WO2018151378A1 - 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치 - Google Patents

3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치 Download PDF

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stage
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scanner
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이철수
김동수
최인휴
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씨에스캠 주식회사
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    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/359—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by providing a line or line pattern, e.g. a dotted break initiation line

Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional large-area laser continuous processing apparatus, specifically, a three-dimensional continuous machining operation by combining a five-axis stage and three-axis laser scanner to perform a continuous patterning operation on a large workpiece 3 A dimensional large area laser continuous processing apparatus.
  • a step & scanning method is used. This is a method of processing with a scanner after processing with a scanner when the stage is stationary and then moving the stage back to the next step, and has a disadvantage in that processing speed is slow and seams due to discontinuous processing at the scan interface are generated.
  • the present invention has been proposed to solve the problem according to the conventional method described above, by integrating and controlling a 5-axis stage and a 3-axis laser scanner, thereby continuously precision on the surface of the workpiece having a large area along a predetermined scan path.
  • An object of the present invention is to provide a three-dimensional large-area laser continuous processing apparatus that performs processing.
  • the present invention by generating an optimum movement path for the 5-axis stage and three-axis laser scanner, and by the three-axis laser scanner to compensate for the error caused by the workpiece movement of the five-axis stage, It is an object of the present invention to provide a three-dimensional large-area laser continuous processing device that does not occur.
  • the path generation unit for generating a scan path of the workpiece;
  • a galvano scanner for irradiating a laser to process the surface of the workpiece;
  • a 5-axis stage unit performing a tilting motion of a plane formed between the X-axis and the Y-axis and a rotational motion about a C axis perpendicular to the rotation axis of the tilting motion, and generating position information of the stage;
  • An encoder distribution unit for distributing position information of the stage as feedback information from the 5-axis stage unit;
  • a control unit controlling the 5-axis stage unit and the galvano scanner based on the feedback information distributed by the scan path and the encoder distribution unit.
  • the five-axis stage unit for converting the rotational motion of the first servo motor to the bi-directional linear motion in the x-axis direction, and generates a first pulse corresponding to the rotational speed of the first servo motor
  • a y-axis driver converting a rotational motion of a second servo motor into a bidirectional linear motion in the y-axis direction and generating a second pulse corresponding to the rotational speed of the second servo motor
  • a z-axis driver converting a rotational motion of a third servo motor into a bidirectional linear motion in the z-axis direction and generating a third pulse corresponding to the rotational speed of the third servo motor
  • An a-axis driving unit providing the tilting motion by the rotation of a fourth servo motor and generating a fourth pulse corresponding to the rotation speed of the fourth servo motor
  • a c-axis driving unit configured to provide a bidirectional rotational movement about the
  • the control unit may receive a scan path from the path generation unit and generate a scanner position command for the laser irradiation path of the galvano scanner and the stage position command for the movement path of the stage of the 5-axis stage unit.
  • An interlock command generating unit A scanner control unit generating a compensation scanner position command reflecting the real-time position of the 5-axis stage unit using the scanner position command and the feedback information, and controlling the galvano scanner by the generated compensation scanner position command; And a stage controller which controls the 5-axis stage unit by the stage position command.
  • the scanner control unit may generate the compensation scanner position command at 10 ms intervals, and the stage control unit may generate a control command for controlling the 5-axis stage unit at 1 ms intervals according to the stage position command.
  • the linkage command generation unit initializes the position of the stage through the stage control unit as a scan path is input from the path generation unit, and feedback information distributed from the encoder distribution unit as the position of the stage is initialized. Can be set as the reference value.
  • the interlocking command generator may move the laser irradiation point of the galvano scanner to a preset starting point through the scanner controller as the position of the stage is initialized.
  • the scanner controller buffers the laser irradiation path in the galvano scanner position command by a predetermined unit, starts the control of the galvano scanner as buffering is completed, and outputs a synchronization signal to the stage controller.
  • the stage controller may start the control of the 5-axis stage unit by receiving the synchronization signal.
  • the precision machining is continuously performed on the surface of the workpiece having a large area along a predetermined scan path 3D laser scanner compensates for errors caused by moving workpieces on the 5-axis stage and the work movement of the 5-axis stage and the 3-axis laser scanner.
  • FIG. 1 is a view showing a three-dimensional large-area laser continuous processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a user interface screen provided by the three-dimensional large-area laser continuous processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing an example of the scan path of the three-dimensional large-area laser continuous processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 4a and 4b is a view showing a five-axis stage portion of the three-dimensional large-area laser continuous machining apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a control unit of a three-dimensional large-area laser continuous processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a galvano scanner of the three-dimensional large-area laser continuous processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing the difference between the control command of the stage control unit of the three-dimensional large-area laser continuous processing apparatus according to an embodiment of the present invention and the actual movement of the stage.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the three-dimensional large-area laser continuous processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing the operation of the conventional three-dimensional large-area laser processing apparatus.
  • FIG. 10 is a view showing the operation of the three-dimensional large-area laser continuous processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing a three-dimensional large area laser continuous processing apparatus according to an embodiment of the present invention, the three-dimensional large area laser continuous processing apparatus of the present invention, path generation unit 100, galvano scanner 200 And a 5-axis stage unit 300, an encoder distribution unit 400, and a control unit 500.
  • the path generation unit 100 generates a scan path of the workpiece, and outputs the generated scan path to the control unit 500.
  • the path generation unit 100 or the control unit 500 includes CAD / CAM integrated software for generating a scan path for the workpiece, and provides a predetermined interface so that the user can set various parameters.
  • the data file including the scan path generated by the path generator 100 may be stored in a storage (not shown) and read by the controller 500 according to a user's selection.
  • the path generation unit 100 or the control unit 500 may include CAD / CAM integrated software.
  • the path generation unit 100 or the control unit 500 may include CAD / CAM integrated software.
  • CAD / CAM integrated software Through the information of the workpiece can be read. That is, according to the information about the workpiece, such as the size of the workpiece (for example, 30 ⁇ 300mm), Z step (for example ⁇ 50mm) and the radius of curvature (for example, free-form surface or simple surface)
  • the shape of the curved surface of the can be displayed through the user interface, and the curved surface shown in FIG. 2 corresponds to a simple curved surface of a large step.
  • the user may form a laser irradiation pattern of the galvano scanner 200 (for example, a zigzag triangle or a zigzag square) and an interval (eg, through the user interface provided by the path generation unit 100 or the control unit 500).
  • a laser irradiation pattern of the galvano scanner 200 for example, a zigzag triangle or a zigzag square
  • an interval eg, through the user interface provided by the path generation unit 100 or the control unit 500.
  • 50 mm and a width (for example, 20 mm) can be set.
  • FIG. 3 illustrates a simple stepped surface 10a, 10b, a free surface 20a, 20b, and a large stepped simple surface that can be generated through the CAD / CAM integrated software of the path generator 100 or the controller 500.
  • 30a and 30b are shown and the scan path of the zigzag triangle 40a or the zigzag square 40b is set on the simple curved surface 10a of a small step among these.
  • the zigzag triangle and the zigzag square scan path may be set in addition to the simple curved surface 10a having a small step.
  • the scan path generated by the path generation unit 100 may include paths 40a and 40b of the galvano scanner 200 and the path 50 of the 5-axis stage unit 300 as shown in FIG. 3. Can be.
  • the galvanometer scanner 200 is an apparatus for processing a surface of a workpiece by irradiating a laser under the control of the controller 500.
  • the galvano scanner 200 performs operations such as drilling, marking, cutting, and the like.
  • the galvano scanner 200 has an area (scan field) that can be scanned and processed at a time of several tens of mm 2, for example, 30 ⁇ 30 mm 2, a scanning speed of several hundred mm / s, and variable focusing on the Z axis.
  • the range may be about -50 ⁇ + 50mm level, but is not limited thereto.
  • the galvano scanner 200 includes a laser beam output unit 210, a focus variable unit 220, a first mirror 230, a U-axis motor 240, a second mirror 250, and a V-axis.
  • the motor 260 may be included, and a general configuration of the galvano scanner 200 may be fully understood by a person skilled in the art, and thus description of the detailed configuration will be omitted for convenience.
  • the 5-axis stage unit 300 includes a stage 310 on which the workpiece is disposed, and moves in the X-axis direction and the X-axis of the stage 310. Movement in the vertical Y-axis direction, in the Z-axis direction perpendicular to the X-axis and Y-axis, tilting motion in the plane between the X-axis and Y-axis, and rotational movement around the C-axis perpendicular to the rotation axis of the tilting motion.
  • the position information of the stage 310 is generated, and the position information of the generated stage 310 is output to the encoder distribution unit 400.
  • FIG. 4B schematically illustrates the structure of the 5-axis stage unit 300, and the structure of the 5-axis stage unit 300 may be appropriately modified in order to arrange a large-scale workpiece. That is, when the surface of the workpiece 200 is wider than the scan field of the galvano scanner 200, the 5-axis stage unit 300 may have a stage (eg, the galvano scanner 200 may process the entire workpiece surface). 310 can be controlled in five axes.
  • the 5-axis stage unit 300 may include an x-axis driver 320, a y-axis driver 330, a z-axis driver 340, an a-axis driver 350, and a c-axis driver 360.
  • the x-axis driving unit 320 includes a first servo motor (not shown), and rotates the first servo motor in the x-axis direction by using a screw, a gear, an x-axis guide, or the like. Switching to the bidirectional linear motion, and generates a first pulse corresponding to the rotational speed of the first servo motor, and outputs the generated first pulse to the encoder distribution unit (400).
  • the x-axis driver 320 may include an x-axis servo driver that drives the first servo motor.
  • the y-axis drive unit 330 converts the rotational motion of the second servo motor (not shown) into a bidirectional linear motion in the y-axis direction using a screw, a gear, a y-axis guide, and the like. Generates a second pulse corresponding to the number of revolutions of the output, and outputs the generated second pulse to the encoder distribution unit (400).
  • the y-axis driver 330 may include a y-axis servo driver for driving the second servo motor.
  • the z-axis driving unit 340 converts the rotational motion of the third servo motor (not shown) into a bidirectional linear motion in the z-axis direction using a screw, gear, z-axis guide, and the like, and the rotation speed of the third servo motor. Generates a third pulse corresponding to and outputs the generated third pulse to the encoder distributor 400.
  • the z-axis driver 340 may include a z-axis servo driver for driving the third servo motor.
  • the a-axis drive unit 350 converts the rotational motion of the fourth servo motor (not shown) into the tilting motion of the stage 310 by screws, gears, and rotational guides, and corresponds to the rotational speed of the fourth servomotor.
  • the fourth pulse is generated, and the generated fourth pulse is output to the encoder distributor 400.
  • the a-axis driver 350 may include an a-axis servo driver for driving the fourth servo motor.
  • the c-axis drive unit 360 converts the rotational motion of the fifth servo motor (not shown) into a bidirectional rotational motion about the C axis by means of a screw, gear, and rotational guide, and corresponds to the rotational speed of the fifth servomotor. Generates a fifth pulse, and outputs the generated fifth pulse to the encoder distribution unit 400.
  • the c-axis driver 360 may include a c-axis servo driver for driving the fifth servo motor.
  • the motors provided by the x-axis driver 320, the y-axis driver 330, the z-axis driver 340, the a-axis driver 350, and the c-axis driver 360 may be servo motors, in particular, as described above. It is preferable that it is a DC servo motor, but it may also be an AC servo motor or a step motor.
  • the x-axis servo driver, the y-axis servo driver, the z-axis servo driver, the a-axis servo driver, and the c-axis servo driver include power conversion operations for supplying power to the servo motor, current control operations for controlling current supplied to the servo motor, The speed control operation for detecting the rotation speed of the servo motor and controlling the rotation speed and the position control operation for detecting the rotation speed and the rotation speed of the servo motor can be performed.
  • An encoder may be provided to output pulses corresponding to the rotation speed, for example, 360 pulses per revolution.
  • the position information output to the encoder distribution unit 400 includes first and second pulses generated by each encoder in the x-axis servo driver, y-axis servo driver, z-axis servo driver, a-axis servo driver, and c-axis servo driver. It may include a third pulse, a fourth pulse and a fifth pulse.
  • the encoder distribution unit 400 includes the x-axis driver 320, the y-axis driver 330, the z-axis driver 340, the a-axis driver 350, and the c-axis driver 360 in the 5-axis stage unit 300.
  • the position information of the stage 310 may be received from the controller 310, and the input position information may be distributed to the scanner controller 520 and the stage controller 530 in the controller 500 as shown in FIG. 5.
  • the control unit 500 controls the 5-axis stage unit 300 and the galvano scanner 200 based on the scan path received from the path generation unit 100 and the feedback information distributed by the encoder distribution unit 400.
  • the controller 500 estimates the rotational speed of the servo motor in the 5-axis stage unit 300 based on the number of pulses in the feedback information and the like, and then converts the rotational speed of the motor and rotation of the motor such as a screw into linear or rotational motion.
  • the pitch of the means may be used to calculate the displacement of the workpiece, but is not limited thereto.
  • the controller 500 may include an interworking command generator 510, a scanner controller 520, and a stage controller 530.
  • the interlocking command generation unit 510 receives a scan path from the path generating unit 100 and receives a scanner position command and a 5-axis stage unit for the laser irradiation paths 40a and 40b of the galvano scanner 200 interworked with each other. Generate a stage position command for the movement path 50 of the stage 300, output the generated scanner position command to the scanner control unit 520, and output the generated stage position command to the 5-axis stage unit 300. Can be.
  • the scanner controller 520 may reflect the real-time position of the 5-axis stage unit 300 by using the galvano scanner position command input from the interlocking command generation unit 510 and the feedback information received from the encoder distribution unit 400.
  • a compensation scanner position command is generated and the galvano scanner 200 is controlled by the generated compensation scanner position command.
  • the scanner control unit 520 is a coordinate (x, y) of the path 50 of the 5-axis stage unit 300 corresponding to the center point position of the galvano scanner 200 as a galvano scanner position command or a compensation scanner position command.
  • a scanner control file (scanner.scn) containing coordinates (u, v, w) of the laser irradiation paths 40a, 40b set relative to the center point of the galvano scanner 200. Can be.
  • the stage controller 530 may control the 5-axis stage unit 300 by a stage position command received from the interlocking command generation unit 510. At this time, the stage controller 530 generates a compensation stage position command reflecting the real-time position of the 5-axis stage unit 300 using the feedback information received from the encoder distribution unit 400, and generates the generated compensation stage position command.
  • the 5-axis stage unit 300 may be controlled by the present invention, but the present invention is not limited thereto, and a scheme in which the operation of the servo motor is controlled by a feedback loop of the servo driver itself mounted in the 5-axis stage unit 300 may be adopted. .
  • the stage controller 530 is a coordinate (x, y) of the path 50 of the 5-axis stage unit 300 corresponding to the center point position of the galvano scanner 200 as a galvano scanner position command or a compensation scanner position command.
  • stage.nc stage control file
  • the scanner controller 520 may include the coordinates (x, y, z, a, c) of the path 50 of the 5-axis stage unit 300 in the scanner control file and feedback information received from the encoder distribution unit 400 ( , , , , , , The error of the 5-axis stage unit 300 is calculated using (), and the calculated error is converted based on the coordinate axes (u-axis, v-axis, and w-axis) of the laser irradiation paths 40a and 40b, and then converted.
  • the coordinate transformation may apply a coordinate transformation matrix or a direction cosine matrix that is generally used for multidimensional coordinate transformation.
  • the u-axis refers to the axis in the direction parallel to the traveling direction of the path 50 of the 5-axis stage portion 300
  • the v-axis refers to the axis perpendicular to the same plane as the u-axis
  • the w-axis is the v-axis
  • u-axis It may mean an axis perpendicular to the plane to be formed. That is, the scanner controller 520 controls the galvano scanner 200 so that laser processing can be performed without any error as designed by the user.
  • the scanner controller 520 may generate a compensation scanner position command at intervals of 10 ms, and output the generated compensation scanner position command to the galvano scanner 200, and the stage controller 530 may include an interlocking command generation unit ( According to the stage position command input from the 510, a control command for controlling the 5-axis stage unit 300 may be generated at 1 ms intervals. That is, the galvano scanner 200 corrects the position error generated in the 5-axis stage unit 300. In particular, the control command for controlling the 5-axis stage unit 300 is executed in milliseconds (ms).
  • the scanner control unit 520 Since the command to control the galvano scanner 200 is executed in units of microseconds, the scanner control unit 520 generates the compensating scanner position commands between the control command generation intervals of the 5-axis stage unit 300 and the galvano. By adjusting the laser irradiation path of the scanner 200, the position error generated in the 5-axis stage unit 300 may be compensated.
  • the interlocking command generation unit 510 initializes the position of the stage 310 through the stage control unit 530 according to the scan path input from the path generation unit 100, and initializes the position of the stage 310.
  • the feedback information distributed from the encoder distribution unit 400 may be set as a reference value.
  • the interlocking command generation unit 510 may move the laser irradiation point of the galvano scanner 200 to the preset starting point through the scanner controller 520.
  • the scanner controller 520 buffers the laser irradiation path in the galvano scanner position command by a predetermined unit, and when the buffering is completed, starts the control of the galvano scanner 200 and sends a synchronization signal to the stage controller 530.
  • the stage controller 530 may start the control of the 5-axis stage unit 300 by receiving a synchronization signal from the scanner controller 520.
  • One unit buffered by the scanner controller 520 may be a laser irradiation path 40a which may be connected in one line as shown in FIG. 3, and in the case of the left simple curved surface 10a, three buffering units and a right simple curved surface In the case of (10b) it can be seen that consists of eight buffering units.
  • scanner.scn scanner.scn
  • stage.nc stage control file
  • the scanner controller 520 and the stage controller 530 may perform a continuous machining operation on a large-area workpiece through mutual synchronization and starting point setting operation.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a difference between the control command of the stage controller 530 and the actual movement of the stage 310 in the 5-axis stage unit 300 due to inertia.
  • the 5-axis stage unit 300 has an inertial force in proportion to the mass of the workpiece to be fixed on the stage 310 and the mass of the structure installed in each of the driving units 320 to 360. Therefore, when the machining path is rapidly changed, such as a corner of a rectangular path, or when a rapid movement of the stage 310 is required, such as when a rapid rotation about the a-axis or the c-axis is required due to a large step of the workpiece surface.
  • the movement path of the actual stage 310 may deviate from the scan path generated by the path generation unit 100 due to the action of the inertia force described above.
  • the scan path generated by the path generation unit 100 is a path in which the traveling direction is vertically folded at the time t1 and is moved by a distance of 'a', the inertia force is actually applied, so the scanner controller 520 Alternatively, the error compensating control operation should be performed in the stage controller 530.
  • stage controller 530 performs the error compensation, a method of generating a driving command to move 'a' by t0 in advance may be applied.
  • a control error of a portion indicated by a dotted line may occur in a section between t0 and t1, and the control error may be reduced by reducing the speed of the stage 110 moving along the scan path. As a result, the overall time required for processing increases.
  • the scanner control unit 520 controls the galvano scanner 200 to correct an error due to inertial force acting on the 5-axis stage unit 300.
  • the command of the stage controller 530 for driving the 5-axis stage unit 300 is executed every millisecond (msec), for example, every 1 msec, and the command of the scanner controller 520 for driving the galvano scanner 200. Is executed every microsecond ( ⁇ sec), for example every 10 ⁇ sec. Therefore, the stage control unit 530 is the position information of the 5-axis stage unit 300 in real time from the encoder distribution unit 400 between the execution interval of the command of the stage control unit 530 for driving the 5-axis stage unit 300. In response to the feedback, a command for compensating for the error of the 5-axis stage unit 300 may be generated.
  • the execution interval is 10 ⁇ sec, so that the scanner control unit 520 can select 99 error correction commands (t0 and t1). To ) May be generated and reflected in the control command of the galvano scanner 200.
  • the scanner control unit 520 is configured from the coordinate distribution unit 400 and the coordinates (x, y, z, a, c) of the path 50 of the 5-axis stage unit 300 in the scanner control file every about 10 ⁇ sec.
  • the error of the five-axis stage unit 300 is calculated using the reference numeral, and the calculated error is converted based on the coordinate axes (u-axis, v-axis, and w-axis) of the laser irradiation paths 40a and 40b, and then converted.
  • the optical paths such as the mirrors 230 and 250 and the lens are controlled to correct the laser irradiation path.
  • FIG. 8 is an operation flowchart showing the operation of the three-dimensional large-area laser continuous processing apparatus according to an embodiment of the present invention, with reference to FIGS. 1 to 8 will be described with respect to the operation of the dimensional large-area laser continuous processing apparatus of the present invention. It is as follows.
  • the galvano scanner 200 and the 5-axis stage unit 300 are provided.
  • the cooperative operation may be performed (S100).
  • the control unit 500 receives a scan path generated by the path generation unit 100 as a user selects an operation of reading a scan path data file through a user interface, or writes to a storage unit (not shown).
  • the stored scan path is input (S200).
  • the scan path input by the controller 500 may be in the form of a data file regarding the path of the 5-axis stage unit 300 and the path of the galvano scanner 200 as shown in Tables 1 and 2. .
  • control unit 500 the control unit 500, the path 40a, 40b and the 5-axis stage unit 300 of the galvano scanner 200, as shown in FIG.
  • the scan path including the path 50 is displayed (S300).
  • the controller 500 may determine the position of the galvano scanner 200 and the stage 310. The position is synchronized to the origin, and the feedback information distributed from the encoder distribution unit 400 is set as a reference value according to the origin synchronization, that is, the feedback information is initialized (see M12 command of Table 1).
  • control unit 500 analyzes the path of the 5-axis stage unit 300 in the stage control file and the path of the galvano scanner 200 in the scanner control file to determine the 5-axis stage unit 300 and the galvano scanner (
  • the control command 200 converts the control command to S200 (S600).
  • the control unit 500 controls the 5-axis stage unit 300 at intervals of about 1 msec according to the path coordinates of the 5-axis stage unit 300 in the stage control file, and at the same time, the 5-axis stage unit in the scanner control file. Coordinates (x, y, z, a, c) of the path 50 of 300 and feedback information received from the encoder distribution unit 400 ( , , , , , , The error of the five-axis stage unit 300 is calculated using the reference numeral, and the calculated error is converted based on the coordinate axes (u-axis, v-axis, and w-axis) of the laser irradiation paths 40a and 40b, and then converted.
  • the controller 500 buffers the path of the 5-axis stage unit 300 in the stage control file and the path of the galvano scanner 200 in the scanner control file according to a preset unit, that is, one scan loop unit.
  • a command for requesting notification of the ready state of the 5-axis stage unit 300 and waiting for the trigger signal to synchronize the 5-axis stage unit 300 and the galvano scanner 200 (see M11 of Tables 1 and 2) and Commands for requesting notification of buffering completion and waiting for a trigger signal of the scanner controller 520 (see M10 of Tables 1 and 2) may be used.
  • An example of one scan loop unit described above is shown in Table 3 below.
  • control unit 500 checks whether the scan loop buffered just before is the last loop (S800), and if the last loop, terminates the machining operation, and if not, the 5-axis stage unit 300 in the stage control file. And the path of the galvano scanner 200 in the scanner control file are converted to the control commands of the 5-axis stage unit 300 and the galvano scanner 200 (S600).
  • FIG. 9 is a view showing the operation of the conventional three-dimensional large-area laser processing apparatus, by performing a step by step scanning to scan a large area by generating a boundary surface according to the scan field of the galvano scanner, the machining surface is discontinuous Able to know. That is, during the machining operation, after the galvano scanner scans the predetermined first scan field 200a, the stage moves by the first step 300a, and the galvano scanner scans the predetermined second scan field ( After 200b), the stage is performed in such a manner that the stage moves by the second step 300b, so that a discontinuous boundary surface is generated in the work result.
  • FIG. 10 is a view showing the operation of the three-dimensional large-area laser continuous processing apparatus according to an embodiment of the present invention, the five-axis stage tracking error as described above is guaranteed by the three-axis galvano scanner, through which a large area It can be seen that by performing a continuous scan for, no discrete sites are produced. That is, since the galvano scanner 200 performs the scanning 200c continuously and the machining surface on the 5-axis stage part 300 is also continuously moved 300c, the machining operation of high speed and high precision even when processing a large area. Can be performed.

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Abstract

본 발명은 5축 스테이지 및 3축 레이저 스캐너를 결합하여 3차원 연속 가공 동작을 수행함으로써 대면적인 피가공물에 대하여 연속적인 패터닝 작업이 가능한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치에 관한 것으로, 피가공물의 스캔 경로를 생성하는 경로 생성부; 레이저를 조사하여 피가공물의 표면을 가공하는 갈바노 스캐너; 상면에 피가공물이 배치되는 스테이지를 구비하고, 상기 스테이지의 X축 방향으로의 이동, 상기 X축에 수직인 Y축 방향으로의 이동, 상기 X축 및 Y축에 수직인 Z축 방향으로 이동, 상기 X축과 Y축이 이루는 평면의 틸팅 운동 및 상기 틸팅 운동의 회전축에 수직인 C축을 중심으로 하는 회전 운동을 수행하며, 상기 스테이지의 위치 정보를 생성하는 5축 스테이지부; 상기 5축 스테이지부로부터 상기 스테이지의 위치 정보를 피드백 정보로서 분배하는 엔코더 분배부; 및 상기 스캔 경로 및 상기 엔코더 분배부에서 분배된 상기 피드백 정보에 기초하여 상기 5축 스테이지부 및 상기 갈바노 스캐너를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치
본 발명은 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 5축 스테이지 및 3축 레이저 스캐너를 결합하여 3차원 연속 가공 동작을 수행함으로써 대면적인 피가공물에 대하여 연속적인 패터닝 작업이 가능한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치에 관한 것이다.
레이저를 이용한 대면적 가공으로서, 스텝 & 스캐닝 (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.
[선행기술문헌] 대한민국 공개특허 제10-2013-0134863호
본 발명은 상술한 종래 방식에 따른 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 5축 스테이지 및 3축 레이저 스캐너를 통합하여 제어함으로써, 소정의 스캔 경로를 따라 대면적을 가지는 피가공물의 표면에 연속으로 정밀 가공을 수행하는 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 5축 스테이지 및 3축 레이저 스캐너에 대한 최적의 이동 경로를 생성하고, 5축 스테이지의 피가공물 이동 작업에 따라 발생하는 오차를 3축 레이저 스캐너에서 보정함으로써 가공 시 불연속 부위가 발생하지 않는 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 실시예는, 피가공물의 스캔 경로를 생성하는 경로 생성부; 레이저를 조사하여 피가공물의 표면을 가공하는 갈바노 스캐너; 상면에 피가공물이 배치되는 스테이지를 구비하고, 상기 스테이지의 X축 방향으로의 이동, 상기 X축에 수직인 Y축 방향으로의 이동, 상기 X축 및 Y축에 수직인 Z축 방향으로 이동, 상기 X축과 Y축이 이루는 평면의 틸팅 운동 및 상기 틸팅 운동의 회전축에 수직인 C축을 중심으로 하는 회전 운동을 수행하며, 상기 스테이지의 위치 정보를 생성하는 5축 스테이지부; 상기 5축 스테이지부로부터 상기 스테이지의 위치 정보를 피드백 정보로서 분배하는 엔코더 분배부; 및 상기 스캔 경로 및 상기 엔코더 분배부에서 분배된 상기 피드백 정보에 기초하여 상기 5축 스테이지부 및 상기 갈바노 스캐너를 제어하는 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 5축 스테이지부는, 제1 서보 모터의 회전 운동을 상기 x축 방향의 양방향 선형 운동으로 전환하고, 상기 제1 서보 모터의 회전수에 대응하는 제1 펄스를 생성하는 x축 구동부; 제2 서보 모터의 회전 운동을 상기 y축 방향의 양방향 선형 운동으로 전환하고, 상기 제2 서보 모터의 회전수에 대응하는 제2 펄스를 생성하는 y축 구동부; 제3 서보 모터의 회전 운동을 상기 z축 방향의 양방향 선형 운동으로 전환하고, 상기 제3 서보 모터의 회전수에 대응하는 제3 펄스를 생성하는 z축 구동부; 제4 서보 모터의 회전에 의하여 상기 틸팅 운동을 제공하고, 상기 제4 서보 모터의 회전수에 대응하는 제4 펄스를 생성하는 a축 구동부; 및 제5 서보 모터의 회전에 의하여 상기 C축을 중심으로 하는 양방향 회전 운동을 제공하고, 상기 제5 서보 모터의 회전수에 대응하는 제5 펄스를 생성하는 c축 구동부를 포함하며, 상기 위치 정보는, 상기 제1 펄스, 상기 제2 펄스, 상기 제3 펄스, 상기 제4 펄스 및 상기 제5 펄스를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 경로 생성부로부터 스캔 경로를 입력받아 상호 연동된 상기 갈바노 스캐너의 레이저 조사 경로에 대한 스캐너 위치 명령 및 상기 5축 스테이지부의 상기 스테이지의 이동 경로에 대한 스테이지 위치 명령을 생성하는 연동 명령 생성부; 상기 스캐너 위치 명령 및 상기 피드백 정보를 이용하여 상기 5축 스테이지부의 실시간 위치가 반영된 보상 스캐너 위치 명령을 생성하고, 생성된 상기 보상 스캐너 위치 명령에 의하여 상기 갈바노 스캐너를 제어하는 스캐너 제어부; 및 상기 스테이지 위치 명령에 의하여 상기 5축 스테이지부를 제어하는 스테이지 제어부를 포함할 수 있다.
한편, 상기 스캐너 제어부는, 상기 보상 스캐너 위치 명령을 10㎲ 간격으로 생성하고, 상기 스테이지 제어부는, 상기 스테이지 위치 명령에 따라 상기 5축 스테이지부를 제어하는 제어 명령을 1ms 간격으로 생성할 수 있다.
또한, 상기 연동 명령 생성부는, 상기 경로 생성부로부터 스캔 경로를 입력받음에 따라 상기 스테이지 제어부를 통하여 상기 스테이지의 위치를 초기화하고, 상기 스테이지의 위치가 초기화됨에 따라 상기 엔코더 분배부로부터 분배된 피드백 정보를 기준값으로 설정할 수 있다.
한편, 상기 연동 명령 생성부는, 상기 스테이지의 위치가 초기화됨에 따라 상기 스캐너 제어부를 통하여 상기 갈바노 스캐너의 레이저 조사점을 미리 설정된 시작점으로 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 스캐너 제어부는, 상기 갈바노 스캐너 위치 명령 내 레이저 조사 경로를 미리 설정한 단위씩 버퍼링하고, 버퍼링이 완료됨에 따라 상기 갈바노 스캐너의 제어를 시작하고 상기 스테이지 제어부로 동기화 신호를 출력하며, 상기 스테이지 제어부는, 상기 동기화 신호를 입력받아 상기 5축 스테이지부의 제어를 시작할 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치에 의하면, 5축 스테이지 및 3축 레이저 스캐너를 통합하여 제어함으로써, 소정의 스캔 경로를 따라 대면적을 가지는 피가공물의 표면에 연속으로 정밀 가공을 수행하고, 5축 스테이지 및 3축 레이저 스캐너에 대한 최적의 이동 경로를 생성하고, 5축 스테이지의 피가공물 이동 작업에 따라 발생하는 오차를 3축 레이저 스캐너에서 보정함으로써 가공 시 불연속 부위가 발생하지 않는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치에서 제공하는 사용자 인터페이스 화면을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치의 스캔 경로의 예를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치의 5축 스테이지부를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치의 제어부를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치의 갈바노 스캐너를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치의 스테이지 제어부의 제어 명령과 스테이지의 실제 움직임과의 차이를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치의 동작을 나타낸 플로우챠트이다.
도 9는 종래의 3차원 대면적 레이저 가공 장치의 동작을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치의 동작을 나타낸 도면이다.
[부호의 설명]
100 : 경로 생성부
200 : 갈바노 스캐너
300 : 5축 스테이지부
400 : 엔코더 분배부
500 : 제어부
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 의한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치를 나타낸 도면으로, 본 발명의 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치는, 경로 생성부(100), 갈바노 스캐너(200), 5축 스테이지부(300), 엔코더 분배부(400) 및 제어부(500)를 포함한다.
경로 생성부(100)는, 피가공물의 스캔 경로를 생성하고, 생성된 스캔 경로를 제어부(500)로 출력한다. 경로 생성부(100) 또는 제어부(500)는, 피가공물에 대한 스캔 경로를 생성하는 CAD/CAM 통합 소프트웨어를 구비하고, 소정의 인터페이스를 제공함으로써 사용자가 다양한 파라미터를 설정할 수 있도록 한다. 이때, 경로 생성부(100)에 의해 생성된 스캔 경로를 포함하는 데이터 파일은 저장부(도시되지 않음)에 저장되어 사용자의 선택에 따라 제어부(500)에 의해 읽혀질 수 있다.
도 2는 경로 생성부(100) 또는 제어부(500)에서 구동되는 CAD/CAM 통합 소프트웨어에서 제공하는 인터페이스 화면의 일례로, 경로 생성부(100) 또는 제어부(500)는, CAD/CAM 통합 소프트웨어를 통하여 피가공물의 정보를 읽어올 수 있다. 즉, 피가공물의 크기(예를 들면, 30×300mm), Z단차(예를 들면, ±50mm) 및 곡률 반경(예를 들면, 자유곡면 또는 단순곡면) 등 피가공물에 관한 정보에 따라 피가공물의 곡면의 형태를 사용자 인터페이스를 통하여 표시할 수 있으며, 도 2에 표시된 곡면은 큰 단차의 단순곡면에 해당한다.
이후에, 사용자는 경로 생성부(100) 또는 제어부(500)가 제공하는 사용자 인터페이스를 통하여 갈바노 스캐너(200)의 레이저 조사 패턴의 형태(예를 들면, 지그재그 삼각 또는 지그재그 사각), 간격(예를 들면, 50mm) 및 너비(예를 들면, 20mm)를 설정할 수 있다.
도 3은 경로 생성부(100) 또는 제어부(500)의 CAD/CAM 통합 소프트웨어를 통하여 생성할 수 있는 작은 단차의 단순 곡면(10a, 10b), 자유 곡면(20a, 20b) 및 큰 단차의 단순 곡면(30a, 30b)을 도시하고 있고, 이 중 작은 단차의 단순 곡면(10a) 상에 지그재그 삼각(40a) 또는 지그재그 사각(40b)의 스캔 경로가 설정된 것을 도시하고 있다. 이때, 지그재그 삼각 및 지그재그 사각 스캔 경로는 작은 단차의 단순 곡면(10a) 외에도 설정될 수 있다.
이때, 경로 생성부(100)가 생성하는 스캔 경로는 도 3에 도시된 바와 같이 갈바노 스캐너(200)의 경로(40a, 40b) 및 5축 스테이지부(300)의 경로(50)를 포함할 수 있다.
갈바노 스캐너(Galvanometer scanner)(200)는, 제어부(500)의 제어에 따라 레이저를 조사하여 피가공물의 표면을 가공하는 장치이다. 갈바노 스캐너(200)는 드릴링(drilling), 마킹(marking), 커팅(cutting) 등의 작업을 수행한다. 이러한 가공을 수행하는 레이저 스캐너는 여러 종류가 있으며, 본 발명에서는 그 중 널리 사용되는 갈바노 스캐너(200)를 적용하나 이에 한정되지 않는다.
갈바노 스캐너(200)는 한 번에 스캔하여 가공할 수 있는 면적(스캔 필드)이 수십 ㎟, 예를 들면, 30×30㎟ 수준이고, 스캔 속도는 수백 mm/s 수준이며, Z축의 가변 포커싱 범위는 약 -50~+50mm 수준일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 6을 참조하면, 갈바노 스캐너(200)는 레이저 빔 출력부(210), 촛점 가변부(220) 제1 미러(230), U축 모터(240), 제2 미러(250) 및 V축 모터(260)를 포함할 수 있으며, 갈바노 스캐너(200)의 일반적인 구성에 대해서는 통상의 기술자에 의하여 충분히 이해 가능하므로 상세 구성에 대한 설명은 편의상 생략한다.
5축 스테이지부(300)는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 상면에 피가공물이 배치되는 스테이지(310)를 구비하고, 스테이지(310)의 X축 방향으로의 이동, X축에 수직인 Y축 방향으로의 이동, X축 및 Y축에 수직인 Z축 방향으로 이동, X축과 Y축이 이루는 평면의 틸팅 운동 및 틸팅 운동의 회전축에 수직인 C축을 중심으로 하는 회전 운동을 수행하며, 스테이지(310)의 위치 정보를 생성하고, 생성된 스테이지(310)의 위치 정보를 엔코더 분배부(400)로 출력한다. 여기서, 도 4b는 5축 스테이지부(300)의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 대면적인 피가공물이 배치되기 위하여 그 구조를 적절히 변형할 수 있다. 즉, 5축 스테이지부(300)는, 갈바노 스캐너(200)의 스캔 필드보다 피가공물(200)의 표면이 넓은 경우, 갈바노 스캐너(200)가 피가공물 표면 전체를 가공할 수 있도록 스테이지(310)를 5축 제어할 수 있다.
5축 스테이지부(300)는, x축 구동부(320), y축 구동부(330), z축 구동부(340), a축 구동부(350) 및 c축 구동부(360)를 포함할 수 있다.
x축 구동부(320)는, 제1 서보 모터(Servo motor, 도시되지 않음)를 구비하고, 제1 서보 모터의 회전 운동을 스크류(Screw), 기어, x축 가이드 등을 이용하여 x축 방향의 양방향 선형 운동으로 전환하며, 제1 서보 모터의 회전수에 대응하는 제1 펄스를 생성하고, 생성된 제1 펄스를 엔코더 분배부(400)로 출력한다. 여기서, x축 구동부(320)는, 제1 서보 모터를 구동하는 x축 서보 드라이버(Servo Driver)를 포함할 수 있다.
y축 구동부(330)는, 제2 서보 모터(도시되지 않음)의 회전 운동을 스크류(Screw), 기어, y축 가이드 등을 이용하여 y축 방향의 양방향 선형 운동으로 전환하고, 제2 서보 모터의 회전수에 대응하는 제2 펄스를 생성하며, 생성된 제2 펄스를 엔코더 분배부(400)로 출력한다. 여기서, y축 구동부(330)는, 제2 서보 모터를 구동하는 y축 서보 드라이버를 포함할 수 있다.
z축 구동부(340)는, 제3 서보 모터(도시되지 않음)의 회전 운동을 스크류, 기어, z축 가이드 등을 이용하여 z축 방향의 양방향 선형 운동으로 전환하고, 제3 서보 모터의 회전수에 대응하는 제3 펄스를 생성하며, 생성된 제3 펄스를 엔코더 분배부(400)로 출력한다. 여기서, z축 구동부(340)는, 제3 서보 모터를 구동하는 z축 서보 드라이버를 포함할 수 있다.
a축 구동부(350)는, 제4 서보 모터(도시되지 않음)의 회전 운동을 스크류, 기어, 회전 가이드에 의하여 스테이지(310)의 틸팅 운동으로 변환하고, 제4 서보 모터의 회전수에 대응하는 제4 펄스를 생성하며, 생성된 제4 펄스를 엔코더 분배부(400)로 출력한다. 여기서, a축 구동부(350)는, 제4 서보 모터를 구동하는 a축 서보 드라이버를 포함할 수 있다.
c축 구동부(360)는, 제5 서보 모터(도시되지 않음)의 회전 운동을 스크류, 기어, 회전 가이드에 의하여 C축을 중심으로 하는 양방향 회전 운동으로 변환하고, 제5 서보 모터의 회전수에 대응하는 제5 펄스를 생성하며, 생성된 제5 펄스를 엔코더 분배부(400)로 출력한다. 여기서, c축 구동부(360)는, 제5 서보 모터를 구동하는 c축 서보 드라이버를 포함할 수 있다.
또한, x축 구동부(320), y축 구동부(330), z축 구동부(340), a축 구동부(350) 및 c축 구동부(360)가 구비하는 모터는, 상술한 바와 같이 서보 모터, 특히, DC 서보 모터인 것이 바람직하나, AC 서보 모터 또는 스텝 모터(Step Motor)일 수도 있다. x축 서보 드라이버, y축 서보 드라이버, z축 서보 드라이버, a축 서보 드라이버 및 c축 서보 드라이버는, 서보 모터에 전력을 공급하는 전력 변환 동작, 서보 모터에 공급하는 전류를 제어하는 전류 제어 동작, 서보 모터의 회전 속도를 감지하고 회전 속도를 제어하는 속도 제어 동작 및 서보 모터의 회전수를 감지하고 회전수를 제어하는 위치 제어 동작을 수행할 수 있으며, 회전수의 감지를 위하여 서보 모터의 회전축의 회전수에 대응하는 펄스, 예를 들면, 1회전 당 360개의 펄스를 출력하는 엔코더(Encoder)를 구비할 수 있다.
엔코더 분배부(400)로 출력되는 위치 정보는, x축 서보 드라이버, y축 서보 드라이버, z축 서보 드라이버, a축 서보 드라이버 및 c축 서보 드라이버 내 각 엔코더에서 생성되는 제1 펄스, 제2 펄스, 제3 펄스, 제4 펄스 및 제5 펄스를 포함할 수 있다.
엔코더 분배부(400)는, 5축 스테이지부(300) 내 x축 구동부(320), y축 구동부(330), z축 구동부(340), a축 구동부(350) 및 c축 구동부(360)로부터 스테이지(310)의 위치 정보를 입력받고, 입력된 위치 정보를 피드백 정보로서 도 5에 도시된 바와 같이 제어부(500) 내 스캐너 제어부(520) 및 스테이지 제어부(530)로 분배할 수 있다.
제어부(500)는, 경로 생성부(100)로부터 입력받은 스캔 경로 및 엔코더 분배부(400)에서 분배된 피드백 정보에 기초하여 5축 스테이지부(300) 및 갈바노 스캐너(200)를 제어한다. 제어부(500)는, 피드백 정보 내 펄스 수 등을 토대로 5축 스테이지부(300) 내 서보 모터의 회전수를 추정한 후 모터의 회전수와 스크류 등의 모터의 회전을 선형 또는 회전 운동으로 변환하는 수단의 피치(Pitch)를 이용하여 피가공물의 변위를 계산할 수도 있으나 이에 한정되지 않는다. 제어부(500)는, 도 5에 도시된 바와 같이 연동 명령 생성부(510), 스캐너 제어부(520) 및 스테이지 제어부(530)를 포함할 수 있다.
연동 명령 생성부(510)는, 경로 생성부(100)로부터 스캔 경로를 입력받아 상호 연동된 갈바노 스캐너(200)의 레이저 조사 경로(40a, 40b)에 대한 스캐너 위치 명령 및 5축 스테이지부(300)의 스테이지의 이동 경로(50)에 대한 스테이지 위치 명령을 생성하고, 생성된 스캐너 위치 명령을 스캐너 제어부(520)에 출력하며, 생성된 스테이지 위치 명령을 5축 스테이지부(300)로 출력할 수 있다.
스캐너 제어부(520)는, 연동 명령 생성부(510)로부터 입력받은 갈바노 스캐너 위치 명령 및 엔코드 분배부(400)로부터 입력받은 피드백 정보를 이용하여 5축 스테이지부(300)의 실시간 위치가 반영된 보상 스캐너 위치 명령을 생성하고, 생성된 보상 스캐너 위치 명령에 의하여 갈바노 스캐너(200)를 제어한다. 이때, 스캐너 제어부(520)는, 갈바노 스캐너 위치 명령 또는 보상 스캐너 위치 명령으로서 갈바노 스캐너(200)의 중심점 위치에 해당하는 5축 스테이지부(300)의 경로(50)의 좌표(x, y, z, a, c) 및 갈바노 스캐너(200)의 중심점을 기준으로 설정된 레이저 조사 경로(40a, 40b)의 좌표(u, v, w)를 포함하는 스캐너 제어 파일(scanner.scn)을 사용할 수 있다.
스테이지 제어부(530)는, 연동 명령 생성부(510)로부터 입력받은 스테이지 위치 명령에 의하여 5축 스테이지부(300)를 제어할 수 있다. 이때, 스테이지 제어부(530)는, 엔코드 분배부(400)로부터 입력받은 피드백 정보를 이용하여 5축 스테이지부(300)의 실시간 위치가 반영된 보상 스테이지 위치 명령을 생성하고, 생성된 보상 스테이지 위치 명령에 의하여 5축 스테이지부(300)를 제어할 수도 있으나 이에 한정되지 않으며, 5축 스테이지부(300) 내에 장착된 서보 드라이버 자체의 피드백 루프에 의하여 서보 모터의 동작을 제어한 방식을 채용할 수도 있다. 이때, 스테이지 제어부(530)는, 갈바노 스캐너 위치 명령 또는 보상 스캐너 위치 명령으로서 갈바노 스캐너(200)의 중심점 위치에 해당하는 5축 스테이지부(300)의 경로(50)의 좌표(x, y, z, a, c)를 포함하는 스테이지 제어 파일(stage.nc)을 사용할 수 있다. 스테이지 제어부(530)의 제어에 따라 5축 스테이지부(300)의 A축 및 C축이 회전하므로 피가공물의 표면은 갈바노 스캐너(200)의 레이저 조사 방향에 수직으로 접하게 된다. 즉, 갈바노 스캐너(200)의 레이저빔이 피가공물에 수직으로 조사될 수 있다.
스캐너 제어부(520)는, 스캐너 제어 파일 내 5축 스테이지부(300)의 경로(50)의 좌표(x, y, z, a, c)와 엔코드 분배부(400)로부터 입력받은 피드백 정보(
Figure PCTKR2017006346-appb-I000001
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000002
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000003
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000004
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000005
)(를 이용하여 5축 스테이지부(300)의 오차를 산출하고, 산출된 오차를 레이저 조사 경로(40a, 40b)의 좌표축(u축, v축 및 w축)을 기준으로 변환한 후, 변환된 값에 의해 산출된 보정값(
Figure PCTKR2017006346-appb-I000006
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000007
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000008
)을 원 좌표값(u, v, w)에 더하여 보상 스캐너 위치 명령의 좌표(u`=u+
Figure PCTKR2017006346-appb-I000009
, v`=v+
Figure PCTKR2017006346-appb-I000010
, w`=w+
Figure PCTKR2017006346-appb-I000011
)를 생성할 수 있다. 이때, 좌표 변환은 일반적으로 다차원 좌표 변환에 사용되는 좌표 변환 행렬(Coordinate Transformation Matrix) 또는 방향 코사인 행렬(Direction Cosine Matrix)을 적용할 수 있다. 또한, u축은 5축 스테이지부(300)의 경로(50)의 진행 방향과 평행한 방향의 축을 의미하며, v축은 u축과 동일 평면상에서 수직인 축을 의미하며, w축은 v축 및 u축이 형성하는 평면과 수직인 방향의 축을 의미할 수 있다. 즉, 스캐너 제어부(520)는, 갈바노 스캐너(200)를 제어하여 사용자가 설계한 바에 따라 오차 없이 레이저 가공이 수행될 수 있도록 한다.
스캐너 제어부(520)는, 보상 스캐너 위치 명령을 10㎲ 간격으로 생성하고, 생성된 보상 스캐너 위치 명령을 갈바노 스캐너(200)로 출력할 수 있으며, 스테이지 제어부(530)는, 연동 명령 생성부(510)로부터 입력받은 스테이지 위치 명령에 따라 5축 스테이지부(300)를 제어하는 제어 명령을 1ms 간격으로 생성할 수 있다. 즉, 5축 스테이지부(300)에서 발생하는 위치 오차를 갈바노 스캐너(200)에서 보정하는데, 특히, 5축 스테이지부(300)를 제어하는 제어 명령은 밀리초(ms)단위로 실행되고, 갈바노 스캐너(200)를 제어하는 명령은 마이크로초(㎲) 단위로 실행되므로, 스캐너 제어부(520)는 5축 스테이지부(300)의 제어 명령 생성 간격 사이에 보상 스캐너 위치 명령들을 생성하여 갈바노 스캐너(200)의 레이저 조사 경로를 조절함으로써 5축 스테이지부(300)에서 발생하는 위치 오차를 보상할 수 있다.
연동 명령 생성부(510)는, 경로 생성부(100)로부터 스캔 경로를 입력받음에 따라 스테이지 제어부(530)를 통하여 스테이지(310)의 위치를 초기화하고, 스테이지(310)의 위치가 초기화됨에 따라 엔코더 분배부(400)로부터 분배된 피드백 정보를 기준값으로 설정할 수 있다. 또한, 연동 명령 생성부(510)는, 스테이지(310)의 위치가 초기화됨에 따라 스캐너 제어부(520)를 통하여 갈바노 스캐너(200)의 레이저 조사점을 미리 설정된 시작점으로 이동시킬 수 있다.
스캐너 제어부(520)는, 갈바노 스캐너 위치 명령 내 레이저 조사 경로를 미리 설정한 단위씩 버퍼링하고, 버퍼링이 완료됨에 따라 갈바노 스캐너(200)의 제어를 시작하고 스테이지 제어부(530)로 동기화 신호를 출력할 수 있다. 이때, 스테이지 제어부(530)는, 스캐너 제어부(520)로부터 동기화 신호를 입력받아 5축 스테이지부(300)의 제어를 시작할 수 있다. 스캐너 제어부(520)에 버퍼링되는 하나의 단위는 도 3에 도시된 바와 같이 한 줄로 연결될 수 있는 레이저 조사 경로(40a)일 수 있으며, 좌측 단순 곡면(10a)의 경우 3개의 버퍼링 단위, 우측 단순 곡면(10b)의 경우 8개 버퍼링 단위로 이루어짐을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 스캐너 제어부(520) 및 스테이지 제어부(530)의 제어 동작을 위한 스캐너 제어 파일(scanner.scn) 및 스테이지 제어 파일(stage.nc)의 일례는 하기 표 1 및 표 2와 같다
[표 1]
Figure PCTKR2017006346-appb-I000012
[표 2]
Figure PCTKR2017006346-appb-I000013
즉, 상술한 바와 같이 스캐너 제어부(520) 및 스테이지 제어부(530)는, 상호 동기화 및 시작점 설정 동작을 통하여 대면적의 피가공물에 대해서도 연속 가공 동작을 수행할 수 있다.
도 7은 스테이지 제어부(530)의 제어 명령과 관성에 의한 5축 스테이지부(300) 내 스테이지(310)의 실제 움직임과의 차이를 보여주는 개략도이다.
5축 스테이지부(300)는, 스테이지(310) 상에 고정된 피가공물의 질량 및 각 구동부(320 ~ 360)에 설치된 구조물의 질량에 비례하여 관성력이 작용한다. 따라서, 사각형의 경로의 코너와 같이 가공 경로가 급격히 변하는 경우 또는 피가공물 곡면의 큰 단차로 인하여 a축 또는 c축을 중심으로 급격한 회전을 요하는 경우 등 스테이지(310)의 급격한 움직임을 요하는 경우에, 실제 스테이지(310)의 이동 경로가 상술한 관성력의 작용으로 인하여 경로 생성부(100)에서 생성된 스캔 경로를 벗어날 수 있다.
예를 들어, 경로 생성부(100)에서 생성된 스캔 경로가 t1의 시간에 진행 방향이 수직으로 꺾임과 아울러 'a'의 거리만큼 이동되는 경로라면, 실제로는 관성력이 작용하므로 스캐너 제어부(520) 또는 스테이지 제어부(530)에서 오차 보상 제어 동작이 수행되어야 한다.
만약, 스테이지 제어부(530)에서 오차 보상을 수행하는 경우에는, t0에서 미리 'a' 만큼 이동 시키는 구동 명령을 생성시키는 방식을 적용할 수 있다. 다만, 이와 같은 방식을 적용하는 경우에는 t0과 t1 사이 구간에는 점선으로 표시된 부분의 제어 오차가 발생될 수 있으며, 스캔 경로를 따라 이동하는 스테이지(110)의 속도를 줄이면 제어 오차는 감소할 수 있으나, 가공에 소요되는 전체 시간은 증가하게 된다.
한편, 본 발명에 있어서는, 스캐너 제어부(520)에서 갈바노 스캐너(200)를 제어하여 5축 스테이지부(300)에 작용하는 관성력에 의한 오차를 보정할 수 있다. 5축 스테이지부(300)를 구동하는 스테이지 제어부(530)의 명령은 밀리초(msec) 단위, 예를 들면, 1msec 마다 실행되고, 갈바노 스캐너(200)를 구동하는 스캐너 제어부(520)의 명령은 마이크로초(μsec) 단위, 예를 들면 10μsec 마다 실행된다. 따라서, 스테이지 제어부(530)는, 5축 스테이지부(300)를 구동하는 스테이지 제어부(530)의 명령의 실행 간격 사이에 엔코더 분배부(400)로부터 실시간으로 5축 스테이지부(300)의 위치 정보를 피드백받아 5축 스테이지부(300)의 오차를 보상하는 명령을 생성할 수 있다. 즉, t0 및 t1에 각각 5축 스테이지부(300)를 구동하는 스테이지 제어부(530)의 명령이 실행되면 t0 및 t1의 사이는 1msec가 되고, 갈바노 스캐너(200)를 구동하는 스캐너 제어부(520)의 명령은 실행 간격이 10μsec이므로, 스캐너 제어부(520)는, t0과 t1 사이에 99개의 오차 보정 명령(
Figure PCTKR2017006346-appb-I000014
~
Figure PCTKR2017006346-appb-I000015
)을 생성하여 이를 갈바노 스캐너(200)의 제어 명령에 반영할 수 있다.
즉, 스캐너 제어부(520)는, 약 10μsec 마다 스캐너 제어 파일 내 5축 스테이지부(300)의 경로(50)의 좌표(x, y, z, a, c)와 엔코드 분배부(400)로부터 입력받은 피드백 정보(
Figure PCTKR2017006346-appb-I000016
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000017
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000018
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000019
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000020
)를 이용하여 5축 스테이지부(300)의 오차를 산출하고, 산출된 오차를 레이저 조사 경로(40a, 40b)의 좌표축(u축, v축 및 w축)을 기준으로 변환한 후, 변환된 값에 의해 산출된 보정값(
Figure PCTKR2017006346-appb-I000021
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000022
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000023
)을 원 좌표값(u, v, w)에 더하여 보상 스캐너 위치 명령의 좌표(u`=u+
Figure PCTKR2017006346-appb-I000024
, v`=v+
Figure PCTKR2017006346-appb-I000025
, w`=w+
Figure PCTKR2017006346-appb-I000026
)를 생성하게 된다. 이후에, 갈바노 스캐너(200) 내 U축 모터(240), V축 모터(260) 및 촛점 가변부(220)는, 보상 스캐너 위치 명령의 좌표(u`=u+
Figure PCTKR2017006346-appb-I000027
, v`=v+
Figure PCTKR2017006346-appb-I000028
, w`=w+)에 따라 미러(230, 250) 및 렌즈 등 광학 기구를 제어하여 레이저 조사 경로를 보정하게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치의 동작을 나타낸 동작 흐름도로서, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 차원 대면적 레이저 연속 가공 장치의 동작에 관하여 설명하면 하기와 같다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 제어부(500)가 제공하는 사용자 인터페이스를 통하여 자동(Auto) 모드를 선택함으로써, 대면적 연속 가공에 따른 갈바노 스캐너(200) 및 5축 스테이지부(300)의 연계 동작이 수행되도록 할 수 있다(S100).
이후에, 제어부(500)는, 사용자가 사용자 인터페이스를 통하여 스캔 경로 데이터 파일 읽기 동작을 선택함에 따라, 경로 생성부(100)가 생성한 스캔 경로를 입력받거나, 저장부(도시되지 않음)에 기저장된 스캔 경로를 입력받는다(S200). 이때, 제어부(500)가 입력받는 스캔 경로는, 표 1 및 표 2에 도시된 바와 같은 5축 스테이지부(300)의 경로 및 갈바노 스캐너(200)의 경로에 관한 데이터 파일의 형태일 수 있다.
다음에, 제어부(500)는, 사용자 인터페이스가 제공되는 표시부(도시되지 않음) 상에 도 3에 도시된 바와 같이 갈바노 스캐너(200)의 경로(40a, 40b) 및 5축 스테이지부(300)의 경로(50)를 포함하는 스캔 경로를 표시한다(S300).
이후에, 사용자가 사용자 인터페이스를 통하여 레이저 패터닝 실행 명령, 즉, 대면적 연속 가공의 시작 명령을 입력하면(S400), 제어부(500)는, 갈바노 스캐너(200)의 위치와 스테이지(310)의 위치를 원점으로 동기화하고, 원점 동기화에 따라 엔코더 분배부(400)로부터 분배된 피드백 정보를 기준값으로 설정, 즉, 피드백 정보를 초기화한다(S500, 표 1의 M12 명령 참조).
다음에, 제어부(500)는, 스테이지 제어 파일 내 5축 스테이지부(300)의 경로 및 스캐너 제어 파일 내 갈바노 스캐너(200)의 경로를 해석하여 5축 스테이지부(300) 및 갈바노 스캐너(200)의 제어 명령으로 변환한다(S600).
이후에, 제어부(500)는, 스테이지 제어 파일 내 5축 스테이지부(300)의 경로 좌표에 따라 5축 스테이지부(300)를 약 1msec의 간격으로 제어하는 동시에, 스캐너 제어 파일 내 5축 스테이지부(300)의 경로(50)의 좌표(x, y, z, a, c)와 엔코드 분배부(400)로부터 입력받은 피드백 정보(
Figure PCTKR2017006346-appb-I000030
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000031
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000032
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000033
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000034
)를 이용하여 5축 스테이지부(300)의 오차를 산출하고, 산출된 오차를 레이저 조사 경로(40a, 40b)의 좌표축(u축, v축 및 w축)을 기준으로 변환한 후, 변환된 값에 의해 산출된 보정값(
Figure PCTKR2017006346-appb-I000035
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000036
,
Figure PCTKR2017006346-appb-I000037
)을 원 좌표값(u, v, w)에 더하여 보상 스캐너 위치 명령의 좌표(u`=u+
Figure PCTKR2017006346-appb-I000038
, v`=v+
Figure PCTKR2017006346-appb-I000039
, w`=w+
Figure PCTKR2017006346-appb-I000040
)를 생성하고, 보상 스캐너 위치 명령의 좌표에 따라 갈바노 스캐너(200)를 약 10㎲의 간격으로 제어한다(S700). 이때, 제어부(500)는, 미리 설정한 단위, 즉, 하나의 스캔 루프 단위에 따라 스테이지 제어 파일 내 5축 스테이지부(300)의 경로 및 스캐너 제어 파일 내 갈바노 스캐너(200)의 경로를 버퍼링하고, 5축 스테이지부(300) 및 갈바노 스캐너(200)의 동기화를 위하여 5축 스테이지부(300)의 준비 상태 알림 및 트리거 신호 대기를 요청하는 명령(표 1 및 표 2의 M11 참조) 및 스캐너 제어부(520)의 버퍼링 완료 알림 및 트리거 신호 대기를 요청하는 명령(표 1 및 표 2의 M10 참조)을 이용할 수 있다. 상술한 하나의 스캔 루프 단위의 예는 하기 표 3과 같다.
[표 3]
Figure PCTKR2017006346-appb-I000041
다음에, 제어부(500)는, 직전에 버퍼링된 스캔 루프가 마지막 루프인지 확인한 후(S800), 마지막 루프이면 가공 동작을 종료하고, 마지막 루프가 아닌 경우에는 스테이지 제어 파일 내 5축 스테이지부(300)의 경로 및 스캐너 제어 파일 내 갈바노 스캐너(200)의 경로를 해석하여 5축 스테이지부(300) 및 갈바노 스캐너(200)의 제어 명령으로 변환하는 단계(S600)로 돌아간다.
도 9는 종래의 3차원 대면적 레이저 가공 장치의 동작을 나타낸 도면으로, 대면적에 대한 스캔을 위하여 단계적으로 스캐닝을 수행함으로써 갈바노 스캐너의 스캔 필드에 따른 경계면이 생성되어 가공면이 불연속적임을 알 수 있다. 즉, 가공 동작 시, 갈바노 스캐너가 소정의 제1 스캔 필드에 대하여 스캐닝(200a) 후, 스테이지가 제1 스텝(300a)만큼 이동하고, 갈바노 스캐너가 소정의 제2 스캔 필드에 대하여 스캐닝(200b) 후, 스테이지가 제2 스텝(300b)만큼 이동하는 식으로 작업을 수행하므로, 작업 결과물에 불연속 경계면이 생성된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치의 동작을 나타낸 도면으로, 상술한 바와 같은 5축 스테이지 추종 오차를 3축 갈바노 스캐너에서 보장 제어하고, 이를 통하여 대면적에 대한 스캔을 연속적으로 수행함으로써 불연속 부위가 생성되지 않음을 알 수 있다. 즉, 갈바노 스캐너(200)가 스캐닝(200c)을 연속적으로 수행하고 5축 스테이지부(300) 상의 가공면 또한 연속적으로 이동(300c)되므로, 대면적을 가공하는 경우에도 고속 및 고정밀의 가공 동작을 수행할 수 있다.
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.

Claims (7)

  1. 피가공물의 스캔 경로를 생성하는 경로 생성부;
    레이저를 조사하여 피가공물의 표면을 가공하는 갈바노 스캐너;
    상면에 피가공물이 배치되는 스테이지를 구비하고, 상기 스테이지의 X축 방향으로의 이동, 상기 X축에 수직인 Y축 방향으로의 이동, 상기 X축 및 Y축에 수직인 Z축 방향으로 이동, 상기 X축과 Y축이 이루는 평면의 틸팅 운동 및 상기 틸팅 운동의 회전축에 수직인 C축을 중심으로 하는 회전 운동을 수행하며, 상기 스테이지의 위치 정보를 생성하는 5축 스테이지부;
    상기 5축 스테이지부로부터 상기 스테이지의 위치 정보를 피드백 정보로서 분배하는 엔코더 분배부; 및
    상기 스캔 경로 및 상기 엔코더 분배부에서 분배된 상기 피드백 정보에 기초하여 상기 5축 스테이지부 및 상기 갈바노 스캐너를 제어하는 제어부를 포함하는 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 5축 스테이지부는,
    제1 서보 모터의 회전 운동을 상기 x축 방향의 양방향 선형 운동으로 전환하고, 상기 제1 서보 모터의 회전수에 대응하는 제1 펄스를 생성하는 x축 구동부;
    제2 서보 모터의 회전 운동을 상기 y축 방향의 양방향 선형 운동으로 전환하고, 상기 제2 서보 모터의 회전수에 대응하는 제2 펄스를 생성하는 y축 구동부;
    제3 서보 모터의 회전 운동을 상기 z축 방향의 양방향 선형 운동으로 전환하고, 상기 제3 서보 모터의 회전수에 대응하는 제3 펄스를 생성하는 z축 구동부;
    제4 서보 모터의 회전에 의하여 상기 틸팅 운동을 제공하고, 상기 제4 서보 모터의 회전수에 대응하는 제4 펄스를 생성하는 a축 구동부; 및
    제5 서보 모터의 회전에 의하여 상기 C축을 중심으로 하는 양방향 회전 운동을 제공하고, 상기 제5 서보 모터의 회전수에 대응하는 제5 펄스를 생성하는 c축 구동부를 포함하며,
    상기 위치 정보는, 상기 제1 펄스, 상기 제2 펄스, 상기 제3 펄스, 상기 제4 펄스 및 상기 제5 펄스를 포함하는 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 경로 생성부로부터 스캔 경로를 입력받아 상호 연동된 상기 갈바노 스캐너의 레이저 조사 경로에 대한 스캐너 위치 명령 및 상기 5축 스테이지부의 상기 스테이지의 이동 경로에 대한 스테이지 위치 명령을 생성하는 연동 명령 생성부;
    상기 스캐너 위치 명령 및 상기 피드백 정보를 이용하여 상기 5축 스테이지부의 실시간 위치가 반영된 보상 스캐너 위치 명령을 생성하고, 생성된 상기 보상 스캐너 위치 명령에 의하여 상기 갈바노 스캐너를 제어하는 스캐너 제어부; 및
    상기 스테이지 위치 명령에 의하여 상기 5축 스테이지부를 제어하는 스테이지 제어부를 포함하는 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 스캐너 제어부는, 상기 보상 스캐너 위치 명령을 10㎲ 간격으로 생성하고,
    상기 스테이지 제어부는, 상기 스테이지 위치 명령에 따라 상기 5축 스테이지부를 제어하는 제어 명령을 1ms 간격으로 생성하는 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연동 명령 생성부는, 상기 경로 생성부로부터 스캔 경로를 입력받음에 따라 상기 스테이지 제어부를 통하여 상기 스테이지의 위치를 초기화하고, 상기 스테이지의 위치가 초기화됨에 따라 상기 엔코더 분배부로부터 분배된 피드백 정보를 기준값으로 설정하는 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연동 명령 생성부는, 상기 스테이지의 위치가 초기화됨에 따라 상기 스캐너 제어부를 통하여 상기 갈바노 스캐너의 레이저 조사점을 미리 설정된 시작점으로 이동시키는 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 스캐너 제어부는, 상기 갈바노 스캐너 위치 명령 내 레이저 조사 경로를 미리 설정한 단위씩 버퍼링하고, 버퍼링이 완료됨에 따라 상기 갈바노 스캐너의 제어를 시작하고 상기 스테이지 제어부로 동기화 신호를 출력하며,
    상기 스테이지 제어부는, 상기 동기화 신호를 입력받아 상기 5축 스테이지부의 제어를 시작하는 3차원 대면적 레이저 연속 가공 장치.
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