 구동시켜 원하는 형상을 가공하는 방법과 피가공물을 정지한 상태에서 2축 혹은 3축 갈바노모터에 미러를 부착한 스캐너로 형상을 가공하는 방법과 다관절 로봇을 이동시키면서 레이저 스캐너로 용접하는 기술 및 저속 x.y스테이지 콘트롤러와 고속스캐너 콘트롤러의 데이터를 분석처리하는 다중속도위치설정시스템을 별도로 제작하여 처리하는 방법 등이 있다.

X.Y축 스테이지만 구동시켜 원하는 형상을 가공하는 방법은 대면적 가공이 가능하나 가공속도가 스캐너 가공보다 느리며, 스캐너로 형상을 가공하는 방법는 고속 가공는 가능하지만 가공면적이 좁기 때문에, 대면적 고속가공을 위해서는 스테이지를 움직이면서 동시에 스캐너 가공하는 방법(Laser on the fly processing)이 유용하다. Laser on the fly processing은 한 방향으로만 움직이는 콘베이어 벨터 등에 움직이는 속도에 맞추어 제품의 움직임의 변화만큼 가감하여 가공 데이터를 수정하므로써 피가공물에 대해 이송 중 정지 없이 스캐너로 가공하는 기술이다.

그러나 이러한 방법을 구현하기 위해서는 비용이 많이 소모되기 때문에 이를 절감할 수 있는 방법의 필요성과 기존에 개별적으로 사용되어 왔던 스테이지와 스캐너를 동시에 구동하는 방법에 대한 개발 필요성이 대두된다. 또한 동시에 구동하는 경우에 정밀도를 향상시키는 것이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 정밀도가 향상된 레이저 가공장치의 스테이지와 스캐너의 동기화 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 기존에 개별적으로 사용되어 왔던 스테이지와 스캐너를 동시에 구동하도록 할 수 있는 레이저 가공장치의 스테이지와 스캐너의 동기화 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 스테이지를 작동해서 가공한 후에, 스테이지에 대한 좌표 오차를 보정하는 스테이지 코디네이션 단계; 스캐너를 작동해서 가공한 후에, 스캐너에 대한 오차를 보정하는 스캐너 코디네이션 단계; 및 상기 스테이지와 상기 스캐너를 동시에 작동시킨 후에, 상기 스테이지와 상기 스캐너의 좌표 오차를 보정하는 동기화 단계;를 포함하는 레이저 가공장치의 스테이지와 스캐너의 동기화 방법을 제공한다.

또한 상기 좌표 오차의 보정은 실제 가공된 좌표와 도면의 좌표를 비교해서 차이를 판단하고, 그 차이를 보정하는 방식으로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 동기화 단계는 속도에 대한 보정, 방향에 대한 보정, 스캐너 점퍼에 대한 보정 중 적어도 하나를 포함하는 것이 가능하다.

이때 상기 속도에 대한 보정은 스테이지 속도와 스캐너의 속도 차이를 섹터 별로 나누고, 그 섹터에 따라 보정계수를 두어서 보정할 수 있고, 상기 방향에 대한 보정은 스테이지의 이동 방향과 스캐너의 이동 방향에 따라 보정계수를 두어서 보정할 수 있으며, 상기 스캐너 점퍼에 대한 보정은 스캐너의 점퍼속도를 섹터 별로 구분해서, 그 섹터에 따라 보정계수를 두어서 보정하는 것이 가능하다.

본 발명에 따르면, 개별적으로 동작되던 스테이지와 스캐너를 동기화시킬 수 있어서 가공속도 및 가공의 정밀도가 향상될 수 있다. 특히 본 발명은 피가공물을 정지시키지 않으면서 X.Y축 스테이지 동작 속도에 따라 스캐너를 실시간으로 제어할 수 있다.

또한 저렴한 비용으로 스테이지와 스캐너를 동기화시킬 수 있어서, 다수의 기존 장비에 적용하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 스테이지와 스캐너를 구비한 레이저 가공장치를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 동기화 방법의 개략 순서도.
도 3은 도 2를 구체적으로 설명한 순서도.
도 4는 좌표 오차를 보정하는 과정을 도시한 도면.
도 5는 도 4를 구체적으로 설명한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 스캐너의 구성에 대한 개략도.
도 7은 오차 보정 전의 가공도면.
도 8은 스캐너의 오차를 보정하는 과정을 도시한 도면.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 스테이지와 스캐너를 구비한 레이저 가공장치를 도시한 개략도이다. 이하 도 1을 참조해서 설명한다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치는 X,Y축으로 이동할 수 있는 스테이지(4)와 X, Y, Z축 방향으로 거동할 수 있는 스캐너(2)와 각각을 제어하는 제어부로 구성될 수 있다.

피가공물은 상기 스테이지(4)의 상단에 놓이고, 스테이지(4)와 스캐너(2)가 동시에 각각의 축방향으로 거동되면서 피가공물을 가공할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 동기화 방법의 개략 순서도이다. 이하 도 2를 참조해서 설명한다.

본 발명은 스테이지의 코디네이션 단계(S10), 스캐너의 코디네이션 단계(S20)와 스테이지와 스캐너의 동기화 단계(S30)로 이루어진다.

본 발명에서는 우선 스테이지(4)를 작동해서 피가공물을 가공한 후에, 스테이지(4)에 대한 좌표 오차를 보정하는 스테이지 코디네이션 단계(S10)가 수행된다. 그리고 스캐너(2)를 작동해서 피가공물을 가공한 후에, 스캐너(2)에 대한 좌표 오차를 보정하는 스캐너 코디네이션 단계(S20)가 수행되고, 최종적으로 상기 스테이지와 상기 스캐너(2)를 동시에 작동시킨 후에, 상기 스테이지(4)와 상기 스캐너(2)의 좌표 오차를 보정하는 동기화 단계(S30)가 수행된다.

도 3은 도 2를 구체적으로 설명한 순서도이고, 각각의 단계에 대해서 도 2 보다 구체적으로 도시한다. 점선으로 이루어진 전체 박스는 도 2의 각각의 단계에 매칭되고, 점선으로 이루어진 박스의 내부 과정이 각각의 단계에서 이루어지는 세부 과정을 의미할 수 있다.

도 4는 좌표 오차를 보정하는 과정을 도시한 도면이다. 이하 도 4를 참조해서 설명한다.

모터로 구동되는 X.Y축 스테이지(4)는 정지 및 동작을 하기 위해 가, 감속도를 설정하나 스테이지별 모터 특성에 따라 조금씩 이송특성에 차이가 있고 또한 순방향 및 역방향 동작에 따라 차이를 갖고 있다. 정밀한 스테이지라도 실시간 X.Y축에 주어지는 전기신호인 펄스를 잃어버리는 에러가 발생되며 정도의 차이는 있으나 스테이지 포지션별로 차이가 발생한다.

따라서 스테이지에 일정한 동작 펄스가 주어지면 일정한 거리를 움직여나 하나 실제적으로 조금 더 많이 움직이거나 조금 적게 움직이므로 구간 별로 스테이지가 조금 많이 움직일 경우는 그 만큼 동작 펄스을 적게 주고 스테이지가 조금 적게 움직이는 경우는 동작펄스를 많이 주는 보정하는 것이 필요하다.

또한 오차는 스캐너 및 스테이지를 동시에 움직여서 가공을 하는 과정에도 동일하게 발생할 수 있다.

본 발명에서 좌표 오차를 보정하는 방식은 2점쇄선으로 도시된 도면의 좌표인 정확한 좌표와, 실선으로 도시된 좌표인 실제 가공된 좌표를 비교해서 차이를 판단하고, 그 차이(거리편차:a)를 보정하는 방식으로 이루어 진다. 즉 본 발명에서 좌표 오차를 보정하면 실제 가공시에 2점쇄선으로 이루어진 격자의 형태로 피가공물을 가공할 수 있다.

이러한 좌표 오차를 보정하는 과정은 격자의 수를 차츰 늘리는 과정을 통해서 정밀도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 9*9, 18*18, 27*27과 같이 단계적으로 늘리는 것이 가능하고, 이 경우에 9*9를 이용한 격자의 간격이 1cm라면 27*27은 0.3cm이기 때문에 오차를 판단할 수 있는 점들의 개수가 늘어나고, 그 오차에 대한 측정값이 보다 정확해져서 정밀도가 향상될 수 있다.

도 5는 도 4를 구체적으로 설명한 도면이다. 이하 도 5를 참조해서 설명한다. 도 5에서 도면상의 좌표는 오차가 없는 정확한 좌표(100% 정밀한 경우인 이상적인 좌표)를 의미하고, 실제 가공된 좌표는 좌표 보정이 이루어지기 전에 가공된 좌표(오차를 포함하고 있는 좌표)를 의미한다.

레이저로 가공 후 도면상의 좌표와 실제 레이저로 가공된 좌표를 비교하기 위하여 실제 가공된 좌표를 측정한다. 실제 가공된 좌표값은 모터 엔코드의 소요 펄스수로도 알수 있고(PMAC제어기 전용 S/W) 레이저로 측정하는 맵핑(mapping)장비로 측정하거나 고정밀 공구현미경을 사용하여 정밀 측정할 수 있다. 도면상의 좌표(Dx,Dy)와 실제로 레이저 가공된 좌표의 차이값이 ΔX,ΔY값이다. 좌표값(Dx,Dy) 계산은 다음과 같다.

Dx=k*ΔX,

Dy=k*ΔY (여기서 k값은 x.y스테이지 펄스 변환 계수이다.)

각 구간별 코디네이션(오차 보정) 하여야 할 좌표값(Dx,Dy)은 컴퓨터의 연산기록 장치에 저장하여 가공영역 내에서 반영토록 한다. 즉, 코디네이션 하기 전에 1mm은 임의의 구간에서는 10,000 펄스가 소요되어 실제 레이저 가공 결과 0.9mm을 움직일 경우 제어기에 11,000펄스를 주도록 하여야 실제로 1mm을 움직이므로 코디네이션은 이와 같이 구간별 좌표값에 대한 펄스 보정을 주도록 프로그램하는 것이 가능하다. 프로그램 방법은 다차 행렬식으로 처리하거나 프로그램에서 거리편차에 대한 보정 데이터를 구간별로 보상 처리하는 방법을 사용할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 스캐너의 구성에 대한 개략도이고, 도 7은 오차 보정 전의 가공도면이다. 이하 도 6 및 도 7을 참조해서 설명한다.

도 6은 스캐너를 각도 회전시켜 도형을 레이저 가공하는 방식을 도시하는데, 이러한 가공을 하는 경우에 실제로는 도 7(a), 7(b), 7(c)와 같이 왜곡되어 가공하는 현상이 발생한다. 도 7(a)는 스캐너의 X.Y축 정밀 정렬에 기인하며, 도 7(b)는 스캐너에 부착되는 f-theta렌즈에 광학적 원인에 인해 발생될 수 있고, 도 7(c)는는 이 두가지 원인인 복합적으로 작용하여 발생하는 것으로 알려져 있다.

도 8은 스캐너의 오차를 보정하는 과정을 도시한 도면이다. 이하 도 8을 참조해서 설명한다.

x.y축 갈바노메터에 부착된 미러의 회전에 따라 형상을 가공하는 스캐너(2)는 스테이지 모터와 동일하게 펄스로 제어하며 갈바노메타의 후면에서 회전상태를 감지하는 센서를 부착하여 회전각도와 속도를 감지하거나 레이저 미러 후면에 레이저를 발사하여 피드백되는 레이저 신호로 회전각도 및 속도를 파악 할 수 있다.

스캐너의 x.y축 갈바노메터는 고정자와 회전자로 구성되며 고정자는 영구자석이며 회전자는 코일로 구성되었다. 코일에 전류를 통하면 원주방향으로 힘, 즉 로렌츠력이 작용한다. 이 힘이 스캐너를 구동하는 토크로 되며 이 토크는 코일에 흐르는 전류에 비례하고 그 비례상수가 토크 상수이다. 갈바노메터는 한정된 각도 범위에서 미러를 회전시키는 동작을 하지만 이 각도 범위내에서 토크 상수의 차이로 스캐너의 특성은 항상 동일하지 않다. 즉 영구자석의 중앙부근에서의 자속보다 가장자리로 갈수록 토크 상수가 저하가 발생한다. 갈바노메터의 회전 각도에 따라서 토크상수가 변화하기 때문에 어떤 각도에서도 동일한 위치 응답성을 가지도록 보정할 필요가 있다.

토크상수의 변화는 중앙의 원점에서 토크상수를 정규값으로 하여 토크 상수는 실선으로 표시되는 곡선이 되고 이을 보상하기 위한 보정계수는 점선으로 나타내는 곡선이 되므로 갈바노메타의 회전각은 4차함수로 접근 할 수 있다.

이 4차 함수를 Tc = a1θ ⁴+a2θ ³+a3θ² +a4θ¹ +a5 로 놓은다. 단 Tc는 제어 대상의 이득(gain)역수, θ는 회전각, a1,a2,a3,a4,a5는 계수이다 회전각과와 계수로부터 보정계수를 계산하고 디지털 신호화시켜 갈바노메타 D/A변환기로 주어지면 D/A변환기는 양전압과 음전압을 가해 갈바노메터 원전으로부터 좌측 혹은 우측 회전을 하게 되는데 원점에서의 각 각도별 토크상수의 변화를 보상하고 갈바노메터의 동적 특성을 일정하게 유지하도록 한다.

동적 특성이 직선적으로 바뀌면 X.Y축 갈바노메터 회전범위 즉 스캐너의 작업영역에서 가공 치수정밀도를 보정한다. 스캐너의 작업영역이 100*100mm일때 Scanlab사 RTC-4제어보드에서 펄스신호가 약 65,000펄스로 제어한다 사각형을 그려 레이저로 가공시 그려진 치수보다 작거나 커면 이를 보상한다. 보상은 비례식으로 풀며 그려진 치수가 1이라고 하면 클 경우 1보다 작은 수치로 보상하고 작은 경우 1보다 큰 수치로 보상한다. 보상은 소숫점 5자리이상으로 할 수 있다.

이하, 스테이지와 스캐너의 동기화 단계(S30)에 대해서 구체적으로 설명한다.

스테이지와 스캐너는 개별적으로 오차를 보정하여도 상호가 동시 동작을 하는 경우에는 또 다른 원인 때문에 오차가 발생할 수 있어, 동시 동작을 하는 경우를 대비해서 추가적인 좌표 보정을 하는 것이 필요하다. 스테이지와 스캐너의 동기화 단계에서는 좌표 오차를 보정하는 것 외에도 속도에 대한 보정, 방향에 대한 보정, 스캐너 점퍼에 대한 보정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 동기화 단계에서는 스캐너 및 스테이지 구동에 따른 여러 가지 파라메터값이 적용될 수 있다. 즉 레이저 on/off지연시간, 가공 및 이동 스캐너 지연시간, 스테이지 가감속도 및 지연시간 등의 파라메터 값이 동기화를 할 때에 고려되어야 하는 사항이다.

첫째, 동기화 단계에서 좌표 보정은 앞에서 도 4와 도 5에서 설명한 바와 같이 이루어질 수 있다. 좌표 보정은 스테이지와 스캐너의 각각의 코디네이션 값이 정확하여도 두 개의 장비를 동시에 움직이면 추가적인 차이가 발생할 수 있으므로 동기화 과정이 수행되는 동안 새로운 격자를 이용해서 보정을 수행한다. 보정값은 스테이지를 보정하는 경우 또는 스캐너에 보정값을 주어 보정하는 경우가 있을 수 있다. 이 중에서 거리는 스테이지를 보정하고 각도는 스캐너를 보정하는 것이 용이할 수 있다. 이외에도 스테이지와 스캐너를 동시에 보정하는 것도 가능하다.

둘째, 속도에 대한 보정은 스테이지 속도와 스캐너 속도 차이를 섹터별로 나누어서, 그 섹터에 따라 보정계수를 두어 보정하는 방식으로 이루어질 수 있다. 스테이지와 스캐너의 속도를 고려하지 않으면 스캐너 가공이 완료되는 시점에 스테이지가 먼저 동작을 완료하거나 혹은 스캐너 완료시점보다 뒤에 동작을 완료하는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우에 스테이지와 스캐너 사이에 오차가 발생해서 가공의 정밀도가 떨어질 수 있고, 가공 속도가 떨어진다는 문제가 발생할 수 있다. 보정계수를 이용해서 스캐너와 스테이지가 동시에 시작하고 동시에 종료할 수 있고, 그에 의해서 보다 정확하게 도형을 가공할 수 있다.

셋째, 방향에 대한 보정은 스테이지의 이동 방향과 스캐너의 이동 방향에 따라 보정계수를 두어서 보정하는 것이 가능하다. 스테이지 및 스캐너가 동일한 방향이거나 반대 방향으로 이동할 때에에는 동일한 알고리즘을 적용하여 가공이 이루어지더라도 경우에 따라 가공 차이가 발생될 수 있다. 따라서 동기화 단계에서는 방향에 대해서도 보정 계수가 필요하다.

이때 보정계수는 (스테이지 +방향, 스캐너 +방향), (스테이지 +방향, 스캐너 -방향) 등의 조합으로 나누고, 각각에 따라 보정계수의 값을 달리하여 보정하는 것이 가능하다.

넷째, 스캐너 점퍼에 대한 보정은 스캐너의 점퍼속도를 섹터 별로 구분해서, 그 섹터에 따라 보정계수를 두어서 보정하는 것을 의미한다.

가공 도형이 스캐너 가공 영역을 벗어나거나 스캐너 가공 영역 밖에서 다른 도형을 다시 가공할 때에 레이저는 off되었다가 다시 on되는데, 이것을 스캐너 점퍼라고 한다. 해당되는 가공 위치에서 다시 레이저가 분사될 때에, 점퍼 속도에 따라 원하는 도형이 제대로 그려지지 않을 수 있다. 이는 레이저의 분사 순간 등에 대한 오차가 발생할 수 있기 때문이다. 따라서 스캐너 점퍼속도를 섹터 별로 구분하고, 섹터에 따라 보정계수를 두어서 보정하는 것이 가능하다.

본 발명에서 설명되는 보정계수는 보정의 종류에 따라 값을 달리할 수 있다. 또한 동일한 좌표 보정, 속도 보정, 방향 보정, 스캐너 점퍼에 대한 보정에 대해서도 실제 사용되는 장비의 종류나 특성에 따라서 다른 보정값이 사용될 수 있다. 예를 들어 동일한 속도 보정을 수행하더라도, 장비의 종류 및 특성에 따라 다른 크기나 다른 파라미터 값이 입력되는 것이 가능하다. 물론 동일한 크기의 속도 보정을 수행하더라도, 장비의 종류 또는 특성에 따른 다른 크기나 다른 파라미터 값이 입력되는 것이 가능하다. 본 발명은 기존에 동기화되어 있지 않은 장비를 동기화시키도록 하는 데에 특징이 있기 때문이다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

2: 스캐너 4: 스테이지

Claims (6)

1. 스테이지를 작동해서 가공한 후에, 스테이지에 대한 좌표 오차를 보정하는 스테이지 코디네이션 단계;
   스캐너를 작동해서 가공한 후에, 스캐너에 대한 오차를 보정하는 스캐너 코디네이션 단계; 및
   상기 스테이지와 상기 스캐너를 동시에 작동시킨 후에, 상기 스테이지와 상기 스캐너의 좌표 오차를 보정하는 동기화 단계;를 포함하고,
   상기 좌표 오차의 보정은 실제 가공된 좌표와 도면의 좌표를 비교해서 차이를 판단하고, 그 차이를 보정하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하며,
   상기 동기화 단계는 속도에 대한 보정, 방향에 대한 보정, 스캐너 점퍼에 대한 보정 중 적어도 하나를 포함하고,
   상기 속도에 대한 보정은 스테이지 속도와 스캐너의 속도 차이를 섹터 별로 나누고, 그 섹터에 따라 보정계수를 두어서 보정하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치의 스테이지와 스캐너의 동기화 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 방향에 대한 보정은 스테이지의 이동 방향과 스캐너의 이동 방향에 따라 보정계수를 두어서 보정하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치의 스테이지와 스캐너의 동기화 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 스캐너 점퍼에 대한 보정은 스캐너의 점퍼속도를 섹터 별로 구분해서, 그 섹터에 따라 보정계수를 두어서 보정하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치의 스테이지와 스캐너의 동기화 방법.

Images