KR100355064B1 - 레이저 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동제어용 배기장치를 설치하여 레이저 가공시 발생하는 유해성분을 함유하고 있는 이물질 혹은 분진 등을 제거하고 또한 주가스관과 연결된 보조가스관을 가공헤드의 일측에 설치하여 플라즈마를 제거하면서 피가공물를 가공할 수 있도록 구성한 레이저 가공장치를 제안한다.

Description

레이저 가공장치{LASER MANUFACTURE DEVICE}

본 발명은 레이저빔을 이용하여 피가공물을 절단하는 레이저 가공장치에 관한 것으로서, 특히 쿨링 에어를 강제 순환시켜 지그 테이블의 열변형을 방지하는 지그 테이블 열변형 방지장치, 레이저 가공시 발생하는 유해물질 혹은 분진을 집진영역을 선택적으로 하여 집진 능력을 배가시킨 선택적 집진/배기장치, 피어싱 타임의 축소로 생산성을 증대시키며, 가공도중에도 계속적으로 분사하여 가공속도를 증대시키기 위한 사이드 블로우 장치를 가지는 레이저 가공장치에 관한 것이다.

통상적으로, 레이저 가공은 직진성 또는 간섭성의 특성을 가지는 레이저를 이용하여 피가공물에 대하여 가공작업을 실시하는 것이다. 즉, 렌즈를 이용하여 레이저를 집광시키면 미소한 점이 되고 그 초점에는 매우 높은 밀도의 에너지가 얻어진다. 그리고 집광된 레이저를 피가공물의 소정 부위에 조사하면 레이저가 조사된 피가공물의 소정부위에 에너지가 흡수되어 국소적으로 온도가 상승하며, 이 열작용에 의해 가공부위가 녹거나 증발하면서 가공이 실시된다.

한편 이러한 레이저 가공은 피가공물에 대한 구멍뚫기(Piercing), 절단, 트리밍(Trimming) 등의 각종 작업을 수행할 수 있으며, 이러한 작업을 하는 레이저 가공기의 구성 및 작동원리는 이미 널리 공지된 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다. 부가적으로 이러한 레이저 가공기는 대한민국 공개특허공보 제 97-58838 호(레이저 가공방법 및 레이저 가공장치) 및 공개번호 제 96-29020 호(레이저 가공장치 및 가공방법)에 상세히 기술되어 있다.

그러나, 상기와 같은 선행기술은 집진 효율저하로 인해 유해성분을 함유하고 있는 분진 등의 이물질이 그대로 방치되어 작업실의 환경을 오염시킬 뿐만 아니라 레이저 가공기의 수명을 단축시키는 단점을 가지고 있다. 또한 레이저 가공시 에너지 밀도가 10⁹W/㎠ 이상으로 증가하게되면 증발되는 금속입자 및 방출되는 입자들이 인입되는 레이저 에너지를 흡수하여 플라즈마를 형성하게 되는데 이러한 플라즈마는 인입되는 레이저빔을 흡수하여 피가공물의 표면까지 레이저빔이 전달되지 못하여 레이저 가공속도의 저하 및 레이저 가공작업을 제대로 수행할 수 없는 문제점이 발생하였다.

따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 레이저 가공시 발생하는 유해성분의 이물질, 분진 등을 제거할 수 있는 배기장치가 설치된 레이저 가공기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 레이저 가공시 발생하는 플라즈마를 제거하면서 피공물을 가공할 수 있는 레이저 가공장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 레이저 가공 속도를 향상시킬 수 있는 레이저 가공장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 피가공물이 고정된 지그 테이블의 열변형을 방지할 수 있도록 구성한 레이저 가공장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 제1견지에 따른 본 발명은 피가공물이 고정된 지그 테이블과, 상기 피가공물에 레이저빔을 조사하는 가공헤드와, 상기 피가공물 절단을 위한 가스를 상기 가공헤드로 공급하는 주가스관과, 상기 가공헤드를 2방향으로 이동 제어하는 서보모터와, 상기 피가공물의 하단부에 설치되어 레이저 가공시 발생하는 유해성분의 이물질 혹은 분진 등을 제거하는 배기장치와, 상기 주가스관과 연결되어 상기 절단용 가스를 공급받아 레이저 가공시 상기 피가공물의 표면에 분사하는 보조가스관으로 구성된 레이저 가공장치를 제안한다.

보다 바람직하기로는, 상기 레이저 가공시 발생하는 이물질을 흡입하는 적어도 1개 이상의 후드들과, 상기 각각의 후드들과 덕트로 연결되어 상기 후드로부터유입되는 이물질을 한곳에 모으는 집진기와, 상기 집진기의 내부에 설치되어 상기 각 덕트를 선택적으로 개폐하는 플레이트와, 상기 집진기의 외부에 설치되어 상기 플레이트를 회전시키는 에어 실린더와, 상기 레이저 가공기의 상측바디에 설치되며 상기 가공헤드의 작동에 따라 스위칭되어 릴레이 구동신호를 발생하는 제1,2 리미트 스위치와, 상기 에어 실린더의 공압 경로에 설치되며 전원전압을 인가받아 스위칭되어 상기 에어 실린더로의 유로를 형성하는 솔레노이드 밸브와, 상기 릴레이 구동신호에 응답하여 전원부로부터 상기 솔레노이드 밸브로의 전압경로를 차단시키는 릴레이로 구성된 배기장치를 제안한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 고성능 하이브리드 타입의 레이저 가공장치의 구성을 도시한 개략도.

도 2는 도 1에서 도시하고 있는 영역 선택형 배기장치의 구성을 도시한 평면도.

도 3은 도 2에서 도시하고 있는 영역 선택형 배기장치의 상세 구성을 도시한 평면도.

도 4는 도 3에서 "A-A" 부분의 구성을 나타낸 단면도.

도 5는 도 2에서 도시하고 있는 배기장치의 작동 원리를 나타낸 회로도.

도 6은 레이저 가공시 발생하는 스파타 및 플라즈마를 제거하면서 레이저 가공을 할 수 있도록 주가스관에 보조가스관을 설치한 본 발명의 바람직한 레이저 가공기의 공압 회로도.

도 7은 도 6에서 도시하고 있는 보조가스관을 설치했을 때의 가공 속도를 나타낸 그래프.

도 8은 도 1에서 도시하고 있는 열변형 방지형 지그 테이블의 구성을 나타낸 평면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 지그 테이블 12,14: 후드

16: 집진기 24: 실린더

34: 플레이트 38: 제1 리미트 스위치

40: 제2 리미트 스위치 42: 릴레이

44: 솔레노이드 밸브 46a,46b: 유로

48,50: 에어 밴트 56: 주가스관

62: 보조가스관 70: 공압 회로부

72a,72b: 유입관 74a,74b: 배출관

100: 영역 선택형 배기장치 500: 레이저 가공기

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 용어들로서 이는 사용자 혹은 레이저 가공기 설계자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

우선 본 발명에서 제안하고자 하는 레이저 가공장치의 개념을 살펴보면, 자동제어용 배기장치를 설치하여 레이저 가공시 발생하는 유해성분의 이물질 혹은 분진 등을 제거하고 또한 주가스관과 연결된 보조가스관을 가공헤드의 일측에 설치하여 플라즈마를 제거하면서 피가공물을 가공할 수 있도록 구성한 레이저 가공장치를 제안하고자 하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따라 앞에서 제안한 레이저 가공장치의 구성은 도 1에서 나타내고 있는 바와 같다. 상기 도 1을 참조하면, 본 발명에서 구현하고자 하는 레이저 가공기(500)는 편의상 상측바디(500a)와 하측바디(500b)로 구분한다. 상기 상측바디(500a)에는 2개의 리미트 스위치(38,40) 및 가공헤드(58)가 설치된 유동 플레이트(52)가 설치되고 또한 상기 유동 플레이트(52)를 X축, Y축의 2방향으로 이동 제어하는 서보모터(54)가 설치된다. 그리고 상기 가공헤드(58)에는 절단용 가스, 바람직하게는 공기, 산소, 질소, 액화질소 등을 공급하는 주가스관(56)과 이 주가스관(56)을 통해 공급되는 가스를 피가공물(200)의 표면에 분사시키는 메인노즐(60)로 구성된다.

한편 상기 하측바디(500b)에는 통상의 지그 테이블(10)과 본 발명의 배기장치(100)가 설치되며, 이러한 배기장치(100)의 상세 구성 및 동작은 후술하는 도 2 내지 도 5의 설명에 의해 용이하게 이해될 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배기장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 도면으로서, 레이저 가공시 발생하는 유해성분의 이물질 및 분진 등을 흡입, 정화 기능을 통해 작업 환경을 청결한 상태로 유지하는 역할을 한다. 이러한 배기장치(100)는 절단용 가스의 흐름을 고려하여 피가공물(200)의 하단에 설치되어 있으며, 레이저 가공위치에 따라 자동적으로 집진 위치를 선택적으로 제어하도록 구성되어 있다. 즉, 전술한 배기장치(100)는 적어도 1개 이상의 후드, 구체적으로는 2개의 후드(12,14)로 구성되며, 이 후드(12,14)들은 덕트(12a,14a)에 의해 집진기 (16)와 연결되어진다. 이때 상기 집진기(16)는 각 후드(12,14)를 통해 유입되는 분진 및 유해성분을 함유하고 있는 이물질을 한곳에 모으는 역할을 하며, 이렇게 모아진 분진과 이물질은 집진기(16)의 후단부에 설치된 배출덕트(18)를 통해 외부로 배출되어진다. 또한 전술한 집진기(16)의 내부에는 상기 덕트(12a,14a)들을 선택적으로 개폐하는 플레이트(34)가 설치되고, 이러한 플레이트(34)의 조립상태는 도 3,4의 설명에 의해 용이하게 이해될 것이다.

도 3과 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배기장치(100), 바람직하게는 집진기(16)의 상세 구성을 도시한 도면이다. 상기 집진기(16)의 외면에는 링크(22)가 조립된 브라켓(20)이 설치되고, 이 링크(22)에는 피스톤 로드(26)를 가지는 에어 실린더(24)가 핀(22a)으로 조립된다. 상기 피스톤 로드(26)의 끝부분에는 조립체 (28)가 핀(28a)에 의해 조립되고, 상기 조립체(28)에는 고정쇠(30)가 조립되며, 상기 고정쇠(30)에는 연결쇠(32)가 핀에 의해 조립되어진다. 그리고 상기 연결쇠(32)에는 도 4에 도시한 바와 같이 프레임(36)이 설치되고, 이 프레임(36)은 전술한 플레이트(34)가 용접 고정된다. 한편 이러한 구성을 가지는 집진기(10)의 동작은, 바람직하게는 에어 실린더(24) 및 플레이트(34)의 동작은 후술하는 도 5의 회로도와 그에 따른 설명에 의해 용이하게 이해될 것이다.

즉, 도 1과 도 5에 도시한 바와 같이 레이저 가공기의 상측바디(500a) 중간지점에는 제1,2 리미트 스위치(38,40)가 설치되며, 구체적으로는 상기 제1 리미트 스위치(38)는 우측으로 상기 제2 리미트 스위치(40)는 좌측으로 각각 치우쳐져 설치되어진다. 이러한 제1,2 리미트 스위치(38,40)는 전술한 유동 플레이트(52)의 작동에 따라, 즉 상기 유동 플레이트(52)가 접촉되어질 때 스위칭되어 릴레이 구동신호를 발생한다. 릴레이(42)는 레이저 가공기의 전원부(도시하지 않음)로부터 공급되는 전압을 솔레노이드 밸브(44)로 공급하며, 상기 제1,2 리미트 스위치(38,40)로부터 입력되는 릴레이 구동신호에 응답하여 전술한 전원부로부터 솔레노이드 밸브 (44)로의 전압 경로를 차단한다. 상기 솔레노이드 밸브(44)는 전술한 에어 실린더 (24)로부터 공급된 고압의 공기(이하, "공압"이라 함)가 "A" 또는 "B" 쪽으로 흐르도록 유로를 형성한다. 즉, 전술한 솔레노이드 밸브(44)는 스위칭 '온'될 때 "A" 쪽으로 유로를 형성하고, 스위칭 '오프'될 때는 "B" 쪽으로 유로를 형성한다. 끝으로 에어밴트(48,50)는 각각의 유로 "A, B"에 설치되어 에어 실린더(24)로부터 공급된 공압이 역류하지 않도록 제어한다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 가공기(500)에 있어서 레이저 가공시 발생하는 플라즈마를 제거하면서 피어싱 가공을 할 수 있도록 주가스관에 보조가스관을 설치한 상태를 도시한 공압 회로도이다. 전술한 도 1과 도 6을 참조하면, 레이저 가공기(500)는 피가공물(200)을 절단 혹은 피어싱 가공을 위한 통상의 공압 회로부(70)를 가지고, 또한 이 공압 회로부(70)의 제어에 의해 토출되는 공기, 산소(O₂), 질소(N₂) 및 액화질소 등의 절단용 가스를 가공헤드(58)로 공급하는 주가스관(56)으로 구성된다. 상기 주가스관(56)에는 보조가스관(62)이 연결되어있으며, 이 보조가스관(62)의 끝부분에는 절단용 가스를 분사시키기 위한 보조노즐 (68)이 설치된다. 이때 상기 보조노즐(68)은 가공헤드(58)를 통해 조사되는 레이저빔의 조사방향과 동일한 방향을 유지할 뿐만 아니라 피가공물(200)과 약 45도의 각도를 유지하고 있다.

한편 이러한 보조가스관(62)을 통해 분사되는 절단용 가스는 레이저 가공시 피가공물(200)의 표면에 생성되는 플라즈마를 말끔히 제거하게 되고, 이에 따라 레이저 가공기(500)는 절단 가공 또는 피어싱 가공 등을 원활하게 수행하며 특히 도 7의 그래프와 같이 종래의 레이저 가공속도보다 훨씬 빠른 속도로 가공 작업을 수행할 수 있게 된다.

도 8은 도 1에서 도시하고 있는 지그 테이블(10)의 형상을 도시한 평면도이다. 상기 지그 테이블(10)은 통상 내부가 비어있는 사각 파이프를 연결하여 제작된것이며, 이러한 구성은 레이저 가공 작업시 열변형을 일으키게 되고 결국 지그 테이블(10)의 운동을 주관하는 볼스크류와 리니어 가이드의 조립상태를 변형시키게 된다. 따라서 이러한 단점을 방지하게 위하여 본 발명에서는 지그 테이블(10)의 일측면 양단에 유입관(72a,72b)을 형성하고 그 저면에는 배출구멍(74a,74b)을 형성한 다음, 상기 유입관(72a,72b)을 통해 냉매를 주입하였다. 이때 전술한 냉매로는 쿨링 에어(Cooling Air)를 주로 사용하였다. 그러면 상기 쿨링 에어는 지그 테이블 (10)의 통로(10a)를 통해 순환되면서 지그 테이블(10)의 열변형을 방지하게 되고, 이에 따라 레이저 가공기(500)는 보다 정밀한 절단가공 또는 피어싱 가공 등을 수행한다.

이하, 전술한 바와 같이 본 발명의 배기장치(100) 및 보조가스관(62)이 설치된 레이저 가공기(500)의 동작 상태를 도 1 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명하면 하기와 같다.

우선 레이저 가공기(500)의 전원을 '온' 시키게 되면, 도 1과 도 6에 도시한 바와 같이, 유동 플레이트(52)는 X축, Y축 방향으로 움직이게 되고 이와 동시에 공압 회로부(70)의 제어에 따라 주가스관(56)에는 절단용 가스가 공급된다. 이때 보조가스관(62)에도 전술한 주가스관(56)으로 공급되고 있는 것과 동일한 종류 및 동일한 량의 절단용 가스가 공급되어진다. 이어서 통상의 레이저 발진기 및 각 제어장치에 의해 생성된 레이저빔은 가공헤드(58)에 송출되고, 이 레이저빔은 가공헤드(58) 내에 구비된 집광장치에 의해 집광되어진다. 이후 집광된 레이저빔과 주가스관(56)을 통해 공급된 절단용 가스는 메인노즐(60)을 통해 피가공물(200)에 조사 및 분사된다. 이와 동시에 보조가스관(62)을 통해 공급된 절단용 가스는 보조노즐(68)을 통해 45도의 각도로 피가공물(200)에 분사되며, 이에 따라 레이저 가공시 피가공물(200)의 표면에 생성된 플라즈마는 제거되어진다.

한편, 상기와 같은 레이저 가공작업에 따라 유동 플레이트(52)는 Y축 방향(도 1에서는 좌, 우 방향)으로 이동하게 되며, 이에 따라 제1,2 리미트 스위치(38,40)는 스위칭된다. 여기서 상기 레이저 가공기(500)의 전원이 켜지게 되면 도 2에 도시한 바와 같이 덕트(12a)는 닫혀있고, 덕트(14a)는 열려있는 상태를 유지하게 된다.

이후 유동 플레이트(52)의 좌측방향으로의 이동에 따라 제1,2 리미트 스위치(38,40)는 순차적으로 스위칭 '온' 되어 릴레이 구동신호를 발생한다. 이어서 릴레이(42)는 상기 릴레이 구동신호에 응답하여 스위칭 '온' 되어 솔레노이드 밸브(44)의 전원을 차단시킨다. 이후 상기 솔레노이드 밸브(44)로의 전압경로가 차단됨에 따라 고압의 공기는 유로 'A'를 따라 에이 실린더(24)에 공급되고 피스톤 로드(26)는 당겨지게 된다. 이어서 도 3에 도시한 바와 같이 플레이트(34)는 덕트(12a)에서 덕트(14a)로 이동하게 되고, 그로 인해 덕트(14a)는 닫혀지게 된다.

이와 반대로, 전술한 유동 플레이트(52)가 우측방향으로 이동하게 되면, 제2 리미트 스위치(40)는 스위칭 '온' 되고 이어서 제1 리미트 스위치(38)도 스위칭 '온' 되어 릴레이 구동신호를 발생한다. 이어서 릴레이(42)는 상기 릴레이 구동신호에 응답하여 스위칭 '오프' 되고, 이에 따라 솔레노이드 밸브(44)에는 다시 전원이 공급된다. 이후 상기 솔레노이드 밸브(44)로의 전압경로가 다시 연결됨에 따라 고압의 공기는 유로 'B'를 따라 에어 실린더(24)에 공급된다. 이때 에어 실린더(24)로 통하는 유로 'A'는 닫혀지게 된다. 이어서 상기 에어 실린더(24)의 피스톤 로드(26)의 작동에 따라 플레이트(34)는 덕트(14a)에서 덕트(12a)로 이동하게 되고, 그로 인해 덕트(12a)는 닫혀지게 된다.

한편 전술한 배기장치(500)의 동작 과정은 레이저 가공기(500)가 작동하는 동안에는 계속해서 반복되어진다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이 플레이트(34)는 전술한 동작에 따라 덕트(12a)와 덕트(14b)를 계속해서 순차적으로 개폐를 하게 되며, 그로 인해 레이저 가공시 발생하는 유해성분의 이물질, 분진 등은 도 2에 도시한 후드(12,14) 및 덕트(12a,14a)를 통해 집진기(16)에 모아지게 된다. 이때 상기집진기(16)에 모아진 이물질은 배출덕트(18)를 통해 외부로 배출되어진다.

한편, 앞에서 개시한 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 피가공물의 하단부에 배기장치를 설치하므로서 레이저 가공시 발생하는 유해성분을 말끔히 제거할 수 있으며, 이는 레이저 가공기의 청결도를 유지하여 가공기 자체의 수명을 연장하고 또한 쾌적한 작업환경을 제공할 수 있는 장점을 가지고 있다.

그리고, 본 발명의 레이저 가공기는 주가스관에 보조가스관을 연결함으로써 레이저 가공시 발생하는, 즉 피가공물의 표면에 생성되는 플라즈마를 제거하여 도 7의 그래프와 같이 종래의 레이저 가공속도보다 훨씬 빠른 속도로 레이저 가공을 할 수 있는 이점이 있다. 또한 본 발명은 지그 테이블의 사각파이프에 쿨링 에어를 공급하므로서 장시간 레이저 가공 작업시에도 지그 테이블의 열변형 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 피가공물이 고정된 지그 테이블과, 상기 피가공물에 레이저빔을 조사하는 가공헤드와, 상기 피가공물 절단을 위한 가스를 상기 가공헤드로 공급하는 주가스관과, 상기 가공헤드를 2방향으로 이동 제어하는 서보모터로 구성된 통상의 레이저 가공기에 있어서,

   상기 레이저 가공시 발생하는 이물질을 흡입하는 적어도 1개 이상의 후드들과, 상기 각각의 후드들과 덕트로 연결되어 상기 후드로부터 유입되는 이물질을 한곳에 모으는 집진기와, 상기 집진기의 내부에 설치되어 상기 각 덕트를 선택적으로 개폐하는 플레이트와, 상기 집진기의 외부에 설치되어 상기 플레이트를 회전시키는 에어 실린더와, 상기 레이저 가공기의 상측바디에 설치되며 상기 가공헤드의 작동에 따라 스위칭되어 릴레이 구동신호를 발생하는 제1,2 리미트 스위치와, 상기 에어 실린더의 공압 경로에 설치되며 전원전압을 인가받아 스위칭되어 상기 에어 실린더로의 유로를 형성하는 솔레노이드 밸브와, 상기 릴레이 구동신호에 응답하여 전원부로부터 상기 솔레노이드 밸브로의 전압경로를 차단시키는 릴레이를 구비하는 배기장치와;

   상기 주가스관과 연결되어 상기 절단용 가스를 공급받아 레이저 가공시 상기 피가공물의 표면에 분사하는 보조가스관와;

   상기 보조가스관의 끝부분에는 상기 절단용 가스를 분사시키기 위한 보조노즐이 상기 피가공물과 일정 각도를 유지하도록 설치됨을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제