KR101146856B1 - 레이저 용접을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

레이저 용접의 다수 인장(T)은 레이저 빔의 포커싱 및 조향용 장치(16)에 의하여 용접될 구조물 상에서 실행되고, 이때 상기 장치(16)는 매니퓰레이터 로봇(1)의 구성 요소(13)에 결합되어 있다. 포커싱 헤드는 용접될 서로 다른 부위에 근접하지만 매우 가깝지는 않도록 놓여 있고, 단순 경로(R)를 따라 진행할 수 있고, 반면 상기 레이저 빔의 조향용 장치(16)는 레이저 빔을 용접될 구조물의 서로 다른 부위 상에 향하도록 함으로써, 용접 인장의 세로 방향을 따라 레이저 빔 지점의 이동 속도는 로봇의 단부 요소의 이동 속도와는 무관하다.

Description

레이저 용접을 위한 방법 및 장치{A METHOD AND DEVICE FOR LASER WELDING}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 매니퓰레이터 로봇의 투시도이다.
도 2는 용접될 구조물 및 레이저 용접 인장이 이루어지는 다양한 부위 및 용접 주기 동안 로봇에 의해 운반되는 헤드가 뒤따르는 경로의 개략도이다.
도 3은 도 1의 로봇의 터미널 부분을 보여주는 개략적 단면도이다.
도 4는 도3의 변형체를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예의 단면도이다.
본 발명은 레이저 용접을 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 차량의 차체 또는 프레임의 어셈블리 또는 서브어셈블리를 구성하는 금속판으로 이루어진 구조의 용접에 관한 것이다.
본 발명의 출원인은 차량 구조의 레이저 용접을 위한 장치를 제안하였다(예를 들어, 이른바 "레이저게이트(LASERGATE)"시스템에 관한 유럽 특허 EP 0440001 B1 및 EP 0440002 B1 참조). 그러나, 상기 출원인을 위한 레이저 용접은 1900년대 초반 최초로 제안된 후 광범위하게 사용되지는 않았다. 이는 레이저 용접 장치의 최초 실시예가 상기 기술과 관련하여 많은 문제점을 입증한 사실에 원인이 있다.
최초로 중요한 문제는 차량분야에서 아연 도금된 외부 보호층을 갖는 강판을 널리 사용하면서 발생되었다. 상기 층은 레이저-용접 작업 동안 아연 증기를 발생시키고, 이는 때때로 좋은 품질의 용접을 얻는데 문제가 된다.
상기 문제점은 본 출원인의 이름으로 출원된 유럽 특허 출원번호 EP 1238748 A1 및 EP 1236535 A1에서 광범위하게 다루어져 있으며, 이 유럽 특허 출원에는 용접 과정에서 형성된 아연 증기를 배출시키는 방법에 의해 앞서 언급된 기술적 문제를 단순하고 효과적으로 극복할 수 있는 장치가 설명되어 있다. 아연 증기에 의한 상기 문제를 해결하는 또다른 방법은 본 출원인의 이름으로 출원된 이탈리아 특허 출원번호 TO2002A000760에 또한 제시되어 있다.
그러나, 앞서 언급된 기술적 문제가 인지되고, 연구되고, 그리고 완벽하게 해결되는데는 시간이 필요하였고, 이는 차량 분야에서 레이저 용접을 사용하는데 에도 시간이 필요함을 말한다.
차량 구조물 어셈블리에 레이저 용접을 적용하는데 있어서 고려되어야 할 또 다른 중요한 문제는 생산 시간을 단축시키고 또한 고품질의 어셈블리를 보장할 필요성과 관련되어 있다. 차량 차체 어셈블리 또는 서브어셈블리를 위한 스테이션에는 다수의 위치 요소가 있고 그리고 용접 단계에서 구조물을 구성하는 강판 요소의 정확한 위치설정을 가능하게 하는 클램핑 장비가 또한 존재한다. 물론 상기 목적으로 제공될 수 있는 클램핑 장비의 수에는 제한이 있어서, 상기 구조물의 구조는 조립 작업시 충분하지 않은 품질의 결과 때문에 적절히 보장되지 않는다. 용접 스테 이션은 개방된 비작동 상태와 폐쇄된 작동 상태 사이에서 상기 장비를 가동시키기 위한 상응하는 제어 장치와 함께, 클램핑 장비 세트로 인해 비교적 복잡하다. 탄력적인 용접 스테이션의 경우, 용접되어질 구조물의 서로 다른 형태 또는 모형 또는 버전에서 작업할 수 있는 사실 외에도, 상기 용접 스테이션은 클램핑 장비를 지지하는 서로 다른 구조물을 가이드하고 제어하는 수단이 또한 주어져 있고, 이때 상기 수단은 상기 용접 스테이션에 도달하는 차체 또는 서브어셈블리의 형태에 따라 서로 빠르게 교환가능하다. 상기 용접 스테이션의 구조 및 그 부분들의 구조가 비교적 복잡하기 때문에, 용접될 구조물의 여러 영역 가까이에 있는 용접 수단(종래의 경우 전기 용접 건 또는 요크, 레이저 용접의 경우 레이저 헤드)을 운반하는데 사용되는 매니퓰레이터 로봇의 작업은 더욱 어려워진다.
전기 용접 건(gun)을 사용하는 종래 기술의 경우 및 레이저 용접의 경우 모두에서, 상기 로봇은 용접할 구조물의 연속된 영역으로 계속적으로 이동한다. 결과적으로, 용접될 구조물이 용접 스테이션에 도달한 이후, 상기 구조물은 각 로봇이 모든 용접을 수행하기에 충분한 시간 동안 상기 스테이션에 있게 된다. 분명히, 상기 용접 스테이션에 머무르는 시간은 로봇의 수가 증가할수록 줄어들 수 있지만, 이것도 비용 측면에서 그리고 각 로봇이 인접한 로봇의 동작에 방해가 되기 때문에 한계가 있다.
반면에, 각 로봇이 모든 용접을 하는데 사용된 시간은 다양한 용접을 하는데 필요한 시간의 합계 및 용접될 부위로 들어오는 각 경우에 점유된 시간으로 표현되고, 그리고 상기 시간은 무시할 수가 없어서, 특히 로봇이 비교적 비틀린 경로를 따르게 될 때, 상기 시간은 용접될 구조물의 부분이나 클램핑 장비의 여러 부분과의 간섭을 방지하는데 필요하다.
반면, 차량 구조물에 용접을 시작할 때, 가용 레이저 발생기는 현재 사용가능한 것보다 덜 효율적이고 덜 강력하다. 제 1 세대 레이저 발생기에서는, 용접될 구조물에 비교적 가까운 로봇에 의해 운반된 레이저 헤드의 위치를 보장하는 것이 필수적이었기 때문에, 종래의 점-용접 기술과 비교하여 레이저 기술은 특별한 장점을 제공하지는 못하였다. 현재 사용가능한 레이저 시스템은 그 대신 생산 시간을 단축시키는 새롭고 도움이 되는 방식이다.
상기의 발전의 기초가 되고 본 출원인에 의해 실시된 초기 실험의 주제를 이루었던 개념은 용접될 상기 구조물로부터 일정한 거리에서 상기 레이저 헤드를 유지하는 것이며 또한 레이저 헤드의 위치를 변경하지 않은 채 레이저 빔을 용접될 구조물의 서로 다른 부위에 포커싱(focusing) 하는 수단을 제공하는 것이다. 이는 물론 용접 인장(stretch)이나 용접 비드(bead)를 수행하기 위해 주어진 부위에 용접될 구조물에 대하여 레이저 빔을 움직이는데 이용되고, 또한 특히 상기 로봇에 의해 운반된 헤드를 움직이지 않고서 상기 구조물의 서로 다른 부위들을 용접하는데 이용된다. 이러한 해결책은 본 출원인이 공동 소유자가 되는 유럽 특허 출원번호 EP1228835A1(원격 레이저 용접 방법 및 시스템)에서 본 출원인에 의해 제시되었다. 그러나, 상기 공지된 시스템은 "직교 좌표(cartesian)" 로봇에 적용되고, "직립인간형상(anthropomorphic)" 형태의 로봇에는 적용되지는 않으며, 추가되더라도 통합되지는 않는다.
본 발명의 목적은 향상된 레이저-용접 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 차량 차체 또는 그 서브어셈블리와 같은 구조물의 레이저 용접을 단순하고 효과적인 방법으로, 고품질의 용접 특성을 보장하면서 동시에 생산 시간을 단축시킴으로써 앞서 언급한 기본적인 개념을 이용할 수 있는 것이다.
본 발명에 따라, 상기 목적은 청구항 1에 언급된 방법을 통해 그리고/또는 청구항 4에 따른 장치를 통해 이루어진다.
본 발명의 추가적 특성은 인용항들에서 제시된다.
용접될 소재로부터 포커싱 헤드를 일정한 거리에 유지함으로써 용접 과정에서 로봇에 의해 운반되는 상기 헤드의 경로를 매우 단순화시킬 수 있다. 용접 단계 동안, 상기 레이저 헤드는 일정한 거리에서 용접될 소재 위를 지나가며, 반면 동시에 포커싱된 레이저 빔은 다양한 방법으로 방향이 정해지므로 상기 소재의 서로 다른 부위에서 용접 인발을 실행한다. 각각의 용접 작업 동안, 상기 포커싱된 레이저 빔의 움직임은 상기 로봇의 움직임과 상기 레이저 헤드에 대한 레이저 빔 방향의 움직임의 합계가 되는 복잡한 움직임이다. 상기 포커싱된 레이저 빔이 향하는 방향을 정하는 상기 로봇과 스캐닝 장치의 움직임은 원하는 결과를 얻도록 조정되어야 한다. 유럽 특허 EP 0483385 A1에서는 상기 경로와 무관한 경로 및 속도 그리고 상기 로봇의 단부 요소의 속도에 따라 레이저 빔의 방향이 설정되는 레이저 용접 장치를 설명하고 있다. 그러나, 이러한 공지된 장치에서, 앞서 언급한 개념은 레이저 빔에 주기적 진동을 전달하는데 단지 이용되지만, 상기 로봇의 단부 요소는 용접 인장의 세로 방향으로 움직인다. 따라서, 이러한 공지된 장치에서 상기 레이저 빔의 용접 인장의 세로 방향 움직임은 상기 로봇의 단부 요소의 속도에 의해 단순히 결정된다. 본 발명의 경우, 용접 인장의 세로 방향을 따른 레이저 빔 점의 움직임 속도는 상기 로봇의 단부 요소의 움직임 속도와 무관하게 조정될 수 있다.
도 1에서, 참조번호 1은 공지된 방식의 매니퓰레이터 로봇을 지정한다. 본 출원인은 직립인간형상의 매니퓰레이터 로봇을 생산 및 출시하였는데, 상기 로봇은 개별 축(일반적으로 여섯 개)에 따라 회전하거나 관절이 연결되도록 요소 세트를 갖고 있다. 상기 축들의 각각에 전기 제어 모터가 연결되어 있다. 상기 전기 모터는 로봇에 연결된 제어 유닛(2)에 의해 제어된다. 상기 유닛(2)은 상기 전기 모터를 제어할 수 있어서, 로봇의 단부를 운반하는 로봇의 연결 구조물 또는 로봇의 손목부를 지정된 모양과 치수로 공간상의 어떤 지점으로 공간적으로 이동시키게 된다. 본 발명의 제 1 실시예에서, 로봇의 단부 요소에는 레이저 빔의 목표 방향을 포커싱하고 조향하기 위한 통합 장치(3)가 있다. 로봇(1)은 실제로 레이저 발생기(4)와 연관되어 있으며, 상기 레이저 발생기는 고체(solid state) 형태가 선호된다. 상기 발생기(4)로부터 출력되는 레이저 빔은 광섬유 또는 광섬유 다발에 의해 상기 포커싱 및 조향용 장치(3)로 안내된다. 본 발명의 중요한 특성은 도 3에서와 같이 상기 광섬유(5)의 단부가 로봇의 구조물내에 통합된다. 상기 광섬유(5)는 공지된 형태의 광-토치(optical-torch) 장치(6)로 종결된다. 도 3에 도시된 경우와 같이, 상기 토치(6)로부터 레이저 빔(7)이 발산되며, 이 레이저 빔(7)은 제 1 렌즈 (8)에 의해 이후 조준된다. 상기 조준된 빔(9)은 렌즈(10)에서 수용되고, 렌즈(10)는 발산형 빔(11)을 내보낸다. 상기 렌즈(10)는 로봇 요소의 구조물(13) 내의 슬라이드(12)에 의해 축 상에서 미끄러지도록 장착되어 있다. 상기 슬라이드(12)의 움직임은 공지된 형태의 전기 구동기(도시되지 않음)에 의해 제어되며, 상기 전기 구동기는 마찬가지로 제 2 프로그램가능한 전자 제어 장치에 의해 제어된다. 도시된 실시예에서, 상기 제 2 제어 장치는 로봇의 제어 장치(2)내에 통합되어 있다. 그러나, 제 2 제어 장치는 로봇 제어 장치와 분리되어서 상호 작용하도록 제공될 수도 있다. 상기 발산형 빔(11)은 제 2 조준 렌즈(14)에서 수용되고, 이 제 2 조준 렌즈는 조준된 빔(15)을 내보내고, 이 조준된 빔(15)은 목표하는 방향으로 조향하도록 스캐닝 장치(16)로 들어간다. 스캐닝 장치(16)는 연속된 두 개의 반사 거울(17, 18)을 포함하며, 상기 거울은 축(19) 및 축(20) 주위로 각각 조향될 수 있고, 상기 축들은 서로 직교하고 동일평면이 되지 않는다. 물론, 상기 두 거울(17, 18)은 두 개의 축 주위로 조향될 수 있는 단일 거울로 대체될 수 있다. 상기 두 거울(17, 18)의 움직임은 공지된 형태의 전기 구동기(도시되지 않음)에 의해 제어되며, 이 전기 구동기는 원하는 방향으로 레이저 빔을 조향하도록 제 2 제어 장치에 의해 제어된다. 레이저 빔(15)은 상기 두 거울(17, 18)에 의해 연속적으로 반사된 후 렌즈(21)에 도달하고, 이 렌즈(21)는 상기 빔을 소재(22) 표면의 지점(F)으로 포커싱한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 상기 렌즈(21)는 이른바 F-θ 형태로서, 빔의 방향에 관계없이 상기 빔을 상기 소재(22) 표면의 평면에 속하는 지점으로 항상 포커싱한다.
상기 거울(17, 18)의 조향을 제어함으로써, 도 3에서 L로 표시된 최종 포커싱된 레이저 빔을 조향하는 것이 가능하다. 더욱이, 렌즈(10)의 축 상의 위치를 조정함으로써, 초점 거리를 조정할 수 있다.
앞서 설명된 배치로 인해, 로봇의 요소(13)의 고정된 위치에 대하여 상기 포커싱된 빔(L)은 서로 다른 방향으로 가리키게 됨으로써, 도 1에서 개략적으로 표현되고 S로 표시된 고체의 어떤 지점(F) 상에 포커싱하도록 한다.
도 1, 3의 장치에서는 도 2에서 R로 표시된 경로에 따라 로봇의 최단부를 움직임으로써, 용접될 구조물(23)의 연속된 용접 인장(T)을 수행하는 것이 가능하다. 상기 로봇의 최단부가 경로(R)를 따라 배치되지만, 소재(23)로부터 일정한 거리에 있고 그리고 장치(3)에서 획득된 상기 포커싱된 빔(L)의 조향 가능성으로 인해 다양한 용접 인장(T)을 수행할 수 있다. 로봇이 상기 소재 위를 넘어가는 반면, 상기 장치(3)는 레이저 빔을 적절히 지향하게 함으로써 다양한 용접 부위를 연속적으로 "조명(illuminate)"한다. 상기 움직임은 생산 시간을 최적화할 목적으로 조정된다. 로봇의 움직임 동안, 레이저 빔은 로봇의 움직임을 예상하면서 로봇보다 빨리 진행할 수 있거나, 또는 로봇이 진행되는 동안에도 소재의 주어진 부위가 계속 조명되도록 할 수 있다.
분명히, 앞서 언급된 결과는 상기 로봇의 움직임 및 상기 장치에서 움직이는 부분의 움직임을 둘 다 제어하기 위하여 적절히 프로그램된 전자적 제어를 필요로 함을 나타내고 있다. 본 발명에 따라 앞서 언급된 제 2 전자 제어 장치는 로봇 제어 장치로 통합되거나 또는 분리되어서 앞서 언급된 제어 동작들을 실행하도록 상 호작용할 수 있다.
도 4는 도 3의 변형을 도시하고 있으며, 스캐닝 시스템의 다른 구조를 나타내는 점에서 도 3과는 다르다.
도 4에서, 도 3과 공통되는 부분은 동일한 참조번호로 표시되어 있다. 이 경우, 상기 토치(6)로부터 출력되는 발산형 레이저 빔(7)은 고정된 렌즈(8)에 의해 조준되고, 단일 이동 렌즈로 구성된 포커싱 시스템(도 4의 위치(25)로부터 위치(25')까지)으로 들어가고, 그리고 고정된 거울(27)에 의해 반사되고 이후 이동 거울(28)에 의해 반사되며, 이때 상기 이동 거울(28)은 축(29) 주위로 왕복할 수 있고 그리고 구조(32)에서 축(31) 주위로 회전할 수 있는 구조물(30)에 의해 운반되고, 상기 구조물(32)은 고정된 거울(27)을 운반하고 구조물(13)에 연결되어 있다.
도 5에서 두 개의 광학 그룹(108, 109)은 각각 몸체(108a, 109a)를 가지며, 이 몸체는 상기 광학 토치(6)의 단부가 삽입되는 튜브 형태의 부싱(110)내에 장착되어 있다.
도 5에는 상기 광학 그룹(108, 109)의 이동 렌즈가 상기 각 그룹의 광학 몸체에 관해 구동되는 방법이 주어져 있지 않으며, 또한 상기 렌즈의 축 상의 이동을 제어하는 모터 수단도 주어져 있지 않으며, 또한 상기 렌즈와 연관된 기계적 전달 장치도 주어져 있지 않지만, 이러한 구조적인 상세 사항은 어떤 공지된 방법으로 구현될 수 있으며, 그리고 빠르고 쉽고 이해하도록 이러한 상세 사항은 도면에서 삭제되었다. 그러나, 상기 광학 그룹(108, 109)의 렌즈들을 제어하기 위한 축 상의 이동은 함께 조정되어야하는 점이 중요하다. 이는 상기 광학 그룹(108 및 109)의 렌즈들의 제어 이동을 구동하는 모터 수단의 적절한 전자 제어에 의해 조정되고, 그리고 대안으로는 두 광학 그룹(108, 109)의 이동 부분 사이에 기계적 트랜스매션(가령, 캠 트랜스미션)을 배치함으로써 또한 조정되며, 이때 상기 기계적 트랜스미션은 한편으로 상기 광학 그룹 중 하나에 대하여 모터 수단을 배치하는 장점을 가지고 다른 한편으로 상기 광학 그룹의 이동을 전자적으로 제어하는 필요성을 없애는 장점을 갖는다.
상기 실시예에서, 튜브 형태의 부싱(10)은 로봇의 요소(팔)를 나타내는 튜브 형태의 몸체(11) 내에 배치되어 있다. 그러나, 본 발명의 장치는 로봇으로부터 분리된 부속 장치가 될 수 있으며, 가령 관절식 로봇의 손목부위에 장착될 수 있다.
상기 실시예에서, 광학 그룹(108)은 조준용 줌 모듈러스(zoom modulus)로서, 축 상으로 움직일 수 있는 제 1 연속 렌즈(112)를 포함하며, 상기 렌즈(112)로부터 직경이 확대된 발산형 빔(113)이 나타나고, 그리고 하나 이상의 고정 렌즈(114)는 빔을 평행하게 조준한다. 상기 조준 모듈러스(108)로부터 나타나는 조준된 레이저 빔(115)은 제 2 광학 그룹(109)을 구성하는 렌즈(116)를 통과하게 되고, 따라서 상기 빔(115)은 비교적 넓은 직경을 갖는 발산형 빔(117)으로 변환된다. 상기 두 광학 그룹(108, 109)의 렌즈를 축 상에서 이동함으로써 상기 그룹에서 나타나는 발산형 빔의 직경을 바꿀 수 있다. 상기 빔(117)은 지지용 구조물(119)로부터 운반된 고정식 거울(118)로부터 90ㅀ 회전되고, 이때 상기 구조물(119)은 상기 장치의 튜브형 몸체(110)에 고정되어 있다. 거울(118)에 의해 반사된 발산형 빔(120)은 상기 구조물(119)로부터 단단히 지지된 하나이상의 연결 렌즈를 포함한 고정식 포커싱 모듈러스(121)에 의해 포커싱된다. 포커싱 모듈러스(121)는 상기 빔을 지정된 각도의 원뿔체로써 포커싱할 수 있지만, 빔의 포커싱 거리 즉, 상기 포커싱 모듈러스(121)로부터 포커싱 지점의 거리는 빔(120)이 상기 포커싱 모듈러스(121)에 도달하는 직경에 따라 변화한다. F로 표시된 포커싱된 빔은 서로 직교하는 두 개의 오실레이션 축을 갖는 거울(122)에 의해 반사된다. 특히, 상기 거울(122)은 지지 구조물(124)에 의해 축(123) 주위로 선회가능하게 지지되어 있으며, 이때 상기 지지 구조물(124)은 축(125) 주위로 구조물(119)에 의해 회전가능하게 지지되어 있다. 이 경우, 도 5에는 두 축(123, 125) 주위로 거울(122)의 오실레이션을 제어하는 모터 수단이 나타나 있지 않지만, 어떤 공지된 방법으로 구현될 수 있으며 쉽고 빠른 이해를 위해 상세 사항은 삭제되었다. 본 발명에 따른 장치는 상기 레이저 빔(F)의 초점 거리를 변화시키도록 상기 두 광학 그룹(108, 109)의 축 상에서의 위치를 조정하는 모터 수단을 예상할 수 있으며, 그리고 상기 포커싱된 레이저 빔(F)을 공간상에서 방향을 정하도록 상기 왕복 거울(122)의 두 오실레이션 축(123, 125)을 제어하는 모터 수단을 또한 예상할 수 있다. 상기 레이저 빔(F)의 초점은 본 장치의 작업 필요에 따라 지정된 3차원 공간의 체적 내에서 이동할 수 있다.
초점 거리를 변화시키면 상기 구조물로부터 포커싱 그룹의 거리가 변하더라도 용접될 구조물 상의 조명 지점의 치수(직경)를 변동시키지 않게 되고, 다라서 균일한 용접 품질을 획득하게 된다. 또한 레이저 빔의 조향 가능성으로 인해, 원격 용접의 원리에 따라 용접을 실행할 수 있으며, 특히 로봇에 의한 상기 장치의 이동시 레이저 빔의 방향을 조정하면 구조물 상의 용접 지점은 경로 및/또는 상기 경로 와 무관한 비율 및/또는 로봇이 상기 장치를 움직이는 비율 등에 따라 이동하게 된다. 앞서 도시된 장치는 상업적 로봇의 손목부위에 장착될 수 있는 부속 장치를 구성할 수 있고, 또는 로봇의 동일한 구조 내에 포함될 수도 있다.
본 발명에서 추가로 선호되는 특징으로, 본 발명에 따른 장치에는 용접될 구조물로부터의 거리를 감지하는 장치가 갖추어질 수 있고, 그리고 상기 감지된 거리에 따라 상기 광학 그룹(108, 109)의 축 상에서의 위치를 제어함으로써 초점 거리를 자동으로 조정하는 수단이 또한 갖추어질 수 있다.
차량 구조물에 용접을 시작할 때, 가용 레이저 발생기는 현재 사용가능한 것보다 덜 효율적이고 덜 강력하다. 제 1 세대 레이저 발생기에서는, 용접될 구조물에 비교적 가까운 로봇에 의해 운반된 레이저 헤드의 위치를 보장하는 것이 필수적이었기 때문에, 종래의 점-용접 기술과 비교하여 레이저 기술은 특별한 장점을 제공하지는 못하였다. 현재 사용가능한 레이저 시스템은 그 대신 생산 시간을 단축시키는 새롭고 도움이 되는 방식이다.
상기의 발전의 기초가 되고 본 출원인에 의해 실시된 초기 실험의 주제를 이루었던 개념은 용접될 상기 구조물로부터 일정한 거리에서 상기 레이저 헤드를 유지하는 것이며 또한 레이저 헤드의 위치를 변경하지 않으면서도 레이저 빔을 용접될 구조물의 서로 다른 부위에 포커싱(focusing) 하는 수단을 제공하는 것이다. 이는 물론 용접 인장(stretch)이나 용접 비드(bead)를 수행하기 위해 주어진 부위에 용접될 구조물에 대하여 레이저 빔을 움직이는데 이용되고, 또한 특히 상기 로봇에 의해 운반된 헤드를 움직이지 않고서 상기 구조물의 서로 다른 부위들을 용접하는데 이용된다. 이러한 해결책은 본 출원인이 공동 소유자가 되는 유럽 특허 출원번호 EP1228835A1(원격 레이저 용접 방법 및 시스템)에서 본 출원인에 의해 제시되었다. 그러나, 상기 공지된 시스템은 "직교 좌표(cartesian)" 로봇에 적용되고, "직립인간형상(anthropomorphic)" 형태의 로봇에는 적용되지는 않으며, 추가되더라도 로봇 내에 통합되지는 않는다.

Claims (24)

  1. 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 방법에 있어서, 상기 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 방법은
    - 다수의 전기 모터를 갖는 매니퓰레이터 로봇(1)에 다수의 축을 제공하고, 이때 상기 다수의 전기 모터는 상기 축 주위로 로봇의 구성 요소의 움직임을 제어하며, 그리고 프로그램가능한 전자 제어 장치(2)는 로봇의 단부 구성 요소(13)를 제 1 지정된 3차원 공간내의 일정한 위치, 조향 및 경로에 따라 배치하도록 상기 전기 모터를 제어하고,
    - 상기 매니퓰레이터 로봇(1)에, 레이저 빔을 포커싱하고 상기 포커싱된 레이저 빔을 제 2 지정된 3차원 공간(S)내에서 조향하기 위한 장치(3)를 제공하며,
    - 이때 상기 매니퓰레이터 로봇은, 상기 단부 요소(13)를 용접될 구조물의 적어도 하나의 부위(T)에 인접한, 그러나, 접촉하지는 않는, 단순 경로(R)를 따라 배치하도록 제어되고, 그리고
    - 상기 로봇의 단부 요소(13)가 상기 단순 경로(R)를 따라 진행하는 동안, 추가적인 프로그램가능한 전자 제어 수단은 상기 포커싱된 레이저 빔(L)이 상기 용접될 구조물의 적어도 하나의 부위(T)의 방향으로 조향되도록 상기 레이저 빔의 포커싱 및 조향용 장치(3)를 제어하도록 제공되고, 이때 상기 각 부위에서의 레이저-용접 인장 또는 비드는 용접될 구조물 상의 레이저 빔 지점이 각 용접 인장의 세로 방향에서 로봇의 상기 단부 요소(13)의 이동 속도와 무관한 속도로 이동되도록 실행되는
    단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 이때 상기 전자 제어 수단은 상기 로봇의 상기 전자 제어 장치(2)내에 통합되는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 이때 상기 전자 제어 수단은 상기 로봇의 상기 전자 제어 장치(2)로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 방법.
  4. 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치에 있어서, 상기 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치는
    - 다수의 축을 갖는 매니퓰레이터 로봇(1)으로서, 이때 상기 축 주위로 상기 로봇의 구성 요소의 움직임을 제어하는 다수의 전기 모터들을 포함하는 상기 매니퓰레이터 로봇(1),
    - 프로그램가능한 전자 제어 장치(2)로서, 이때 상기 로봇(1)의 단부 구성 요소(13)를 제 1 지정된 3차원 공간내의 일정한 위치, 조향 및 경로에 따라 배치하도록 상기 전기 모터를 제어하는 상기 프로그램가능한 전자 제어 장치(2),
    - 상기 매니퓰레이터 로봇(1)에 구성되어, 레이저 빔을 포커싱하고 상기 포커싱된 레이저 빔을 제 2 지정된 3차원 공간(S)내에서 조향하기 위한 포커싱 및 조향용 장치(3)
    를 포함하며,
    상기 전자 제어 장치(3)는 상기 로봇의 단부 요소(13)를, 용접될 구조물의 적어도 하나의 부위(T)에 인접한, 그러나, 접촉하지는 않는, 단순 경로(R)를 따라 배치하도록 프로그래밍되며,
    상기 로봇의 단부 요소(13)가 상기 단순 경로(R)를 따라 진행하는 동안, 상기 포커싱된 레이저 빔(L)이 상기 용접될 구조물의 적어도 하나의 부위(T)의 방향으로 조향되도록 상기 레이저 빔의 포커싱 및 조향용 장치(3)를 제어하는, 추가적인 프로그램가능한 전자 제어 수단이 제공되며, 이때 상기 각 부위에서의 레이저-용접 인장 또는 비드는 상기 용접될 구조물 상의 레이저 빔 지점이 각 용접 인장의 세로 방향에서 로봇의 상기 단부 요소(13)의 이동 속도와 무관한 속도로 이동되도록 실행되는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 이때 상기 전자 제어 수단은 상기 로봇의 상기 전자 제어 장치(2)내에 통합되는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 이때 상기 전자 제어 수단은 상기 로봇의 상기 전자 제어 장치(2)로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레 이저 용접하는 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 이때 상기 레이저 빔의 포커싱 및 조향을 위한 장치(3)는 상기 로봇의 구성 요소(13)내에 통합되는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 레이저 빔(4)으로부터 상기 레이저 빔의 포커싱 및 조향 장치(3)로 상기 레이저 빔(L)을 안내하기 위한 광-섬유 수단(5)을 포함하고, 이때 상기 광-섬유 수단(5)은 상기 로봇(1)의 구조내에 부분적으로 통합되는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 레이저 빔(L)의 조향을 위한 장치(16)는 두 개의 직교 축(19, 20)에 대해서 어떤 방향으로도 상기 레이저 빔을 조향하는 거울 수단(17, 18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 거울 수단은 두 개의 거울(17, 18)을 포함하며, 상기 두 거울(17, 18)은 레이저 빔을 연속적으로 반사하고, 그리고 서로 직교하지만 서로 다른 평면에 놓인 두 개의 오실레이션 축(19, 20) 주위로 조향할 수 있는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 이때 상기 거울 수단은 두 개의 상호 직교 축 주위로 조향할 수 있는 단일 반사 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 거울 수단의 하류에 배치된 F-θ 형태의 포커싱 렌즈(21)를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 거울 수단의 상류에 광학 수단이 제공되고, 이때 상기 광학 수단은 제 1 조준 렌즈(8) 및 제 2 조준 렌즈(14), 및 축 상의 이동 렌즈(10)를 포함하고, 그리고 이때 상기 두 조준 렌즈(8, 14) 사이에서 상기 축 상의 이동 렌즈(10)의 축 상에서의 위치는 상기 레이저 빔의 초점 거리를 조정하도록 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 조준 렌즈(8)의 상류에는 광섬유 또는 광섬유 다발의 최단부에 결합된 광학 시스템(6)이 배치되어 있고, 이때 상기 광학 시스템(6)은 레이저 소스로부터 나오는 레이저 빔을 안내하는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  15. 제 4 항에 있어서, 상기 레이저 빔의 조향 장치(16)는 구조물(32)을 포함하고, 이때 상기 구조물(32)은 상기 로봇의 구성 요소(13)에 단단히 연결되어 있고 그리고 레이저 빔 반사용 고정 거울(27) 및 조향가능한 거울(28)을 지니고 있으며, 이때 상기 조향가능한 거울(28)은 상기 고정 거울(27)에 의해 반사된 레이저 빔을 반사하고 그리고 구조물(30) 상의 조정 축(29) 주위로 왕복하도록 장착되어 있으며, 상기 구조물(30)은 상기 구조물(32) 상에서 회전할 수 있도록 장착되어 있고, 상기 구조물(32)은 이동 거울(28)의 왕복 축(29)에 직교하는 축(31) 주위에서 상기 고정 거울(27)을 지니고 있는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  16. 제 4 항에 있어서, 상기 레이저 빔의 포커싱 및 조향용 장치는 레이저 빔(107)을 형성하도록 직렬로 배열된 제 1 및 제 2 광학 그룹(108, 109)을 포함하고, 이때 상기 광학 그룹(108, 109)은
    - 지정된 직경의 상기 레이저 빔(17)을 반사하는 고정 거울(118),
    - 상기 고정 거울(118)에 의해 반사된 레이저 빔(120)의 고정식 포커싱 모듈러스, 및
    - 공간상에서 조향가능한 방향에 따라 상기 포커싱된 레이저 빔(F)을 반사하도록 서로 직교하는 두 축(123, 125) 주위에서 조향가능한 거울 수단(122)
    사이에서 조정되는 방식으로 축 상의 위치가 조정 가능함으로써 지정된 직경 을 갖는 레이저 빔(117)을 발생하게 되는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 광학 그룹(108)은 복수의 렌즈(112, 114)를 포함하고, 이때 상기 복수의 렌즈(112, 114)는 상기 제 1 광학 그룹에서 입력 빔에 대하여 가변적인 직경으로 상기 빔을 시준하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 제 2 광학 그룹(109)은 상기 빔이 발산하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 거울 수단(122)은 지지물(124) 상의 축(123) 주위로 선회적으로 장착된 단일 거울(122)을 포함하고, 이때 상기 지지물(124)은 상기 단일 거울(122)의 왕복 축(123)에 직교하는 축(125) 주위에서 포커싱 모듈러스(121)를 지니는 고정 구조물(119)에 대하여 회전가능하게 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 광학 그룹(8, 9) 및 상기 거울 수단(122)은 전자 제어 수단에 의해 제어되는 각자의 모터 수단에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 전자 제어 수단은 로봇의 프로그램가능한 전자 제어 장치(2) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 전자 제어 수단은 로봇의 상기 프로그램가능한 제어 장치(2)에 대해 독립적인 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  23. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 광학 그룹(108, 109)은 기계적 트랜스미션에 의해 함께 연결되어 있고, 이때 상기 기계적 트랜스미션은 지정된 상관관계에 따라 서로 의존하고 있는 상기 제 1 및 제 2 광학 그룹의 축 상의 움직임을 조정하는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
  24. 제 16 항에 있어서, 용접될 구조물로부터 레이저 용접 장치의 거리를 감지하고 그리고 상기 제 1 및 제 2 광학 그룹(108, 109)의 조정 위치를 제어하는 수단이 제공됨으로써, 상기 감지된 거리에 따라 레이저 빔의 초점 거리를 변화시키는 것을 특징으로 하는 금속판 요소로 이루어진 구조물을 레이저 용접하는 장치.
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