KR100597906B1

KR100597906B1 - 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치

Info

Publication number: KR100597906B1
Application number: KR1020050051232A
Authority: KR
Inventors: 이제훈; 서정; 신동식
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2006-07-06

Abstract

본 발명은 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다양한 형태의 가공헤드를 통해 각기 다른 레이저가 선택적으로 조사될 수 있도록 하여 별도의 공정과 장치의 부가됨 없이 다양한 종류의 레이저 가공을 일괄적, 연속적으로 수행할 수 있으며, 레이저의 초점, 입사각 등을 가공헤드의 특성에 맞게 자동조정 또는 임의조정하는 것이 가능하여, 장치의 안정성을 보장하며, 조사되는 레이저의 특성을 목적에 맞게 변경시킬 수 있는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치에 관한 것이다.

레이저, 공작기계, 가공, 초점, 렌즈

Description

공작기계의 레이저 가공을 위한 장치{Apparatus for Laser Processing for Machine Tool}

도 1은 본 발명에 따른 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치를 나타낸 측단면도,

도 2는 도 1에서 회전체와 고정체가 결합된 모습을 나타낸 정면도,

도 3은 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치가 공작기계에 설치된 모습을 나타낸 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 공작기계 3: 공작물

10: 광파이버 11: 광커플러

20: 집속렌즈 23: 교정렌즈

25: 초점거리 조절장치 27: 조절렌즈

28: 지지대 30: 회전축

31,81: 베어링 50: 본체

51: 가스유로 53: 가스 공급관

55: 분사노즐 70: 고정체

71: 반사미러 73: 거리센서

80: 회전체 85: 가공헤드

90: 레이저 발생원 100: 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치

일반적으로 레이저를 이용한 재료의 가공은 산업 전반에 걸쳐서 적용 분야가 급속히 확대되어 가고 있다. 상기 레이저가 갖고 있는 재료가공에서의 우수한 특성은 레이저 가공이 열처리, 용접, 드릴링 공정 등에서 기존의 공정을 대체하고 있으며, 이를 통한 품질 및 신뢰성 그리고 생산성 향상을 도모하고 있다. 이러한 레이저 가공의 중요한 장점은 정밀성, 공정의 유연성, 비접촉 가공 그리고 최소의 열영향부 등을 들 수 있다.

근래에 들어 상기와 같은 레이저 가공의 장점을 기존의 공작기계(예; 선반 가공기)에 접목시켜, 부품 가공의 효율성과 정밀도 그리고 생산성을 극대화 시키려 는 노력이 있었다. 이는 첨단 레이저기술과 기존의 기계가공기술이 상호 융합 보완될 수 있는 기술로서 이러한 기술을 실용화한 복합 가공기의 필요성이 점차 대두되고 있다.

상기 복합 가공의 예로서, 선반 공작기계에 레이저 빔을 접목시켜 가공의 효율을 향상시키고 국부적 열처리(급냉처리 불필요), 마킹, 드릴링, 용접, 절단 그리고 그루빙 가공 등을 레이저 빔을 이용하여 절삭가공과 동시에 혹은 공작물이 세팅된 상태에서 연속적으로 처리함으로서 정밀도를 향상시키고 가공시간을 단축한다. (다단계공정을 한 단계로 단축). 또한 절삭가공이 난해한 재질(텅스텐, 세라믹 등)은 절삭 가공시에 가공부위를 레이저 빔으로 가열함으로서 절삭성(생산성) 및 정밀도를 획기적으로 개선 할 수 있다. 또한 기존에 가공이 불가능한 재료들을 복합가공 기술을 이용하여 기계가공을 함으로서 재료선정 및 설계의 유연성을 제공할 수 있다.

상기와 같이 레이저를 이용한 복합 가공을 실현시키기 위해서는 새로운 개념의 레이저 빔 이송 광학 모듈의 개발이 필수적이고 복합가공화의 장점인 생산성을 증대시키려면 신속히 가공 공구를 교환할 수 있는 시스템이 갖추어져야하며, 이를 위해서 새로운 개념의 빔이송장치 및 가공헤드가 설계되어야 하나, 종래에는 이와 같은 연구 및 개발이 미미한 수준에 머무르고 있다.

본 발명은 상기와 같은 시대적 요구에 부합하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다양한 형태의 가공헤드를 통해 각기 다른 레이저가 선택적으로 조사될 수 있도록 하여 별도의 공정과 장치의 부가됨 없이 다양한 종류의 레이저 가공을 일괄적, 연속적으로 수행할 수 있는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 레이저의 초점, 입사각 등을 가공헤드의 특성에 맞게 자동조정 또는 임의조정하는 것이 가능하여, 장치의 안정성을 보장하며, 조사되는 레이저의 특성을 목적에 맞게 변경시킬 수 있는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 공작기계에 결합되는 본체와;일측은 레이저 발생원과 연결되고 타측은 상기 본체에 내입되어 상기 레이저 발생원으로부터 발생된 레이저를 상기 본체의 내부로 유도하는 광파이버와; 상기 본체의 내부에 고정되며 상기 광파이버로부터의 레이저가 내부에 방출되는 중공의 회전축과; 상기 광파이버로부터 상기 회전축 내부의 레이저 진행로 상에 설치되어 상기 레이저가 평행빔의 형태로 진행될 수 있도록 하는 교정렌즈와; 상기 회전축의 일단에 고정되며 내부에 반사미러가 설치되어 상기 교정렌즈를 통한 레이저가 일정각도로 반사될 수 있도록 하는 고정체와; 상기 고정체의 외면에 회전가능하게 고정되며 그 외면에는 상기 반사미러에 의해 반사된 레이저를 외부로 조사하는 서로 다른 형태로 구성된 다수의 가공헤드들이 결합되어 각 가공헤드를 통한 레이저가 서로 다른 용도의 특성을 갖으며 조사될 수 있도록 하는 회전체; 를 포함하여 구성되는 것 을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 보다 명확히 설명될 수 있을 것이다. 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치를 나타낸 측단면도이고, 도 2는 도 1에서 회전체와 고정체가 결합된 모습을 나타낸 정면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치(100)는 본체(50), 광파이버(10), 회전축(30), 교정렌즈(23), 고정체(70), 회전체(80)를 포함한다.

상기 본체(50)는 공작기계(1)의 본체 또는 공구대 등에 결합된다.

상기 광파이버(10)는 레이저를 발생시키는 레이저 발생원(90)으로부터 발생된 레이저를 상기 본체(50)의 내부로 유도하기 위한 것이며, 이를 위해 일측은 상기 레이저 발생원(90)과 연결되고, 타측은 상기 본체(50)에 내입되는 형태로 상기 본체(50)와 결합된다. 이때, 상기 광파이버(10)는 상기 본체(50)의 내부로 유도되는 레이저의 퍼짐현상을 방지하기 위해 광커플러(11)를 통해 상기 본체(50)에 결합되는 것이 바람직하다.

상기 회전축(30)은 상기 본체(50)에 고정되되, 회전가능하도록 베어링(31)에 의해 고정된다. 즉, 상기 회전축(30)은 상기 회전축(30)과 본체 사이에 위치하는 베어링(31)에 의해 고정됨과 동시에 회전이 가능하게 된다. 또한, 상기 회전축(30) 은 상기 광파이버(10)로부터의 레이저가 그 내부에 방출될 수 있도록 중공의 형상을 취한다.

상기 교정렌즈(23)는 상기 광파이버(10)로부터의 레이저가 평행빔의 형태로 진행되도록 하기 위해 마련되는데, 상기 광파이버(10)로부터 상기 회전축(30) 내부의 레이저 진행로 상에 설치된다. 또한, 상기 교정렌즈(23)와 후술되는 반사미러(71) 사이에는 상기 교정렌즈(23)를 통한 레이저의 초점거리를 변경시키기 위한 초점거리 조절장치(25)가 설치된다.

상기 초점거리 조절장치(25)는 상기 교정렌즈(23)와 반사미러(71) 사이에 배치되는 집속렌즈(20)와 상기 집속렌즈(20)와 교정렌즈(23) 사이에 왕복 이동가능하게 설치되어 상기 집속렌즈(20)로부터 이격된 거리가 선택적으로 변경되는 조절렌즈(27)를 포함한다. 여기서, 상기 집속렌즈(20)는 레이저를 집속하기 위한 것이며, 상기 조절렌즈(27)은 지지대(28)에 의해 지지된다. 상기 지지대(28)는 상기 회전축(30)에 슬라이딩 가능하게 결합되어 상기 조절렌즈(27)가 상기 집속렌즈(20)와 교정렌즈(23) 사이를 왕복가능하게 이동될 수 있도록 한다. 이에 따르면, 상기 조절렌즈(27)의 이동에 의해 상기 조절렌즈(27)와 집속렌즈(20) 간의 이격된 거리가 변경됨에 따라 진행되는 레이저의 초점거리가 변경되는 것이 가능하다.

상기 고정체(70)는 상기 회전축(30)의 회전시 동반 회전될 수 있도록 그 일측(도면상 우측)이 상기 회전축(30)의 일단에 고정된다. 또한, 상기 고정체(70)의 내부에는 일정각도로 경사진 반사미러(71)가 설치되는데, 이에 따르면, 상기 집속렌즈(20)를 통한 레이저는 상기 반사미러(71)에 의해 일정각도록 꺽여져 반사된다. 여기서, 상기 고정체(70)가 상기 회전축(30)의 회전에 의해 동반 회전하게 되면, 상기 반사미러(71)의 경사각은 달라지게 되며, 이에 따라 상기 반사미러(71)에 의해 반사되는 레이저의 입사각이 달라지게 됨은 물론이다.

상기 회전체(80)는 상기 고정체(70)의 외면에 회전가능하게 고정되는데, 이는 상기 회전체(80)가 베어링(81)을 통해 상기 고정체(70)에 고정됨으로써 가능하다. 또한, 상기 고정체(70)의 외면에는 상기 반사미러(71)에 의해 반사된 레이저를 외부로 조사하는 다수개의 가공헤드(85)가 결합된다. 여기서, 각각의 가공헤드(85)는 서로 다른 형태로 구성되는데, 이에 의하면, 각각의 가공헤드(85)를 통한 레이저는 서로 다른 용도의 특성을 갖으며 조사되는 것이 가능하다. 즉, 상기 회전체(80)의 회전에 의해 상기 가공헤드(85)들 중 어느 하나가 선택되면, 상기 가공헤드(85)의 형태에 기인하는 특정 형태(다른 가공헤드를 통한 레이저와 다른)의 레이저가 조사된다. 상기 가공헤드(85)들은 용접용, 절단용, 열처리용, 마이크로 가공용, 디버링용, 마킹용 가공헤드 중에서 선택되어 채택될 수 있다. 여기서, 상기 가공헤드(85)들은 레이저를 조사하기 위한 각각의 특성에 대응되는 노즐을 포함하며, 비록 도시하지는 않았지만, 본체(50) 또는 고정체(70)에 결합, 지지되는 단일의 노즐을 상기 가공헤드들이 공유하도록 하는 구성이 가능하다.

한편, 상기 회전체(80)에는 가공시 필요한 데이터를 얻을 수 있도록 상기 가공헤드(85)에 근접하는 형태로 계측수단이 설치되는데, 본 실시예에서는 상기 계측수단으로서, 상기 가공헤드(85)와 공작물(3)의 거리를 측정하기 위한 거리센서(73) 채택되어 구성됨을 보인다. 물론, 여기서 상기 계측수단으로 다양한 장치 및 장비 가 사용될 수 있다. 일예로, 비록 도시하지는 않았지만 상기 계측수단으로서 공작물(3)의 온도를 측정하기 위한 적외선 센서가 채택되어 사용될 수 있다.

또한, 상기 거리센서(73)와 전술된 바 있는 초점거리 조절장치(25)에는 제어부(미도시)가 전기적으로 연결되는데, 이에 따르면, 상기 제어부(미도시)가 상기 거리센서(73)로부터 공작물(3)과 가공헤드의 거리에 관한 데이터를 입력받아 이를 판단하고, 상기 초점거리 조절장치(25)를 제어신호에 의해 구동시켜 레이저의 초점거리를 변경시키는 것이 가능하다. 여기서, 상기 제어부는 데이터를 입력받고, 타 부품을 제어할 수 있는 통상의 마이크로 프로세서이면 충분하며, 이와 같은 제어부의 추가 구성은 도시 및 별도의 설명을 기재하지 않더라도 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 그 도시 및 설명을 위한 별도의 기재를 생략한다.

아울러, 상기 본체(50)에는 외부 가스공급원(미도시)으로부터 가스를 공급받아 목적하는 곳(예로서, 공작물의 표면)에 분출하기 위한 가스공급관(53)이 결합되는데, 상기 가스공급관(53)은 상기 본체(50) 내부에 형성되며 상기 가스공급원과 연통되는 본체(50)의 가스유로(51)와 연통되며 끝단에 형성된 분사노즐(55)을 포함한다. 이에 따르면, 상기 공작물 측으로 냉각가스를 분출하고 상기 공작물의 용접작업시 분위기 가스를 분출하는 것이 가능하다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따른 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치가 공작기계에 장착된 모습을 살펴보면 다음과 같다. 도 3은 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치가 공작기계에 설치된 모습을 나타낸 사시도이다.

도 3에서 처럼, 본 발명에 따른 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치(100)는 공작기계(1)에 그 본체(50)가 결합되어 고정될 수 있다. 이때, 상기 본체(50)는 별도의 구동부를 통해 상기 공작기계(1)에 결합되어 X,Y,Z 축으로 이동이 가능하여 공작물(3)의 위치에 따라 레이저의 조사지점을 변경시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예의 작동관계를 설명한다.

레이저 발생원(90)으로부터 발생된 레이저가 광파이버(10)를 통해 본체(50)로 유도되면, 교정렌즈(23)는 상기 레이저가 본체(50) 내부에서 평행빔의 형태로 진행될 수 있도록 한다.

상기 교정렌즈(23)를 통과한 레이저는 반사미러(71)를 통해 가공헤드(85)측으로 반사되어 상기 가공헤드(85)를 통해 조사되는데, 이때 상기 가공헤드(85)는 다수개가 구비되고, 회전체(80)의 회전에 따라 용도에 맞는 가공헤드(85)가 선택된다. 이에 따르면, 상기 가공헤드(85)의 개수에 비례하여 용접, 절삭, 마킹 등 다양한 작업이 가능하다.

이때, 선택되는 가공헤드(85)의 특성과 상기 가공헤드(85)와 공작물의 거리에 따라, 또는 임의로 레이저의 초점을 변경하고자 할 때에는 제어부를 통해 초점거리 조절장치(25)가 구동되어 상기 레이저의 초점이 변경된다.

또한, 회전축(30)의 회전에 의하면 반사미러(71)에 의해 반사되는 레이저의 입사각을 변경할 수도 있다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 레이저의 초점, 입사각 등을 가공헤드(85)의 특성에 맞게 자동조정 또는 임의조정하는 것이 가능하다.

아울러, 본체에 결합되는 가스공급관(53)은 외부 가스공급원과 연통되어 공작물의 가공시 요구되는 냉각가스와 분위기 가스 등을 공급하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 다양한 형태의 가공헤드를 통해 각기 다른 레이저가 선택적으로 조사될 수 있도록 하여 별도의 공정과 장치의 부가됨 없이 다양한 종류의 레이저 가공을 일괄적, 연속적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 레이저의 초점, 입사각 등을 가공헤드의 특성에 맞게 자동조정 또는 임의조정하는 것이 가능하여, 장치의 안정성을 보장하며, 조사되는 레이저의 특성을 목적에 맞게 변경시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

공작기계(1)에 결합되는 본체(50)와;

일측은 레이저 발생원(90)과 연결되고 타측은 상기 본체(50)에 내입되어 상기 레이저 발생원(90)으로부터 발생된 레이저를 상기 본체(50)의 내부로 유도하는 광파이버(10)와;

상기 본체(50)의 내부에 고정되며 상기 광파이버(10)로부터의 레이저가 내부에 방출되는 중공의 회전축(30)과;

상기 광파이버(10)로부터 상기 회전축(30) 내부의 레이저 진행로 상에 설치되어 상기 레이저가 평행빔의 형태로 진행될 수 있도록 하는 교정렌즈(23)와;

상기 회전축(30)의 일단에 고정되며 내부에 반사미러(71)가 설치되어 상기 교정렌즈(23)를 통한 레이저가 일정각도로 반사될 수 있도록 하는 고정체(70)와;

상기 고정체(70)의 외면에 회전가능하게 고정되며 그 외면에는 상기 반사미러(71)에 의해 반사된 레이저를 외부로 조사하는 서로 다른 형태로 구성된 다수의 가공헤드(85)들이 결합되어 각 가공헤드(85)를 통한 레이저가 서로 다른 용도의 특성을 갖으며 조사될 수 있도록 하는 회전체(80);

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 교정렌즈(23)와 반사미러(71) 사이에는 진행되는 레이저의 초점거리를 변경시키기 위한 초점거리 조절장치(25)가 설치되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 초점거리 조절장치(25)는

상기 교정렌즈(23)와 반사미러(71) 사이에 배치되는 집속렌즈(20)와;

상기 집속렌즈(20)와 교정렌즈(23) 사이에 왕복 이동가능하게 설치되어 상기 집속렌즈(20)로부터 이격된 거리가 선택적으로 변경되는 조절렌즈(27);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전체(80)에는 가공시 필요한 데이터를 얻을 수 있도록 상기 가공헤드(85)에 근접하는 형태로 계측수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 계측수단은 상기 가공헤드(85)와 공작물(3)의 거리를 측정하기 위한 거리센서(73) 인 것을 특징으로 하는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 계측수단은 공작물(3)의 온도를 측정하기 위한 적외선 센서 인 것을 특징으로 하는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 계측수단과 초점거리 조절장치(25)에는 제어부가 전기적으로 연결되어 상기 제어부는 상기 계측수단으로부터 데이터를 입력받아 이를 판단하고, 상기 초점거리 조절장치(25)를 제어신호에 의해 구동시킴을 특징으로 하는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전축(30)은 상기 본체(50)에 베어링(31)에 의해 고정되어 회전가능하며, 상기 고정체(70)는 상기 회전축(30)의 회전시 동반 회전되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전체(80)는 상기 고정체(70)에 베어링을 통해 고정되어 회전가능한 것을 특징으로 하는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 광파이버(10)는 상기 본체(50)에 광커플러(11)를 통해 결합되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 본체(50)에는 외부 가스공급원으로부터 가스를 공급받아 목적하는 하는 곳에 분출하기 위한 가스공급관(53)이 결합되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가공헤드(85)들은 용접용, 절단용, 열처리용, 마이크로 가공용, 디버링용, 마킹용 가공헤드 중에서 선택되어 채택됨을 특징으로 하는 공작기계의 레이저 가공을 위한 장치.