KR101469645B1 - 레이저 광학헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계에 간편하게 착탈할 수 있는 빔 전달모듈 및 이를 포함하는 착탈식 레이저 광학헤드를 위하여, 외측 커버를 이루며 빔이 인입되는 본체와, 상기 본체에 설치되어 인입된 상기 빔을 반사시키는 빔 스플릿터와, 상기 빔 스플릿터의 하측으로 상기 빔의 경로 상에 배치되며 상기 빔의 경로를 중심축으로부터 이격시키는 웨지렌즈모듈과, 상기 웨지렌즈모듈의 하측 및 상기 빔의 경로 상에 설치되는 집속렌즈와, 상기 집속렌즈의 하측으로 설치되는 노즐을 포함하는 레이저 광학헤드를 제공한다.

Description

레이저 광학헤드{Laser lightning head}

본 발명은 레이저 가공 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 착탈가능한 레이저 광학 헤드에 관한 것이다.

일반적으로 레이저를 이용한 재료의 가공은 산업 전방에 걸쳐서 적용 분야가 급속히 확대되어 가고 있다. 레이저가 갖고 있는 재료 가공에서의 우수한 특성은 레이저 가공이 열처리, 용접, 드릴링 공정 등에서 기존의 공정을 대체하고 있으며, 이를 통한 품질 및 신뢰성 그리고 생산성 향상을 도모하고 있다. 이러한 레이저 가공의 중요한 장점은 정밀성, 공정의 유연성, 비접촉 가공 그리고 최소의 열영향부 등을 들 수 있다.

근래에 들어 상기와 같은 레이저 가공의 장점을 기존의 공작기계(예; 선반 가공기)에 접목시켜, 부품 가공의 효율성과 정밀도 그리고 생산성을 극대화 시키려는 노력이 있었다. 이는 첨단 레이저기술과 기존의 기계가공기술이 상호 융합 보완될 수 있는 기술로서 이러한 기술을 실용화한 복합 가공기의 필요성이 점차 대두되고 있다.

상기 복합 가공의 예로서, 선반 공작기계에 레이저 빔을 접목시켜 가공의 효율을 향상시키고 국부적 열처리(급냉처리 불필요), 마킹, 드릴링, 용접, 절단 그리고 그루빙 가공 등을 레이저 빔을 이용하여 절삭가공과 동시에 혹은 공작물이 세팅된 상태에서 연속적으로 처리함으로서 정밀도를 향상시키고 가공시간을 단축한다. (다단계공정을 한 단계로 단축). 또한 절삭가공이 난해한 재질(텅스텐, 세라믹 등)은 절삭 가공시에 가공부위를 레이저 빔으로 가열함으로서 절삭성(생산성) 및 정밀도를 획기적으로 개선할 수 있다. 또한 기존에 가공이 불가능한 재료들을 복합가공 기술을 이용하여 기계가공을 함으로서 재료선정 및 설계의 유연성을 제공할 수 있다.

그러나 이러한 종래의 레이저 가공 장치, 특히 레이저 폴리싱 장치는 챔버 내에서 재료를 가공하여 공간의 제약에 의해 다양한 크기의 재료를 가공하지 못하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 공작기계에 간편하게 착탈할 수 있는 레이저 광학 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 외측 커버를 이루며 빔이 인입되는 본체와, 상기 본체에 설치되어 인입된 상기 빔을 반사시키는 빔 스플릿터와, 상기 빔 스플릿터의 하측으로 상기 빔의 경로 상에 배치되며 상기 빔의 경로를 중심축으로부터 이격시키는 웨지렌즈모듈과, 상기 웨지렌즈모듈의 하측 및 상기 빔의 경로 상에 설치되는 집속렌즈와, 상기 집속렌즈의 하측으로 설치되는 노즐을 포함하는 레이저 광학헤드가 제공된다.

상기 웨지렌즈모듈은 상기 빔의 경로를 상기 중심축으로부터 이격시키는 제1웨지렌즈 및 제2웨지렌즈와, 상기 제1웨지렌즈 및 상기 제2웨지렌즈가 상하로 이격되게 설치되며 상기 본체에 회전 가능하게 설치되는 웨지 하우징을 포함할 수 있다.

상기 제1웨지렌즈 및 상기 제2웨지렌즈는 상호간의 거리가 조절될 수 있다.

상기 빔 스플릿터는 가공물에서 나오는 특정 파장의 광을 통과시킬 수 있다.

상기 가공물의 온도를 측정하도록 상기 빔 스플릿터를 통과한 상기 특정 파장의 광을 온도측정센서로 안내하는 고온계용 미러와 고온계용 빔 집속장치를 더 포함할 수 있다.

회전력을 이용하여 가공물을 가공하는 공작기계의 상기 주축에 착탈 가능하게 결합되고, 상기 본체에 회전가능하게 결합되는 샹크와, 상기 샹크와 결합되어 상기 공작기계의 회전력을 상기 웨지렌즈모듈로 전달하는 동력전달장치를 더 포함하고, 상기 웨지렌즈모듈은 상기 본체에 회전가능하게 결합될 수 있다.

상기 동력전달장치는 벨트를 포함할 수 있다.

상기 본체 및 상기 공작기계에 각각 고정되어, 상기 본체의 회전을 방지하는 스톱퍼를 더 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공작기계에 간편하게 착탈할 수 있는 레이저 광학헤드를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학헤드를 개략적으로 도시하는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 광학헤드를 개략적으로 도시하는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 레이저 광학 헤드를 개략적으로 도시하는 구성도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 또한, 이하에서 결합된다는 것은 직접 결합 및 간접 결합을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학헤드를 개략적으로 도시하는 구성도이다. 본 실시예에 따른 레이저 광학헤드는 본체(100), 빔 스플릿터(200), 웨지렌즈모듈(300), 집속렌즈(400) 및 노즐(500)을 포함한다.

본체(100)는 레이저 광학헤드의 전체적인 외형을 이루며, 특히 내부 구성요소를 가리는 외측 커버를 이룬다. 이러한 본체(100)는 하우징 형태로 제공되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 프레임형태 또는 프레임과 커버 형태일 수 있다.

이러한 본체(100)는 가공물을 가공하기 위한 빔(레이저)가 인입된다. 예를 들어 별도로 구비되어 빔을 발생하는 빔 발생원(미도시)으로부터 발생된 빔이 광 파이버(610)를 통해 본체(100) 내부로 유도된다. 이때, 광 파이버(610)는 광 커플러(600)에 의해 본체(100)에 결합되는데, 광 커플러(600)는 빔이 퍼지는 것을 방지하기 위한 콜리메이션 렌즈를 포함한다.

빔 스플릿터(200)는 본체(100)에 설치되어 인입되는 빔을 반사시킨다. 예를 들어 빔은 본체(100)의 측방으로 인입되고, 빔 스플릿터(200)에 의해 반사되어 본체(100)의 하방으로 방출된다.

웨지렌즈모듈(300)은 빔 스플릿터(200)의 하측으로 빔의 경로 상에 배치된다. 또한 웨지렌즈모듈(300)은 빔의 경로를 중심축(C)으로부터 이격시킨다. 이러한 웨지렌즈모듈(300)은 제1웨지렌즈(310), 제2웨지렌즈(320) 및 웨지 하우징(330)을 포함한다.

제1웨지렌즈(310) 및 제2웨지렌즈(320)는 상호 이격되어 설치된다. 구체적으로 제1웨지렌즈(310) 및 제2웨지렌즈(320)는 빔의 경로를 따라 상호 이격된다. 이러한 웨지렌즈들은 대략 원통형 형상이며, 빔을 꺾을 수 있도록 상면이 하면에 대해 경사진다. 이때, 제1웨지렌즈(310) 및 제2웨지렌즈(320)는 각각의 중심이 하나의 중심축(C)을 지나가도록 배치된다.

제1웨지렌즈(310) 및 제2웨지렌즈(320)는 각각 다른 방향으로 빔을 꺾어, 빔의 경로를 중심축(C)으로부터 이격시킨다. 빔은 중심축(C)과 대략 일치하는 경로로 제1웨지렌즈(310)로 도달한다. 빔은 제1웨지렌즈(310)에서 중심축(C)과 소정의 각도를 이루도록 외측으로 꺾인다. 그리고 빔은 제2웨지렌즈(320)에서 중심축(C)과 대략 평행을 이루도록 꺾인다. 즉 빔은 제1웨지렌즈(310) 및 제2웨지렌즈(320)에서 두 번 꺾여 중심축(C)으로부터 경로가 이격된다.

웨지 하우징(330)은 제1웨지렌즈(310) 및 제2웨지렌즈(320)가 상하로 이격되게 설치되며, 본체(100)에 회전가능하게 설치된다. 예컨대, 웨지 하우징(330)은 대략 원기둥 형태의 제1웨지렌즈(310) 및 제2웨지렌즈(320)가 결합되고, 회전 저항을 최소화하기 위하여 대략 원통형으로 형성된다. 이러한 웨지 하우징(330)은 복수의 베어링(340)에 의해 본체(100)에 회전가능하게 설치된다.

한편, 제1웨지렌즈(310) 및 제2웨지렌즈(320)는 상호간의 거리가 조절된다. 가공물을 가공하기 위하여 빔의 회전반경을 조절할 필요가 있다. 특히, 가공물을 빔으로 폴리싱하는 경우, 광의 회전반경을 조절하여 폴리싱 면적을 조절할 수 있다. 이를 위하여, 제1웨지렌즈(310) 및 제2웨지렌즈(320)는 상대적으로 이동할 수 있다.

예를 들어, 제1웨지렌즈(310)는 웨지 하우징(330)에 고정되고, 제2웨지렌즈(320)는 나사 등에 의해 웨지 하우징(330)에 고정되는 위치가 변경될 수 있다. 물론 그 반대도 가능하다.

집속렌즈(400)는 웨지렌즈모듈(300)의 하측으로 빔의 경로 상에 설치된다. 집속렌즈(400)는 웨지렌즈모듈(300)을 거친 광이 퍼지는 것을 방지하고, 가공물의 포면에 빔의 초점이 맺히도록 한다.

노즐(500)은 집속렌즈(400)의 하측으로 본체(100)에 설치된다. 노즐(500)을 통해 빔이 방출될 뿐만 아니라 산화방지가스도 함께 분사할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 광학헤드를 개략적으로 도시하는 구성도이다. 본 실시예에 따른 레이저 광학헤드는 전술한 실시예에 따른 레이저 광학헤드와 동일하거나 유사하다. 따라서 중복되는 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 레이저 광학헤드는 고온계용 미러(710)와, 고온계용 빔 집속장치(720)를 더 포함한다.

빔 스플릿터(200)는 가공물에서 나오는 특정 파장의 광을 통과시킨다. 구체적으로 빔 스플릿터(200)는 가공물의 온도 측정을 위하여 적외선을 통과시킨다. 가공물을 가공할 때, 특히 폴리싱할 때 가공 정밀도를 향상시키기 위하여 가공물의 온도 변화를 측정할 필요가 있다.

고온계용 미러(710)와 고온계용 빔 집속장치(720)는 가공물의 온도를 측정하도록 빔 스플릿터(200)를 통과한 특정 파장의 광을 온도측정센서로 안내한다. 즉 특정 파장의 광은 빔과는 반대 방향으로 진행되어 웨지렌즈모듈(300) 및 빔 스플릿터(200)를 통과한 후 고온계용 미러(710)에서 반사되어 고온계용 빔 집속장치(720)를 통해 온도측정센서로 안내된다. 여기서 온도측정센서는 본체(100) 외부에 별도로 구비될 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 착탈식 레이저 광학헤드를 개략적으로 도시하는 구성도이다.

착탈식 레이저 광학 헤드는 회전력을 이용하여 가공물을 가공하는 공작기계(10)의 주축에 착탈가능하게 결합된다. 즉 사용자는 공작기계(10)에 가공물을 거치시킨 후 가공물을 기계가공하고, 기계가공을 마친 후 착탈식 레이저 광학 헤드를 공작기계(10)에 결합하여 레이저 가공, 특히 폴리싱할 수 있다. 이처럼 단일 공작기계(10)의 작업대에서 기계가공과 레이저 가공을 연속적으로 수행할 수 있어, 작업 시간을 단축할 수 있으며, 작업효율을 향상시킬 수 있다. 이하에서 착탈식 레이저 광학 헤드에 대해 상세히 설명한다. 본 실시예에 따른 착탈식 레이저 광학헤드는 전술한 실시예들에 다른 레이저 광학헤드를 포함하므로 중복되는 설명은 생략한다.

착탈식 레이저 광학 헤드는 샹크(800), 본체(100), 웨지렌즈모듈(300), 집속렌즈(400), 동력전달장치(830)를 포함한다.

샹크(800)는 공작기계(10)의 주축과 착탈 가능하게 결합된다. 그리고 샹크(800)는 본체(100) 내부로 연장된다. 이러한 샹크(800)는 공작기계(10)의 회전력을 동력전달장치(830)를 통해 웨지렌즈모듈(300)로 전달할 수 있다.

본체(100)는 외측 커버를 이루며, 샹크(800)가 회전가능하게 결합된다. 예를 들어, 샹크(800)는 본체(100)에 고정된 베어링(810)에 회전할 수 있도록 본체(100)에 결합된다.

샹크(800)가 공작기계(10)의 주축에 물리면, 본체(100)는 공작기계(10)에 매달려 있게 된다. 이때, 샹크(800)가 회전할 때 본체(100)는 베어링(810)에 의해 샹크(800)가 결합되어 있기 때문에 샹크(800)를 따라서 회전할 수 있다. 이러한 것을 방지하기 위하여 공작기계(10) 및 본체(100)에 각각 고정되어, 본체(100)의 회전을 방지하는 스톱퍼(900)가 구비된다.

웨지렌즈모듈(300)은 빔을 중심축(C)에서 수평 이동시키고, 중심축(C)을 기준으로 회전시켜 레이저 가공시 가공물의 가공 표면에 열 축적현상을 방지하고 국부적 열원으로 가공하기 위함이다.

동력전달장치(830)는 웨지렌즈모듈(300)이 회전되도록 동력원으로부터 동력을 전달한다. 여기서 동력원으로는 별도의 구동부를 사용할 수 있지만, 에너지 효율을 향상시키고 구성을 단순화하기 위해 공작기계(10)의 회전력을 사용한다. 즉 동력전달장치(830)는 샹크(800)와 결합되어 공작기계(10)의 회전력을 웨지렌즈모듈(300)로 전달한다.

이러한 동력전달장치(830)는 샹크(800)와 웨지렌즈모듈(300)에 각각 결합된다. 예를 들어, 동력전달장치(830)는 샹크(800)의 외주면과 웨지 하우징(330)의 외주면을 둘러싸는 벨트를 포함한다. 물론 이에 한정하는 것은 아니며 동력전달장치(830)는 기어로 이루어질 수도 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 공작기계 100: 본체
200: 빔 스플릿터 300: 웨지렌즈모듈
310: 제1웨지렌즈 320: 제2웨지렌즈
330: 웨지 하우징 400: 집속렌즈
500: 노즐 600: 광 커플러
610: 광 파이버 710: 고온계용 미러
720: 고온계용 빔 집속장치 800: 샹크
900: 스톱퍼

Claims (7)

1. 외측 커버를 이루며, 빔이 인입되는 본체;
   상기 본체에 설치되어 인입된 상기 빔을 반사시키는 빔 스플릿터;
   상기 빔 스플릿터의 하측으로 상기 빔의 경로 상에 배치되며, 상기 빔의 경로를 중심축으로부터 이격시키고, 본체에 회전가능하게 결합되는 웨지렌즈모듈;
   상기 웨지렌즈모듈의 하측 및 상기 빔의 경로 상에 설치되는 집속렌즈;
   상기 집속렌즈의 하측으로 설치되는 노즐;
   회전력을 이용하여 가공물을 가공하는 공작기계의 주축에 착탈 가능하게 결합되고, 상기 본체에 회전가능하게 결합되는 샹크; 및
   상기 샹크와 결합되어, 상기 공작기계의 회전력을 상기 웨지렌즈모듈로 전달하는 동력전달장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 광학헤드.
2. 제1항에 있어서,
   상기 웨지렌즈모듈은,
   상기 빔의 경로를 상기 중심축으로부터 이격시키는 제1웨지렌즈 및 제2웨지렌즈; 및
   상기 제1웨지렌즈 및 상기 제2웨지렌즈가 상하로 이격되게 설치되며, 상기 본체에 회전 가능하게 설치되는 웨지 하우징;
   을 포함하는, 레이저 광학헤드.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1웨지렌즈 및 상기 제2웨지렌즈는 상호간의 거리가 조절되는, 레이저 광학헤드.
4. 제1항에 있어서,
   상기 가공물의 온도를 측정하도록, 상기 가공물에서 나오는 특정 파장의 광을 통과시키는 상기 빔 스플릿터를 통과한 상기 특정 파장의 광을 온도측정센서로 안내하는 고온계용 미러와 고온계용 빔 집속장치를 더 포함하는, 레이저 광학헤드.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 동력전달장치는 벨트를 포함하는, 레이저 광학헤드.
7. 제1항에 있어서,
   상기 본체 및 상기 공작기계에 각각 고정되어, 상기 본체의 회전을 방지하는 스톱퍼를 더 포함하는, 레이저 광학헤드.

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