레이저+스캐너+스테이지 동기화를 이용한 on the fly 가공 제어 기법

이번시간에는 레이저 + 스캐너 + X,Y 스테이지를 이용한 on the fly 가공 방식에 대해 소개해 드리려 합니다. 

일반적으로 스캐너를 이용한 레이저 가공은 광학시스템이 지원가능한 최대 영역에 대해서만 가공이 가능하고 이보다 큰 영역은 가공 데이타를 쪼개서(stitching) 분할 가공하는것이 일반적입니다.

그러나 레이저 출사를 끊지 않고 모션을 이동시켜 가공을 하게 되면 좀더 큰 대면적을 짧은 시간내에 처리가 가능합니다. 모션 구동측에 있는 서보모터의 이동량 (엔코더 출력을 이용)을 Feedback 받아 스캐너 제어측에 실시간으로 전달하여 처리하는 방식으로 대면적 가공이 가능해 집니다

1. 델타타우의 Power PMAC 을 이용한 on the fly 
2. 에어로텍 (AeroTech) 의 NMark 모션제어기를 이용한 on the fly
3. ESI (Electro Scientific Industries)사의 레이저 on the fly 가공 장비들
4. 스캔랩(Scanlab) 사의 RTC 컨트롤러를 이용한 on the fly 
등이 널리 알려진 방식입니다.

작년에 Power PMAC 제품을 사용해 개발 테스트 해 보았는데, 확실히 기존 방식에 대비하여 40~50% 이상 고속 가공이 가능한것으로 보입니다. 아래 테스트 가공 좌표와 모션 구동 영상을 참고해 보시면 장점을 쉽게 파악하실 수 있습니다.

테스트 하였던 가공 좌표 데이타

구동 동영상

확실히 빨라진것이 보이시나요? 렌즈의 유효 영역이 50*50mm 이고 위와 같이 가공해야 하는 좌표가 500*200mm 이라고 한다면 on the fly 가공방식이 매우 효율적임을 아실것입니다.

델타타우사의 Power PMAC 컨트롤러는 스테이지 X,Y 모터와 스캐너 X,Y 모터를 서로 개별적인 컨트롤러를 사용하지 않고, 하나의 중앙 컨트롤러가 모두 제어하는 방식인데, 이때 스캐너라는 두개의 미러를 사용하여 발생하는 역학 연산에 대해서는 역기구학(inverse kinematics) 을 개발자에게 제공하고 있습니다.

이 수식을 모션 프로그램에 삽입하여 사용자는 단순히 2차원의 가공 위치를 입력하면, 실제 스캐너측의 두 모터의 이동량을 구하여 처리됩니다.
또한 저속의 X,Y 스테이지와 고속의 X,Y 스캐너에 운동량을 분배(load balance ?)할 수 있도록, 로우패스 필터(LPF)를 제공해 주는 방식입니다. 나머지 좌표데이타의 연산, 전달, 순서 등의 상위 어플리케이션의 몫이 되겠습니다.

* 독일 SCANLAB 사에서는 RTC6와 ACS 모션 컨트롤러를 조합하여 on the fly 솔류션을 개발중이고, 하반기 시장에 출시하려는 예정이라고 하네요.