KR101364604B1 - 레이저 가공 시스템에서 광학 장치를 고정하기 위한카트리지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 가공 시스템, 특히 레이저 빔을 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공 헤드 내에 광학 장치(16)를 고정하기 위한 카트리지(10)에 관한 것이다.

본 발명의 카트리지는 하우징(12)과, 광학 장치(16)용 지지 부재(38)를 구비한 인서트(14)를 포함하고, 하우징은 서로 마주보는 2개의 측면(18)(20)에 레이저 가공 시스템을 통해 안내되는 광로(L)의 통로용 개구부(20)(24)와 광학 장치(16)용 수납 공간을 포함하며, 지지 부재(38)는 광학 장치(16)를 광로(L) 내에서 고정시키기 위해 하우징(12)의 수납 공간(40) 내로 삽입될 수 있다. 인서트(14)는 하우징(12)에 제공되는 수납 공간(40) 외부에서 안내됨으로써 지지 부재(38)는 하우징(12)의 수납 공간(40) 내부에서 자유롭게 부동하는 방식으로 장착된다.

레이저, 가공, 헤드, 광학 장치, 고정, 카트리지

Description

레이저 가공 시스템에서 광학 장치를 고정하기 위한 카트리지{CARTRIDGE FOR HOLDING AN OPTIC IN A LASER PROCESSING SYSTME}

본 발명은 카트리지, 특히 섬유 레이저의 이용 하에 레이저 절단을 위해 이용되는 레이저 가공 헤드에서 렌즈를 고정하기 위한 카트리지에 관한 것이다.

레이저 빔 절단은 최근에 생산 산업에서 표준 방법으로 발전하였다. 2003년 평가에 따르면, 전세계적으로 높은 레이저 빔 출력으로 금속 및 비철금속을 절단하는데 이미 25,000대 이상의 절단 시스템이 이용되고 있다.

이하에서는 우선 일반적으로 레이저 빔 절단의 원리에 대해 설명된다. 집속된 레이저 빔은 공작물에 도달하는 위치에서, 재료가 용융되거나 기화될 만큼 레이저 빔은 재료를 강하게 가열한다. 레이저 빔이 공작물을 완전하게 관통하면, 곧바로 절단 공정이 개시된다. 레이저 빔은 부품 윤곽을 따라 이동하면서, 지속적으로 재료를 용융시킨다. 용융물은 대개 가스 흐름에 의해 절단 부위로부터 하부 방향으로 송출된다. 그렇게 함으로써, 부품과 잔여 부분 사이에 조밀한 절단 간극이 생성된다. 절단 간극은 그 폭이 집속된 레이저 빔 자체보다 결코 넓지 않다.

레이저 빔 절단은 두 가지 표준 방법, 즉 화염 절단과 플라즈마 아크 절단으 로 구분된다. 화염 절단은 대부분 구조강을 절단하기 위해 이용된다. 이 경우, 화염 절단을 위해, 산소가 절단 가스로서 이용된다. 산소는 최대 6bar의 압력으로써 절단 부위 내로 송출된다. 그곳에서 가열된 금속은 산소와 반응하여 연소되고 산화된다. 이때 화학적 반응은 레이저 에너지의 5배에 이르면서 레이저 빔을 보조하는 에너지를 방출한다. 화염 절단은 높은 절단 속도와 두꺼운 금속판의 가공을 허용한다. 구조강은 예컨대 30mm 이상까지의 두께로 절단된다. 그러나, 이런 방법은 절단면에 산화층을 형성하기 때문에 그 산화층은 제거되어야 한다. 왜냐하면, 산화된 표면에 대한 래커와 코팅의 점착성이 악화되기 때문이다. 그 외에도, 층의 파손은 부식에 대한 민감성을 야기한다.

두 번째 표준 방법, 즉 플라즈마 아크 절단에서, 절단 가스로서 질소 혹은 아르곤이 이용된다. 모든 용융 가능한 재료, 바람직하게는 금속이 가공될 수 있지만, 세라믹의 가공 역시 가능하다. 이와 같은 방법에서, 절단 가스는 2bar와 20bar 사이의 압력으로써 절단 부위를 통과한다. 아르곤과 질소는 대개 절단 간극에서 용융된 금속과 반응하는 것이 아니라, 단지 하부 방향으로 그 용융된 금속을 송출한다. 동시에 아르곤과 질소는 공기로부터 절단 에지를 차폐시킨다. 절단 가스로서 거의 모든 금속에 대해 질소가 이용될 수 있다. 예외적으로 티타늄이 있다. 티타늄은 산소뿐만 아니라 질소와 집중적으로 반응한다. 그러므로, 티타늄은 아르곤을 이용하여 절단된다. 플라즈마 아크 절단은 에지부가 산화되지 않는 상태로 유지되며, 더 이상 재가공할 필요가 없다는 장점이 있다. 그러나, 절단을 위해 레이저 빔의 에너지만이 가용하기 때문에, 절단 속도는 얇은 금속판에서만 화염 절단에서와 같 은 높은 속도를 달성한다. 플런지 절단(plunge cutting) 역시 어려우며, 그로 인해 몇몇 절단 시스템서만 산소를 이용하는 플런지 절단을 실시하고 그런 다음 질소를 이용하는 추가 절단을 실시할 수 있다.

레이저 빔 절단의 특별한 변화는 고속 절단이다. 레이저 빔 고속 절단의 진보로 인해 거대한 잠재성을 가진 완전히 새로운 사용 가능성이 레이저 분야에 도입될 수 있게 되었다. 그러므로, 그 동안 전형적인 차체 금속판 혹은 하우징 금속판의 절단에서 50m/min 이상의 절단 속도가 가능해졌다. 그와 더불어 레이저 절단은 대량 생산에서 펀칭 공구를 이용한 통상적인 절단에 대한 대안이 되었다.

이와 같이 높은 절단 속도를 달성하기 위해, 높은 레이저 빔 출력을 갖는 레이저가 필요하다. 레이저 빔 출력은 1kW와 6kW 사이 영역이다. 이때, 레이저 빔 출력은 방사선의 형태로 초당 방출된 에너지를 의미한다. 추가적인 중요한 매개변수는 레이저 광의 세기이다. 이러한 세기는 면적 단위 당 레이저 빔 출력을 의미한다. 세기가 높다는 것은 절단 위치의 빠른 가열을 의미하며, 그럼으로써 단지 약간의 에너지만이 주변 재료로 유출될 수 있다. 그로 인해 레이저 고유의 높은 절단 속도와 특히 우수한 절단 품질이 달성된다.

그 외에도 레이저 방사선의 출력은 절단 가능한 금속판 두께에 매우 중요하다. 재료가 두꺼울수록 필요한 레이저 출력은 더욱 높아진다. 세기는 레이저 빔 출력의 수준에 따라 달라지며, 렌즈의 광학 특성에 의해 변경된다. 높은 세기를 갖는 작은 초점은 예컨대 이용되는 집속 렌즈의 짧은 초점거리, 빔 내의 균일한 세기 분포, 이용되는 레이저 광의 짧은 파장 혹은 렌즈 상부의 큰 빔 직경으로써 달성된 다.

레이저 고속 절단을 위한 또 다른 중요한 매개변수는 초점 심도(레일리 거리)이다. 초점 심도는 빔이 초점 뒤에서 다시 얼마나 빠르게 확장되는가를 나타내는 기준이다. 큰 초점 심도는 초점의 위치 결정 시에 더욱 큰 여유 공간을 허용하며, 더욱 큰 금속판 두께의 절단을 가능케 한다. 초점 심도는 초점 거리와 동일한 매개변수의 영향을 받는다. 기본적으로 짧은 초점 거리는 또한 짧은 초점 심도를 의미하며, 그 반대의 경우도 성립한다.

다시 말해, 짧은 초점 거리의 렌즈는 작은 초점과 짧은 초점 심도를 생성한다. 그로 인해, 렌즈는 얇은 재료에서 높은 절단 속도와 우수한 절단 품질을 가능케 한다. 그러나, 작동 거리는 짧은 초점 심도로 인해 가능한 한 일정하게 유지해야 한다.

이와 같은 이유에서, 바로 낮은 초점 심도를 바탕으로 하는 레이저 빔에 의한 고속 절단 시에, 장치, 특히 시준화 렌즈 및 집속 렌즈와 같이 이용되는 렌즈의 가열 혹은 그 유사한 변화를 바탕으로 하는 초점의 가능한 이동은 가공할 얇은 재료의 균일한 절단 품질 및 그 절단 속도에 바람직하지 못하게 작용한다.

낮은 초점 심도의 생성을 위해서는, 이른바 섬유 레이저가 특히 적합하다. 섬유 레이저는 고체 레이저의 특수한 형태이다. 이와 관련하여 섬유 레이저에서 유리 섬유의 도핑된 코어가 유효한 매체를 형성한다. 다시 말해, 광도관 특성을 갖는 유리 섬유가 이용된다. 섬유를 통해 안내되는 레이저 광은 긴 길이를 바탕으로 매우 높게 증폭된다. 섬유 레이저는 예컨대, 섬유 코어에 대해 평행하게 혹은 섬유 코어 내부에서 다이오드 레이저의 방사선이 결합되면서 광학적으로 펌핑된다. 섬유 레이저는 자체 단부면에 거울을 포함하며, 이 거울은 공진기를 형성하고, 그에 따라 제어되는 레이저 작동을 가능케 한다. 이와 같은 반사면은 자외선 광으로써 유리 섬유 내에 새겨지는 굴절율 변화부, 다시 말해 이른바 광섬유 브래그 격자(fiber bragg grating)로 구성된다. 그러므로, 상기한 격자에는 추가적인 결합 손실이 발생하지 않으며, 상기 격자는 단지 목표하는 파장만을 선택적으로 반사한다. 레이저에 반응하는 섬유 코어에 대한 도핑 요소로서는 에르븀이 가장 빈번하게 사용되며, 그 다음으로는 이테르븀과 네오딤이 사용된다. 레이저 광의 파장들은 거의 상이하지 않다. 그 파장은 1.06㎛(네오딤)과 1.03㎛(이테르븀)이다. 이러한 섬유 레이저의 큰 장점은 방사된 광 파장이 유리에 의해 단지 매우 극미하게만 흡수되는데, 다시 말해 방사된 레이저 광이 유리 섬유를 이용하여 레이저 장치로부터 연결된 레이저 가공 헤드로 안내된다는 점에 있다.

그 외에도 섬유 레이저는 kW 영역의 탁월한 빔 품질을 갖는다. 이때, 초기 출력이 4kW일 때 50㎛의 섬유 직경이 실현된다. 그로 인해, 2mm x mrad 이하의 빔 품질이 제공되며, 이와 비교하여 CO₂ 기본 모드 레이저의 빔 품질은 최대 3.4 mm x mrad의 빔 품질에 도달한다. 이테르븀 도핑된 4kW 섬유 레이저를 이용할 때에, 4 kW CO₂ 레이저의 최대 절단 속도를 분명하게 초과할 수 있다. 이 경우, 1mm 두께의 금속판뿐 아니라 스테인리스강, 알루미늄 합금 혹은 구조강에서 절단 속도는 약 50m/min에 이른다. 또한, 1 kW 레이저 출력을 갖는 섬유 레이저는 3mm 내지 5mm 사 이의 금속판 두께에 대해 2.5 내지 3kW를 갖는 CO₂ 레이저와 거의 동일한 절단 속도를 가능케 한다. 절단 속도는 금속판의 각각의 두께에 따라 2 m/min과 10m/min 사이이다.

다시 말해, 1000과 4000W 사이의 레이저 출력을 갖는 섬유 레이저는 특히 레이저 절단과 특히 질소를 이용한 플라즈마 아크 절단의 방법에 적합하다. 노즐 매개변수를 적합하게 선택할 때에, 높은 절단 속도에서도, 매우 낮은 거칠기 높이를 가지며 버(bur)가 없는 절단 에지가 생성된다.

이테르븀 도핑된 1kW 섬유 레이저의 경우, 전형적으로 섬유 직경은 15㎛이며, 섬유 길이는 5m이다. 4kW 섬유 레이저에서는 섬유 직경이 50㎛이고, 섬유 길이는 20m이다. 공작물을 가공하기 위한 통상적인 공정 매개변수는 1kW 섬유 레이저의 경우 예컨대 120mm의 집속 초점 거리, 120mm의 시준화 초점 거리, 15㎛의 초점 직경이며, 노즐 직경이 1.5mm일 때 노즐과 공작물 간 1mm의 이격 간격이 있으며, 절단 가스로서는 질소가 10bar의 압력 상태에서 공작물 상으로 안내된다.

절단 공정을 위해 레이저 가공 헤드가 공작물 위쪽으로 이동되거나 혹은 공작물 자체가 이동될 수 있다. 그러나, 고속 레이저 절단 공정을 실행할 때에 매우 높은 가속도가 발생하기 때문에, 공작물, 특히 가공할 금속판을 레이저 가공 헤드 아래로 이동시키는 것이 바람직하다. 이를 위해, 조정 테이블이 제공된다. 조정 테이블은 4g의 가속도, 즉 2.5m x 1.25m의 작업 영역에서 3㎛이하의 위치 결정 정밀도 및 1㎛의 반복 능력과 더불어 300m/min의 공급 속도를 가능케 한다.

또한, 앞서 이미 언급한 바와 같이, 얇은 금속판의 고속 레이저 절단은, 레이저, 특히 낮은 초점 심도와 높은 빔 품질을 갖는 섬유 레이저가 가공할 금속판을 향해 배향됨으로써 초점 내 높은 빔 세기를 바탕으로 금속판이 빠르게 절단될 수 있다는 사실을 통해 여타의 절단 방법과 구분된다. 그러나, 이와 관련하여, 공작물과 레이저 가공 헤드 사이의 간격이 정확하게 조절되어야 하는 문제가 발생한다. 왜냐하면, 초점 거리 및 초점 직경이 작게 적용될 때에 레이저 빔은 빠르게 다시 확대되고, 그로 인해 절단에 필요한 세기가 사라지기 때문이다.

이러한 경우, 추가로 큰 배율이 빔 방향에 반하여 초점 이동을 강화시킨다. 이를 위한 추가적 해결은 1:1의 배율을 선택하는 것일 수 있다. 다시 말해, 섬유 코어 직경이 절단 간극 폭에 상응하는 것을 의미한다. 그러나, 이러한 배율은 현재 통용되고 있는 작은 섬유 코어 직경을 바탕으로 그리 간단히 변경할 수 없다.

시준화 렌즈가 오염될 때에, 빔 방향에 반하는 초점 이동이 발생한다. 오염을 통해 렌즈는 레이저 빔의 작용 하에서 가열됨으로써 렌즈의 열적 변형 및 굴절율의 변화는 초점 거리를 축소시키고, 그로 인해 빔 방향에 반하는 초점 이동을 야기한다. 오염에 대한 원인은, 섬유 커넥터를 삽입할 때에 오염물이 시준화 렌즈에 닿는 것에 있다. 이는 렌즈 카트리지를 사용할 때에, 섬유 커넥터의 조립이 이루어지는 동안 렌즈가 간단히 광로로부터 인출됨으로써 회피된다.

그러나, 빔 방향에 반하는 초점 이동은 쉽게 오염되는 집속 렌즈에 의해서도 발생할 수 있다. 이 경우, 오염에 대한 원인은 보호 가스가 관류되지 않을 때 오염되는 절단 가스, 렌즈 냉각을 위해 오염된 가스, 바람직하지 못한 보호 가스 교체 혹은 조립 과정에서의 렌즈 오염에 있다. 이 문제에 대해 이미 공지된 해결 방법은, 가스로 렌즈를 냉각시키지 않는 것이거나, 보호 유리 드로어(protective glass drawer)를 이용하는 것에 있다. 추가적인 가능한 해결 방법은 냉각 혹은 절단을 위해 고순도 가스를 이용하는 것이지만, 높은 비용을 바탕으로 단지 조건에 따라서만 산업용으로만 적용될 수 있다.

렌즈 고정을 위한 카트리지를 이용할 때에 렌즈의 오염은, 카트리지의 하우징과 카트리지의 하우징 내부의 가이드 레일 내에서 안내되는 렌즈용 고정부 사이에 마모가 발생함으로써, 다시 말해 카트리지의 내부에 남아서 렌즈를 오염시킬 수 있는 마모 입자에 의해 야기될 수도 있다.

본 발명의 목적은 레이저 가공 헤드 내부에 광학 장치를 고정시키기 위한 카트리지에 있어서, 카트리지의 하우징으로부터 인서트를 인출시키거나 그 내부로 삽입할 때 광학 장치의 오염을 감소시킬 수 있는 카트리지를 제공하는 것에 있다.

상기 목적은 청구항 제1항에 따른 카트리지에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 구현예와 개선 실시예는 종속항들에 제시된다.

본 발명에 따른 레이저 가공 시스템에 있어서, 레이저 빔을 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공 헤드에서 광학 장치를 고정시키기 위한 카트리지가 제공된다. 카트리지는 하우징과 광학 장치용 지지 부재를 구비한 인서트를 포함하고, 하우징은 마주보는 두 개의 측면에 각각 레이저 가공 시스템을 통과하여 안내되는 광로의 통로를 위한 개구부와 광학 장치용 수납 공간을 포함하며, 지지 부재는 광학 장치를 광로 내에 고정하기 위해 하우징의 수납 공간 내에서 안내될 수 있다. 또한, 인서트는 하우징에 제공되는 수납 공간 외부에서 안내됨으로써 지지 부재가 하우징의 수납 공간 내부에서 자유로이 부동하는 방식으로 장착된다.

다시 말해, 본 발명에 따른 광학 장치를 고정하기 위한 카트리지는 하우징 내로 삽입될 수 있으며, 렌즈용 지지 부재와 적어도 하나의 가이드 부재를 구비한 인서트를 포함한다. 이와 관련하여, 지지 부재는 인서트가 삽입된 상태에서 렌즈를 광로에서 고정하고, 가이드 부재는 하우징 외부에서 안내됨으로써 인서트를 삽입하거나 인출할 시에 하우징 내부에 어떠한 마모나 여타의 오염이 발생할 수 없게 된다. 그로 인해, 하우징 내부에서 어떠한 마모 입자도 렌즈에 도달하거나 그 렌즈를 오염시킬 수 없다.

하우징 내에서 이루어지는 인서트의 가이드를 구조적으로 변경하기 위해, 특히 간단하면서도 바람직하게, 인서트는 적어도 하나의 가이드 부재를 포함하며, 가이드 부재는 가이드 부재 자신에게 보완적인 역할을 하면서 하우징 외부에 배치되는 적어도 하나의 가이드 요소(element)와 항상 맞물릴 수 있다.

이러한 경우 가이드 요소는, 광로에 대해 수직으로 연장되는 그루브로서, 하우징에 있어 광로에 본질적으로 평행하게 서로 마주보는 그의 벽부들 내에 형성될 수 있으며, 인서트는 각각 인서트 자신의 지지 부재에 인접하여 배치되는 두 개의 가이드 스트립을 포함하며, 이들 가이드 스트립들은 그루브들 내에서 안내될 수 있다. 그로 인해, 가이드 스트립들은 하우징의 맞은편 벽부들 내에 제공되는 그루브 내부에서 클램프 작용을 제공하기 위해 하우징의 벽부들에 압력을 인가할 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 가이드 요소로서 광로에 대해 수직으로 연장되는 보어부들이 하우징의 적어도 하나의 측벽부에 형성될 수 있으며, 그 보어부들 안으로는 인서트의 지지 부재에 인접하여 배치되는 인서트의 핀들이 삽입될 수 있다. 이와 같은 본 발명의 구성은, 대응하는 보어부들 안으로 핀들을 특히 안정적으로 삽입할 수 있으며, 그 외에도, 하우징 내에서 인서트의 안정적인 고정을 가능케 하기 위해서, 보어부들은 하우징에 있어 서로 마주보지 않은 그 의 벽부들에도 형성될 수 있다는 장점을 제공한다.

또한, 본 발명은 카트리지 내에서 이용하기 위한 인서트가 제공된다. 인서트는 광학 장치를 수납하기 위한 지지 부재, 측면으로 길게 연장되고 지지 부재로부터 이격되어 배치되는 적어도 하나의 가이드 부재, 및 연결 부재를 포함한다. 적어도 하나의 가이드 부재와 지지 부재는 삽입 방향으로 연결 부재로부터 멀어지면서 연장되고, 적어도 하나의 가이드 부재는 카트리지의 하우징의 벽부에 있어 외부에서 안내될 수 있다.

하우징으로부터 인서트를 간단하게 인출하고 그 인서트를 용이하게 취급하기 위해, 바람직하게는 인서트는 파지 구간을 포함한다. 인서트는 또한 플랜지 구간을 포함한다. 하우징의 삽입 개구부로 입자가 침투함으로써 야기되는 광학 장치의 오염을 회피하기 위해, 플랜지 구간은 인서트가 삽입된 상태에서 그 삽입 개구부를 밀폐한다.

또한, 바람직하게는 지지 부재는 내부에 렌즈가 장착되는 렌즈 고정부를 수납하기 위한 수납 장치를 포함한다. 이와 관련하여, 인서트 내에 렌즈 고정부를 용이하게 조립하기 위해, 바람직하게는 수납 장치는 암나사산으로 구성되고, 암나사산은 렌즈 고정부의 수나사산과 맞물린다.

또한, 본 발명에 따르면, 레이저 절단을 통해 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공 헤드가 제공된다. 레이저 가공 헤드는 본 발명에 따른 레이저 가공 헤드의 광학 장치를 수납하는 카트리지를 포함한다. 광학 장치는 적어도 하나의 렌즈를 포함한다. 이와 관련하여, 특히 바람직하게는 적어도 하나의 렌즈는 유리 섬유로부터 레이저 빔을 분리하기 위한 시준화 렌즈이다. 그러나, 광학 장치는 공작물 상에 레이저 빔을 집속시키기 위한 집속 렌즈를 포함할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 대응하는 보어부들 안으로 핀들을 특히 안정적으로 삽입할 수 있으며, 그 외에도, 하우징 내에서 인서트의 안정적인 고정을 가능케 하기 위해서, 보어부들은 하우징에 있어 서로 마주보지 않은 그의 벽부들에도 형성될 수 있다는 장점을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 카트리지를 상세히 설명한다. 도시된 도면들에서 서로 상응하는 구성요소들은 동일한 참조부호를 갖는다.

도 1은 예컨대 레이저 가공 헤드에서 레이저 가공 헤드의 광학 장치를 수납하기 위해 이용될 수 있는 것과 같은 카트리지(10)를 도시하고 있다. 카트리지(10)는 하우징(12)과, 광학 장치(16)를 구비한 인서트(14)를 포함한다. 광학 장치(16)는 하우징(12) 내부에서 광로로 이동되거나 그 광로로부터 인출될 수 있다.

도 1 내지 도 4b로부터 알 수 있듯이, 카트리지(10)의 하우징(12)은 본질적으로 정방형 구조를 가지며, 하우징(12)은 광로(L)(도 3b와 도 4b)를 중심으로 배치되는 광로 유입구(20)를 구비한 광로 유입측 커버(18)와, 광로 유출구(24)를 구비한 광로 유출측 커버(22)와, 제1 측벽부(26)와, 제2 측벽부(28), 및 후방 벽부(30)를 포함한다. 하우징(12)은 후방 벽부(30)의 맞은편 측면에 인서트(14)를 수납하기 위한 삽입 개구부(32)를 구비한 전방 벽부(31)를 포함한다.

제1 측벽부(26)와 제2 측벽부(28)에는 삽입 개구부(32)의 높이에 제1 가이드 그루브(34)와 제2 가이드 그루브(36)가 제공되며, 이들 가이드 그루브들은, 아래에서 추가로 상세하게 설명되는 바와 같이, 인서트(14)의 상보적 가이드 부재를 수납하고 안내하기 위해, 제1 측벽부(26) 및 제2 측벽부(28) 내부에서 광로(L)에 대해 수직으로, 그리고 인서트(14)의 삽입 방향(E)에 대해 평행하게 하우징(12) 내부로 연장된다.

도 1의 분해도에 도시되고, 도 2 내지 도 4b의 단면도에 상세하게 도시된 바와 같이, 인서트(14)는 지지 부재(38)를 포함하고, 지지 부재(38)는 삽입 개구부(32)를 통해 하우징(12)의 수납 공간(40) 안으로 삽입될 수 있으며, 광학 장치(16)를 지지한다. 또한, 인서트(14)는 파지 구간(44) 및 플랜지 구간(46)을 구비한 연결 부재(42)를 포함한다. 연결 부재(42)는 지지 부재(38)와 연결되고 그 지지 부재(38)와 일체형으로 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 파지 구간(44)은 카트리지(10)의 하우징(12)으로부터 인서트(14)를 용이하면서도 정밀하게 인출하고 다시 그 하우징(12) 내로 삽입할 수 있도록 하는 역할을 한다. 플랜지 구간(46)은 하우징(12) 내에 인서트(14)가 삽입될 때 전방 벽부(31) 쪽에 맞닿으며, 이때 삽입 개구부(32)를 폐쇄시킨다. 그로 인해 대응하는 치수화를 통해 일측에서는 하우징(12)의 후방 벽부(30)와 지지 부재(38)의 접촉이 회피되고, 타측에서는 나머지 광로 유입구(20)와 광로 유출구(24)까지 수납 공간(40)이 밀폐된다.

지지 부재(38)에 대해 측면에서, 연결 부재(42)로부터 멀어지면서 삽입 방향(E)으로 길이가 긴 두 개의 가이드 부재가 연장된다. 이들 가이드 부재들은 도시한 실시예에 따르면, 제1 측면 가이드 스트립(48)과 제2 가이드 스트립(50)으로서 형성된다(도 3a와 도 3b). 제1 및 제2 가이드 스트립(48)(50)은 제1 및 제2 가이드 그루브(34)(36)에 대해 상보적으로 형성됨으로써, 가이드 스트립들(48)(50)은 지지 부재(38)가 삽입된 상태에서 가이드 그루브들(34)(36) 내에 완전하게 삽입되며, 측벽부들(26)(28)과 동일 평면에서 연결된다. 도 1 내지 도 4b에 도시한 실시예에 따르면, 제1 및 제2 가이드 스트립(48)(50)은 장방형 횡단면을 갖는다. 그러나, 가이드 그루브와 가이드 스트립이 서로 상응하는 단면을 갖기만 하면 장방형 이 외의 다양한 횡단면들을 생각해 볼 수도 있다. 따라서, 예컨대 가이드 그루브들(34)(36)은 반원 모양 혹은 사다리꼴 모양으로 제1 및 제2 측벽부(26)(28) 내로 연장되고, 제1 및 제2 가이드 스트립(48)(50)도 마찬가지로 인서트(14)가 삽입된 상태에서 측벽부들(26)(28)과 동일 평면에서 연결되기 위해, 반원 혹은 사다리꼴 모양으로 형성될 수 있다.

이러한 경우, 가이드 스트립들 중 적어도 하나의 가이드 스트립을 가이드 그루브들에 맞물린 상태에서, 하우징(12)의 후방 벽부(30) 근처에서 인서트(14)를 하우징(12)에 탈착 가능하게 고정시키기 위해, 록킹 부재(미도시)는 가이드 스트립들에 제공되거나 가이드 그루브에 제공될 수 있다. 록킹 부재는 갈고리로서 형성되거나, 가이드 스트립들 중 어느 하나의 가이드 스트립에 측벽부를 향해 형성되는 만곡부로 구성되어 해당하는 가이드 그루브에 제공되는 대응하는 리세스부와 맞물릴 수도 있다. 이러한 경우, 록킹 부재는 하우징(12)의 양측면에 제공되거나 어느 하나의 측면에만 제공될 수 있다.

록킹 부재를 이용할 때, 가이드 그루브(34 혹은 36)의 횡단면은, 가이드 그루브들(34)(36)로부터 가이드 스트립들(48)(50)을 제거할 수 있도록 형성되는 것이 특히 바람직하다. 다시 말해, 가이드 스트립들은 단지 연결 부재(42)에 의해서만 고정되며, 그로 인해 가이드 그루브들의 측벽부 쪽에 밀착되는 스프링 부재로서 작용할 수 있다.

또한, 가이드 스트립들(48)(50)이 가이드 그루브(34)(36) 내부에 형상 잠금 고정되는 방식으로 고정됨으로써 단지 삽입 방향(E)으로 활주 운동만이 가능한 방식으로 가이드 그루브들에 상응하게 가이드 스트립들의 횡단면을 제공할 수도 있다. 그러므로, 예컨대 가이드 스트립들(48)(50) 중 어느 하나의 가이드 스트립의 사다리꼴 모양 횡단면과 대응하는 가이드 그루브들(34 내지 36)의 사다리꼴 모양 횡단면을 생각해볼 수 있으며, 이때 가이드 그루브의 개방 면적은 그 바닥 면적보다 작다. 그로 인해, 가이드 스트립(48)(50)은 삽입 방향으로 가이드 그루브(34)(36)에 삽입될 수 있으며, 그로 인해 인서트(14)의 더욱 개선된 고정이 보장된다.

마지막으로, 예컨대 삽입 방향(E)을 따라 광로(L)에 대해 수직으로 측벽부(26 혹은 28)에 제공되는 보어부(미도시)에서 볼 수 있는 바와 같이, 가이드 그루브들(34)(36)이 완전하게 측벽부들(26)(28)에 의해 겹쳐지는 점도 생각해 볼 수 있다. 이 경우, 인서트(14)의 길이가 긴 가이드 부재들(48)(50)은 보어부들에 삽입되는 원형의 핀으로서 형성될 수 있다.

도시한 실시예에 따르면, 가이드 그루브들(34)(36)과 가이드 스트립들(48)(50)은 하우징(12)의 전체 측벽부(26)(28)에 걸쳐 연장된다. 그러나, 인서트(14)의 가이드 스트립이 단지 부분적으로만 가이드 그루브 내에서 연장되거나, 가이드 그루브가 전체 측면에 걸쳐 연장되지 않을 수도 있다. 또한, 측벽부에 보어부들이 제공되는 경우, 이들 보어부들은 빔 유입측 혹은 빔 유출측 커버(18 혹은 22)에 있어 빔 개구부 옆에 위치하는 부분을 통과하여 연장될 수도 있다. 다시 말해, 이런 경우 가이드 그루브들 내지 가이드 보어부들은 맞은편 측면들에 배치할 필요는 없다.

가이드 그루브들(34)(36) 내로 가이드 스트립들(48)(50)을 안내함으로써, 지지 부재(38)는 삽입될 때뿐 아니라 삽입된 상태에서 하우징(12)의 수납 공간(40)의 내부 벽부와 접촉하지 않는 방식, 다시 말해 자유롭게 부동하는 형태로 장착되는 방식으로, 하우징(12)의 수납 공간(40)에 지지 부재(38)를 삽입할 수 있다. 그로 인해 인서트(14)를 삽입하거나 인출할 때, 연마성 마모나 파손이 하우징(12)의 내벽부에서 발생되지 않고, 경우에 따라 단지 가이드 그루브들(34)(36)에서만 발생한다. 그에 따라 파손에 의한 광학 장치(16)의 오염이 회피될 수 있다.

도 1 내지 도 4b에서 볼 수 있듯이, 광학 장치(16)는 렌즈 고정부(52)에 장착된다. 도 3a 내지 도 4b에서 더욱 정확하게 볼 수 있듯이, 광학 장치(16)는 렌즈를 포함할 수 있으며, 렌즈로서는 레이저 가공 헤드 내부의 집속 렌즈로 전달하기 위해 유리 섬유로부터 레이저 빔을 분리하기 위한 시준화 렌즈가 특히 바람직하다. 이런 경우, 광학 장치(16)의 렌즈는 바람직하게는 환상의 횡단면을 갖는 렌즈 고정부(52) 내에 수납되고, 제1 및 제2 고정 링(54, 56)에 의해 고정된다. 렌즈 고정부(52)는 인서트(14)의 지지 부재(38)에 수납되고, 렌즈 고정부(52)는 지지 부재(38)에 삽입 접착될 수 있거나, 수나사산(미도시)을 이용하여 지지 부재(38)의 암나사산(미도시)에 나사 체결될 수 있다.

이하에서는, 섬유 레이저와 연결되는 접속될 유리 섬유를 포함하는 레이저 가공 헤드의 작동 방법에 대해 설명한다. 이와 관련하여, 본 발명에 따른 카트리지는 유리 섬유를 접속할 때에 시준화 렌즈의 오염을 방지할 수 있다.

우선, 섬유 커넥터를 접속하기 전에, 시준화 렌즈 및 집속 렌즈가 제거된다. 이때, 두 렌즈는 본 발명에 따른 카트리지 내에 고정될 수 있다. 그 후, 커버들을 이용하여 가공 헤드 내의 개구부들을 밀폐시킨다. 이어서, 섬유 커넥터가 삽입되고, 커버는 다시 제거되고, 인서트들이 다시 카트리지의 하우징에 삽입된다. 그로 인해, 레이저 가공 헤드의 외부에서 시준화 렌즈를 간단하게 점검할 수 있으며, 그럼으로써 마찬가지로 그 시준화 렌즈의 간단한 세정 혹은 간단한 교체가 가능하다. 그 외에도, 광 가이드 케이블을 매번 접속하기 전에, 광 가이드 케이블 접속 시에 렌즈에 오염물이 떨어지지 않도록 하기 위해, 시준화 렌즈를 시준기로부터 제거할 수 있다. 최종적으로, 하우징의 외부 벽부에서 이루어지는 인서트의 안내와 수납 공간의 내부에서 이루어지는 지지 부재의 자유 부동식 장착을 바탕으로, 빔 가이드 경로 내부에는 마모 입자가 발생하지 않으며, 그럼으로써 시준화 렌즈와, 그에 결부되어 공작물 상에 제공되는 초점의 오염 및 그에 따른 초점 이동이 방지되며, 그에 따라 레이저 절단 시에 동일한 절단 품질이 달성된다.

본 발명은 이하의 도면과 관련하여 더욱 상세하게 설명된다.

도 1은 하우징 내에 완전하게 삽입되는 않은 인서트를 포함하는 본 발명에 따른 카트리지를 도시한 분해도이다.

도 2는 하우징의 가이드 그루브 높이에 인서트가 완전하게 삽입된 상태에서 본 발명에 따른 카트리지를 절단하여 도시한 분해 단면도이다.

도 3a는 인서트의 삽입 방향에 대해 수직을 이루면서 광로에 따라 연장되는 평면에서 본 발명에 따른 카트리지를 도시한 분해 단면도이다.

도 3b는 인서트의 삽입 방향에 대해 수직을 이루면서 광로에 따라 연장되는 평면에서 본 발명에 따른 카트리지의 단면을 도시한 평면도이다.

도 4a는 인서트의 삽입 방향으로 광로를 따라 연장되는 평면에서 본 발명에 따른 카트리지를 도시한 분해 단면도이다.

도 4b는 인서트의 삽입 방향으로 광로를 따라 연장되는 평면에서 본 발명에 따른 카트리지의 단면을 도시한 평면도이다.

Claims (11)

1. 레이저 빔을 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공 헤드에 광학 장치(16)를 고정하기 위한 카트리지에 있어서,

   레이저 가공 장치를 통해 안내되는 광로(L)를 위한 유입구(20)와 유출구(24)가 각각 마련되고 서로 마주보는 유입측 커버(18)와 유출측 커버(22)를 가지며, 상기 광학 장치(16)를 수납하기 위한 수납 공간(40)을 포함하는 하우징(12); 및

   상기 광로(L)에 상기 광학 장치(16)를 고정하기 위해, 상기 수납 공간(40)으로 삽입될 수 있고 상기 광학 장치(16)를 지지하는 지지 부재(38)를 포함하는 인서트(14)를 구비하며;

   상기 인서트는 상기 수납 공간의 외부로부터 안내되며, 상기 지지 부재(38)가 상기 수납 공간(40)의 내부 벽부와 접촉되지 않고 자유롭게 부동하는 방식으로 상기 하우징에 장착되는 것을 특징으로 하는 카트리지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 인서트(14)는 상기 하우징(12)의 외부에 배치되는 적어도 하나의 가이드 요소에 대해 상호 보완적으로 배치될 수 있는 적어도 하나의 가이드 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 카트리지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 가이드 부재는 상기 지지 부재(38)로부터 이격 배치된 2개의 가이드 스트립(48)(50)을 포함하고;

   상기 가이드 요소는 상기 광로(L)에 대해 수직으로 연장되고, 상기 가이드 스트립을 안내할 수 있도록 상기 광로(L)에 평행하게 연장되고 서로 마주보도록 상기 하우징의 내부 벽부에 형성된 그루브들(34)(36)을 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지.
4. 제2항에 있어서,

   상기 가이드 요소는 광로(L)에 대해 수직으로 연장되고, 상기 하우징(12)의 적어도 하나의 벽부에 형성된 보어부들을 포함하고;

   상기 가이드 부재는 상기 인서트(14)의 지지 부재(38)에 대해 이격 배치되어 상기 보어부들에 삽입될 수 있는 핀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지.
5. 제1항에 따른 카트리지 내에서 이용하기 위한 인서트에 있어서,

   광학 장치(16)를 수납하기 위한 지지 부재(38);

   상기 지지 부재(38)로부터 이격되어 배치되고 측면으로 연장되는 적어도 하나의 가이드 부재(48)(50); 및

   상기 가이드 부재에 연결되는 연결 부재(42)를 포함하며;

   상기 적어도 하나의 가이드 부재(48)(50)와 상기 지지 부재(38)는 상기 연결 부재(42)로부터 멀어지면서 삽입 방향(E)으로 연장되며,

   상기 적어도 하나의 가이드 부재(48)(50)는 상기 하우징(12)의 벽부의 외부에서 안내될 수 있는 것을 특징으로 하는 인서트.
6. 제5항에 있어서,

   상기 연결 부재(42)는 파지 구간(44)과 플랜지 구간(56)을 포함하고,

   상기 플랜지 구간(46)은 상기 인서트가 삽입된 상태에서 상기 하우징(12)의 삽입 개구부(32)를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 인서트.
7. 제5항에 있어서,

   상기 지지 부재(38)는 상기 광학 장치(16)의 렌즈가 삽입 장착되는 렌즈 고정부(52)를 수납하기 위한 수납 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 인서트.
8. 제7항에 있어서,

   상기 수납 장치는 암나사산으로 구성되고, 상기 암나사산은 상기 렌즈 고정부(52)의 수나사산과 맞물리는 것을 특징으로 하는 인서트.
9. 레이저 절단을 통해 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공 헤드에 있어서,

   제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 카트리지를 포함하며,

   상기 카트리지는 레이저 가공 헤드의 광학 장치(16)를 수납하며, 상기 광학 장치(16)는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
10. 제9항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 렌즈는 유리 섬유로부터 발생하는 레이저 빔을 시준화하기 위한 시준화 렌즈인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
11. 제9항에 있어서,

    상기 광학 장치(16)는 공작물 상에 레이저 빔을 집속시키기 위한 집속 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.

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