KR20180011105A - 다중 축 공작기계 및 이를 제어하는 방법 - Google Patents

다중 축 공작기계 및 이를 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 예비 회전형 액추에이터 명령(회전형 액추에이터 명령은 회전형 액추에이터의 대역폭을 초과하는 주파수 성분을 가짐) 획득, 예비 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부를 기초로 처리된 회전형 액추에이터 명령 생성 -- 처리된 회전형 액추에이터 명령은 회전형 액추에이터의 대역폭 내의 주파수 성분을 가짐 --, 및 처리된 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부를 기초로 제1 선형 액추에이터 명령 및 제2 선형 액추에이터 명령 생성을 포함하는 다중축 공작기계를 제어하는 방법으로 특징지을 수 있다. 처리된 회전형 액추에이터 명령은 회전형 액추에이터로 출력될 수 있고, 제1 선형 액추에이터 명령은 제1 선형 액추에이터로 출력될 수 있으며, 제2 선형 액추에이터 명령은 제2 선형 액추에이터로 출력될 수 있다.

Description

다중 축 공작기계 및 이를 제어하는 방법
연관된 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 각각은 그 전체가 본 명세서에 참조로 통합되는 2015년 6월 22일에 출원된 미국 가출원 제62/183,009호 및 2016년 1월 22일에 출원된 미국 가출원 제62/281,967호의 우선권을 주장한다.
기술분야
본 발명의 실시예는 일반적으로 하나 이상의 액추에이터를 사용하여 다중 축 공작기계에서 공구의 위치 또는 움직임이 제어되는 자동 움직임 제어를 가능케 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
움직임 제어는 로봇 시스템(예를 들어, 다관절 로봇 구성, 직교 좌표(Cartesian) 로봇 구성, 원통 좌표 로봇 구성, 폴라(polar) 로봇 구성, 델타 로봇 구성 등 또는 이들의 조합), 수치 제어(NC: numerical control) 기계, 컴퓨터 NC(CNC: computerized NC) 기계 등(보통, 집합적으로 본원에서 작업물 가공에 적응될 수 있는 "공작기계"로 지칭됨)에서 중요한 태양이다. 이들 공작기계는 일반적으로, 하나 이상의 제어기, 하나 이상의 액추에이터, 하나 이상의 센서(각각 분리된 디바이스로 제공되거나, 액추에이터에 내장됨), 공구 홀더 또는 공구 헤드, 및 다양한 데이터 통신 서브시스템, 조작자 인터페이스 등을 포함한다. 공작기계는 포함된 액추에이터의 타입과 개수에 의존하여, 다수의 독립적으로 제어 가능한 움직임 축을 갖는 "다중-축(multi-axis)" 공작기계로 제공될 수 있다.
기계 가공 및 다른 자동화 응용에서 더 높은 생산성에 대한 지속적인 시장 요구가 다양한 타입의 액추에이터, 센서 및 연관된 제어기를 갖는 공작기계의 사용을 증가시켜 왔다. 일부 경우에서, 다중 축 공작기계(또한, 본원에서 "하이브리드 다중 축 공작기계"로 지칭됨)는 동일한 방향에 따라, 하지만 상이한 대역폭으로 움직임을 제공할 수 있는 다수의 액추에이터가 장착될 수 있다. 보통, 하나의 액추에이터(예를 들어, 제1 액추에이터)는 주어진 스펙트럼 또는 주파수 성분을 갖는 명령 신호에 응답하여 제1 액추에이터가 움직임을 제공할 수 있는 것이, 동일한 명령 신호에 응답하여 제2 액추에이터가 움직임을 제공할 수 있는 것에 비해 더 정밀할 경우, 다른 액추에이터(예를 들어, 제2 액추에이터) 보다 높은 대역폭을 갖는 것으로 특징지을 수 있다. 하지만, 종종 제1 액추에이터가 움직임을 제공할 수 있는 움직임 범위는 제2 액추에이터가 움직임을 제공할 수 있는 움직임 범위보다 작다.
하이브리드 다중 축 공작기계의 비교적 높은 대역폭의 액추에이터와 비교적 낮은 대역폭 액추에이터 사이에 어떤 움직임 성분이 할당되어야 할지를 결정하는 것은 쉽지 않다. 통상적인 전략은 가공 대상 작업물을 이동 및/또는 하나 이상의 비교적 높은 대역폭 액추에이터를 원하는 위치 또는 작업물이 가공될 "구역(zone)"으로 이동시킨 후, 작업물의 가공 동안 비교적 높은 대역폭 액추에이터(들)을 동작시키면서 비교적 낮은 대역폭 액추에이터(들)의 위치를 일정하게 고정하도록 하나 이상의 비교적 낮은 대역폭 액추에이터를 동작시키는 것을 수반한다. 그 후, 작업물 및/또는 비교적 높은 대역폭 액추에이터(들)를 작업물이 가공될 "구역"으로 이동시키도록 비교적 낮은 대역폭 액추에이터(들)가 동작된다. 움직임 제어에 대해 "구역 대 구역(zone-by-zone)" 접근법(또한, "스텝 앤드 리피트(step-and-repeat)" 접근법으로 지칭됨)은 바람직하지 않은데, 이는 하이브리드 다중 축 공작기계의 처리량과 유연성을 상당히 제한하기 때문이다. 비교적 높은 대역폭 액추에이터(들)가 동작될 수 있는 작업물의 다양한 "구역"을 적당하고 유리하게 정의하는 것도 어려울 수 있다.
그 전체가 본원에 참조로 통합되는 미국특허 제8,392,002호가 부품 기술 프로그램에 정의된 공구 팁(tool tip) 궤적(주파수에 기반함)을, 하이브리드 다중 축 공작기계의 비교적 낮은, 그리고 비교적 높은 대역폭 액추에이터에 적합한 위치 제어 데이터의 상이한 세트로 분해하는 부품 기술 프로그램을 처리함으로써, "구역 대 구역" 접근법 구현에 연관된 상술한 문제점을 해소하는 것이 이해될 것이다. 하지만, 미국특허 제8,392,002호에서 인지된 것처럼, 하이브리드 다중 축 공작기계가 3-축 직교좌표(Cartesian) 단 상에서 움직이는(riding) 두 개의 회전축을 갖는 5-축 CNC 매니퓰레이터(CNC manipulator)를 사용하여 작업물을 고정하도록 구성되고, 공구 팁을 3개의 직교좌표 축으로 이동시키기 위해 비교적 높은 대역폭 액추에이터를 포함할 때, 주파수 기반 분해 접근법의 사용은 회전축과 연관된 각도에서의 오차를 유발할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 공구를 이용하여 작업물을 가공하는 다중 축 공작기계를 제어하는 방법으로 특징지을 수 있다. 다중 축 공작기계는 제1 축에 대하여 공구와 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 회전형 액추에이터, 제1 축을 따른 공구와 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제1 선형 액추에이터, 및 제2 축을 따른 공구와 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제2 선형 액추에이터를 포함할 수 있다. 방법은 예비(preliminary) 회전형 액추에이터 명령(회전형 액추에이터 명령은 회전형 액추에이터의 대역폭을 초과하는 주파수 성분을 가짐) 획득, 예비 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부에 기초하여 처리된 회전형 액추에이터 명령 생성 -- 처리된 회전형 액추에이터 명령은 회전형 액추에이터의 대역폭 내의 주파수 성분을 가짐 --, 및 처리된 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부에 기초하여 제1 선형 액추에이터 명령과 제2 선형 액추에이터 명령 생성을 포함할 수 있다. 처리된 회전형 액추에이터 명령은 회전형 액추에이터로 출력될 수 있고, 제1 선형 액추에이터 명령은 제1 선형 액추에이터로 출력될 수 있으며, 제2 선형 액추에이터 명령은 제2 선형 액추에이터로 출력될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 다중 축 공작기계(예를 들어, 앞서 예시적으로 서술된 것으로 제공됨)를 제어하는 제어기로 특징지을 수 있다. 제어기는 적어도 하나의 프로세서와 적어도 하나의 프로세서에 액세스 가능한 컴퓨터 메모리를 포함할 수 있다. 컴퓨터 메모리는 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 제어기가: 회전형 액추에이터의 대역폭을 초과하는 주파수 성분을 갖는 예비 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부에 기초하여 처리된 회전형 액추에이터 명령을 생성하고(처리된 회전형 액추에이터 명령은 회전형 액추에이터의 대역폭 내의 주파수 성분을 가짐); 처리된 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부에 기초하여 제1 선형 액추에이터 명령과 제2 선형 액추에이터 명령을 생성하며; 처리된 회전형 액추에이터 명령, 제1 선형 액추에이터 명령 및 제2 선형 액추에이터 명령을 출력하도록 저장된 명령을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 작업물을 가공하는 공구, 제1 축에 대하여 공구와 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제1 회전형 액추에이터, 제1 축을 따른 공구와 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제1 선형 액추에이터, 제2 축을 따른 공구와 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제2 선형 액추에이터, 및 회전형 액추에이터, 제1 선형 액추에이터 및 제2 선형 액추에이터에 동작 가능하게 연결된 제어기를 포함하는 다중 축 공작기계로 특징지을 수 있다. 제어기는: 회전형 액추에이터의 대역폭을 초과하는 주파수 성분을 갖는 예비 회전형 액추에이터의 적어도 일부에 기초하여 처리된 회전형 액추에이터 명령을 생성하고(처리된 회전형 액추에이터 명령은 회전형 액추에이터의 대역폭 내의 주파수 성분을 가짐), 처리된 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부에 기초하여 제1 선형 액추에이터 명령과 제2 선형 액추에이터 명령을 생성하고, 처리된 회전형 액추에이터 명령을 회전형 액추에이터로 출력하고, 제1 선형 액추에이터 명령을 제1 선형 액추에이터로 출력하며, 제2 선형 액추에이터 명령을 상기 제2 선형 액추에이터로 출력할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 다중 축 공작기계를 제어하는 제어 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 작업물 위치결정(positioning) 조립체를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공구 팁 위치결정 조립체를 개략적으로 도시한다.
도 4는 다른 실시예에 따른 다중 축 공작기계를 제어하는 제어 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공구 팁 위치결정 조립체의 일 부분을 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적 실시예를 설명한다. 달리 명시하지 않는 한, 도면에서 구성요소, 특징, 요소 등의 크기, 위치 등과 이들 사이의 임의의 거리는 축척대로 도시된 것은 아니고, 명료화를 위해 과장된다.
본원에 사용되는 용어는 특정의 예시적 실시예만을 설명하기 위함이며, 제한하고자 함이 아니다. 본원에 사용된 단수 형태인 "하나의(a, an)", 및 "그(the)"는 문맥상 분명하게 달리 지시하지 않는 한, 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 "포함하다" 및/또는 "포함하는"이란 용어는 서술된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않음이 인식되어야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 인용되는 값의 범위는 그 범위의 상한치와 하한치 둘 다는 물론, 이들 사이의 임의의 하위 범위를 포함한다. 달리 지시되지 않는 한, "제1", 제2" 등과 같은 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구분하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 하나의 액추에이터는 "제1 액추에이터"로 칭할 수 있고, 마찬가지로 다른 노드는 "제2 액추에이터"로 칭할 수 있으며 그 역으로도 가능하다. 본원에 사용된 섹션 제목은 오직 구조적인 목적이며, 서술된 주제를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
달리 지시되지 않는 한, "약", "대략" 등이란 용어는 양, 크기, 제형(formulation), 파라미터 및 다른 수량과 특성이 정확하지 않고 정확할 필요도 없으나, 원하는 경우, 반영 공차(reflecting tolerances), 변환 인자, 반올림, 측정 오차 등, 그리고 이 분야의 기술자에게 알려진 다른 인자에 대한 근사치와 같거나 및/또는 이보다 크거나 작을 수 있음을 의미한다.
"아래의(below)", "아래쪽의(beneath)", "낮은(lower)", "위의(above)", 그리고 "높은(upper)"와 같은 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 것처럼, 하나의 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 관계를 서술하는 설명의 용이함을 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어가 도면에 도시된 방향에 부가하여 상이한 방향도 포괄할 수 있음을 인식해야 한다. 예를 들어, 도면에서 객체가 회전되면, 다른 요소 또는 특징 "아래의" 또는 "아래쪽"으로 서술된 요소는 다른 요소 또는 특징의 "위"로 향할 것이다. 따라서, "아래의"라는 예시적인 용어는 위 및 아래의 방향 모두를 포함할 수 있다. 객체가 다르게 향할 수 있고(예를 들어, 90도 회전 또는 다른 방향), 본원에서 사용되는 공간적 상대 서술자는 그에 따라 해석될 수 있다.
전체에서 유사한 부호는 유사한 요소를 지칭한다. 따라서, 동일하거나 유사한 부호는, 대응하는 도면에서 언급되거나 서술되지 않더라도, 다른 도면을 참조로 서술될 수 있다. 따라서, 참조 부호로 표기되지 않은 요소도 다른 도면을 참조로 서술될 수 있다.
본 개시의 사상 및 교시를 벗어나지 않고 다수의 상이한 형태 및 실시예가 가능할 수 있음이 인식될 것이고, 따라서 본 개시는 본원에 제시된 예시적인 실시예로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이들 예시 및 실시예는 본 개시가 철저하고 완전하며, 이 기술분야의 기술자에게 본 개시의 범주를 전달하도록 제공된다.
I. 개요
본원에 서술된 실시예는 일반적으로 작업물을 가공하는 다중 축 공작기계를 제어하는 방법에 속하는 것으로 특징지을 수 있다. 본원에 서술된 실시예에 따라 제어될 수 있는 다중 축 공작기계의 예시는 라우터, 밀링 기계(milling machines), 플라즈마 절삭기(cutter), 방전가공(EDM: electrical discharge machining) 시스템, 레이저 절삭기, 레이저 마킹기, 레이저 천공기, 레이저 조각기, 원격 레이저 용접 로봇, 3D 프린터, 워터제트(waterjet) 절삭기, 연마재 분사(abrasivejet) 절삭기 등을 포함한다. 따라서, 다중 축 공작기계는 라우터 비트, 드릴 비트, 공구 비트, 그라인딩 비트, 블레이드 등과 같은 기계적 구조와 작업물을 물리적으로 접촉시켜, 작업물이 형성되는 하나 이상의 재료를 제거, 절삭, 연마, 거칠게 하는 것으로 특징지을 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 다중 축 공작기계는 에너지(예를 들어, 레이저 공급원에 의해 생성된 레이저 광, 토치에 의해 생성된 열, 이온 또는 전자 공급원으로부터 생성된 이온 빔 또는 전자 빔 등 또는 이들의 임의의 조합의 형태)를 지향시키고, 물질(예를 들어, 물, 공기, 모래 또는 다른 연마입자, 페인트, 금속 파우더 등 또는 이들의 조합)의 흐름 또는 분출물(jet) 또는 이들의 임의의 조합으로, 작업물이 형성되는 하나 이상의 재료의 하나 이상의 특성 또는 특징(예를 들어, 화학적 혼합물, 결정 구조, 전자 구조, 마이크로 구조, 나노 구조, 밀도, 점성, 굴절률, 투자율, 비유전율 등)을 제거, 절삭, 드릴링, 연마, 거칠게 함, 가열, 용해, 기화, 삭마(ablate), 분해(crack), 변색(discolor), 발포(foam), 또는 다른 방식으로 변형 또는 변경하는 것으로 특징지을 수 있다. 그러한 재료는 작업물 가공 이전 또는 가공하는 동안, 작업물의 외부 표면에 존재할 수 있거나, 작업물 가공 이전 또는 가공하는 동안 작업물 내에 위치될 수 있다(즉, 작업물의 외부 표면에 존재하지 않을 수 있다).
작업물이 어떻게 가공되는지 관계 없이, 작업물을 가공하는데 사용되는 임의의 장치(예를 들어, 전술된 기계적 구조, 임의로 지향된 에너지, 지향된 물질의 흐름 또는 분출물 등, 또는 이들의 임의의 조합)는 본원에서 "공구"로 지칭된다. 작업물과 물리적으로 접촉하거나 다른 방식으로 (예를 들어, 열의 흡수 또는 작업물 내에서 전자기 방사를 통해, 입사하는 전자 또는 이온의 운동 에너지를 작업물 내의 열로 변환함으로써, 작업물 부식에 의해 등) 작업물과 상호 작용하는 공구의 부분(들)은 본원에서 "공구 팁"으로 개별적으로 및 집합적으로 지칭되고, 공구에 의해 (예를 들어, 공구 팁에서) 최종 가공된 작업물의 임의의 영역은 본원에서 "공작 영역(tooling region)"으로 지칭된다. 공구가 작업물과 교차하는 축에 대하여 회전 가능한 기계적 구조(예를 들어, 라우터 비트, 드릴 비트 등과 같은)이거나, 공구가 작업물과 교차하는 축을 따라 작업물로 지향된 에너지, 또는 물질의 흐름 또는 분출물인 실시예에서, 축에 의해 교차되는 작업물의 표면 부분에 대해 상대적인 그러한 축의 각도는 본원에서 "공작 각도(tooling angle)"로 지칭된다.
다중 축 공작기계는 공구 팁의 위치를 결정(position)하거나, 작업물의 위치를 결정하거나, 작업물에 관련된 공구 팁을 이동시키거나, 공구 팁에 관련된 작업물을 이동시키거나, 이들의 임의의 조합을 위해 하나 이상의 액추에이터를 포함한다. 따라서, 작업물 상에서 또는 작업물 내에서 공작 영역의 위치결정은 공구 팁과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공할 때 변경될 수 있다. 각 액추에이터는 공작 영역의 위치를 결정하거나, 또는 다른 방식으로 적어도 하나의 선형 축을 따른, 적어도 하나의 회전축을 따른 또는 이들의 조합으로 공작 영역과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하기 위해 배열 또는 다른 방식으로 구성될 수 있다. 이 기술분야에 알려진 것처럼, 선형 축의 예시는 X축, Y축(X축에 직교함), 및 Z축(X축 및 Y축에 직교함)을 포함하고, 회전축의 예시는 A축(즉, X축에 평행한 축에 대한 회전을 정의), B축(즉, Y축에 평행한 축에 대한 회전을 정의) 및 C축(즉, Z축에 평행한 축에 대한 회전을 정의)을 포함한다.
공작 영역의 위치를 결정하거나, 또는 다른 방식으로 선형 축을 따른 공작 영역과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하기 위해 배열 또는 구성된 액추에이터는 일반적으로 "선형 액추에이터"로 지칭될 수 있다. 공작 영역을 위치 결정하거나, 또는 회전 축을 따른 공작 영역과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하기 위해 배열 또는 구성된 액추에이터는 일반적으로 "회전형 액추에이터"로 지칭될 수 있다. 다중 축 공작기계 내에 포함될 수 있는 선형 액추에이터의 예시는 하나 이상의 X축 액추에이터(즉, X축을 따른 움직임을 제공하도록 배열 또는 구성된 액추에이터), 하나 이상의 Y축 액추에이터(즉, Y축을 따른 움직임을 제공하도록 배열 또는 구성된 액추에이터), 및 하나 이상의 Z축 액추에이터(즉, Z축을 따른 움직임을 제공하도록 배열 또는 구성된 액추에이터), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 다중 축 공작기계 내에 포함될 수 있는 회전형 액추에이터의 예시는 하나 이상의 A축 액추에이터(즉, A축을 따른 움직임을 제공하도록 배열 또는 구성된 액추에이터), 하나 이상의 B축 액추에이터(즉, B축을 따른 움직임을 제공하도록 배열 또는 구성된 액추에이터), 및 하나 이상의 C축 액추에이터(즉, C축을 따른 움직임을 제공하도록 배열 또는 구성된 액추에이터) 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
다중 축 기계는 "스펙트럼 상보적(spectrally-complementary)" 다중 축 공작기계로, 또는 "비-스펙트럼 상보적(non-spectrally-complementary)" 다중 축 공작기계로 특징지을 수 있다. 스펙트럼 상보적 다중 축 공작기계는 동일한 축을 따라, 상이한 대역폭으로의 움직임을 제공할 수 있는 여분 액추에이터의 하나 이상의 세트를 포함한다. 비-스펙트럼 상보적 다중 축 공작기계는 어느 여분 액추에이터의 세트도 포함하지 않는다.
다중 축 공작기계는 "축 상보적(axially-complementary)" 다중 축 공작기계로, 또는 "비-축 상보적(non-axially complementary)" 다중 축 공작기계로 특징지을 수 있다. 축 상보적 다중 축 공작기계는 공구 팁 및/또는 작업물의 위치를 결정하거나, 적어도 하나의 회전축을 따라 공구 팁 및/또는 작업물로의 움직임을 제공하는 적어도 하나의 회전형 액추에이터와, 공구 팁 및/또는 작업물의 위치를 결정하거나 적어도 하나의 선형 축을 따라 공구 팁 및/또는 작업물로의 움직임을 제공하는 적어도 하나의 선형 액추에이터를 포함하는 축 상보적 액추에이터의 세트를 갖는다. 축 상보적 다중 축 공작기계에서, 공구 및/또는 작업물이 회전 가능한 적어도 하나의 회전 축은 공구 및/또는 작업물이 이동(translated)될 수 있는 적어도 하나의 선형 축에 평행하지 않는다. 예를 들어, 축 상보적 액추에이터의 세트는 B축을 따른 움직임을 제공하는 회전형 액추에이터, X축을 따르거나, Z축을 따르거나 또는 X축 및 Z축을 따른 움직임을 제공하는 적어도 하나의 선형 액추에이터를 포함할 수 있다. 다른 예시에서, 축 상보적 액추에이터의 세트는 B축을 따른 움직임을 제공하는 회전형 액추에이터, C축을 따른 움직임을 제공하는 적어도 하나의 회전형 액추에이터, 그리고, X축을 따르거나, Z축을 따르거나, 또는 X축 및 Z축을 따른 움직임을 제공하는 적어도 하나의 선형 액추에이터를 포함할 수 있다. 하지만, 일반적으로, 축 상보적 액추에이터의 세트는 서로 비 중복적인 것으로 특징지을 수 있다. 비-축 상보적 다중 축 공작기계는 축 상보적 액추에이터의 세트를 포함하지 않는다. 스펙트럼 상보적 다중 축 공작기계 또는 비-스펙트럼 상보적 다중 축 공작기계가 축 상보적 다중 축 공작기계 또는 비-축 상보적 다중 축 공작기계로 구성될 수 있음이 인식되어야 한다.
일반적으로, 다중 축 공작기계의 액추에이터는 컴퓨터 파일 또는 컴퓨터 프로그램으로부터 획득되거나 다른 방식으로 유래된 액추에이터 명령에 응답하여 구동된다. 액추에이터 명령이 컴퓨터 파일 또는 컴퓨터 프로그램으로부터 유래된 일 실시예에서, 그러한 액추에이터 명령은 컴퓨터 파일에 또는 컴퓨터 프로그램에 의해 정의된 궤적(또는 궤적 성분)으로부터 보간될 수 있다. 궤적은 다중 축 공작기계에 의한 작업물의 가공 동안, 공작 영역이 어떻게 위치, 배향, 이동되는지 등을 나타내는, 공구 팁 및/또는 작업물 위치 및/또는 움직임의 시퀀스(예를 들어, 하나 이상의 공간 축을 따른)를 정의할 수 있다.
일반적으로, 상이한 액추에이터 명령은 상이한 축 위치 또는 움직임에 대응할 수 있고, "선형 액추에이터 명령"은 위치 또는 움직임의 선형 성분에 대응하는 액추에이터 명령이고, "회전형 액추에이터 명령"은 위치 또는 움직임의 회전 성분에 대응하는 액추에이터 명령이다. 특히, "X축 액추에이터 명령"은 X축을 따른 위치 또는 움직임의 선형 성분에 대응할 수 있고, "Y축 액추에이터 명령"은 Y축(여기서, Y축은 X축에 직교함)을 따른 위치 또는 움직임의 선형 성분에 대응할 수 있고, "Z축 액추에이터 명령"은 Z축(여기서, Z축은 Y축에 직교함)을 따른 위치 또는 움직임의 선형 성분에 대응할 수 있고, "A축 액추에이터 명령"은 "A축"을 따른 위치 또는 움직임의 회전 성분(A축 회전 움직임은 X축에 평행한 축에 대한 회전을 특징 지음)에 대응할 수 있고, "B축 액추에이터 명령"은 "B축"을 따른 위치 또는 움직임의 회전 성분(B축 회전 움직임은 Y축에 평행한 축에 대한 회전을 특징 지음)에 대응할 수 있으며, "C축 액추에이터 명령"은 "C축"을 따른 위치 또는 움직임의 회전 성분(C축 회전 움직임은 Z축에 평행한 축에 대한 회전을 특징 지음)에 대응할 수 있다.
본원에서 사용된 "액추에이터 명령"이란 용어는 시간에 걸쳐 변하는 진폭에 의해 특징 지어지는 전기 신호를 지칭하고, 따라서 이 분야에서 "주파수 성분"으로 알려진 것에 대해 특징 지어질 수 있다. 일반적으로, 다중 축 공작기계의 액추에이터는 액추에이터의 대역폭을 제한하는 하나 이상의 제약(예를 들어, 속도 제약, 가속도 제약, 저크(jerk) 제약 등)에 의해 특징 지어진다. 본원에서 사용된 액추에이터의 "대역폭"은 액추에이터와 연관된 임계 주파수(threshold frequencies)를 초과하는 주파수 성분을 갖는 액추에이터 명령(또는 액추에이터 명령의 일 부분)에 정확하고 신뢰성 있게 반응하거나 응답하는 액추에이터의 능력을 지칭한다. 임의의 특정 액추에이터에 대한 임계 주파수가 특정 액추에이터의 타입, 특정 액추에이터의 특정 구성, 특정 액추에이터의 질량, 특정 액추에이터에 의해 부속(attached)되거나 이동 가능한 임의의 객체의 질량 등에 의존하여 변할 수 있음을 인식해야 한다. 예를 들어, 서보(servo) 모터, 스테퍼(stepper) 모터, 유압 실린더 등과 같은 액추에이터 타입에 대한 임계 주파수는 (이 기술 분야에 알려진 바와 같이) 서로 동일하거나 상이할 수 있으나, (이 기술 분야에서 서로 동일하거나 상이할 수 있는 것으로 알려진) 검류계, 음성 코일 모터, 압전 액추에이터, 전자 빔 자기장 디플렉터(magnetic deflectors), 자기 변형식 액추에이터(magnetostrictive actuators) 등과 같은 액추에이터 타입에 대한 임계 주파수에 비해 보통 낮다. 구성되는 방식에 의존하여, 회전형 액추에이터는 선형 액추에이터의 임계 주파수보다 낮은 임계 주파수를 가질 수 있다.
최종적으로, 액추에이터 명령은 다중 축 공작기계의 대응하는 액추에이터로 출력되고, 각 액추에이터는 수신된 액추에이터 명령과 연관된 위치 또는 움직임의 성분에 대응하는 축을 따라 공구 팁 및/또는 작업물의 위치를 결정하거나, 이동시키도록 동작한다. 예를 들어, X축 액추에이터 명령은 X축을 따라 공구 팁 및/또는 작업물의 위치를 결정 또는 이를 이동시키도록 배열 또는 구성된 선형 액추에이터로 최종적으로 출력되고, B축 액추에이터 명령은 B축(즉, Y축에 대하여 공구 팁 및/또는 작업물을 회전시키도록)을 따라 공구 팁 및/또는 작업물의 위치를 결정하거나 이를 이동시키도록 배열 또는 구성된 회전형 액추에이터로 최종적으로 출력되는 등이다. 궤적이 두 개 이상의 움직임 성분(예를 들어, X축, Y축, Z축, A축, B축 또는 C축 중 두 개 이상에서의 동시 움직임)으로 분해될 수 있는 움직임을 나타내는 경우, 이러한 움직임 성분은 서로 "연관된" 것으로 특징 지어질 수 있다. 궤적에 의해 나타난 연관된 움직임 성분에 대응하는 액추에이터 명령도 마찬가지로, 서로 "연관된" 것으로 특징지을 수 있다. 액추에이터 명령이 동기된 방식 또는 다른 방식으로 조정된 방식으로 액추에이터에 출력될 때, 액추에이터는 원하는 궤적에 매칭하거나 또는 이에 다른 방식으로 대응하는 경로를 따라 공작 영역을 이동시키는 방식으로 공구 팁과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공함으로써 근본적으로 응답 또는 반응한다.
액추에이터 명령의 몇 개의(certain) 세트(즉, "스펙트럼 상보적 액추에이터 명령" 및 "축 상보적 액추에이터 명령")의 생성 및 사용에 대한 일부 일반적인 실시예가 아래에서 논의된다. 액추에이터 명령의 두 세트가 별도로 생성 및 사용되는 것으로 보통 서술되나, 액추에이터 명령의 두 세트가 결합된 방식으로 함께 생성 및 사용될 수 있음을 인식해야 한다. 액추에이터 명령의 두 세트의 결합된 생성 및 사용의 일부 예시는 도 1 내지 도 4에 대해 더 상세히 서술될 것이다.
A. 스펙트럼 상보적 다중 축 공작기계용 액추에이터 명령에 대한 개괄적인 실시예
다중 축 공작기계가 하이브리드 다중 축 공작기계인 실시예에서, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령의 세트는 여분 액추에이터의 대응하는 세트로 출력될 수 있다. 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령의 세트 내에서, 액추에이터 명령 중 하나(예를 들어, 제1 액추에이터 명령)의 주파수 성분은 액추에이터 명령 중 다른 하나(예를 들어, 제2 액추에이터 명령)의 주파수 성분 보다 높을 것이고, 제1 액추에이터 명령이 여분 액추에이터의 세트에서 비교적 높은 대역폭 액추에이터(예를 들어, 제1 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령에 정확하거나 신뢰성 있게 반응 또는 응답할 수 있음)로 최종적으로 출력될 수 있는 반면, 제2 액추에이터 명령은 여분 액추에이터의 세트에서 비교적 낮은 대역폭 액추에이터(예를 들어, 제1 주파수 명령 보다 제2 주파수 명령에 더 정확하거나 또는 신뢰성 있게 반응 또는 응답할 수 있음)로 최종적으로 출력될 수 있다
스펙트럼 상보적 액추에이터 명령의 세트는 임의의 적합한 방식으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령의 세트는 앞서 논의된 바와 같이, 컴퓨터 파일 또는 컴퓨터 프로그램으로부터 획득 또는 다른 방식으로 유래된 액추에이터 명령(예를 들어, X축, Y축, Z축, A축, B축 또는 C축 등과 같이 단일 축을 따른 위치 또는 움직임을 나타냄)을 처리함으로써 생성될 수 있다. 이 경우, 그 액추에이터 명령은 "예비 액추에이터 명령"으로 지칭되고, 주파수의 예비 범위에 걸친 주파수 성분을 갖는다. 주파수의 예비 범위는 여분 액추에이터의 세트에서 적어도 하나의 액추에이터의 임계 주파수를 초과하는 하나 이상의 주파수에서의 무시할 수 없는 주파수 성분을 포함할 수 있다. 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령의 세트를 생성하기 위해, 예비 액추에이터 명령이 처리될 수 있다.
보통, 각 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령은 예비 범위 내에서, 이보다 작은 주파수의 서브 범위에 걸친 주파수 성분을 갖는다. 구체적으로, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령의 세트에서 각 액추에이터 명령의 주파수 성분은 여분 액추에이터의 세트에서 대응하는 액추에이터의 임계 주파수를 초과하지 않는 하나 이상의 주파수에서의 무시할 수 없는 주파수 성분을 포함한다. 예를 들어, 스펙트럼 상보적 액추에이터의 세트 내에서, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령 중 하나(예를 들어, 여분 액추에이터의 세트에서 제1 액추에이터로 최종적으로 출력될 제1 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령)의 주파수 성분은 제1 주파수 서브 범위에 걸치고, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령 중 다른 하나(예를 들어, 여분 액추에이터의 세트에서 제2 액추에이터로 최종적으로 출력될 제2 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령)는 제2 주파수 서브 범위에 걸칠 것이다. 일 실시예에서, 제1 서브 범위의 평균 주파수는 제2 서브 범위의 평균 주파수보다 작거나, 크거나, 또는 이와 동일할 수 있다. 제1 서브 범위의 크기는 제2 서브 범위의 크기보다 크거나, 작거나 또는 이와 동일할 수 있다. 제1 서브 범위는 제2 서브 범위와 겹치거나, 접하거나(adjoin) 또는 떨어져 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 예비 액추에이터 명령의 처리는, 하나 이상의 적합한 알고리즘에 따라 예비 액추에이터 명령(또는 예비 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)을 수정하고, 예비 액추에이터 명령(또는 예비 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)을 데시메이팅(decimating)함으로써, 하나 이상의 적합한 필터를 예비 액추에이터 명령(또는 예비 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)에 적용하거나, 하나 이상의 하위 보간법(low-order interpolation)을 예비 액추에이터 명령(또는 예비 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)에 적용하거나, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 적합한 필터의 예는 디지털 필터, 저역 통과 필터, 버터워스(Butterworth) 필터 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 적합한 알고리즘의 예는 ARMA(auto-regressive moving-average) 알고리즘 등을 포함한다. 일부 실시예에서, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령의 세트는 그 전체가 본원에 참조로 통합되는 미국특허 제5,751,585호, 제6,706,999호 및 제8,392,002호 중 하나 이상에 서술된 바와 같이 생성될 수 있다. 하지만, 각각 그 전체가 본원에 참조로 통합되는 미국특허 제5,638,267호, 제5,988,411호, 제9,261,872호 중 하나 이상 또는 미국공개특허 제2014/0330424호, 제2015/0158121호, 제2015/0241865호 중 하나 이상에 서술된 기법에 따라 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령의 세트가 생성될 수 있음을 인식해야 한다.
스펙트럼 상보적 처리된 액추에이터 명령의 세트가 두 개의 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령만을 포함하는 것으로 서술되더라도, 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령의 세트가 임의의 개수(예를 들어, 3, 4, 5, 6, 7, 8개 등)의 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령을 포함할 수 있음을 인식해야 한다. 공통 축에 대응하는 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령의 세트에서 스펙트럼 상보적 액추에이터 명령의 개수는 공통 축을 따라 위치를 결정하거나 움직임을 제공할 수 있는 여분 액추에이터의 세트에서 여분 액추에이터의 개수와 동일할 수 있다.
B. 축 상보적 다중 축 공작기계용 액추에이터 명령에 대한 개괄적인 실시예
때때로, 회전형 액추에이터(예를 들어, B축 액추에이터)에 제공될 회전형 액추에이터 명령(예를 들어, B축 액추에이터 명령)은 회전형 액추에이터의 임계 주파수를 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 포함한다. 따라서, 다중 축 공작기계가 축 상보적 다중 축 공작기계인 실시예에서, 축 상보적 액추에이터 명령의 세트는 회전형 액추에이터를 포함하는 축 상보적 액추에이터의 세트로 출력되어, 회전형 액추에이터의 제한된 대역폭 성능을 보상할 수 있다. 예를 들어, 축 상보적 액추에이터 명령의 세트는 회전형 액추에이터의 임계 주파수를 초과하지 않는 주파수 성분을 갖는 축 상보적 회전형 액추에이터 명령과, 적어도 하나의 축 상보적 선형 액추에이터 명령을 포함할 수 있다. 축 상보적 회전형 액추에이터 명령은 회전형 액추에이터로 출력될 수 있고, 적어도 하나의 축 상보적 선형 액추에이터 명령은 하나 이상의 대응하는 선형 액추에이터(즉, 회전형 액추에이터와 동일한 축 상보적 액추에이터의 세트에 있음)로 출력될 수 있다.
축 상보적 액추에이터 명령의 세트는 임의의 적합한 방식으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 축 상보적 액추에이터 명령의 세트는 앞서 논의된 바와 같이 컴퓨터 파일 또는 컴퓨터 프로그램으로부터 획득 또는 다른 방식으로 유래된 회전형 액추에이터 명령(예를 들어, B축과 같이, 단일 회전 축을 따른 위치 또는 움직임을 나타냄)을 처리함으로써 생성될 수 있다. 이 경우, 그러한 회전형 액추에이터 명령은 "회전형 액추에이터 명령"으로도 지칭되고, 예비 주파수 범위에 걸친 주파수 성분을 갖는다. 예비 주파수 범위는 회전형 액추에이터의 임계 주파수를 초과하는 하나 이상의 주파수에서 무시할 수 없는 주파수 성분을 포함할 수 있다. 예비 회전형 액추에이터 명령은 적어도 하나의 축 상보적 회전형 액추에이터 명령과 적어도 하나의 축 상보적 선형 액추에이터 명령을 포함하는 축 상보적 액추에이터 명령의 세트를 생성하도록 처리될 수 있다.
일부 실시예에서, 예비 회전형 액추에이터 명령의 처리는, 하나 이상의 적합한 알고리즘에 따라 예비 회전형 액추에이터 명령(또는 예비 회전형 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)을 수정하고, 예비 회전형 액추에이터 명령(또는 예비 회전형 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)을 데시메이팅함으로써, 하나 이상의 적합한 필터를 예비 회전형 액추에이터 명령(또는 예비 회전형 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)에 적용하거나, 하나 이상의 하위 보간법을 예비 회전형 액추에이터 명령(또는 예비 회전형 액추에이터 명령으로부터 유래된 다른 명령)에 적용하거나, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 적합한 필터의 예는 디지털 필터, 저역 통과 필터, 버터워스 필터 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 적합한 알고리즘의 예는 ARMA 알고리즘 등을 포함한다.
II. 축 상보적 액추에이터 및 여분 선형 액추에이터를 갖는 다중 축 공작기계 제어
도 1은 일 실시예에 따라, 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106), 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112), B축 액추에이터(114) 및 C축 액추에이터(116)를 포함하는 다중 축 공작기계를 제어하는 제어 시스템(100)을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 본원에서 논의된 축 간의 공간적 관계를 나타내는 범례가 118로 도시된다.
비교적 낮은 및 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(102 및 108)는 각각, 여분 액추에이터의 세트(즉, 여분 X축 액추에이터의 세트)를 구성한다. 마찬가지로, 여분 액추에이터의 세트는 각각 비교적 낮은 및 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(104 및 110)(즉, 여분 Y축 액추에이터의 세트)와, 각각 비교적 낮은 및 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(106 및 112)(즉, 여분 Z축 액추에이터의 세트)의 각 쌍으로 구성된다. 도시된 실시예가 두 개의 선형 액추에이터만으로 구성된 여분 선형 액추에이터의 세트를 갖는 다중 축 공작기계로 서술되더라도, 다중 축 공작기계가 X축, Y축 및 Z축 중 임의의 축을 따른 움직임을 제공하기 위해 배열 또는 구성된 하나 이상의 추가적인 선형 액추에이터를 더 구비할 수 있어서, 여분 액추에이터의 임의의 세트가 세 개 이상의 선형 액추에이터를 포함할 수 있음을 인식해야 한다.
일 실시예에서, 여분 액추에이터의 세트 내에서 액추에이터는 동일한 여분 액추에이터의 세트 내의 다른 액추에이터에 부속되거나, 다른 액추에이터에 의해 이동되지 않는다. 예를 들어, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108)는 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102)에 부속되거나, 이에 의해 이동되지 않는다. 하지만, 다른 실시예에서, 여분 액추에이터의 세트 내에서 적어도 하나의 액추에이터는 동일한 여분 액추에이터의 세트에서 다른 액추에이터에 부속되고, 다른 액추에이터에 의해 이동될 수 있다. 그러한 실시예에서, 여분 액추에이터 세트 내의 비교적 낮은 대역폭 액추에이터는 움직이거나, 또는 여분 액추에이터의 세트에서 비교적 높은 대역폭 액추에이터에 의해 이동될 수 있다.
일 실시예에서, 여분 X축 액추에이터의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터 및/또는 여분 Z축 액추에이터의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터로 고려되는 B축 액추에이터(114)는 축 상보적 액추에이터의 세트를 구성한다. 다른 실시예에서, 여분 X축 액추에이터 내의 하나 이상의 액추에이터 및/또는 여분 Y축 액추에이터의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터로 고려되는 C축 액추에이터(116)는 축 보상적 액추에이터의 세트를 구성한다. 또 다른 실시예에서, 여분 X축 액추에이터의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터, 여분 Y축 액추에이터의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터, 및/또는 여분 Z축 액추에이터의 세트 내의 하나 이상의 액추에이터로 고려되는 B축 액추에이터(114) 및 C축 액추에이터(116)는 축 상보적 액추에이터의 세트를 구성한다.
도시된 실시예에서, 다중 축 공작기계는 임의의 A축 액추에이터를 포함하지 않는다. 하지만, 다중 축 공작기계가 A축 액추에이터를 포함할 수 있고, 본원에서 논의된 실시예가 본원에서 논의된 A축 액추에이터를 제어하도록 적응될 수 있음을 인식해야 한다.
A. 작업물 위치결정 조립체에 대한 실시예
일 실시예에서, 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106), B축 액추에이터(114) 및 C축 액추에이터(116)는 X축, Y축, Z축, B축, C축 또는, 이들의 임의의 조합을 따라 동시에 또는 비-동시에 작업물의 위치를 결정하거나 다른 방식으로 이동시키도록 구성된 "작업물 위치결정 조립체"의 부분으로 통합될 수 있다. 예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106), B축 액추에이터(114) 및 C축 액추에이터(116)의 각각은 그러한 액추에이터 중 하나 이상이 서로에 장착되거나 또는 다른 방식으로 기계적으로 연결되게 하는 하나 이상의 구성 요소(예를 들어, 단(stages), 고정부(fixtures), 청크(chunks), 레일, 베어링, 브라켓, 클램프, 스트랩(straps), 볼트, 나사, 핀, 멈춤 링(retaining rings), 타이(ties) 등, 미도시)를 포함할 수 있다. 이 경우, 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106)는 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102) 상에 장착될 수 있고(예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102)에 의해 이동 가능하도록), 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104)는 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106) 상에 장착될 수 있고(예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106), 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102) 또는 이들의 임의의 조합에 의해 이동 가능하도록), B축 액추에이터(114)는 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104) 상에 장착될 수 있으며(예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106), 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102) 또는 이들의 임의의 조합에 의해 이동 가능하도록), C축 액추에이터(116)는 B축 액추에이터(114) 상에 장착될 수 있다(예를 들어, B축 액추에이터(114), 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106), 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102) 또는 이들의 임의의 조합에 의해 이동 가능하도록). 도 2는 앞서 논의된 바와 같이, 작업물 위치결정 조립체(예를 들어, 작업물 위치결정 조립체(200))에서 액추에이터의 예시적인 배열을 개략적으로 도시한다. 하지만, 다른 실시예에서, 작업물 위치결정 조립체 내에서 액추에이터 중 하나 이상은 임의의 다른 적합한 또는 원하는 방식으로 상이하게 배열될 수 있다. 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106), B축 액추에이터(114) 및 C축 액추에이터(116) 중 하나 이상이 적합하거나 또는 다른 방식으로 원하는 경우 작업물 위치결정 조립체로부터 생략될 수 있다는 점도 인식해야 한다.
위의 내용을 고려하여, 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106), B축 액추에이터(114) 및 C축 액추에이터(116)의 각각은 하나 이상의 유압 실린더, 하나 이상의 공압 실린더, 하나 이상의 서보 모터, 하나 이상의 음성 코일 액추에이터, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 전자 변형식 소자(electrostrictive elements) 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 각각 구동되는 하나 이상의 단(예를 들어, 지향성 구동단, 리드 스크류단(lead-screw stages), 볼 스크류단, 벨트 구동단 등)으로 제공될 수 있음을 이해해야 한다. 게다가, 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106), B축 액추에이터(114) 및 C축 액추에이터(116) 중 임의의 액추에이터는 연속적인 또는 스텝(증분) 움직임을 제공하도록 구성될 수 있다.
작업물 고정부(미도시)는 작업물을 임의의 적합한 또는 원하는 방식으로 고정, 유지 또는 이송하기 위해 기계적 위치결정 조립체(예를 들어, 비교적 낮은 대역폭 C축 액추에이터(116)에서)에 기계적으로 연결될 수 있다. 따라서, 작업물은 고정부를 통해 작업물 위치결정 조립체에 연결될 수 있다. 작업물 고정부는 작업물이 클램핑, 고정, 유지, 채움(secured) 또는 다른 방식으로 지지될 수 있는 하나 이상의 청크 또는 다른 클램프, 클립 또는 다른 고정 디바이스(예를 들어, 볼트, 나사, 핀, 멈춤 링, 스트렙, 타이 등)로 제공될 수 있다.
B. 공구 팁 위치결정 조립체에 대한 실시예
일 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)는 X축, Y축, Z축 또는 이들의 임의의 조합을 따라 동시에 또는 비-동시적으로 다중 축 공작기계에 연관된 공구 팁의 위치를 결정하거나 이를 이동시키도록 구성된 "공구 팁 위치결정 조립체" 내에 통합될 수 있다. 하지만, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112) 중 하나 이상은 적합한 또는 달리 원하는 방식으로 공구 팁 위치결정 조립체로부터 생략될 수 있음을 인식해야 한다. 보통, 작업물의 처리를 실시하는데 사용될 장치(즉, 사용될 "공구")에 의존하여, 공구 팁 위치결정 조립체는 "직렬(serial) 공구 팁 위치결정 조립체", "병렬(parallel) 공구 팁 위치결정 조립체" 또는 "하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체(예를 들어, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체 및 병렬 공구 팁 위치결정 조립체 특유의 특징을 결합함)"로 특징지을 수 있다.
i. 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에 대한 실시예
일 실시예에서, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체는, 사용될 공구가 기계적 구조(예를 들어, 라우터 비트, 드릴 비트, 공구 비트, 그라인딩 비트, 블레이드 등)일 때 사용될 수 있다. 직렬 공구 팁 위치결정 조립체 내에서, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)의 각각은 그러한 액추에이터 중 하나 이상이 서로 장착되거나 또는 다른 방식으로 기계적으로 연결되게 하는 하나 이상의 구성 요소(예를 들어, 단, 고정부, 청크, 레일, 베어링, 브라켓, 클램프, 스트랩, 볼트, 나사, 핀, 멈춤 링, 타이 등, 미도시)를 포함할 수 있다. 이 경우, 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110)는 (예를 들어, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108)에 의해 이동 가능하도록) 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108) 상에 장착될 수 있고, 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)는 (예를 들어, 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108) 또는 이들의 임의의 조합에 의해 이동 가능하도록) 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 상에 장착될 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체 내에서 액추에이터 중 하나 이상은 임의의 다른 적합한 또는 원하는 방식으로 상이하게 배열될 수 있다. 직렬 공구 팁 위치결정 조립체는, 사용될 공구가 기계적 구조(예를 들어, 라우터 비트, 드릴 비트, 공구 비트, 그라인딩 비트, 블레이드 등)를 포함할 때, 일반적으로 사용될 수 있다. 직렬 공구 팁 위치 결정 조립체는 사용될 공구가 예를 들어, 노즐, 헤드 등으로부터 분출되는 물질(예를 들어, 물, 공기, 모래 또는 다른 연마입자, 페인트, 금속 파우더 등 또는 이들의 조합)의 흐름 또는 분출물을 포함할 때에도 사용될 수 있다.
위의 내용을 고려하여, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에서 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)의 각각이 하나 이상의 유압 실린더, 하나 이상의 공압 실린더, 하나 이상의 서보 모터, 하나 이상의 음성 코일 액추에이터, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 전자 변형식 소자 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 각각 구동되는 하나 이상의 선형 단(예를 들어, 지향성 구동단, 리드 스크류단, 볼 스크류단, 벨트 구동단 등)으로 제공될 수 있음을 인식해야 한다. 게다가, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에서 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112) 중 임의의 액추에이터는 연속적 또는 스텝(증분) 움직임을 제공하도록 구성될 수 있다.
공구 고정부(미도시)는 임의의 적합한 또는 원하는 방식으로 기계적 구조(예를 들어, 라우터 비트, 드릴 비트, 공구 비트, 그라인딩 비트, 블레이드 등)를 고정, 유지, 이송 등을 하기 위해 직렬 공구 팁 위치결정 조립체(예를 들어, 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)에서)에 기계적으로 연결될 수 있다. 따라서, 기계적 구조는 하나 이상의 청크 또는 다른 클램프, 클립, 또는 다른 고정 디바이스(예를 들어, 볼트, 나사, 핀, 멈춤 링, 스트랩, 타이 등)로 제공될 수 있는 공구 고정부를 통해 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에 연결될 수 있다. 사용될 공구가 물질(예를 들어, 해당 기술분야에 알려진 바와 같이, 물, 공기, 모래 또는 다른 연마입자, 페인트, 금속 파우더 등 또는 이들의 조합)의 흐름 또는 분출물을 포함할 경우, 흐름 또는 분출물이 분출될 수 있는 노즐, 헤드 등이 공구 고정부로 특징지어질 수 있다.
ii. 평행 공구 팁 위치결정 조립체에 대한 실시예
일 실시예예서, 평행 공구 팁 위치결정 조립체는 사용될 공구가 지향성 에너지 빔 등일 때 사용될 수 있다. 평행 공구 팁 위치결정 조립체 내에서, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112) 중 하나 이상의 특질(nature) 또는 구성은 사용될 공구에 의존한다.
예를 들어, 사용될 공구가 전자 또는 이온 빔(예를 들어, 해당 기술분야에 알려진 것처럼, 전자 또는 이온 공급원으로부터 발생됨, 미도시)인 경우, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)는 하나 이상의 자기 렌즈, 실린더 렌즈, 아일렌 렌즈(Einzel lenses), 사중극 렌즈, 다중극 렌즈 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다.
다른 예에서, 사용될 공구가 레이저 광(예를 들어, 해당 기술분야에 알려진 바와 같이, 하나 이상의 레이저 공급원으로부터 생성되는 일련의 펄스로, 레이저 광의 연속적 또는 반연속적 빔으로, 또는 이들의 임의의 조합으로 나타남)인 경우, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108) 및 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110)의 각각은 검류계 구동 미러 시스템, 고속 조향 미러 시스템(예를 들어, 음성 코일 모터, 압전 액추에이터, 전자 변형식 액추에이터, 자기 변형식 액추에이터 등), 미세 전자 기계 시스템(MEMS: microelectromechanical systems,) 미러 시스템, 적응 광학(AO: adaptive optical) 시스템, 전자 광학 편향기(EOD) 시스템, 음향 광학 편향기(AOD) 시스템(예를 들어, 인가된 RF 신호에 응답하여 X축 또는 Y축과 같은 축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배열 및 구성됨) 등 또는 이들의 조합으로 제공될 수 있다. 공구가 레이저 광의 집속된 빔으로 제공될 경우(이 경우, "공구 팁"이 작업물을 가공하는데 충분히 높은 영향을 미치는 집속된 빔의 영역에 있음), 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)는 하나 이상의 AOD 시스템(예를 들어, 하나 이상의 인가된, 처프된(chirped) RF 신호에 응답하여, X축 및 Y축과 같은 두 개의 축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배열 및 구성됨), 레이저 광이 전파하는 경로(즉, "전파 경로")에 배치되고, 전파 경로를 따라 렌즈를 이동시키도록 구성된 액추에이터(예를 들어, 음성 코일)에 연결된 고정형 초점 렌즈, 전파 경로에 배치된 가변형 초점 렌즈(예를 들어, 줌 렌즈 또는, COGNEX, VARIOPTIC 등에 의해 현재 제공되는 기술을 포함하는 소위 "유체 렌즈") 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다.
도 3은 레이저 광의 집속 빔과 연관된 공구 팁의 위치를 결정하거나 다른 방식으로 이동시키도록 구성된 병렬 공구 팁 위치결정 조립체의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 3을 참조하면, 병렬 공구 팁 위치결정 조립체(300)는 경우에 따라, 전파 경로(304)를 따라 전파하고, 제1 검류계 구동 미러 시스템(본원에서 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108)로 제공됨) 및 제2 검류계 구동 미러 시스템(본원에서 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110)로 제공됨)에 의해 편향되는 레이저 광의 빔(bream)을 집속시키도록 구성된 스캔(scan) 렌즈(302)(예를 들어, f-세타(theta) 렌즈, 텔레센트릭(telecentric) 렌즈, 액시콘 렌즈(axicon lens) 등)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1 검류계 구동 미러 시스템은 (예를 들어, 샤프트를 통해) 모터(308a)에 연결된 미러(306a)를 포함하고, 모터(308a)는 (예를 들어, X축을 따른 레이저 광의 빔의 편향을 허용하도록) Y축에 대하여 미러(306a)를 회전시키도록 구성된다. 유사하게, 제2 검류계 구동 미러 시스템은 (예를 들어, 샤프트를 통해) 모터(308b)에 연결된 미러(306b)를 포함하고, 모터(308b)는 (예를 들어, Y축을 따른 레이저 광의 빔의 편향을 허용하도록) X축에 대하여 미러(306b)를 회전시키도록 구성된다. 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)로서, 병렬 공구 팁 위치결정 조립체(300)는 양방향 화살표(310)로 표시된 방향으로, 전파 경로(304)를 따라 렌즈를 이동시키도록 구성된 액추에이터(예를 들어, 보이스 코일, 미도시)에 연결된 렌즈도 포함할 수 있다.
일부 경우에서, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112) 중 두 개 이상에 의해 제공된 기능은 동일한 시스템에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 고속 조향 미러 시스템, MEMS 미러 시스템, AO 시스템 등과 같은 시스템은 X축 및 Y축을 따라 레이저 광을 편향시키도록 구성될 수 있다. MEMS 미러 시스템, AO 시스템 및 한 쌍의 AOD 시스템(예를 들어, 하나의 AOD 시스템은 X축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배열 및 구성되고, 다른 AOD 시스템은 Y축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배열 및 구성됨)과 같은 시스템은 X축 및 Y축을 따라 레이저 광을 편향시키고, 공작 영역에서 레이저 광에 의해 조명된 스폿의 크기를 변경하도록(따라서, Z축을 따른 가공 동안 작업물로 전달되는 집속 레이저 광의 빔 웨이스트의 위치를 효율적으로 변경하도록) 구동될 수 있다. 그러므로, 이러한 시스템은 제공 및 구동되는 방식에 의존하여, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112) 또는 이들의 임의의 조합으로 특징지을 수 있다.
iii. 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체에 대한 실시예
일 실시예에서, 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체는 사용될 공구가 지향될 에너지의 빔 등일 때 사용될 수 있다. 예를 들어, 검류계 구동 미러 시스템, 고속 조향 미러 시스템(예를 들어, 음성 코일 모터, 압전 액추에이터, 전자 변형식 액추에이터, 자기 변형식 액추에이터 등), MEMS 미러 시스템, AO 시스템, EOD 시스템, AOD 시스템 등과 같은 시스템으로 제공될 때, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108) 및/또는 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110)는 (예를 들어, 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)에 의해 이동 가능하도록) 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)에 장착되거나 또는 다른 방식으로 기계적으로 연결될 수 있다. 이 예시에서, 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)는 하나 이상의 유압 실린더, 하나 이상의 공압 실린더, 하나 이상의 서보 모터, 하나 이상의 음성 코일 액추에이터, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 전자 변형식 소자 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 각각 구동되는 하나 이상의 단(예를 들어, 지향성 구동단, 리드 스크류단, 볼 스크류단, 벨트 구동단 등)으로 제공될 수 있다.
다른 예시에서, 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)는 MEMS 미러 시스템, AO 시스템, 한 쌍의 AOD 시스템 등으로 제공될 수 있을 때, 번갈아, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108) 및 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 중 하나에 장착되거나 또는 다른 방식으로 기계적으로 연결되고, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108) 및 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 중 다른 하나에 장착되거나 또는 다른 방식으로 기계적으로 연결될 수 있다. 이 예시에서, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108) 및 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110)의 각각은 하나 이상의 유압 실린더, 하나 이상의 공압 실린더, 하나 이상의 서보 모터, 하나 이상의 음성 코일 액추에이터, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 전자 변형식 소자 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 각각 구동되는 하나 이상의 단(예를 들어, 지향성 구동단, 리드 스크류단, 볼 스크류단, 벨트 구동단 등)으로 제공될 수 있다.
C. 작업물 및 공구 팁 위치결정 조립체에 대한 추가적인 설명
위의 내용에도 불구하고, 작업물 위치결정 조립체(예를 들어, 작업물을 위치 결정 및/또는 이동시키기 위한) 내에 통합되는 것으로 서술된 비교적 낮은 대역폭 액추에이터 중 임의의 하나는 (예를 들어, 공구 팁을 위치 결정 및/또는 이동시키기 위해) 공구 팁 위치결정 조립체의 부분으로 추가적으로 또는 대안적으로 통합될 수 있음을 인식해야 한다. 게다가, 위의 내용에도 불구하고, 작업물 위치결정 조립체는 일부 실시예에서, GF MACHINING SOLUTIONS MANAGEMENT SA사에 의해 제공되는 AGIECHARMILLES 레이저 제품 라인, MICROLUTION 주식회사에서 제공되는 MICROLUTION ML-D, DMG MORI AKIENGESELLSHAFT/DMG MORI COMPANY 유한회사에 의해 제공되는 LASERTEC 제품 라인에서 입수되는 것과 같은, 산업상 현재 이용 가능한 임의의 5축 작업물 위치 결정/이동 조립체로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 작업물 위치결정 조립체는 전술된 미국특허 제8,392,002호의 도 4a 내지 도 4c에 서술된 것으로 제공될 수 있다. 마찬가지로, 위의 내용에도 불구하고, 공구 팁 위치결정 조립체는 일부 실시예에서, CAMBRIDGE TECHNOLOGY사에서 제공되는 3축 스캔 시스템, RAYLASE사에 의해 제공되는 MINISCAN, SUPERSCAN, AXIALSCAN 및 FOCUSSHIFER 제품 라인, KEYENCE CORP.사에 의해 제공되는 MD-시리즈 3축 하이브리드 레이저 마커 제품 라인, ARGES GmbH사에 의해 제공되는 스캔 헤드의 WOMBAT, ANTEATER, ELEPHANT, PRECESSION ELEPHANT 및 PRECESSION ELEPHANT 2 시리즈, DMG MORI AKIENGESELLSHAFT/DMG MORI COMPANY LIMITED에 의해 제공되는 LASERTEC 제품 라인에서 입수되는 것과 같이, 산업상 현재 이용 가능한 임의의 레이저 스캔 또는 집속 조립체로 제공될 수 있음을 인식해야 한다. 게다가, 위의 내용에도 불구하고, 공구 팁 위치결정 조립체는 각각 그 전체가 본원에 참조로 통합되는 미국특허 제8,121,717호 중 임의의 특허에 서술되거나 또는 국제공개특허 WO 2014/009150 A1호에 서술된 것으로, 또는 전술한 미국특허 제8,392,002호의 도 5a 내지 도 5c에 서술된 것으로 제공될 수 있다.
다중 축 공작 기계의 일 실시예의 특정 구성 요소가 위에서 예시적으로 서술되었고, 제어 시스템(100)에 의해 구현되는, 다중 축 제어 툴을 제어하기 위한 액추에이터 명령을 처리 및 생성하는 알고리즘이 이제 도 1을 참조로 더 상세히 논의될 것이다.
D. 액추에이터 명령의 처리에 대한 실시예
도 1을 참조하면, 제어 시스템(100)은 예비 액추에이터 명령(예를 들어, 위에서 논의된 바와 같이 컴퓨터 파일 또는 컴퓨터 프로그램으로부터 획득 또는 다른 방식으로 유래됨)을 수신한다. 도시된 바와 같이, 예비 액추에이터 명령은 예비 선형 액추에이터 명령(예비 X축 액추에이터 명령(즉, X_prelim.), 예비 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_prelim.), 및 예비 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_prelim.)), 그리고 예비 회전형 액추에이터 명령(예비 B축 액추에이터 명령(즉, B_prelim.) 및 예비 C축 액추에이터 명령(즉, C_prelim.))을 포함한다. 일 실시예에서, 예비 액추에이터 명령 중 적어도 하나는 비교적 낮은 대역폭 액추에이터에 대응하는 임계 주파수를 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 갖는다. 예를 들어, 예비 X축 액추에이터 명령(즉, X_prelim.)은 대응하는 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102)의 임계 주파수를 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 갖거나, 예비 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_prelim.)은 대응하는 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104)의 임계 주파수를 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 갖거나, 예비 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_prelim.)은 대응하는 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106)의 임계 주파수를 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 갖거나, 예비 B축 액추에이터 명령(즉, B_prelim.)은 대응하는 비교적 낮은 대역폭 B축 액추에이터(114)의 주파수 성분을 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 갖거나, 예비 C축 액추에이터 명령(즉, C_prelim.)은 대응하는 비교적 낮은 대역폭 C축 액추에이터(116)의 주파수 성분을 초과하는 무시할 수 없는 주파수 성분을 갖거나 또는 이들의 조합일 수 있다. 하지만, 전술한 예비 액추에이터 명령 중 임의의 또는 전체가 대응하는 비교적 낮은 대역폭 액추에이터의 임계 주파수 이하인 무시할 수 없는 주파수 성분을 가질 수 있음을 인식해야 한다.
예비 액추에이터 명령은 중간 선형 액추에이터 명령의 제1 세트를 생성하도록 처리된다. 예를 들어, 역방향 기구학 변환(inverse kinematic transform, 118)은 예비 X축 액추에이터 명령(즉, X_prelim.), 예비 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_prelim.), 예비 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_prelim.), 예비 B축 액추에이터 명령(즉, B_prelim.) 및 예비 C축 액추에이터 명령(즉, C_prelim.)에 적용되어, 중간 선형 액추에이터 명령의 제1 세트를 생성한다. 중간 선형 액추에이터 명령의 제1 세트는 제1 중간 X축 액추에이터 명령(즉, X0), 제1 중간 Y축 액추에이터 명령(즉, Y0) 및 제1 중간 Z축 액추에이터 명령(즉, Z0)을 포함한다. 역방향 기구학 변환은 다음의 수학식에 따라 적용될 수 있다:
Figure pct00001
위의 수학식에 도시된 바와 같이, 역방향 기구학 변환은 고정된 기준 회전 위치에서 중간 선형 액추에이터 명령의 제1 세트를 계산한다. 위에서 제공된 예시에서, 고정된 기준 회전 위치는 0도이다.
예비 회전형 액추에이터 명령(예를 들어, 예비 B축 액추에이터 명령(B_prelim.) 및 예비 C축 액추에이터 명령(C_prelim.))은 하나 이상의 처리된 회전형 액추에이터 명령을 생성하기 위한 처리 단계(120)를 겪게 된다. 도시된 실시예에서, B_low는 처리된 B축 액추에이터 명령을 나타내고, C_low는 처리된 C축 액추에이터 명령을 나타내며, 이들 양자는 처리 단계(120)에서 생성된다. 처리 단계(120)에서, 예비 회전형 액추에이터 명령은 예를 들어, 하나 이상의 적합한 필터를 예비 회전형 액추에이터 명령에 적용, 하나 이상의 적합한 알고리즘에 따라 예비 회전형 액추에이터 명령을 수정, 예비 회전형 액추에이터 명령을 데시메이팅, 하나 이상의 하위 보간법을 예비 회전형 액추에이터 명령에 적용 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 하나 이상의 처리를 겪을 수 있다. 적합한 필터의 예는 디지털 필터, 저역 통과 필터, 버터워스 필터 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 적합한 알고리즘의 예는 ARMA 알고리즘 등을 포함한다. 처리된 회전형 액추에이터 명령은 예비 회전형 액추에이터 명령에 대응하나, 대응하는 회전형 액추에이터의 임계 주파수를 초과하는 임의의 주파수 성분을 갖지 않는다(또는, 무시해도 좋은 양만을 갖는다). 따라서, 처리된 B축 액추에이터 명령(즉, B_low)은 비교적 낮은 대역폭 B축 액추에이터(114)의 임계 주파수를 초과하는 임의의 주파수 성분을 갖지 않고(또는 무시해도 좋은 양만을 갖고), 처리된 C축 액추에이터 명령(즉, C_low)은 비교적 낮은 대역폭 C축 액추에이터(116)의 임계 주파수를 초과하는 임의의 주파수 성분을 갖지 않는(또는 무시해도 좋은 양만을 갖는) 등이다. 본원에서 사용된 앞서 언급한 처리된 회전형 액추에이터 명령은 본원에서 "저주파 성분 회전형 액추에이터 명령" 또는, 보다 일반적으로는 "저주파 성분 액추에이터 명령"으로도 지칭된다.
중간 선형 액추에이터 명령과 처리된 회전형 명령의 제1 세트는 중간 선형 액추에이터 명령의 제2 세트를 생성하도록 처리된다. 예를 들어, 중간 선형 액추에이터 명령의 제2 세트를 생성하기 위해, 정방향 기구학 변환(122)이 제1 중간 X축 액추에이터 명령(즉, X0), 제1 중간 Y축 액추에이터 명령(즉, Y0), 제1 중간 Z축 액추에이터 명령(즉, Z0), 처리된 B축 액추에이터 명령(즉, B_low) 및 처리된 C축 액추에이터 명령(즉, C_low)에 적용된다. 중간 선형 액추에이터 명령의 제2 세트는 제2 중간 X축 액추에이터 명령(즉, X1), 제2 중간 Y축 액추에이터 명령(즉, Y1) 및 제2 중간 Z축 액추에이터 명령(즉, Z1)을 포함한다. 정방향 기구학 변환은 다음의 수학식에 따라 적용될 수 있다:
Figure pct00002
중간 선형 액추에이터 명령(예를 들어, 제2 중간 X축 액추에이터 명령(X1), 제2 중간 Y축 액추에이터 명령(Y1) 및 제2 중간 Z축 액추에이터 명령(Z1))의 제2 세트는 처리된 선형 액추에이터 명령의 제1 세트를 생성하기 위해 처리 단계(124)를 겪는다. 처리된 선형 액추에이터 명령의 제1 세트는 저주파 성분 X축 액추에이터 명령(즉, X_low), 저주파 성분 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_low) 및 저주파 성분 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_low)을 포함할 수 있다. 처리 단계(124)에서, 제2 중간 선형 액추에이터 명령은 예를 들어, 하나 이상의 적합한 필터를 제2 중간 선형 액추에이터 명령에 적용, 하나 이상의 적합한 알고리즘에 따라 제2 중간 선형 액추에이터 명령을 수정, 제2 중간 선형 액추에이터 명령을 데시메이팅, 하나 이상의 하위 보간법을 제2 중간 선형 액추에이터 명령에 적용 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 하나 이상의 처리를 겪을 수 있다. 적합한 필터의 예는 디지털 필터, 저역 통과 필터, 버터워스 필터 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 적합한 알고리즘의 예는 ARMA 알고리즘 등을 포함한다. 처리된 선형 액추에이터 명령은 예비 선형 액추에이터 명령에 대응하나, 대응하는 선형 액추에이터의 임계 주파수를 초과하는 임의의 주파수 성분을 갖지 않는다(또는 무시해도 좋을 양만을 갖는다). 따라서, 저주파 성분 X축 액추에이터 명령(즉, X_low)은 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102)의 임계 주파수를 초과하는 임의의 주파수 성분을 갖지 않고(또는, 무시해도 좋을 양만을 갖고), 저주파 성분 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_low)은 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104)의 임계 주파수를 초과하는 임의의 주파수 성분을 갖지 않으며(또는 무시해도 좋을 양만을 가지며), 저주파 성분 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_low)은 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106)의 임계 주파수를 초과하는 임의의 주파수 성분을 갖지 않는다(또는 무시해도 좋을 양만을 갖는다).
중간 선형 액추에이터 명령의 제2 세트에서 대응하는 액추에이터 명령으로부터 저주파 성분 선형 액추에이터 명령(예를 들어, X_low, Y_low 및 Z_low)이 감산되어, 처리된 선형 액추에이터 명령의 제2 세트를 생성한다. 처리된 선형 액추에이터 명령의 제2 세트는 고주파 성분 X축 액추에이터 명령(즉, X_high), 고주파 성분 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_high) 및 고주파 성분 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_high)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 중간 X축 액추에이터 명령(즉, X1)으로부터 저주파 성분 X축 액추에이터 명령(즉, X_low)이 감산되어, 고주파 성분 X축 액추에이터 명령(즉, X_high)을 생성할 수 있고, 제2 중간 Y축 액추에이터 명령(즉, Y1)으로부터 저주파 성분 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_low)이 감산되어 고주파 성분 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_high)을 생성할 수 있으며, 저주파 성분 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_low)이 제2 중간 Z축 액추에이터 명령(즉, Z1)으로부터 감산되어 고주파 성분 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_high)을 생성할 수 있다. 앞서 논의된 감산(subtraction)은 합산기(126)에서 구현될 수 있고, 해당 기술분야에서 알려진 임의의 적합한 또는 원하는 방식으로 구현될 수 있다. 일반적으로, 고주파 성분 X축 액추에이터 명령(즉, X_high)은 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102)의 임계 주파수를 초과하나 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108)의 임계 주파수 이하인 주파수 성분을 갖는다. 마찬가지로, 고주파 성분 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_high)은 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104)의 임계 주파수를 초과하나, 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110)의 임계 주파수 이하인 주파수 성분을 갖고, 고주파 성분 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_high)은 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106)의 임계 주파수를 초과하나 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)의 임계 주파수 이하인 주파수 성분을 갖는다.
최종적으로, 도시된 바와 같이 저주파 성분 X축 액추에이터 명령(즉, X_low), 저주파 성분 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_low), 저주파 성분 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_low), 고주파 성분 X축 액추에이터 명령(즉, X_high), 고주파 성분 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_high), 고주파 성분 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_high), 저주파 성분 B축 액추에이터 명령(즉, B_low) 및 저주파 성분 C축 액추에이터 명령(즉, C_low)은 각각 비교적 낮은 대역폭 X축 액추에이터(102), 비교적 낮은 대역폭 Y축 액추에이터(104), 비교적 낮은 대역폭 Z축 액추에이터(106), 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110, 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112), B축 액추에이터(114) 및 C축 액추에이터(116)로 출력된다.
도시되진 않았지만, 제어 시스템(100)은 저주파 성분 X축 액추에이터 명령(즉, X_low), 저주파 성분 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_low), 저주파 성분 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_low), 고주파 성분 X축 액추에이터 명령(즉, X_high), 고주파 성분 Y축 액추에이터 명령(즉, Y_high), 고주파 성분 Z축 액추에이터 명령(즉, Z_high), 저주파 성분 B축 액추에이터 명령(즉, B_low) 및 저주파 성분 C축 액추에이터 명령(즉, C_low)의 생성 및/또는 이들 액추에이터 명령 중 각 액추에이터로의 임의의 출력에 의해 발생한 임의의 처리 또는 운반(transport) 지연을 보상하기 위한 하나 이상의 지연 버퍼를 포함할 수 있어서, 액추에이터 명령은 동기 또는 다른 방식으로 조정된 방식으로 출력될 수 있다. 액추에이터 명령을 동기 또는 다른 방식으로 조정된 방식으로 출력할 시, 액추에이터는 원하는 궤적에 매칭하거나 다른 방식으로 대응하는 경로를 따라 공작 영역을 움직이는 방식으로 공구 팁과 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는, 유사하게 동기된 또는 다른 방식으로 조정된 방식에 근본적으로 반응하거나 응답한다.
보통, 제어 시스템(100)은 다중 축 공작 기계의 하나 이상의 구성 요소(예를 들어, 전술된 액추에이터 중 하나 이상, 공구의 동작을 제어 또는 다른 방식으로 영향을 미치는 하나 이상의 구성 요소 등 또는 이들의 임의의 조합)에 통신 연결된(예를 들어, USB, 이더넷, 파이어와이어(Firewire), Wi-Fi, RFID, NFC, 블루투스, Li-Fi 등 또는 이들의 임의의 조합과 같이 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 링크를 통해) 하나 이상의 제어기에 의해 구현될 수 있다. 보통 제어기는 명령어를 실행할 때, 전술된 액추에이터 명령을 처리 및 생성하도록 구성된 하나 이상의 프로세서를 포함하는 것으로 특징지을 수 있다. 프로세서는 명령어를 실행하도록 구성되는 프로그램 가능 프로세서(예를 들어, 하나 이상의 범용 컴퓨터 프로세서, 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함함)로 제공될 수 있다. 프로세서(들)에 의해 실행 가능한 명령어는 소프트웨어, 펌웨어 등, 또는 PLD(programmable logic devices), FPGA(field-programmable gate arrays), FPOA(field-programmable object arrays), 디지털, 아날로그 및 혼합된 아날로그/디지털 회로를 포함하는 ASIC(application-specific integrated circuits) 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 임의의 적합한 회로의 형태로 구현될 수 있다. 명령어의 실행은 디바이스 내에서 또는 디바이스의 네트워크를 통해, 하나의 프로세서 상에서, 프로세서 사이에 분배되어, 프로세서를 통해 병렬로 등, 또는 이들의 조합으로 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 제어기는 프로세서에 의해 액세스 가능한(예를 들어, 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 링크를 통해), 컴퓨터 메모리와 같은 유형의 매체를 포함한다. 본원에 사용된 "컴퓨터 메모리"는 자기 매체(예를 들어, 자기 테이프, 하드 디스크 드라이브 등), 광디스크, 휘발성 또는 비휘발성 반도체 메모리(예를 들어, RAM, ROM, NAND형 플래쉬 메모리, NOR형 플래쉬 메모리, SONOS 메모리 등) 등을 포함하고, 로컬, 원격(예를 들어, 네트워크를 통해), 또는 이들의 조합으로 액세스될 수 있다. 보통, 명령은 본원에 제공된 서술로부터 기술자에게 쉽게 창시될(authored) 수 있는 예를 들어, C, C++, Visual Basic, Java, Python, Tel, Perl, Scheme, Ruby 등으로 기록될 수 있는 컴퓨터 소프트웨어(예를 들어, 실행 가능한 코드, 파일, 명령어 등, 라이브러리 파일 등)으로 저장될 수 있다. 컴퓨터 소프트웨어는 주로 컴퓨터 메모리에 의해 전달되는 하나 이상의 데이터 구조로 저장될 수 있다.
도시되진 않았지만, 하나 이상의 드라이버(예를 들어, RF 드라이버, 서보 드라이버, 라인 드라이버, 전원 등)는 전술된 액추에이터 중 하나 이상, 공구의 동작을 제어하거나 또는 다른 방식으로 영향을 미치는 하나 이상의 구성 요소, 또는 이들의 임의의 조합에 통신 연결된다. 각 드라이버는 일반적으로, 제어기가 통신 연결되는 입력을 포함한다. 따라서, 제어기는 다중 축 공작기계의 하나 이상의 구성 요소와 연관된 하나 이상의 드라이버의 입력(들)로 송신될 수 있는 하나 이상의 제어 신호(예를 들어, 액추에이터 명령, 공구 제어 명령 등)를 생성하도록 동작한다. 제어 신호를 수신할 시, 드라이버는 일반적으로, 전류가 드라이버가 연결된 구성 요소(예를 들어, 액추에이터, 공구 등)에 공급되게 하여, 구성 요소를 동작시키고 명령 신호에 대응하는 결과를 생성한다. 따라서, 전술된 액추에이터, 공구 등과 같은 구성 요소는 제어기에 의해 생성 및 출력된 명령 신호(예를 들어, 액추에이터 명령, 공구 제어 명령 등)에 응답한다.
위의 내용을 고려하여, 제어 시스템(100)이 다중 축 공작기계의 비교적 낮은 대역폭 액추에이터(예를 들어, 비교적 높은 움직임 범위를 가짐) 및 비교적 높은 대역폭 액추에이터(예를 들어, 비교적 작은 움직임 범위를 가짐)와 동기화되고 조정된 동작을 연속적으로 제공하여, 작업물에 관련된 공작 영역의 위치를 결정하거나 다른 방식으로 이동시키도록(예를 들어, 원하는 궤적에 정확하고 신뢰성 있게 대응하는 방식으로) 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 제어 시스템(100)이 작업물에 관련된 공작 영역의 위치를 정확하게 결정할 수 있는 동안(예를 들어, 원하는 궤적에 따라), 작업물 가공의 임의의 시점에 최종적으로 나타나는 공작 각도가 기준 공작 각도(예를 들어, 궤적에 의해 명백히 또는 암묵적으로 지정된 바와 같이)로부터 유래할 수 있음이 가능하다. 보통, 고주파 성분 선형 액추에이터 명령이 여분 회전형 액추에이터의 세트의 일 부분이 아닌 회전형 액추에이터의 임계 주파수를 초과하는 주파수 성분을 갖는 경우, 공작 각도에서의 편차가 발생한다. 하지만, 그러한 각도 편차는 (예를 들어, 다중 축 공작기계에서 액추에이터의 특징에 기반하여, 원하는 궤적 등에 기반하여 등) 미리 계산될 수 있고, 작업물 가공 동안 (예를 들어, 공작 영역이 작업물에 관련되어 이동되는 속도를 조정함으로써, 가공 단계(120 및 124) 중 하나 이상에서의 가공을 조정함으로써) (완전히 또는 부분적으로) 보상될 수 있다.
III. 축 상보적 액추에이터 및 여분 회전형 액추에이터를 갖는 다중 축 공작기계 제어
도 4는 일 실시예에 따라 도 1 내지 도 3에 대해 위에서 예시적으로 논의한 것과 같이 액추에이터를 포함하는 다중 축 공작기계를 제어하는 제어 시스템(400)을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 하지만, 현재 실시예에서, 다중 축 공작기계는 B축 액추에이터(402), C축 액추에이터(404), 또는 B축 액추에이터 (402) 및 C축 액추에이터(404)를 추가적으로 포함할 수 있다. B축 액추에이터 (402)의 임계 주파수는 B축 액추에이터(114)의 임계 주파수보다 높다. 따라서, B축 액추에이터(114)는 본원에서 "비교적 낮은 대역폭 B축 액추에이터"로도 지칭될 수 있고, B축 액추에이터(402)는 본원에서 "비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터"로도 지칭될 수 있다. 마찬가지로, C축 액추에이터 (404)의 임계 주파수는 C축 액추에이터(116)의 임계 주파수보다 높다. 따라서, C축 액추에이터(116)는 본원에서 "비교적 낮은 대역폭 C축 액추에이터"로도 지칭될 수 있고, C축 액추에이터(404)는 본원에서 "비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터"로도 지칭될 수 있다.
비교적 낮은 및 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(114 및 402)는 각각 여분 액추에이터의 세트(즉, 여분 B축 액추에이터의 세트)를 구성할 수 있다. 마찬가지로, 여분 액추에이터의 세트는 각각 비교적 낮은 및 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(116 및 404)의 각 쌍(즉, 여분 C축 액추에이터의 세트)으로 구성된다. 도시된 실시예가 두 개의 회전형 액추에이터에 의해 구성된 여분 액추에이터의 세트를 갖는 다중 축 공작기계로 서술되지만, 다중 축 공작기계가 B축 또는 C축 중 임의의 축을 따른 움직임을 제공하도록 배열 또는 구성되는 하나 이상의 추가적인 회전형 액추에이터를 더 갖추어, 여분 액추에이터의 임의의 세트가 세 개 이상의 회전형 액추에이터를 포함할 수 있음을 인식한다.
일 실시예에서, 여분 X축 액추에이터의 세트 내에서 하나 이상의 액추에이터 및/또는 여분 Z축 액추에이터의 세트에서 하나 이상의 액추에이터로 고려되는 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402)는 축 상보적 액추에이터의 세트를 구성한다. 다른 실시예에서, 여분 X축 액추에이터의 세트 내에서 하나 이상의 액추에이터 및/또는 여분 Y축 액추에이터의 세트에서 하나 이상의 액추에이터로 고려되는 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)는 축 상보적 액추에이터의 세트를 구성한다. 또 다른 실시예에서, 여분 X축 액추에이터의 세트 내에서 하나 이상의 액추에이터 및/또는 여분 Y축 액추에이터의 세트에서 하나 이상의 액추에이터로 고려되는 비교적 높은 대역폭 B축 및 C축 액추에이터(402 및 404)는 축 상보적 액추에이터의 세트를 구성한다.
A. 공구 팁 위치결정 조립체에 대한 실시예
일 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404) 중 하나 또는 양자는 앞서 예시적으로 서술된 공구 팁 위치결정 조립체 내에 통합될 수 있어서, 생성된 공구 팁 위치결정 조립체가 다중 축 공작기계와 연관된 공구 팁을 B축 및/또는 C축에 더하여, X축, Y축, Z축 또는 이들의 임의의 조합에 따라 동시에 또는 비-동시적으로 위치를 결정하거나 다른 방식으로 이동시키도록 구성될 수 있다. 하지만, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112), 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404) 중 하나 이상이 적합하거나 다른 방식으로 원하는 경우 공구 팁 위치결정 조립체로부터 생략될 수 있음을 인식해야 한다. 앞서 언급한 바와 같이, 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404) 중 하나 또는 양자를 포함하는 공구 팁 위치결정 조립체는 "직렬 공구 팁 위치결정 조립체"로, "병렬 공구 팁 위치결정 조립체"로, 또는 "하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체(예를 들어, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체와 병렬 공구 팁 위치결정 조립체에 유일한 특성을 결합한)"로 특징지을 수 있다.
i. 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에 대한 실시예
직렬 공구 팁 위치결정 조립체 내에서(예를 들어 위에서 서술된 바와 같이), 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)는 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)가 서로 또는 직렬 공구 팁 내에 포함된 전술한 액추에이터 중 임의의 것에 장착되거나 또는 다른 방식으로 기계적으로 연결되도록 허용하는 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 단, 고정부, 청크, 레일, 베어링, 브라켓, 클램프, 스트랩, 볼트, 나사, 핀, 멈춤 링, 타이 등, 미도시)를 포함할 수 있다.
직렬 공구 팁 위치결정 조립체에서 각 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(404)는 각각이 하나 이상의 유압 실린더, 하나 이상의 공압 실린더, 하나 이상의 서보 모터, 하나 이상의 음성 코일 액추에이터, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 전자 변형식 소자 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 구동되는 하나 이상의 회전형 단(예를 들어, 지향성 구동단, 리드 스크류단, 볼 스크류단, 벨트 구동단 등)으로 제공될 수 있다. 게다가, 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에서 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404) 중 임의의 것은 연속적이거나 스텝(증분) 움직임을 제공하도록 구성될 수 있다.
공구 고정부(미도시)는 임의의 적합한 또는 원하는 방식으로 기계적 구조(예를 들어, 라우터 비트, 드릴 비트, 공구 비트, 그라인딩 비트, 블레이드 등) 또는 물질의 흐름 또는 분출물이 분출되는 다른 구조(예를 들어, 노즐, 헤드 등)를 고정, 유지, 이송 등을 하기 위해 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112)(앞서 논의된 바와 같이)에서, 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402)에서 또는 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)에서 직렬 공구 팁 위치결정 조립체에 기계적으로 연결될 수 있다.
ii. 병렬 공구 팁 위치결정 조립체에 대한 실시예
일 실시예에서, 병렬 공구 팁 위치결정 조립체는 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)에 부가하여, 앞서 예시적으로 서술된 바와 같이 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112) 중 하나 이상을 포함한다. 이 경우, 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)의 구성은 사용될 공구에 의존한다. 이하에서 논의되는 예시적인 실시예는 사용될 공구가 레이저 광(예를 들어, 해당 기술분야에 알려진 바와 같이, 하나 이상의 레이저 공급원으로부터 생성되는 일련의 펄스로, 레이저 광의 연속적 또는 반연속적 빔으로, 또는 이들의 임의의 조합으로 나타남)을 포함하는 예시에 관한 것이다.
사용될 공구가 레이저 광일 때, 레이저 광은 공작 영역에서 또는 이 근처에서 작업물의 일 부분을 조명하도록 지향될 수 있다(예를 들어, 전술된 전파 경로를 따라). 작업물의 표면상에서 볼 때, 또는 다른 방식으로 공작 영역에서 작업물과 교차하는 전파 경로의 일 부분과 직교하는 평면에서 볼 때, 조명된 부분("스폿"으로도 지칭됨)에서 레이저 광의 공간적 세기 분포는 원형 또는 비-원형을 갖는 것으로 특징지을 수 있다. 비-원형의 예시는 타원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 불규칙한 형태 등을 포함한다. 원형 또는 비-원형 스폿 형태는 하나 이상의 빔 크로핑(beam-cropping) 개구, 회절 광학 소자, AOD 시스템, 프리즘, 렌즈 등(다중 축 공작기계의 부분으로 포함되고, 전파 경로 내에 배치될 수 있음)을 이 기술 분야에 알려진 임의의 적합한 방식으로 이용하여 생성될 수 있거나, 또는 평면이 아니거나, 공작 영역에서 작업물과 교차하는 전파 경로의 일 부분에 직교하지 않는, 공작 영역에서 작업물의 표면을 조명하는 레이저 광의 빔의 결과로서 생성될 수 있거나, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
앞선 내용을 고려하여, 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)는 병렬 공구 팁 위치결정 조립체(예를 들어, 병렬 공구 팁 위치결정 조립체(300))에서 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108) 또는 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 중 임의의 액추에이터의 경우에 따라 "상류(upstream)" 또는 경우에 따라 "하류(downstream)"인 임의의 적합한 또는 원하는 위치에서 전파 경로에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 미러 시스템, 적응 광학(AO) 시스템 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있고, 레이저 광의 입사 빔의 공간적 세기 분포의 방향을 효율적으로 변경하는 방식으로 전파 경로에 관련된 공간적 세기 분포의 형태를 변경시키도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)는 전파 경로에 관련된 공간적 에너지 분포의 방향을 변경시키기 위해 액추에이터에 의해 (예를 들어, 전파 경로가 연장하는 축에 대하여) 회전되거나, 또는 다른 방식으로 이동될 수 있는 하나 이상의 프리즘으로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)는 그 전체가 본원에 참조로 통합되는 미국특허 제6,362,454호에 서술된 것으로 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)는 (예를 들어, 하나 이상의 인가되고 처핑된 RF 신호에 응답하여 X축 및 Y축과 같이 두 개의 축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배열 및 구성된) 하나 이상의 AOD 시스템으로 제공될 수 있다.
일부 경우에서, 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)와, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110) 및 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112) 중 하나 이상에 의해 제공된 기능은 동일한 시스템에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, MEMS 미러 시스템, AO 시스템 및 한 쌍의 AOD 시스템(하나의 AOD 시스템은 X축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배열 및 구성되고, 다른 AOD 시스템은 Y축을 따라 레이저 광을 회절시키도록 배열 및 구성됨)과 같은 시스템은 X축 및 Y축을 따라 레이저 광을 편향시키고, 공작 영역에서 레이저 광에 의해 조명되는 스폿 크기를 변경하며(따라서, Z축을 따른 공정 동안 작업물에 전달되는 집속 레이저 광의 빔 웨이스트(beam waist)의 위치를 효율적으로 변경함), 전파 경로에 관련된 레이저 광의 빔의 공간적 에너지 분포의 방향을 변경하도록 구성될 수 있다. 그러므로, 그러한 시스템은 제공되고 구동되는 방식에 의존하여, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112), 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404) 또는, 이들의 임의의 조합으로 특징지을 수 있다.
iii. 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체에 대한 실시예
일 실시예에서, 하이브리드 공구 팁 위치결정 조립체는 직렬 공구 팁 위치결정 조립체와 연관되어 위에서 예시적으로 서술된 바와 같이, 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402)에 부가하여, 비교적 높은 대역폭 X축 액추에이터(108), 비교적 높은 대역폭 Y축 액추에이터(110), 비교적 높은 대역폭 Z축 액추에이터(112), 및 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404) 중 하나 이상을 포함한다. 이 경우, 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402)는 X축, Y축, Z축, C축 또는 이들의 임의의 조합을 따라 동시에 또는 비-동시적으로 이동 가능하도록 전술된 액추에이터 중 하나 이상에 부속되고 이에 의해 이동 가능하다. 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402)의 구성이 사용될 공구에 의존함이 인식될 것이다. 아래에서 논의되는 예시적인 실시예는 사용될 공구가 레이저 광(예를 들어, 해당 기술분야에 알려진 바와 같이, 하나 이상의 레이저 공급원으로부터 생성되는 일련의 펄스로, 레이저 광의 연속적 또는 반연속적 빔으로, 또는 이들의 임의의 조합으로 나타남)을 포함하는 예시에 관한 것이다. 사용될 공구가 레이저 광일 때, 레이저 광은 공작 영역에서 또는 그 근처에서 작업물의 일부를 조명하도록 (예를 들어, 전술한 전파 경로를 따라) 지향될 수 있다.
도 5를 참조하면, 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402)는 인가된 RF 신호에 응답하여 하나의 축을 따라(예를 들어, X축을 따라) 레이저 광을 회절시키도록 배열 및 구성된 제1 AOD 시스템(500) 및, 경우에 따라 제2 AOD 시스템(502)의 "하류"에 배열 및 배치되고, 인가된 RF 신호에 응답하여 다른 축을 따라(예를 들어, Y축을 따라) 레이저 광을 회절시키도록 구성된 제2 AOD 시스템(502)을 포함할 수 있다. 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402)는 반파 플레이트(half-wave plates)(501 및 503) 및 편광 빔 스플리터(505)와 같은 추가적인 구성을 포함할 수 있다. 구동될 때, 제1 AOD 시스템(500) 및 제2 AOD 시스템(502)은 레이저 광(510)의 입사 빔을 제1 AOD 시스템(500) 및 제2 AOD 시스템(502)과 연관된 스캔 범위 내에서 임의의 수의 위치로(예를 들어, 편향된 빔(512 및 514)에 의해 나타난 바와 같이) 위치를 편향시키거나 또는 다른 방식으로 이동시킬 수 있다. 편향된 빔(512 및 514)과 같이 편향된 빔은 레이저 광(510)의 입사 빔에 관련되어 측정된 편향각에 의해 특징지어질 수 있다.
비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402)는 경우에 따라 제2 AOD 시스템(502)의 하류에 배치된 렌즈의 세트(예를 들어, 릴레이 렌즈(504) 및 스캔 렌즈(506))도 포함할 수도 있다. 릴레이 렌즈(504)는 임의의 편향된 빔(예를 들어, 편향된 빔(512 및 514))의 편향 각도를 스캔 렌즈(506) 상에서 측방향으로 이동된(displaced) 빔(예를 들어, 측방향으로 이동된 빔(512' 및 514'))으로 변환하도록 사용된다. 그 후, 스캔 렌즈(506)는 임의의 측방향으로 이동된 빔(예를 들어, 측방향으로 이동된 빔(512' 및 514'))을 작업물(여기서 508로 도시됨)로 전달되는 입사 빔(예를 들어, 입사 빔(512'' 및 514''))으로 변환한다. 도시된 바와 같이, 입사 빔(512'' 및 514'')은 동일한 곳에서(또는 적어도 실질적으로 동일한 스폿 또는 공작 영역에서) 상이한 공작 각도로 작업물을 조명한다.
위에서 서술된 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402)의 구성을 기초로, 레이저 광의 입사 빔의 공작 각도가 변경될 수 있는 속도가 제1 및 제2 AOD 시스템(500 및 502)의 주사율(refresh rate)에 대응함을 인식해야 한다. 최대 각도 공작 각도는 릴레이 렌즈(504)의 AOD 편향 범위 및 초점 거리에 비례하고, 스캔 렌즈(506)의 초점 거리에 반비례한다. 릴레이 렌즈(504)와 스캔 렌즈(506) 사이의 거리는 상이한 입사 빔이 작업물(508) 상에서 동일한 공작 영역에 전달될 수 있음을 보장하도록 조정될 수 있다.
B. 공구 팁 위치결정 조립체에 대한 추가적인 내용
위의 내용에도 불구하고, (예를 들어, 작업물의 위치를 결정 및/또는 이동시키기 위한) 작업물 위치결정 조립체 내에 통합되는 것으로 앞서 서술된 비교적 낮은 대역폭 액추에이터 중 임의의 것이 (예를 들어, 공구 팁의 위치를 결정 및/또는 이를 이동시키기 위해) 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402) 또는 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)를 포함하는 공구 팁 위치결정 조립체의 부분으로 추가적으로 또는 대안적으로 통합될 수 있음을 인식해야 한다. 게다가, 앞선 내용에도 불구하고 공구 팁 위치결정 조립체가 일부 실시예에서, ARGES GmbH사에 의해 제공되는 스캔 헤드의 PRECESSION ELEPHANT 및 PRECESSION ELEPHANT 2에서 정립되는 것과 같이, 산업상 현재 이용 가능한 임의의 레이저 스캔 또는 집속 조립체로 제공될 수 있음을 인식해야 한다. 게다가, 앞선 내용에도 불구하고, 공구 팁 위치결정 조립체가 일부 실시예에서, 그 전체가 본원에 참조로 통합되는 국제공개특허 WO 2014/009150 A1호에 서술된 것으로 제공될 수 있음을 이해해야 한다.
C. 액추에이터 명령의 처리에 대한 실시예
보통, 제어 시스템(400)은 제어 시스템(100)에 대해 예시적으로 서술된 바와 같이 하나 이상의 제어기에 의해 구현될 수 있고, 제어 시스템(400)의 동작은 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402), 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404) 또는 이들의 조합의 존재를 고려하기 위해 유도된 일부 추가적인 처리 및 공정을 제외하고, 도 1에 대해 위에서 논의된 제어 시스템(100)의 동작과 동일하다.
저주파 성분 회전형 액추에이터 명령(예를 들어, B_low 및 C_low)은 하나 이상의 추가적으로 처리된 회전형 액추에이터 명령을 생성하기 위해, 예비 회전형 액추에이터 명령(예를 들어, 예비 B축 액추에이터 명령(B_prelim.) 및 예비 C축 액추에이터 명령(C_prelim.))에서 감산되는 대응하는 액추에이터 명령이다. 예를 들어, 예비 B축 액추에이터 명령(즉, B_prelim.)으로부터 저주파 성분 B축 액추에이터 명령(즉, B_low)이 감산되어, 추가적으로 처리된 회전형 액추에이터 명령으로서 고주파 성분 B축 액추에이터 명령(즉, B_high)을 산출할 수 있다. 유사하게, 예비 C축 액추에이터 명령(즉, C_prelim.)으로부터 저주파 성분 C축 액추에이터 명령(즉, C_low)이 감산되어, 추가적으로 처리된 회전형 액추에이터 명령으로서 고주파 성분 C축 액추에이터 명령(즉, C_high)을 산출할 수 있다. 위에서 논의된 감산은 합산기(406)에서 구현될 수 있고, 이 기술분야에 알려진 임의의 적합한 또는 원하는 방식으로 구현될 수 있다. 일반적으로, 고주파 성분 B축 액추에이터 명령(즉, B_high)은 비교적 낮은 대역폭 B축 액추에이터(114)의 임계 주파수를 초과하나 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402)의 임계 주파수 이하인 주파수 성분을 갖는다. 마찬가지로, 고주파 성분 C축 액추에이터 명령(즉, C_high)은 비교적 낮은 대역폭 C축 액추에이터(116)의 임계 주파수를 초과하나 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)의 임계 주파수 이하인 주파수 성분을 갖는다.
최종적으로 도시된 바와 같이, 고주파 성분 B축 액추에이터 명령(즉, B_high), 고주파 성분 C축 액추에이터 명령(즉, C_high) 또는 이들의 임의의 조합은 비교적 높은 대역폭 B축 액추에이터(402) 및 비교적 높은 대역폭 C축 액추에이터(404)의 각각에 출력된다. 도시되진 않았으나, 제어 시스템(400)은 고주파 성분 B축 액추에이터 명령(즉, B_high), 고주파 성분 C축 액추에이터 명령(즉, C_high)의 생성 및/또는 이들 액추에이터 명령을 각 액추에이터로의 출력에 의해 발생한 임의의 처리 또는 운송 지연을 보상하기 위한 하나 이상의 지연 버퍼를 포함할 수 있어서, 도시된 액추에이터 명령은 동기 또는 다른 방식으로 조정된 방식으로 출력될 수 있다. 액추에이터 명령을 동기 또는 다른 방식으로 조정된 방식으로 출력할 시, 액추에이터는 유사하게 동기된 또는 다른 방식으로 조정된 방식으로 본질적으로 반응 또는 응답하여, 공작 영역을 원하는 궤적에 매칭하거나 다른 방식으로 대응하는 경로를 따라 이동시키는 방식으로 공구 팁과 작업물 사이의 상대적인 움직임을 제공한다.
전술된 내용은 본 발명의 실시예 및 예시를 예시하는 것일 뿐 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 도면을 참조로 몇몇 특정의 예시적인 실시예 및 예시를 설명하였지만, 해당 기술 분야에 숙련자라면 본 발명의 신규한 교시 및 장점을 실질적으로 벗어나지 않으면서, 개시된 실시예 및 예시에 대한 많은 변형예는 물론, 다른 실시예도 가능하다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 모든 변형예는 청구범위에 한정된 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다. 예를 들어, 숙련자라면 임의의 문장, 문단, 예시 또는 실시예의 주제가, 상호 배타적인 경우를 제외하고는, 다른 문장, 문단, 예시 또는 실시예의의 일부 또는 전체의 주제와 조합될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그러므로 본 발명의 범주는 다음의 청구범위에 의해 결정되고, 청구범위의 균등물도 본 발명의 범주에 포함되어야 한다.

Claims (11)

  1. 공구를 사용하여 작업물을 가공하는 다중 축 공작기계를 제어하는 방법으로서, 상기 다중 축 공작기계는 제1 축에 대하여 상기 공구와 상기 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 회전형 액추에이터, 상기 제1 축을 따라 상기 공구와 상기 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제1 선형 액추에이터, 및 제2 축을 따라 상기 공구와 상기 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제2 선형 액추에이터를 포함하고, 상기 방법은:
    예비(preliminary) 회전형 액추에이터 명령 획득 -- 회전형 액추에이터 명령은 상기 회전형 액추에이터의 대역폭을 초과하는 주파수 성분을 가짐 --;
    상기 예비 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부에 기초하여 처리된 회전형 액추에이터 명령 생성 -- 상기 처리된 회전형 액추에이터 명령은 상기 회전형 액추에이터의 대역폭 내의 주파수 성분을 가짐 --;
    상기 처리된 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부에 기초하여 제1 선형 액추에이터 명령과 제2 선형 액추에이터 명령 생성;
    상기 처리된 회전형 액추에이터 명령을 상기 회전형 액추에이터로 출력;
    상기 제1 선형 액추에이터 명령을 상기 제1 선형 액추에이터로 출력; 및
    상기 제2 선형 액추에이터 명령을 상기 제2 선형 액추에이터로 출력을 포함하는 다중 축 공작기계 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 축은 상기 제1 축과 직교하는 다중 축 공작기계 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 처리된 회전형 액추에이터 명령 생성은 상기 예비 회전형 액추에이터 명령을 필터링하는 것을 더 포함하는 다중 축 공작기계 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 선형 액추에이터 명령과 상기 제2 선형 액추에이터 명령 생성은:
    상기 예비 회전형 액추에이터 명령과 적어도 하나의 예비 선형 액추에이터 명령을 기초로 중간 선형 액추에이터 명령 세트 생성; 및
    상기 처리된 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부에 기초하여 상기 중간 선형 액추에이터 명령 세트 처리를 포함하는 다중 축 공작기계 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 축에 대한 상대적 움직임을 제공하는 동안 상기 공구로 상기 작업물 가공을 더 포함하는 다중 축 공작기계 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공구로 상기 작업물을 가공하는 것은 레이저 광을 상기 작업물로 지향시키는 것을 포함하는 다중 축 공작기계 제어 방법.
  7. 공구를 이용하여 작업물을 가공하는 다중 축 공작기계를 제어하는 제어기로서, 상기 다중 축 공작기계는 제1 축에 대하여 상기 공구와 상기 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 회전형 액추에이터, 상기 제1 축을 따라 상기 공구와 상기 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제1 선형 액추에이터, 및 제2 축을 따라 상기 공구와 상기 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제2 선형 액추에이터를 포함하고, 상기 제어기는:
    적어도 하나의 프로세서와, 상기 적어도 하나의 프로세서에 액세스 가능한 컴퓨터 메모리를 포함하고, 상기 컴퓨터 메모리는 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때 상기 제어기가:
    회전형 액추에이터의 대역폭을 초과하는 주파수 성분을 갖는 예비 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부에 기초하여 처리된 회전형 액추에이터 명령을 생성하고 -- 상기 처리된 회전형 액추에이터 명령은 상기 회전형 액추에이터의 대역폭 내의 주파수 성분을 가짐 --;
    상기 처리된 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부에 기초하여 제1 선형 액추에이터 명령과 제2 선형 액추에이터 명령을 생성하며;
    상기 처리된 회전형 액추에이터 명령, 상기 제1 선형 액추에이터 명령 및 상기 제2 선형 액추에이터 명령을 출력하도록 저장된 명령을 갖는 제어기.
  8. 다중 축 공작기계로서,
    작업물을 가공하는 공구;
    제1 축에 대하여 상기 공구와 상기 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제1 회전형 액추에이터;
    상기 제1 축을 따라 상기 공구와 상기 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제1 선형 액추에이터;
    제2 축에 대하여 상기 공구와 상기 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제2 선형 액추에이터; 및
    상기 회전형 액추에이터, 상기 제1 선형 액추에이터 및 상기 제2 선형 액추에이터에 동작 가능하게 연결된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는:
    상기 회전형 액추에이터의 대역폭을 초과하는 주파수 성분을 갖는 예비 회전형 액추에이터의 적어도 일부에 기초하여 처리된 회전형 액추에이터 명령을 생성하고 -- 상기 처리된 회전형 액추에이터 명령은 상기 회전형 액추에이터의 대역폭 내의 주파수 성분을 가짐 --;
    상기 처리된 회전형 액추에이터 명령의 적어도 일부에 기초하여 제1 선형 액추에이터 명령과 제2 선형 액추에이터 명령을 생성하고;
    상기 처리된 회전형 액추에이터 명령을 상기 회전형 액추에이터로 출력하고;
    상기 제1 선형 액추에이터 명령을 상기 제1 선형 액추에이터로 출력하며;
    상기 제2 선형 액추에이터 명령을 상기 제2 선형 액추에이터로 출력하는 다중 축 공작기계.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 축에 대하여 상기 공구와 상기 작업물 사이의 상대적 움직임을 제공하는 제2 회전형 액추에이터를 더 포함하고, 상기 제2 회전형 액추에이터의 대역폭은 상기 제1 회전형 액추에이터의 대역폭보다 큰 다중 축 공작기계.
  10. 제8항에 있어서, 레이저 공급원을 더 포함하고, 상기 공구는 레이저 광을 포함하는 다중 축 공작기계.
  11. 제8항에 있어서, 상기 도구는 워터제트(waterjet)를 포함하는 다중 축 공작기계.
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