KR101387683B1 - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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지오반니 산페리치
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트룸프 베르크초이그마쉬넨 게엠베하 + 코. 카게
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Abstract

공작물(7) 가공용 레이저 가공 장치는, 가스 분위기를 수용하는 비임 가이드(6)를 포함하고, 불순물에 대해 비임 가이드(6) 내의 가스 분위기를 검사하기 위한 장치("검사 장치")를 포함한다. 상기 검사 장치는 광음향 효과를 이용한다. 상기 검사 장치는 측정 챔버 및 측정 헤드(11)를 구비하며, 비임 가이드(6)는 측정 챔버로서 작용한다. 측정 챔버로서의 용량 내에서, 비임 가이드(6)는 검사 대상인 가스 분위기를 수용하며, 또한 레이저 비임의 출력과 관련하여 변조되는 레이저 비임을 수용한다. 측정 헤드(들)(11)는 비임 가이드(6)에 통합되며, 측정 챔버 또는 더 정확히 말하면 비임 가이드(6)에서의 광음향 효과를 검출하기 위해 사용된다.

Description

레이저 가공 장치{LASER MACHINING CENTER HAVING A PHOTO-ACOUSTIC MEASURING HEAD IN THE BEAM GUIDE CONTAINING A GAS ATMOSPHERE}
본 발명은, 공작물 가공을 위해 사용되는 레이저 비임을 위한 가스 분위기를 수용하고 광음향 효과(photoacoustic effect)를 이용하여 불순물에 대해 비임 가이드 내의 가스 분위기를 검사하기 위한 장치("검사 장치")를 구비한 비임 가이드를 구비하는, 공작물 가공용 레이저 가공 장치로서, 상기 검사 장치는 레이저 비임의 출력과 관련하여 변조되는 레이저 비임 및 비임 가이드의 가스 분위기를 수용하는 측정 챔버를 포함하고, 상기 검사 장치는 또한 측정 챔버에서의 광음향 효과를 검출할 수 있는 적어도 하나의 측정 헤드를 구비하는 것인 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
CO2 레이저를 구비하는 레이저 가공 장치에 있어서, 재료를 가공하기 위한 레이저 복사는 분자 진동에 의해 발생된다. 발생된 레이저 복사는 보통 가스 분위기를 통해 안내되는데, 상기 가스 분위기는, 적절한 조치에 의해, 발생된 레이저 복사를 흡수(absorption)할 수 있는 물질이 없는 상태로 유지된다.
CO2 레이저 복사는 많건 적건 다수의 분자에 의해 흡수된다. 흡수를 위한 전제 조건은 분자 결합들 중 하나의 결합이 적절한 결합 에너지를 갖는 것이다. 비임 가이드로부터 멀리 떨어져 유지되어야만 하는 이러한 가스 물질의 예로는 SF6, C2H4, 할로겐화된 탄화수소, 암모니아, 알코올, 아세톤 및 CO2가 있다.
피상적인 수준에서, 이들 가스의 해로운 영향은 흡수 자체에 있으며, 가공을 위해 요구되는 레이저 복사 파워의 관련된 약화에 있다. 실제 훼손 효과는 흡수로 인해 초래되는 레이저 복사에 대한 광학적 효과이며, 이는 비임의 확장(beam widening) 및 동위상면(phase front)의 왜곡으로 이루어진다. 온도의 상승 및 굴절율의 뒤이은 변화는 레이저 복사에 악영향을 준다.
연구를 통해, 3kW의 레이저 파워에서 시트 강의 절단에 결정적인 장애를 초래하는 데는 100 ppb(0.1 ppm) 미만의 SF6인 불순물이면 충분하다는 것이 밝혀졌다. 파장이 10 ㎛인 SF6는 가장 큰 흡수를 나타내는 것으로 알려져 있다.
광음향 효과를 이용하면, 레이저 가공 장치의 비임 가이드에서 불순물을 검출할 수 있다. 광음향 효과의 측정은, 엘. 비. 크로이처(L. B. Kreutzer)("Laser opto-acoustic spectroscopy - A new technique of gas analysis", Anal. Chem. 46 239A, 1974)를 통해 알려지게 되었다. 측정 방법은, 특정 분자를 이용한 변조된 전자기 파동의 상호작용이 마이크로폰을 이용하여 매우 간단하게 측정될 수 있는 음향을 발생시킨다는 사실에 기초한다.
청구항 1의 전제부에 따른 유형의 레이저 가공 장치가 EP 1 386 690 A1 및 DE 102 00 349 A1에 개시되어 있다. 이들 문헌에서는, 레이저 가공을 위해 제공되는 레이저 복사의 일부가 디커플링되고 별도의 측정 셀 내로 진행되어야 한다고 제안하였으며, 이때 광음향 효과를 이용하여 불순물에 대해 분석 대상 가스를 검사할 수 있다.
상이한 일반 유형의 종래 기술은 DE 10 2005 033 408 A1 및 US 2001/0026354 A1으로부터 공지되어 있다. 이들 명세서는, 노출 시스템을 이용하여 노출에 의해 구조가 기판에 적용되는 것인 노출 시스템에 관한 것이다. 이러한 목적으로 광원, 바람직하게는 레이저가 마련되며, 이 광원으로부터 기판을 향해 광이 방사된다. 광원과 기판 사이에서, 적용될 구조가 마련되는 마스크는 광원측에 배치되고, 광학 투사 시스템은 기판측에 배치된다. 광학 투사 시스템은 하우징 및 하우징의 내부에 배치되는 복수 개의 광학 렌즈를 포함한다. 광학 투사 시스템의 하우징은 가스로 플러싱(flushing)되어, 플러싱되지 않은 경우 광학 투사 시스템의 기능을 손상시키는 불순물을 제거한다. 플러싱 가스 스트림의 조성을 검사하기 위한 장치는 광학 투사 시스템의 하우징의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다. 광음향 효과는 기존의 공지된 검사 장치에서는 사용되지 않는다.
WO 2007/004168 A1은 공기 샘플에서 불순물을 검출하기 위해 사용될 수 있는 광음향 분광계를 설명하고 있다.
하우징의 누출 기밀을 시험하기 위한 방법 및 장치는 DE 195 35 720 A1에 의해 공지되어 있는데, 이때 빠져나가는 가스는 하우징에 누출부가 있다면 광음향 효과가 측정될 수 있도록 하는 방식으로, 매칭되는 광원의 광 비임에 의해 조사된다. 측정을 개선하기 위해, 피드백 루프가 제안되어 있다.
비임 가이드 내의 가스 분위기를 조절하기 위해, 분자 시브(molecular sieve)를 사용하는 것(예컨대, EP 0 749 800 A1 참고) 또는 비임 가이드를 위한 플러싱 가스로서 질소를 채용하는 것(예컨대, WO 95/33594 A1 참고)이 공지되어 있다.
종래 기술은 또한 외부로부터의 가스의 침입을 방지하는 실드(shield)를 포함한다.
본 발명의 기본 목적은 레이저 가공 장치와 함께 상호작용하는 비임 가이드의 모든 작동 가스 및 가스 분위기의 모니터링을 단순화하는 것이다.
상기 목적은 도입부에 언급된 유형의 레이저 가공 장치에 의해 달성되고, 이때 비임 가이드는 측정 챔버로서 마련되며 레이저 비임의 출력과 관련하여 변조되는 레이저 비임을 수용하고, 측정 헤드는 상기 비임 가이드에 통합된다. 본 발명은 광음향학에 기초한 비임 가이드 시스템을 위한 인-시츄(in situ) 가스 센서 시스템을 교시하고 있다. 본 발명에 따른 해법은 비임 가이드 내의 가스 분위기의 관련 불순물을 가장 직접적으로 검출할 수 있도록 한다. 공지된 해법과는 달리, 상기 비임 가이드는 자체로 측정 챔버가 된다. 레이저 발생기는 공작물 가공을 위한 레이저 비임뿐만 아니라, 수행될 광음향 측정을 위한 측정용 비임을 발생시킨다. 결과적으로, 측정용 비임을 발생시키기 위한 별도의 비임 소스를 필요로 하지 않는다. 생산 시간 동안, 즉 공작물 가공 중에 광음향 측정을 행할 수 있지만, 또한 비생산 구간 동안 광음향 측정을 행할 수도 있다. 생산 시간 동안의 측정은, 측정을 수행하기 위해 요구되는 유형의 파워 변조식 레이저 비임에 의해 공작물 가공이 이루어질 때 고려된다. 이러한 유형의 파워 변조식 레이저 비임을 사용하여, 예컨대 시트 금속을 절단 가공할 때, 가공 대상 시트를 관통시킨다. 광음향 효과의 측정을 수행하기 위한 비생산 구간은, 예컨대 레이저 가공 장치의 구동부가 윤활되는 구간 및/또는 공작물 가공 중에 레이저 가공 헤드와 가공 대상 공작물 사이의 소정 거리를 유지하는 역할을 하는 간격 제어를 위해 조절을 행하는 구간에 의해 마련된다. 비생산 구간 동안 측정이 이루어질 때, 작업 영역으로 빠져나오는 레이저 비임이 통과하는 레이저 가공 헤드는, 특히 수치 제어 하에서, 측정용 비임의 흡수를 위한 장치와 협동하는 소정 위치까지 이동될 수 있다. 비임 흡수기로서, 그 중에서도 보통 안전 장치로서 이미 사용되고 있는 유형의 장치를 사용할 수 있으며, 이러한 장치는 레이저 비임을 가로채서 이 레이저 비임을 비임 흡수기에 의해 소산되는 열로 변환하는 역할을 한다. 이러한 비임 흡수기는, 예컨대 레이저 공명기의 출력 미러에서 현재 사용되고 있다.
기술적으로 간단한 방식으로 실시될 때, 적어도 하나의 측정 헤드는, 레이저 가공 장치의 레이저 발생기에 연결된 제어 및 평가 유닛과 함께, 비임 가이드 내의 가스 분위기를 검사하기 위한 검사 수단을 형성한다.
상기 제어 및 평가 유닛이 레이저 파워를 변조하기 위한 변조 수단을 구비하면, 다양한 유형의 불순물을 모니터링할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어 및 평가 유닛은 레이저 가공 장치의 장치 제어기와 통신한다. 높은 레벨의 불순물이 검출되면, 장치 제어기는 이에 따라, 예컨대 레이저 가공 장치를 중단시킴으로써 반응할 수 있다. 또한, 특정 한계를 초과하여 플러싱 작동을 유발하는, 비임 가이드 내의 가스 분위기의 오염 수준을 결정하는 것을 고려할 수 있으며, 이 과정에서 비임 가이드 챔버가 원하는 조성의 가스로 플러싱된다. 이러한 상황에서, 비임 가이드의 통상적인 영구적 플러싱과 비교되는 축소된 스케일에서의 영구적 플러싱은 레이저 가공 장치의 비임 가이드 챔버에서 원하는 조성의 가스 분위기를 제공하기에 충분하다. 또한, 비임 가이드의 영구적 플러싱을 완전히 배제하는 것을 고려할 수 있다.
음향 검출을 위해, 적어도 하나의 측정 헤드는 비임 가이드 내에 조립될 수 있으며, 즉 비임 가이드의 내부에 마련되거나 비임 가이드의 윈도우에 배치될 수 있다. 두 가지 대안 모두 측정 챔버로서 사용되는 비임 가이드에서 광음향 효과를 직접적으로 측정할 수 있다. 비임 가이드에 통기 및 압력 릴리프 밸브가 마련되는 경우, 측정 헤드가 전술한 밸브의 바로 근처에 배치되는 것이 매우 유리하다는 것을 확인하였다. 측정 헤드가 이렇게 배치되는 경우, 측정된 광음향 효과는 비임 가이드의 가스 분위기에서 실제 조건을 특히 신뢰성 있게 반영한다.
측정 장치의 구조를 간단히 한다는 관점에서, 간단한 마이크로폰 형태인 적어도 하나의 측정 헤드가 사용된다. 본 발명에 따르면, 복수 개의 마이크로폰을 포함하는 마이크로폰 어레이가 바람직하다.
본 발명에 따르면, 레이저 가공 장치와 함께 상호작용하는 비임 가이드의 모든 작동 가스 및 가스 분위기의 모니터링을 단순화할 수 있다.
예시적인 개략도를 참고하여 이하에서 본 발명을 상세하게 설명할 것이다.
도 1은 레이저 가공 장치의 3차원 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 레이저 가공 장치의 비임 가이드의 제1 구조를 상세하게 도시하는 확대도이다.
도 3은 도 1에 도시된 레이저 가공 장치의 비임 가이드의 제2 구조를 상세하게 도시하는 확대도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 가공 장치(1)는 레이저 발생기(2)(CO2 레이저) 및 레이저 발생기에 대해 양방향 화살표(3)의 방향으로 이동 가능한 레이저 가공 헤드(4)를 포함한다. 레이저 발생기(2)에 의해 발생되는 레이저 비임(5)은 레이저 발생기(2)로부터, 가스로 플러싱되며 비임 가이드로서 역할을 하는 비임 가이드 챔버(6)를 통해 가공 헤드(4)까지 진행하며, 가공 헤드에서 레이저 가공 장치(1)의 공작물 지지부(8)에 놓인 금속 시트 형태인 가공 대상 공작물(7)을 향하게 된다.
관통 및 레이저 절단 양자 모두는 가스를 추가하는 것에 의해 도움을 받는다. 이때 절단용 가스(9)로서 산소, 질소, 압축 공기 및/또는 소정 용도에 특화된 가스가 사용될 수 있다. 최종적으로 사용되는 가스는 절단되는 재료에 따라 좌우되며, 공작물의 요구되는 품질에 따라 좌우된다. 절단용 가스는 가공 위치 부근에 있는 처리용 헤드 내에서 이송된다.
비임 가이드 챔버(6)는 순수한 가스, 예컨대 질소로 실질적으로 충전되어 있다. 비임 가이드 챔버(6)는 벨로우즈 또는 일부 다른 종류의 밀봉 클로저(또한 튜브, 텔레스코픽 튜브 등)에 의해 경계가 결정된다.
레이저 비임(5)은 레이저 가공 헤드(4) 내에서 전환되고 집속되며, 이에 따라 집속된 레이저 비임이 공작물을 향하게 된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 비임(5)은 비임 가이드 챔버(6)에서 특정 분자(10)와 상호작용할 수 있다. 이로 인해 파워 흡수가 초래될 수 있으며, 보통 비임 확장이 초래될 수 있다. 이때 집속 조건의 변경은 레이저 절단의 경우 가공 결과에 직접적인 영향을 준다.
이러한 이유로, 비임 가이드 시스템은 캡슐화(encapsulation)되며, 정화된 압축 공기 또는 불활성 가스(질소, CO2가 없는 압축 공기)로 플러싱된다. 이로 인해 작업 비용의 무시할 수 없는 증가가 초래된다. 그러나, 오염된 플러싱 가스가 의도치 않게 이송되거나 누출부를 통해 방해가 되는 가스가 유입되면, 이는 보통 인지되지 않으며 오류 확인에는 비용이 많이 소요된다.
따라서, 불순물과 관련하여 비임 가이드 챔버(6) 내의 가스 분위기를 검사하기 위한 장치가 마련된다. 이 장치는 광음향 효과를 이용하며 측정 챔버로서 비임 가이드 챔버(6)를 포함한다. 비임 가이드 챔버(6) 내의 가스 분위기를 검사하기 위한 장치는 또한 비임 가이드 챔버(6) 내의 가스 분위기의 오염도를 직접 검출하는 센서 시스템을 포함한다. 상기 센서 시스템은, 예컨대 마이크로폰과 같은 음향용 측정 헤드(11)와, 레이저 발생기(2) 및 장치 제어기(13) 양자 모두와 통신하는 제어 및 평가 유닛(12)에 의해 실질적으로 형성된다.
장치 제어기(13)의 임의의 유형의 안전, 제어 및 작동 조치는, 제어 및 평가 유닛(12)의 신호에 대한 반응으로서 고안할 수 있다. 예를 들면, 장치 제어기(13)는 레이저 가공 장치(1)의 조작자를 위한 경보를 발생시킬 수 있다. 비임 가이드 챔버(6)의 오염도에 따라, 레이저 가공 장치(1)의 자동 중단도 또한 가능하다. 대안으로, 예를 들면 플러싱 가스의 양을 증가시키는 등의 보정 조치가 개시될 수 있다. 제어 및 평가 유닛(12)의 신호는 비임 가이드 챔버(6) 내의 가스 분위기를 모니터링하기 위한 제어 루프를 위해 또한 사용될 수 있다.
측정 장치의 센서 시스템은 비임 가이드 챔버(6) 내의 임의의 원하는 위치에 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 측정 헤드(11)는 비임 가이드 챔버(6)의 내부에 배치된다. 도 3은 비임 가이드 챔버(6)의 윈도우 내에 있는 측정 헤드(11)를 도시한 것이다.
공작물 가공 중에, 그리고 이 경우에 레이저 가공 장치(1)의 도시되지 않은 레이저 가공 헤드를 통과한 후 최종적으로 공작물 가공을 위해 사용되는 것과 동일한 레이저 비임에 대해 측정이 이루어질 수 있다. 대안으로, 비생산 기간 중에 측정을 수행할 가능성이 있다. 후자의 경우 특히, 레이저 발생기는 발생되는 광음향 효과의 측정에 매우 유리한 작동 모드에 놓이게 될 수 있다. 6 내지 8 kHz의 펄스 주파수에서 1 : 1의 마크 대 스페이스 비(mark-to-space ratio)를 갖는 파워 변조는 유리하다는 것이 확인되었다. 최대 파워(펄스 진폭)가 클수록, 생성되는 측정 신호가 강력해진다.
레이저 파워를 변조하기 위해, 제어 및 평가 유닛(12)이 사용된다. 변조 시의 파워 변화가 충분히 크다면(예컨대 1 kW를 초과한다면), 비임 가이드 챔버(6)에서의 가스 분위기의 오염의 여기(excitation)는 강력하여, 비임 가이드 챔버(6)에서 음향을 직접 측정할 수 있다. 별도의 측정 챔버는 요구되지 않는다. 비임 가이드 챔버(6)에서의 가스 분위기의 오염은 레이저 비임(5)을 따른 선형 음원을 유발한다.
하나 이상의 마이크로폰 또는 측정 헤드(11)는 선형 음원의 음향 출력을 측정한다. 측정 헤드(11)의 출력 신호는 바람직하게는 (예컨대, 디지털화하고 푸리에 변환을 수행함으로써) 주파수 영역에서 고려된다. 측정 효과와 주위 소음을 구분하기 위해, 레이저 변조 주파수에서의 신호를 고려한다. 해당 주파수에서의 진폭은 오염도에 대응한다.
1 : 레이저 가공 장치 2 : 레이저 발생기
3 : 양방향 화살표 4 : 레이저 가공 헤드
5 : 레이저 비임 6 : 비임 가이드 챔버
7 : 공작물 8 : 공작물 지지부
9 : 절단용 가스 10 : 분자
11 : 측정 헤드 12 : 제어 및 평가 유닛
13 : 장치 제어기

Claims (7)

  1. 공작물 가공을 위해 사용되는 레이저 비임(5)을 위한 가스 분위기를 수용하는 비임 가이드(6)를 구비하고, 공작물 가공을 위해 사용되는 레이저 비임(5)을 발생시키기 위해 마련되는 레이저 발생기(2)를 더 구비하며, 광음향 효과(photoacoustic effect)를 이용하여 불순물에 대해 비임 가이드(6) 내의 가스 분위기를 검사하기 위한 장치("검사 장치")를 더 구비하는, 공작물(7) 가공용 레이저 가공 장치로서,
    상기 검사 장치는, 출력과 관련하여 변조되는 레이저 비임 및 비임 가이드(6)의 가스 분위기를 수용하는 측정 챔버를 포함하고, 출력 변조된 레이저 비임은 불순물에 대해 비임 가이드(6) 내의 가스 분위기를 검사하기 위해 사용되며, 상기 검사 장치는 또한 측정 챔버에서의 광음향 효과를 검출할 수 있는 하나 이상의 측정 헤드(11)를 구비하는 것인 레이저 가공 장치에 있어서,
    상기 비임 가이드(6)는 측정 챔버로서 마련되며 불순물에 대해 비임 가이드(6) 내의 가스 분위기를 검사하기 위해 사용되는 상기 출력 변조된 레이저 비임을 수용하고, 상기 측정 헤드(11)는 비임 가이드(6)에 통합되며, 상기 측정 헤드(11)는, 공작물 가공을 위해 사용되는 레이저 비임(5)을 발생시키기 위해 마련되는 레이저 발생기(2)에 연결된 제어 및 평가 유닛(12)과 함께, 비임 가이드(6) 내의 가스 분위기를 검사하기 위한 검사 수단을 형성하고, 상기 제어 및 평가 유닛(12)은, 공작물 가공을 위해 사용되는 레이저 비임(5)을 발생시키기 위해 마련되는 레이저 발생기(2)의 출력을 변조하도록 구성되어, 상기 레이저 발생기(2)는 불순물에 대해 비임 가이드(6) 내의 가스 분위기를 검사하기 위해 사용되는 상기 출력 변조된 레이저 비임을 발생시키게 되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 및 평가 유닛(12)은 레이저 가공 장치의 장치 제어기(13)와 통신하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 측정 헤드(11)는 비임 가이드(6) 내에 조립되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 측정 헤드(11)는 비임 가이드(6)의 윈도우 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측정 헤드(11)는 마이크로폰에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
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