JP6457653B2 - レーザスキャン装置及びレーザスキャンシステム - Google Patents

Description

本発明は、レーザマーキング技術分野に関し、特にレーザスキャン装置及びレーザスキャンシステムに関する。

図１は、従来のレーザスキャン制御システムのモジュール図である。当該レーザスキャン制御システムは、コンピュータ２０１と、モーションコントロールカード２０２と、レーザ２０３と、スキャン四角ヘッド２０６とを備える。スキャン四角ヘッド２０６は、振動ミラードライバ２０４と、振動ミラー２０５とを備える。従来のレーザスキャン制御システムは、図１に示すように、モーションコントロールカード２０２と振動ミラードライバ２０４とが分離される発明を採用するものであり、即ち、モーションコントロールカード２０２が、レーザのレーザ光射出に対する制御と、振動ミラーの移動命令の生成とを行い、振動ミラードライバ２０４が、振動ミラー２０５を所定軌跡に沿って移動できるように駆動する。このような発明において、モーションコントロールカード２０２と振動ミラードライバ２０４との間にケーブルを介して伝送を行うので、実際に運用される場合に、インターフェアレンスや、命令伝送ミス等の問題が発生しやすくなる。

また、データが一方向へ伝送され、モーションコントロールカード２０２がシステムの状態、特に振動ミラー２０５の状態を獲得できないため、レーザの制御がオープンループ制御方式になり、よい制御効果を得ることが困難になる。特に、高性能が要求される場合、従来の技術案は、効率を犠牲にする手段によって一定のスキャン効果を得るものの、システムの効率を最大化することができない。

これに鑑みて、信号インターフェアレンスと命令伝送ミスの問題を減少できるレーザスキャン装置を提供する必要がある。

レーザスキャン装置は、
外部コンピュータから送信された画像データを受信し、処理を行った後、振動ミラー移動命令とレーザ制御命令を生成するシステムオンチップ構造と、
前記振動ミラー移動命令を受信して、前記振動ミラー移動命令に基づいて移動する振動ミラーと、を備え、
前記レーザ制御命令が外部レーザに送信されることによって、レーザと振動ミラーの移動を同期させることを特徴とする。

そのうちの一実施例において、前記システムオンチップ構造は、
外部コンピュータから送信された画像データを受信し、座標の校正や軌跡の設定を行って、振動ミラー移動命令とレーザ制御命令とを生成するプロセッサモジュールと、
制御サイクルごとに、振動ミラー移動命令とレーザ制御命令とを獲得するロジック処理ユニットと、
ロジック処理ユニットから振動ミラー移動命令を受信し、振動ミラーの位置と電流フィードバック値によって、振動ミラー駆動電圧を計算する振動ミラーサーボ制御モジュールと、
ロジック処理ユニットからレーザ制御命令を受信し、レーザの制御の時系列と各振動ミラーフィードバックの状態によって、レーザ制御信号を生成するレーザ制御モジュールと、
前記ロジック処理ユニットに接続されているＩＯ制御モジュールと、を備えることを特徴とする。

そのうちの一実施例において、前記システムオンチップ構造は、さらにプロセッサモジュールとロジック処理ユニットとの間に接続されているバッファユニットを備え、前記プロセッサモジュールは、所定形式で振動ミラー移動命令とレーザ制御命令をバッファユニットに書き込み、前記ロジック処理ユニットは、各制御サイクルが始まるときにバッファユニットから１つの制御サイクル内の振動ミラー移動命令とレーザ制御命令を読み取ることを特徴とする。

そのうちの一実施例において、前記振動ミラーサーボ制御モジュールは、それぞれ第１アンプリファイア、第２アンプリファイア及び第３アンプリファイアを介して第１振動ミラー、第２振動ミラー及び第３振動ミラーと通信接続されている第１方向制御ユニット、第２方向制御ユニット及び第３方向制御ユニットを備えることを特徴とする。

そのうちの一実施例において、前記第１方向制御ユニット、第２方向制御ユニット及び第３方向制御ユニットは、いずれもデジタルサーボ制御ユニットであり、前記第１方向制御ユニット、第２方向制御ユニット及び第３方向制御ユニットのそれぞれは、Ｄ／ＡコンバータとＡ／Ｄコンバータを介して第１振動ミラー、第２振動ミラー及び第３振動ミラーと通信接続されていることを特徴とする。

そのうちの一実施例において、システムオンチップ構造と接続されシステムオンチップ構造から送信された画像データを記憶する、揮発性記憶ユニットと不揮発性記憶ユニットとを含むメモリをさらに備えることを特徴とする。

そのうちの一実施例において、前記揮発性記憶ユニットはＤＤＲメモリユニットであり、前記不揮発性記憶ユニットはフラッシュメモリユニットであることを特徴とする。

そのうちの一実施例において、前記プロセッサモジュールとしては、チップ内プロセッサが用いられ、前記ロジック処理ユニットとしては、ＦＰＧＡが用いられることを特徴とする。

レーザスキャンシステムは、コンピュータ、レーザ、及び上記レーザスキャン装置とを備え、前記コンピュータとレーザは、それぞれレーザスキャン装置と接続し、前記コンピュータは、ベクトル画像ファイルによって所定形式の画像データを生成し、前記レーザは、レーザスキャン装置の制御によってレーザ光を射出することを特徴とする。

そのうちの一実施例において、前記コンピュータは、さらにレーザスキャン装置のフィードバックデータを受信し、前記フィードバックデータによってモニタリング状態の生成及びレーザスキャン装置に対するオンライン調整を行うことを特徴とする。

上記レーザスキャン装置及びスキャンシステムは、システムオンチップの設計によって、レーザ制御機能と振動ミラー制御機能を１つのチップに集積できるよう構成されているので、レーザスキャン装置の全体が簡素化され、著しくシステムのコストを低減させるとともに、システムの信頼性を向上させる。また、全ての情報が１つのチップ内に伝送され、従来のようなモーションコントロールカードから振動ミラードライバまでの信号伝送ケーブルを必要としないので、リアルタイム性がより向上し、従来のようなコントロールカードから振動ミラーまでの伝送による信号インターフェアレンスや命令伝送ミス等のような各種問題が発生しなくなる。

振動ミラー移動命令の生成及びサーボ制御は、１つのチップにより実現できるので、振動ミラー移動命令の生成からサーボ制御までの通信に対する制限がなくなり、例えばモータモデルの適応制御アルゴリズムや多段フィードフォワード制御アルゴリズム等のより複雑な高性能制御アルゴリズムが用いられる。

従来のレーザスキャン装置のモジュール図である。 一実施例のレーザスキャン装置のモジュール図である。 図２におけるシステムオンチップ構造のモジュール図である。

以下、図面に合わせて実施例に対する更なる説明を行う。

図２は、一実施例のレーザスキャン装置のモジュール図である。当該レーザスキャン装置１０は、レーザ四角ヘッドとも称され、外部コンピュータ２０から送信された画像データを受信するとともに、レーザ３０のレーザ光射出を制御して、加工品にレーザパターンを形成するように構成されている。レーザスキャン装置１０と外部コンピュータ２０との間に、データハイウェイ、例えばイーサネットインターフェイス、ＵＳＢインターフェイス又は１３９４インターフェイスを介して、データを伝送するようになっている。

当該レーザスキャン装置１０は、システムオンチップ構造１１０と振動ミラー１２０とを備えている。システムオンチップ構造１１０は、外部コンピュータ２０から送信された画像データを受信し、処理を行った後、振動ミラー移動命令とレーザ制御命令を生成する。振動ミラー１２０は、上記振動ミラー移動命令を受信して、上記振動ミラー移動命令に基づいて移動する。レーザ制御命令が外部レーザ３０に送信されることによって、レーザ３０と振動ミラー１２０とを同期させて移動させる。

上記レーザスキャン装置１０は、システムオンチップの設計によって、レーザ制御機能と振動ミラー制御機能を、１つのチップに集積できるよう構成されているので、レーザスキャン装置の全体が簡素化され、著しくシステムのコストを低減させるとともに、システムの信頼性を向上させる。全ての情報が１つのチップ内に伝送され、従来のようなモーションコントロールカードから振動ミラードライバまでの信号伝送ケーブルを必要としないので、リアルタイム性がより向上し、従来のようなコントロールカードから振動ミラーまでの伝送による信号インターフェアレンスや命令伝送ミス等の各種問題が発生しなくなる。

振動ミラー移動命令の生成及びサーボ制御が１つのチップで実現できるので、振動ミラー移動命令の生成からサーボ制御までの通信に対する制限がなくなり、例えばモータモデルの適応制御アルゴリズムや多段フィードフォワード制御アルゴリズム等のより複雑な高性能制御アルゴリズムが用いられる。

以下、システムオンチップ構造１１０について詳細に説明する。

システムオンチップ構造１１０は、図３に示すように、プロセッサモジュール１１１と、バッファユニット１１２と、ロジック処理ユニット１１３と、第１方向制御ユニット１１４と、第２方向制御ユニット１１５と、第３方向制御ユニット１１６と、レーザ制御モジュール１１７と、ＩＯモジュールとを備えている。そのうち、第１方向制御ユニット１１４と、第２方向制御ユニット１１５と、第３方向制御ユニット１１６と、レーザ制御モジュール１１７と、ＩＯモジュールとは、いずれもロジック処理ユニット１１３と接続されている。

プロセッサモジュール１１１は、外部コンピュータ１０から送信された画像データを受信し、座標の校正や軌跡の設計を行って、振動ミラー移動命令、レーザ制御命令及びＩＯ命令を生成するように構成されている。この振動ミラー移動命令は、従来の振動ミラー位置命令であってもよく、サーボ制御性能を向上させる必要がある場合、振動ミラーの速度、加速度及び加加速度の命令を含んでもよい。また、可変パラメータ制御方法を利用する場合、さらに振動ミラー移動状態に関連する制御パラメータを含んでもよい。プロセッサモジュール１１１は、チップ内プロセッサで実現されてもよく、システムオンチップのデータ処理の中心とされるものである。

バッファユニット１１２は、プロセッサモジュール１１１とロジック処理ユニット１１３との間に接続され、プロセッサモジュール１１１は、所定形式で、振動ミラー移動命令、レーザ制御命令及びＩＯ命令をバッファユニット１１２に書き込むためのものである。

ロジック処理ユニット１１３は、各制御サイクルが始まるときに、バッファユニット１１２から１つの制御サイクル内の振動ミラー移動命令、レーザ制御命令及びＩＯ命令を読み取るように構成されている。ロジック処理ユニット１１３としては、ＦＰＧＡが用いられても良い。

振動ミラー１２０は、第１振動ミラー１２１、第２振動ミラー１２２及び第３振動ミラー１２３、又はｘ振動ミラー、ｙ振動ミラー及びｚ振動ミラーのような三次元方向の振動ミラーを備えている。第１振動ミラー１２１、第２振動ミラー１２２及び第３振動ミラー１２３はそれぞれ制御されている。第１方向制御ユニット１１４、第２方向制御ユニット１１５及び第３方向制御ユニット１１６は、それぞれ第１振動ミラー１２１、第２振動ミラー１２２及び第３振動ミラー１２３と通信接続されている。

第１方向制御ユニット１１４、第２方向制御ユニット１１５及び第３方向制御ユニット１１６を有する振動ミラーサーボ制御モジュールは、ロジック処理ユニット１１３から振動ミラー移動命令を受信して、第１振動ミラー１２１、第２振動ミラー１２２及び第３振動ミラー１２３をそれぞれ駆動するための振動ミラー駆動電圧を計算する。

レーザ制御モジュール１１７は、ロジック処理ユニット１１３からレーザ制御命令を受信して、レーザ３０の制御の時系列と各振動ミラーからフィードバックされた状態によってレーザ制御信号を生成する。

また、第１振動ミラー１２１、第２振動ミラー１２２及び第３振動ミラー１２３は、それぞれ第１アンプリファイア１２４、第２アンプリファイア１２５及び第３アンプリファイア１２６を介して、上記第１方向制御ユニット１１４、第２方向制御ユニット１１５及び第３方向制御ユニット１１６と接続されている。

また、第１方向制御ユニット１１４、第２方向制御ユニット１１５及び第３方向制御ユニット１１６は、いずれもデジタル信号を生成又は受信するデジタルサーボ制御ユニットである。第１方向制御ユニット１１４、第２方向制御ユニット１１５及び第３方向制御ユニット１１６は、振動ミラーサーボ制御モジュールのデジタル信号からアナログ信号への変換、又は振動ミラーのアナログ信号からデジタル信号への変換を行うことができるように、Ｄ／ＡコンバータとＡ／Ｄコンバータ（図示せず）を介して第１振動ミラー１２１、第２振動ミラー１２２及び第３振動ミラー１２３とそれぞれ接続されている。

メモリ１３０は、システムオンチップ構造１１０と接続され、システムオンチップ構造１３０から送信された画像データを記憶できるものである。メモリ１３０は、高速アクセスを実現できるＤＤＲメモリ等を含む揮発性記憶ユニットと、フラッシュメモリ等を含む不揮発性記憶ユニットとを備えている。このように、オンライン動作する場合、外部コンピュータ２０の画像データが揮発性記憶ユニットに記憶され、リアルタイムにデータの読取り及び処理を行うことができる。また、オフライン動作する必要がある場合、事前に外部コンピュータ２０から送信された画像データを不揮発性記憶ユニットに記憶しており、オフラインでマーキングする際に、不揮発性記憶ユニットから画像データを読み取ることができる。

システムオンチップ構造１１０は、ＩＯ制御モジュール１１８から生成されたＩＯ命令によって、外部のＩＯボードを制御できる。

また、振動ミラーサーボ制御モジュールが獲得した振動ミラーの電流や速度、位置等のフィードバックデータは、ユーザの振動ミラー移動性能の分析及びオンラインでの振動ミラー制御パラメータの調整に用いるために、プロセッサモジュール１１１にアップロードされ、プロセッサモジュール１１１を介してコンピュータ２０にアップロードすることができる。即ち、コンピュータ２０は、レーザスキャン装置１０のフィードバックデータを受信し、上記フィードバックデータに基づいてモニタリング状態の生成又はレーザスキャン装置に対するオンライン調整を行う。外部コンピュータ２０は、当該制御パラメータを画像データとともにレーザスキャン装置１０に送信できる。このように、クローズループ制御の効果を得られ、振動ミラーとレーザ制御を同期させることが実現できる。また、データの双方伝送は、ユーザの故障診断と状態モニタリングにも都合がよく、メンテナンスがより簡単に実施できるようになる。

上記の実施例における各技術特徴は、任意に組み合わせることができ、簡潔に説明するために、上記実施例における各技術特徴のあらゆる実施可能な組合せを説明しなかったが、これらの技術特徴の組合せは、矛盾がなければ本明細書記載の範囲に属すると理解すべきである。

上記の実施例は、本発明の幾つかの実施形態だけを表し、その説明が具体的及び詳細に行われるが、特許請求の範囲を限定するものと理解すべきではない。当業者は、本発明の思想を脱逸しない範囲内に、幾つかの変形と変更を実施でき、これらも本発明の保護範囲内に含まれると理解すべきである。このため、本発明の保護範囲は、添付する特許請求の範囲に示されている。

Claims (8)

1. 外部コンピュータから送信された画像データを受信し、処理を行った後、振動ミラー移動命令とレーザ制御命令とを生成するシステムオンチップ構造と、
   前記振動ミラー移動命令を受信して、前記振動ミラー移動命令に基づいて移動する振動ミラーと、を備え、
   前記レーザ制御命令が外部レーザに送信されることによって、レーザと振動ミラーの移動を同期させること、
   前記システムオンチップ構造は、
   外部コンピュータから送信された画像データを受信し、座標の校正、軌跡の設定を行って、振動ミラー移動命令とレーザ制御命令を生成するプロセッサモジュールと、
   制御サイクルごとに振動ミラー移動命令とレーザ制御命令を獲得するロジック処理ユニットと、
   ロジック処理ユニットから振動ミラー移動命令を受信し、振動ミラーの位置と電流フィードバック値によって振動ミラー駆動電圧を計算する振動ミラーサーボ制御モジュールと、
   ロジック処理ユニットからレーザ制御命令を受信し、レーザの制御の時系列と各振動ミラーフィードバックの状態によってレーザ制御信号を生成するレーザ制御モジュールと、
   前記ロジック処理ユニットと接続されているＩＯ制御モジュールと、
   を備えること、
   前記プロセッサモジュールとしては、チップ内プロセッサが用いられ、前記ロジック処理ユニットとしては、ＦＰＧＡが用いられること、
   を特徴とするレーザスキャン装置。
2. 前記システムオンチップ構造は、さらにプロセッサモジュールとロジック処理ユニットとの間に接続されているバッファユニットを備え、
   前記プロセッサモジュールは、所定形式で振動ミラー移動命令とレーザ制御命令をバッファユニットに書き込み、前記ロジック処理ユニットは、各制御サイクルが始まるときにバッファユニットから１つの制御サイクル内の振動ミラー移動命令とレーザ制御命令を読み取ることを特徴とする請求項１に記載のレーザスキャン装置。
3. 前記振動ミラーサーボ制御モジュールは、それぞれ第１アンプリファイア、第２アンプリファイア及び第３アンプリファイアを介して第１振動ミラー、第２振動ミラー及び第３振動ミラーと通信接続されている第１方向制御ユニット、第２方向制御ユニット及び第３方向制御ユニットを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザスキャン装置。
4. 前記第１方向制御ユニット、第２方向制御ユニット及び第３方向制御ユニットは、いずれもデジタルサーボ制御ユニットであり、
   前記第１方向制御ユニット、第２方向制御ユニット及び第３方向制御ユニットのそれぞれは、Ｄ／ＡコンバータとＡ／Ｄコンバータを介して第１振動ミラー、第２振動ミラー及び第３振動ミラーと通信接続されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザスキャン装置。
5. システムオンチップ構造と接続されシステムオンチップ構造から送信された画像データを記憶する、揮発性記憶ユニットと不揮発性記憶ユニットとを含むメモリをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザスキャン装置。
6. 前記揮発性記憶ユニットはＤＤＲメモリユニットであり、前記不揮発性記憶ユニットはフラッシュメモリユニットであることを特徴とする請求項５に記載のレーザスキャン装置。
7. コンピュータと、レーザと、請求項１〜６のいずれか１つに記載のレーザスキャン装置を備え、
   前記コンピュータとレーザは、それぞれレーザスキャン装置と接続し、
   前記コンピュータは、ベクトル画像ファイルによって所定形式の画像データを生成し、
   前記レーザは、レーザスキャン装置の制御によってレーザ光を射出することを特徴とするレーザスキャンシステム。
8. 前記コンピュータは、さらにレーザスキャン装置のフィードバックデータを受信し、前記フィードバックデータによってモニタリング状態の生成及びレーザスキャン装置に対するオンライン調整を行うことを特徴とする請求項７に記載のレーザスキャンシステム。

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