KR20170123250A - 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치 - Google Patents

Abstract

[과제] 레이저광을 소요 속도, 또한 등속으로 주사함으로써 고속이고 높은 품질로 가공할 수 있는 레이저 가공 방법을 제공한다.
[해결수단] 갈바노 스캐너에 의한 레이저광의 주사 범위를 이용하고, 작업 세트 테이블의 이동 시에 관성의 영향을 억제할 수 있도록, 또한 총 이동 길이가 최소가 되도록, 궤도와 속도를 생성하여, 궤도의 소요 세그먼트마다 속도의 미분값과 가부의 기준이 되는 가감 속도의 동작 한계값을 비교하여, 가부를 판정하는 공정과, 가능의 세그먼트에서 생성한 속도로 작업 세트 테이블을 이동시키면서 레이저광을 주사하고, 불가의 세그먼트 시점 측에서는 레이저광 출사를 정지하고, 그 상태로 작업 세트 테이블을 소요 속도로 이동시켜 "가능"으로 판정된 세그먼트에 이동했을 때, 가공을 정지한 곳에서부터 레이저광의 주사에 의한 가공을 계속하는 공정을 구비한다.

Description

레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치{LASER PROCESSING METHOD AND LASER PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 광 출사부와 소재의 상대적이고 물리적인 이동에 의해 집광부의 주사를 실행하는 레이저 가공에 있어서, 레이저광을 소재에 대해서 소요 속도, 또한 등속으로 주사함으로써, 고속이고 높은 품질로 가공할 수 있는 것에 관한 것이다.

레이저광을 미세한 스팟(spot)에 집광하고 그 집광부를 소재(가공 대상물)에 대해서 주사하는 것으로서, 소재를 조각하거나 절단하거나 하여 가공하는 레이저 가공 장치는 다양한 재료로 만들어진 물품의 가공에서 사용되고 있다.

이러한 소재에 대해서 레이저광을 2차원적으로 주사하여 가공하는 방법으로는 먼저 레이저광 출사부와 소재를 상대적으로, 또한 물리적(기계적)으로 이동시킴으로써, 주사하여 가공하는 것이 있다. 이 방법에는 레이저광 출사부 측을 고정하고 소재 측을 이동시키는 것과, 반대로 소재 측을 고정하고 레이저광 출사부 측을 이동시키는 것, 혹은 레이저광 출사부 측과 소재 측의 쌍방을 이동시키는 것이 있다.

또한, 다른 방법으로서, 필요한 위치에 고정된 레이저광 출사부로부터 출사된 레이저광을 갈바노 스캐너나 폴리곤 미러 등을 이용하여 광학적으로 제어하고, 주사하여 가공을 하는 것이 있다. 또한, 상기 레이저광 출사부 측 또는 소재 측의 물리적인 이동과 레이저광의 광학적인 주사를 조합한 것도 제안되어 있다.

상기 각 방법에는 각각 특징이 있고, 요구되는 능력과 기능성에 따라 적절히 선택되어 레이저 가공 장치에 채용되고 있다. 특히, 상기 레이저광 출사부와 소재를 상대적이고 물리적으로 이동시켜 가공하는 기능을 구비한 것은 레이저광을 단 초점 거리의 렌즈를 사용하여 미세한 스팟에 집광할 수 있기 때문에, 높은 품질의 가공을 넓은 범위에서 행할 수 있다는 점에서 유리하다. 이러한 레이저 가공 장치의 일례로서는 특허문헌 1에 기재된 레이저 가공기가 있다.

상기 특허문헌 1에 기재된 레이저 가공기는 전후 또는 좌우 방향으로 갈바노 스캐너가 수평 이동할 때, 갈바노 스캐너 본체를 지정된 위치에 정지시킨 상태에서 스캐너 미러에만 레이저를 주사시켜 가공을 행하는 방법에 더해, 갈바노 스캐너 본체를 자주(自走)(이동)시키면서 스캐너 미러를 제어함으로써, 이동 범위 전체를 분할하지 않고 레이저 가공을 실행하는 것이 가능하고, 갈바노 스캐너가 가진 가공 능력을 확대한다고 말할 수 있다.

특개2011-240403호 공보

그러나 상기 종래의 레이저 가공기에는 다음과 같은 과제가 있었다. 즉, 레이저 가공기는 레이저광 출사부에 있는 갈바노 스캐너와 소재의 상대적이고 물리적인 이동과, 갈바노 스캐너에서 레이저광의 광학적인 주사를 조합하여 실행하는 구성이다. 전자는 갈바노 스캐너를 XY 방향, 즉 2차원 방향으로 이동시키는 것이고, 특히 레이저광의 주사 이동량이 큰 부분은 이 상대적이고 물리적인 이동에 의해 주사가 이루어지도록 되어 있다.

또한, 레이저 가공에서 소재에 대해 특히 레이저광을 2차원적으로 주사하여 가공하는 경우, 가공부의 용융물의 부풀어오름을 평균화할 수 있도록 하는 등 보다 높은 품질의 가공을 하기 위해서는 레이저광의 집광부를 소요(所要)의 일정한 속도(등속)로 주사하는 것이 바람직하다는 것은 알려져 있다.

그러나 상기 종래의 레이저 가공기처럼 갈바노 스캐너의 이동에 있어서, 물리적인 이동량이 커지면 특히 이동 방향을 바꿀 때의 감속과 그 후의 가속에 따라,큰 관성력이 작용하기 쉬워지고, 이와 동시에 이동 속도에도 큰 변화가 생긴다. 이 때문에 레이저 가공에 있어서, 가공 형상에 따라서는 갈바노 스캐너의 안정적이고 일정한 속도를 유지하는 것이 어려웠다.

또한, 이러한 크게 변동하는 갈바노 스캐너의 이동 속도에 따라 레이저광을 광학적으로 주사하기 위해서는 매우 복잡한 제어가 필요하며,이 제어를 고속으로 실행하고, 게다가 주사를 일정한 속도(등속)로 제어하는 것은 실제로는 곤란하였다. 그래서 이것이 갈바노 스캐너와 소재의 상대적이고 물리적인 이동에 의한 집광부의 주사를 실행하는 유형의 레이저 가공기에 있어서, 고속이고 높은 품질로 가공을 실행하는 데 있어서 난관이었다.

본 발명은 이상의 점을 감안하여 창안된 것으로, 레이저광 출사부와 소재의 상대적이고 물리적인 이동에 의해, 집광부의 주사를 행하는 레이저 가공에 있어서, 레이저광을 소재에 대해서 소요 속도로 등속으로 주사함으로써, 고속이고 높은 품질로 가공을 실행할 수 있는 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 가공 방법은 미리 설정한 소재의 가공 형상에 대응하여, 레이저광 출사부의 레이저광의 주사 범위를 이용하고, 작업 세트 테이블의 이동시에 관성의 영향을 억제할 수 있도록, 총 이동 길이가 최소가 되도록 상기 작업 세트 테이블의 궤도 및 동작 정보를 생성하고, 상기 생성된 궤도의 소요 세그먼트마다, 상기 동작 정보와 미리 설정한 가부(可否)의 기준이 되는 동작 한계값과 비교하고, 상기 동작 정보가 상기 동작 한계값 이하이면 "가능(可)"으로 판정하고, 상기 동작 한계값을 초과하면 "불가능(否)"으로 판정하는 공정과, 상기 생성된 궤도의 상기 "가능"으로 판정된 세그먼트에서는 상기 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간을 상기 동작 정보를 바탕으로 상기 작업 세트 테이블을 이동시키면서 레이저광을 주사하여 가공하고, 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에서는 그 세그먼트의 이동 방향에 있어서, 이전의 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간의 종점까지 가공한 후, 상기 종점에서 레이저광의 출사를 정지하고, 가공을 정지한 상태에서 상기 작업 세트 테이블을 소요 속도로 이동시키고, 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에 이동했을 때, 상기 가공을 정지한 곳에서부터 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간의 가공을 계속하는 공정을 구비한다.

본 발명의 레이저 가공 방법에서는 소재의 가공 형상(예를 들면, 절단 형상)을 설정해 둔다. 이 미리 설정한 소재의 가공 형상에 대응하여, 레이저광 출사부의 레이저광 주사 범위를 이용하고, 작업 세트 테이블의 이동 시에 관성의 영향을 억제할 수 있도록, 또한 총 이동 길이가 최소가 되도록 상기 작업 세트 테이블의 궤도 및 동작 정보를 생성한다.

궤도의 생성은 예를 들면, 가공 형상의 2차원 선분의 데이터를 일정 간격의 점 데이터로 변환하고, 이들 점을 레이저광 출사부가 대응할 수 있는 영역의 범위에서 그룹화하고, 그룹화된 점 데이터의 중심 위치를 각 점의 좌표로 산출하여 얻어진 모든 중심 위치를 통해, 총 이동 길이가 최소가 되는 선(직선, 또는 곡선이면 곡률이 크고 직선에 가까운 선)을 산출하고, 이 선을 작업 세트 테이블이 동작하는 궤도 정보로 하는 등 하여 행해진다. 이에 의해, 작업 세트 테이블이 동작하는 때의 관성의 영향을 억제하거나 저감하고 있다. 또한 궤도의 생성 방법은 이에 한정하는 것은 아니며, 다른 방법을 채용해도 좋다.

그리고 생성된 궤도의 소요 세그먼트마다 생성된 동작 정보와 미리 설정한 가부의 기준이 되는 동작 한계값을 비교하고, 상기 동작 정보가 상기 동작 한계값 이하이면(동작 한계값을 초과하지 않으면) "가능"으로 판정하고, 동작 한계값을 초과하면 "불가능"으로 판정한다. 또한, 이 판정 방법은 가부의 기준이 되는 동작 한계값을 결정할 때에 생성된 동작 정보가 가부의 기준이 되는 동작 한계값 미만이면 "가능"으로 판정하고, 동작 한계값 이상이면 "불가능"으로 판정하도록 설정해도 좋다.

동작 한계값은 예를 들면, 궤도의 세그먼트가 원호인 경우, 곡률이나 반경의 값마다 소요 조건 하에서 미리 설정되어 있는 허용할 수 있는 한도의 가감 속도 등이다. 또는, 궤도가 굽은 선 형태인 경우, 선분의 각도마다 소요 조건 하에서 미리 설정되어 있는 허용할 수 있는 한도의 가감 속도 등이다.

생성된 궤도에 있어서, "가능"으로 판정된 세그먼트에서는 생성된 동작 정보인 소요 속도로 작업 세트 테이블을 이동시키면서 레이저광 출사부에서 레이저광을 출사하고, 소재 위를 주사하여 상기 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간을 가공한다. 또한, "불가능"으로 판정된 세그먼트에서는 그 세그먼트의 이동 방향에서 이전의 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간의 종점(다음 가공 시점이 된다)까지 가공한 후, 이 종점(다시 말해, "불가능"으로 판정된 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간의 시점)에서 레이저광의 출사를 정지한다. 상기 가공 형상 구간의 다음 가공 시점에 대응하는 위치까지 이동하는 동안의 작업 세트 테이블의 이동(레이저광 출사부의 상대적인 이동)에 있어서는, 레이저광에 의한 가공을 실행하지 않는 이른바 공주(free running) 상태가 된다.

그리고 레이저광 출사부는 상대적인 공주 상태를 거쳐 다음 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간의 가공 시점에서 소요 가공 속도에 도달한 후, 가공 시점에 레이저광을 출사하고, 다음 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간의 가공을 계속한다. 이 가공의 계속에 의해 레이저광의 집광부의 소재 위로의 주사는 소요 속도, 또한 동일한 속도(등속)로 중단없이 실행되고, 결과적으로 소재를 고속으로 가공할 수 있음과 더불어, 높은 품질로 가공할 수 있다.

(2) 본 발명은 또한, 상기 생성된 동작 정보가 작업 세트 테이블의 이동 속도의 미분값이고, 상기 미리 설정한 가부의 기준이 되는 동작 한계값이 가감 속도의 동작 한계값인 구성으로 해도 좋다.

이 경우는 미리 설정한 소재의 가공 형상에 대응하여, 레이저광 출사부에 의한 레이저광의 주사 범위 내에서 레이저광을 연속적으로 소요 속도, 또한 등속으로 주사하는 것이 가능한 작업 세트 테이블의 궤도 및 속도를 생성하고, 상기 생성된 궤도의 소요 세그먼트마다 생성된 속도의 미분값과 미리 설정한 가부의 기준이 되는 가감 속도의 동작 한계값을 비교하여, 속도의 미분값이 동작 한계값 이하이면 "가능"으로 판정하고, 동작 한계값을 초과하면 "불가능"으로 판정하여 가부의 각 케이스마다 상기 (1)의 경우와 마찬가지로 필요의 동작을 행하게 된다.

(3) 본 발명은 또한, 상기 소재의 가공 종료 후, 상기 소재에 남는 실제 가공 형상을 계측하고, 상기 실제 가공 형상과 상기 미리 설정한 소재의 가공 형상을 비교하여, 그 차이를 보정하는 공정을 구비하는 구성으로 하는 것으로도 할 수 있다.

이 경우, 소재의 가공 완료 후, 소재를 필요의 위치(계측 위치)로 이동시켜 화상 센서에 의해 소재에 남아있는 실제 가공 형상을 계측한다. 이 계측 데이터와 가공 조건인 미리 설정한 소재의 가공 형상 데이터를 비교하고, 그 차이를 산출한다. 이 차이를 보정값으로 하여 다음 가공에서 보정값을 사용한 가공을 실행한다.

따라서 신호의 지연이나 가동부의 기계적 저항 등으로 인해, 미리 설정한 소재의 가공 형상에 대한 실제 가공 형상의 오차를 보다 작게 할 수 있고, 소재의 가공 정밀도가 향상된다. 또한, 이 보정은 소재마다 행해도 좋고, 소재를 복수 가공할 때마다 행해도 좋다.

(4) 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 가공 장치는 레이저광을 출사하는 레이저광 출사부와, 소재의 부착부이고, 상기 레이저광 출사부에서 출사되는 레이저광에 의해 주사할 수 있는 2차원 방향의 필요 범위 내의 전역에서 구동부에 의해 이동 조작이 가능한 작업 세트 테이블과, 미리 설정한 소재의 가공 형상에 대응하여, 레이저광 출사부의 레이저광의 주사 범위를 이용하고, 작업 세트 테이블의 이동 시에, 관성의 영향을 억제할 수 있도록, 또한 총 이동 길이가 최소가 되도록, 상기 작업 세트 테이블의 궤도 및 동작 정보를 생성하고, 상기 생성된 궤도의 소요 세그먼트마다 상기 동작 정보와 미리 설정한 가부의 기준이 되는 동작 한계값을 비교하여, 상기 동작 정보가 상기 동작 한계값 이하이면 "가능"으로 판정하고, 상기 동작 한계값을 초과하면 "불가능"으로 판정하도록 하여, 상기 생성된 궤도의 상기 "가능"으로 판정된 세그먼트에서는 상기 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간을 상기 동작 정보를 바탕으로 상기 작업 세트 테이블을 이동시키면서 레이저광을 주사하여 가공하고, 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에서는 그 세그먼트의 이동 방향에서 이전의 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간의 종점까지 가공한 후, 상기 종점에서 레이저광의 출사를 정지하고, 가공을 정지한 상태에서 상기 작업 세트 테이블을 소요 속도로 이동시켜, 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에 이동했을 때, 상기 가공을 정지한 곳에서부터 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간의 가공을 계속하도록 하는 동작 정보를 생성하는 동작 정보 생성부와, 상기 구동부에서 상기 작업 세트 테이블의 위치 정보를 받아 상기 레이저광 출사부에 상기 동작 정보 생성부에서 생성된 출사 지령을 내보내는 레이저 제어부와, 상기 구동부에서 작업 세트 테이블의 위치 정보를 받아 작업 세트 테이블을 이동시키는 상기 구동부에 상기 동작 정보 생성부에서 생성된 동작 지령을 내보내는 동작 제어부를 구비한다.

레이저 가공 장치는 다음과 같은 작용을 한다.

먼저, 필요한 소재의 가공 형상 데이터를 동작 정보 생성부에 입력한다.

다음으로, 입력한 데이터를 바탕으로 동작 정보 생성부에 의해 작업 세트 테이블을 움직이게 하는 구동부의 동작 정보와, 레이저광 출사부의 동작 정보가 생성된다.

즉, 미리 설정한 소재의 가공 형상에 대응하여 레이저광 출사부에 의한 레이저광의 주사 범위 내에서 레이저광을 연속적인 소요 속도, 또한 등속으로 주사하는 것이 가능한 작업 세트 테이블의 궤도 및 속도 정보를 생성한다.

또한, 생성된 궤도의 소요 세그먼트마다 상기 생성된 동작 정보와 미리 설정 된 가부의 기준이 되는 동작 한계값을 비교하고, 동작 정보가 상기 동작 한계값 이하이면 "가능"으로 판정하고, 동작 한계값을 초과하면 "불가능"으로 판정한다. 생성된 궤도에서 "가능"으로 판정된 세그먼트에서는 생성된 동작 정보인 소요 속도로 작업 세트 테이블을 이동시키면서 레이저광 출사부에서 레이저광을 출사하고, 소재 위를 주사하여 상기 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간을 가공하도록 하고, "불가능"으로 판정된 세그먼트에서는 그 세그먼트의 이동 방향에서 이전의 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간의 종점(다음 가공 시점이 된다)까지 가공한 후, 상기 종점(방향 전환점)에서 레이저광의 출사를 정지하고, 상기 가공 형상 구간의 다음 가공 시점에 대응하는 위치까지 이동하는 동안의 작업 세트 테이블의 이동(레이저광 출사부의 상대적인 이동)에 있어서는, 레이저광에 의한 가공을 실행하지 않도록 하고, 다음 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간의 시점에서 가공을 시작하도록 하는 동작 정보를 생성한다.

이러한 생성된 동작 정보를 바탕으로 동작 제어부에서 구동부로 동작 지령이 출력되고, 작업 세트 테이블이 이동한다. 또한, 구동부에서 작업 세트 테이블의 현재 위치를 표시하는 2차원 방향의 신호가 출력되어, 레이저 제어부와 동작 제어부로 보내지고, 이 신호를 바탕으로 동작 제어부에서 구동부로의 최적의 동작 신호 피드백이 순차적으로 진행되며, 이에 의해 작업 세트 테이블은 정밀하게 동작한다.

그리고 레이저 제어부로 작업 세트 테이블의 동작에 의한 2차원 방향의 신호가 보내지고, 이 신호를 바탕으로 그 시점에서의 동작 정보로 이른바 연속적으로 갱신되고, 갱신된 동작 정보가 순차적으로 레이저 제어부로부터 레이저광 출사부로 출력된다.

이와 같이, 레이저광 출사부와 소재의 상대적이고 물리적인 이동에 의해 집광부의 주사를 행하는 레이저 가공에서 작업 세트 테이블의 이동 속도의 생성 값이 생성된 궤도의 미리 설정한 가부의 기준이 되는 가감 속도의 동작 한계값을 초과하는(부하가 크게된다) 세그먼트(즉 "불가능"으로 판정된 세그먼트)에서는 그 세그먼트의 이동 방향에서 이전의 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간의 종점까지 가공한 후, 종점에서 레이저광의 출사를 정지하기 위해 다음 세그먼트("불가능"으로 판정된 세그먼트)에 대응하는 가공 형상 구간의 가공 시점으로 이동하기까지의 동안에는 레이저광 출사부가 소재에 대해서 상대적인 공주 상태가 된다.

또한, 궤도에서 소정의 속도로 가속하고, 다음 세그먼트로 이동했을 때, 상기 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간의 가공 시점에 레이저광을 출사하고, 공주전에 가공을 정지한 곳(위치)에서부터 이 구간의 레이저광에 의한 가공을 계속하여 행한다. 즉, 레이저광 집광부를 소재에 대해서 소요 속도로 일정한 속도로 끊김 없이 주사할 수 있기 때문에, 고속으로 높은 품질로 가공할 수 있다.

(5) 본 발명은 상기 구동부가 제1 리니어 인코더를 구비하는 제1 구동축과, 상기 제1 구동축에 상기 제1 구동축과 평행하게 이동 가능하게 설치되고 상기 제1 구동축과 대략 직교하는 제2 구동축을 구비하고, 상기 작업 세트 테이블이 상기 제2 구동축에 이동 가능하게 설치되어 있는 구성으로 할 수도 있다.

이 경우, 작업 세트 테이블의 2차원 방향의 필요 범위 내의 전역에서의 이동을 제1 구동축과 제2 구동축에 의해 행할 수 있다. 또한, 제1 구동축이 구비하고 있는 제1 리니어 인코더와, 제2 구동축이 구비하고 있는 제2 리니어 인코더 쌍방으로부터 전송되는 정보에 의해 작업 세트 테이블의 2차원적 위치를 특정하는 것이 가능하게 된다.

(6) 본 발명은 상기 소재의 가공 완료 후, 상기 소재에 남는 실제 가공 형상을 계측하는 화상 센서를 구비하고 있고, 상기 동작 정보 생성부에서 상기 실제 가공 형상과 상기 미리 설정한 소재의 가공 형상을 비교하여, 그 차이를 보정하고, 그 보정값을 사용하여 상기 레이저 제어부에 의한 상기 레이저광 출사부의 제어와, 상기 동작 제어부에 의한 상기 작업 세트 테이블의 이동 제어를 실행하도록 한 구성으로 할 수도 있다.

이 경우는, 먼저 소재의 가공 완료 후, 소재를 소요 위치(계측 위치)로 이동시켜 화상 센서에 의해 소재에 남아있는 실제 가공 형상을 계측한다. 이 계측값의 데이터와 가공 조건인 미리 설정한 소재의 가공 형상 데이터와 비교하고, 차이를 산출한다. 이 차이를 보정값으로 하고, 다음의 가공에서 보정값을 사용하여 가공을 실행한다. 이에 의해, 전기 신호의 지연이나 가동부의 기계적 저항 등으로 기인하는 미리 설정한 소재의 가공 형상과 실제 가공 형상의 오차를 보다 작게 할 수 있고, 소재의 가공 정밀도가 향상된다.

(7) 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 가공 방법은 미리 설정한 소재의 가공 형상에 대응하여, 레이저광 출사부의 레이저광의 주사 범위를 이용하고, 소재 세트테이블의 이동시에 관성의 영향을 억제할 수 있도록, 그리고 총 이동 길이가 최소가 되도록, 상기 작업 세트 테이블의 궤도 및 동작 정보를 생성하고, 상기 생성된 궤도의 소요 세그먼트마다 상기 동작 정보와 미리 설정한 가부의 기준이 되는 동작 한계값과 비교하여, 상기 동작 정보가 상기 동작 한계값 이하이면 "가능"으로 판정하고, 상기 동작 한계값을 초과하면 "불가능"으로 판정하는 공정과, 상기 생성된 궤도의 상기 "가능"으로 판정된 세그먼트에서는 상기 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간을 상기 동작 정보를 바탕으로 상기 작업 세트 테이블을 이동시키면서 레이저광을 주사하여 가공하고, 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에서는 그 세그먼트에 포함되는 방향 전환점을 경계로 하는 각 세그먼트에서 이동 방향으로 이전 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간을 시점에서 종점까지 가공한 후, 상기 종점에서 레이저광의 출사를 정지하고, 가공을 정지한 상태에서 상기 작업 세트 테이블을 소요 속도로 이동시켜 다음 세그먼트로 이동했을 때, 상기 구간의 가공을 정지한 곳에서 다음 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간의 가공을 계속하는 공정을 구비한다.

이 레이저 가공 방법으로는 생성된 궤도에서 "가능"으로 판정된 세그먼트에서는 생성된 동작 정보인 소요 속도로 작업 세트 테이블을 이동시키면서 레이저광 출사부에서 레이저광을 출사하고, 소재 위를 주사하여 상기 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간을 가공한다. 또한, 궤도에서 "불가능"으로 판정된 세그먼트에서는 그 세그먼트의 이동 방향에서 방향 전환점 이전의 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간의 종점(다음 가공 시점이 된다)까지 가공한 후, 종점(방향 전환점)에서 레이저광의 출사를 정지한다. 상기 가공 형상 구간의 다음 가공 시점에 대응하는 위치까지 이동하는 동안의 작업 세트 테이블의 이동(레이저광 출사부의 상대적인 이동)에 있어서는, 레이저광에 의한 가공을 실행하지 않는 이른바 공주 상태가 된다.

그리고 레이저광 출사부는 상대적인 공주 상태를 거쳐 다음 세그먼트(방향 전환점 이후의 세그먼트)에 대응하는 가공 형상 구간의 가공 시점에서 소요 가공 속도에 도달한 후, 가공 시점에 레이저광을 출사하고, 다음 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간의 가공을 계속한다. 이 가공의 계속에 의해 레이저광 집광부의 소재 위에서의 주사는 소요 속도, 또한 동일한 속도(등속)로 중단없이 실행되고, 결과적으로 소재를 고속으로 가공할 수 있고, 동시에 높은 품질로 가공할 수 있다.

본 발명은 레이저광 출사부와 소재의 상대적이고 물리적인 이동에 의해 집광부의 주사를 행하는 레이저 가공에서 레이저광을 소재에 대해서 소요 속도, 또한 등속으로 주사하여 고속으로 높은 품질로 가공을 행할 수 있는 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 가공 장치의 실시 형태를 나타내는 설명도이다.
도 2는 레이저 가공 장치를 구성하는 작업 세트 테이블의 구조를 나타내고, 필름을 고정한 상태를 나타내는 평면에서 본 설명도이다.
도 3은 레이저 가공 장치를 구성하는 동작 정보 생성기에서의 동작의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 레이저 가공 장치를 구성하는 구동축 제어기 및 갈바노 스캐너의 동작의 흐름을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 레이저 가공 장치를 구성하는 화상 센서를 이용한 가공 형상 데이터의 보정을 행하는 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 6 (a)는 데이터 상의 가공 형상을 나타내는 설명도, (b)는 가공 형상 구간마다 가공 조건을 입력하고 있는 상태를 나타내는 설명도, (c)는 가공 형상을 가공 형상 데이터로 세분화하고, 다시 직선과 원호의 세 종류의 객체로 분류하고 있는 상태를 나타내는 설명도, (d)는 점 객체를 예시한 상태를 나타내는 설명도이다.
도 7 (a)는 객체를 그룹화한 상태의 설명도, (b)는 작업 세트 테이블이 가능한 직선 동작을 할 수 있게 궤도를 산출하고 있는 상태의 설명도, (c)는 구동동의 동작 정보를 작성하고 있는 상태의 설명도, (d)는 갈바노 스캐너의 동작 정보를 작성하고 있는 상태의 설명도이다.
도 8은 작업 세트 테이블의 궤도의 일례를 나타내고, 궤도에 공주부를 추가하는 경우의 작업 세트 테이블의 동작 설명도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 레이저 가공 장치(A)의 동작 시스템의 구조를 설명한다.

도 1에 나타낸 레이저 가공 장치(A)는 베이스판(17)을 구비한다. 베이스판 (17)의 상면의 X 방향의 중앙에는, 제1 구동축인 Y 방향 구동축(10)이 Y 방향을 향해 고정되어 있다. Y 방향 구동축(10)에는 거의 전체 길이에 걸쳐 제1 리니어 인코더(linear encoder)인 Y 방향 리니어 인코더(11)가 설치되어 있다.

Y 방향 구동축(10) 위에는, 제2 구동축인 X 방향 구동축(8)이 Y 방향 구동축(10)과 직각 방향(X 방향)으로 향해 있고, 또한 Y 방향 리니어 인코더(11)에 의해 좌표가 특정될 수 있도록 Y 방향으로 이동 가능하게 부착되어 있다. X 방향 구동축(8)에는 거의 전체 길이에 걸쳐, 제2 리니어 인코더인 X 방향 리니어 인코더(9)가 설치되어 있다. 또한, X 방향 구동축(8) 위에는, 후술하는 작업 세트 테이블(work set table)(7)이 X 방향 리니어 인코더(9)에 의해 좌표가 특정될 수 있도록 X 방향으로 이동 가능하게 부착되어 있다. Y 방향 구동축(10)과 X 방향 구동축(8)은 작업 세트 테이블(7)을 이동시키는 구동부를 구성한다.

베이스판(17)의 후면측에는 가대(18)가 설치되어 있다. 가대(18) 위에는, 레이저 발진기(1)가 설치되어 있다. 또한, 가대(18)의 전면에는, 헤드 승강 기구부(5)가 설치되어 있다. 헤드 승강 기구부(5)의 승강 제어가 가능한 승강체(50)에는 레이저광 출사부를 구성하는 갈바노 스캐너(galvanometer scanner)(4)가 고정되어 있다. 갈바노 스캐너(4)는 아래쪽으로 출사부인 fθ 렌즈(f theta lens)(3)를 구비하고, fθ 렌즈 외에, 미러 등의 광학 시스템에 의해 레이저광을 주사하는 것이다.

또한, 갈바노 스캐너(4)는 개별적으로, 그 스캐너 특유의(독자적인) 레이저광의 주사 범위를 구비하고 있다. 이 특유의 주사 범위는, 이후 설명하는 작업 세트 테이블(7)이 가능한 한 직선적으로 동작할 수 있는 궤도를 산출하는 경우에도, 조건의 하나로서 데이터 입력에 사용된다. 승강체(50)에는 갈바노 스캐너(4)의 옆에 화상 센서(6)가 병설되어 있다. 또한, 레이저 발진기(1)에서는 갈바노 스캐너(4)로 이어지는 레이저광로(2)가 연장되어 있다.

또한, 상기 동작 시스템을 동작시키는 제어 시스템으로서, 동작 제어부인 구동축 제어기(14), 레이저 제어부인 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15), 동작 정보 생성부인 동작 정보 생성기(16), 이에 더해 X 방향 인코더 신호 분배기(12) 및 Y 방향 인코더 신호 분배기(13)를 구비하고 있다. 이러한 제어 시스템은 제어 시스템 내와, 제어 시스템과 동작 시스템 사이에서, 신호선을 통해 지령 신호(제어 신호)의 교환을 실행한다.

이하, 더욱 상세히 설명한다. 먼저 구동축 제어기(14)로부터는, 신호선 L1을 통해 Y 방향 구동축(10)에 Y 방향 구동축 제어 지령이 보내지고, 신호선 L2를 통해 X 방향 구동축(8)에 X 방향 구동축 제어 지령이 보내진다. Y 방향 리니어 인코더(11)로부터는, 신호선 L3을 통해 Y 방향 인코더 신호 분배기(13)에 Y 방향 인코더 신호가 보내지고, Y 방향 인코더 신호는 구동축 제어기(14)와 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)에 신호선 L4, L5를 통해 분배된다.

X 방향 리니어 인코더(9)로부터는, 신호선 L6를 통해 X 방향 인코더 신호 분배기(12)에 X 방향 인코더 신호가 보내지고, X 방향 인코더 신호는 구동축 제어 기(14)와 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)에 신호선 L7, L8를 통해 분배된다. 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)는 신호선 L9을 통해 갈바노 스캐너(4)에 갈바노 스캐너 제어 지령이 보내지고, 신호선 L10를 통해 레이저 발진기(1)에 레이저광 출사 지령이 보내진다.

또한, 화상 센서(6)로부터는, 신호선 L11를 통해 동작 정보 생성기(16)에 화상 정보가 보내진다. 이 화상 정보는 신호선 L12를 통해 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)에 보내지고, 신호선 L13을 통해 구동축 제어기(14)에 보내진다.

다음으로, 도 2를 참조하여, 레이저 가공 장치(A)에서 채용하고 있는 작업 세트 테이블(7)에 대해 설명한다.

작업 세트 테이블(7)은 필름이나 시트 등의 가공 대상물인 소재(work)를 흡착해서 고정한다. 일반적으로, 레이저 가공 장치의 테이블에는, 고정된 소재를 절단하는 경우에, 가공점에서 벗어난 레이저광의 반사에 의한 영향을 억제하기 위해 소재의 가공할 곳은 공중에 띄운 상태로 유지할 필요가 있다.

통상은, 상면에 소재의 가공하는 부분(가공 형상)과 대응하는 형상의 홈을 설치한 테이블이 이용되고 있다. 그러나 소재의 가공 형상은 다양하며, 이에 대응하는 홈 형상을 가지는 테이블을 미리 제작해 두고, 이들을 관리하는 것은 번거로운 데다가, 비용적으로도 부담이 크다.

레이저 가공 장치(A)가 구비하는 작업 세트 테이블(7)은 사각형의 테이블 본체(70)를 가지며, 그 표면에는 거의 전면에 걸쳐 다수의 흡기 구멍(71)이 설치되어 있다. 또한 테이블 본체(70)의 표면에는, 크기가 다른 사각형으로 동일한 두께를 갖는 흡착 블록(72, 72a)이 적절히 배열되어 착탈 가능하게 고정되어 있다. 큰 흡착 블록(72)과 작은 흡착 블록(72a)은, 예를 들어 도 2와 같이 배열되어 있다.

따라서 각 흡착 블록(72, 72a)의 상면에 설치되어 상기 흡기 구멍(71)에 연통하는 흡착 구멍(73)으로부터 흡기함으로써, 소재를 테이블 본체(70)의 표면으로부터 가공부를 공중에 띄운 상태에서 흡착할 수 있다. 또한, 각 흡착 블록(72, 72a)을 고정함으로써, 한 단계 낮아진 테이블 본체(70)의 표면에 있는 각 흡기 구멍(71)에 의해, 레이저 가공에 의해 발생한 소재의 기화물 등을 흡입하여 제거할 수가 있다.

또한, 이 예에서는, 소재인 도 2에 점선으로 나타낸 필름(700)에서, 각 흡착블록(72)에 대응하는 일점쇄선으로 표시한 사각형의 가공 형상(74), 흡착 블록(72a) 2개 세트에 대응하는 사각형의 가공 형상(75), 흡착 블록(72a) 12개에 대응하는 십자형의 가공 형상(76) 및 동일하게 흡착 블록(72a) 12개에 대응하는 원형의 가공 형상(77)이 설정되어 있다.

여기서, 도 1을 참조하여 레이저 가공 장치(A)의 동작을 개략적으로 설명한다. 레이저 가공 장치(A)는 출사부인 갈바노 스캐너(4)에 의한 레이저광의 주사 속도 및 작업 세트 테이블의 이동에 의해 얻어지는 이동 속도와의 합성 속도를 이용함으로써, 가공 대상물에 대한 레이저광의 주사가 가능한 구성이다.

(1) 필요한 가공 형상 데이터를 동작 정보 생성기(16)에 입력한다.

(2) 입력한 데이터를 바탕으로, 동작 정보 생성기(16)에 의해 갈바노 스캐너(4)의 상대적인 이동에 의한 궤도와, 그에 따른 X 방향 구동축(8)과 Y 방향 구동축(10)의 동작 정보와, 갈바노 스캐너(4)의 동작 정보가 생성된다.

(3) 이 동작 정보를 바탕으로, 구동축 제어기(14)에서 X 방향 구동축(8)과 Y 방향 구동축(10)에 동작 지령이 출력되고, 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)로부터 갈바노 스캐너(4)로 동작 지령이 출력된다.

(4) 동작 지령에 근거하여, 작업 세트 테이블(7)이 이동하고, 그 현재 위치를 나타내는 X 방향, Y 방향의 인코더 신호를, X 방향 리니어 인코더(9) 및 Y 방향 리니어 인코더(11)로부터 출력한다.

(5) X 방향, Y 방향의 인코더 신호는, X 방향 인코더 신호 분배기(12), Y 방향 인코더 신호 분배기(13)에 의해 분배되고, 구동축 제어기(14)와 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)에 출력된다.

(6) X 방향, Y 방향의 인코더 신호를 바탕으로, 구동축 제어기(14)에서 X 방향 구동축(8)과 Y 방향 구동축(10)으로의 최적의 동작 신호 피드백이 순차적으로 실행되어, 작업 세트 테이블(7)은 정밀하게 동작한다.

(7) 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)에, 작업 세트 테이블(7)의 동작에 의한 X 방향, Y 방향의 인코더 신호가 보내지고, X 방향, Y 방향의 인코더 신호를 바탕으로, 그 시점에서의 동작 정보에, 이른바 연속적으로 갱신되고, 갱신된 동작 정보가 순차적으로 갈바노 스캐너(4) 및 레이저 발진기(1)에 출력되어, 레이저 가공이 실행된다.

(8) 하나의 소재에 대해 완료까지 가공한 후, 화상 센서(6)에 의해 가공된 소재의 가공 위치를 계측하고, 동작 정보 생성기(16)에 출력한다.

(9) 동작 정보 생성기(16)에서, 전기 신호의 지연 등으로 발생하는, 입력한 가공 형상과 실제 가공 형상의 차이를 산출하고, 동작 신호의 보정을 실행하여, 다음 가공의 정밀도를 높인다.

다음으로, 도 1 내지 도 8을 참조하여, 레이저 가공 장치(A)를 사용하여 소재가 합성수지 필름인 경우를 예로 들어, 필름을 소요 형상으로 절단하는 경우의 장치의 작용 및 가공 방법을 상세하게 설명한다.

먼저, 작업 세트 테이블(7)에 사각형의 필름(700) 등의 소재를 싣고, 소재를 고정하기 위한 신호를 입력(스위치나 외부로부터의 전기신호 입력)한다. 이에 의해, 작업 세트 테이블(7)에 설치된 배기 구멍(71)에 이어진 배관에 부압(負壓)을 생성시켜, 블록(72, 72a)의 흡착 구멍(73)으로부터 흡입함으로써, 소재를 흡착 고정한다.

그 후, 레이저광의 노출을 방지하기 위해, 레이저 가공 장치(A)가 구비된 커버(도시 생략)를 닫고, 안전을 확보한다. 다음으로 가공 개시의 신호를 입력하면, 각 제어기가 동작 지령을 각 기기에 보내고, 각 기기는 동작을 개시한다. 이하, 가공 작업의 동작 흐름에 대해서는 도 3, 도 4 및 도 5를 참조한다. 또한, 설명에서 <>가 붙은 번호의 설명은 이들 도면에 표시된 번호에 대응한다.

<1> 가공 형상 데이터의 작성 및 입력 (수작업)

동작 정보 생성기(16)(일반적으로는 개인용 컴퓨터)의 소프트웨어 화면에서, 소재에 대해 가공(예: 절단)을 실행하고자 하는 가공 형상의 선(1차원적인 점도 포함하는 경우가 있음)을 입력한다. 입력하는 경우에는, 점, 직선과 곡선, 원형, 사각형 등 다양한 객체(object)를 선택하여 2차원적인 도형을 작성한다(도 6(a) 참조). 또한, 이 도형은 설명을 위해 예시한 것이므로, 상기 도 2에서 예시 한 가공 형상(74 ~ 77)과는 다르다.

또한, CAD(computer-aided design) 시스템 등으로 미리 작성한 2차원적인 도면 데이터를 캡처(capture)하도록 해도 좋다. 또한, 소재 및 작업 세트 테이블(7)의 상대적인 위치 오차를 보정하기 위해, 소재에 마크(도시 생략: 인쇄 및 성막, 그 외의 처리에 의함)가 미리 형성되어 있는 경우에는, 화상 센서(6)가 그 위치를 검출할 필요가 있기 때문에, 그 좌표도 설정한다.

<2> 가공 조건 입력 (수작업)

상기 <1>에서 작성한 2차원적인 가공 형상 데이터에 대해, 가공할 경우에 필요한 가공 속도, 진동 주파수(발진 주파수) 및 가공점 출력(레이저 출력)의 가공 조건을 설정하고, 동작 정보 생성기(16)에 입력한다(도 6(b) 참조). 이 가공 조건의 설정에 대해서는, 작성한 가공 형상의 선분의 각 구간마다 지정하여 입력할 수 있다. 또한, 레이저 가공장치(A)의 능력 상의 제한값(갈바노 스캐너(4)의 주사 범위, 속도, 작업 세트 테이블(7)의 최대 속도 및 가감 속도의 동작 제한 등)은 미리 설정되어 있다.

또한, 상기 가공점 출력은 레이저 발진기(1)에서 출사된 레이저광이 광학 시스템을 경유해서 소재에 도달하여, 실제 가공에 기여하는 레이저광의 초당 에너지를 말한다. 이 에너지는 통상 광학 시스템에서 일정한 감쇠가 일어나기 때문에 설정에서는 그것을 감안한다.

<3> 가공 형상 데이터의 분류 (예비 검증의 준비 공정)

상기 <1>에 입력된 선분으로 이루어진 가공 형상 데이터를 세분화하고, 점과 직선과 원호의 3종류의 객체로 분류한다(도 6(c), (d) 참조). 또한, 도 6(d)에 나타낸 것은, 도 6(c)에 나타낸 직선과 원호의 객체에 더하여, 점 객체를 3곳에 예시한 것이다.

다음으로, 갈바노 스캐너(4)의 대응 영역의 범위마다 해당 객체를 그룹화한다. 객체 하나로 갈바노 스캐너(4)의 대응 범위(대응 영역)을 초과하는 경우에는, 그룹화하지 않고 단독으로 존재시킨다(도 7(a) 참조).

<4> 예비 검증

가공 형상에의 대응 여부를 사전에 예비적으로 검증한다.

상기 <3>에서 작성한 객체의 그룹 및 단독 객체가 각각 배치된 상태에서, 구동 기기인 Y 방향 구동축(10)과 X 방향 구동축(8) 등의 동작 부하가 큰 곳을 판단하여, 간단하게 객체 그룹 및 단독 객체를 갈바노 스캐너(4)의 대응 범위에 포함시키면서, 작업 세트 테이블(7)이 가능한 직선적으로 동작할 수 있는 궤도를 산출한다(도 7(b) 참조).

이와 같이, 갈바노 스캐너(4)의 주사 범위 내에서, 레이저광을 소요 속도로, 또한 연속적으로 등속 주사 가능한, 작업 세트 테이블(7)의 궤도 및 이동 속도를 생성한다. 또한, 이 자동 처리로 주사의 지령을 완결할 수 있다면, 처리 시간, 가공 품질면에서 우수한 처리가 가능하다.

그리고 직선 사이에서의 방향 전환량을, 구동 기기의 미리 설정되어 있는 동작 한계값과 비교하여, 등속으로의 주사 가부(可否)를 판정한다. 즉, 생성된 궤도의 소요 세그먼트마다, 생성된 속도의 미분값과 미리 설정한 가부의 기준이 되는 가감 속도의 동작 한계값을 비교하여, 속도의 미분값이 동작 한계값 이하이면 "가능(可)"으로 판정하고, 동작 한계값을 초과하면 "불가능(否)"으로 판정한다. 또한, 가부의 기준이 되는 동작 한계값은 구동 기기가 갖는 가감 속도, 제정(制定) 시간, 진동 등을 근거로 설정되는 것이므로, 사전에 입력해 둔다. 또한, 동작 한계라는 것은 작업 세트 테이블(7)의 가감속, 제정 시간이 미리 설정되어 있는 주사 속도에 대응할 수 없는 것을 말한다.

<5> 공주 거리(free running distance) 및 위치 정보의 산출

상기 <4>의 예비 검증에서, 생성된 궤도의 소요 속도 및 등속으로의 주사가 "불가능"으로 판정된 세그먼트(segment)에서, 작업 세트 테이블(7)의 공주 경로 및 거리(갈바노 스캐너(4)의 상대적인 공주 경로 및 거리) 및 레이저광을 ON/OFF 하는 위치 정보를 산출한다. 그리고 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에서는, 이동 방향에서의 그 전의 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간에서, 종점까지를 가공한 후, 그 종점으로부터 다음 구간("불가능"으로 판정된 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간)의 가공 시점으로 갈바노 스캐너(4)가 상대적으로 이동하는 동안에는, 레이저광을 출사하지 않은 상태에서 소요 속도로 이동시킴으로써, 즉 상대적으로 공주시킴으로써 처리한다.

<6-A> 구동축 동작 정보의 작성 (자동 처리)

상기 <1>에서 작성한 가공 형상의 2차원 선분의 데이터를 일정 간격의 점 데이터로 변환한다. 이러한 점을 갈바노 스캐너가 대응할 수 있는 영역의 예를 들어 1/4 ~ 1/2의 범위로 둘러싸서 그룹화한다. 그룹화된 점 데이터의 중심 위치를 각 점의 좌표에서 산출한다.

얻어진 모든 중심 위치를 통해, 총 이동 길이가 최소가 되는 선(직선, 또는 곡선이면 곡률이 크고 직선에 가까운 선)을 산출한다. 또한, 여기서 말하는 총 이동 길이는 작업 세트 테이블(7)이 작업 단위에서의 한 번의 가공에서, 이동하는 길이의 전체 길이를 말한다. 다시 말해, 갈바노 스캐너(4)가 작업 단위로의 한 번의 가공에서, 소재에 대하여 상대적으로 이동하는 길이의 전체 길이를 말한다. 이 선을 작업 세트 테이블이 동작하는 궤도 정보로 한다(도 7(c) 참조). 이에 의해, 작업 세트 테이블(7)이 동작하는 경우의 관성의 영향을 억제 또는 감소시킬 수 있다.

그리고 그룹 내에 존재하는 점의 수에서 가공 길이를 얻고, 그것을 가공 속도로 제함으로써, 그 그룹 내에서 허용되는 소요 시간이 구해진다. 또한, 중심 위치 사이의 거리와 소요 시간에서, 작업 세트 테이블(7)을 이동시키기 위한 속도 정보를 얻을 수 있다.

<6-B> 갈바노 스캐너 동작 정보의 작성 (자동 처리)

갈바노 스캐너(4)는 가공 형상 데이터를 최소 단위로 하여, 점, 직선, 원호에 근사한 형상을 인식한다. 원호에 속하지 않는 곡선 등은 짧은 직선의 연계로서 처리한 후, 레이저 가공의 시점 위치와 종점 위치를 설정한다(도 7(d) 참조). 이 시점 위치와 종점 위치에 대해서는, 레이저광 출사 정보로 되는 동시에 구동축 동작 정보에도 반영되어, 동작 상의 시점 위치와 종점 위치를 공통으로 한다.

<7-A> 구동축 동작 정보를 출력

동작 정보 생성기(16)에서, X 방향 구동축(8)과 Y 방향 구동축(10)의 동작 정보를 구동축 제어 기기(14)에 출력한다.

<7-B> 갈바노 스캐너 동작 정보 및 레이저광 출사 정보를 출력

갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)에서, 갈바노 스캐너 동작 지령을 갈바노 스캐너(4)에, 레이저광 출사 지령을 레이저 발진기(1)에 출력한다.

도 4를 참조한다.

<8-A> 구동축 제어 지령의 생성 (자동 처리)

초기의 동작 정보를 구동축 제어 기기(14)에 기록하고, 작업 세트 테이블(7)의 현재 위치로 되는 X 방향 리니어 인코더(9) 및 Y 방향 리니어 인코더(11)로부터 출력되는 신호를 받으면서, 이 신호를 바탕으로 적절한 (또는 최적의) 구동축 제어 신호를 생성하고, 구동부인 X 방향 구동축(8)과 Y 방향 구동축(10)으로의 피드백(feedback)이 순차적으로 실행된다. 이에 의해, 작업 세트 테이블(7)은 정밀하게 동작한다.

<8-B> 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어 지령 생성 (자동 처리)

초기의 동작 정보를 구동축 제어기(14)에 기록하고, 인코더 신호에서 얻은 작업 세트 테이블(7)의 현재 위치를 차감하면서 제어 지령을 생성한다. 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)에서는, 여기서 생성된 지령에 대해서는, 소재의 기준 위치로부터 상대적인 것으로 되는 초기값으로서 인식된다. 또한, 동작 도중에 작업 세트 테이블(7)의 이동에 따라 소재의 기준 위치가 이동함으로써, 상대적으로 레이저광의 조사 위치(레이저 측의 기준 위치)와의 거리가 변동하기 때문에, 그만큼을 차감하는 것을 전제로 해서, 갈바노 스캐너(4)의 대응 범위보다도 큰 지령값을 받아들인다.

더 상세한 내용은, X 방향 리니어 인코더(9) 및 Y 방향 리니어 인코더(11)에서 전기 신호로서 출력되는 인코더 신호에 의한 작업 세트 테이블(7)의 현재 위치 정보를, 구동축 제어기(14) 및 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)에 입력한다. 구동축 제어기(14)에서는 작업 세트 테이블(7)의 설정된 궤도 및 속도 조건대로 정밀하게 동작하도록, 현재 위치 정보와 비교하면서 동작 시의 관성과 전반적인 열팽창 등의 영향을 상쇄하여 X 방향 구동축(8)과 Y 방향 구동축(10)의 모터 동작을 제어한다. 한편으로는, 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)는 작업 세트 테이블(7)의 현재 위치 정보를 수신하여, 소재의 기준 위치와 레이저 측의 기준 위치와의 상대적인 차이를 연속으로 초기의 동작 지령 정보에서 차감한 지령을 갈바노 스캐너(4) 및 레이저 발진기(1)에 출력하여 가공을 실행한다.

<9-A> 구동축 제어 지령 출력

구동축 제어기(14)로부터 X 방향 구동축(8)과 Y 방향 구동축(10)에 제어 지령이 출력된다.

<9-B> 갈바노 스캐너 제어 지령 출력

갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)에서 갈바노 스캐너(4)로 제어 지령이 출력된다.

<9-C> 레이저광 출사 제어 지령 출력

갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기(15)로부터 레이저 발진기(1)에 제어 지령이 출력된다.

<10-A> 작업 세트 테이블 동작

상기 <9-A>에 의해, 작업 세트 테이블(7)이 소요 궤도 위를 동작한다.

<10-B> 갈바노 스캐너 동작

상기 <9-B>에 의해, 갈바노 스캐너(4)에서 레이저광 출사 및 정지를 실행한다.

<10-C> 레이저광 출사

상기 <9-C>에 의해, 레이저광이 출사되어 레이저광로(2)를 통해 갈바노 스캐너(4)로 보내진다.

각 기기의 동작이 시작되고, 인코더 신호를 바탕으로 소재에 설정된 가공 시점이 갈바노 스캐너(4)의 대응 범위 내에 들어가면, 갈바노 스캐너(4)에 의해 소재의 가공 시점으로 되는 위치를 향해 레이저광이 출사되어 가공이 실행된다. 또한, 생성된 궤도에서, 가능(可)으로 판정된 세그먼트(도 8에서 원호 형상의 세그먼트 1)에서는, 생성된 소요 속도로 갈바노 스캐너(4)를 소재에 대해 상대적으로 이동시키면서, 갈바노 스캐너(4)로부터 레이저광을 출사하고, 소재 위를 주사하여, 상기 세그먼트 1에 대응하는 가공 형상 구간을 가공한다.

작업 세트 테이블(7)이 이동하는 궤도에서, 불가능(否)(동작 한계를 초과함)으로 판정된 세그먼트(도 8에서 직선 형상의 세그먼트 5, 9)에서는 각각의 시점 측에, 이동 방향 순으로 감속 구간(직선 형상의 구간 2, 6), 연결 구간(직선 형상의 구간 3, 7) 및 가속 구간(직선 형상의 구간 4, 8)으로 이루어진 공주부(空走部)가 궤도에 추가된다.

또한, "불가능"으로 판정된 세그먼트가 세그먼트 5인 경우에는, "가능"으로 판정된 세그먼트 1이 이동 방향에서 이전의 세그먼트로 되고, "불가능"으로 판정된 세그먼트가 세그먼트 9인 경우는, "불가능"으로 판정된 세그먼트 5가 이동 방향에서 이전의 세그먼트로 된다. 또한, "불가능"으로 판정된 세그먼트 5, 9의 관계에 대해서는, 세그먼트 5는 세그먼트 5의 종점인 방향 전환점을 경계로 하여 이전의 세그먼트이고, 세그먼트 9는 이후의 세그먼트이다. 또한, 세그먼트 1의 종점 및 세그먼트 5의 종점은 방향 전환점이다.

도 8을 참조하여 설명한다. 갈바노 스캐너(4)에 의해 레이저광으로 세그먼트 1에 대응하는 가공 형상 구간을 가공한 후, 그 종점에서 레이저를 정지하고, 각 구간(2, 3, 4)의 공주를 실행하고, 가속 구간(4)에서 가속하여 소요 속도에 도달했을 때, 세그먼트 5에 대응하는 가공 형상의 시점에서 레이저광을 출사하여 가공을 시작한다. 그리고 세그먼트 5에 대응하는 가공 형상의 종점까지 가공한 후, 종점에서 레이저광을 정지하고 각 구간(6, 7, 8)의 공주를 실행하고, 가속 구간(8)에서 가속하여 소요 속도에 도달했을 때, 세그먼트 9에 대응하는 가공 형상의 시점에서 레이저를 출사하여 가공을 시작하고, 세그먼트 1에 대응하는 가공 형상의 시점(가공 시점)까지 가공한다.

상기 가공을 계속하여, 레이저광의 소재 위에서의 주사는 소요 속도, 또한 동일 속도(등속)로 중단없이 실행되고, 결과적으로 소재를 고속으로 가공할 수 있음과 더불어, 높은 품질로 가공할 수 있다.

또한, 도 8에서는 작업 세트 테이블(7)의 궤도와, 소재 상의 가공 형상의 전체가 겹치는 경우를 나타내고 있지만. 약간의 차이가 발생하여 쌍방 전체가 겹치지 않는 경우가 있음은 말할 필요도 없다.

이와 같이, 작업 세트 테이블(7)은 미리 설정한 궤도를 가공 속도 조건 이하의 이동 속도로 변속적으로 이동하면서, 갈바노 스캐너(4)에서 출사되는 레이저광에 의해 소재 상에 주사된다. 단, 작업 세트 테이블(7)의 가공 시점 대응부까지의 이동 및 가공 형상이 불연속적이고, 다음 가공 시점이 갈바노 스캐너(4)의 대응 범위 밖에 있는 경우는, 소요 속도(예를 들면 미리 설정되어 있는 작업 세트 테이블(7)의 최대 속도)로 작업 세트 테이블(7)을 이동시킨다.

그리고 이동하는 필름에 대해, 갈바노 스캐너(4)는, 설정된 가공 형상대로, 상대적으로 레이저광의 조사 위치를 추종하여 가공을 실행하고, 가공 시점에서 가공 종점 사이를, 설정된 가공 속도, 즉 등속으로 레이저 가공이 중단되지 않는 상태에서 가공을 실행한다.

<11. 가공 완료>

가공 완료 후, 갈바노 스캐너(4)에 의한 레이저광의 조사를 정지한다. 그 후, 작업 세트 테이블(7)은 소재를 고정한 초기 위치로 이동한다.

<12> 화상 센서에 의한 가공 대상물의 위치 보정

작업 세트 테이블(7)에 고정된 소재가, 작업 세트 테이블(7)에 대해 위치 오차가 있는 경우, 화상 센서(6)에 의해 필름 상에 형성된 마크(도시 생략)의 위치를 판독하고, 소재의 위치를 검출하여 그 차이를 다음 가공에서 보정한다.

구체적으로는, 가공 개시 전에 화상 센서(6)가 마크를 촬영할 수 있는 위치에 작업 세트 테이블(7)을 이동시켜, 화상 센서(6)가 마크를 검출하고, 정규 위치에 대한 평면 상의 XYθ 방향의 오차량을 계측하고, 가공 형상 데이터를 오차량만큼 오프셋(상쇄, 보정)한다. 또한, 마크를 설정하는 위치는 2개 이상으로 하는 것이 회전 방향의 오차를 제외하는 의미에서 바람직하다.

도 5를 참조한다.

<13> 화상 센서를 이용한 지령 지연 등의 보정

레이저 가공에서, 실제로 지령에 대한 동작 지연 등으로 레이저광이 조사된 위치와 설정된 형상과의 차이가 발생하는 경우가 있다. 그래서 가공 완료 후, 실제로 가공한 소재의 가공 위치(절단 위치)를 화상 센서(6)에 의해 계측한다. 즉, 화상 센서(6)를 촬영할 수 있는 위치로 작업 세트 테이블(7)을 이동시켜(도 5-1), 설정된 가공 위치의 계측을 실행하고(도 5-2), 동작 정보 생성기(16)에 계측값을 입력한다(도 5-3). (도 5-1) ~ (도 5-3)은 계측값만큼 반복된다.

또한, 계측 위치는 여러 지점에 설치할 수 있고, 그 수가 많을수록 정확도는 향상된다. 그리고 생성된 가공 형상 데이터와, 얻어진 실제 절단 위치의 계측값을 비교하여, X 방향, Y 방향의 차이를 산출하고(도 5-4), 계측 위치는 물론 계측 위치 사이에서도 경사적으로 그 양을 연속적으로 할당하여, 작성된 가공 형상 데이터에서 차감하여 보정값을 구한다(도 5-5). 이 보정값을 다음 가공에서 사용하여 오차를 저감할 수 있다.

본 명세서 및 특허 청구범위에서 사용하는 용어와 표현은 어디까지나 설명을 목적으로 하고 있고, 어떠한 한정적인 것은 아니며, 본 명세서 및 특허 청구범위에 기술된 특징 및 그 일부와 등가의 용어 나 표현을 제외할 의도는 없다. 또한, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형 형태가 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

A 레이저 가공 장치 1 레이저 발진기
2 레이저광로 3 fθ 렌즈
4 갈바노 스캐너 5 헤드 승강 기구부
50 승강체 6 화상 센서
7 작업 세트 테이블 70 테이블 본체
71 흡기 구멍 72 큰 흡착 블록
72a 작은 흡착 블록 73 흡착 구멍
700 필름 74 ~ 77 가공 형상
8 X 방향 구동축 9 X 방향 리니어 인코더
10 Y 방향 구동축 11 Y 방향 리니어 인코더
12 X 방향 인코더 신호 분배기 13 Y 방향 인코더 신호 분배기
14 구동축 제어기
15 갈바노 스캐너 및 레이저광 출사 제어기
16 동작 정보 생성기 17 베이스판
18 가대 L1 ~ L13 신호선

Claims (7)

1. 미리 설정한 소재의 가공 형상에 대응하여, 레이저광 출사부의 레이저광의 주사 범위를 이용하고, 작업 세트 테이블의 이동시에 관성의 영향을 억제할 수 있도록, 총 이동 길이가 최소가 되도록 상기 작업 세트 테이블의 궤도 및 동작 정보를 생성하고, 상기 생성된 궤도의 소요 세그먼트마다, 상기 동작 정보와 미리 설정한 가부(可否)의 기준이 되는 동작 한계값과 비교하고, 상기 동작 정보가 상기 동작 한계값 이하이면 "가능(可)"으로 판정하고, 상기 동작 한계값을 초과하면 "불가능(否)"으로 판정하는 공정과,
   상기 생성된 궤도의 상기 "가능"으로 판정된 세그먼트에서는 상기 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간을 상기 동작 정보를 바탕으로 상기 작업 세트 테이블을 이동시키면서 레이저광을 주사하여 가공하고, 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에서는 그 세그먼트의 이동 방향에 있어서, 이전의 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간의 종점까지 가공한 후, 상기 종점에서 레이저광의 출사를 정지하고, 가공을 정지한 상태에서 상기 작업 세트 테이블을 소요 속도로 이동시키고, 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에 이동했을 때, 상기 가공을 정지한 곳에서부터 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간의 가공을 계속하는 공정을 구비하는
   레이저 가공 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 생성된 동작 정보는 작업 세트 테이블의 이동 속도의 미분값이고, 상기 미리 설정한 가부의 기준이 되는 동작 한계값은 가감 속도의 동작 한계값인
   레이저 가공 방법.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 소재의 가공 완료 후, 상기 소재에 남는 실제 가공 형상을 계측하고, 상기 실제 가공 형상과 상기 미리 설정한 소재의 가공 형상을 비교하여, 그 차이를 보정하는 공정을 구비하는
   레이저 가공 방법.
4. 레이저광을 출사하는 레이저광 출사부와,
   소재의 부착부이고, 상기 레이저광 출사부에서 출사되는 레이저광에 의해 주사할 수 있는 2차원 방향의 필요 범위 내의 전역에서 구동부에 의해 이동 조작이 가능한 작업 세트 테이블과,
   미리 설정한 소재의 가공 형상에 대응하여, 레이저광 출사부의 레이저광의 주사 범위를 이용하고, 작업 세트 테이블의 이동 시에, 관성의 영향을 억제할 수 있도록, 또한 총 이동 길이가 최소가 되도록, 상기 작업 세트 테이블의 궤도 및 동작 정보를 생성하고, 상기 생성된 궤도의 소요 세그먼트마다 상기 동작 정보와 미리 설정한 가부(可否)의 기준이 되는 동작 한계값을 비교하여, 상기 동작 정보가 상기 동작 한계값 이하이면 "가능(可)"으로 판정하고, 상기 동작 한계값을 초과하면 "불가능(否)"으로 판정하도록 하여, 상기 생성된 궤도의 상기 "가능"으로 판정된 세그먼트에서는 상기 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간을 상기 동작 정보를 바탕으로 상기 작업 세트 테이블을 이동시키면서 레이저광을 주사하여 가공하고, 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에서는 그 세그먼트의 이동 방향에서 이전의 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간의 종점까지 가공한 후, 상기 종점에서 레이저광의 출사를 정지하고, 가공을 정지한 상태에서 상기 작업 세트 테이블을 소요 속도로 이동시켜, 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에 이동했을 때, 상기 가공을 정지한 곳에서부터 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에 대응하는 가공 형상 구간의 가공을 계속하도록 하는 동작 정보를 생성하는 동작 정보 생성부와,
   상기 구동부에서 상기 작업 세트 테이블의 위치 정보를 받아 상기 레이저광 출사부에 상기 동작 정보 생성부에서 생성된 출사 지령을 내보내는 레이저 제어부와,
   상기 구동부에서 작업 세트 테이블의 위치 정보를 받아 작업 세트 테이블을 이동시키는 상기 구동부에 상기 동작 정보 생성부에서 생성된 동작 지령을 내보내는 동작 제어부를 구비하는
   레이저 가공 장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 구동부는 제1 리니어 인코더를 구비하는 제1 구동축과, 상기 제1 구동축에 상기 제1 구동축과 평행하게 이동 가능하게 설치되고 상기 제1 구동축과 대략 직교하는 제2 구동축을 구비하고, 상기 작업 세트 테이블은 상기 제2 구동축에 이동 가능하게 설치되어 있는
   레이저 가공 장치.
6. 청구항 4 또는 5에 있어서,
   상기 소재의 가공 완료 후, 상기 소재에 남는 실제 가공 형상을 계측하는 화상 센서를 구비하고 있고, 상기 동작 정보 생성부에서 상기 실제 가공 형상과 상기 미리 설정한 소재의 가공 형상을 비교하여, 그 차이를 보정하고, 그 보정값을 사용하여 상기 레이저 제어부에 의한 상기 레이저광 출사부의 제어와, 상기 동작 제어부에 의한 상기 작업 세트 테이블의 이동 제어를 실행하도록 한
   레이저 가공 장치.
7. 미리 설정한 소재의 가공 형상에 대응하여, 레이저광 출사부의 레이저광의 주사 범위를 이용하고, 소재 세트테이블의 이동시에 관성의 영향을 억제할 수 있도록, 그리고 총 이동 길이가 최소가 되도록, 상기 작업 세트 테이블의 궤도 및 동작 정보를 생성하고, 상기 생성된 궤도의 소요 세그먼트마다 상기 동작 정보와 미리 설정한 가부의 기준이 되는 동작 한계값과 비교하여, 상기 동작 정보가 상기 동작 한계값 이하이면 "가능"으로 판정하고, 상기 동작 한계값을 초과하면 "불가능"으로 판정하는 공정과,
   상기 생성된 궤도의 상기 "가능"으로 판정된 세그먼트에서는 상기 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간을 상기 동작 정보를 바탕으로 상기 작업 세트 테이블을 이동시키면서 레이저광을 주사하여 가공하고, 상기 "불가능"으로 판정된 세그먼트에서는 그 세그먼트에 포함되는 방향 전환점을 경계로 하는 각 세그먼트에서 이동 방향으로 이전 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간을 시점에서 종점까지 가공한 후, 상기 종점에서 레이저광의 출사를 정지하고, 가공을 정지한 상태에서 상기 작업 세트 테이블을 소요 속도로 이동시켜 다음 세그먼트로 이동했을 때, 상기 구간의 가공을 정지한 곳에서 다음 세그먼트에 대응하는 상기 가공 형상 구간의 가공을 계속하는 공정을 구비하는
   레이저 가공 방법.

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