KR100376491B1 - 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 사용하여 피가공물을 절단 혹은 용접하는 레이저 노즐 헤드에 있어서 레이저 노즐 헤드와 피가공물간의 거리를 최적으로 유지할 수 있도록 된 레이저 가공기의 가공 노즐 위치 제어장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명에서는 레이저 발생기로부터 출력된 레이저빔을 가공 노즐을 통해 가공 대상물에 조사하여 절단이나 용접등의 가공을 수행하며, 가공 노즐의 포커스렌즈를 통해 가공 대상물에 조사되는 레이저의 초점이 가공물의 표면상에 형성되도록 가공 노즐의 위치이동을 제어하는 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치에 있어서,

상기 가공 노즐의 외벽에 장착되며 가공대상물로 레이저빔을 조사하여 반사입력되는 레이저빔의 영상에 따라 가공 노즐과 가공대상물간의 거리가 상기 포커스렌즈의 촛점거리인가를 검출하는 트래킹 검출부와, 상기 트래킹 검출부의 검출신호에 따라 상기 가공 노즐을 가공 대상물의 상기 포커스 렌즈의 촛점 거리에 상응하는 거리로 일정하게 유지하도록 상기 가공 노즐을 상하 이동시키는 서보 구동부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치{NOZZLE HEAD FOR LASER MATERIAL PROCESSING}

본 발명은 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저를 사용하여 피가공물을 절단 혹은 용접하는 레이저 노즐 헤드에 있어서 레이저 노즐 헤드와 피가공물간의 거리를 최적으로 유지할 수 있도록 된 레이저 가공기의 가공 노즐 위치 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 가공물을 절단하거나 용접하는 등의 가공을 수행하기 위해서는 레이저 빔을 사용하는 바, 레이저 가공기는 레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발진기와, 상기 레이저 빔 발진기로부터 방사되는 레이저 빔의 이동 통로가 되며 레이저빔을 집광렌즈에 의해 집광하여 가공물의 표면에 촛점이 형성되도록 하는 레이저 가공 노즐로 구성되어 있다.

도 1은 종래 이러한 레이저 가공기의 가공 노즐의 개략적인 구성을 보인 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 레이저 가공기에서 레이저 빔을 이용하여 가공물을 절단하는 경우 절단면의 품질을 유지하기 위해서는 가공 노즐(2)의 헤드 부분(3)과 절단하고자 하는 피가공물(1)의 거리가 가공 노즐(2)의 포커스 렌즈(4)를 통해 출력되는 레이저빔의 촛점 거리와 일치되도록 최적으로 설정유지되어야 한다.

이렇게 가공 노즐(2)과 가공물간의 거리를 적정 간격으로 유지하기 위해서 그 거리를 검출하여 가공 노즐(2)의 하강 위치를 제어하게 되는 데, 이때 그 간격을 검출하는 방식으로는 일반적으로 링 센서등의 접촉식 센서와 콘덴서 방식을 이용한 비접촉식 센서가 이용된다. 접촉식 센서의 경우에는 가공 노즐과 함께 하강하며 촛점을 중심으로 적정 반경을 갖는 링형상의 링센서가 가공물의 표면에 접촉되는 순간 가공 헤드(3)의 하강을 정지시키도록 된 것으로 비철금속등의 절단에 응용이 된다. 그러나, 링센서의 경우에는 가공물과의 접촉에 의한 간섭에 의해 그 간격측정이 정확하지 못한 문제가 있고, 또한, 절단시 발생되는 가공물의 조각이 튀거나 용접시 발생되는 열에 의해 링센서 및 노즐 헤드(3)가 파손되는 문제가 있다.

한편, 콘덴서 방식의 비접촉식 센서는 철금속등의 레이저 절단에 폭넓게 이용이 되고 있다. 상기 콘덴서 방식을 이용한 비접촉식 센서의 경우에는 노즐 헤드와 가공물의 표면을 상호 대향하는 두 전극으로 하여 노즐 헤드에 전원을 인가하였을 때 검출되는 캐패시턴스의 변화를 이용해 노즐 헤드와 가공물의 표면과의 거리를 측정한다.

그러나, 이러한 종래의 비접촉식 센서의 경우에는 정밀도가 대략 0.1mm정도이어서 최적의 노즐 간격을 설정 유지하는 데에는 한계가 있다. 더욱이 콘덴서형 비접촉식 센서는 전극 및 절단재료의 성분이나 표면상태, 형상등에 크게 좌우될 뿐만 아니라 레이저 절단시 발생하는 열에 의해 측정 정밀도가 낮아지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써 그 목적은 레이저 빔을 이용하여 가공물을 절단이나 용접등의 가공을 수행하는 레이저 가공기에 있어서 레이저 가공기의 노즐 헤드와 가공물간의 거리를 렌즈의 촛점거리로 정확하게 설정 유지할 수 있도록 하여 가공 성능을 향상시키고, 노즐 헤드를 보호할 수 있도록 된 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 레이저 가공기의 가공 노즐의 구성을 보인 도이다.

도 2는 본 발명을 구현하기 위한 광평형 센서의 구성을 보인 도이다.

도 3은 본 발명에 따른 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치의 구성을 보인 도이다.

도 4는 본 발명에 따른 레이저 가공기의 검출상태를 보인 도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

2:가공노즐, 4:포커스렌즈,

7:광평형센서 8:레이저 다이오드,

9:광분할기, 10:시준렌즈,

11:대물렌즈, 12:검출기,

13:광파이버.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치는 레이저 발생기로부터 출력된 레이저빔을 가공 노즐을 통해 가공 대상물에 조사하여 절단이나 용접등의 가공을 수행하며, 가공 노즐의 포커스렌즈를 통해 가공 대상물에 조사되는 레이저의 초점이 가공물의 표면상에 형성되도록 가공 노즐의 위치이동을 제어하는 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치에 있어서,

상기 가공 노즐의 외벽에 장착되며 가공대상물로 레이저빔을 조사하여 반사입력되는 레이저빔의 영상에 따라 가공 노즐과 가공대상물간의 거리가 상기 포커스렌즈의 촛점거리인가를 검출하는 트래킹 검출부와,

상기 트래킹 검출부의 검출신호에 따라 상기 가공 노즐을 가공 대상물의 상기 포커스 렌즈의 촛점 거리에 상응하는 거리로 일정하게 유지하도록 상기 가공 노즐을 상하 이동시키는 서보 구동부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하에는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치의 구성 및 작용효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에서는 광평형 기법을 이용하여 가공용 노즐 헤드와 가공물간의 간격을 적정 거리로 유지하는 데, 도 2는 이러한 본 발명을 구현하기 위한 광평형기법을 설명하기 위한 도를 도시한 것으로 본 발명의 구성을 설명하기 전에 광평형 기법의 원리를 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 광평형 기법(light balancing method)은 다이오드레이저(8)를 통해 출력되는 레이저 빔을 대물 렌즈(objective lens)(10)를 이용하여 집광하여 가공 대상물(1)에 조사하고, 가공 대상물(1)의 표면에서 반사되어 되돌아 오는 빔을 시준 렌즈(collimator lens)(10)를 통해 광분할기(beam splitter)(9)로 입력하여 광의 입사 경로를 변환하여 검출기(detector)(12)측으로 출력한다. 이때 검출기(12)에는 대물렌즈(11)로부터 가공 대상물로 조사된 레이저 빔의 형태에 대응하는 상(想)이 맺히게 되고, 검출기(12)에서는 광분할기(9)를 통해 입력되는 빔의 형태에 따라서 대물렌즈(11)와 가공대상물(1)간의 거리를 판단하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 정밀한 거리를 측정할 수 있고, 검출기(12)의 검출 결과에 따라 가공 노즐(2)의 하강 위치를 제어함으로써 간격유지 메카니즘을 구현할 수 있다.

그러나, 이러한 광평형 기법을 그대로 본 발명을 구현하기 위한 레이저 가공 노즐(2)에 적용하게 되면 센서의 크기가 직경 10mm, 길이 50mm이상의 크기를 가지게 되기 때문에 실제 가공 노즐의 헤드부(3)에 취부하기에는 다소 무리가 있다. 따라서, 본 발명에서는 대물 렌즈(11)만을 가공 노즐(2)의 헤드부(3)에 취부하고, 대물 렌즈(11)와 시준 렌즈(10)간의 광신호의 전달경로를 형성하기 위하여 별도의 광파이버를 구비한다. 이러한 구성은 도 3에 도시된 바와 같다.

도 3은 본 발명에 따른 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치의 구성을 보인 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 가공기는 레이저빔을 피가공물에 조사하여 원하는 형상을 절단 혹은 용접하도록 그 내부에 포커스 렌즈(4)등을 구비하는 가공 노즐(2)과, 상기 가공 노즐(2)과 가공 대상물(1)간의 거리를 상기 포커스 렌즈(4)의 촛점 거리에 상응하는 거리로 일정하게 유지하도록 상기 가공 노즐(2)의 위치를 제어하는 서보 구동부(도면 미도시)와, 상기 가공 노즐(2)의 외벽에 다수개 부착되며 가공 노즐의 이동위치를 검출하는 트래킹(tracking) 검출부(7)를 구비하여 이루어진다.

이때, 상기 트래킹 검출부(7)는 가공 노즐(2)의 외벽에 다수개 일예로 상호 대칭으로 4개가 마련되는 광평형 센서로 이루어진다. 이때, 광평형 센서(7)는 상기 도 3에서 설명한 바와 같이, 레이저 광을 발생시키는 다이오드 레이저(8)와, 상기 다이오드 레이저(8)를 통해 출력되는 레이저 광을 통과시키고, 후술하는 시준렌즈(10)를 통해 입사되는 반사 레이저광을 굴절시키는 광분할기(9)와, 상기 광분할기(9)를 통해 출력되는 다이오드 레이저 광을 대물렌즈(11)로 전송하는 시준렌즈(10)와, 상기 시준렌즈(10)를 통해 출력되는 레이저 광을 집광하여 가공하고자 하는 가공 대상물에 조사하고, 가공대상물(1)에서 반사되어 되돌아오는 레이저광을 수신하여 상기 시준렌즈(10)로 전송하는 대물렌즈(11)와, 상기 시준 렌즈(10)와 대물렌즈(11)간의 레이저 광을 전송하는 광파이버(optical fiber)와, 상기 광분할기(9)를 통해 굴절되어 입력되는 가공대상물의 반사신호를 입력받아 가공대상물과 가공 노즐(2)과의 거리를 검출하는 검출기(12)를 구비하여 이루어진다.

이러한 구성에 있어서, 상기 레이저 다이오드(8), 광분할기(9), 검출기(12), 시준렌즈(10)는 일체로 하나의 케이스내에 장착되어 가공 노즐(2)의 상단 외벽에 설치되고, 상기 대물렌즈(11)는 상대적으로 가공 대상물(1)과 근접하는 위치인 가공 노즐의 헤드부(3)의 외벽에 장착하여 상기 광파이버(13)를 통해 상기 시준렌즈(10)와 광전송을 수행하게 된다.

이때, 광파이버(13)는 전반사가 일어나도록 굽힘 각도를 허용 굽힘 각도보다 작게 설치하는 것이 바람직하며, 이러한 광파이버(13)를 통해 시준렌즈(10)와 대물렌즈(11)간의 광전송이 가능하기 때문에 대물렌즈(11)를 물체와 근접하는 위치인 노즐 헤드부(3)에 장착하여 가공 대상물과의 거리를 검출할 수 있다.

또한, 상기 광분할기(9)를 통해 검출기(12)로 입력되는 광검출 신호는 노즐 헤드부(3)와 가공 대상물(1)간의 거리에 따라 각각 다른 영상이 검출된다.

도 4는 레이저 노즐 헤드와 가공 대상물간의 거리차에 따라 검출기에 맺히는 상을 보인 것이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 대물렌즈(11)의 촛점이 가공대상물의 표면보다 높은 곳에 형성되는 경우(a), 가공대상물의 표면에 형성되는 경우(b) 및 가공대상물의 표면보다 낮은 곳에 형성되는 경우(c)에 따라서 각각 검출기(12)에 맺히는 신호 형상이 달라지게 되는 것이다.

이때, 대물렌즈(11)의 촛점이 가공대상물의 표면에 맺히는 가공 노즐(2)의 이동위치는 가공 노즐(2)의 포커스 렌즈(4)의 촛점이 가공 대상물의 표면에 맺힐 때 가공 노즐의 이동위치와 동일하도록 대물렌즈의 촛점거리를 설정한다.

또한, 이러한 광평형 센서(7)는 노즐(2) 주위에 원주 방향으로 다수개 설치됨으로써 임의 형상의 가공이나 3차원 가공에도 용이하게 구성될 수 있다.

따라서, 이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 레이저 가공 노즐 헤드는 가동이 개시된 경우 서보 구동부를 통해 가공 노즐이 가공 대상물이 놓여진 위치로 하향 구동되게 된다. 이때 노즐(2)의 상부에 위치한 다이오드 레이저(8)는 레이저 광신호를 출력하고, 이 광신호는 광분할기(9)에서 일부가 반사되고 나머지는 통과하여 시준렌즈(10)로 출력되게 된다. 광분할기(9)를 통과한 레이저 광은 시준렌즈(10)를 통과하면서 평행광이 되고, 광파이버(13)로 입사되어 노즐 헤드부로 전송된다. 전송된 레이저는 대물렌즈(11)에 의해 집속되어 가공 대상물에 조사되어 원하는 형상에 맞게 용접 또는 절단 가공된다.

이때, 가공 대상물(1)의 표면에서 레이저광의 일부가 반사되는 데, 반사된 레이저광은 역으로 대물렌즈(11)로 입사되고, 광 파이버(13), 시준렌즈(10)를 거쳐 광분할기(9)로 입사된다. 광 분할기(9)에서는 반사입력된 광의 방향을 45도 변환하여 검출기(12)로 향하게 한다. 검출기(12)에 도달하는 레이저광의 위치는 대물렌즈(11)와 물체와의 거리에 따라 변하게 된다. 이러한 검출기(12)내에서의 광의 상대적인 위치를 검출하여 대물렌즈(11)와 가공대상물과의 거리를 검출하게 된다. 상기 검출기(12)의 검출결과 대물렌즈(11)와 가공 대상물과의 거리가 포커스 렌즈(4)의 촛점거리에 상응하는 가공 노즐(2)의 이동거리인 것으로 판단되면, 서보 구동부에서는 가공 노즐(2)의 구동을 정지하여 가공 노즐의 위치 이동을 완료시키게 된다.

도시되지 않은 레이저 발생부에서 용접이나 절단을 위한 레이저광을 발생시켜 가공 노즐에 전송하면 가공 노즐의 포커스 렌즈에서는 전송된 레이저 광을 가공 대상물에 조사하여 절단이나 용접등의 가공작업을 수행하게 된다.

본 발명에 따른 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치는 광평형 기법을 사용하여 가공 노즐의 위치를 검출하여 가공 노즐의 포커스 렌즈의 촛점거리가 가공 대상물의 표면에 맺힐 수 있도록 함으로써 거리오차범위를 대폭 줄일 수 있고, 레이저 광을 이용하여 거리를 검출함으로써 주위 온도에 따른 측정 정도가 변하지 않아 정확한 측정이 가능한 효과가 있다. 또한, 가공 대상물의 재질에 따른 거리 검출에 영향을 받지 않아서 금속 및 비철금속 모두에 적용하여 양호한 거리 검출이 가능하다.

Claims (4)

1. 레이저 발생기로부터 출력된 레이저빔을 가공 노즐을 통해 가공 대상물에 조사하여 절단이나 용접등의 가공을 수행하며, 가공 노즐의 포커스렌즈를 통해 가공 대상물에 조사되는 레이저의 초점이 가공물의 표면상에 형성되도록 가공 노즐의 위치이동을 제어하는 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치에 있어서,

   상기 가공 노즐의 외벽에 장착되며 가공대상물로 레이저빔을 조사하여 반사입력되는 레이저빔의 영상에 따라 가공 노즐과 가공대상물간의 거리가 상기 포커스렌즈의 촛점거리인가를 검출하는 트래킹 검출부와,

   상기 트래킹 검출부의 검출신호에 따라 상기 가공 노즐을 가공 대상물의 상기 포커스 렌즈의 촛점 거리에 상응하는 거리로 일정하게 유지하도록 상기 가공 노즐을 상하 이동시키는 서보 구동부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 가공 노즐 위치 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 트래킹 검출부는

   상기 가공 노즐의 위치이동이 개시되면 레이저 광을 발생시키는 다이오드 레이저와,

   상기 다이오드 레이저를 통해 출력되는 레이저 광을 통과시키고, 후술하는 시준렌즈를 통해 입사되는 반사 레이저광을 굴절시키는 광분할기와,

   상기 광분할기를 통해 출력되는 다이오드 레이저 광을 평행하게 제어하여 출력하는 시준렌즈와,

   상기 시준렌즈를 통해 출력되는 레이저 광을 집광하여 가공하고자 하는 가공 대상물에 조사하고, 가공대상물에 반사되어 되돌아오는 레이저광을 수신하여 상기 시준렌즈로 전송하는 대물렌즈와,

   상기 시준 렌즈와 대물렌즈간에 레이저 광을 전송하는 광파이버와,

   상기 광분할기를 통해 굴절되어 입력되는 가공 대상물의 반사신호를 입력받아 가공 대상물과 가공 노즐과의 거리를 검출하여 상기 가공 노즐의 위치제어신호를 출력하는 검출기를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 대물렌즈는 가공 노즐의 헤드부에 장착되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 위치제어장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 트래킹 검출부는 상기 가공 노즐의 외주연에 다수개 마련된 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 가공 노즐 위치제어장치.