KR100448334B1 - 레이저 용접 헤드 제어시스템과 레이저 용접 헤드 및 그제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 용접 헤드 제어시스템과 이 제어시스템이 구비된 레이저 용접 헤드 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 본 발명의 제어시스템에는 레이저 입력부와 레이저 출력부를 가지는 레이저 조사체와, 용접상태를 측정하기 위한 복수의 선형 레이저 광선을 발진시키는 복수의 반도체 레이저 장치가 구비된다. 또한, 본 발명의 제어시스템에는 반사된 선형 레이저 광선만을 통과시키는 대역 필터를 가지는 CCD 카메라가 구비된다. 상기 CCD 카메라는 상기 반사된 선형 레이저 광선에 의해 측정된 용접상태를 화상형태로 촬영하게 된다. 또한, 본 발명의 제어시스템에는 상기 측정된 용접상태의 화상을 처리하기 위한 화상처리기가 구비된다.

이로써, 본 발명에 의하면, 레이저 용접 헤드의 크기가 축소될 수 있고, 그 제작비용이 절감될 수 있는 효과가 있다.

또한, 크기가 축소된 레이저 용접 헤드가 이용되므로 용접가공이 보다 정밀하고 용이하게 실시될 수 있는 효과가 있다.

Description

레이저 용접 헤드 제어시스템과 레이저 용접 헤드 및 그 제어방법{A laser welding head-controlling system, a laser welding head and a method for controlling a laser welding head}

본 발명은 레이저 용접 헤드의 제어시스템과, 이 제어시스템이 구비된 레이저 용접 헤드(laser welding head)와, 이 레이저 용접 헤드의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 용접기술은 스틸 재질의 고정밀 가공된 부품들을 포함하는 초고진공장치(ultrahigh-vacuum apparatus)를 제작하는데 적합하다. 최근에는 레이저 용접 기술에서 YAG(Yttrium-Aluminum-Garnet, 이하 YAG라 칭함) 레이저가 널리 이용되고 있다. 상기 YAG 레이저를 이용한 용접기술은 다음의 장점들을 가진다.

첫째, YAG 레이저 장치로부터 나오는 레이저 광선은 금속 재료로 만들어진 용접부재의 용접부에 효과적으로 흡수되므로 용접가공이 효과적으로 실시될 수 있다.

둘째로, 상기 레이저 광선은 광섬유에 의해 전송될 수 있으므로 레이저 용접 헤드가 3차원 용접장치나 산업용 로보트에 탑재될 수 있다.

세째로, 집광장치(condenser)나 레이저 광선 투과창(透過窓)이 석영으로 만들어질 수 있으므로 파손시 안전하고 적은 비용으로도 만들어질 수 있다.

반면에, 레이저 용접기술은 고정밀 용접가공을 실현하기 위하여 레이저 광선의 집광위치를 결정하는데 있어 고정도(高精度)를 필요로 한다.

상기한 위치결정작업의 여유도는 용접부재 두께의 10% 이내로 하거나 레이저 광선의 집광직경 50% 이내로 하고 있다.

상기한 레이저 광선의 집광직경은 일반적으로 용접가공에서 1mm이거나 그 미만이 되므로 촛점이 맞춰진 집광직경이 약 0.5mm라면 0.2mm 이하의 위치결정 정도가 요구된다.

그러므로, 이러한 경우에서는 레이저 광선이 0.2mm 이하의 정도에서 용접부상에 조사될 수 있도록 용접선(시임선)을 따라 가도록 제어되어야 한다.

상기한 바와 같은 정밀한 용접작업을 실현하기 위하여, 레이저 용접 헤드를 구성하는 부품들은 정밀하게 만들어져야 하고, 위치결정용 치구와 위치결정용 센서가 상기 레이저 용접 헤드에 탑재되어야 한다.

그러나, 상기한 종래의 레이저 용접 헤드는 복잡한 구조를 가지므로 그 크기가 커지고 제작비가 크게 드는 문제점이 있었다.

더욱이, CCD(Charge Coupled Device, 이하 CCD 라 칭함) 카메라를 이용한 용접가공이 연구되고 제안되어 왔다. 이러한 용접가공에 있어서, 레이저 용접 헤드는 CCD 카메라에 의해 모니터링(monitoring)된 화상을 기초로 하여 시임선(seam line)을 따라 이동하게 된다. 그러나, 이러한 CCD 카메라는 충분한 해상도를 표현하지 못하므로 현재 상기한 용접가공은 통상적으로 채용되지 않고 있다.

용접부재를 밀착되게 결합하는 경우에 있어서, 상기 용접부재간의 간격은 거의 제로에 가까우므로 CCD 카메라가 각 부재간의 간격을 화상의 농담(濃淡)에 따라 검출할 수는 없다. 더욱이, 화상처리시간을 짧게 하는 동안, 흑백의 256 계조정도(階調程度, gradations)를 갖는 입력 화상이 필요한데, 이러한 입력화상이 금속 재질인 용접부재의 표면 상의 반사광으로부터 간섭을 받을 수 있게 된다.

용접가공과 화상처리를 실시간에 수행하는 것이 많은 분야에서 시도되고 있음에도 느린 화상처리속도와 빠른 용접가공속도 때문에 화상처리는 일반적으로 용접가공 이전에 수행되고 있다.

즉, 현재에는 용접가공과 화상처리를 실시간에 수행하는 것이 불가능한 것이다.

더욱이, CCD 카메라를 이용한 용접가공은 부재들의 용접상태를 모니터링하기 위하여 CCD 카메라와 용접부재간에 소정의 공간을 필요로 하고 있기 때문에 CCD 카메라를 갖는 레이저 용접 헤드는 그 크기가 축소될 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 레이저 용접 헤드 제어시스템과, 이 제어시스템이 구비된 레이저 용접 헤드와, 이 레이저 용접 헤드를 제어하는 방법을 제공하는데 있다.

즉, 크기가 작고 적은 제작비용이 드는 레이저 용접 헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 용접가공이 보다 정밀하고 용이하게 실시될 수 있는 레이저 용접 헤드를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 용접 헤드 제어시스템을 나타내는 장치구성도,

도 2는 본 발명에 따라 용접가공이 용접부재상에서 실시되고 있는 상태를 나타내는 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 레이저 조사체 2, 3 : 반도체 레이저 장치

4 : CCD 카메라 5 : YAG 레이저 입력부

6 : YAG 레이저 출력부 21 : 시임선(seam line)

22, 23 : 선형 레이저 광선

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 레이저 용접 헤드 제어시스템은: 레이저 입력부와 레이저 출력부를 가지는 레이저 조사체(照射體)와, 용접상태를 측정하기 위한 복수의 선형 레이저 광선을 발진시키는 복수의 반도체 레이저 장치와, 반사된 선형 레이저 광선에 의해 측정된 용접상태를 화상형태로 촬영하기 위하여 상기 반사된 선형 레이저 광선만을 통과시키는 대역 필터(band-pass filter)를 가지는 CCD 카메라와, 시임선에 대하여 선형 레이저 광선의 교차점에 의하여 시임선의 위치를 결정하는 화상처리기를 포함하는 것을 특징으로 한다.또한, 본 발명의 레이저 용접 헤드 제어시스템은: 레이저 입력부와 출력부를 갖는 레이저 조사체와 용접상태를 측정하기 위하여 복수의 선형 레이저 광선을 발진시키는 복수의 반도체 레이저 장치와 주사된 선형 광선 중 반사된 광선을 이용하여 화상으로 화상으로 용접상태를 측정하기 위하여 반사된 광선 만을 통과시키는 대역 필터를 갖는 CCD 카메라와 용접부의 기울기는 선형 레이저 광선의 폭에 의해 결정하고 용접부의 높이는 각 선형 레이저 광선의 절대 위치에 의해 결정하는 화상처리기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 레이저 용접 헤드는: 상기 레이저 용접 헤드 제어시스템과, 용접용 레이저를 발진시키는 레이저 발진기와, 발진된 레이저를 집중시키는 집광장치(condenser)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 레이저 용접 헤드의 제어방법은: 시임선과 선형 레이저 광선의 교차점으로부터 용접부의 시임선의 위치를 측정하기 위하여 복수의 선형 레이저 광선을 주사하는 단계와 반사된 선형 레이저 광선을 이용하여 용접될 부위의 시임선의 위치를 CCD 카메라를 통하여 화상으로 얻는 단계와 시임선의 위치의 화상을 처리하는 단계와 화상 처리된 화상 데이타를 기반으로 레이저 용접 헤드를 제어하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명의 레이저 용접 헤드의 제어방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 레이저 용접 헤드가 용접부의 CAD 데이타에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 레이저 용접 헤드의 제어방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 화상의 처리된 데이타와 상기 CAD 데이타를 기초로 하여 용접부의 용접결점을 모니터링하는 단계가 더 포함된 것을 특징으로 한다.또한, 본 발명의 레이저 용접 헤드의 제어방법은: 선형 레이저 광선의 라인 폭과 각 선형 레이저 광선의 절대 위치로부터 용접될 부위의 경사와 높이를 각각 측정하기 위하여 복수의 선형 레이저 광선을 용접될 부위에 주사하는 단계와 용접될 부위의 경사와 높이를 CCD 카메라를 통하여 화상으로 얻는 단계와 용접될 부위의 경사와 높이를 처리하는 단계와 화상 처리 데이타를 기반으로 레이저 용접 헤드를 제어하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명의 바람직한 실시예로서, 첨부한 도면을 참조로 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도면 1은 본 발명에 따른 레이저 용접 헤드 제어시스템을 나타내는 장치구성도이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 레이저 용접 헤드 제어시스템은 YAG 레이저 입력부(5)와 YAG 레이저 출력부(6)를 가지는 레이저 조사체(1)와, 두 개의 반도체 레이저 장치(2, 3)와, CCD 카메라(4)를 포함한다.

레이저 발진기로서 레이저 용접 헤드에 구비된 YAG 레이저 장치(미도시됨)로부터 방사된 레이저는 집광장치(미도시됨)에 의해 집중되고, 상기 YAG 레이저 입력부(5)로 전해진 후, 상기 YAG 레이저 출력부(6)로부터 방사되어 용접부재의 용접부상에 조사된다.

상기 반도체 레이저 장치(2, 3)는 그 예로서, 선형 레이저 광선을 용접부를 향해 45°기울어진 방향으로 조사하되, 조사된 레이저 광선이 용접부의 시임선에 직각이 될 수 있도록 한다. 상기 CCD 카메라(4)는 용접부의 상태를 촬영할 수 있도록 상기 용접부를 향하여 설치된다. 또한, 상기 CCD 카메라(4)는 상기한 선형 레이저 광선만을 통과시키는 대역 필터를 구비하고 있다. 그러므로, 상기 CCD 카메라(4)는 용접부 표면에서 나오는 빛과 용접용 레이저의 간섭없이 용접부에서반사된 선형 레이저 광선에 의해 용접부의 상태를 촬영할 수 있게 되는 것이다. 상기 CCD 카메라(4)에서 촬영된 화상은 화상처리기(미도시됨)로 전송되고, 상기 두 선형 레이저 광선간의 거리와, 두 선형 레이저 광선의 상대위치 및 절대위치, 각 선형 레이저 광선의 선폭과 형상을 결정하게 되는 화상처리과정을 거치게 된다.

다음으로, 첨부한 도면 2는 용접가공이 용접부재상에서 실시되고 있는 상태를 나타내는 평면도이다.

이에 도시한 바와 같이, 상기 두 선형 레이저 광선(22, 23)은 용접부재상으로 조사될 때 시임선(21)에서 연결되고 있다. 또한, 상기한 상태가 CCD 카메라(4)에 의해 촬영된 후, 이 얻어진 화상이 처리될 때, 상기 시임선(21)과 두 선형 레이저 광선(22, 23)간의 교점들이 계산된다. 상기 시임선(21)이 선형적이라면, 이 시임선의 위치가 상기 교점들에 의해 결정될 수 있다. 또한, 상기 선형 레이저 광선들의 기울어진 조사로 인하여, 상기 선형 레이저 광선들의 선폭에 의해 용접부의 기울기가 결정될 수 있고, 각 선형 레이저 광선의 절대위치에 의해 용접부의 높이가 결정될 수 있다. 이러한 방법으로 용접부재의 용접부 형상과, 기울기와, 높이와, 위치가 두 선형 레이저 광선간의 거리와, 두 선형 레이저 광선의 상대위치 및 절대위치와, 각 선형 레이저 광선의 선폭 및 형상에 의해 결정될 수 있다.

상기한 레이저 용접 헤드를 이용한 용접가공에 있어서, 용접부재의 용접부 형상과 크기는 그들의 CAD 데이타에 의해 계산되고 모니터링되도록 하는 것이 바람직하고, 용접부의 절대위치와 각도는 상기한 화상처리에 의해 모니터링되도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 경우에 있어서, 상기 레이저 용접 헤드는 모니터링된 데이타를 기초로 하여 시임선을 따르도록 제어된다. 상기 CAD 데이타의 이용은 CCD 카메라(4)로부터 전해진 화상이 고속으로 정밀하게 처리될 수 있도록 한다. 그 결과로서, 용접가공시간이 짧아지게 되고, 용접가공의 재현성 및 신뢰성이 향상될 수 있게 된다. 그러므로, 용접부재들 중 적어도 하나가 구형 또는 원통형 등과 같은 복잡한 형상을 가지고 있다 하더라도 용접부재들이 서로 정밀하게 용접될 수 있는 것이다.

여기서, 본 발명은 상기한 실시예를 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한, 위에 공개된 내용에 제한되지 않고 다양한 종류의 변형과 수정들이 실시될 수 있다. 그 예로서, 상기 모니터링된 데이타를 기초로 하여 용접결점들이 모니터링될 수 있다. 또한, 세 개 이상의 선형 레이저 광선이 상기한 작업에서 이용될 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 레이저 용접 헤드의 크기가 축소될 수 있고, 그 제작비용이 절감될 수 있는 효과가 있다.

또한, 크기가 축소된 레이저 용접 헤드가 이용되므로 용접가공이 보다 정밀하고 용이하게 실시될 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 레이저 입력부와 출력부를 갖는 레이저 조사체;

   용접상태를 측정하기 위하여 복수의 선형 레이저 광선을 발진시키는 복수의 반도체 레이저 장치;

   반사된 선형 레이저 광선에 의해 측정된 용접상태를 화상형태로 촬영하기위하여 상기 반사된 선형 레이저 광선만을 통과시키는 대역필터를 가지는 CCD 카메라; 및

   시임선에 대한 선형 레이저 광선의 교차점에 의하여 시임선의 위치를 결정하는 화상처리기를 포함하는 레이저 용접 헤드 제어시스템.
2. 레이저 입력부와 출력부를 갖는 레이저 조사체;

   용접상태를 측정하기 위하여 복수의 선형 레이저 광선을 발진시키는 복수의 반도체 레이저 장치;

   주사된 선형 광선 중 반사된 광선을 이용하여 화상으로 용접상태를 측정하기 위하여 반사된 광선만을 통과시키는 대역필터를 가지는 CCD 카메라; 및

   용접부의 기울기는 선형 레이저 광선의 폭에 의해 결정하고 용접부의 높이는 각 선형 레이저 광선의 절대 위치에 의해 결정하는 화상처리기로 이루어진 레이저 용접 헤드 제어시스템.
3. 청구항 1의 레이저 용접 헤드 제어시스템;

   용접용 레이저를 발진시키는 레이저 발진기; 및

   상기 발진된 레이저를 집중시키는 집광장치로 이루어진 레이저 용접 헤드.
4. 청구항 2의 레이저 용접 헤드 제어시스템;

   용접용 레이저를 발진시키는 레이저 발진기; 및

   상기 발진된 레이저를 집중시키는 집광장치로 이루어진 레이저 용접 헤드.
5. 시임선과 선형 레이저 광선의 교차점으로부터 용접부의 시임선의 위치를 측정하기 위하여 복숭의 선형 레이저 광선을 용접될 부위에 주사하는 단계;

   반사된 선형 레이저 광선을 이용하여 용접될 부위의 시임선의 위치를 CCD 카메라를 통하여 화상으로 얻는 단계;

   시임선의 위치를 영상으로 처리하는 단계; 및

   화상 처리된 화상데이타를 기반으로 레이저 용접 헤드를 제어하는 단계로 이루어진 레이저 용접 헤드의 제어방법.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 레이저 용접 헤드는 용접부의 CAD 데이타에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 헤드의 제어방법.
7. 청구항 5에 있어서, 화상 데이타와 CAD 데이타를 기반으로 용접될 부위의 용접 결점을 모니터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 헤드의 제어방법.
8. 선형 레이저 광선의 폭과 각 선형 레이저 광선의 절대 위치로부터 용접될 부위의 경사와 높이를 각각 측정하기 위하여 복수의 선형 레이저 광선을 용접될 부위에 주사하는 단계;

   용접될 부위의 경사와 높이를 CCD 카메라를 통하여 화상으로 얻는 단계;

   용접될 부위의 경상와 높이를 처리하는 단계; 및

   화상 처리 데이타를 기반으로 레이저 용접 헤드를 제어하는 단계로 이루어진 레이저 용접 헤드의 제어방법.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 레이저 용접 헤드는 용접될 부위의 CAD 데이타에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 헤드의 제어방법.
10. 청구항 8에 있어서, 화상 처리 데이타와 CAD 데이타를 기반으로 용접될 부위의 용접 결함을 모니터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 헤드의 제어방법.