KR100899910B1 - 레이저 기계 가공시 초점 제어를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

레이저 기계 가공시 초점 제어를 위한 방법 및 장치 Download PDF

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크레이그 에이. 포달
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Abstract

피가공물(26)에 대하여 레이저 기계 가공을 위해 사용되는 레이저빔(14)의 초점을 유지하기 위한 방법 및 장치는 측정빔(40)을 구비하는 거리 측정 광센서(62, 38)와, 양 빔(14, 38)들에 대한 공통축을 가지는 소정의 광경로(22) 내로 측정빔 및 레이저빔(14, 38)을 합체시키기 위한 거울(30, 32)과, 광경로 내에 위치되는 굴절 렌즈 또는 반사성 포물선형 거울의 형태일 수 있는 포커싱 요소(35)와, 측정빔(40)에 의해 감지된 거리를 기초로 하여 레이저빔(14)의 초점의 위치를 제어하기 위한 제어 수단을 포함한다. 드릴링에 있어서, 일단 구멍이 피가공물에 천공되면, 레이저빔의 적용은 증가하는 거리 측정 변화로부터의 출발을 관측함에 의해 정지될 수 있다.
레이저빔, 측정빔, 초점, 센서, 거울, 광경로, 포커싱 요소

Description

레이저 기계 가공시 초점 제어를 위한 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR FOCAL POINT CONTROL FOR LASER MACHINING}
본 발명은 레이저빔의 초점으로부터 레이저 절단 및 드릴링 시스템들에서 기계 가공될 피가공물의 재료 표면까지의 거리의 측정 및 제어에 관한 것이다. 단순화를 위하여, "기계 가공(machining)"이라는 용어[그리고 "기계 가공된(machined)"과 같은 다른 변형들]가 본 발명에 사용되며, 금속 및 다른 재료들 상에서 레이저에 의해 수행되는 절단, 드릴링, 용접 및 이와 유사한 작업들을 포함하는 것으로 한다.
이러한 기계 가공 시스템들은 레이저빔의 초점이 기계 가공될 부분면에 또는 부분면으로부터 소정의 거리에 정확하게 그리고 반복적으로 위치되는 것을 필요로 한다. 종래 기술의 시스템들은 통상적으로 노즐팁(nozzle tip)으로부터 부분면까지의 거리를 검출하기 위하여 센서를 사용한다. 종래 기술에서 사용되는 센서의 일반적인 유형은 노즐 및 부분면 사이의 커패시턴스(capacitance)를 측정하는 것을 기초로 한다. 이러한 커패시턴스 센서들은 부분면에 대한 레이저빔 초점의 상대 위치를 측정하기 위하여 사용된다. 이어서 노즐은 기설정된 커패시턴스를 유지하기 위하여 부분면 쪽으로 또는 부분면으로부터 떨어져서 이동되는데, 이는 바꾸어 말하면 레이저빔 초점 위치를 유지하는 것이다. 이러한 종래 기술의 방법은 전기적으로 전도성이 있으며 레이저빔의 방향에 일반적으로 수직인 부분면에 대해 만족스러운 것으로 알려졌다. 그러나, 이러한 종래 기술의 용량성 센서들(capacitive sensors)은 비전도성 부분면을 가지고서는 만족스럽게 수행될 수 없었다.
용량성 센서들은 또한 "사이드 센싱(side sensing)"으로 알려진 바람직하지 않은 특성을 나타내는데, 이는 센싱 노즐(sensing nozzle)의 측면이 부분면 또는 부품 부속물에 근접할 때에 일어난다. 노즐 측면의 상대 운동은 센서에 의해 보여지는 커패시턴스 변화에 기여하며, 기계 가공될 또는 드릴링될 노즐팁과 부분면 사이의 정확한 거리는 더 이상 유지되지 않는다. 이러한 바람직하지 않은 사이드 센싱은 부분면의 기하학적 형상(geometry)의 결과로서 일어나는데, 특히 여기서 레이저 가공될 형상체들은 그에 수직인 또는 그에 거의 수직인 면들 가까이에 위치된다. 커패시턴스를 기초로 하는 측정 시스템들에 있어서, 바람직하지 않은 사이드 센싱 효과는 레이저 가공될 부분면이 부분면 및 노즐팁으로부터 부분면을 향해 방출되는 레이저빔에 수직하지 않게 평면으로부터 돌출되는 바로 옆의 윤곽(nearby contour)을 가지는 경우에 항상 일어난다.
용량성 센싱의 제한이 중요한 실시예는 비전도성 재료로 형성되거나 또는 덮여질 수 있는 터빈 엔진 구성 부품에서의 얕은 각도 구멍(shallow angle hole)들의 드릴링에서이다. 이러한 실시예에서는 노즐을 대개 드릴링될 위치에서 부분면에 접하는 평면에 대해 15도와 같이 작은 얕은 각도에 위치시키는 것이 필수적임이 공지되었다. 이와 같은 얕은 각도들에서, 사이드 센싱은 노즐과 부분면 사이의 측정된 거리에서 부정확함의 원인이 된다. 시스템이 사이드 센싱 오차에 대해 보상되도록 교정되는 경우라 하더라도, 얕은 각도들에서의 센싱은 가공점으로부터 떨어진 위치에서의 센싱 부품 편차를 시스템 내에서 발생시킨다. 이로 인해, 시스템은 가공점에서 존재하는 것이 아니라 센싱 영역 내에 존재하는 재료 치수(material dimension)에 대해 반응할 수 있다. 역으로, 이러한 변화가 재료 치수에서의 변화에 의해 차폐되거나 또는 반대로 지시되는 경우에, 시스템은 가공점에서의 재료 치수에서의 변화에 반응하지 않을 수 있다. 얕은 각도들에 있어서, 측정된 거리에서의 부정확함은 부적절하게 위치된 초점에 기인하여 구멍 품질에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 얕은 각도에서 유발되는 아베 오차(Abbe error)에 기인하여 구멍 위치 오차를 유발할 것이다. 아베 오차를 방지하기 위한 미국 특허 제5,340,962호에 기재된 바와 같은 방법이 있음에도 불구하고, 표면이 전기적으로 전도성이 있지 않은 경우에는, 용량성 센싱 기술이 실제 부분면을 정확하게 감지하지 못할 것이다. 접촉 센서(contact sensor)들 및 와류 센서(eddy current sensor)들과 같은, 다른 기술들은 여기서 중요한 레이저 기계 가공 및 구멍 드릴링의 적용에서 다양한 단점들을 나타낸다. 접촉 센서들은 레이저 공정에 의해 발생되는 부스러기가 센서와 감지될 부분면 사이에 축적되어 잘못된 지시값의 원인이 되는 것으로 알려져 있으므로 효과적이지 못하다. 레이저 공정에 의해 발생되는 열 및 플라즈마는 와류 센서들에 손상을 주는 것으로 알려져 있는데, 이는 노즐팁에 위치되어야만 한다.
본 발명은 동일 초점의 홀로그래피 원리(confocal holography principle)를 기초로 하는 센서를 이용하며, 그리고 이스라엘 예루살렘 오피르에 소재한 피가공물의 광학국으로부터 입수 가능한 장치를 사용한다. 선형 코노스코픽 홀로그래피(Linear conoscopic holography)는 미국 특허 제5,953,137호에 개시되어 있다.
또한, 작동 모드에서 시스템을 설치하기 위한 부품들의 재배치에 의해 뒤이어 일어나는 조정 모드를 가지는 어떠한 종래 기술의 시스템과 달리, 본 발명의 센서 및 측정빔은 영구적으로 설치되며, 포커싱 요소(focusing element)가 적용에 따라 변경될 수 있음에도 불구하고, 본 발명의 실시에서 기계 가공 작업들 동안에 활동적인 상태로 유지된다. 본 발명은 기계 가공 레이저 및 측정빔에 의해 공유되는, 포커싱 요소를 포함하는 공통의 광 경로(optical path) 때문에, 포커싱 요소의 변경 후에 기계 가공 레이저의 초점에서의 변화를 추적할 수 있는 능력을 가진다는 점에서, 본 발명은 또한 종래 기술에 대한 이점들을 갖는다. 부가적으로, 포커싱 요소를 포함하는 공유된 광 경로 때문에, 본 발명은 포커싱 요소 상에서의 열적 효과, 즉 포커싱 요소가 렌즈인 경우에 "열적 렌징(thermal lensing)"으로 알려진 효과에 대해 자동으로 보정된다.
도 1은 본 발명을 도시하는 간략화된 광학적 블럭 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 실시에서 유용한 광 경로를 상세하게 도시한 도면으로서, 도 1로부터의 블럭의 상세를 도시하는 도 1의 부분도이다.
도 3은 본 발명의 실시에서 사용되는 평면 볼록 렌즈(plano-convex lens)의 확대도이다.
도 4는 더욱 상세하지만 여전히 간략화된, 본 발명의 상세를 도시하는 광학적 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시에서 유용한 포물선형(parabolic) 반사기의 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시에서 유용한 제어 시스템의 간략화된 블럭 다이어그램이다.
도 7은 도 6에 도시된 제어 시스템의 더욱 상세한 블럭 다이어그램이다.
이제 도 1을 참조하면, 본 발명의 시스템(10)의 블럭 다이어그램을 볼 수 있다. 시스템(10)은 재료의 기계 가공 및 다른 가공을 위한 주 레이저(12)를 포함하는 것이 바람직한데, 이는 경로 새그먼트(path segment; 16)를 따라 주 광경로(15)에 레이저빔(14)을 제공한다. 시스템(10)은 또한 광 경로 새그먼트(43)를 따라 측정빔(40)을 제공하는 센서(38)를 포함한다. 빔(14 및 40)들은 합체되고, 그리고 빔들은 합체된 후에 주 광경로(15)의 적어도 출력부에서 공통축을 공유한다는 점에서 동축이라는 것을 파악할 수 있다. 빔(14 및 40)들은 레이저빔(14)에 의해 기계 가공될 피가공물(28)의 부분면(26)으로 향해진다.
이제 도 2를 또한 참조하면, 주 광경로(15)의 더욱 상세한 사항들을 알 수 있다. 빔(14 및 40)들은 광 결합 요소, 또는 레이저빔(14)에는 반사적이고 측정빔(40)에는 투과적인 이색성 거울(30)에서 합체된다. 요소(30)는 레이저빔(14)을 반사시키기도 하고 측정빔(40)을 투과시키는 코팅으로 일측이 덮여지는 것이 바람직하며, 그리고 요소(30)는 또한 그 요소를 관통하는 측정빔(40)의 투과를 향상시키기 위하여 나머지 일측도 코팅되어 측정빔의 파장에서 반사를 감소시킨다. 요소(30)는 빔(40)이 빔(14)과 동일한 축을 따라 요소(30)를 빠져나가도록 위치되는 것을 알 수 있다. [도면들은 도해적 목적으로 분리된 빔(14 및 40)들을 도시하지만, 실제로는 빔(14 및 40)들은 서로 중첩된다.] 양 빔들은 경로 새그먼트(50)를 따라 포커싱 요소(35)로 향해지는데, 이러한 포커싱 요소는 도 3에 도시된 바와 같은 평면 볼록 렌즈(36) 또는 도 5에 도시된 바와 같은 포물선형 거울(130)의 형태를 가질 수 있거나, 또는 이와 달리 다른 공지된 광 포커싱 장치(도시되지 않음)들의 형태를 가질 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 요소(35)가 렌즈(36)의 형태일 경우에, 이는 포커싱 거리를 나타내는 선(52, 54)들에 의해 지시되는 포커싱 효과를 제공한다. 이제 다시 도 2를 참조하면, 요소(35)가 본 발명의 실시에서 어떠한 형태를 가진다 하더라도, 선(52 및 54)들은 (단일 파장에서의) 평행 광선들은 초점(56)에 모인다는 것을 나타낸다.
이제 또한 도 3을 참조하면, 렌즈(36)는 반경(58) 및 유효 초점 길이(60)를 가지는 것이 바림직하다. 상이한 초점이 요구되는 경우에, 렌즈(36)는 도시된 바와 같은 반경(58)과 상이한 반경을 가지는 또 다른 렌즈로 대체될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 렌즈(36)의 초점 길이(60) 및 초점(56)의 위치는 렌즈(36)가 그로부터 제조되는 재료의 굴절률 n의 함수일 뿐만 아니라, 반경(58) R의 함수라는 것을 이해하는 것이 중요하다. 유효 초점 길이(60) EFFL은
EFFL = R/(n-1) (1)
명확하게 이해되는 바와 같이, 굴절률은 상이한 광 파장에 대하여 상이한 값들을 가진다. 본 발명의 실시에서 다음과 같은 굴절률 n을 가지는 융해된 실리카 렌즈 재료를 사용하는 것이 바람직하다는 것이 밝혀졌다.
파장(㎚) 굴절률 n
685 1.45564
1064 1.44963
상이한 광 주파수들에서의 굴절률에 대한 값들에서의 차이로 인해, 상이한 광 주파수들에서의 유효 초점 길이들 사이에 오프셋(offset)이 있을 것이다. 예를 들어, 렌즈(36)에 대해서 103㎜의 반경 R을 사용하는 경우에, 각각의 파장에 대한 유효 초점 길이 EFFL은 표 2에 보여지는 바와 같다.
파장(㎚) EFFL(㎜)
685 226.06
1064 229.08
이러한 값들 사이의 초점들에서의 차이는 3.02㎜이다. 상이한 초점 길이들 또는 굴절률들의 렌즈들은 (대안적으로) 본 발명의 실시에서 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이제 도 4를 참조하면, 레이저 가공에 대한 거리를 측정하기 위한 시스템(10)의 간략화된 개략도를 볼 수 있다. 시스템(10)은 주 레이저(12)를 포함하는데, 이는 예를 들어 Nd:YAG 레이저 또는 CO2 레이저일 수 있다. 주 레이저(12)는 기계 가공을 위한 레이저빔(14)을 제공하는 장치라는 것이 이해될 것이다. 시스템(10)에 도시되는 바와 같이, 빔(14)은 레이저(12)로부터 새그먼트(16)를 따라 방출되고, 이어서 경로 새그먼트(18, 20, 22 및 24)들을 가지는 주 광경로(15)를 통해 전진한다. 새그먼트(24)는 레이저 기계 가공이 수행될 피가공물(28)의 부분면(26)으로 향해진다.
레이저(12)는 YAG형인 것이 바람직하며, 1064㎚에서 작동되는 것이 바람직하고, 예를 들어 370watt의 최대 평균 출력, 0.2 내지 60Joule의 펄스 에너지, 30Kw의 최대 피크 출력, 0.2 내지 20 마이크로세컨드의 펄스폭 범위 및 150㎐의 최대 반복률을 가지는, 미국 미시건주 48167 노스빌 해거티 22300에 소재한 GSI Lumonics 사로부터 입수 가능한 JK 704 TR형일 수 있다. 거울 또는 요소(30)는 빔(14)을 가로막기 위하여 경로 새그먼트(16) 내에 위치되는 것이 바람직하다(아래에 기재되는 다른 요소들과 함께). 요소(30)는 광학 요소들의 통상의 공급원으로부터 입수 가능한, 0.25인치 두께당 2.0인치 직경의, 용융된 실리카로 형성되는 거울인 것이 바람직하다. 요소(30)는 이 실시예에서 685㎚인 센서(38)의 파장을 포함하는, 가시광 파장에 대해 반사를 방지하는 코팅(antireflective coating)을 가지는 것이 바람직하다. 요소(30)는 광 결합 요소이며, 그리고 이 실시예에서 측정빔(40)의 파장을 포함하는 가시 파장으로부터 광을 투과시키도록 그리고 레이저(12)의 파장에서 광을 반사시키도록 구성된다. 이 실시예에 있어서, 거울(30)은 685㎚를 포함하는 가시 파장에 대해 반사를 방지하는 코팅을 가진다. 반사를 방지하는 코팅의 파장이 상술한 바와 같이 제한되므로, 거울(30)은 주 광경로 새그먼트(18)를 따라 빔(14)을 반사시킨다. 제2 거울(32)은 또 다른 광경로 새그먼트(20)를 따라 빔(14)을 반사시킨다. 제3 거울(34)는 또 다른 주 광경로 새그먼트(22)를 따라 빔(14)을 반사시킨다. 거울(32 및 34)들은 각각 이 실시에에서 1064㎚인 레이저(12)의 파장에 걸쳐 가시광에 대해 반사적이다. 빔(14)은 이어서 포커싱 요소(35)를 관통하는데, 여기서 빔은 최후의 주 광경로 새그먼트(24)에서 초점이 맞춰지고 피가공물(28)의 부분면(26) 상에 충돌한다. 일반적으로, 요소(35)는 부분면(26) 상의 요구되는 지점에 빔(14)의 에너지를 집중시키기 위해 위치된다. 렌즈(36)가 포커싱 요소(35)로 사용되는 경우에, 렌즈(36)는 1.5인치의 직경 및 0.236인치의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 거울(32 및 34)들은 시스템(10) 및 피가공물(28)에 대하여 빔(14 및 40)들을 위치시키는 데 있어서의 단지 편의를 위하여 도 4의 실시예에 포함된다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 거울(32 및 34)들(그리고 요구되는 경우에는 다른 거울들)은 본 발명의 실시에서 선택적이다. 교체 가능한 커버 슬라이드(39)가 레이저 기계 가공 동안에 피가공물(28)로부터 방출되는 재료로부터 요소(35)를 보호하기 위하여 요소(35) 및 피가공물(28)의 부분면(26) 사이에 위치된다. 슬라이드(39)는 융해된 실리카로 형성되는 것이 바람직하며, 레이저(12)의 파장을 거쳐 가시 파장의 투과율을 향상시키기 위하여, 그리고 측정빔 파장에서의 반사율을 방지하기 위하여 코팅된다.
시스템(10)은 또한 광 측정 시스템(38)을 포함하는데, 이는 이스라엘 ㅇ에엘에루살렘 91450 우편 사서함 45201 하르 호츠빔 사이언스-베이스드 인더스트리얼 파크에 소재한 Ophir Optronics사의 광학국(미국 01923 매사츄세츠 댄버 9 일렉트로닉스 애비뉴에 위치)으로부터 모델 Conoprobe 1000으로서 입수 가능한 레이저 다이오드 시스템의 형태일 수 있다. 시스템(10)의 측정빔(40)으로부터 레이저빔(14)의 분리를 가능하게 하기 위하여, 주 레이저(12)로부터 상이한 광 주파수에서 작동하는 측정 시스템(38)을 구비하는 것이 유용함을 알게 되었다. 결국, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 측정빔(40)의 파장은 685 나노미터이다.
시스템(10)에서, 레이저 다이오드 공급원[도시되지는 않았지만, 시스템(38) 내에 위치]으로부터 측정빔(40)의 형태의 조명은 레이저 기계 가공 시스템(10)의 주 광경로(15) 내로 합체된다. 주 광경로는 거울(30)로부터 피가공물(28)까지의 경로(route)를 포함하며, 측정 광경로(43)는 새그먼트(44, 46 및 48)들을 포함한다는 것이 이해될 것이다. 더욱 명확하게는, 주 광경로(15)에 도달하기 전에, 측정빔은 최초로 제1 측정 광경로 새그먼트(44)를 통하여 향해지고, 이어서 거울(45)에 의해 제2 측정 광경로 새그먼트(46)로 향해질 수 있다. 거울(45)은 융해된 실리카로 형성되는 0.25인치 두께당 2.0인치 직경의 요소인 것이 바람직하며, 400 내지 630㎚의 파장에 대해서는 투과적이고 685㎚에서는 빔(40)에 반사적인 거울(45)을 만들기 위하여 가시 반반사성 코팅(visible anti-reflective coating)을 가지는 것이 바람직하다. 새그먼트(46)에서의 측정빔(40)은 측정 광빔 경로 새그먼트(48)로 전진하기 전에 필터(42)를 통하여 향해질 수 있는데, 여기서 측정빔은 그가 주 광경로(15)로 진입하는 것과 마찬가지로 광 결합 요소 또는 거울(30)을 관통한다. 사용되는 경우에, 필터(42)는 융해된 실리카로 형성되는 것이 바람직하다. 대안적으로, 거울(45) 및 필터(42)는 공통 요소(45)로 합체될 수 있다[분리된 요소이든지, 아니면 요소(45)로 합체되든지 간에]. 필터(42)의 목적은 레이저(12)의 파장(이 실시예에서는 1064㎚)에서, 반사되어 산란되는 광 에너지를 차단시키는 것이며, 그리고 요소(30)를 통해 투과될 수 있는 다른 바람직하지 않은 파장들을 차단하기 위해 사용될 수 있다. 센서(38)는 대안적으로 위치(70 또는 72) 중 하나에, 바람직하게는 그를 통해서 측정빔(40)의 투과를 가능하게 하기 위하여 요소(32 또는 34)에 대한 적절한 변화를 가지고, 또한 레이저빔(14)의 반사를 제공하면서 위치될 수 있다. 센서(38)를 위치(70 또는 72)에 위치시킬 경우에, 더욱 집광되는 물리적인 배열을 가능하게 하는 센서(38)의 광경로를 "굴절시키기"위한 추가적인 거울(74)을 포함하는 것이 바람직함을 알게 되었다.
측정빔(40)은 주 레이저빔(14)과 동일한 포커싱 렌즈(36)를 사용하여 초점이 맞춰진다는 것이 이해될 수 있다. 레이저(12)는 상응하게 만들어진 굴절 요소(35)에 대한 변화를 가지고, 임의의 파장으로 될 수 있다. 반사 요소(35)가 사용될 경우에, 변화들은 단지 코팅에 대해 만들어지도록 요구될 수 있다. 적절한 변화는 또한 레이저(12)를 위한 상이한 파장을 수용하기 위하여, 다양한 다른 광학 반사 및 투과 요소들의 코팅들로 만들어질 수도 있다. 본 발명은 광학적으로 적절한 변화를 가지는, 측정빔(40)의 파장보다 짧은 레이저빔(14)의 파장으로 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
광 측정빔(40)은 부분면(26)에서 피가공물(28)에 충돌하며, 광 에너지의 일부분은 주 광경로(15)를 통해 반사된다. 반사된 측정빔(40)은 거울(30)을 통하여 투과되며, 이어서 센서(38)로 되돌아가기 전에 레이저빔 차단 필터(42)(사용될 경우)를 통과한다. 반사된 측정빔(40) 내의 반환 에너지는 센서(미국 특허 제5,953,137호에 기초)에 의해 검사되며, 레이저 다이오드 광 측정빔(40)의 위치는 렌즈(36)를 통과하는 레이저 다이오드 광 측정빔(40)의 초점에 대하여 결정된다. 피가공물(28) 상에서의 반사하는 부분면(26)의 위치의 수치적인 값 표본은 주 레이저빔 초점의 위치를 결정하기 위하여 센서(38)에 의해 시스템(10)에 반환된다. 주 레이저빔(14)의 초점 위치는 다음의 방정식에 의해 레이저 다이오드 광 또는 측정빔(40)의 초점에 대해 결정된다.
FP14 = FP40 + OFFSET (2)
여기서, FP14는 레이저빔(14)의 초점이며, FP40은 측정빔(40)의 초점이고, OFFSET은, 주 레이저(12)와 센서(38)의 광원의 작동 주파수 또는 파장에서의 굴절률의 값에서의 차로 인한 두 초점들 간의 차이다.
이러한 2가지의 정보, 즉 측정빔(40)의 초점에 대한 피가공물의 위치와 측정빔(40)의 초점에 대한 주 레이저빔(14)의 초점의 위치는 부분면의 위치에 있어서의 변화를 결정하기 위하여 공작 기계 장치 운반 시스템(10)의 배치부(positioning part)에 의해 사용된다. 이러한 정보로부터, 1개 또는 그 이상의 기계축들은 공간적으로 요구되는 위치에 주 레이저빔(14)의 초점을 위치시키기 위하여 조정된다. 이러한 기계 조정들은 주 레이저빔(14)의 축을 따르거나[즉, 새그먼트(22)를 따르거나 또는 그에 평행), 또는 미국 특허 제5,340,962호(이 문헌의 내용은 본 명세서에 참고로 포함됨)에서 Schmidt 등에 의해 설명된 바와 같은 어떤 소정의 기계 벡터(machine vector)를 따르거나, 또는 어떤 따른 바람직한 경로를 따를 수 있다. 미국 특허 제5,340,962호의 내용은 센서(38)에 의해 대체되는 용량성 센서 및 측정빔(40)을 가지는 본 발명의 실시에서 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 광학 센서(38)를 사용하면, 특히 처리 및 기계 가공 레이저빔(14)을 가지는 동축 광경로 내에 배치되는 경우에 커패시턴스형 센서의 단점이 회피된다.
본 시스템은 요구되는 바와 같은, 다양한 초점 길이의 렌즈들 또는 반사기들을 가지고 사용될 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 또한, 비록 단순한(구형 종류의) 평면 볼록 렌즈만이 도시된다 하더라도, 필요하다면 1개 이상의 렌즈, 또는 예를 들어 오목-볼록과 같은 다른 렌즈 유형들 또는 기하학적 형상들을 갖는 렌즈들을 사용하는 것은 본 발명의 범위 이내이다.
이제 특히 도 5를 참조하면, 대안적으로, 다른 도면들에서 렌즈(36)로 도시되는 굴절 요소와는 대조적으로 반사형 광학 요소(35)로서 오목 거울(130; 가장 바람직하게는 포물선형 거울)을 사용하는 것이 본 발명의 범위 내이다. 이러한 거울(130)은 다음의 방정식에 의해 정의되는 포물선(131)의 일부분이다.
y2 = 2px (3)
여기서, 초점(132)은 좌표 p/2, 0이며, 선(134)는 세로 좌표 또는 y축이고, 선(136)은 가로 좌표 또는 x축이다. 추가적인 거울(138)은 광[140; 선(142, 144)들에 의해 지시되는 경계들]의 빔을 포물선형 거울(130)로 반사시키기 위해 사용될 수 있다. 선(146)은 포물선(131)의 준선(directrix)이며, 그리고 선(148 및 150)들은 각각 준선(146) 및 초점(132)로부터 포물선(131)으로 연장되는 동일 길이로 되어 있다.
이제 도 4를 다시 참조하면, 비록 본 발명의 일부는 아니라 하더라도, 새그먼트(64)로 끝나는 광경로(15)를 따라 피가공물(28)로부터 반사되는 가시광에 응답하는 CCTV 카메라(62) 및 모니터(도시되지 않음)를 포함하는 것이 바람직함이 알려졌다. 카메라(62)는 피가공물과, 시스템(10)에 의해 수행된 레이저 기계 가공의 결과를 직접 볼 수 있게 한다. 카메라(62)는 또한 가시 파장 측정빔 초점을 조사하기 위해 사용될 수도 있다.
이제 도 6을 또한 참조하면, 본 발명의 실시에서 유용한 제어 시스템의 간략화된 블럭 다이어그램(80)을 볼 수 있다. 블럭 다이어그램(80)은 다축 배치기(82; multi-axis positioner), 컴퓨터 제어기(85), 그리고 도 4에 도시되는 광학 시스템(10)을 포함한다. 이러한 배치기(82)는 연결부(86)에 의해 지시되는 바와 같이, 기계적으로 시스템(10)에 연결된다. 배치기(82)는 위치 신호들을 선(88)을 통하여 제어기(85)로 전송하며, 컨트롤러(85)로부터 선(90)을 통하여 이동 명령을 수취한다. 시스템(10)은 선(92)을 통해 제어기(85)에 데이터를 전송하며, 제어기(85)로부터 지시들을 받는다. 선(88, 90 및 92)은 각각 다중-와이어 연결부라는 것이 이해될 것이다.
이제 또한 도 7을 참조하면, 블럭 다이어그램(80)의 더욱 상세한 사항들을 볼 수 있다. 배치기(82)는 선(88)을 통해 위치 블럭(96)에 위치 정보를 제공하는 엔코더(94)들을 구비한다. 컴퓨터 제어기(85)는 비례-적분-미분/가속도 피드 포워드(PID/AFF) 블럭(102)을 구비하는데, 이는 선(104)을 통해 위치 블럭(96)으로부터 위치 피드백 정보를 받아서 처리한다. 시스템(10)의 센서(38)로부터의 위치 정보는 제2 위치 블럭(106)에서 선(92)을 통해 컴퓨터 제어기(85) 내에 수취된다. 이러한 정보는 선(108)을 통해 비례-적분 블럭(110)으로 전달되며, 이어서 선(112)을 통해 센서 오차값 블럭(114)으로 전달된다. 센서 오차값 블럭(114)은 선(118)을 통해 합산 블럭(116)으로 신호를 전달한다. 프로그램 위치 블럭(100)은 선(122)을 통해 합산 블럭(116)으로, 부분 프로그램으로 정의되는 궤도를 기초로 하는 위치 명령을 전달한다. 합산 블럭(116)은 프로그램 위치 블럭의 츨력을 센서 오차값 블럭(114)의 출력과 합산하며, 선(120)을 통해 PID/AFF블럭(102)으로 전달되는 복합 위치 명령을 생성시킨다. 배치기(82)는 또한 주 광경로의 출력축에 대해 회전을 제공할 필요가 없으므로, x, y 및 z 방향으로 병진 운동하고 2개의 회전 자유도를 제공하는 5개의 축들에서 선(90)을 통하여 PID/AFF블럭(102)으로 향해지는 것과 마찬가지로 시스템(10)을 이동시키기 위한 모터(98)들을 구비한다. 명령들은 또한 주 레이저(12)를 활성화시키고 비활성화시키기 위하여, 그리고 센서(38)를 활성화시키고 응답 지령 신호를 보내기 위하여 선(92)을 통해 전달된다.
작동에 있어서, 폐루프 제어가 측정빔(40) 및 기계 가공 레이저빔(14)의 동축 주 광경로(15)를 통해 기계 가공되는 부분면(26)에 대한 기계 가공 레이저(12)의 초점 위치를 위해 지속된다.
기계 가공 레이저(12)와 동축 빔 경로를 가지는 측정 센서(38)는 센서(38)의 초점에 대한 부분면(26)의 위치를 기초로 하는 출력값(디지털 또는 아날로그 중 하나)을 발생시킨다. 이러한 측정 센서(38)로부터의 데이터는 컴퓨터 제어기(85)로 피드백되는데, 이는 배치기(82)를 사용하여 시스템(10)을 운반 및 위치시키는 CNC(Computer Numerical Control) 공작 기계 조립체인 것이 바람직하다. 이러한 컴퓨터 제어기(85)는 센서(38)로부터 기준값을 저장하는데, 이는 센서 초점과 기계 가공될 부분면(26) 사이의 고정된 거리 관계를 나타낸다. 기계 가공 공정 동안에, 컴퓨터 제어기(85)는 저장된 예상 위치 대 센서 실제 위치 피드백 사이의 차이를 기초로 하는 초점 위치 오차값을 발생시킨다. 이러한 오차값은 블럭(114) 내에서 센서 오차 벡터를 생성시키는 비례 및 적분항들을 가지는 알고리즘을 통해 처리된다. 센서 오차 벡터는 합산 블럭(116) 내에서 블럭(100)으로부터의 프로그램 위치 명령과 합산되며, 선(120)을 통해 PID/AFF블럭(102)으로 전달되는데, 이는 초점 위치 오차를 보정하는 배치기 축 모터(98)들의 선(90)을 통해 개개의 위치 명령을 제공한다. 센서 레이저빔[측점빔(40)] 및 기계 가공 레이저빔(14)의 초점은 주어진 포커싱 요소(35)를 위하여 서로에 대해 고정된 상대 위치를 가지며, 따라서 부분면(26)에 대한 관계에서 측정빔 초점을 제어하는 것은 부분면(26)에 대한 관계에서 기계 가공 레이저빔 초점을 제어한다.
또 다른 실시예는 CNC(85)에 데이터를 저장하는 프로그램된 부분 경로로부터 기계 가공될 면의 위치 오차를 사상하기 위하여, 기계 가공 공정 전에 폐루프 제어모드에서 센서(38)를 사용하는 것이다. 이러한 CNC는 폐루프 초점 위치 오차 보정에 대한 기계 가공 공정 동안에 상술한 알고리즘 내의 오차를 제공한다.
공정의 적어도 하나의 특수화된 모드(충격 드릴링)에 있어서, 피가공물의 최초면에 대하여 단 한번만 포커싱 요소를 포함하는 노즐을 위치시키는 것이 유용하다는 것이 알려졌다. 이러한 모드에서, 부수적인 가공(즉, 피가공물을 관통하는 구멍 전진과 같은) 동안에 노즐을 전진시킬 필요가 없으며, 피가공물와 노즐 사이의 기계적인 간섭을 회피하기 위하여 실제로 그렇게 하지 않는 것이 바람직할 수 있다.
본 시스템의 부가적인 능력은 뚫림(break through)을 검출하는 것이다. 이러한 시스템을 사용하여, 센서로부터의 데이터는 레이저빔(14)이 처리되는 재료의 배면측을 관통하는 때를 검출하기 위하여 해석될 수 있으며, 사실상 레이저빔(14)이 피가공물(28)의 재료의 두께를 뚫는 때를 검출할 수 있다. 펄스가 발생되는 레이저 공급원을 사용하는 경우에, 레이저빔의 비작동 시간(off time) 동안에 얻어진 센서지시값은 주 레이저빔 에너지의 경로에서(즉, 드릴링된 또는 기계가공된 구멍 또는 홈의 "바닥"에서) 직접 재료의 면 위치를 결정하기 위하여 해석될 수 있다. 펄스가 발생되는 레이저 공급원이 관통하는 드릴링을 하고 있거나 또는 그렇지 않으면 펄스당 1개의 재료 두께보다도 적은 비율로 재료를 제거하고 있는 경우에, 펄스들 사이에서의 부분면의 배치는 구멍[아직은 관통되지 않은 비관통 구멍(blind hole)]의 현재 깊이를 제공할 것이다. 일단 주 레이저빔이 피가공물의 배면측을 뚫게 되면, 효과적으로 드릴링되거나 또는 그렇지 않으면 부분의 전체 두께가 관통되어 기계 가공되며, 센서 지시값은 즉시 선행하는 지시값 또는 지시값들 보다 훨씬 상이한 값으로 도약할 것이다. 측정 센서(38)는 최후의 지시값(뚫려진 후)이 뚫려지기 전의 최근의 지시값의 경향으로부터 상당히 상이하다는 것을 지시하는 "범위 외"의 값으로 복귀할 수 있다. 그러나, 어떤 부분에서는 부분의 표면이 유효한 또는 "범위 내"의 센서 지시값을 생성하기 위하여 정렬되고 구멍 위치에 충분히 밀접할 수 있다. 이러한 경우에도, 뚫려지기 직전 그리고 뚫려진 직후의 연속하는 지시값들 사이의 깊이에 있어서의 지시되는 변화는 일반적으로 뚫려지기 전에 일어나는 지시값들에 있어서의 연속적인 변화보다 상당히 클 것이다. 뚫려지는 때에 있어서의 이러한 변화는 주 레이저빔이 전체 재료 두께를 가공했음(뚫음)을 검출하기 위하여 충분히 클 것이다. 뚫림이 검출되는 경우에, 시스템(10)은 구멍의 가공 또는 피어싱 작동을 멈추며, 다음의 부분 프로그램 명령을 가지고 계속된다.
이러한 공정은 가공 사이클 시간을 크게 향상시킨다. 뚫림이 일어나는 때의 인지가 없는 경우에, 부분 프로그램은 재료가 최악의 경우에서 줄곧 완전히 가공되는 것을 보증하기 위하여 일어날 충분한 수의 펄스들을 제공하여야만 한다. 이는 일반적으로 실제로 요구되는 것보다 많은 각각의 피어싱 작동을 위한 다수의 펄스의 프로그래밍에 귀착된다. 추가적인 펄스들을 프로그래밍함으로써, 작동은 완전한 관통이 일어나는 것을 보증하기 위하여 충분한 지속 시간 동안 계속되며, 피가공물은 재가공되거나 또는 폐기될 필요가 없을 것이다.
터빈 엔진 구성 부품들 또는 땜납 스텐실 스크린들과 같은 부분들 또는 피가공물들은 일반적으로 단일 부분 상에 수 천개의 관통 작업들을 가진다. 주 레이저의 뚫림을 검출하는 본 방법에 의해, 상당한 사이클 시간이 제거될 수 있다. 예를 들어, 4000개의 구멍들을 가지며 각각의 구멍들은 재료가 완전한 뚫림을 필요로 하는 터빈 엔진 연소 라이너를 고려해 보자. 이러한 특징의 일반적인 부분 프로그램은 상기 부분들의 복잡성 및 비용에 기인하여, 뚫림의 검출없이는 뚫림당 적어도 5개의 프로그래밍된 여분의 펄스들을 가져야만 할 것이다. 초당 15펄스의 일반적인 펄스 속도에서 구멍당 5개의 여분의 펄스들을 제거함으로써, 사이클 시간은 1333초(22분 이상) 만큼 감소된다.
본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않는 수정과 변형이 가능하므로, 본 발명은 상술한 세부적 설명으로 한정되지 않는다.
따라서, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 레이저 기계 가공에 있어서 초점 제어를 위한 방법 및 장치는 센서 및 측정빔이 영구적으로 설치되며, 포커싱 요소가 기계 가공 작업들 동안에 활동적인 상태로 유지되고, 기계 가공 레이저 및 측정빔에 의해 공유되는, 포커싱 요소를 포함하는 공통의 광경로 때문에, 포커싱 요소의 변경 후에 기계 가공 레이저의 초점에서의 변화를 추적할 수 있는 능력을 가지며, 포커싱 요소 상에서의 열적 효과, 즉 포커싱 요소가 렌즈인 경우에 "열적 렌징"으로 알려진 효과에 대해 자동으로 보정하는 탁월한 효과가 있다.

Claims (54)

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  33. 레이저빔으로 기계 가공하는 시스템에서 포커싱 요소와 피가공물 사이의 제어된 거리를 유지시키는 방법으로서,
    a) 광축을 따라 지향되고, 측정빔을 측정빔 초점에 집중시키는 광 포커싱 요소를 통해 지향되며, 제1 파장을 갖는, 광센서로부터의 측정빔을 사용하여 피가공물의 부분면까지의 거리를 측정하는 단계와;
    b) 상기 측정빔과 함께 광축을 따라 지향되고, 레이저빔을 레이저빔 초점에 집중시키는 상기 광 포커싱 요소를 통해 지향되며, 상기 제1 파장과는 다른 제2 파장을 갖는, 레이저빔을 사용하여 피가공물을 기계 가공하는 단계와;
    c) 상기 측정빔에 의해 감지된 거리와, 상기 레이저빔의 초점이 레이저 기계 가공을 위해 피가공물에 대하여 위치시키고자 하는 위치에 배치되도록 피가공물까지의 거리를 측정할 때 상기 초점들의 위치의 차이를 기초로 하여 피가공물의 부분면에 대하여 레이저빔의 초점 위치를 제어하는 단계를 포함하는, 포커싱 요소와 피가공물 사이의 제어된 거리 유지 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 레이저빔의 파장은 1064 나노미터이며, 상기 측정빔의 파장은 685 나노미터인 것을 특징으로 하는, 포커싱 요소와 피가공물 사이의 제어된 거리 유지 방법.
  35. 레이저 기계 가공 중에 피가공물의 비관통 구멍(blind hole)으로부터 관통 구멍까지의 뚫림(break through)을 검출하는 방법으로서,
    a) 센서와, 레이저와,
    ⅰ) 피가공물 표면까지의 거리를 감지하는 센서에 의해 감지되고 전달되는 제1 파장의 광 측정빔 및
    ⅱ) 피가공물 표면을 기계 가공하는 레이저에 의해 발생되고 상기 제1 파장과는 다른 제2 파장의 레이저빔에 대한 공유된 광 경로를 제공하는 단계로서, 상기 광 경로는 양 빔들을 포커싱하는 광 포커싱 요소를 포함하며, 상기 포커싱 요소는 광 측정빔 및 레이저빔에 대한 별개의 분리된 초점들을 가지며, 상기 분리된 초점들은 포커싱 요소의 광축을 따라 알려진 초점 간격을 갖는 단계와;
    b) 상기 광 측정빔을 광 경로를 통해 지향시켜 상기 측정빔의 초점과 피가공물 표면 사이의 간격을 결정하는 단계와;
    c) 상기 피가공물 표면을 이동시켜 상기 측정빔의 초점과 피가공물 표면 사이의 간격을 조절하여 상기 레이저빔의 초점을 피가공물 표면에 대하여 위치시키고자 하는 위치에 배치시키는 단계와;
    d) 상기 레이저빔을 광 경로를 통해 피가공물로 지향시켜 상기 피가공물 표면으로부터 재료를 제거하여 새로운 면을 형성시키는 단계와;
    e) 감지된 현재의 거리를 감지된 최후의 거리와 비교하여 감지된 현재의 거리와 감지된 최후의 거리 사이의 차이가 기준값보다 작을 때 적어도 상기 단계 b), 단계 d) 및 단계 e)를 반복하는 단계를 포함하는, 피가공물의 비관통 구멍으로부터 관통 구멍까지의 뚫림 검출 방법.
  36. 제35항에 있어서,
    f) 상기 차이가 기준값보다 큰 경우에 적어도 상기 단계 d)를 중지하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 피가공물의 비관통 구멍으로부터 관통 구멍까지의 뚫림 검출 방법.
  37. 제35항에 있어서,
    상기 광 측정빔과 레이저빔은 서로 다른 파장을 가지며, 상기 단계 c)는 상기 광 측정빔에 의해 결정된 거리에 보정을 가하여 상기 빔들의 각각의 초점들의 위치 사이의 차이를 보상하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 피가공물의 비관통 구멍으로부터 관통 구멍까지의 뚫림 검출 방법.
  38. 제35항에 있어서,
    상기 단계 e)는 레이저 기계 가공의 피어싱 작업 중에 수행되는 것을 특징으로 하는, 피가공물의 비관통 구멍으로부터 관통 구멍까지의 뚫림 검출 방법.
  39. 제35항에 있어서,
    상기 단계 e)는 레이저 기계 가공의 드릴링 작업 중에 수행되는 것을 특징으로 하는, 피가공물의 비관통 구멍으로부터 관통 구멍까지의 뚫림 검출 방법.
  40. 레이저 기계 가공 빔의 초점으로부터 상기 빔에 의해 기계 가공될 피가공물 표면까지의 거리를 측정하는 장치로서,
    a) 기계 가공 광 경로를 따라 지향되고, 제1 광 파장을 갖는, 레이저빔을 구비한 레이저 기계 가공 시스템과;
    b) 상기 기계 가공 광 경로의 적어도 일부분을 따라 지향되고, 상기 제1 광 파장과는 다른 제2 광 파장을 갖는, 측정빔을 구비한 거리 측정 광센서와;
    c) 상기 제1 광 파장 및 제2 광 파장에 대하여 상이한 기준 특성 초점 길이를 가지며, 상기 특성 초점 길이가 상기 측정빔을 사용하여 거리 측정 광센서를 위한 거리 측정 초점 길이와 상기 레이저빔을 사용하여 광학적 기계 가공을 위한 작동 초점 길이를 동시에 제공할 수 있도록 상기 기계 가공 광 경로의 공유된 부분에 위치되는 광 포커싱 요소를 포함하는 거리 측정 장치.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 광 포커싱 요소는 굴절형 광학 요소인 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 광 포커싱 요소는 렌즈인 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  43. 제40항에 있어서,
    상기 광 포커싱 요소는 반사형 광학 요소인 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 광 포커싱 요소는 오목 거울인 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 오목 거울은 포물선형 거울인 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  46. 제40항에 있어서,
    제1 축을 따르는 레이저빔과 상기 제1 축과는 다른 제2 축을 따르는 측정빔을 수용하고 상기 레이저빔과 측정빔을 기계 가공 광 경로 내로 합체시키는 빔 결합 요소를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 빔 결합 요소는 공통축을 따라 빔들을 합체시키기 위하여 상기 빔들 중 하나를 반사시키고 상기 빔들 중 다른 하나를 투과시키는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  48. 제40항에 있어서,
    상기 제1 축은 제2 축에 대해 90도로 위치되며, 상기 빔 결합 요소는 레이저빔 및 측정빔 중 하나를 반사시키고 상기 레이저빔 및 측정빔 중 다른 하나를 투과시킬 수 있도록 위치되고 코팅되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  49. 제40항에 있어서,
    상기 제1 광 파장은 1064 나노미터인 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  50. 제49항에 있어서,
    상기 제2 광 파장은 685 나노미터인 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  51. 기계 가공될 부재 표면에 대해 기계 가공 레이저빔의 초점을 유지시키는 방법으로서,
    - 제1 고정 초점을 갖는 기계 가공 레이저빔과 제2 고정 초점을 갖는 측정빔을 공통의 빔 포커싱 요소를 통해서 그리고 동축 경로를 따라 상기 표면으로 지향시키는 단계로서, 상기 제1 초점과 제2 초점은 포커싱 요소의 광축을 따라 알려진 간격을 갖는 단계와;
    - 상기 표면으로부터 반사된 측정빔의 일부를 빔 센서 요소에서 수용하고 상기 측정빔의 제2 초점과 표면 사이의 제1 간격을 측정하는 단계와;
    - 상기 측정된 제1 간격과 알려진 간격에 기초하여 상기 기계 가공 레이저빔의 제1 초점과 표면 사이의 제2 간격을 나타내는 오차 신호를 발생시키는 단계와;
    - 상기 기계 가공될 부재의 이동 중에 기계 가공 레이저빔의 제1 초점이 상기 부재 표면에 맞추어져 유지되도록 상기 부재를 기계 가공 레이저빔에 대해 이동시키는 위치 명령 신호와 상기 오차 신호를 합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 레이저빔 초점 유지 방법.
  52. 제51항에 있어서,
    - 상기 오차 신호를 처리하여 센서 벡터 오차 신호를 형성시키는 단계와,
    - 상기 기계 가공 레이저빔의 제1 초점이 임의의 부재 표면 방향에 대해 상기 표면에 맞추어져 유지되도록 상기 부재를 이동시키는 복합 위치 명령과 상기 센서 벡터 오차 신호를 합하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 레이저빔 초점 유지 방법.
  53. 제51항에 있어서,
    상기 기계 가공 레이저빔은 부재에 구멍을 천공시키는 데 사용되며, 상기 표면으로부터 반사된 측정빔의 일부를 빔 센서 요소에서 수용하는 단계는 기계 가공 레이저빔에 의해 천공된 구멍의 깊이를 측정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 레이저빔 초점 유지 방법.
  54. 제51항에 있어서,
    상기 기계 가공 레이저빔은 부재에 관통 구멍을 천공시키는 데 사용되며, 상기 표면으로부터 반사된 측정빔의 일부를 빔 센서 요소에서 수용하는 단계는 상기 기계 가공 레이저빔이 부재를 관통하는 시기를 측정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 레이저빔 초점 유지 방법.
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