KR100800565B1 - 고속 파이버레이저 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 거치프레임부, 회전디스크, 복수개의 아암조인트, 복수개의 지지아암, 연결바를 포함한 광섬유거치대를 제공함에 따라, 파이버레이저의 고속 용접 또는 커팅 등의 가공시 광섬유부의 파손을 방지하고, 안전하고 신속한 가공을 고속으로 수행할 수 있는 고속 파이버레이저 가공장치에 관한 것이다.

본 발명의 고속 파이버레이저 가공장치는 지면 고정형 가공스테이션(200)과; 이런 가공스테이션(200) 상부에 설치되어 레이저 가공에 필요한 움직임을 제어 받도록 가공제어반(210)에 결합되어 기존 레이저 가공 속도 대비 상대적으로 빠른 속도로 작동하는 이송로봇부(220)를 구비하되, 가공스테이션(200)의 상향에서 육교 형상을 형성하도록 가공스테이션(200)의 양측 부위에 거치프레임부(110)를 결합시킨 다관절 아암 구조의 광섬유거치대(100)와; 가공스테이션(200) 주위의 레이저 발진기(230)와 연결되어서 고출력을 발생시키는 레이저 결합기(240)로부터 인출되어 상기 광섬유거치대(100)를 거쳐 이송로봇부(220)의 가공헤드부(221)까지 연장된 광섬유부(400)를 포함하고, 광섬유부(400)가 광섬유거치대(100)에 의해 가공스테이션(200)의 상부 공간에서 매달린 상태로 거치된 것을 특징으로 한다.

광섬유부, 광섬유거치대, 가공스테이션, 회전디스크

Description

고속 파이버레이저 가공장치{Apparatus for high speed laser machining with fiber laser}

도 1은 종래 기술에 따른 로봇 레이저 가공기를 설명하기 위한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 고속 파이버레이저 가공장치의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시된 고속 파이버레이저 가공장치의 정면도이다.

도 4는 도 2에 도시된 고속 파이버레이저 가공장치의 좌측면도이다.

도 5는 도 2에 도시된 고속 파이버레이저 가공장치의 평면도이다.

도 6은 도 2에 도시된 광섬유거치대의 결합관계를 설명하기 위한 사시도이다.

도 7은 도 6에 도시된 광섬유거치대에 설치된 광섬유부의 설치 경로를 설명하기 위한 확대 정면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 광섬유거치대 110 : 거치프레임부

200 : 가공스테이션 210 : 가공제어반

220 : 이송로봇부 221 : 가공헤드부

230 : 레이저 발진기 240 : 레이저 결합기

250 : 열교환기 260 : 레이저컨트롤러

270 : 집진기 400 : 광섬유부

본 발명은 고속 파이버레이저 가공장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게, 스틸(steel), 알루미늄 등을 포함한 후판 또는 박판의 계측, 절단, 용접 등과 같은 기계적 가공을 위한 자동화설비에 해당하는 고속 파이버레이저 가공장치에 관한 것이다.

일반적으로 레이저를 이용한 커팅 등의 가공 기술은, 크게 레이저부와 구동부로 구성되며, 레이저 자체의 광학기술과 가공 응용기술 및 구동부 제어기술이 모두 필요한 첨단 가공 장치 또는 시스템 분야에 속한다.

이런 종래 기술에 따른 레이저 가공기(장치)는, 지향성이 좋고 쉽게 재료 위에 미소면적으로 집속시킬 수 있는 고출력 레이저 광 또는 빔(beam)을 이용하여, 재료를 용융 또는 증발시키는데 충분한 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문에, 용접(welding), 커팅(cutting), 마킹(marking), 구멍 뚫기 등의 기계적 가공을 수행할 수 있도록 구성되며, 하이브리드형(hybrid type)과, 스테이지 이송형, 다축 로봇형 등이 있다.

예컨대, 하이브리드형의 레이저 커팅장치는 랙-피니언을 이용하여 커팅 헤드 장착대를 장치의 길이 방향(예 : X축방향)으로 이동시키고, 그러한 커팅 헤드 장착대에서 장치의 폭 방향(예 : Y축방향)으로 커팅 헤드를 이송시키는 저속 가공 장치로서, 진동 소음이 심하고, 정밀 작업에 부적합하며 고속 작동이 거의 불가능하다. 특히, 하이브리드형 레이저 커팅장치는 레이저 발진기, 레이저 결합기 등과 같은 비대한 사이즈의 레이저 구성품을 커팅 헤드 장착대의 상부에 직접 탑재하고 있다. 따라서, 커팅 헤드 장착대는 레이저 구성품을 탑재한 상태에서 랙-피니언 방식으로 고속 이동이 불가능하다.

또한, 스테이지 이송형의 레이저 가공기는, 통상적인 이산화탄소(CO2) 레이저와 같이, 렌즈 또는 거울(mirror)과 같은 광학계를 빔(beam) 전송수단으로 사용한다. 따라서, 스테이지 이송형의 레이저 가공기는 레이저 빔 정렬(beam align)을 위한 고정밀 빔 정렬 기구, 발진기, 렌즈 냉각장치가 필요하다. 또한, 스테이지 이송형의 레이저 가공기는 중앙 배치 및 고정 방식을 통해 레이저 빔을 장치 상부의 중앙에서 하향으로 조사한 상태에서, 장치 하부의 스테이지 자체를 X-Y평면에서 이동시키도록 되어 있다. 이런 스테이지 이송형 방식은 스테이지 자체 및 가공물의 고속 작동성을 확보하기 어렵고, 상대적으로 큰 설치 공간이 필요한 단점을 갖고 있고, 비경제적인 가격 및 운영비용 등을 요구한다.

또한, 다축 로봇형 가공기는 도 1에 도시된 바와 같이, 네오디뮴 야그(Nd:YAG) 레이저(1), 5축 로봇(2), 로봇컨트롤러(3)로 이루어져 있다. 로봇컨트롤러(3)는 가공물(works)에 대한 가공 헤드(2a)(machining head)의 위치를 그것 에 대응하는 수치정보로 지령하는 수치제어장치이다.

Nd:YAG 레이저(1)는 단결정 기호 'Y3A|5O12(YAG)' 내에 네오디뮴(Nd)을 소량 첨가시켜 가장 널리 사용되고 있는 고체 레이저로서, 레이저 주 발진 파장이 1.064 mm이다.

Nd:YAG 레이저(1)는 5축 로봇(2)의 가공 헤드 쪽으로 레이저 빔을 전송하기 위해서, 이산화탄소(CO2) 레이저와 다르게, 주지 공용의 일반적인 광섬유(4)(optical fiber)를 단순 이용한다.

Nd:YAG 레이저(1)는 단순히 광섬유(4)를 빔 전송수단으로 사용할 뿐, 조리개(aperture)를 사용하여 빔 품질(Beam Quality)(예 : Beam Parameter Product : 이하 'BPP'라 칭함)이 낮고, 고출력 및 고속 환경의 레이저 구동 장치에 적용되어 사용하지 못하고 있는 실정이다.

또한, 일반적인 광섬유(4)는 유연성이 약하여 일정 휨 변형은 있으나, 광섬유(4)와 연결된 5축 로봇(2)이 고속으로 작동하는 환경에 사용되거나, 텐션(장력, 인장력), 비틀림 또는 휨 변형을 받을 경우, 균열, 파손, 절단될 우려가 있고, 광 도파 효율 저하 등과 같이 빔 품질에 악영향을 가져온다.

종래의 다른 기술로서, 대한민국 특허공보 공고번호 제97-005926호의 산업용 레이저 로봇 시스템을 살펴보면, YAG레이저 빔을 발출하는 1대의 레이저 발진 장치와, 이런 레이저 발진 장치에 의해서 발출된 YAG레이저를 그 에너지 레벨을 조절함과 동시에 복수개의 빔 출광구쪽으로 분기, 송출하는 1대의 레이저 빔 분기 제어 장치와, 이런 레이저 빔 분기 제어 장치의 복수개의 빔 출광구에서부터 복수대의 레이저 로봇까지 각각 YAG레이저 빔을 전송하는 광섬유가 개시되어 있다.

여기서, 광섬유는 앞서 설명하고 도 1에 도시된 광섬유(4)와 같은 것으로서, 고속 작동이 불가능한 통상적인 다축 로봇을 이용한 용접 환경에서만 사용 가능할 뿐, 여전히 고속 환경에서 사용할 수 없는 실정이다.

또한, 종래의 또 다른 기술로서, 이터븀 야그(Yb:YAG)를 이용한 파이버레이저 가공시스템은 TFT-LCD용 유리 판재의 커팅 또는 마킹에 사용되는 것으로서, 단순히 마이크로 용접(micro welding), 커팅, 구멍 뚫기 가공을 수행하도록 저속 및 소형 시스템 구성되며, 분당 1m 정도의 레이저 가공 속도를 갖고 있다.

이에 관련 업계에서는, 분당 수십에서 수백m 정도로 이동 또는 가공 작업할 수 있는 고속 작업용으로 개발된 파이버레이저 가공장치 또는 시스템에 관한 사례가 거의 없는 실정이며, 파이버레이저를 사용하면서도 고속 작동이 가능한 가공장치 내지 시스템의 개발에 연구 노력이 진행되고 있다.

특히, 고속 파이버레이저 가공장치가 요구되는 기술 수준은, 광학 기술, 레이저 기술, 커팅, 용접, 마킹 등을 위한 기계 가공 기술 모두를 고려하여, 고속 작동시에도, 레이저의 정밀도(예 : 초점심도 등), 월플러그효율(wall plug efficiency), 빔 품질(BPP), 결합효율(coupling efficiency) 등이 현실적인 관점에서 문제가 없을 정도로 가공 품질을 갖고 있어야 함과 함께, 공장 및 플랜트 현장에서 사용 가능할 정도의 기술 스팩 및 레이아웃을 만족하여야 한다.

여기서, 초점심도(Depth of Focus)는 심각한 해상력의 저하가 일어나지 않는 범위 내에서 초점 이동의 허용범위를 의미하고, 회절한계, 측정소자의 공간분해능, 광학계의 수치구경에 의하여 결정된다.

월플러그효율은 입력된 전기에너지에 대한 출력된 빛 에너지의 비율을 백분율로 표시한 것을 의미한다.

결합효율은 광소자와 광소자 간의 광 출력의 결합 효율, 즉 능동 소자인 반도체 레이저와 수동 소자인 광섬유, 또는 수동 소자인 일측 광섬유와 다른 수동 소자인 타측 광섬유 사이에서 광 출력의 전달효율을 의미한다.

한편, 현재 개발 및 연구되고 있는 고출력 고체 레이저의 경향은 빔 품질(Beam Quality)을 개선함과 함께, 레이저 원거리 용접(laser remote welding)에 적용할 수 있는 쪽으로 활발히 진행되고 있을 뿐, 고속으로 이동하는 가공 헤드와 결합한 상태에서도 안정된 빔 품질을 확보할 수 있는 연구가 거의 없는 실정이다.

비록, 파이버레이저가 실험실 등에서는 수많은 장점을 갖고 있어서, 레이저 원거리 용접에 가장 적합하다고 예측되고 있다.

여기서, 수많은 장점이란 단지 실험실 등에서 저속 작동을 기준으로, Nd:YAG 레이저와 같이 조리개를 사용하는 레이저(약 10mm·mrad 이상)에 비해, BPP값이 약 8mm·mrad 이하로서 빔 품질이 양호하여, 초점크기(focus diameter)를 동일하게 유지하면서 레이저 빔의 초점길이(focal length)를 1미터이상 길게 할 수 있고, 월플러그효율 기준 에너지 효율이 우수(예 : 파이버레이저가 약 28%, 비교예 : Nd:YAG가 약 3%, Disc Laser가 약 16%)하고, 소비전력도 가장 적고, 다이오드 수명도 가장 길고(예 : 100,000hr, 비교예 : Disc Laser가 10,000hr), 운전비용 또한 가장 저렴하고, 공진기가 없으며 미러(mirror)를 사용하지 않으므로 빔 정렬(beam align)을 위한 고정밀 빔 정렬 기구가 필요 없고, 진동문제도 없으며, 설치면적도 가장 적게 차지하고, 기존의 열 렌즈(thermal lens)현상을 방지하기 위한 렌즈 냉각장치도 필요 없는 것을 의미한다.

그럼에도 불구하고, 파이버레이저를 이용하여 기계적 가공을 수행하고자 한 종래의 가공장치는 가공을 위해 고속으로 가속 또는 감속(급 가감속)시, 고속 설계 조건값 내에서 광섬유 곡율을 일정하게 유지하지 못하거나, 광섬유 자유도를 보장하지 못하여, 광섬유의 물리적 파손을 가져오고 있고, 이와 함께 빔 품질 유지 방안에 대해 어떠한 해결 수단도 제시하지 못하는 상황이다. 예컨대, 광섬유 곡율반경이 과도하게 작을 경우, 빔 품질이 악화되고, 광섬유가 파손될 수 있다.

또한, 종래의 가공장치는 주지의 케이블 베어 등을 사용하여 광섬유를 보호하고자 하였으나, 역시 고속 가공시 광섬유에 텐션(장력, 인장력)이 가해져 광섬유가 절단되거나 균열이 발생되어, 현재 고속 이송에는 광섬유를 사용하지 않고 있거나, 사용하지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하여 현실적으로 고출력 파이버레이저를 고속 환경에서 작동 가능하게 하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 거치프레임부, 회전디스크, 복수개의 아암조인트, 복수개의 지지아암, 연결바(connecting bar)를 포함한 광섬유거치대를 제공함에 따라, 파이버레이저의 고속 용접 또는 커팅 등의 가공시 광섬유부의 파손을 방지하고, 안전하고 신속한 가공을 고속으로 수 행할 수 있는 고속 파이버레이저 가공장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 충격 완충 스토퍼를 아암조인트간 회전 부위에 설치하여, 과도한 회전 및 충격 발생을 방지하여 광섬유부를 안전하게 보호할 수 있는 고속 파이버레이저 가공장치를 제공하고자 한다.

상기한 본 발명의 목적은, 지면 고정형 가공스테이션과; 상기 가공스테이션 상부에 설치되어 레이저 가공에 필요한 움직임을 제어 받도록 가공제어반에 결합되어 기존 레이저 가공 속도 대비 상대적으로 빠른 속도로 작동하는 이송로봇부를 구비한 고속 파이버레이저 가공장치에 있어서, 상기 가공스테이션의 상향에서 육교 형상을 형성하도록 상기 가공스테이션의 양측 부위에 거치프레임부를 결합시킨 다관절 아암 구조의 광섬유거치대와; 상기 가공스테이션 주위의 레이저 발진기와 연결되어서 고출력을 발생시키는 레이저 결합기로부터 인출되어 상기 광섬유거치대를 거쳐 상기 이송로봇부의 가공헤드부까지 연장된 광섬유부를 포함하고, 상기 광섬유부가 상기 광섬유거치대에 의해 상기 가공스테이션의 상부 공간에 매달린 상태로 거치된 것을 특징으로 하는 고속 파이버레이저 가공장치에 의해 달성된다.

본 발명의 설명에서, 다관절 아암 구조란 일측 끝단이 회전디스크에서 회전 가능하게 매달려 있고, 타측 끝단이 가공헤드부의 상면에 세워진 연결바에서 회전 가능하게 지지되어 있으면서, 중앙 부위가 복수개의 조인트축에 의해 다관절 작동이 가능하도록 결합되어 처짐을 방지하면서도 고속에서 광섬유부의 안전성을 확보 할 수 있는 구조를 의미한다.

이하, 도면을 통해 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 고속 파이버레이저 가공장치의 구성을 설명하기 위한 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 고속 파이버레이저 가공장치의 정면도이다. 또한, 도 4는 도 2에 도시된 고속 파이버레이저 가공장치의 좌측면도이고, 도 5는 도 2에 도시된 고속 파이버레이저 가공장치의 평면도이다. 또한, 도 6은 도 2에 도시된 광섬유거치대의 결합관계를 설명하기 위한 사시도이고, 도 7은 도 6에 도시된 광섬유거치대에 설치된 광섬유부의 설치 경로를 설명하기 위한 확대 정면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고속 파이버레이저 가공장치는 기본적으로 레이저 빔 이동형에 해당하되, 대한민국 성인 표준 체격의 작업자(300)를 통해 비교하여 쉽게 이해되듯이, 폭 또는 길이가 2미터 또는 그 이상의 대형 규격으로 제작 가능하다.

본 발명의 고속 파이버레이저 가공장치는 광섬유부(400)의 손상 방지를 위해 다관절 아암 구조를 갖는 광섬유거치대(100)와; 이런 광섬유거치대(100)의 거치프레임부(110)를 지지하는 지면 고정형으로서, 주지의 레이저 가공을 위한 가공스테이션(200)을 구비한다.

광섬유거치대(100)는 가공스테이션(200)의 상향에서 육교 형상을 형성하도록 거치프레임부(110)를 상기 가공스테이션(200)의 양측 부위를 기준으로 설치되어 있다.

또한, 본 발명의 고속 파이버레이저 가공장치는 가공스테이션(200)의 주위에 설치된 가공제어반(210)과; 가공스테이션(200)의 상부에 설치되어서 가공제어반(210)에 의해 왕복 수평 이송이 제어되는 고속 작동용 이송로봇부(220)를 갖는다.

가공제어반(210)은 가공헤드부(221)를 고속 이송시키는 이송 명령을 이송로봇부(220)에게 하달할 때, 적어도 가공헤드부(221)의 이송에 따라 광섬유부(400)가 꼬이지 않도록 하는 별도의 프로그램을 소프트웨어적으로 더 구비하거나, 광섬유부(400)의 꼬임을 감지하는 별도의 센서(도시 안됨)와 결합되는 것이 바람직하다.

이송로봇부(220)는 그의 제어장치인 가공제어반(210)에서 출력되는 시퀀스 제어 신호에 따라서, 가공스테이션(200)의 상부에서 한 쌍을 이루도록 설치된 주 레일을 따라 X축 방향으로 움직이면서, 상기 주 레일에 수직한 보조 레일을 따라 Y축 방향으로 가공헤드부(221)를 고속으로 왕복 수평 이송하도록 구성된 주지의 장치이므로, 여기에서는, 가공스테이션(200)과 이송로봇부(220)에 대해 상기 언급한 내용 이상의 설명을 생략한다.

또한, 본 발명의 고속 파이버레이저 가공장치는 이송로봇부(220)의 가공헤드부(221)에게 레이저 빔을 공급하도록, 복수개의 레이저 발진 모듈을 조합한 레이저 발진기(230)와; 상기 레이저 발진기(230)와 연결되어서 상기 레이저 발진 모듈 각각의 출력값을 결합시켜 고출력을 발생시키는 레이저 결합기(240)를 갖는다.

또한, 본 발명의 고속 파이버레이저 가공장치는 레이저 빔 발생 과정 중에 방출되는 열에너지를 제거하도록, 상기 레이저 발진기(230)와 상기 레이저 결합 기(240)에 결합된 열교환기(250)를 갖는다.

또한, 본 발명의 고속 파이버레이저 가공장치는 레이저 발진기(230), 레이저 결합기(240) 및 열교환기(250)에 결합되어, 레이저 빔의 집광, 발출, 빔 전송, 빔 출력량 조절, 초점심도 조정 등과 같은 레이저 용접 전반에 걸친 작동을 제어하는 주지의 레이저컨트롤러(260)를 갖는다.

또한, 본 발명의 고속 파이버레이저 가공장치는 덕트 등의 흡입 통로를 통해 가공스테이션(200)과 결합된 집진기(270)를 갖는다. 집진기(270)는 레이저 가공 도중 발생되는 각종 이물질(예 : 분진, 칩)을 흡입하도록 주지의 방식으로 구성되어 있다.

한편, 본 발명의 고속 파이버레이저 가공장치는 레이저 결합기(240)의 출력단(241)으로부터 광섬유거치대(100)를 거쳐 가공헤드부(221)까지 연장된 와이어 형상의 광섬유부(400)를 갖는다.

도 3 내지 도 5에 보이듯이, 광섬유거치대(100)는 거치프레임부(110), 회전디스크(120), 복수개의 아암조인트(130 : arm joint), 복수개의 지지아암(140 : supporting arm), 연결바(150)를 포함한다.

거치프레임부(110)는 이송로봇부(220)의 고속 작동(이송)에 간섭되지 않도록 가공스테이션(200)의 양측면에서 이격된 상태로 가공스테이션(200)의 양측면 저부 중앙에서 고정된 복수개의 다리부(111)와; 상기 다리부(111)의 상단 각각에서 육교(gantry) 형상을 형성하도록 결합된 수평부(112)와; 다리부(111)와 수평부(112)의 코너 부위에 용접된 복수개의 보강대(113)를 구비하고 있고, 수평부(112)의 중 앙 아래쪽에서 회전디스크(120)를 회전 가능하게 장착하고 있다.

가공스테이션(200)과 이격된 상태를 유지하거나, 이송로봇부(220)의 고속 작동에 간섭되지 않도록, 거치프레임부(110)의 다리부(111)는 'ㄴ'자 또는 'ㄷ'자 단면을 갖도록 절곡되거나 용접 조립된 형상을 갖는다.

도 5에 보이듯이, 거치프레임부(110)의 수평부(112)의 중앙 저면에는 회전디스크(120)를 수동적(passive)으로 회전시키도록 베어링블록(121)이 설치되어 있다.

베어링블록(121)은 회전중심축(122)의 상단부와의 결합을 위해서, 베어링블록(121)의 내부에 일반적인 베어링을 구비한다. 여기서, 베어링블록(121)은 일반적인 베어링 대신에 자동조심형 베어링(self-aligning type bearings)을 치환하여 사용할 수 있다. 이는, 회전디스크(120)의 미세한 처짐 등에 의해 회전중심축(122)의 결합 방향을 기준으로 경사가 발생하더라도, 자동조심형 베어링의 조심 허용량 범위 내에서, 베어링면의 방향을 바꿔 자유로운 회전 및 결합 자유도를 보장한다.

도 6에 보이듯이, 회전중심축(122)은 중공축부재로 제작되어 있다.

회전중심축(122)의 상단부는 베어링블록(121)의 일반적인 베어링 또는 자동조심형 베어링 중 어느 하나에 결합되며, 반대쪽 하단부는 회전디스크(120)의 회전 중심에 고정되어 있다. 이런 회전중심축(122)의 원주면에는 장공(123)이 형성되어 있다.

회전중심축(122)의 상단부는 개구된 상태로서, 앞서 설명한 레이저 결합기의 출력단으로부터 연장된 광섬유부(400)를 삽입하는데 사용되고, 회전중심축(122)의 장공(123)은 상기 삽입된 광섬유부(400)를 외부로 인출하는데 사용된다.

회전디스크(120)는 복수개의 아암조인트(130) 및 지지아암(140)을 가공스테이션의 상부 공간에서 매달려 있도록 하는 역할을 담당할 수 있도록, 휨변형 등을 최소화한 고강성 재질 및 두께를 갖고 있고, 원형으로 형성되는 것이 바람직하다.

회전디스크(120)의 테두리 부위에는 주지의 베어링을 장착한 중공축부재 형상의 제1조인트축(135)용 제1회전블록(129)이 장착되어 있다.

여기서, 제1회전블록(129)은 앞서 설명한 베어링블록(121)과 유사한 구성을 갖는 것으로서, 회전디스크(120)에 고정될 수 있는 블록몸체의 내부에 일반적인 베어링 또는 자동조심형 베어링을 장착하고 있다.

이런 제1회전블록(129)의 베어링 내경에는 제1조인트축(135)의 상단부가 체결된다.

제1조인트축(135)의 하단부는 제1아암조인트(131)에 결합되어 있다.

제1아암조인트(131)는 제1조인트축(135)의 하단부를 수직하게 세워 결합하기 위한 받침부(131a)와; 이런 받침부(131a)의 반대쪽으로 연장되고 제1지지아암(141)의 일측 단부를 삽입 체결할 수 있는 삽입 구멍을 갖는 마개형 연결부(131b)로 형성되어 있다.

회전중심축(122), 제1, 제2조인트축(135, 136), 연결바(150)는 각각 중공축부재 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

아암조인트(130)는 제1아암조인트(131)를 비롯하여 본 발명에서 설명할 제2, 제3, 제4아암조인트(132, 133, 134)를 통칭하는 것으로서, 제1, 제2조인트축(135, 136) 중 어느 하나 또는 연결바(150)를 기준으로 수동적 회전 환경을 제공한다.

이를 위해, 제2아암조인트(132)도 앞서 설명한 제1회전블록(129)과 동일한 구성 및 형식의 제2회전블록(132c)을 장착한 영문 T자형 브래킷(132d : bracket)을 제1지지아암(141)의 연장 방향과 수직한 방향으로 꺾어서 결합하기 위한 받침부(132a)와; 이런 받침부(132a)의 반대쪽으로 연장되고 제1지지아암(141)의 타측 단부를 삽입 체결할 수 있는 마개형 연결부(132b)로 형성되어 있다.

제2아암조인트(132)의 제2회전블록(132c)에는 제2조인트축(136)의 상단부가 체결되고, 이런 제2조인트축(136)의 하단부는 제3아암조인트(133)에 결합되어 있다.

여기서, 제3아암조인트(133)도 역시, 앞서 설명한 제1, 제2아암조인트(131, 132)의 결합 방식과 유사 또는 대등하게, 제2조인트축(136)의 하단부를 결합시켜 받침 역할을 담당하기 위한 T자형 브래킷(133a)과; 이런 T자형 브래킷(133a)의 반대쪽으로 연장되고 제2지지아암(142)의 일측 단부를 삽입 체결할 수 있는 삽입 구멍을 갖는 마개형 연결부(133b)를 갖는다.

특히, 제3아암조인트(133)의 T자형 브래킷(133a)의 외측면에는, 상기 제2아암조인트(132)의 T자형 브래킷(132d)과 대면하는 방향을 기준으로, 복수개의 충격 완충 스토퍼(133c)가 설치되어 있다. 이들 충격 완충 스토퍼(133c)는, 광섬유부(400)에게 과도한 텐션을 줄 수 있는 과격한 회전에 따른 충격을 감쇄시키고, 유한한 각도 범위 내로 제2, 제3아암조인트(132, 133)간 회전을 구속시키는 충격 완충형 정지턱과 같은 역할을 담당하고, 궁극적으로 광섬유부(400)를 안전하게 보호 한다(도 7 참조).

또한, 제4아암조인트(134)도 역시, 제3회전블록(134c)을 장착한 T자형 브래킷(134a)과; 이런 T자형 브래킷(134a)의 반대쪽으로 연장되고 제2지지아암(142)의 타측 단부를 삽입 체결할 수 있는 삽입 구멍을 갖는 마개형 연결부(134b)를 갖는다. 여기서, 제4아암조인트(134)의 제3회전블록(134c)에는 연결바(150)의 상단부가 회전 가능하게 결합된다.

여기서, 연결바(150)는 앞서 설명한 이송로봇부의 가공헤드부(221)의 상면에서 수직하게 세워진 상태로 연결되어 있고, 다관절 아암 구조의 일측 끝단을 가공헤드부(221)에 지지시켜 다관절 아암 구조의 처짐을 방지하고, 광섬유부(400)를 안전하게 가공헤드부(221) 쪽으로 통과시키도록 보호하는 역할을 담당한다.

이를 위해, 연결바(150)는 중공축부재 형상으로서 가공헤드부(221)와 관통하게 결합되어 있으므로 광섬유부(400)를 가공헤드부(221)쪽으로 연장되도록 통과시키는 역할을 담당한다.

한편, 제1 내지 제4아암조인트(131, 132, 133, 134)를 통칭한 모든 아암조인트(130)는 그의 마개형 연결부(131b, 132b, 133b, 134b)에 볼트 체결용 장공을 형성하고 있으며, 이를 통해 체결되는 스터드볼트 등에 의해 제1, 제2지지아암(141, 142)과 고정된다.

제1, 제2지지아암(141, 142)은 제1지지아암(141) 또는 제2지지아암(142)을 의미한다. 제1, 제2지지아암(141, 142)은 고강성을 요구하면서도 가볍고 부가적인 구성요소의 설치 고정이 용이한 축부재에 해당하는 알루미늄 프로파일(Al profile)이 본 발명에 사용될 수 있다.

제1, 제2지지아암(141, 142)은, 확대된 점선 원의 단면을 살펴볼 때 제1, 제2지지아암(141, 142)의 측면을 기준으로, 단턱형 슬롯(143, 144)을 지지아암 연장방향을 따라 형성하고 있다.

이런 제1, 제2지지아암(141, 142)의 단턱형 슬롯(143, 144)의 소정 지점에는 너트가 위치될 수 있다.

너트는 앞서 설명한 마개형 연결부(131b, 132b, 133b, 134b)의 볼트 체결용 장공을 통해 체결된 볼트와 나사결합될 수 있다.

제1, 제2지지아암(141, 142)의 일부의 단턱형 슬롯(144)은 광섬유부(400)의 안치 및 연장을 위한 것이다.

광섬유부(400)는 'ㄱ'자 또는 'ㄴ'자 단면 형상을 갖는 광섬유홀더(410)에 의해 단턱형 슬롯(144)으로부터 자중 또는 외력에 의해 떨어지지 않게 안치될 수 있다.

광섬유홀더(410)는 볼트 및 너트 결합 방식으로 제1, 제2지지아암(141, 142)의 복수개소에 설치되고(도 7참조), 적어도 단턱형 슬롯(144)에 안치된 광섬유부(400)의 부위를 제1, 제2지지아암(141, 142)에 부합시킨다.

광섬유부(400)는 빛의 전반사를 이용하여 안을 진행하는 빛이 밖으로 빠져나가지 못하도록 가두어 빛을 전달하는 가느다란 실리카 재질로서, 그의 단면을 살펴볼 때, 굴절률이 높은 주지의 코어(401 : core)와; 상기 코어(401)의 둘레를 감싸고 있는 굴절률이 낮은 주지의 클래딩(402 : cladding)과; 상기 클래딩(402)의 둘 레를 감싸고 있는 스테인리스 메시(mesh) 재질의 외장부(403)와; 상기 외장부(403)의 둘레를 감싸고 있고 마찰을 저감시키기 위한 실리콘 페이퍼(silicon paper)와 같은 윤활완충재(404)를 갖는다.

여기서, 윤활완충재(404)는 광섬유부(400)와 제1, 제2지지아암(141, 142)의 단턱형 슬롯(144)의 내표면간 마찰에 의한 응력을 최소화시켜서, 광섬유부(400)를 안전하게 보호할 수 있는 역할을 담당한다.

또한, 광섬유부(400)는 빛의 전반사 조건을 갖추고 있고, 여러 가지 모드가 도파할 수 있는 다중 모드 또는 하나의 모드만 도파할 수 있는 단일모드 중 어느 하나가 본 발명에 적용될 수 있다.

이러한 본 발명의 고속 파이버레이저 가공장치는, 앞서 설명한 베어링블록(121), 제1 내지 제3회전블록(129, 132c, 134c) 내부에 고속 회전이 가능한 베어링(도시 안됨)을 장착한 상태에서 다관절 아암 구조를 형성한 광섬유거치대(100)를 갖고 있기 때문에, 가공헤드부(221)를 고속 이송(M) 시킬 때, 다단계, 예컨대 4단계에 걸쳐 회전(R1, R2, R3, R4)을 수행할 수 있어서, 광섬유부(400)의 곡율 반경을 안전 범위 내에서 확보 시켜줄 수 있고, 자유도를 신뢰성 있게 보장한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 광섬유부(400)는 앞서 설명한 바와 같이, 레이저 결합기의 출력단에서 빠져나온 뒤, 베어링블록(121)이 설치된 광섬유거치대(100)의 상부 위치까지 연장된다.

이후 광섬유부(400)는 베어링블록(121)에 결합된 회전중심축(122)의 개구된 상단부를 통해 삽입된 후, 회전중심축(122)의 원주면의 장공(123)을 통해 빠져나온 다.

계속해서, 광섬유부(400)는 회전디스크(120)에 연결된 제1조인트축(135)의 상단부에서 하단부쪽으로 제1조인트축(135)의 중공을 따라 통과하고, 이후 제1아암조인트(131)의 아래쪽에서 만곡되고 완만한 하향 곡선을 그리면서 벤딩된 후, 제1지지아암(141)의 저부측 단턱형 슬롯(144)을 따라 연장된다. 이때, 광섬유부(400)는 앞서 설명한 바와 같이 광섬유홀더(410)에 의해 약간의 마찰 움직임을 제외한 상태에서 안전하게 구속된다.

또한, 광섬유부(400)는 제1지지아암(141)의 종단 부위에서 상기 단턱형 슬롯(144)을 빠져나와 제2아암조인트(132)의 아래쪽에서 완만한 상향 곡선을 그리면서 벤딩된 후, 제2조인트축(136)의 하단부에서 상단부쪽으로 제2조인트축(136)의 중공을 따라 통과한다.

이런 광섬유부(400)는 제3아암조인트(133)의 위쪽에서 다시 완만한 하향 곡선을 그리면서 벤딩된 후, 제2지지아암(142)의 상부측 단턱형 슬롯을 따라 연장된다. 이때, 광섬유부(400)는 앞서와 동일하게 해당 광섬유홀더(410)에 의해 약간의 마찰 움직임을 제외한 상태에서 안전하게 구속된다.

이런 광섬유부(400)는 제2지지아암(142)의 종단 부위에서 단턱형 슬롯을 빠져나와 제4아암조인트(134)의 위쪽에서 완만한 하향 곡선을 그리면서 벤딩된 후, 연결바(150)의 개구된 상단부를 통해 삽입되고, 연결바(150)의 중공을 따라 하향으로 통과한 후, 결국 가공헤드부(221)에게 레이저 빔을 전송할 수 있게 가공헤드부(221) 내부에 설치된 광출력장치(도시 안됨)에 연결된다.

상술한 바와 같이 광섬유부(400)를 결합한 제1 내지 제4아암조인트(131, 132, 133, 134), 제1, 제2조인트축(135, 136), 제1, 제2지지아암(141, 142)은 회전디스크(120)와 연결바(150)의 사이에서 다관절 아암 구조를 형성하게 된다.

특히, 본 발명의 다관절 아암 구조의 특징을 살펴보면, 제1아암조인트(131) 및 그의 제1조인트축(135)은 회전디스크(120)의 테두리 부위의 제1회전블록(129)에 힌지 결합되어 있되, 이때 회전디스크(120) 자체가 육교 형상을 갖는 거치프레임부(110)의 수평부(112)에서 회전 가능하게 매달려 있다는 점에 주목할 필요가 있다.

이렇게 매달려 있는 구조로서 회전 가능한 회전디스크(120)는 가공헤드부(221)의 고속 작동시에도, 광섬유부(400)를 거치하고 있는 제1, 제2지지아암(141, 142)의 과도하고도 급격한 움직임을 회전 운동으로 전환시켜줌에 따라, 다관절 아암 구조에게 일종의 회전형 댐퍼(damper)와 같은 작용을 발휘한다.

또한, 회전디스크(120)는 광섬유부(400) 자체가 회전디스크(120)의 회전중심축(122) 등과 같은 힌지 결합 지점에서 과도하게 꼬이지 않게 해주는 역할과 x, y 평면상의 모든 좌표로 가공 헤드부가 이동이 가능하도록 하는 역할을 담당한다.

본 발명에 따른 고속 파이버레이저 가공장치는 광섬유부(400)의 곡율 및 자유도를 일정하게 유지할 수 있는 고속 설계 조건값 내에서 파손이 일어나지 않으면서 고속 및 가감속 이송을 실현할 수 있다.

예컨대, 광섬유부(400)의 곡율 및 자유도를 일정하게 유지할 수 있는 고속 설계 조건값이란, 적어도 급이송 속도 분당 100 ∼ 180m/min, 실제 가공 속도 약 30m, 급 가감속 최대 1G 등의 고속 작동 환경에 적합한 값을 의미한다.

본 발명은 이러한 고속 설계 조건값에 부응하여, 고속으로 가공헤드부(221)를 이송시키더라도, 상술한 광섬유거치대(100)에 의해 가공헤드부(221)에 연결된 광섬유부(400)의 절단, 균열, 파손 등이 발생되지 않게 되며, 주지의 파이버레이저의 빔 품질을 최적의 상태로 유지할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의한 고속 파이버레이저 가공장치는 회전디스크와 연결바 사이의 제1 내지 제4아암조인트, 제1, 제2조인트축, 제1, 제2지지아암을 포함한 다관절 아암 구조에 광섬유부를 결합시킨 후 거치프레임부에 매달려 수동적으로 자유 회전 가능하게 한 광섬유거치대를 제공함에 따라, 고속 가공 성능을 확보함과 함께, 상대적으로 큰 설치 공간이 필요 없고, 광섬유부의 절단 또는 균열을 방지할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 고속 파이버레이저 가공장치는 광섬유홀더를 이용하여 제1, 제2지지아암의 단턱형 슬롯에 광섬유부를 안치시킴과 함께, 광섬유부의 둘레에 윤활완충재를 감싸도록 적층시켜서, 광섬유부를 안전하게 보호할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 고속 파이버레이저 가공장치는 광섬유부를 회전디스크의 중심에 해당하는 회전중심축과, 각각의 조인트 중심에 해당하는 제1 및 제2조인트축 및, 가공헤드부의 상면에 세워진 연결바 각각의 중공을 통과하도록 연장됨에 따라, 광섬유부의 곡율 및 자유도를 일정하게 유지 및 보장할 수 있는 장점이 있다.

Claims (9)

1. 지면 고정형 가공스테이션과; 상기 가공스테이션 상부에 설치되어 레이저 가공에 필요한 움직임을 제어 받도록 가공제어반에 결합되어 기존 레이저 가공 속도 대비 상대적으로 빠른 속도로 작동하는 이송로봇부를 구비한 고속 파이버레이저 가공장치에 있어서,

   상기 가공스테이션의 상향에서 육교 형상을 형성하도록 상기 가공스테이션의 양측 부위에 거치프레임부를 결합시킨 다관절 아암 구조의 광섬유거치대와;

   상기 가공스테이션 주위의 레이저 발진기와 연결되어서 고출력을 발생시키는 레이저 결합기로부터 인출되어 상기 광섬유거치대를 거쳐 상기 이송로봇부의 가공헤드부까지 연장된 광섬유부를 포함하고,

   상기 광섬유부가 상기 광섬유거치대에 의해 상기 가공스테이션의 상부 공간에 매달린 상태로 거치된 것을 특징으로 하는 고속 파이버레이저 가공장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가공스테이션 주위에는 흡입 통로를 통해 상기 가공스테이션과 결합되고, 레이저 가공 도중 발생되는 이물질을 흡입하는 집진기가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고속 파이버레이저 가공장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 거치프레임부는 상기 이송로봇부의 고속 이동에 간섭되지 않도록 상기 가공스테이션의 양측면에서 이격된 상태로 상기 가공스테이션의 양측면 저부 중앙에서 고정된 복수개의 다리부와; 상기 다리부의 상단을 육교 형상으로 연결한 수평부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 파이버레이저 가공장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 광섬유거치대는,

   상기 거치프레임부의 수평부의 중앙에서 회전 가능하게 설치된 원형의 회전디스크와; 상기 회전디스크의 테두리 부위에서 제1조인트축과 제1회전블록으로 회전 가능하게 결합된 제1아암조인트와; 상기 제1아암조인트에서 삽입 체결된 일측 단부를 갖는 제1지지아암과; 상기 제1지지아암의 타측 단부에 삽입 체결된 제2아암조인트와; 상기 제2아암조인트에서 제2조인트축과 제2회전블록으로 회전 가능하게 결합된 제3아암조인트와; 상기 제3아암조인트에서 삽입 체결된 일측 단부를 갖는 제2지지아암과; 상기 제2지지아암의 타측 단부에 삽입 체결된 제4아암조인트와; 상기 제4아암조인트에서 회전 가능하게 상단부를 결합시키되 하단부를 상기 이송로봇부의 가공헤드부에 설치된 연결바를 포함하여, 상기 광섬유부의 곡율 및 자유도를 유지하는 것을 특징으로 하는 고속 파이버레이저 가공장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 광섬유부는 빛의 전반사를 이용하여 빛을 전달하도록 굴절률이 높은 코어(core)와; 상기 코어의 둘레를 감싸고 있는 굴절율이 낮은 클래딩(cladding)과; 상기 클래딩의 둘레를 감싸고 있는 스테인리스 메시(mesh) 재질의 외장부와; 상기 외장부의 둘레를 감싸고 있고 마찰을 저감시키기 위한 윤활완충재를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 파이버레이저 가공장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 회전디스크와 상기 거치프레임부의 베어링블록 사이에는, 상기 광섬유부를 통과시키기 위한 장공을 원주면에 형성한 중공축부재 형상의 회전중심축이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 고속 파이버레이저 가공장치.
7. 제4항에 있어서,

   상기 제3아암조인트에서 T자형 브래킷의 외측면에는, 상기 제2아암조인트에 형성된 T자형 브래킷과 대면하는 방향을 기준으로, 복수개의 충격 완충 스토퍼가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고속 파이버레이저 가공장치.
8. 제4항에 있어서,

   상기 광섬유부의 통과를 위해서, 상기 제1조인트축, 상기 제2조인트축, 상기 연결바는 각각 중공축부재 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고속 파이버레이저 가공장치.
9. 제4항에 있어서,

   상기 제1지지아암과 상기 제2지지아암은 복수개의 단턱형 슬롯을 지지아암 연장방향을 따라 형성하고 있되, 상기 단턱형 슬롯에 상기 광섬유부를 안치시키고, 'ㄱ'자 또는 'ㄴ'자 단면 형상을 갖는 광섬유홀더로 상기 광섬유부를 상기 단턱형 슬롯에 구속시킨 것을 특징으로 하는 고속 파이버레이저 가공장치.

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