KR100638097B1 - 공초점 원리를 이용한 레이저의 최적 초점거리 측정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 레이저의 최적 초점거리 측정장치는 용접 로봇 및 NC 장치와; 레이저 광원과; 상기 로봇 및 NC 장치의 핸드에 장착되는 광학계와; 상기 광학계의 미세구동장치와; 상기 레이저 광원으로부터 상기 광학계를 경유하여 측정대상물에 조사된 레이저광이 상기 측정대상물로부터 반사될 때, 그 반사광의 강도를 검출하는 광검출수단과; 상기 로봇 및 NC장치와 상기 미세구동장치를 동기 이송하면서, 상기 측정 대상물의 높이변화에 따라 상기 광검출수단에서 검출된 반사광의 강도변화에 근거하여 상기 레이저의 최적 초점거리를 연산하고, 그 초점거리의 데이터를 저장하는 저장수단을 포함하여, 가공되어질 대상물과 로봇 및 NC 장치의 위치를 측정하고 저장함으로서 레이저의 집광성의 효과를 극대화시켜 에너지의 낭비가 없이 작은 출력으로도 고효율 레이저 작업을 수행할 수 있다.

Description

공초점 원리를 이용한 레이저의 최적 초점거리 측정장치 및 방법{Apparatus for auto-controlling an optimum focal distance using a confocal theory of and methode therefor}

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 공초점 원리을 이용한 레이저 최적 초점거리 측정장치의 전체구성을 나타내는 개략도이고,

도 2는 도 1의 레이저의 최적 초점거리 측정장치의 광학계의 구성도이고,

도 3는 본 발명의 실시예에 따라 측정된 공초점 신호의 가우시안 분포도이고,

도 4는 도 3의 공초점신호에 영향을 미치는 인자에 따른 그래프이고,

도 5은 본 발명의 실시예에 따른 광축방향 응답 특성을 나타내는 분포도이고,

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 초기 측정위치 결정 과정을 설명하기 위한 개략도이고,

도 7내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 측정과정을 설명하기 위한 개략도이고,

도 11은 도 1의 측정장치에 있어서의 로봇 및 NC 장치 및 미세 이동장치의 제어흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 로봇 및 NC 장치 2 : 로봇 및 NC 장치 제어기

3 : 로봇 및 NC 장치 핸드 4 : 미세구동장치

11 : 스텝 동력발생장치 12 : 스텝 동력발생장치 제어기

21 : 구동기구 22 : 너트

23 : 지지대 31 : 대물렌즈

32 : 핀홀 33 : 광검출기

34 : 빔스프리터 35 : 높이측정용 광원

36 : 레이저 가공용 광원 37 : 제어기 및 데이타 저장장치

38 : 집광 렌즈 41 : 측정 대상물

본 발명은 레이저의 최적 초점거리 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공초점원리를 이용하여 육안으로 식별이 불가능한 미세 영역까지 광량신호를 검출하여 최적의 레이저의 초점거리를 자동으로 측정할 수 있는 레이저의 최적 초점거리 측정장치 및 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 공초점 원리(confocal theory)는 측정 대상물 및 검출기 상의 초점간 상관관계를 복원함으로서 측정물의 정보를 얻을 수 있는 광학 원리이다. 이러한 공초점원리를 이용하는 대부분의 측정장비들이 측정을 하기 위해서는, 예를 들어 현미경과 같이, 반드시 대상물을 고정한 후 광학계를 미세하게 높이 방향으로 이송하여 측정하는 방식이 사용되고 있다. 이러한 종래의 광학식 측정장비를 사용하는 경우, 측정 대상물의 국부적인 영역에서는 정확한 측정결과를 얻을 수 있지만, 측정영역은 제한되므로, 전체 대상물의 형상을 측정하는데에는 상대적으로 방대한 시간이 소요되고, 그에 따른 비용의 증가가 발생하는 문제가 있다.

또한, 레이저를 이용하여 초점거리를 조절하는 방식에는 레이저 거리센서와 플라즈마 차지 센서(포토 셀 센서)를 이용하여 측정하는 방식이 사용되고 있지만, 이러한 센서들은 가공헤드와 일체형이 아니어서 가공헤드의 초점을 직접적으로 측정하기 어려우며 센서의 부착위치나 부착방식에 따라 가공헤드의 초점과 측정위치가 벗어나게 되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 이에 따라 안출된 것으로, 그 목적은 공초점원리를 이용하여 최적의 레이저 초점거리를 일정한 속도로 이송과 동시에 측정이 가능하도록 구현함으로서 측정 대상물의 높이변화에 능동적으로 대처 가능한 레이저의 최적 초점거리 측정장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 로봇 및 NC 장치와 미세구동장치를 이용하여 최대광량이 검출되는 위치, 즉 최적의 초점거리를 측정하고 이를 바탕으로 레이저 가공시 레이저의 초점을 자동으로 조절함으로서 가공품질을 향상하고 가공불량이 저감되어 가공의 신뢰성을 높일 수 있는 레이저의 최적 초점거리 측정장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 레이저의 최적 초점거리 측정장치는 용접 로봇 및 NC 장치와; 상 기 로봇 및 NC 장치의 핸드에 장착되는 광학계와; 상기 광학계의 미세구동장치와; 상기 레이저 광원으로부터 상기 광학계를 경유하여 측정대상물에 조사된 레이저광이 상기 측정대상물로부터 반사될 때, 그 반사광의 강도를 검출하는 광검출수단과; 상기 로봇 및 NC장치와 상기 미세구동장치를 동기 이송하면서, 상기 측정 대상물의 높이변화에 따라 상기 광검출수단에서 검출된 반사광의 강도변화에 근거하여 상기 레이저의 최적 초점거리를 연산하고, 그 초점거리의 데이터를 저장하는 저장수단을 포함한다.

본 발명의 레이저의 최적 초점거리 측정방법은 로봇 및 NC 장치의 위치를 초기화하는 S1 단계와; 미세구동장치를 초기화하는 S2 단계와; 상기 로봇 및 NC 장치를 초기 위치로 이동하는 S3 단계와; 공초점 원리를 이용하여 시작점으로 상기 미세구동장치를 이동하는 S4 단계와; 상기 로봇 및 NC 장치 및 미세구동장치를 동기화하여 이동하는 S5 단계와; 측정용 광원 조사하는 S6 단계와; 광량 측정 및 최대 광량을 검출하는 S7 단계와; 종료점인지를 판단하는 S8 단계와; 종료점이면 위치데이타를 저장하여 측정을 완료하는 S9 단계와; 종료점이 아니면, 상기 미세구동장치를 구동한 후 상기 S6 단계로 진행하는 S10 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 가공되어질 대상물과 로봇 및 NC 장치의 위치를 측정하고 저장함으로서 레이저의 집광성의 효과를 극대화시켜 에너지의 낭비가 없이 작은 출력으로도 고효율 레이저 작업을 수행할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 레이 저의 최적 초점거리 측정장치 및 방법을 상세히 설명한다.

도 1는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 레이저의 최적 초점거리 측정장치의 전체 구성을 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이, 본 발명 레이저의 최적 초점거리 측정장치는 상대적으로 큰 거리를 이송하는 용접 로봇 및 NC 장치(1)과, 광학계(40)를 구동할 수 있도록 상기 로봇 및 NC 장치(1)의 핸드(3)에 장착된 미세 구동장치(4)와; 상기 로봇 및 NC 장치(1)의 이송을 제어하는 로봇 및 NC 장치 제어기(2)와; 상기 미세 구동장치(4)의 이송을 제어하는 스텝동력발생장치 제어기(12)와; 측정대상물(41)에서 반사된 광선의 광강도를 검출하는 광검출기(33)와; 및 상기 로봇 및 NC 장치(1)과 상기 미세 구동장치(4)를 동기 이송하면서, 상기 측정대상물(41)의 높이 변화에 따른 가공위치별로 측정된 레이저의 최적 초점거리의 데이터를 저장하는 제어기 및 데이타 저장장치(37)를 포함한다.

미세구동장치(4)는 스텝 동력발생장치 제어기(12)에 의해 제어되는 동력발생장치(11)와, 이 동력발생장치(11)에 의해 구동되는 구동기구(21)가 지지대(23)에 의해 지지되어 있다. 구동기구(21)에는 구동기구(21)의 작동에 따라 상하로 이동가능하도록 너트(22)가 결합되며, 너트(22)에는 광학계(40)가 장착되어 있다. 따라서, 동력발생장치(11)의 구동에 따라 구동기구(21)가 회전하면, 너트(22)가 상하로 이송되므로, 광학계(40)역시 화살표의 방향으로 상하로 이동한다.

도 2 및 도 3은 본 발명 레이저의 최적 초점거리 측정장치에 사용된 광학계와 그에 따른 공초점 신호의 분포를 나타내고 있다. 광학계(40)는 He-Ne의 레이저 높이측정용 광원(35)과, 이 광원(35)의 광축과 동축으로 설치된 레이저 가공용 관원(36)과, 높이측정용 광원(35)과 측정대상물(41)과의 사이에 배치된 대물 렌즈(31)와, 측정용 레이저, 즉 가공용 광원(36)으로서의 레이저의 파장에 따라 광을 투과 및 반사시켜 분활하는 빔스프리터(이색거울)(34)와, 이 빔 스프리터(34)를 통하여 측정대상물(41)에서 반사된 광선의 광강도를 검출하는 광검출기(33)를 포함하며, 광원(35)으로부터 조사된 광은 광파이버를 통하여 평행 렌즈(colliminating lens)(37)에 조사되어 평행광이 되고, 이 평행광은 다시 빔 스프리터(34)를 통과하고 대물렌즈(31)를 통하여 집광되어 측정대상물(41)에 조사되고, 측정대상물(41)에 조사된 광의 일부는 반사되어 핀홀(32)과 집광렌즈(38)를 통과한 후, 광검출기(33)로 검출된다. 이때 측정대상물(41)이 대물렌즈(31)의 초점에 맞지 않았을 경우에는 광검출기(33) 바로 앞에 있는 핀홀(32)에 의해서 광검출기(33)로 들어오는 광량이 급격하게 떨어지게 되도록 구성되었다. 또한, 본 발명의 레이저의 최적 초점거리 측정장치는 높이측정용 광원(35)과 가공용 광원(36)으로서의 레이저광이 동일한 대물렌즈(31)를 통하여 측정대상물(41)에 광축방향으로 평행하게 조사되도록 구성되어 있으므로, 광학계의 구성이 간편해지며, 동일축상으로 조사되도록 구성되어 있음에 따라 측정분해능의 향상을 극대화 할 수 있다. 도면중 미설명 부호 (39)는 보호유리를 나타낸다.

도 2의 광학계에 따라 도 3에 도시된 바와 같이, 1번 광학계 처럼 초점거리 보다 측정대상물(41)이 멀리 위치한 경우, 광축방향 응답특성 곡선의 1번 "시작점"의 위치에서 광의 세기가 검출되고, 측정대상물(41)이 초점거리에 근접할 수록 광의 세기는 증가한다. 측정 대상물(41)이 초점거리에 계속 근접하여 2번 광학계처럼 측정대상물(41)이 초점거리에 정확하게 일치한 경우, 광축방향 응답특성 곡선의 2 번 "최대점"에 위치하고, 이때 검출되는 광의 세기는 최대가 된다. 이어서, 측정대상물(41)을 계속 이송하여, 3번 광학계처럼 측정대상물(41)이 초점거리보다 가까이 위치한 경우, 광의 세기가 다시 감속하여 광축방향 응답특성곡선의 3번 "종료점"으로 이동하게 된다. 따라서, 가공위치별 광량이 최대인 위치를 검출함으로서 측정대상물(41)의 높이 변화에 다른 가공위치별 최적의 레이저 초점거리를 측정하게 된다.

이상과 같은 공초점 신호에 영향을 미치는 인자를 도 4에 도시하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광축방향 응답특성은 측정용 광의 파장과 대물렌즈(31)의 NA, 핀홀(32)의 크기, 집광렌즈(38)의 NA에 따라 가변되게 된다. 본 발명의 레이저의 최적 초점거리 측정장치에 있어서의 측정영역은 공초점 신호의 최대 광량의 20%가 되는 지점의 폭이 0.1mm이상 20mm 이하이고, 공초점 신호의 최대 광량의 95%가 되는 지점의 폭이 0.1mm이상 1mm이하인 전영역이 해당되며, 이 영역에 해당되도록 측정용 광원(35)의 광의 파장과 대물렌즈(31)의 NA, 핀홀(32)의 크기, 집광렌즈(38)의 NA을 조절한 모든 경우를 포함한다. 공초점 신호의 95%이상이 되는 지점의 최대 폭의 범위는 핀홀(32)의 크기와 집광렌즈(38)의 NA등에 따라 결정되며, 이들을 조정하여 공초점 신호의 폭을 키우게 되면 신호의 민감도가 점점 더 떨어지게 되므로 최대폭에 도달하면 광 검출기(33)에서 최대 광량의 95%이상이 되는 지점에서는 측정되는 신호를 샘플링 할 경우에 구분이 모호해 지게된다.

본 발명의 측정영역 선정을 위한 여러 가지 실시예중 측정용 광원(35) 및 대물렌즈(31)의 NA 및 집광렌즈(38)의 NA를 고정하고, 핀홀(32)의 크기를 변화시켜 측정영역을 선정한 경우의 상세 실시예는 아래와 같다.

측정용 광원(35)으로서 파장 633nm의 He-Ne 레이저를 사용하고, 대물렌즈(31)의 NA값이 0.0621(직경: 50mm, 초점 길이: 200mm)이고, 집광렌즈(38)의 NA값이 0.1(직경: 50mm, 초점길이: 250mm)일때, 가공시에 대물렌즈(31)의 초점 거리에서 생기는 포컬 스팟의 크기(

)는 0.6mm가 되게 되는데, 이 경우에 초점 심도(depth of focus)는 Rayleigh length

로 주어지게 된다(

:대물렌즈의 포커싱되는 각도). 위의 식으로부터 초점 심도는 ±2.41mm가 되고 공초점 신호가 최대신호의 20%가 되는 지점의 폭을 1mm이상으로 하기 위해서는 핀홀(32)의 크기는 최소 120㎛가 되어야 하고, 공초점 신호의 최대 강도 신호의 95% 이상이 되는 지점의 폭이 600㎛가 되기 위해서는 250㎛가 되어야 한다. 측정 광원을 He-Ne레이져(파장:633nm)를 사용하고 대물렌즈(31)의 NA값이 0.0621(직경: 50mm, 초점 길이: 200mm), 집광렌즈(38)의 NA값이 0.1(직경: 50mm, 초점길이: 250mm)일 때, 핀홀(32)의 크기에 따른 공초점 신호의 특성(최대강도의 20%되는 지점의 폭, 최대 강도의 95% 되는 지점의 폭)은 각각 다음과 같다.

핀홀 크기(지름)	최대 강도의 20%	최대 강도의 95%
120㎛	1000㎛	200㎛
250㎛	1800㎛	600㎛

도 5은 본 발명의 실시예에 따른 광축방향 응답 특성을 도시하였다. 본 발명에서 제안한 측정용 광의 최대광량의 20%이상이 되는 지점의 폭을 1mm(1,000㎛)가 되도록 핀홀(32)의 크기와 집광렌즈(38)의 NA를 조절하여 적용한 결과이다. 적용한 수식은 아래와 같다.

이때, Kr은 정규화할때 고려하는 상수이고,

는 각각 대물렌즈(31), 집광렌즈(38)의 동공함수로서,

기타로 주어지며, 방사방향 좌표인

는 대물렌즈(31)의 반지름 a으로 정규화되며, u는 물체공간에서 정규화된 광축방향 좌표로서

로 주어진다. 또한,

은 대물렌즈(31)의 물체공간에서의 NA이고,

는 대물렌즈(31)의 초점거리이다.

는 핀홀(32)이 위치한 측정평면에서 정의된 방사방향의 정규화된 좌표이고,

는 정규화된 핀홀(32)의 크기로서 실제 핀홀(32)의 크기(반경)를

라고 하고,

를 집광렌즈(38)의 NA라 하면 각각 다음과 같다.

여기서,

는 핀홀(32)이 위치한 평면에서의 방사방향의 좌표로서

으로 주어지며,

은 집광렌즈(38)의 초점거리이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초기 측정위치 결정과정을 도시하였다. 이하 도 6을 참조하여 동작을 설명하면, 측정대상물(41)의 측정 시작위치에 로봇 및 NC 장치(1)을 이송시키고, 광학계(40)를 -Z방향으로 미세하게 이송한다. 측정용 광원(35)으로부터 조사된 광은 대물렌즈(31)로 조사되고, 대물렌즈(31)를 통과하면서 집광을 하게되며 측정대상물(41)에 반사되어 되돌아와 빔 스프리터(34)에 조사된다. 빔 스프리터(34)에 조사된 광들의 일부는 통과하고 일부는 반사되며, 반사된 광은 핀홀(32)과 집광렌즈(38)을 통과하여 광검출기(33)에 의하여 검출되어진다. 이때 검출되어진 광신호가 최대인 지점이 최적의 레이저 초점거리이며, 이때의 로봇 및 NC 장치(1)과 미세구동장치(4)의 3차원 좌표를 로봇 및 NC 장치(2)제어기와 미세구동장치(4)의 스텝동력발생장치 제어기(12)를 통하여 제어기 및 데이타 저장장치(37)의 CPU에 저장하고, 이 지점을 초기 측정위치로 선정한다. 빔 스프리터(34)는 조사되는 광원의 파장에 따라 반사와 투과량을 조절할 수 있는 색선별 거울(Dichroic mirror)을 사용하였다.

도 7내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 측정과정을 도시하였다. 이하 도 7내지 도 10을 참조하여 동작을 설명하면, 도 6의 과정을 통하여 측정시작위치를 선정한 후, 로봇 및 NC 장치(1)을 이송함과 동시에 미세구동장치(4)를 아래로 이송하면 광학계(40)를 대각선방향으로 일정거리만큼 이송하게 되며 동시에 광을 조사하고 측정대상물(41)에 반사되어 되돌아오는 광을 광검출기(33)로 검출한다. 도 7을 더욱 자세히 설명하면, 도 6의 과정을 통하여 결정된 측정시작점을 기준으로 +X방향으로 지정된 거리(0.5mm)이내에서는 측정대상물(41)의 높이가 오차범위 이내가 되도록 하고 ＋X방향(0.5mm)과 -Z방향(1mm)으로 이송을 동시에 수행한다. 검출신호는 저역필터(lowpass-filter)를 통과하여 잡음(Noise)이 제거되고 검출된 광량신호는 제어기 및 데이타 저장장치(37)의 CPU에 저장되어진다. -Z방향으로 이송이 계속 진행되어감에 따라 검출신호(광량)의 세기가 증가하게되고 최대광량이 검출되어지는 지점을 통과함과 동시에 검출신호(광량)의 세기가 감소하게 된다. 이때 광의 검출은 로봇 및 NC 장치(1)의 X방향의 이송이 0.475mm에 도달하게 될 때까지 수~수십kHz로 이루어지며, 로봇 및 NC 장치(1)의 X방향 이송이 0.475mm에 도달하게되면, 광량의 검출을 멈추고 제어기 및 데이타 저장장치(37)의 CPU에 저장된 광신호들을 기초하여 최대광량의 위치를 검출하기 위한 알고리즘 계산을 수행한다. 즉, +X방향, -Z방향 이송이 완료되기 전에 광량신호의 검출을 정지하고, 제어기 및 데이타 저장장치(37)의 CPU에 저장된 광신호를 기초로 최대광량이 도출되는 거리를 추적하여 검출할 수 있는 알고리즘 계산시간을 부여함으로서 최대광량 도출계산과정에서 소요되는 시간으로 인한 응답지연을 방지하기 위함이다. 따라서 +X방향, -Z방향 이송이 완료되기 이전에 최대광량이 도출되어지는 위치를 결정가능함으로서 측정대상물(41)의 높이변화에 능동적으로 대처할 수 있다.

이어서, 도 8을 참조하여 동작을 설명하면, 도 7의 측정이 완료되면, 로봇 및 NC 장치(1)을 이용하여 X방향(0.5mm)이송과 동시에 미세구동장치(4)를 이용하여 도 7의 측정의 반대방향인 +Z방향(1mm)으로 이송하면서 검출신호(광량)을 검출하여 제어기 및 데이타 저장장치(37)의 CPU에 저장한다. +Z방향으로 이송이 계속 진행되어감에 따라 검출신호(광량)의 세기가 증가하게되고 최대광량이 검출되어지는 지점을 기준으로 검출신호는 감소하게 된다. 도 7에서와 같이 광의 검출은 로봇 및 NC 장치(1)의 X방향의 이송이 0.475mm에 도달하게 될 때까지 수~수십kHz로 이루어지며, 로봇 및 NC 장치(1)의 X방향 이송이 0.475mm에 도달하게되면, 광량의 검출을 멈추고 제어기 및 데이타 저장장치(37)의 CPU에 저장된 광신호들을 기초하여 최대광량의 위치를 검출하기 위한 알고리즘 계산을 수행한다. 이때 도 7의 측정결과와 도 8의 측정결과를 비교하면, 각각의 영역에 따라 최대광량이 검출되는 위치가 차이가 발생하게 되며 이러한 위치의 차이는 1mm의 X방향영역에서의 측정 대상물의 높이변화이다. 따라서 도 6의 측정결과와 도 8의 측정결과와의 차이(측정대상물의 높이변화)를 능동적으로 보상한다.

이어서, 도 9를 참조하여 동작을 설명하면, 도 8의 측정이 완료되면, 로봇 및 NC 장치(1)을 이용하여 +X방향(0.5mm)이송과 동시에 미세구동장치(4)를 이용하여 도 8의 측정의 반대방향인 -Z방향으로 이송하면서 검출신호(광량)을 검출하여 제어기 및 데이타 저장장치(37)의 CPU에 저장한다. 이때의 미세구동장치(4)의 이송거리는 기준으로하는 1mm이송과 로봇 및 NC 장치(1)과 미세구동장치(4)의 구동기들이 상호 동기되어 작동한다. -Z방향으로 이송이 계속 진행되어감에 따라 검출신호(광량)의 세기가 증가하게되고 최대광량이 검출되어지는 지점을 기준으로 검출신호는 감소하게 된다. 도 8에서와 같이 광의 검출은 로봇 및 NC 장치(1)의 X방향의 이송이 0.475mm에 도달하게 될 때까지 수~수십kHz로 이루어지며, 로봇 및 NC 장치(1)의 X방향 이송이 0.475mm에 도달하게되면, 광량의 검출을 멈추고 제어기 및 데이타 저장장치(37)의 CPU에 저장된 광신호들을 기초하여 최대광량의 위치를 검출하기 위한 알고리즘 계산을 수행한다. 이때 도 8의 측정결과와 도 9의 측정결과를 비교하면, 각각의 영역에 따라 최대광량이 검출되는 위치가 차이가 발생하게 되며, 이러한 위치의 차이는 전단계(도7)와 전전단계(도6)의 X방향영역에서의 측정 대상물의 높이변화이다. 따라서 도8의 측정결과와 도 10의 측정결과와의 차이(측정대상물의 높이변화)를 능동적으로 보상한다.

마지막으로, 도 10을 참조하여 동작을 설명하면, 측정대상물(41)의 전체 형상에 대하여 도7과 도8의 단계를 반복하여 수행하여 측정을 완료한다.

이상의 측정과정을 근거하여 수행되는 본 발명의 레이저의 최적 초점거리 측정방법을 도 11을 참조하여 설명하면, 먼저, 로봇 및 NC 장치(1)의 위치를 초기화하는 S1 단계와; 미세구동장치(4)를 초기화하는 S2 단계와; 상기 로봇 및 NC 장치(1)을 초기 위치로 이동하는 S3 단계와; 공초점 원리를 이용하여 검출한 시작점으로 상기 미세구동장치(4)를 이동하는 S4 단계와; 상기 로봇 및 NC 장치(1) 및 미세구동장치(4)를 동기화하여 이동하는 S5 단계와; 측정용 광원(35) 조사하는 S6 단계와; 광량 측정 및 최대 광량을 검출하는 S7 단계와; 종료점인지를 판단하는 S8 단계와; 종료점이면 위치데이타를 저장하는 S9단계 후, 측정을 완료한다. S8 단계에서 종료점이 아니면, 상기 미세구동장치를 구동한 후 상기 S6 단계로 진행하는 S10 단계를 포함한다. 이러한 측정모드의 실행을 완료한 후의 가동모드에서는 공초점원리를 이용하여 검출한 시작점으로 로봇 및 NC 장치(1)이 이송하는 S11 단계와, 측정모드에서의 S9 단계에서 저장한 위치 데이터에 따라 미세구동장치(4)를 최적 초점거리로 이송하는 S12 단계와, 이후 가공을 시작하는 S13 단계를 거쳐 가공을 완료한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 레이저를 측정용 광원으로 사용하여 측정대상물(41)에 조사시킨 후, 측정대상물과 포커싱 광학계가 들어있는 가공헤드의 상대적인 거리에 따라 반사되어 나오는 빛의 광량을 측정하여, 측정된 광량의 최대 위치를 찾는 공초점원리를 이용하여 대물렌즈의 초점거리의 위치를 측정하는 것으로서, 다른 높이검출장치에 비하여 저가의 가격으로 쉽게 구성가능하고 탁월한 분해능을 가지며, 측정영역이 기존의 광학측정장비에 비해 크며 조절이 가능하다. 또한 고정된 위치에서만 측정이 가능한 공초점원리의 단점을 보안하여 일정한 속도로 이송함과 동시에 측정가능할 수 있는 것으로, He-Ne 레이저 광원을 이용하여 측정대상물에 대한 공초점 신호를 얻어, 그 대상물의 높이변화에 따른 가공위치별 최적의 가공헤드의 초점거리를 찾아 그 위치데이터와 함께 저장한 후, 저장된 위치 데이터와 헤드의 초점거리를 예측하여 가동헤드를 동작시키는 측정 및 가공의 동시 수행 방법과 적정 수준이상의 가공속도를 요구할 경우 오차를 최소화하기 위하여 가공헤드의 초점거리와 위치를 컴퓨터에 저장한 후 저장된 위치데이터의 경로에 따라 가공을 하는 전 측정, 후 가공을 실시할 수 있고, 측정과 가동을 동시에 구현하는 방법도 달성되는 효과를 가진다.

더구나, 본 발명은 예를 들어, 가반하중 10kg이고, 이송거리가 ±1mm일 때, 대상물의 표면을 따라 0.1m/min 이상의 측정속도를 가지며 10㎛ 이하의 적절한 위치 분해능을 가지도록 구형된다. 또한, 본 발명은 하나의 가공용 대물렌즈를 사용하여 레이저 가공용 광원과 높이 측정용 광원이 가공용 대물렌즈(31)에 광축과 동 축으로 평형하게 주사되어 있으므로, 광학계가 간편해지며, 동일축상으로 조사되도록 구성되어 짐에 따라 측정분해능이 향상된다.

이상에 설명한 바와 같은 본 발명의 레이저의 최적 초점거리 측정장치 및 방법은 정밀도를 수십에서 수백 ㎛까지 확장함과 동시에, 수 mm 정도로 좀더 넓은 영역의 평균거리를 측정하도록 하면서, 대상물에 접하여 면방향(tangential direction)으로 이동하면서 연속적으로 초점거리를 측정할 수 있는 것으로, 이상의 설명은 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변경내지 변형 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신에 포함된다고 보아야 할 것이다

Claims (4)

1. 용접 로봇및 NC 장치와;

   상기 로봇및 NC 장치의 핸드에 장착되는 광학계와;

   상기 광학계의 미세구동장치와;

   상기 레이저 광원으로부터 상기 광학계를 경유하여 측정대상물에 조사된 레어저광이 상기 측정대상물로 부터 반사될 때, 그 반사광의 강도를 검출하는 광검출수단과;

   상기 로봇 및 NC장치와 상기 미세구동장치를 동기 이송하면서, 상기 측정대상물의 높이변화에 따라 상기 광검출수단에서 검출된 반사광의 강도변화에 근거하여 가공위치별 광량이 최대인 위치를 검출함으로서, 상기 레이저의 최적 초점거리를 연산하고, 그 초점거리의 데이터를 저장하는 저장수단을 포함하는 레이저의 최적 초점거리 측정장치로서,

   상기 측정장치의 측정영역은 공초점 신호의 최대광량의 20%가 되는 지점의 폭이 0.1mm이상 20mm이하이고, 공초점신호의 최대광량의 95%가 되는 지점의 폭이 0.1mm이상 1mm이하인 전영역이 해당되며, 이 영역에 해당되도록 측정용 광원의 광의 파장과 대물렌즈의 NA, 핀홀의 크기, 집광렌즈의 NA를 조절하는 것을 특징으로 하는 레이저의 최적 초점거리 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학계는 측정용 광원과 가공용 광원으로서의 레이저광이 동일한 대물렌즈를 통하여 측정대상물에 광축방향으로 평행하게 조사되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저의 최적 초점거리 측정장치.
3. 레이저의 최적 초점거리 측정방법에 있어서,

   로봇 및 NC장치의 위치를 초기화하는 S1 단계와,

   미세구동장치를 초기화하는 S2 단계와,

   상기 로봇 및 NC장치의 위치를 초기 위치로 이동하는 S3 단계와,

   공초점 원리를 이용하여 시작점으로 상기 미세구동장치를 이동하는 S4 단계와,

   상기 로봇 및 NC장치 및 미세구동장치를 동기화하여 이동하는 S5 단계와,

   측정용 광원을 조사하는 S6 단계와,

   광량 측정 및 최대 광량을 검출하는 S7 단계와,

   종료점인지를 판단하는 S8 단계와,

   종료점이면 위치데이타를 저장하여 측정을 완료하는 S9 단계와,

   종료점이 아니면, 상기 미세구동장치를 구동한 후, 상기 S6 단계로 진행하는 S10 단계를 포함하는 레이저의 최적 초점거리 측정방법.
4. 레이저의 가공 방법에 있어서,

   로봇 및 NC장치의 위치를 초기화하는 S1 단계와,

   미세구동장치를 초기화하는 S2 단계와,

   상기 로봇 및 NC장치의 위치를 초기 위치로 이동하는 S3 단계와,

   공초점 원리를 이용하여 시작점으로 상기 미세구동장치를 이동하는 S4 단계와,

   상기 로봇 및 NC장치 및 미세구동장치를 동기화하여 이동하는 S5 단계와,

   측정용 광원을 조사하는 S6 단계와,

   광량 측정 및 최대 광량을 검출하는 S7 단계와,

   종료점인지를 판단하는 S8 단계와,

   종료점이면 위치데이타를 저장하여 측정을 완료하는 S9 단계와,

   종료점이 아니면, 상기 미세구동장치를 구동한 후, 상기 S6 단계로 진행하는 S10 단계와,

   상기 시작점으로 로봇 및 NC장치를 이동하는 S11 단계와,

   상기 S9 단계에서 저장한 위치데이타의 경로에 따라 미세구동장치를 최적 초점거리로 이송하는 S12 단계와,

   가공을 시작하는 S13 단계를 포함하는 레이저의 가공방법.

Images