专利名称：扫描装置的制作方法
技术领域：
本发明，涉及检测支撑检流反射镜的旋转轴的旋转角度、来控制旋转轴以便将检流反射镜定位在所希望的位置的扫描装置。
背景技术：
扫描装置，是通过用马达旋转支撑检流反射镜(以下，称为「反射镜」)的旋转轴、将反射镜的反射面定位在所希望的角度、例如来将从激光振荡器所输出的激光照射到被加工物的规定位置的装置，它被利用在印刷电路板制造中的激光打孔加工机(以下，称为「激光加工机」)中。
在激光加工机的场合，反射镜的定位的速度(响应性)和对于指令值的偏差，严重地影响加工生产率和加工位置精度。通常，激光加工机的加工生产率是每分钟30000个孔以上(每秒钟500个孔以上)，平均来说以1ms以下的速度来定位反射镜。另外，加工位置误差在整个激光加工机中是±15μm以下，这其中分摊给扫描装置的误差为数μm水平。
为了实现这样的激光的高速·高精度定位，扫描装置，配备有对反射镜的角度进行反馈控制的伺服控制装置。
在支撑反射镜的旋转轴上，安装有用来检测旋转轴的旋转角度的角度传感器，在反射镜的定位动作中，伺服控制装置动作以使对于指令值的追踪误差(偏差)为0。指令值因为在反射镜的停止位置为一定值，所以，为了使静态偏差为0，使用在低频区域具有积分特性的伺服补偿器，来构成所谓的一型伺服系统。作为这种伺服系统的实施方式，既有用模拟运算电路进行连续时间控制的模拟伺服器，也有用微处理器的程序进行离散时间控制的数字伺服器。根据需要，还有两者并用的。
在激光加工机中，根据要加工的孔的坐标数据，将激光的照射位置变换成反射镜的角度。上位控制装置，在进行这个坐标变换的同时，把指令值送给伺服控制装置。另外，上位控制装置，为了使激光脉冲的照射与反射镜的定位同步，要控制送出指令值的定时和使激光振荡器动作的定时。
过去，已经公布了这样的扫描装置的控制技术在扫描装置的动作频率进入扫描装置的共振频率带宽内的场合，通过调整整定时间，来抑制共振的发生(专利文献1)。
另外，还公布了这样的技术用模拟电路的补偿器和数字计算机的补偿器构成伺服控制装置，通过将模拟电路的补偿器做成在扫描器的扭曲固定振动数的陷波滤波器来扩大控制带宽的技术(专利文献2)。
特开2000-28955号公报[专利文献2]特开2002-196274号公报发明内容伺服控制装置，对于从上位控制装置陆续送来的一系列的指令值(以下，称为「角度指令模式」)，要用规定的定位时间移动并调整反射镜。即为了实现高速且高精度的激光加工，不仅单单使反射镜角度的静态偏差为0，而且要使调整动作的瞬态响应(以下，称为「调整响应」)尽量短，重要的是如果偏差达到了规定的容许范围内，要立刻发射激光脉冲。
然而，伺服控制系统，具有决定其动特性的多个固有模式，动态系统的固有模式，依据固有振动数和振动的衰减比，由时间常数赋予非振荡的模式以特征。
在扫描装置的伺服控制系统的场合，由作为控制对象的扫描装置的结构振动特性和伺服补偿器的动特性，来决定系统整体的固有模式。而固有振动数低的模式或时间常数长的模式，对伺服控制系统的频率响应传递函数的低频特性有影响。另外，固有振动数高的模式或时间常数短的模式，影响高频特性。特别是，在高频区域有由结构振动引起的多个模式，且存在共振点相互接近的场合。
再者，角度指令模式是不一样的，反射镜角度的行程和时间间隔是各种各样。于是，角度指令模式若不同，所激励的固有模式也不同，所以，调整响应会变动。因而，为了提高扫描装置的响应性，要构成为使其不受这些影响。
本发明的目的是，提供可以迅速进行反射镜的定位、且可以提高加工速度的扫描装置。
为了解决上述的课题，本发明的第一个装置是一个扫描装置，它具有伺服控制装置，检测支撑检流反射镜的旋转轴的旋转角度，通过对针对所检测出的检测值的指令值的偏差进行积分、来让上述检测值追踪上述指令值，其特征在于，将与上述偏差成比例的修正值相加到上述偏差的积分值。
另外，本发明的第二个装置是一个扫描装置，它具有伺服控制装置，检测支撑检流反射镜的旋转轴的旋转角度，通过对针对所检测出的检测值的指令值的偏差进行积分、来让上述检测值追踪上述指令值，其特征在于，根据检流反射镜的移动角度、事先决定多个构成上述伺服控制装置的补偿装置的增益，在使上述旋转轴旋转之前，根据由上述指令值决定的上述移动角度、来变更上述各补偿装置的增益。
可以迅速进行反射镜的定位、并可以提高加工速度。另外，对于角度指令的变化，也能抑制检流反射镜的调整响应的变动、并能做到恒常地迅速响应。
图1是具有本发明涉及的扫描装置的激光加工机的框线图。
图2表示本发明涉及的扫描装置的频率响应特性。
图3表示本发明涉及的扫描装置的特性。
图4表示传统的扫描装置的特性。
具体实施例方式
下面，根据图示的实施方式来说明本发明。
图1是具有本发明涉及的扫描装置的激光加工机的框图。
激光加工机的控制装置5，根据所输入的加工程序将加工位置的坐标数据输出到上位控制装置4。上位控制装置4，将所输入的坐标数据变换为用来控制反射镜12的角度指令后发送给伺服控制装置2。这时，上位控制装置4，控制角度指令发送的定时，以使与激光光振荡器6的脉冲输出取得同步。
该实施方式中的扫描装置S，由目标轨道发生器22、伺服控制装置2、和扫描器1构成。
目标轨道发生器22，将从上位控制装置4输出的阶梯状的角度指令做成平滑插补的目标轨道信号(以下，称为「指令值」)后输出到伺服控制装置2。
扫描器1，由马达11、和被固定在了马达11的旋转轴13上的反射镜12构成。在马达11中，内置有用来检测旋转轴13的旋转角度的角度传感器14。用角度传感器14所检测出的检测数据被输入到角度检测电路21，作为检测值由角度检测电路21输出。马达11由伺服控制装置2来控制。
下面，来说明伺服控制装置2的构成。
由角度检测电路21输出的检测值，被输入到减法器23、和为保持反馈回路的稳定性所设置的比例补偿检测值的检测值比例补偿器27以及微分补偿检测值的检测值微分补偿器28。
减法器23，运算作为由目标轨道发生器22所输出的指令值与检测值间之差的追踪误差，将其结果，输出到为使追踪误差为0而动作的积分补偿器24和追踪误差比例补偿器25。
加法器26，对积分补偿器24和追踪误差比例补偿器25的输出进行加法运算，将其结果，输出到减法器30。
加法器29，对检测值比例补偿器27和检测值微分补偿器28的输出以及定值发生装置33的输出进行加法运算后、输出到减法器30。再者，关于定值发生装置33的动作，后面将叙述。
减法器30，为使检测值比例补偿器27和检测值微分补偿器28的输出作为负反馈作用，从加法器26的输出减去加法器29的输出。由此，用反馈回路的一圈传递函数，就可以充分确保增益交叉频率附近的相位裕量而做到稳定。
减法器30的输出，通过高频区域稳定补偿器31被输出给马达驱动电流控制电路32，将与输出相应的马达驱动电流供给马达11。
下面，就伺服控制装置2的各构成要素的功能，进行说明。
积分补偿器24对追踪误差进行积分，所以，即使在假定有阶梯形的力矩外扰作用于旋转轴13的场合，也能作用到使追踪误差的静态值(静态偏差)为0。但是，积分需要时间，所以，在反射镜12的移动刚开始后的加速动作中，送往马达的控制输入的上升变慢，而难以提升作为伺服控制的过渡特性的响应性。
因此，在本发明中，用追踪误差比例补偿器25来使控制输入的上升变得陡峭。即，对于指令值，由于反射镜12的角度响应迟缓，所以，移动刚开始会发生比较大的追踪误差。追踪误差比例补偿器25，输出与在各个时刻的追踪误差成比例的信号，所以，可以将加速时的控制输入的上升变得陡峭，故此，可以加速响应。
高频区域稳定补偿器31，是将由旋转轴旋转的扭曲振动模式引起的多个共振频率的每一个、作为中心频率的控制用陷波滤波器，和遮断相邻的共振频率的中间的频率的遮断用陷波滤波器串连起来的。
在此，控制用陷波滤波器，为了降低共振峰值的影响，以共振频率作为中心频率，被设定成使传递函数分子的衰减比等于共振峰值的衰减比。再者，共振峰值的频率和衰减比，可以用FFT分析仪来测量。
另外，遮断用陷波滤波器，是在两个共振峰值相互接近的场合为严格确保控制系统稳定性而设置的。即，在两个共振峰值相互接近的场合，在它们中间的频率，下部相互重叠而增益变高。如果用奈奎斯特稳定判别法来检查该频率区间，接近复数平面的坐标值(-1，0)的所谓的稳定判别点，增益裕量不足。这个倾向，越展宽控制带宽，就愈加显著。因而，只用串接的控制用陷波滤波器，不能严格确保控制系统的稳定性。
所以，还要与降低共振峰值的控制用陷波滤波器串连地连接进一步遮断其中间的频率的遮断用陷波滤波器。遮断用陷波滤波器，是用来增大增益裕量的，与补偿共振峰值的滤波器相比，有宽阔平缓的遮断特性。作为遮断用陷波滤波器的中心频率，来设定奈奎斯特轨迹的相位交叉频率，并设定遮断特性的参数(传递函数分母和分子的衰减比)，以使增益裕量为7dB以上、希望达到10dB以上。
即，例如，如图2(a)所示，在从马达驱动电流控制电路32的输入到角度传感器14的输出的数kHz以上的高频区域中的传递特性(增益特性)，假定是具有由旋转轴旋转的扭曲振动模式引起的多个共振点的曲线。在适用于激光加工机的扫描装置的场合，在具有这样的增益特性的控制对象(扫描器1)中，最高的共振峰值(频率A)、和第2高的共振峰值(频率B)两者影响控制系统的稳定性。
所以，这种场合，对于频率A和频率B要分别设置控制用陷波滤波器。另外，由于频率A和频率B靠近，所以，还要连接在频率A和频率B之间遮断中间的频率的遮断用陷波滤波器。
而后，在设置了这样的高频区域稳定补偿器31的场合，在从高频区域稳定补偿器31的输入到角度传感器14的输出的传递特性(增益特性)，为同图(b)中用实线所示的曲线。再者，同图(b)中的虚线表示出了在同图(a)中用实线表示的曲线。如同图(b)所表明的，在设置了这样的高频区域稳定补偿器31时的传递特性，两个共振峰值增益下降，且在两者中间的频率增益也下降，扩大了伺服控制的频率带宽。
因而，依靠这样构成的高频区域稳定补偿器31，就可以增大高频区域的稳定性，扩大伺服控制的频率带宽。
下面，来说明设置追踪误差比例补偿器25、和高频区域稳定补偿器31所产生的效果。
图3，表示本发明涉及的扫描装置的特性，(a)表示反射镜角度的响应波形，(b)表示马达驱动电流波形。另外，图4，表示没有设置追踪误差比例补偿器25和高频区域稳定补偿器31的传统的扫描装置的特性，(a)表示反射镜角度的响应波形，(b)表示马达驱动电流波形。另外，图3、4是对于同样行程的角度指令的响应。
如图4(b)所示，在没有设置追踪误差比例补偿器25的场合，马达驱动电流是渐渐上升的。与此相对，在设置了追踪误差比例补偿器25的场合，如图3(b)所示，马达驱动电流陡然上升。结果，如图3(a)、图4(a)所示，通过设置追踪误差比例补偿器25可以将反射镜迅速地定位到指令值。因而，可以缩短加工时间。
另外，如果用反射镜角度的响应波形来进行比较，在图3(a)中，由于高频区域稳定补偿器31的效果，用比不采用该补偿器的图4(a)的波形更短的定位时间，稳定地调整到了同样的偏差的容许范围。
在此，对追踪误差比例补偿器25的作用，也可以做如下说明。伺服控制装置2的反馈回路的一圈传递函数，可以在供给扫描器1驱动电流的部分将回路切断(开环)来进行定义这种场合，如果追踪误差比例补偿器25和比例补偿器27的比例系数的总和相等，则一圈传递函数的特性相同，反馈回路的稳定性相等，但是对于作为闭环的目标轨道的瞬态响应特性，却依赖于追踪误差比例补偿器25和比例补偿器27的比例系数的分配。即，具有这样的特征追踪误差比例补偿器25，在不改变反馈回路的稳定性的情况下，可以调整目标值响应特性。
如以上说明过的，通过在伺服控制装置2中设置追踪误差比例补偿器25和高频区域稳定补偿器31，可以迅速进行反射镜的定位，可以提高加工速度。
然而，一旦角度指令变化，由于其指令的频谱不同，所以，反馈回路所具有的固有模式的激励情况改变。
所以，在本发明中，为了将反射镜定位做得更快，按下述方式进行控制。
即，在本发明中，为了具有所希望的定位响应特性和作为反馈回路的稳定性，预先在省略图示的存储装置中，对于积分补偿器24、追踪误差比例补偿器25、检测值比例补偿器27和检测值微分补偿器28等分别准备好对应于角度行程的最佳的增益。而后，根据角度行程，变更各增益的值，由此，切换固有模式的特性，压低调整响应的变动。
再者，在变更增益的场合，要抑制由增益的变更发生的瞬态响应。所以，要在增益值确定的时刻、即阶梯形角度指令从上位控制装置传到了伺服控制装置的时刻(反射镜移动刚开始前、即静止状态的最后)，变更增益。
这种场合，检测值比例补偿器27是将角度检测信号乘了系数的、可以说是被控制弹簧的恢复力，所以，一旦变更增益的大小，恢复力为不连续地变化，由此，由阶跃响应而使反射镜12振荡。为了抵消它，与第1次(伺服控制装置被起动时)增益变更的同时，从检测值比例补偿器27的输出减去用增益的变化量将检测值乘以系数的定值即可另外，在第2次以后的增益变更中，将定值累加后从检测值比例补偿器27的输出减去。定值发生装置33，每当增益变更就计算·累加定值，反相后输出。而后，在加法器29中将这个输出相加到检测值比例补偿器27的输出。由此，即使反复变更增益，也不会由阶跃响应而造成反射镜12振荡。
另外，由于检测值微分补偿器28的输出，在静止状态基本上是0，所以，即使变更其增益反射镜12也不响应。另外，追踪误差积分补偿器24输入是追踪误差，由于静止中的追踪误差是0，所以，如果在输入侧配备有可变增益，即使变更增益反射镜12也不响应。另外，由于追踪误差比例补偿器25静止中的输入是0，所以，即使变更增益反射镜12也不响应。
再者，在目标轨道发生器22被设置在上位控制装置4的场合，在扫描装置中就没有必要设置目标轨道发生器22。
另外，在用1个CPU构成图1中用虚线框起来的部分的场合，可以做成将对应于积分补偿器24、追踪误差比例补偿器25、检测值比例补偿器27和检测值微分补偿器28的角度行程的最佳的增益，存储到这个CPU的存储部。
权利要求
1.一种扫描装置，它配备有伺服控制装置，检测支撑检流反射镜的旋转轴的旋转角度，通过对针对被检测出的检测值的指令值的偏差进行积分、让上述检测值追踪上述指令值，其特征在于，将与上述偏差成比例的修正值相加到上述偏差的积分值。
2.权利要求1中记载的扫描装置，其特征在于，在存在上述旋转轴的扭曲共振峰值的频率区域、设置补偿反馈回路的稳定性的稳定补偿装置。
3.权利要求2中记载的扫描装置，其特征在于，上述稳定补偿装置，是将要实现稳定的对应于多个上述扭曲共振峰值的串连的陷波滤波器、和在相邻的上述扭曲共振峰值的中间的频率区间具有遮断特性的陷波滤波器，串连地连接起来。
4.一种扫描装置，它配备有伺服控制装置，检测支撑检流反射镜的旋转轴的旋转角度，通过对针对被检测出的检测值的指令值的偏差进行积分、让上述检测值追踪上述指令值，其特征在于，根据检流反射镜的移动角度事先决定多个构成上述伺服控制装置的补偿装置的增益，在使上述旋转轴旋转之前，根据由上述指令值决定的上述移动角度来变更上述各补偿装置的增益。
5.权利要求4中记载的扫描装置，其特征在于，设置计算与上述检测值成比例的修正值的检测值比例补偿装置，在从上述积分值减去由该检测值比例补偿装置所得到的修正值的场合，在变更上述增益时，从上述检测值比例补偿装置的输出减去用上述增益的变化量将上述检测值乘以系数的值。
全文摘要
要提供可以迅速进行反射镜的定位、可以提高加工速度的扫描装置。在配备有伺服控制装置2、检测支撑检流反射镜12的旋转轴13的旋转角度、通过对针对被检测出的检测值的指令值的偏差由积分补偿器24进行积分后让检测值追踪指令值的扫描装置中，与积分补偿器24并列地配置追踪误差比例补偿器25，将与偏差成比例的修正值相加到偏差的积分值上。另外，准备有多个伺服控制装置2的积分补偿器24、追踪误差比例补偿器25、检测值比例补偿器27和检测值微分补偿器28的增益，根据对于反射镜12的角度指令的移动行程来变更各个增益。
文档编号B23K26/08GK1627121SQ20041005699
公开日2005年6月15日 申请日期2004年8月24日 优先权日2003年12月12日
发明者远山聪一, 大槻治明, 坂本淳, 关健太, 大久保弥市 申请人:日立比亚机械股份有限公司