KR100868087B1 - 레이저절단설비의 자동초점조정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자동초점조정장치는, 레이저절단설비의 절단헤드의 하부에 그 상부가 나사결합되고 내부에 집광렌즈가 장착된 렌즈홀더가 구비되고 그 렌즈홀더의 외주면에는 피동기어가 형성된 이동블럭, 상기 피동기어와 맞물림되는 구동기어가 마련되고, 그 구동기어는 회전수단과 연결설치되며, 이 회전수단은 브라켓에 고정되는 구동부 및 상기 이동블럭의 이동거리값을 제어하는 신호를 상기 구동부에 전달하여 집광렌즈의 위치를 조절하는 제어부를 포함한다.

이러한 자동초점조정장치에 의하면, 레이저와 후판제품간의 초점거리를 자동으로 조정할 수 있게 되어 초점을 조정하는데 소요되는 시간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 작업자가 후판절단시에 절단면이 불량한 것을 인식한 경우 작업을 중단함이 없이 실시간으로 집광렌즈의 초점거리를 조정할 수 있어, 작업의 효율이 향상되고 불량제품의 발생을 감소시킬 수 있다.

레이저절단설비, 집광렌즈, 자동초점조정장치

Description

레이저절단설비의 자동초점조정장치{Apparatus for automatically regulating focus of cutting equipment by laser}

도1은 레이저절단설비의 레이저 발생 원리도.

도2a 및 도2b는 레이저 초점 형성의 양호 및 불량 상태를 나타내는 도면.

도3은 종래 절단헤드부의 단면도.

도4는 본 발명에 따른 자동초점조정장치의 전체 사시도.

도5는 본 발명에 따른 자동초점조정장치의 분해 사시도.

도6은 본 발명에 따른 자동초점조정장치의 단면도.

도7은 본 발명에 따른 자동초점조정장치의 구동부를 나타내는 도면.

도8은 본 발명에 따른 자동초점조정장치의 홀더지지기어를 나타내는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 레이저 발생기 2: 반사경

4: 절단헤드부 5: 집광렌즈

6: 절단헤드 7: 장착노즐

8: 하부노즐 9: 지지대

10: 이동블럭 11: 렌즈홀더

12: 피동기어 13: 렌즈고정너트

14: 고무링 15: 홀더지지기어

20: 구동부 21: 펄스 발생기

22: 회전수단 23: 모터

24: 감속기 25: 구동기어

26: 브라켓 30: 제어부

31: 모니터 32: 푸시버튼

본 발명은 레이저절단설비의 자동초점조정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 레이저절단설비의 절단헤드의 하부에 그 상부가 나사결합되고 내부에 집광렌즈가 장착된 렌즈홀더가 구비되고 그 렌즈홀더의 외주면에는 피동기어가 형성된 이동블럭, 상기 피동기어와 맞물림되는 구동기어가 마련되고, 그 구동기어는 회전수단과 연결설치되며, 이 회전수단은 브라켓에 고정되는 구동부 및 상기 이동블럭의 이동거리값을 제어하는 신호를 상기 구동부에 전달하여 집광렌즈의 위치를 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동초점조정장치에 관한 것이다.

레이저(LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radition)란 유도 방출 과정에 의해 증폭된 광선을 말하며, 보통 빛에 비하여 매우 순수하며 퍼지지 않고 곧바로 진행하는 빛이다. 물체를 태울 때 나는 빛이나 형광등에서 나오는 빛은 고온으로 가열된 원자나 분자 하나하나에서 자유로이 발생하는 빛이며, 이러한 빛은 같은 종류의 원자나 분자에서 나오는 빛이라도 무수히 다른 파장의 빛을 포함하고 있다. 그러나, 레이저광선은 한 종류의 파장만을 가진 빛이며 위상(位相)이 고른 연속된 빛이다. 이 빛의 스펙트럼을 분광프리즘으로 조사해 보면 아주 가는 1개의 선스펙트럼이 된다. 따라서, 레이저광선을 렌즈로 집속하면 고밀도의 에너지원을 매우 작은 넓이(빛의 파장을 단위로 하여 측정할 수 있을 정도)로 집광할 수 있어 금속의 정밀가공 등에 자주 이용되고 있다.

일반적으로 사용되는 레이저절단설비는 도1에서 개략적으로 나타낸 바와 같이 레이저를 발생시키는 레이저 발생기(1)와, 이 레이저 발생기(1)에서 발생된 레이저를 목적지로 이동시키기 위한 다수개의 반사경(2), 최종목적지 근처에서 레이저를 집광시키는 집광렌즈(5)가 장착되는 절단헤드부(4) 및 상기 반사경(2)과 집광렌즈(5) 등을 지지함과 동시에 레이저의 이동경로를 제공하는 덕트 형태의 반사경지지관(3)이 구비된다.

이러한 형태의 레이저절단설비에 의한 작업에 있어서, 제품의 불량은 종종 상기 반사경(2)의 반사각에 오차가 생기거나, 상기 집광렌즈(5)에 의해 레이저의 초점을 정확하게 맞추지 못하는 경우 등에 의해서 발생한다. 특히, 제품의 절단면이 불량하게 되는 것은 집광렌즈와 후판제품과의 초점거리를 정확하게 맞추지 못하기 때문이다. 즉, 렌즈의 초점거리가 정확하게 맞는 경우에는 도2a와 같이 양호한 절단면을 얻을 수 있으나 렌즈의 초점거리가 정확하게 맞지 않은 경우에는 도2b와 같이 불량한 절단면이 얻어진다. 도2b와 같이 불량한 절단면이 발생하는 경우에는 제품 전체를 폐기해야 되므로, 제품의 생산성을 높이기 위해서는 무엇보다도 렌즈 의 초점거리를 정확하게 맞추는 것이 중요하다. 그러나, 종래에는 이러한 초점거리의 조정이 수동으로 이루어져 매우 비효율적이였다.

즉, 후판제품을 절단하는 레이저절단설비에 있어서 집광렌즈와 후판제품과의 초점거리를 조정하는 것은 집광렌즈가 장착되는 절단헤드부에서 이루어지는 바, 이러한 절단헤드부(4)의 종래의 구조를 도시해보면 도3과 같다. 즉, 그 내주면에 나사산이 형성된 원통형의 절단헤드(6)에, 그 외주면에 나사산이 형성된 원통형의 장착노즐(7)이 맞물려 끼워지고 상기 장착노즐(7)의 내부에 집광렌즈(5)가 장착된다. 이러한 종래의 구조에 있어서 렌즈의 초점거리를 맞추기 위해서는, 작업자가 일일이 장착노즐(7)을 돌려가면서 집광렌즈(5)와 후판제품과의 초점거리를 조정하여야 했는데, 이러한 작업은 고도의 숙련된 기술을 필요로 할 뿐만 아니라, 작업시간도 많이 소요되었다. 또한, 실제 후판제품의 절단작업시에 레이저 광의 출력 저하, 기계적 유동 발생, 진동 등으로 초점이 틀려져 절단면이 불량하게 될 때에는 모든 설비의 가동을 중단하고 초점거리를 수동으로 일일이 맞춘 다음 다시 제품을 절단해야 하였으므로 작업의 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 제품의 불량발생율도 높았다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 후판제품을 절단하는 레이저절단설비의 절단헤드부에 있어서, 상하로 이동가능한 이동블럭에 집광렌즈를 장착하고, 이 이동블럭의 이동거리값을 제어할 수 있는 신호에 따라 자동적으로 상기 이동블럭을 상하로 이동시킬 수 있도록 레이저의 초점거리를 조정할 수 있도록 된 자동초점조정장치를 제공함에 그 목적이 있다. 이러한 본 발명에 따 른 자동초점조정장치에 의하면, 일일이 수동으로 초점거리를 맞출 필요가 없기 때문에 시간을 매우 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 절단작업시 절단면이 불량하게 되는 경우 작업을 중단함이없이 실시간으로 초점의 조정이 가능해 작업의 효율을 향상시킬 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 기술적 구성으로서, 본 발명에 따른 자동초점조정장치는, 레이저절단설비의 절단헤드의 하부에 그 상부가 나사결합되고 내부에 집광렌즈가 장착된 렌즈홀더가 구비되고 그 렌즈홀더의 외주면에는 피동기어가 형성된 이동블럭, 상기 피동기어와 맞물림되는 구동기어가 마련되고, 그 구동기어는 회전수단과 연결설치되며, 이 회전수단은 브라켓에 고정되는 구동부 및 상기 이동블럭의 이동거리값을 제어하는 신호를 상기 구동부에 전달하여 집광렌즈의 위치를 조절하는 제어부를 포함한다.

또한, 상기 이동블럭의 하부에는 하부노즐이 나사결합되고, 그 하부노즐과 절단헤드 간에는 지지대에 의해 고정되며, 상기 지지대에는 피동기어와 맞물리는 홀더지지기어가 설치되는 것을 특징으로 하는 자동초점조정장치.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도4는 본 발명에 따른 자동초점조정장치의 전체 사시도이고, 도5는 그 분해사시도이다. 본 발명에 따른 자동초점조정장치는 상하로 이동가능하고 그 내부에 집광렌즈(5)가 장착된 이동블럭(10)과 이 이동블럭(10)을 회전시킴으로써 상하로 이동시키는 구동부(20) 및 이동블럭(10)의 이동거리값을 제어하는 신호를 구동부(20)에 전달하는 제어부(30)로 구성된다.

보다 상세하게 설명하면, 원통형의 절단헤드(6)와 하방으로 둥근 반구형 하부노즐(8)은 그 내주면에 상기 이동블럭(10)가 결합되도록 나사산이 형성되어있고, 상기 절단헤드(6)의 하단과 상기 하부노즐(8)의 상단이 상하로 긴 막대형 지지대(9)에 볼트결합됨으로써, 일정한 간격을 두고 고정지지된다. 이로 인해 생기는 절단헤드(6)와 하부노즐(8) 사이의 공간에 이동블럭(10)이 설치되는데, 이 이동블럭(10)은 절단헤드(6) 및 하부노즐(8)과 나사결합됨으로써 회전에 의해서 상하로 이동될 수 있다. 상기 지지대(9)는 상기 절단헤드(6) 및 하부노즐(8)과 볼트에 의해 분해가능하게 결합되는데, 이는 집광렌즈(5)의 교체 등으로 인해 이들을 분해해야 할 때가 있기 때문이다.

상기 이동블럭(10)은 렌즈홀더(11)와 이 렌즈홀더(11)의 중앙 외주면을 따라 형성되는 피동기어(12)를 포함하는데, 이 렌즈홀더(11)에는 렌즈고정너트(13) 및 고무링(14)에 의해 집광렌즈(5)가 그 내주면 상부에 장착된다. 집광렌즈(5)가 렌즈홀더(11) 내부에 장착된 모습은 도6에 도시되어 있다. 상기 피동기어(12)는 후술할 구동부(20)의 구동기어(25)와 맞물려 돌아감으로써 이동블럭(10)에 회전력을 전달하고 이러한 회전력에 의해 이동블럭(10)은 상하로 이동된다. 또한, 피동기어(12)에는 하나 이상의 홀더지지기어(15)가 맞물려 돌아감으로써 이동블럭의 좌우 흔들림을 방지한다. 이와 같이, 이동블럭(10)은 구동기어(25)에 의해 회전되면서 상하로 이동되지만 그 이동거리는 이동블럭(10)의 피동기어(12)가 구동기어(25) 및 홀 더지지기어(15)와 맞물려 돌아갈 수 있는 폭만으로 제한된다.

상기 구동부(20)의 구성을 도5 및 도7을 참조하여 설명하면, 구동부(20)는 펄스 발생기(Pulse Generator, PLG)(21), 모터(23)와 감속기(24)로 구성된 회전수단(22) 및 구동기어(25)를 포함하고, 이들은 브라켓(26)에 의해 고정지지된다. 펄스 발생기(21)는 상기 제어부로부터 신호를 받아 모터(23)의 회전시키는데 필요한 펄스를 발생시키고, 감속기(24)는 모터(23)의 회전속도를 조절하고, 구동기어(25)는 상기 이동블럭(10)의 피동기어(12)와 맞물려 회전됨으로써 이동블럭(10)을 회전시키는 기능을 한다. 이러한 회전수단(22)에는 감속기(24)가 내장된 모터(23)뿐만 아니라, 모터(23)에 감속기(24)가 연결된 경우 모두를 포함한다.

상기 제어부(30)는 이동블럭(10)의 이동거리값을 표시하는 모니터(31)와 그 이동거리값을 증감시킬 수 있는 푸시버튼(32)을 포함한다. 이러한 구성에 의해서, 작업자는 후판절단작업시에 집광렌즈(5)의 초점이 틀려져 절단면이 불량하게 되는 경우 작업을 중단할 필요없이 간단한 푸시버튼(32)의 조작만으로 집광렌즈(5)의 초점을 실시간으로 조정할 수 있다.

본 발명에 따른 자동초점조정장치의 구동부(2)의 작동원리를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 작업자가 불량한 절단면의 발생을 감지하고 제어부(30)의 푸시버튼(32)을 누르게 되면, 이동블럭(10)의 이동거리값을 제어하는 신호가 구동부(20)의 펄스 발생기(21)에 전달되고, 이 펄스 발생기(21)는 그 신호에 따라 모터(23)를 회전시키는데 필요한 펄스를 발생시킨다. 이 펄스는 모터(23)의 좌우 회전방향, 회전속도 및 회전수 등을 결정하고 이에 따라 모터(23)를 회전시킨다. 이러한 모터(23)의 회전력은 샤프트를 따라 감속기(24)에 전달되고, 감속기(24)는 모터(23)의 회전속도를 감속시켜 이동블럭(10)이 적절한 속도로 이동될 수 있도록 해준다. 이러한 감속기(24)로부터 회전력을 전달받은 구동기어(25)는 이동블럭(10)의 피동기어(12)와 맞물려 돌아감으로써 그 이동블럭(10)이 상하 이동될 수 있도록 해준다.

도8은 본 발명에 따른 자동초점조정장치의 홀더지지기어(15)를 나타낸다. 이 홀더지지기어(15)는 이동블럭(10)의 피동기어(12)와 동일 선상에 위치하도록 지지대(9)에 고정지지된다. 하나 이상의 홀더지지기어(15)가 피동기어(12)와 맞물려 돌아가도록 구성되는데, 상기 구동기어(25)가 피동기어(12)와 맞물려 돌아가는 위치의 정 반대쪽 및 좌우쪽에 하나씩 총 3개로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 홀더지지기어(15)는 이동블럭(10)이 이동시에 좌우로 흔들리는 것을 막아줌으로써 렌즈의 초점이 틀려지는 것을 방지하는 역할을 한다.

본 발명에 따른 자동초점조정장치에 의하면, 레이저와 후판제품간의 초점거리를 자동으로 조정할 수 있게 되어 초점을 조정하는데 소요되는 시간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저절단설비로 후판절단시에 절단면이 불량한 것을 인식한 경우 작업을 중단함이 없이 실시간으로 집광렌즈의 초점거리를 조정할 수 있어, 작업의 효율이 향상되고 불량제품의 발생을 감소시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 레이저절단설비의 절단헤드(6)의 하부에 그 상부가 나사결합되고 내부에 집광렌즈(5)가 장착된 렌즈홀더(11)가 구비되고 그 렌즈홀더(11)의 외주면에는 피동기어(12)가 형성된 이동블럭(10);

   상기 피동기어(12)와 맞물림되는 구동기어(25)가 마련되고, 그 구동기어(25)는 회전수단(22)과 연결설치되며, 이 회전수단(22)은 브라켓(26)에 고정된 구동부(20) 및

   상기 이동블럭(10)의 이동거리값을 제어하는 신호를 상기 구동부(20)에 전달하여 집광렌즈(5)의 위치를 조절하는 제어부(30)를 포함하고,

   상기 이동블럭(10)의 하부에는 하부노즐(8)이 나사결합되고, 하부노즐(8)은 절단헤드(6)와 일정 간격 유지되도록 지지대(9)에 의해 고정되며, 이동블럭(10)은 구동부(20)에 의해 하부노즐(8)과 절단헤드(6) 사이에서 상하로 이동되는 것을 특징으로 하는 자동초점조정장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 지지대(9)에는 피동기어(12)와 맞물리는 홀더지지기어(15)가 설치되는 것을 특징으로 하는 자동초점조정장치.

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