KR20140128444A - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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KR20140128444A
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데이지 다카하시
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겐타로 사카
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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Abstract

레이저 조사 위치와 가공 지령 위치의 어긋남을 저감한 레이저 가공 장치를 얻는 것을 목적으로 하며, 본 발명의 레이저 가공 장치(200)에서는, 워크를 탑재하여 2차원 방향으로 이동하는 2차원 구동부(4)와, 상기 워크에 레이저 빔을 조사하여 2차원 방향으로 주사하는 레이저 주사부와, 상기 2차원 구동부의 위치 정보에 근거하여, 상기 2차원 구동부의 지연 시간만큼 앞의 예측 위치를 구하는 지연 보상 처리부(16), (22)와, 상기 2차원 구동부의 가속도 정보에 근거하여, 상기 2차원 구동부의 변형에 의한 보정량을 구하는 변형 보상 처리부(17), (23)를 구비하며, 상기 레이저 주사부로의 위치 지령, 상기 예측 위치, 및 상기 보정량에 근거하여 상기 레이저 주사부를 구동 제어하는 구성으로 하였다.

Description

레이저 가공 장치{LASER MACHINING DEVICE}
본 발명은, 레이저 주사 장치 및 레이저 주사 장치와 워크(work)의 상대 위치를 변화시키는 2차원 구동 장치를 구비한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
레이저 빔의 조사 위치를 결정하는 레이저 주사 장치 및 상기 레이저 주사 장치와 워크의 상대 위치를 결정하는 2차원 구동 장치를 구비한 레이저 가공 장치에 있어서, 레이저 주사 장치와 2차원 구동 장치가 서로 간섭하면서 구동하는 협조 구동의 제어(이하, 협조 제어)에서는, 2차원 구동 장치의 계측 위치를 기준으로 레이저 주사 장치를 구동하면, 레이저 주사 장치의 가감속 제어 등에 의한 지연 시간과 각종 통신의 지연 시간의 분만큼 워크와 레이저 주사 장치의 상대 위치가 변화하기 때문에 레이저 조사 위치가 가공 지령 위치로부터 어긋난다. 그 때문에, 2차원 구동 장치의 위치를 예측하여 레이저 주사 장치를 구동할 필요가 있어, 2차원 구동 장치의 상기 예측 위치에 근거하여, 레이저 주사 장치를 구동 제어해서, 가공을 행하는 레이저 가공 장치가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2002-1567호 공보
그러나, 상기 종래의 기술에 의하면, 2차원 구동 장치의 현재 위치와 현재 속도로부터 2차원 구동 장치의 예측 위치를 구하고 있지만, 2차원 구동 장치가 가감속하는 경우, 가감속시에 2차원 구동 장치 자체의 변형이 생김으로써, 상기 2차원 구동 장치의 예측 위치에 근거하여 레이저 가공을 행한 경우, 레이저 조사 위치와 가공 지령 위치간에 2차원 구동 장치의 변형에 따른 위치 어긋남이 발생한다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 상기에 감안하여 이루어진 것으로, 레이저 조사 위치와 가공 지령 위치의 어긋남을 저감한 레이저 가공 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 워크를 탑재하여 2차원 방향으로 이동하는 2차원 구동부와, 상기 워크에 레이저 빔을 조사하여 2차원 방향으로 주사하는 레이저 주사부와, 상기 2차원 구동부의 위치 정보에 근거하여, 상기 2차원 구동부의 지연 시간만큼 앞의 예측 위치를 구하는 지연 보상 처리부와, 상기 2차원 구동부의 가속도 정보에 근거하여, 상기 2차원 구동부의 변형에 의한 보정량을 구하는 변형 보상 처리부를 구비하며, 상기 레이저 주사부로의 위치 지령, 상기 예측 위치, 및 상기 보정량에 근거하여 상기 레이저 주사부를 구동 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 레이저 조사 위치와 가공 지령 위치의 어긋남을 저감할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 XY 테이블의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 XY 테이블의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 변형 보상 처리부의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 지연 보상 처리부의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 4에 따른 지연 보상 처리부의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 5에 따른 변형 보상 처리부의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태 6에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태 7에 따른 톱 테이블의 위치를 변경한 XY 테이블의 정면도이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태 8에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태 9에 따른 XY 테이블의 정면도이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태 9에 따른 XY 테이블의 측면도이다.
도 14는 본 발명의 실시 형태 9에 따른 XY 테이블의 Y방향 직동(直動) 안내의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 15는 본 발명의 실시 형태 9에 따른 각부에 작용하는 힘을 도시한 XY 테이블의 측면도이다.
도 16은 본 발명의 실시 형태 9에 따른 XY 테이블의 피칭의 모습을 나타내는 측면도이다.
도 17은 본 발명의 실시 형태 9에 따른 XY 테이블의 전단 변형의 모습을 나타내는 측면도이다.
도 18은 본 발명의 실시 형태 9에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 19는 본 발명의 실시 형태 10에 따른 XY 테이블의 정면도이다.
도 20은 본 발명의 실시 형태 10에 따른 XY 테이블의 Y방향 직동 안내의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 21은 본 발명의 실시 형태 10에 따른 XY 테이블의 요잉(yawing)의 모습을 나타내는 평면도이다.
도 22는 본 발명의 실시 형태 10에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 23은 본 발명의 실시 형태 11에 따른 XY 테이블의 정면도이다.
도 24는 본 발명의 실시 형태 12에 따른 복수개의 가공 헤드를 가지는 레이저 가공 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
이하에, 본 발명에 따른 레이저 가공 장치의 실시 형태를 도면에 근거하여 상세히 설명한다. 또, 본 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
(실시 형태 1)
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 레이저 가공 장치(200)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 이 레이저 가공 장치(200)는 레이저 빔(1)을 2차원으로 주사하는 레이저 주사 장치인 갈바노 스캐너(2a(X축 방향용), 2b(Y축 방향용))와, 워크(3)의 위치를 변화시키는 2차원 구동 장치인 XY 테이블(4)(2차원 구동부)을 구비하고 있다. 일반적으로, 갈바노 스캐너(2a, 2b)에서 가공 가능한 범위는 가공 범위 전체에 비해 작기 때문에, XY 테이블(4)로 워크(3)를 이동시키고, 가공 범위를 순차적으로 바꾸면서 가공을 행하지 않으면 안된다. 그 때문에 이러한 구성으로 되어 있다. 갈바노 스캐너(2a, 2b)의 선단에는 레이저 빔(1)을 주사하는 미러(X축)(64a), 미러(Y축)(64b)가 장착되어 있다. 또한, 갈바노 스캐너(2a, 2b)에는 회전 각도 계측을 위한 갈바노 인코더(5a, 5b)가 장착되어 있다. 레이저 빔(1)은 미러(64a)에서 반사하는 각도에 의해서 X축 방향의 조사 위치가 정해지고, 미러(64b)에서 반사하는 각도에 의해서 Y축 방향의 조사 위치가 정해진다. 고속으로 위치 결정을 행하는 미러(64a, 64b)에 반사된 레이저 빔(1)은 fθ 렌즈(63)에 의해서 집광되어 워크(3) 상에 조사된다. XY 테이블(4) 상에 워크(3)가 탑재(고정)되어 있고, XY 테이블(4)에 의해서 워크(3)의 위치의 이동이 가능하게 되어 있다. XY 테이블(4)에는 리니어 인코더(X축)(6a), 리니어 인코더(Y축)(6b)가 장착되어 있고, XY 테이블의 X방향, Y방향의 위치 정보를 각각 얻을 수 있도록 되어 있다. 또한, 레이저 빔(1)을 출력하는 레이저 발진기(62)는 발진기 제어 장치(61)에 의해서 제어되고 있다.
갈바노 스캐너(2a, 2b) 및 XY 테이블(4)의 제어 장치(102)는 가공 계획 처리부(60), 갈바노 스캐너 제어 처리부(103), XY 테이블 제어 처리부(104), X축 위치 어긋남 보상 처리부(100) 및 Y축 위치 어긋남 보상 처리부(101)를 구비하고 있다. 갈바노 스캐너 제어 처리부(103)는 스캐너 X축 위치 지령 생성부(14), 스캐너 Y축 위치 지령 생성부(15), X축 회전각 지령 생성부(20), Y축 회전각 지령 생성부(26), X축 회전각 제어부(21), 및 Y축 회전각 제어부(27)를 구비하고 있다. XY 테이블 제어 처리부(104)는 테이블 X축 위치 지령 생성부(8), 테이블 Y축 위치 지령 생성부(10), 테이블 X축 제어부(9), 및 테이블 Y축 제어부(11)를 구비하고 있다. X축 위치 어긋남 보상 처리부(100)는 X축 지연 보상 처리부(16) 및 X축 변형 보상 처리부(17)를 구비하고 있다. Y축 위치 어긋남 보상 처리부(101)는 Y축 지연 보상 처리부(22) 및 Y축 변형 보상 처리부(23)를 구비하고 있다.
XY 테이블(4)의 상세한 것에 대하여 이하에 설명한다. 도 2에 나타내는 XY 테이블(4)의 정면도에 있어서, 서보 모터(70a)에 의해서 볼 나사(71a)를 회전시켜, 톱 테이블(73)과 결합되어 있는 가동부(72a)를 구동함으로써 톱 테이블(73)의 X방향의 이동을 가능하게 하고 있다. 또한, 도 3에 나타내는 XY 테이블(4)의 측면도에 있어서, 서보 모터(70b)에 의해서 볼 나사(71b)를 회전시켜, 가동부(72b)를 구동함으로써 새들(saddle)(77)보다 위쪽의 부분의 Y방향으로의 이동을 가능하게 하고 있다. XY 테이블(4)을 X방향, Y방향으로 독립하여 움직임으로써, 톱 테이블(73)의 위치를 가동 영역 내의 임의의 위치로 이동하는 것이 가능하게 되어 있다. 여기서, 서보 모터(70a, 70b)에는 각각 인코더(74a, 74b)가 장착되어 있다. 리니어 인코더(6a, 6b)는 각각 가동부(72a, 72b)의 위치에 장착되어 있기 때문에, 톱 테이블(73)의 위치를 직접 계측하고 있는 것은 아니다. 그 때문에, XY 테이블(4)이 변형되면, 리니어 인코더(6a, 6b)와 톱 테이블(73)의 상대 위치가 변화되어, 가공시의 어긋남의 원인으로 된다.
도 1의 레이저 가공 장치의 제어에 대해 설명한다. 가공 계획 처리부(60)에서는 레이저 가공을 행함에 있어 가공 시간을 단축하기 위해서 XY 테이블(4)의 최적의 패스를 생성한다. 가공 계획 처리부(60)로부터의 신호는 갈바노 스캐너 제어 처리부(103)와 XY 테이블 제어 처리부(104)에 보내어진다.
XY 테이블 제어 처리부(104)에 있어서는, 가공 계획 처리부(60)의 신호에 근거하여, 테이블 X축 위치 지령 생성부(8)와 테이블 Y축 위치 지령 생성부(10)에서 XY 테이블(4)의 X축 방향, Y축 방향의 위치 지령이 생성된다. 테이블 X축 위치 지령 생성부(8)로부터의 신호는 테이블 X축 제어부(9)에 보내어진다. 테이블 X축 제어부(9)에서는, 테이블 X축 위치 지령 생성부(8)로부터의 신호와 리니어 인코더(6a)로부터의 위치 정보를 기초로 테이블 X축의 제어 신호를 계산하고, 테이블 X축을 구동한다. 마찬가지로 테이블 Y축에 대해서, 테이블 Y축 위치 지령 생성부(10)로부터의 신호는 테이블 Y축 제어부(11)에 보내어진다. 테이블 Y축 제어부(11)에서는, 테이블 Y축 위치 지령 생성부(10)로부터의 신호와 리니어 인코더(6b)의 위치 정보를 기초로 테이블 Y축의 제어 신호를 계산하고, 테이블 Y축을 구동한다.
가공 계획 처리부(60)로부터 갈바노 스캐너 제어 처리부(103)로 보내어진 신호는 스캐너 X축 위치 지령 생성부(14)와 스캐너 Y축 위치 지령 생성부(15)에 보내어진다. 스캐너 X축 위치 지령 생성부(14)에서, 가공 계획 처리부(60)의 신호를 기초로 갈바노 스캐너 X축의 위치 지령 신호가 생성된다. 감산기(19)에서, 스캐너 X축 위치 지령 생성부(14)로부터의 신호와 X축 위치 어긋남 보상 처리부(100)에서 구해지는 보상 처리 후의 테이블 X축 위치를 나타내는 신호의 차이를 취해서, X축 회전각 지령 생성부(20)에 입력한다. X축 회전각 지령 생성부(20)에서 갈바노 스캐너(2a)(X축)에 관한 지령치가 생성되고, X축 회전각 제어부(21)에 입력된다. X축 회전각 제어부(21)에서는, X축 회전각 지령 생성부(20)로부터의 신호와 갈바노 인코더(5a)로부터의 피드백 신호를 기초로 제어 신호를 계산하고, 갈바노 스캐너(2a)를 제어한다. 마찬가지로, 스캐너 Y축 위치 지령 생성부(15)에서, 가공 계획 처리부(60)의 신호를 기초로 갈바노 스캐너 Y축의 위치 지령 신호가 생성된다. 감산기(25)에서, 스캐너 Y축 위치 지령 생성부(15)로부터의 신호와 Y축 위치 어긋남 보상 처리부(101)에서 구해지는 보상 처리 후의 테이블 Y축 위치를 나타내는 신호의 차이를 취해서, Y축 회전각 지령 생성부(26)에 입력한다. Y축 회전각 지령 생성부(26)에서 갈바노 스캐너(2b)(Y축)에 관한 지령치가 생성되고, Y축 회전각 제어부(27)에 입력된다. Y축 회전각 제어부(27)에서는, Y축 회전각 지령 생성부(26)로부터의 신호와 갈바노 인코더(5b)로부터의 피드백 신호를 기초로 제어 신호를 계산하고, 갈바노 스캐너(2b)를 제어한다.
갈바노 스캐너의 구동 제어에는, 지연이 생긴다. 목표까지 갈바노 스캐너를 구동하기 위해서는 가감속가 필요하고, 가감속에 따라 목표로 도달하는 시간이 변화된다. 가감속에 필요로 하는 시간을 가감속 제어의 지연이라고 부른다. 또한, 하드웨어간의 통신에도 샘플링 주기에 따른 지연이 생긴다. 이 지연을 각종 통신 지연이라고 부른다. X축 위치 어긋남 보상 처리부(100)에서는, 리니어 인코더(6a)로부터의 테이블 X축 위치 정보를 기초로, X축 지연 보상 처리부(16)에서, 갈바노 스캐너(2a)의 가감속 제어의 지연이나 각종 통신 지연 등의 지연 시간만큼 앞의 X축 방향의 테이블 예측 위치를 계산한다. 또한, X축 변형 보상 처리부(17)에서, XY 테이블(4)의 X축 방향의 변형을 고려한 테이블 위치의 보정량을 계산한다. X축 지연 보상 처리부(16)와 X축 변형 보상 처리부(17)의 신호를 가산기(18)에서 서로 더하고, 보상 처리 후의 테이블 X축 위치로서 출력한다. 마찬가지로, Y축 위치 어긋남 보상 처리부(101)에서는, 리니어 인코더(6b)로부터의 테이블 Y축 위치 신호를 기초로, Y축 지연 보상 처리부(22), Y축 변형 보상 처리부(23)로부터의 신호를 가산기(24)에서 서로 더하고, 보상 처리 후의 테이블 Y축 위치로서 출력한다.
레이저 발진기(62)를 제어하는 발진기 제어 장치(61)에는, 갈바노 인코더(5a, 5b)로부터의 신호가 보내어지고, 이러한 신호를 기초로 발진기 제어 장치(61)가 레이저 발진기(62)를 제어하고, 레이저 발진기(62)는 레이저 빔(1)을 출력한다.
다음으로, X축 위치 어긋남 보상 처리부(100) 및 Y축 위치 어긋남 보상 처리부(101) 각각의 구성요소인 X축 지연 보상 처리부(16) 및 Y축 지연 보상 처리부(22)와, X축 변형 보상 처리부(17) 및 Y축 변형 보상 처리부(23)의 상세한 것에 대하여 설명한다. 또, 이 제어계는 이산 시스템이라고 가정한다.
우선, X축 지연 보상 처리부(16) 및 Y축 지연 보상 처리부(22)의 기능을 설명한다. XY 테이블(4)의 리니어 인코더(6a, 6b)로부터 얻어지는 현재 위치 정보를 P(n), 현재 속도를 V(n)이라고 한다. 여기서 n은 샘플링 번호를 나타낸다. 갈바노 스캐너(2a, 2b)의 가감속 제어 등의 지연 시간을 ΔT라고 하고, 지연 시간 ΔT 후의 테이블 예측 위치 P'은 다음의 식 (1)과 같이 계산된다. 또, 식 (1)은 X축 및 Y축 방향 각각에 대해 성립되는 것으로 한다.
Figure pct00001
따라서, 지연 시간만큼 앞의 테이블 예측 위치는 X축 지연 보상 처리부(16) 및 Y축 지연 보상 처리부(22)에서 식 (1)의 방법으로 주어진다. 이 지연 보상 처리는, XY 테이블(4)의 현재 위치와 현재 속도로부터 XY 테이블(4)의 지연 시간만큼 앞의 위치를 예측하기 때문에, XY 테이블(4)·; 가속도 운동을 하는 경우, 예측 위치와 레이저 조사 위치간에 가속도와 지연 시간에 비례하는 오차 E1이 생긴다. 가속도를 a라고 한 경우, 오차 E1은 다음 식으로 주어진다.
Figure pct00002
도 4에 X축 변형 보상 처리부(17) 및 Y축 변형 보상 처리부(23)의 블럭도를 나타낸다. X축 변형 보상 처리부(17) 및 Y축 변형 보상 처리부(23)에서는, 각각 XY 테이블(4)의 가속도를 이용하여 계산을 행한다. XY 테이블(4)에 장착되어 있는 리니어 인코더(6a, 6b)의 신호에는 노이즈가 포함되는 것이 일반적이고, 이러한 위치 정보로부터 직접 2계(階) 미분을 하여 가속도 정보를 구하는 것은 곤란하다. 그 때문에, XY 테이블(4)의 X축 방향 및 Y축 방향 각각의 위치 정보를 평활화하는 로우패스 필터(33)를 통한 후에, 2계 미분 연산부(34)에서 2계 미분 조작을 행하여 X축 방향 및 Y축 방향 각각의 가속도 정보를 구한다. 구한 X축 방향 및 Y축 방향의 가속도 정보에, XY 테이블(4)의 변형을 보정하는 정수 요소(35)(Ka)를 각각 곱한다. 가속도에 의한 변형이 생기는데에 지연 시간이 있는 경우는, 이 후 지연 요소(36)(Z-k)를 더 곱하는 것에 의해, X축 변형 보상 처리부(17) 및 Y축 변형 보상 처리부(23) 각각의 출력을 구한다. 이 출력은 XY 테이블(4)의 변형을 고려한 보정량이다. 여기서, 정수 요소(35)는 가속도 정보에 곱함으로써 위치의 보정을 행하는 정수이기 때문에, 용수철 정수와 같은 것이라고 생각할 수 있다. 또한, Z는 Z변환을 나타내는 기호이며, Z-1은 1 샘플링 지연을 의미한다. 지연 시간 보상 처리와 변형 보상 처리를 포함한 예측 위치 P'은 가속도를 A(n)로 하여 식 (3)과 같이 나타내어진다. 또, 식 (3)은 X축 및 Y축 방향 각각에 대해 성립되는 것으로 한다.
Figure pct00003
따라서, X축 변형 보상 처리부(17) 및 Y축 변형 보상 처리부(23)에 의한 보정량은 식 (3)의 우변 제3항으로 나타내어진다.
상기와 같은 제어계를 구성함으로써, 지연 시간만큼 앞의 XY 테이블(4)의 예측 위치를 X축 지연 보상 처리부(16) 및 Y축 지연 보상 처리부(22)로부터 계산하는 것과, XY 테이블(4)의 가감속시의 변형 보정량을 X축 변형 보상 처리부(17) 및 Y축 변형 보상 처리부(23)에 의해서 구하는 것이 가능해진다. 따라서, X축 지연 보상 처리부(16)와 X축 변형 보상 처리부(17)의 신호를 서로 더한 것이 XY 테이블(4)의 보상 처리 후의 X축 위치, Y축 지연 보상 처리부(22)와 Y축 변형 보상 처리부(23)의 신호를 서로 더한 것이 XY 테이블(4)의 보상 처리 후의 Y축 위치로 된다. 스캐너 X축 위치 지령 생성부(14), 스캐너 Y축 위치 지령 생성부(15) 각각으로부터의 위치 지령 출력과 XY 테이블(4)의 보정 처리 후의 X축 위치 및 Y축 위치로부터 갈바노 스캐너(2a, 2b)의 회전각 지령을 생성하고, 갈바노 스캐너(2a, 2b)를 제어함으로써, 레이저 조사 위치와 가공 지령 위치간의 위치 어긋남을 저감한다.
또한, X축 변형 보상 처리부(17) 및 Y축 변형 보상 처리부(23)는 XY 테이블(4)의 가속도를 이용한 보상 처리부이기 때문에, XY 테이블(4)의 기계적인 변형을 보정할 뿐만 아니라, X축 지연 보상 처리부(16) 및 Y축 지연 보상 처리부(22)의 오차를 저감하는 효과도 있다. 이것은 선형의 위치 예측인 X축 지연 보상 처리부(16) 및 Y축 지연 보상 처리부(22)에 의한 오차가 식 (2)에 나타내는 바와 같이 XY 테이블 가속도에 비례하기 때문이다.
레이저 주사 장치와 2차원 구동 장치를 구비한 레이저 가공 장치에 있어서, 2차원 구동 장치에서 레이저 주사 장치와 워크의 상대 위치를 변화시키면서 레이저광을 주사하여 가공을 행하는 레이저 주사 장치와 2차원 구동 장치의 협조 제어에서는, 2차원 구동 장치의 계측 위치 정보를 기준으로 레이저 주사 장치를 구동하면 레이저 주사 장치의 가감속 제어 등의 시간만큼 지연이 생기는 것에 의해 레이저 조사 위치가 가공 목표 위치로부터 어긋나기 때문에, 지연 시간만큼 앞의 2차원 구동 장치의 위치를 예측할 필요가 있다. 또한, 2차원 구동 장치가 가감속하는 경우, 관성력에 의해서 2차원 구동 장치 자체가 변형됨으로써, 레이저 주사 장치의 지연을 고려한 예측 위치를 목표로 하여 레이저를 조사해도 레이저 조사 위치와 가공 지령 위치간에 어긋남이 생긴다.
이에 반하여, 본 실시 형태에 따른 레이저 가공 장치(200)에 있어서는, 상술한 바와 같이 가감속시에 발생하는 2차원 구동부(XY 테이블(4))의 변형을 예측하고, 레이저 주사부를 구동 제어하여 워크(3)의 가공을 행함으로써, 2차원 구동부의 변형에 의한 위치 어긋남을 저감하는 것이 가능해진다. 또한, 레이저 주사 장치의 2차원 구동 장치의 변형량과 지연 시간만큼 앞의 2차원 구동 장치의 예측 위치를 계산하는 시스템을 가짐으로써, 레이저 조사 위치와 가공 지령 위치의 어긋남을 저감하는 효과가 얻어진다. 또한, X축 지연 보상 처리부(16) 및 Y축 지연 보상 처리부(22)는 선형의 위치 예측을 실행하기 때문에, 2차원 구동부가 가속도 운동을 하는 경우, 예측 위치와 실제 위치간에 가속도와 지연 시간(예측 시간) ΔT에 비례하는 오차가 생기지만, 가속도 정보를 이용한 변형 보상 처리부를 조합함으로써 이 오차를 저감하는 것이 가능하다.
(실시 형태 2)
또한, XY 테이블(4)의 위치 정보를 취득하는 경우, 도 2 및 도 3에 나타낸 테이블 구동용의 서보 모터(70a, 70b)에 장착된 인코더(74a, 74b)를 이용하여, 회전각으로부터 테이블 위치를 산출하여도 좋다. 도 2 및 도 3에서는, 서보 모터(70a, 70b)가 회전함으로써, 볼 나사(71a, 71b)가 회전하여 가동부(72a, 72b)가 구동하는 구조이다. 따라서, 서보 모터(70a, 70b)의 회전량을 인코더(74a, 74b)에서 계측하고, 볼 나사(71a, 71b)의 리드로부터 이동량이 산출 가능하다. 인코더(74a, 74b)를 이용한 제어계를 구비한 레이저 가공 장치(201)의 구성을 나타내는 블럭도를 도 5에 나타낸다. XY 테이블(4)의 위치 정보를 취득하기 위해서, 본 실시 형태 2에 있어서는, 실시 형태 1의 리니어 인코더(6a, 6b) 대신에 인코더(74a, 74b)가 이용된다. 도 5에서 새롭게 추가된 각도-위치 변환(65a, 65b)은, 각각 인코더(74a, 74b)의 X축 및 Y축 방향의 검출 각도를 XY 테이블(4)의 X축 방향 및 Y축 방향의 위치로 변환하고, XY 테이블(4)의 X축 방향 및 Y축 방향의 지령 위치를 각각 서보 모터(70a, 70b)로의 지령 각도로 변환하는 것이다.
인코더(74a, 74b)의 신호를 이용한 XY 테이블(4)의 제어계는 세미 클로우즈드 루프 제어로 되어, 그대로는 구동계에서 발생하는 오차를 포함하는 문제가 있다. 그러나, 상술한 X축 위치 어긋남 보상 처리부(100) 및 Y축 위치 어긋남 보상 처리부(101)에 의해서 세미 클로우즈드 루프 제어에서 발생하는 구동계의 오차를 X축 변형 보상 처리부(17) 및 Y축 변형 보상 처리부(23) 내의 파라미터를 변경하는 것에 의해서 저감하는 것이 가능하다.
이와 같이 본 실시 형태 2에 있어서는, 리니어 인코더(6a, 6b)에서 2차원 구동부(XY 테이블(4))의 위치를 직접 계측하지 않고, 서보 모터(70a, 70b)의 회전각으로부터 간접적으로 2차원 구동부의 위치를 검출했을 때에 생기는 구동계에 의한 위치 오차를, X축 위치 어긋남 보상 처리부(100) 및 Y축 위치 어긋남 보상 처리부(101)에 의해서 보상하는 것이 가능하다.
(실시 형태 3)
또한, 실시 형태 1에 있어서의 X축 지연 보상 처리부(16) 및 Y축 지연 보상 처리부(22)에서는, XY 테이블(4)의 현재 위치와 현재 속도로부터 지연 시간만큼 후의 XY 테이블(4)의 예측 위치를 구하고 있지만, XY 테이블(4)의 위치 정보만으로 예측 위치를 구하여도 좋다. XY 테이블(4)의 현재 위치 정보와 k 샘플링 지연의 위치 정보로부터 지연 시간만큼 후의 XY 테이블(4)의 예측 위치를 계산하도록 한 X축 지연 보상 처리부(16) 혹은 Y축 지연 보상 처리부(22)의 구성의 블록선도를 도 6에 나타낸다. 리니어 인코더(6a, 6b)에 의해서 계측된 XY 테이블(4)의 위치 정보와 지연 요소(29)를 곱함으로써 구한 k샘플링 지연의 위치 정보를 감산기(30)에 입력하고, 그 차이를 구한다. 감산기(30)로부터의 신호에 보정 계수 C를 곱하고, 현재의 XY 테이블(4)의 위치 정보를 가산기(31)에서 서로 더함으로써 X축 지연 보상 처리부(16) 및 Y축 지연 보상 처리부(22)의 출력을 구한다. XY 테이블(4)의 현재 위치를 P(n)으로 하고, k샘플링 지연의 위치를 P(n-k)라고 하면, 갈바노 스캐너(2a, 2b)의 가감속 제어 등의 지연 시간을 고려한 예측 위치 P'는 이하의 식 (4)로 나타내어진다. 또, 식 (4)는 X축 및 Y축 방향 각각에 대해 성립되는 것으로 한다.
Figure pct00004
이와 같이 본 실시 형태 3에 있어서는 XY 테이블(4)의 위치 정보만을 이용함으로써, 실시 형태 1과 같이 속도 정보를 이용하는 일없이 위치를 예측하는 것이 가능하다. 따라서, 위치 정보의 노이즈 등에 의해서 속도 정보를 구하는 것이 곤란한 경우는 이 방법으로 XY 테이블(4)의 위치를 예측할 수 있다. 이 방법도 실시 형태 1과 마찬가지로 선형의 위치 예측으로 되기 때문에, XY 테이블(4)이 가속도 운동을 하는 경우, 예측 위치와 레이저 조사 위치간에 오차 E2가 생긴다. 가속도를 a로 한 경우, 오차 E2는 다음 식으로 주어진다.
Figure pct00005
이 방법은, k샘플링 지연의 위치 정보를 이용하여, 예측 위치를 구하기 때문에, 오차 E2는 속도 정보를 이용해서 구한 오차 E1의 배로 된다. 그러나, 이 오차는 가속도와 지연 시간 ΔT에 비례하기 때문에, X축 변형 보상 처리부(17) 및 Y축 변형 보상 처리부(23)에서 가속도를 이용한 보상을 행함으로써, 오차를 저감하는 것이 가능하다.
(실시 형태 4)
또한, 실시 형태 3에서는 X축 지연 보상 처리부(16) 및 Y축 지연 보상 처리부(22)에서 도 6과 같이 XY 테이블(4)의 현재 위치 정보와 k샘플링 지연의 위치 정보를 이용하여 XY 테이블(4)의 예측 위치를 계산하고 있지만, XY 테이블(4)의 현재 위치 정보와 2개 이상의 과거의 위치 정보를 이용하여 XY 테이블(4)의 예측 위치를 계산하여도 좋다. 도 7에, XY 테이블(4)의 현재 위치, k샘플링 지연의 위치, 및 k+1 샘플링 지연의 위치를 이용한 X축 지연 보상 처리부(16) 및 Y축 지연 보상 처리부(22)의 블럭도를 나타낸다. XY 테이블(4)의 위치 정보와 지연 요소(50(Z-k))로부터 출력되는 k샘플링 지연의 위치 정보의 차이를 감산기(52)에서 구한다. 감산기(52)의 출력에 정수 요소(54(K1))를 곱한다. 또 XY 테이블(4)의 위치 정보와 지연 요소(51(Z-(k+1)))로부터 출력되는 k+1 샘플링 전의 위치 정보의 차이를 감산기(53)에서 구한다. 감산기(53)의 출력에 정수 요소(55(1-K1))를 곱한다. 가산기(56)에 있어서, 현재의 위치 정보, 정수 요소(54(K1))를 곱한 결과의 출력, 및 정수 요소(55(1-K1))를 곱한 결과의 출력을, 각각을 서로 더해서 가산기(57)에 출력한다. 가산기(57)에서는, XY 테이블(4)의 현재 위치 정보에 가산기(56)로부터의 출력을 가산하여 X축 지연 보상 처리부(16) 혹은 Y축 지연 보상 처리부(22)의 출력을 생성한다.
따라서, 갈바노 스캐너(2a, 2b)의 가감속 제어 등의 지연 시간을 고려한 XY 테이블(4)의 예측 위치 P'의 계산은 이하의 식 (6)으로 나타내어진다. 또, 식 (6)은 X축 및 Y축 방향 각각에 대해 성립되는 것으로 한다.
Figure pct00006
여기서, K1은 0으로부터 1까지의 실수이고, 보정에 사용하는 k샘플링 전의 위치 정보와 k+1 샘플링 전의 위치 정보의 비에 의해서 정해지는 파라미터이다. 이러한 방법으로 위치를 예측함으로써, 제어 시스템의 샘플링이 러프한 것이 원인으로 보정할 수 없었던 샘플링 주기 이하의 지연 시간분의 위치 예측이 가능해진다.
(실시 형태 5)
또한, X축 변형 보상 처리부(17) 및 Y축 변형 보상 처리부(23)에서 가속도를 구하는 경우, 칼만 필터(Kalman filter)와 같은 추정을 이용하는 방법을 사용하여도 좋다. 도 8에 나타내는 바와 같이 칼만 필터는 위치·속도·가속도 추정부(43)와 예측부(44)를 가지는 시스템이다. 예측부(44)에는 선견 정보(42)로서 XY 테이블(4)의 상태 방정식 등이 미리 주어진다. 이 방정식에 의해서 위치, 속도, 가속도를 예측한다. 위치·속도·가속도 추정부(43)에는 예측부(44)에서 예측한 위치 정보와 실제 계측한 XY 테이블의 위치 정보를 입력하고, 예측한 위치와 계측 위치로부터 위치, 속도, 가속도를 추정한다. 얻어진 가속도 정보에 정수 요소(35)(Ka) 및 지연 요소(36)(Z-k)를 곱하여 보정량을 구하는 것은 실시 형태 1과 동일하다.
본 실시 형태 5에 있어서는, 예를 들면, XY 테이블(4)의 테이블 위치 정보와 XY 테이블(4)의 상태 방정식이 선견 정보(42)로서 주어지면, 칼만 필터 등에 의한 위치·속도·가속도 추정부(43)와 예측부(44)를 이용하여 가속도를 산출하는 것이 가능하다. XY 테이블(4)의 위치 정보에 노이즈가 포함되어 있는 경우 등에는, 위치 정보를 2계 미분하면 데이터가 진동하여 가속도 정보를 구하는 것이 곤란한 경우가 있다. 그러나, 이 방법을 이용하는 것에 의해, XY 테이블(4)의 거동이 선견 정보(42)로서 주어져 있고, 당해 선견 정보(42)가 정확하면, 관측 정보(XY 테이블(4)의 위치 정보)와 선견 정보(42)로부터 가속도를 추정함으로써, 2계 미분에 의해 가속도를 구했을 때에 생기는 데이터의 진동을 억제하는 효과가 있다. 또한, 미분을 이용한 방법에서는, 이동 평균 필터 등에 의해서 위치 정보를 평활화하고 나서 미분하면 지연이 생겨 버리는 문제가 있는데 반하여, 상기의 방법에서는 선견 정보(42)를 이용하고 있으므로 지연을 저감하는 효과도 기대할 수 있다.
(실시 형태 6)
또한, XY 테이블(4)의 가속도 정보를 얻는데 위치 정보로부터 산출하는 것이 아니라, 도 9에 나타내는 바와 같이 XY 테이블(4)에 가속도 센서(66a, 66b)를 붙여 직접 가속도 정보를 계측하도록 하여도 좋다. 본 실시 형태 6에 있어서는, XY 테이블(4) 자체에 가속도 센서(66a, 66b)를 붙이고, 가속도를 직접 계측하는 것에 의해 지연없이 가속도 정보를 취득하는 것이 가능하고, 도 4 또는 도 8의 구성의 경우에 발생하는 추정 부분이나 로우패스 필터에서 생기는 지연을 억제할 수 있다고 하는 효과가 있다. 도 9에 가속도 센서(66a, 66b)를 이용한 경우의 제어계를 구비한 레이저 가공 장치(202)의 구성을 나타내는 블럭도를 나타낸다. 실시 형태 1(도 4) 및 실시 형태 5(도 8)와는 달리, 가속도를 위치 정보로부터 산출할 필요가 없기 때문에, X축 변형 보상 처리부(17) 및 Y축 변형 보상 처리부(23)는 정수 요소(35)(Ka) 및 지연 요소(36)(Z-k)을 구비하는 것만으로 좋다.
(실시 형태 7)
또한, X축 변형 보상 처리부(17) 및 Y축 변형 보상 처리부(23)는 XY 테이블(4)의 위치 정보에 따라, 정수 요소(Ka)(35)(보상 파라미터)를 가변으로 하여도 좋다. 예를 들면, 톱 테이블(73)이 X축의 -(마이너스) 방향으로 이동했을 때의 XY 테이블(4)의 정면도를 나타내는 도 10에서는, X축 가동부(72a)의 위치가 중심으로부터 치우친 위치로 변화하고 있다. 이 상태에서, Y방향으로 테이블이 가감속되면, 도 2의 상태에서는 발생하지 않았던 XY 테이블(4)의 요잉(yawing) 등이 발생하는 것을 생각할 수 있으며, 정수 요소(Ka)(35)를 변화시켜 XY 테이블(4)의 변형을 보상할 필요가 있다. 톱 테이블(73)의 위치 X, Y에 의해서 정수 요소(Ka)(35)를 결정하는 파라미터 테이블을 설정하고, 톱 테이블(73)이 어느 위치에 있더라도, XY 테이블(4)의 변형을 적절히 보상함으로써, 레이저 가공 위치와 목표 위치의 오차를 보다 저감하는 효과가 얻어진다. 즉, 2차원 구동부(XY 테이블(4))의 위치에 의해서 가감속시의 2차원 구동부의 기계 변형량이 다르기 때문에, 2차원 구동부의 위치에 따라 변형 보상 처리부의 보상 파라미터(Ka)를 결정하는 보상 파라미터 테이블을 설정함으로써, 변형에 의한 위치 어긋남을 조건에 맞추어 저감하는 것이 가능해진다.
(실시 형태 8)
XY 테이블(4)의 가속도 정보를, 센서로부터의 위치 정보를 이용하는 것이 아니라, XY 테이블(4)의 지령 정보를 이용하여 구하여도 좋다. 하나의 방법으로서, XY 테이블(4)의 위치 지령으로부터 가속도 지령을 산출하고, 구동계의 지연을 고려함으로써 XY 테이블(4)의 가속도를 구하는 것이 가능하다. 도 11에 위치 지령으로부터 XY 테이블(4)의 가속도를 구하는 레이저 가공 장치(203)의 구성을 블럭도로 나타낸다. 테이블 X축 위치 지령 생성부(8)로부터의 출력은 X방향의 위치 지령이므로, 이 신호를 X축 변형 보상 처리부(17)에 입력한다. X축 변형 보상 처리부(17)에서는 위치 정보를 2계 미분함으로써 가속도 지령을 생성하고, 정수와 지연 요소를 곱함으로써 X축 변형 보상 처리부(17)의 출력으로서 보정량을 산출한다. X축뿐만 아니라 Y축에서도 마찬가지로 해서, 테이블 Y축 위치 지령 생성부(10)의 출력을 Y축 변형 보상 처리부(23)에 입력하고, 보정량을 구한다.
(실시 형태 9)
정면도(도 12), 측면도(도 13)로 나타내어지는 구조를 가지는 XY 테이블(4)을 생각한다. 베이스(75) 상에 직동(直動) 안내(76a, 76b)가 Y축과 평행하게 설치되어 있고, 새들(77)은 직동 안내(76a, 76b)를 따라 Y방향으로의 이동이 가능하다. 도 14에 직동 안내(76a, 76b)의 구조를 위에서 본 평면도를 나타낸다. 직동 안내(76a)는 가이드 레일(78a)과 2개의 가이드 블록(79a1, 79a2)으로 구성된다. 직동 안내(76b)는 가이드 레일(78b)과 2개의 가이드 블록(79b1, 79b2)으로 구성된다. 가이드 블록(79a1, 79a2, 79b1, 79b2)은 새들(77)에 고정되어 있고, 가이드 레일(78a, 78b)을 따라 이동하는 구조이다. 따라서, 4개의 가이드 블록으로 새들(77)로부터 위쪽 부분의 중량을 지지하고 있다. 새들(77) 상에는, 직동 안내(76c, 76d)가 X축과 평행하게 설치되어 있고, 톱 테이블(73)은 직동 안내(76c, 76d)를 따라 X방향으로 이동 가능하다. XY 테이블(4)의 구동 기구에 대해서는 서보 모터(70a)에 의해 볼 나사(71a)를 회전시켜, 가동부(72a)를 구동함으로써 톱 테이블(73)의 X방향의 이동을 가능하게 하고 있다. 또한, 서보 모터(70b)에 의해서 볼 나사(71b)를 회전시켜, 가동부(72b)를 구동함으로써 톱 테이블(73)의 Y방향으로의 이동을 가능하게 하고 있다. 서보 모터(70a, 70b)에는 각각 인코더(74a, 74b)가 장착되어 있다. XY 테이블(4)의 위치를 계측하는 리니어 인코더(6a, 6b)는 각각 가동부(72a, 72b)의 위치에 장착되어 있다. 그 때문에, 리니어 인코더(6a, 6b)에서 톱 테이블(73)의 위치를 직접 계측하고 있는 것은 아니다.
Y방향으로 XY 테이블이 가감속하는 경우를 생각한다. 이 때, 새들(77)로부터 위쪽의 부분의 질량 M1과 가속도 a로 하면, 관성력 Fy1은 이하의 식으로 나타내어진다.
Figure pct00007
정지시에 있어서, 가이드 블록(79a1, 79a2, 79b1, 79b2)에는, 새들(77)보다 위쪽의 부분의 중량이 균등하게 가해지고 있으며, 각 가이드 블록은 각각 M1g/4의 중량이 연직(鉛直) 방향으로 걸리게 된다. 여기서, g는 중력 가속도이다. 그에 대해, 가감속시는 관성력이 작용함으로써 모멘트의 균형을 유지하기 위해서, 각 가이드 블록에 걸리는 연직 방향의 힘의 밸런스가 변화된다. 도 15에 나타내는 XY 테이블(4)의 측면도에 가속시에 작용하는 힘을 도시하고, 모멘트의 균형을 생각한다. 가이드 블록 1개당의 하중 R, 관성력 M1a, 가이드 블록간 거리 L, 직동 안내(76a, 76b)를 기준으로 한 새들(77)로부터 위쪽의 부분의 중심 높이 H1로 한다. 모멘트의 균형으로부터 관성력에 의해서 가이드 블록이 받는 하중 R은 다음 식으로 나타내어진다.
Figure pct00008
정지시에 걸려 있던 중량과 합하면 가이드 블록(79a1, 79b1)에 걸리는 하중 F1, 가이드 블록(79a2, 79b2)에 걸리는 하중 F2는 다음과 같이 된다.
Figure pct00009
가감속시는, 식 (9), (10)과 같이 가이드 블록의 위치에 의해 하중이 다른 상태로 되어, 하중에 따라 가이드 레일(78a, 78b)의 변형이 발생한다. 가이드 블록(79a1, 79b1)의 위치에서의 가이드 레일의 연직 방향 변형량을 δab1, 가이드 블록(79a2, 79b2)의 위치에서의 가이드 레일의 연직 방향 변형량을 δab2라고 하면, 가감속시는 δab1과 δab2가 상이하므로 XY 테이블(4)의 새들(77)보다 위쪽의 부분이 도 16과 같이 θ만큼 기울어진다. 이 변형(회전)을 피칭이라고 부른다. 여기서, 기울기 θ는 다음의 식으로 나타내어진다.
Figure pct00010
리니어 인코더(6b)로부터 톱 테이블(73)까지의 높이를 H라고 하면, 피칭에 의한 Y방향으로의 톱 테이블의 위치 어긋남 ΔY1은 다음 식으로 나타내어진다.
Figure pct00011
여기서, 피칭에 의한 톱 테이블의 위치 어긋남 ΔY1은 피칭각 θ와 높이 H의 함수이다. 높이 H는 정수이고, 피칭각 θ은 식 (11)과 같은 가이드 레일의 변형량의 함수로 된다. 가이드 레일의 변형량은 가이드 레일의 강성과 가이드 블록에 걸리는 하중에 의해서 결정된다. 가이드 블록의 하중은, 식 (9), (10)과 같이 관성력과 자중(自重)으로 결정되기 때문에, 결국, 피칭에 의한 톱 테이블의 위치 어긋남 ΔY1은 가속도 a의 함수로 된다. 따라서, 피칭에 대응하는 보정량은 가속도 a의 함수로서 결정된다. 여기서는 Y방향으로 가속하는 경우를 예로 들어 설명했지만, X방향으로도 동일한 현상이 발생하고, X방향의 가감속의 경우, 톱 테이블로부터 위쪽의 부분이 피칭에 의해서 회전한다. 따라서, X방향에 대해서도 X방향의 가속도에 비례하는 위치 어긋남이 발생하게 된다.
XY 테이블(4)이 가감속한 경우, 피칭뿐만 아니라, 관성력에 의해서 새들(77)이나 톱 테이블(73) 등의 XY 테이블(4)의 구조 부재 자체의 변형이 발생한다. 이 변형을 전단 변형이라고 부른다. XY 테이블(4)이 Y방향으로 가감속했을 때의 전단 변형의 모습을 도 17에 나타낸다. 가감속한 경우는 식 (7)과 같이 관성력이 걸리므로, 관성력이 작용하는 방향으로 변형이 발생한다. 이 변형은 탄성 변형이기 때문에, 변형량은 관성력에 비례하여, 관성력이 작용하지 않게 되면, 변형량은 0으로 된다. 전단 변형은 관성력에 의해서 발생하므로, 전단 변형에 의한 Y방향의 위치 어긋남 ΔY2는 가속도의 함수로 된다.
Figure pct00012
여기서 G는 기계 강성에 상당하는 비례 정수이다. 또한, X방향으로도 Y방향과 동일한 원리로 전단 변형이 나타나기 때문에, X방향으로도 가속도에 비례한 위치 어긋남이 발생한다.
도 18에 XY 테이블(4)의 가감속시에 피칭과 전단 변형을 일으키는 경우의 레이저 가공 장치(204)의 제어계의 구성을 나타낸다. 이 때, 변형 보상 처리부는 피칭 보상 처리부와 전단 변형 보상 처리부로 구성된다. X방향, Y방향에서 각각 변형에 대한 보상을 행하기 때문에, X축 피칭 보상 처리부(110), Y축 피칭 보상 처리부(111), X축 전단 변형 보상 처리부(112), Y축 전단 변형 보상 처리부(113)를 구비한다. 각 변형 보상 처리부에는 XY 테이블의 위치 정보가 입력되고, 가속도를 계산하고, 정수, 지연 요소 등을 곱함으로써 보정량을 결정한다. 도 18에서는 피칭과 전단 변형이 동시에 일어나는 것을 상정하고 있지만, 피칭 변형만의 경우 혹은 전단 변형만의 경우에도 변형 보상 처리는 유효하다.
(실시 형태 10)
실시 형태 9와 동일한 구조를 가지는 XY 테이블(4)에 대해서, 도 19와 같이 톱 테이블(73)의 위치가 가공기 중앙이 아니고 치우친 위치에 있는 경우에, XY 테이블(4)이 Y방향으로 가속도 a로 가속하는 것을 생각한다. 실시 형태 9와 마찬가지로, 이 경우에도 피칭과 전단 변형이 발생한다. 또한, 톱 테이블 위치의 치우침에 의해, X축 및 Y축에 수직인 Z축 주위의 회전인 요잉이 발생한다. 도 20에 이 때 발생하는 힘에 대해 도시한다. 톱 테이블(73), 가동체(72a)와 워크(3)의 질량의 합을 M2라고 하면, 가속시에 중심으로부터 Xc만큼 치우친 위치에 식 (14)로 나타내어지는 관성력 Fy2가 발생한다.
Figure pct00013
이 관성력에 의해서 Z축 주위의 모멘트가 발생하기 때문에, 이것을 소거하도록, 가이드 블록(79a1, 79a2, 79b1, 79b2)에서 R2라고 하는 반력(反力)이 발생한다. 가이드 블록으로부터 가이드 레일(78a, 78b)에 전해지는 수평 방향의 반력 R2는 모멘트의 균형으로부터 이하의 식으로 나타내어진다.
Figure pct00014
수평 방향의 반력 R2에 의해서, 각 가이드 블록의 위치에서 가이드 레일이 수평 방향으로 δR2만큼 변형된다. 이것에 의해서 도 21과 같이 Z축 주위의 회전인요잉을 일으키고, 새들로부터 위쪽의 부분이 원래의 위치로부터 φ만큼 회전한다. 여기서 회전각 φ는 이하의 식으로 나타내어진다.
Figure pct00015
회전 중심은 가공기의 중심이며, 가공기 중심으로부터 톱 테이블 중심까지의 거리를 Xc라고 하면, 요잉에 의한, 톱 테이블 중심 위치의 Y축 방향의 위치 어긋남 δc는 이하의 식으로 나타내어진다.
Figure pct00016
톱 테이블 중심을 기준으로 한 가공 위치의 X좌표를 Xp라고 하면, 가공기 중심 기준의 가공 위치의 X좌표는 Xc+Xp로 되고, 가공 위치에서의 요잉에 의한 Y방향의 위치 어긋남 ΔY3은 이하의 식으로 나타내어진다.
Figure pct00017
요잉에 의한 Y방향의 위치 어긋남 ΔY3은 톱 테이블 위치 Xc, 가공 위치 Xp, 요잉 각도 φ의 함수로 된다. 요잉 각도 φ는 가이드 레일(78a, 78b)의 변형량에 의존하고, 가이드 레일(78a, 78b)의 변형량은 관성력 Fy2에 의존한다. 따라서, 요잉에 의한 위치 어긋남은 가속도 a, 톱 테이블 위치 Xc와 가공 위치 Xp의 함수로 된다. 도 22에 요잉에 의한 위치 어긋남을 보정량으로 한 Y축 요잉 보상 처리부(114)를 포함한 레이저 가공 장치(205)의 구성을 블럭도로 나타낸다. Y축 요잉 보상 처리부(114)에는, XY 테이블(4)의 X축, Y축의 위치 정보와 스캐너 X축 위치 지령을 입력하고, 보정량을 계산한다. XY 테이블(4)의 Y축 위치 정보로부터 가속도 정보를 구하고, 가속도 정보로부터 식 (16)에 의해서 요잉각 φ를 구한다. 가공기의 X축 위치 정보와 스캐너 X축 위치 지령으로부터 가공기 중심을 기준으로 한 가공 위치의 X좌표를 구하고, 식 (18)으로부터 가공 위치에서의 yawing에 의한 Y방향으로의 위치 어긋남을 구하고, Y축 요잉 보상 처리부(114)의 출력으로 한다.
(실시 형태 11)
실시 형태 10에서는, 리니어 인코더(6b)(계측기)의 배치는 가공기 중심이었지만, 리니어 인코더의 배치는 도 23과 같이 중심으로부터 떨어져 있어도 좋다. 요잉이 발생하는 경우, 가공기 중심에서는 위치 어긋남이 일어나지 않지만, 그 외의 점(点)에서는 위치 어긋남이 발생한다. 그 때문에, 리니어 인코더(6b)의 가공기 중심으로부터의 거리를 Xe, 요잉각이 φ라고 하면 리니어 인코더(6b)의 위치에서의 위치 어긋남 δe는 다음 식으로 나타내어진다.
Figure pct00018
따라서, 요잉에 의해서 리니어 인코더(6b)에서 계측되는 위치 정보도 변화하게 되어, 리니어 인코더(6b)의 배치에 의해서 Y축 요잉 보상 처리부(114)에서의 보정량이 달라진다. 이 때, 가공 위치의 Y방향의 위치 어긋남과 리니어 인코더(6b)의 위치에서의 위치 어긋남으로부터 보정량 ΔY4는 다음 식으로 나타내어진다.
Figure pct00019
리니어 인코더(6b)를 임의의 장소에 배치하는 경우, 식 (20)에서 구해지는 값을 Y축 요잉 보상 처리부(114)의 출력으로서 인가할 필요가 있다. 단, 리니어 인코더(6b)의 위치는 고정이기 때문에, Xe는 정수이다.
(실시 형태 12)
갈바노 스캐너는 X방향용과 Y방향용의 2개 1세트로 1점을 가공하기 때문에, 레이저 가공 장치의 가공 헤드는 갈바노 스캐너 2개 1세트로 구성된다. 실시 형태 11까지의 레이저 가공 장치는 가공 헤드가 1개인 레이저 가공 장치로 설명해 왔다. 레이저 가공 장치에는 가공 헤드를 복수개 갖고, 복수점을 동시 가공하는 것도 있다. 예를 들면, 도 24와 같이 톱 테이블(73R(톱 테이블(73)의 우측), 73L(톱 테이블(73)의 좌측))에 배치된 워크(3)의 우측 절반과 좌측 절반을 각각 동시에 가공하기 때문에, 2헤드의 레이저 주사 장치(80a, 80b)가 있는 경우를 생각한다. 레이저 주사 장치(80a, 80b)는 위치 결정을 행하기 위해서, 각각 상기의 제어 장치(102)를 구비하고, 각 제어 장치로부터 보내지는 지령에 의해서 구동한다. 이러한 구조로 함으로써, 2점 동시 가공이 가능해져, 생산성의 향상이 전망된다.
그러나, 실시 형태 10에 기술한 요잉에 의한 위치 어긋남이 발생하면, 톱 테이블 좌측(73L)과 톱 테이블 우측(73R)에서 요잉에 의한 위치 편차량이 다른 것을 생각할 수 있다. 톱 테이블(73)의 중심을 기준으로 하여, 톱 테이블 좌측(73L) 및 톱 테이블 우측(73R)에서의 가공 위치를 각각 Xpl 및 Xpr이라고 하면, 각 가공 위치에 있어서의 요잉에 의한 위치 어긋남 ΔY5,ΔY6은 이하의 식으로 나타내어진다.
Figure pct00020
식 (21), (22)로부터, 가공 위치에 의해서 요잉에 의한 위치 어긋남이 달라, 가공 위치에 의해서 요잉에 대한 보정량이 상이하게 된다. 따라서, 복수개의 가공 헤드를 가지는 레이저 가공 장치의 경우, 각 가공 헤드의 가공 위치에 의해서 다른 보정량을 인가할 필요가 있다. 이 때문에, 각 가공 헤드의 가공 위치를 이용하여 변형 보상 처리부에서 보정량을 계산하고, 각 가공 헤드마다 다른 보정량을 이용하여 지령 위치를 생성함으로써, 각 가공점의 지령 위치와 레이저 조사 위치의 위치 어긋남을 저감하는 것이 가능해진다.
또, 본원 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변형하는 것이 가능하다. 또한, 상기 실시 형태에는 여러 단계의 발명이 포함되어 있고, 개시되는 복수의 구성 요건에 있어서의 적당한 조합에 의해 여러 가지의 발명이 추출될 수 있다. 예를 들면, 상기 실시 형태에 나타내어지는 전체 구성 요건으로부터 몇 개의 구성 요건이 삭제되어도, 발명이 해결하려는 과제의 란에서 설명한 과제를 해결할 수 있어, 발명의 효과의 란에서 기술되어 있는 효과가 얻어지는 경우에는, 이 구성 요건이 삭제된 구성이 발명으로서 추출될 수 있다. 또한, 다른 실시 형태에 따른 구성요소를 적당히 조합하여도 좋다.
(산업상의 이용 가능성)
이상과 같이, 본 발명에 따른 레이저 가공 장치는, 레이저 주사 장치 및 레이저 주사 장치와 워크의 상대 위치를 변화시키는 2차원 구동 장치를 구비한 레이저 가공 장치에 유용하며, 특히 2차원 구동 장치의 변형에 따른 레이저 조사 위치와 가공 지령 위치의 어긋남의 저감에 적합하다.
1: 레이저 빔
1a, 1b: 레이저 빔
2a: 갈바노 스캐너(X축 방향용)
2b: 갈바노 스캐너(Y축 방향용)
3: 워크
4: XY 테이블
5a: 갈바노 인코더(X축)
5b: 갈바노 인코더(X축)
6a: 리니어 인코더(X축)
6b: 리니어 인코더(Y축)
8: 테이블 X축 위치 지령 생성부
9: 테이블 X축 제어부
10: 테이블 Y축 위치 지령 생성부
11: 테이블 Y축 제어부
14: 스캐너 X축 위치 지령 생성부
15: 스캐너 Y축 위치 지령 생성부
16: X축 지연 보상 처리부
17: X축 변형 보상 처리부
18: 가산기
19: 감산기
30: 감산기
20: X축 회전각 지령 생성부
21: X축 회전각 제어부
22: Y축 지연 보상 처리부
23: Y축 변형 보상 처리부
24: 가산기
25: 감산기
26: Y축 회전각 지령 생성부
27: Y축 회전각 제어부
32: 보정 계수
33: 로우패스 필터
34: 2계 미분 연산부
35: 정수 요소(Ka)
29, 36, 50: 지연 요소(Z-k)
42: 선견 정보
43: 위치·속도·가속도 추정부
44: 예측부
51: 지연 요소(Z-(k+1))
52, 53: 감산기
54: 정수 요소(K1)
55: 정수 요소(1-K1)
56: 가산기
57: 가산기
60: 가공 계획 처리부
61: 발진기 제어 장치
62: 레이저 발진기
63: fθ 렌즈
63a, 63b: fθ 렌즈
64a: 미러(X축)
64b: 미러(Y축)
65a, 65b: 각도-위치 변환
66a, 66b: 가속도 센서
70a, 70b: 서보 모터
71a, 71b: 볼 나사
72a, 72b: 가동부
73: 톱 테이블
73R: 톱 테이블 우측
73L: 톱 테이블 좌측
74a, 74b: 인코더
75: 베이스
76a, 76b: Y방향 직동 안내
76c, 76d: X방향 직동 안내
77: 새들
78a, 78b: 가이드 레일
79a1, 79a2, 79b1, 79b2: 가이드 블록
80a, 80b: 레이저 주사 장치
90, 91, 92: 가산기
100: X축 위치 어긋남 보상 처리부
101: Y축 위치 어긋남 보상 처리부
102: 제어 장치
103: 갈바노 스캐너 제어 처리부
104: XY 테이블 제어 처리부
110: X축 피칭 보상 처리부
111: Y축 피칭 보상 처리부
112: X축 전단 변형 보상 처리부
113: Y축 전단 변형 보상 처리부
114: Y축 요잉 보상 처리부
200, 201, 202, 203, 204, 205: 레이저 가공 장치

Claims (16)

  1. 워크(work)를 탑재하여 2차원 방향으로 이동하는 2차원 구동부와,
    상기 워크에 레이저 빔을 조사하여 2차원 방향으로 주사하는 레이저 주사부와,
    상기 2차원 구동부의 위치 정보에 근거하여, 상기 2차원 구동부의 지연 시간만큼 앞의 예측 위치를 구하는 지연 보상 처리부와,
    상기 2차원 구동부의 가속도 정보에 근거하여, 상기 2차원 구동부의 변형에 의한 보정량을 구하는 변형 보상 처리부
    를 구비하되,
    상기 레이저 주사부로의 위치 지령, 상기 예측 위치, 및 상기 보정량에 근거하여 상기 레이저 주사부를 구동 제어하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 구동부가 가감속하는 경우에 생기는 상기 지연 보상 처리부의 보정의 오차를 상기 변형 보상 처리부에 의해서 저감하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 지연 보상 처리부는 상기 예측 위치를 상기 2차원 구동부의 속도 정보에도 근거하여 구하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 2차원 구동부를 구동하는 서보 모터의 회전각에 근거하여 상기 위치 정보를 구하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형 보상 처리부는 상기 가속도 정보를 상기 위치 정보에 근거하여 구하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형 보상 처리부는 상기 위치 정보를 이용하여 예측부와 추정부를 가지는 시스템에서 상기 가속도 정보를 추정하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가속도 정보를 상기 2차원 구동부로부터 직접 계측하는 수단을 더 구비하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가속도 정보를 지령 정보로부터 계산하는 수단을 더 구비하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형 보상 처리부에서, 상기 보정량을 구하기 위해서 상기 가속도 정보에 곱하는 보상 파라미터를 상기 위치 정보에 의존하여 가변으로 하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형 보상 처리부에서, 상기 보정량을 구하기 위해서 상기 가속도 정보에 곱하는 보상 파라미터를 상기 2차원 구동부의 위치를 계측하는 계측기의 계측 위치에 의존하여 가변으로 하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형 보상 처리부에서, 상기 2차원 구동 장치의 피칭에 대한 기계 변형 보상을 상기 가속도 정보에 의해 행하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형 보상 처리부에서, 상기 2차원 구동 장치의 전단 변형에 대한 기계 변형 보상을 상기 가속도 정보에 의해 행하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형 보상 처리부에서, 상기 2차원 구동 장치의 요잉(yawing)에 대한 기계 변형 보상을 상기 가속도 정보, 상기 위치 정보 및 가공 위치로부터 구하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차원 구동부가 이동하는 2개의 독립된 방향마다, 각각 상기 지연 보상 처리부, 상기 변형 보상 처리부를 구비하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 주사부가 주사하는 2개의 독립된 방향마다, 상기 레이저 주사부를 각각 독립적으로 구동 제어하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 가공 헤드를 갖고, 상기 변형 보상 처리부는, 상기 가공 헤드마다의 가공 위치에 따라, 상기 가공 헤드마다 보정량을 계산하는
    것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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