KR20160143286A - 레이저 스캐너 기반 5축 표면 연속 가공 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

레이저 스캐너 기반 5축 표면 연속 가공 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 5축 표면 연속 가공 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 피가공물의 표면을 가공하는 스캐너; 상기 피가공물을 스캔 경로에 따라 이동시키는 이동 수단 및 상기 피가공물의 표면이 상기 스캐너와 수직으로 접하도록 피가공물의 기울기를 조절하는 기울기 조절 수단을 구비하는 스테이지; 및 상기 스캔 경로에 기초하여 상기 스테이지 및 상기 스캐너를 제어하는 제어보드를 포함하는 5축 표면 연속 가공 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.

Description

레이저 스캐너 기반 5축 표면 연속 가공 장치 및 그 제어 방법{5-AXIS DEVICE FABRICATING SURFACE CONTINUOUSLY BASED ON LASER SCANNER AND CONTROL METHOD FOR THE DEVICE}
본 발명은 5축 표면 연속 가공 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 5축 제어에 의해 피가공물 표면에 수직으로 레이저가공이 연속으로 수행되도록 하는 5축 표면 연속 가공 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
레이저를 이용한 대면적 가공으로서, 스텝 & 스캔닝 (step & scanning) 방법이 사용되고 있다. 이는 스테이지가 정지해 있을 때 스캐너로 가공을 한 후 스테이지를 다시 다음 스텝으로 이동한 후 스캐너로 가공하는 방법으로써, 가공 속도가 느린 단점 및 스캔 경계면에서 불연속가공으로 인한 이음매가 발생되는 문제를 가진다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0134863호 (공개일 2013년12월10일)
본 발명은 스캔 경계면에서 불연속가공으로 인한 이음매가 발생되는 종래 방식에 따른 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 스캔 경로를 형성하여 피가공물의 표면에 연속으로 정밀 가공을 수행하는 가공 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로는 피가공물의 표면을 스캐너가 수직으로 스캔하도록 스테이지를 제어하고, 스테이지 제어시 발생되는 오차를 스캐너에서 보정하여 피가공물의 표면에 연속으로 정밀 가공을 수행하는 가공 장치 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제1 특징으로서, 피가공물의 표면을 가공하는 스캐너; 상기 피가공물을 스캔 경로에 따라 이동시키는 이동 수단 및 상기 피가공물의 표면이 상기 스캐너와 수직으로 접하도록 피가공물의 기울기를 조절하는 기울기 조절 수단을 구비하는 스테이지; 및 상기 스캔 경로에 기초하여 상기 스테이지 및 상기 스캐너를 제어하는 제어보드를 포함하는 5축 표면 연속 가공 장치를 제공한다.
이때, 상기 이동 수단은 상기 피가공물을 각각 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시키는 X축 구동부, Y축 구동부 및 Z축 구동부를 포함하고, 상기 기울기 조절 수단은 상기 피가공물을 각각 A축 및 C축을 중심으로 회전 구동시키는 A축 구동부 및 C축 구동부를 포함하고, 상기 제어보드는 상기 스캔 경로와 상기 피가공물의 표면 기울기에 기초하여 X축 구동, Y축 구동, Z축 구동, A축 구동 및 C축 구동 명령을 생성하여 상기 X축 구동부, 상기 Y축 구동부, 상기 Z축 구동, 상기 A축 구동부 및 상기 C축 구동부를 제어할 수 있다.
이때, 상기 제어보드는 상기 각 구동 명령과 상기 스테이지의 실측 움직임 사이의 오차를 보정하는 보정 명령을 생성하고, 상기 스캐너는 상기 보정 명령의 보정 값에 따라 스캔 범위를 보정할 수 있다.
이때, 상기 보정 명령은 상기 스테이지의 관성에 의해 발생되는 오차를 보정하는 관성 오차 보정 값을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제2 특징으로서, 피가공물의 표면을 가공하는 스캐너; 상기 피가공물을 스캔 경로에 따라 이동시키는 이동 수단 및 상기 피가공물의 표면이 상기 스캐너와 수직으로 접하도록 피가공물의 기울기를 조절하는 기울기 조절 수단을 구비하는 스테이지; 및 상기 스테이지 및 상기 스캐너를 제어하는 제어보드를 포함하는 5축 표면 연속 가공 장치의 제어 방법으로서, (a) 상기 스캐너의 스캔 범위가 상기 피가공물의 표면 전체를 지나도록 스캔 경로를 생성하는 단계; (b) 상기 스캔 경로를 지나도록 상기 이동 수단을 구동하는 구동 명령을 생성하는 단계; (c) 상기 피가공물의 표면이 상기 스캐너와 수직으로 접하도록 상기 기울기 조절수단을 구동하는 구동 명령을 생성하는 단계; (d)상기 구동 명령과 상기 스테이지의 실측 움직임 사이의 오차를 보정하는 보정 명령을 생성하는 단계; 및 (e) 상기 보정 명령에 기초하여 상기 피가공물 표면을 가공하는 단계를 포함하는 5축 표면 연속 가공 장치 제어 방법을 제공한다.
이때, 상기 보정 명령은 상기 스테이지의 관성에 의해 발생되는 오차를 보정하는 관성 오차 보정 값을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 5축 표면 연속 가공 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 피가공물의 표면을 스캐너가 수직으로 스캔하도록 스테이지를 제어하고, 스테이지 제어시 발생되는 오차를 스캐너에서 보정하므로 피가공물 표면에 연속으로 정밀 가공을 수행하는 것이 가능하다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 5축 표면 연속 가공 장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따라 피가공물과 스캐너 스캐너가 수직으로 접하는 예를 설명하는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 스캐너 내부의 모식도이다.
도 4는 이동 제어 명령과 스테이지의 관성에 의한 스테이지의 실제 움직임과의 차이를 보여주는 도식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 5축 표면 연속 가공 장치를 제어하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 5축 표면 연속 가공 장치의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 5축 표면 연속 가공 장치(100)는 스테이지(110), 스캐너(120) 및 제어보드(130)를 포함한다.
피가공물(200)은 반도체 디바이스, 금형 또는 공구 등 설계에 따라 레이저에 의한 가공을 필요로 하는 가공물을 의미하며, 본 발명에서는 특히 그중에서도 입체 형상의 표면을 가지는 가공물을 가공 대상으로 한다
스캐너(120)는 설계에 따라 피가공물(200) 표면에 레이저가공을 수행하는 장치이다. 스캐너(120)는 드릴링(drilling), 마킹(marking), 커팅(cutting) 등의 작업을 수행한다.
이러한 가공을 수행하는 레이저 스캐너는 여러 종류가 있으나, 그 중 갈바노 스캐너가 널리 사용되고 있으므로 본 실시예에서, 스캐너(120)는 갈바노 스캐너인 것으로 설명하기로 한다.
일반적으로 널리 사용되는 스캐너(120)는 한 번에 스캔하여 가공할 수 있는 면적(스캔 필드)이 수십 m㎟ 수준이다.
이에 반하여 피가공물(200)의 표면은 이보다 넓은 경우가 대부분이므로, 스캐너(120)가 피가공물(200) 표면 전체를 가공하려면 스캐너(120)는 피가공물(200) 표면을 따라 움직여야 한다.
스캐너(120)의 스캔 필드가 피가공물(200)의 표면을 모두 커버 하도록 스캐너(120)가 피가공물(200)에 대해 움직이는 경로를 스캔 경로라고 한다. 고정된 피가공물(200)에 대해 스캐너(120)가 움직이거나, 고정된 스캐너(120)에 대해 피가공물(200)을 이동시키는 방식에 의해 스캐너(120)의 스캔 경로 주행이 수행될 수 있다. 다만, 스캐너(120)는 레이저 및 광학 부품을 포함하는 정밀 장치이므로 스캐너(120)는 고정시키고 피가공물(200)을 스캔 경로에 따라 이동시키는 방법을 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 도 1의 도시에는 스캔 경로가 2차원 경로로 되어있으나, 이는 간결한 도시를 위한 것으로서 스캔 경로는 피가공물(200)의 표면 지형(곡면)에 맞추어 스캐너(120)외 피가공물(200)과의 거리를 일정하게 하기 위한 Z축 이동을 포함한다.
스테이지(110)는 피가공물(200)을 스캔 경로에 따라 이동시키는 수단을 구비한다.
스테이지(110)는 X축 구동부, Y축 구동부 및 Z축 구동부를 구비하여(각 구동부는 간결한 도시를 위해 도시 생략) 스테이지(110)에 고정된 피가공물(200)을 스캔 경로에 따라 이동시킨다.
한편, 피가공물(200) 표면이 스캐너(120)와 수직으로 접하도록, 스테이지(110)는 피가공물(200)을 A축 및 C축을 중심으로 회전시키는 A축 구동부 및 C축 구동부를 더 포함한다.
제어보드(130)는 스테이지(110)를 제어하는 스테이지 제어부(미도시), 스캐너(120)를 제어하는 스캐너 제어부(미도시) 및 오차 보정부(미도시)를 포함한다.
스캔 경로 캠(computer-aided manufacturing, CAM) 소프트웨어에 의해 생성되며, 스테이지 제어부는 캠 데이터로부터 X축 구동부, Y축 구동부 및 Z축 구동부 명령을 생성하고, 각각 X축, Y축 및 Z축 엔코더를 통해 축 구동부, Y축 구동부 및 Z축 구동부를 구동한다.
또한, 스테이지 제어부는 캠 데이터로부터 A축 구동 명령 및 C축 구동 명령을 생성하고 각각 A축 및 C축 엔코더 분배기를 통해 A축 구동부 및 C축 구동부를 구동한다.
도 2는 본 발명에 따라 피가공물과 스캐너 스캐너가 수직으로 접하는 예를 설명하는 모식도이다. 도시된 바와 같이 스캔 경로에 맞추어 스테이지(110)의 A축 및 C축이 회전하므로 피가공물(200)은 스캐너와 수직으로 접하게 된다. 즉, 레이저빔이 피가공물(200)에 항상 수직으로 조사된다.
스캐너 제어부는 스캐너(120)를 제어하여 설계에 의한 레이저에 의한 가공이 피가공물(200) 표면에 수행되도록 한다.
도 3을 참조하면(도 3은 본 발명에 따른 스캐너 내부의 모식도이다), 스캐너(120)는 빔출력부(121), 촛점 가변부(122) x축 미러(123), x축 모터(125), y축 미러(124) 및 y축 모터(126)를 포함한다(빔 스플릿터 및 빔 스캐너와 같은 다른 구성요소들은 도시 생략).
스캐너 제어부(도시하지 않음)는 피가공물(200) 표면 가공 데이터를 캠 데이터로부터 페이징하여 빔출력부(121) 구동 명령, 촛점 가변부(122) 구동 명령, x축 모터(125) 및 y축 모터(126) 구동 명령을 생성하여 스캐너(120)로 전송한다.
즉, 스테이지 제어부(도시하지 않음)는 스캔 경로에 따라 피가공물(200)을 이동시키고, 스캐너 제어부는 스캐너(120)를 제어하여 이동하는 피가공물(200) 표면에 연속적인 가공이 수행되게 한다.
이때, 스테이지(110)는 고정된 피가공물(200)의 질량 및 각 구동부의 질량에 비례하여 관성을 가지는데, 스캔 경로가 변하는 경우 또는 A축 또는 C축의 급격한 회전을 요하는 경우와 같이 스테이지(110)의 급격한 움직임을 요구되는 경우, 관성에 의해 즉각적인 응답이 수행되지 못한다.
도 4는 이동 제어 명령과 스테이지의 관성에 의한 스테이지의 실제 움직임과의 차이를 보여주는 도식도이다.
예를 들어 스테이지(110)가 t1에서 'a' 만큼의 이동된 위치를 가져야 한다면 스테이지(110)의 관성으로 인하여 스테이지 제어부는 t0에서 미리 'a' 만큼 이동 시키는 구동 명령을 생성시켜야한다. 그럼에도 불구하고 t0과 t1 사이 구간에는 점선으로 표시된 부분의 제어 오차가 발생 된다. 스캔 경로를 이동하는 스테이지(110)의 속도를 줄이면 제어 오차는 감소하나, 피가공물(200) 처리 시간은 증가하게 된다.
이러한 단점을 극복하기 위해 본 발명은 스테이지(110)에서 발생하는 제어 오차를 스캐너(120)에서 보정한다.
스테이지(110) 구동 명령은 밀리초(mmsec)단위로 실행되고, 스캐너(120) 구동 명령은 마이크로초(μsec) 단위로 실행되므로, 스테이지(110) 구동 명령 생성 간격 사이에 오차 보정 명령들을 생성하고 이를 스캐너(120) 제어 명령에 반영한다.
예를 들어 t0과 t1이 스테이지(110) 구동 명령 수행 간격이고 그 값이 1mmsec 이고, 스캐너(120) 구동 명령의 수행 간격이 10μsec이면, t0과 t1 사이에 99개의 오차 보정 명령을 생성하여 이를 스캐너(120) 제어 명령에 반영한다.
도 4를 다시 참조하면, 오차 보정부는 a1 부터 a99까지 오차 보정 명령을 생성하고 이를 스캐너 제어 명령에 반영한다.
도 4에서 스테이지(110)의 이동 값 'a'는 발생되는 오차를 설명하기 위해 예를 든 것이므로 실제 스테이지(110)의 구현에서는 X축, Y축 및 Z축 각각의 이동에 대한 보정 값이 필요하다. 따라서, 오차 보정부에서는 각 축별 보정 명령을 생성한다.
X축, Y축 보정 명령은 각각 x축 모터(125) 및 y축 모터(126) 제어 명령에 반영되고, Z축 보정 명령은 촛점 가변부(122)를 제어하는 명령에 반영된다. 즉, x축 모터(125), y축 모터(126) 및 촛점 가변부(122)에 의해 3축 보정이 이루어진다.
도 5는 본 발명에 따른 5축 표면 연속 가공 장치를 제어하는 흐름도이다. 도 5는 도 1에 개시된 5축 표면 연속 가공 장치를 시계열 적으로 구현한 것으로서, 스테이지(110), 스캐너(120) 및 제어보드(130)에 대해 설명된 부분은 본 실시예에도 그대로 적용된다.
본 발명에 따른 5축 표면 연속 가공 장치 제어방법은, 스캔 경로 생성 단계(S410), 이동 명령 생성 단계(S420), 기울기 조절 명령 생성 단계(S430), 보정 명령 생성 단계(S440) 및 피가공물 가공 단계(S450)를 포함한다.
S410 단계에서, 5축 표면 연속 가공 장치는 스캐너의 스캔 범위가 피가공물의 표면 전체를 지나도록 스캔 경로를 생성한다. 스캔 경로 생성은 캠(computer-aided manufacturing, CAM) 소프트웨어에 의해 생성 캠 데이터를 페이징하여 생성한다. 5축 표면 연속 가공 장치는 별도의 장치에서 생성된 스캔 경로 데이터를 취할 수도 있다.
도 1에 따르면 스캔 경로는 스캔 경로는 2차원 경로인 것처럼 되어 있으나, 스캔 경로는 피가공물(200)의 표면 지형(곡면)에 맞추어 이동하는 것도 포함하므로 스캔 경로는 3차원 상의 이동 경로로 이해하는 것이 바람직하다.
S420 단계에서, 5축 표면 연속 가공 장치는 스캐너가 스캔 경로를 지나도록 이동 수단을 구동하는 구동 명령을 생성한다.
S430 단계에서, 5축 표면 연속 가공 장치는 스캔 경로에 따라 피가공물 표면이 스캐너에 수직으로 접하도록 기울기 조절 수단을 구동시키는 구동 명령을 생성한다.
S440 단계에서, 제어 보드는 구동 명령과 스테이지의 실측 움직임 사이의 오차를 보정하는 보정 명령을 생성한다. 보정 명령은 이동 제어 명령과 스테이지의 관성에 의한 스테이지의 실제 움직임과의 차이를 보정하는 명령이다.
제어 보드는 보정 명령을 스캐너 제어 명령에 적용하여 스캐너의 스캔 범위를 보정한다. 즉, 각 축방향에 보정 명령치 만큼 틸트된 명령을 생성하여 스캐너를 제어한다.
스테이지 제어부, 스캐너 제어부 및 오차 보정부에 대해서는 앞서 상세히 설명되었으므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
S450 단계에서, 스캐너는 보정 명령이 적용된 제어 명령에 따라 피가공물의 표면을 가공한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 5축 표면 연속 가공 장치
110 : 스테이지
120 : 스캐너
130 : 제어보드
200 : 피가공물

Claims (6)

  1. 피가공물의 표면을 가공하는 스캐너;
    상기 피가공물을 스캔 경로에 따라 이동시키는 이동 수단 및 상기 피가공물의 표면이 상기 스캐너와 수직으로 접하도록 피가공물의 기울기를 조절하는 기울기 조절 수단을 구비하는 스테이지; 및
    상기 스캔 경로에 기초하여 상기 스테이지 및 상기 스캐너를 제어하는 제어보드를 포함하는 5축 표면 연속 가공 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동 수단은 상기 피가공물을 각각 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시키는 X축 구동부, Y축 구동부 및 Z축 구동부를 포함하고,
    상기 기울기 조절 수단은 상기 피가공물을 각각 A축 및 C축을 중심으로 회전구동시키는 A축 구동부 및 C축 구동부를 포함하고,
    상기 제어보드는 상기 스캔 경로와 상기 피가공물의 표면 기울기에 기초하여 X축 구동, Y축 구동, Z축 구동, A축 구동 및 C축 구동 명령을 생성하여 상기 X축 구동부, 상기 Y축 구동부, 상기 Z축 구동, 상기 A축 구동부 및 상기 C축 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 5축 표면 연속 가공 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어보드는 상기 각 구동 명령과 상기 스테이지의 실측 움직임 사이의 오차를 보정하는 보정 명령을 생성하고,
    상기 스캐너는 상기 보정 명령의 보정 값에 따라 스캔 범위를 보정하는 것을 특징으로 하는 5축 표면 연속 가공 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보정 명령은 상기 스테이지의 관성에 의해 발생되는 오차를 보정하는 관성 오차 보정 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 5축 표면 연속 가공 장치.
  5. 피가공물의 표면을 가공하는 스캐너; 상기 피가공물을 스캔 경로에 따라 이동시키는 이동 수단 및 상기 피가공물의 표면이 상기 스캐너와 수직으로 접하도록 피가공물의 기울기를 조절하는 기울기 조절 수단을 구비하는 스테이지; 및 상기 스테이지 및 상기 스캐너를 제어하는 제어보드를 포함하는 5축 표면 연속 가공 장치의 제어 방법으로서,
    (a) 상기 스캐너의 스캔 범위가 상기 피가공물의 표면 전체를 지나도록 스캔 경로를 생성하는 단계;
    (b) 상기 스캔 경로를 지나도록 상기 이동 수단을 구동하는 구동 명령을 생성하는 단계;
    (c) 상기 피가공물의 표면이 상기 스캐너와 수직으로 접하도록 상기 기울기 조절수단을 구동하는 구동 명령을 생성하는 단계;
    (d)상기 구동 명령과 상기 스테이지의 실측 움직임 사이의 오차를 보정하는 보정 명령을 생성하는 단계; 및
    (e) 상기 보정 명령에 기초하여 상기 피가공물 표면을 가공하는 단계를 포함하는 5축 표면 연속 가공 장치 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 보정 명령은 상기 스테이지의 관성에 의해 발생되는 오차를 보정하는 관성 오차 보정 값을 포함하는 5축 표면 연속 가공 장치 제어 방법.
KR1020150079785A 2015-06-05 2015-06-05 레이저 스캐너 기반 5축 표면 연속 가공 장치 및 그 제어 방법 KR101722916B1 (ko)

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