KR101492339B1 - 레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템 - Google Patents

레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 클래딩 작업을 정밀하게 제어하기 위한 레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템에 관한 것이다. 레이저 클래딩 과정에서 시편 상에 생성되는 용융 풀의 높이를 측정하는 방법은, 레이저 발생 장치와 연결된 빔 집광부에 인접하게 배치되는 변위센서에 의해 상기 변위센서와 용융 풀의 단부 사이의 거리를 측정하고, 상기 변위센서와 용융 풀의 중심점 사이의 거리와, 상기 변위센서가 수직선에 대해 기울어지는 각도로부터 용융 풀의 높이를 계산하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 따르면, 작업 중에 발생되는 플라즈마 등의 영향을 받지 않으면서 정밀하게 작업을 진행할 수 있는 레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템을 제공할 수 있다.

Description

레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템 {Method for controlling laser cladding and laser cladding system}
본 발명은 레이저 클래딩 작업을 정밀하게 제어하기 위한 레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템에 관한 것이다.
레이저 직접 금속 조형기술(laser-aided direct metal manufacturing)은 기능성 소재(금속, 합금 또는 세라믹 등)를 사용하여 컴퓨터에 저장된 3차원 디지털 형상정보(digital data of 3D subjects)에 따라 정밀하게 레이저로 직접 용착시키는 레이저 클래딩(laser cladding) 기술을 이용하여 3차원 형태의 제품 또는 제품 생산에 필요한 툴(tools)을 매우 빠른 시간 내에 제작할 수 있다.
3차원 형상정보는 3차원 CAD 데이터, 의료용 CT(Computer Tomography; 컴퓨터 단층 촬영) 및 MRI(Magnetic Resonance Imaging; 자기 공명 영상법) 데이터, 3차원 스캐너(3D Object Digitizing System)로 측정된 디지털 데이터 등을 말한다. 툴은 다이(Die)나 몰드(Molds) 등의 제품 생산에 필요한 양산 금형을 말한다.
이러한 기술은 CNC(Computerized Numerical Control; 컴퓨터 수치제어) 및 기타 가공 기계를 이용한 절삭과 주조 등의 기존 가공 방식과는 비교할 수 없는 빠른 시간 내에 금속 시작품, 양산 금형, 복잡한 형상의 최종 제품 및 각종 툴을 제작할 수 있고, 역공학(Reverse Engineering)을 이용한 금형의 회복(Restoration), 리모델링(Remodeling) 및 수정(Repairing)에도 적용 가능하다.
CAD 데이터로부터 그 물리적 형상을 구현하는 기본 개념은 일반 프린터와 유사하다. 프린터가 컴퓨터에 저장되어 있는 문서 데이터 파일을 이용하여 2차원 종 이 평면 위의 정확한 위치에 잉크를 입혀 문서를 제작하듯이, 직접 금속 조형기술은 3차원 CAD 데이터를 이용하여 3차원 공간의 정확한 위치에 기능성 소재를 요구하는 양만큼 형성시킴으로써 3차원의 물리적 형상을 구현한다. 이러한 기술은 3D 프린터로 개발되고 있고, 최근 플라스틱, 세라믹, 종이, 금속 등 소재의 특징에 따라 각기 다른 방향으로 상용화되고 있다.
레이저 직접 금속 조형기술에서 2차원의 평면은 레이저 클래딩(laser cladding)기술을 이용하여 물리적으로 구현한다.
도 1은 일반적인 레이저 클래딩 공정을 설명하기 위한 도면이다.
레이저 클래딩은 시편 표면(11)에 레이저빔(20)을 조사하여 국부적으로 용융 풀(melt pool)(40)을 만들고, 동시에 외부에서 분말 형태의 클래딩 소재(금속, 합금, 세라믹, 종이 등)(30)를 공급하여 시편 표면(11)에 새로운 클래딩 층(45)을 형성시키는 기술이다.
레이저 직접 금속 조형기술에서는 3차원 CAD 데이터로부터 2차원의 단면 정보를 산출하고, 각 2차원 단면정보에 해당하는 형태와 두께 및/또는 높이를 갖는 클래딩 층을 순차적으로 형성시킴으로써 3차원 형상의 기능성 금속 제품 또는 툴을 쾌속으로 조형한다.
레이저 직접 금속 조형기술에서는 고정된 레이저빔을 중심으로 기판(10)(또는 시편)을 x, y축으로 이송하거나 또는 고정된 시편(10)을 중심으로 레이저빔을 이동시켜 클래딩 층을 형성시킨다. 그리고 레이저빔과 금속의 시편을 함께 이송시킬 수도 있으며, 가공 자유도를 높이기 위하여 3축 이상의 이송계 또는 로봇의 사용도 가능하다.
조형과정에서 2차원 단면정보에 해당하는 클래딩 층의 형태는 단면정보로부터 산출된 공구경로와 이송계의 정밀도에 주로 의존하고, 물리적인 구현이 비교적 용이하다. 그러나, 레이저 클래딩 층의 높이는 레이저의 출력, 레이저빔의 모드, 레이저빔의 크기, 시편의 이송속도, 클래딩 분말의 특성, 분말 공급량, 분말의 낙하속도, 클래딩 비드의 중첩도, 공급되는 각종 보조 가스의 종류 및 유량 등 수많은 공정변수에 영향을 받는다. 클래딩 과정에서 열 축적에 의해 발생되는 시편 표면의 온도변화, 시편 표면 및 레이저 발진기의 상태 등의 외부적 요인들도 형성되는 클래딩 층의 높이에 영향을 준다.
따라서, 2차원 단면정보에 해당하는 클래딩 층의 높이를 얻기 위해서는 클래딩 층의 높이를 결정하는 용융 풀의 위치를 실시간으로 모니터링하여 클래딩 층의 높이에 영향을 주는 공정변수를 실시간으로 제어해야 하는 기술적인 어려움이 있다.
종래의 레이저 클래딩 공정에서는 작업 중에 발생되는 플라즈마 등으로 인해 용율 풀의 높이 결정에 어려움을 겪을 수 있고, 레이저 클래딩 작업 전에 준비 단계인 작업 원점의 보정 등의 사전 작업에 레이저 클래딩 시스템을 활용하기 어려운 문제점이 있었다.
대한민국 특허 제10-0341489호
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 레이저 클래딩 작업 전에 작업 원점의 보정 등의 사전 작업에 이용할 수 있고, 작업 중에 발생되는 플라즈마 등의 영향을 받지 않으면서, 곡선부가 있는 금형에서도 이동이 자유로운 레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템을 제공하고자 함에 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 레이저 클래딩 과정에서 시편 상에 생성되는 용융 풀의 높이를 측정하는 방법은, 레이저 발생 장치와 연결된 빔 집광부에 인접하게 배치되는 변위센서에 의해 상기 변위센서와 용융 풀의 단부 사이의 거리를 측정하고, 상기 변위센서와 용융 풀의 중심점 사이의 거리와, 상기 변위센서가 수직선에 대해 기울어지는 각도로부터 용융 풀의 높이를 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용융 풀의 높이 h는 다음 수식에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.
h = cosθ(D-d)
여기서, θ는 상기 변위센서가 수직선에 대해 기울어지는 각도이고, D는 상기 변위센서와 용융 풀의 중심점 사이의 거리이고, d는 상기 변위센서와 용융 풀의 단부 사이의 거리이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 레이저 클래딩의 제어 방법은, 레이저 클래딩 과정에서 시편 상에 생성되는 용융 풀의 높이를 실시간으로 측정하고, 이러한 용융 풀의 높이에 따라 레이저 출력, 분말 공급량, 레이저빔의 크기 및 모드 등의 공정변수를 제어하고, 상기 용융 풀의 높이는, 레이저빔 발생 장치와 연결된 빔 집광부에 인접하게 배치되는 변위센서에 의해 상기 변위센서와 용융 풀의 단부 사이의 거리를 측정하고, 상기 변위센서와 용융 풀의 중심점 사이의 거리와, 상기 변위센서가 수직선에 대해 기울어지는 각도로부터 계산하는 것을 특징으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 레이저 클래딩 시스템은, 소정의 레이저빔 조사로 시편 표면에 용융 풀을 만들어 내기 위해 레이저 발생장치, 빔 이송부, 빔 집광부를 포함하는 레이저빔 조사부; 시편 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; 수직선으로부터 소정 각도만큼 기울어져 상기 빔 집광부에 인접하게 배치되고 물체까지의 거리를 측정하는 변위센서; 시편 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 상기 장치들을 제어하고, 상기 CAD/CAM 장비로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부; 를 포함하고, 상기 변위센서는 상기 변위센서와 용융 풀의 단부 사이의 거리를 측정하고, 상기 제어부는 상기 변위센서의 측정값과, 상기 변위센서와 용융 풀의 중심점 사이의 거리와, 상기 변위센서가 수직선에 대해 기울어지는 각도로부터 용융 풀의 높이를 계산하고, 이러한 용융 풀의 높이에 따라 레이저 출력, 분말 공급량, 레이저빔의 크기 및 모드 등의 공정변수를 제어하는 것을 특징으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 리모델링이나 보수를 위한 z축 방향의 작업경로를 생성하는 방법에서, 상기 레이저 클래딩 시스템은, 소정의 레이저빔 조사로 상기 작업 대상물의 표면에 용융 풀을 만들어 내기 위해 레이저 발생장치, 빔 이송부, 빔 집광부를 포함하는 레이저빔 조사부; 상기 작업 대상물의 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; 수직선으로부터 소정 각도만큼 기울어져 상기 빔 집광부에 인접하게 배치되고 물체까지의 거리를 측정하는 변위센서; 상기 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 상기 장치들을 제어하고, 상기 CAD/CAM 장비로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부; 를 포함하고, 상기 변위센서는 상기 작업 대상물의 표면을 따라 이동하면서 상기 변위센서와 상기 작업 대상물 사이의 거리를 측정하고, 상기 제어부는 상기 변위센서의 측정값을 기초로 상기 작업 대상물의 표면으로부터 상기 빔 집광부의 단부까지의 거리를 계산하여 z축 방향의 작업경로를 생성하는 것을 특징으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 정위치를 설정하는 방법에서, 상기 레이저 클래딩 시스템은, 소정의 레이저빔 조사로 상기 작업 대상물의 표면에 용융 풀을 만들어 내기 위해 레이저 발생장치, 빔 이송부, 빔 집광부를 포함하는 레이저빔 조사부; 상기 작업 대상물의 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; 수직선으로부터 소정 각도만큼 기울어져 상기 빔 집광부에 인접하게 배치되고 물체까지의 거리를 측정하는 변위센서; 상기 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 상기 장치들을 제어하고, 상기 CAD/CAM 장비로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부; 를 포함하고, 상기 변위센서가 상기 작업 대상물의 표면을 따라 x축 방향으로 이동하면서 상기 변위센서와 상기 작업 대상물 사이의 거리를 측정하여 상기 작업 대상물의 x축방향 경계점의 좌표를 얻는 단계; 얻어진 상기 x축방향 경계점의 좌표가 상기 CAD/CAM 장비에서 제공하는 상기 작업 대상물의 해당 좌표와 일치하는지를 확인하는 단계; 상기 x축방향 경계점의 좌표가 상기 CAD/CAM 장비에서 제공하는 상기 작업대상물의 해당 좌표와 일치하지 않을 경우 일치하도록 상기 작업 대상물의 위치를 보정하는 단계; 상기 변위센서가 상기 작업 대상물의 표면을 따라 y축 방향으로 이동하면서 상기 변위센서와 상기 작업 대상물 사이의 거리를 측정하여 상기 작업 대상물의 y축방향 경계점의 좌표를 얻는 단계; 얻어진 상기 y축방향 경계점의 좌표가 상기 CAD/CAM 장비에서 제공하는 상기 작업 대상물의 해당 좌표와 일치하는지를 확인하는 단계; 상기 y축방향 경계점의 좌표가 상기 CAD/CAM 장비에서 제공하는 상기 작업대상물의 해당 좌표와 일치하지 않을 경우 일치하도록 상기 작업 대상물의 위치를 보정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 레이저빔 조사부의 작업 높이를 자동으로 설정하는 방법에서, 상기 레이저 클래딩 시스템은, 소정의 레이저빔 조사로 상기 작업 대상물의 표면에 용융 풀을 만들어 내기 위해 레이저 발생장치, 빔 이송부, 빔 집광부를 포함하는 레이저빔 조사부; 상기 작업 대상물의 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; 수직선으로부터 소정 각도만큼 기울어져 상기 빔 집광부에 인접하게 배치되고 물체까지의 거리를 측정하는 변위센서; 상기 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 상기 장치들을 제어하고, 상기 CAD/CAM 장비로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부; 를 포함하고, 상기 변위센서를 이용하여 상기 변위센서와 상기 작업 대상물 사이의 거리를 측정하는 단계; 상기 변위센서의 측정값을 기초로 상기 작업 대상물의 표면으로부터 상기 빔 집광부의 단부까지의 실제 높이를 계산하는 단계; 상기 계산된 실제 높이가 원하는 작업 높이와 다를 경우 상기 빔 집광부를 수직으로 이송하여 상기 작업 높이와 일치하도록 실제 높이를 보정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물 상에 클래딩 층을 적층하기 위한 레이저 클래딩의 제어 방법은, 상기 레이저 클래딩 시스템은, 소정의 레이저빔 조사로 상기 작업 대상물의 표면에 용융 풀을 만들어 내기 위해 레이저 발생장치, 빔 이송부, 빔 집광부를 포함하는 레이저빔 조사부; 상기 작업 대상물의 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; 수직선으로부터 소정 각도만큼 기울어져 상기 빔 집광부에 인접하게 배치되고 물체까지의 거리를 측정하는 변위센서; 상기 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 상기 장치들을 제어하고, 상기 CAD/CAM 장비로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부; 를 포함하고, 작업 대상물 상에 클래딩 층을 한 층 이상 적층하는 단계; 상기 변위센서를 이용하여 클래딩 층이 적층된 상기 작업 대상물의 표면을 따라 이동하면서 상기 변위센서와 상기 작업 대상물의 표면 사이의 거리를 측정하는 단계; 상기 제어부가 상기 변위센서의 측정값을 기초로 상기 작업 대상물의 표면으로부터 상기 빔 집광부의 단부까지의 거리를 계산하여 z축 방향의 작업경로를 생성하는 단계; 상기 z축 방향의 작업경로에 기초하여 레이저 출력, 분말 공급량, 가스량 등의 공정변수를 제어하면서 상기 작업 대상물 상에 클래딩 층을 추가로 적층하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 레이저 클래딩 작업 전에 작업 원점의 보정 등의 사전 작업에 이용할 수 있고, 작업 중에 발생되는 플라즈마 등의 영향을 받지 않으면서, 곡선부가 있는 금형에서도 이동이 자유로운 레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 레이저 클래딩 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 레이저 클래딩 시스템의 주요부의 구성을 상세히 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 레이저 클래딩 시스템에서 용융 풀의 높이를 측정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 리모델링이나 보수를 위한 z축 방향의 작업경로를 생성하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 정위치를 설정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 레이저빔 조사부의 작업 높이를 자동으로 설정하는 방법을 설명하는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템의 구성도이다. 도 3은 본 발명의 레이저 클래딩 시스템의 주요부의 구성을 상세히 도시하는 도면이다. 도 4는 본 발명의 레이저 클래딩 시스템에서 용융 풀의 높이를 측정하는 방법을 설명하는 도면이다.
본 발명의 레이저 클래딩 시스템(100)은 레이저빔 조사부(110, 120, 130), 클래딩 소재 공급장치(135), 변위센서(140), 이송 시스템(150), CAD/CAM 장비(160), 제어부(170)를 포함한다.
레이저 클래딩은 시편(또는 작업 대상물)(10) 상에 레이저빔을 조사하여 국부적으로 용융 풀(melt pool)(40)을 만들고, 동시에 외부에서 분말 형태의 클래딩 소재(금속, 합금, 세라믹, 종이 등)를 공급하여 시편(10) 표면에 새로운 클래딩 층을 형성시키는 기술이고, 새로운 클래딩 층을 한층 한층 적층하여 3차원의 형상을 제작할 수 있다. 레이저 클래딩 시스템(100)은 이러한 기술을 구현하는 장치이다.
레이저 클래딩 기술은 기존의 플라즈마 용사, 아크 용접 등의 기술에 비해 모재와 클래딩 층 사이의 접합이 우수하고, 모재의 용융을 최소화하고, 클래딩 층을 정밀하게 원하는 위치에 입힐 수 있어 후가공 비용을 줄일 수 있는 등 여러 가지 우수한 장점을 가지고 있다.
또한, 이러한 레이저 클래딩 기술은 금형 등의 표면 개질, 금형의 보수 및 재생, 특수 소재 및 난가공성 소재의 제작, 2종 이상의 금속의 접합 등 활용 분야가 매우 다양하다. 이러한 기술은 3D 프린터에도 응용되고 있다.
레이저빔 조사부(110, 120, 130)는 시편(또는 작업 대상물)(10) 상에 레이저빔을 조사하여 용융 풀(40)을 만들기 위한 장치이다. 레이저빔 조사부(110, 120, 130)는 레이저 발생장치(110), 빔 이송부(120), 빔 집광부(130)를 포함할 수 있다.
레이저 발생장치(110)는 레이저빔의 조사로 인하여 시편(10)의 표면에 용융 풀(40)을 만들 수 있는 어떠한 파장의 레이저도 사용 가능하다.
레이저 발생장치(110)로부터 나온 레이저빔은 빔 이송부(120)를 통해 빔 집광부(130)로 전달된다. 빔 이송부(120)는 플렉시블한 소재를 사용하여 원하는 방향으로 레이저빔을 이송할 수 있다.
빔 집광부(130)는 렌즈나 미러 등의 광학부품을 조합하여, 레이저 클래딩에 적합하도록 레이저빔을 집광하는 역할을 수행한다. 빔 집광부(130)에서 집광된 레이저빔은 시편(10) 상에 조사되어 용융 풀(40)을 형성할 수 있다. 레이저빔의 조사와 함께 용융 풀(40)로 클래딩 소재를 계속 공급하면서 시편(10)이 이송되면, 시편(10) 상에 얇은 두께(예를 들어, 250㎛)의 새로운 클래딩 층이 형성된다. 이러한 클래딩 층은 먼저 2차원의 평면에 형성되고, 2차원의 평면에 모두 형성되면 그 위에 다시 클래딩 층을 적층하는 방법으로 3차원의 형상을 만든다.
클래딩 소재 공급장치(135)는 빔 집광부(130)에 인접하게 배치되고, 이송 호스(136)를 통해 빔 집광부(130)의 단부 근처로 클래딩 소재를 공급할 수 있다. 클래딩 소재 공급장치(135)는 빔 집광부(130)로부터 멀리 배치되고 이송 호스(136)를 통해 빔 집광부(130)의 단부 근처로 클래딩 소재를 공급할 수 있다.
클래딩 소재는 분말형태가 바람직하지만, 와이어(Wire) 등의 형태로도 사용할 수 있다.
변위센서(140)는 레이저 발생장치(110)와 연결된 빔 집광부(130)에 인접하게 배치되어, 변위센서(140)로부터 이격된 물체와 변위센서(140) 사이의 거리를 측정한다. 변위센서(140)는 수직선에 대해 일정 각도 기울어지도록 배치되고, 측정의 정밀도를 위해 빔 집광부(130)의 양측에 하나씩 2개가 배치될 수 있다. 변위센서(140)로는 레이저 변위센서를 사용할 수 있다. 변위센서(140)는 ㎛ 단위의 측정 정밀도를 가질 수 있다.
변위센서(140)는 빔 집광부(130)의 단부로부터 상부로 이격되어 있으므로 굴곡부나 홈을 갖는 기존의 작업 대상물(10)을 보수할 경우, 변위센서(140)가 작업 대상물(10)의 다른 부분과 간섭되어 작업이 제한되는 문제는 발생되지 않는다.
이송 시스템(150)은 z축 상에 빔 집광부(130)를 설치하여 조형과정에서 레이저빔의 초점거리를 항상 일정하게 유지하고, 시편(10)을 xy축 테이블에 고정한 다음에 작업경로에 따라 시편(10)을 자유로이 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 한다. 이러한 이송 시스템(150)은 빔 집광부(130)에 설치되어 시편(10)을 고정한 상태에서, 레이저빔이 작업경로에 따라 자유로이 이송되도록 할 수도 있다. 또는, 레이저빔과 시편(10)을 동시에 이송시킬 수 있는 이송 시스템을 적용할 수도 있다.
CAD/CAM 장비(160)는 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부(170)에 전달한다.
제어부(170)는 PC 또는 NC(퍼스널 컴퓨터, 수치 제어시스템)와 각종 입출력장치로 이루어지고, 레이저 클래딩 시스템을 구성하고 있는 모든 장치를 제어하고, 실시간을 통해 각 장치의 상태를 모니터링하는 기능을 포함하고 있다.
제어부(170)는 CAD/CAM 장치(409)로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩 작업을 수행하고, 변위센서(140)의 측정값으로부터 용융 풀의 높이를 계산하여 이러한 용융 풀의 높이에 따라 클래딩 층의 높이가 목표 값에 도달하도록 공정변수를 제어한다. 또한, 제어부(170)는 레이저 클래딩에 사용되는 각종 가스를 제어하는 기능도 같이 수행할 수 있다.
미설명 부호 101은 냉각장치로, 레이저 발생장치(110)와 연결되어 냉각을 수행할 수 있다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 변위센서(140)를 이용하여 시편(10) 상에 형성되는 용융 풀(40)의 높이를 측정하는 방법을 설명하기로 한다.
레이저 발생장치(110)와 연결된 빔 집광부(130)로부터 레이저빔이 시편(10) 상에 조사되면, 시편(10) 상에는 모재와 클래딩 분말이 녹아서 생기는 용융 풀(40)이 형성된다. 이러한 용융 풀(40)의 높이를 일정하게 유지하면서 시편(10)이 이동하면 작업경로를 따라 균일한 높이의 클래딩 층이 형성된다. 컴퓨터에 저장된 3차원 CAD 데이터에 따라 클래딩 층을 한층 한층 연속하여 적층하게 되면, 작업대상물은 원하는 3차원 형상을 가지게 된다.
본 발명의 레이저 클래딩 제어 방법에서는, 먼저 변위센서(140)에 의해 시편(10)상에 생성되는 용융 풀(40)의 높이를 측정하고, 제어부(170)는 측정된 용융 풀(40)의 높이에 따라 레이저 출력, 분말 공급량, 가스 공급량, 레이저빔의 크기 및 모드 등의 공정변수를 제어하게 된다.
용융 풀(40)의 높이는 예를 들어, 250㎛가 되도록 제어되는데, 측정된 용융 풀(40)의 높이가 낮다면 레이저 출력을 높이거나, 분말량을 늘리거나, 가스를 약하게 하는 등의 방법으로 용융 풀(40)의 높이가 높아지도록 제어하고, 측정된 용융 풀(40)의 높이가 높다면 레이저 출력을 줄이거나, 분말량을 줄이거나, 가스를 강하게 하는 등의 방법으로 용융 풀(40)의 높이가 낮아지도록 제어한다. 이러한 이유 때문에, 레이저 클래딩 과정에서는 용융 풀(40)의 높이를 정밀하게 실시간으로 측정하는 것이 무엇보다 중요하다.
본 발명에서는 용융 풀(40)의 높이를 측정하기 위해 변위센서(140)를 이용한다. 변위센서(140)는 변위센서(140)로부터 이격된 물체와 변위센서(140) 사이의 거리를 측정한다. 따라서, 변위센서(140)에 의해 용융 풀(40) 높이뿐만 아니라, 변위센서(140)와 시편(10) 사이의 거리도 측정할 수 있다.
변위센서(140)의 가장 큰 장점은 레이저빔에 의해 클래딩 작업이 이루어지지 않을 때도 측정이 가능하다는 것이다. 또한, 변위센서(140)는 레이저 클래딩 작업 중에 발생하는 플라즈마나 불꽃에 의해 측정 정밀도에 전혀 영향을 받지 않는다. 또한, 변위센서(140)는 빔 집광부(130)의 단부로부터 상부로 멀리 이격되어 배치되므로, 표면에 굴곡부이나 홈 같은 형상을 갖고 있는 시편(10)의 경우 시편(10)이 이동하는 과정에서 변위센서(140)가 시편(10) 상의 부분과 간섭될 염려도 전혀 없다는 것이다.
도 4를 참조하면, 용융 풀(40)의 높이(h)는 수식 (1)에 의해 계산된다.
h = cosθ(D-d) 수식 (1)
여기서, θ는 변위센서(140)가 수직선, 즉 레이저빔의 광축(a)에 대해 기울어지는 각도이다. θ는 0°에 가깝게 유지되는 것이 가장 좋고, 적어도 20° 이내로 유지되어야 한다. θ는 레이저 클래딩 시스템(100)을 설치할 때 미리 알고 있는 값이다.
D는 변위센서(140)와 용융 풀(40)의 중심점(s) 사이의 거리이다. 여기서, 용융 풀(40)의 중심점(s)은 레이저빔의 광축(a)과 변위센서(140)의 지향선이 시편(10) 상에서 만나는 점(s)을 말한다. D는 레이저 클래딩 시스템(100)을 설치할 때 미리 알고 있는 값이다.
d는 변위센서(140)와 용융 풀(40)의 단부 사이의 거리로, 변위센서(140)에 의해 실시간으로 측정된다.
계산된 h와 실제 h 사이에는 약간의 오차가 있지만, θ가 작으면 이러한 오차는 무시할 수 있는 정도가 된다. 변위센서(140)는 빔 집광부(130)의 양측에 하나씩 2개가 배치되어 오차의 보정에 의해 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 변위센서(140)는 3개 이상 배치될 수도 있다.
레이저 클래딩 작업 전에 시편(10)의 표면과 빔 집광부(130)의 단부 사이의 거리(H)를 알고자 할 경우, H는 다음 수식 (2)에 의해 계산된다.
H = cosθ*D - L 수식 (2)
여기서, θ는 변위센서(140)가 수직선에 대해 기울어지는 각도이고, D는 변위센서(140)와 용융 풀(40)의 중심점(s) 사이의 거리이다. L은 변위센서(140)의 단부와 빔 집광부(130)의 단부 사이의 거리로 미리 알고 있는 값이다.
이러한 H는 레이저 클래딩 작업 전에 시편(10)의 z축방향의 작업경로를 생성할 때 이용된다.
본 발명의 레이저 클래딩 시스템(100)은 변위센서(140)에 의해 실시간으로 변위센서(140)와 용융 풀(40)의 단부 사이의 거리(d)를 측정하여, 이로부터 용융 풀(40)의 높이를 계산한다. 측정된 용융 풀(40)의 높이에 따라, 제어부(170)는 공정변수를 제어하게 된다. 이러한 변위센서(140)는 레이저 클래딩 작업 중에 발생하는 플라즈마나 불꽃에 의해 측정 정밀도에 전혀 영향을 받지 않으므로, 더욱 정밀도가 높은 레이저 클래딩 시스템(100)을 제공할 수 있다.
또한, 변위센서(140)는 후술하는 바와 같이 레이저 클래딩 작업이 이루어지기 전에 빔 집광부(130)의 단부와 작업 대상물(10) 사이의 거리를 측정하거나, 작업 대상물(10)의 보수시에 z축 방향의 좌표를 측정하는데에도 응용될 수 있다.
또한, 변위센서(140)는 빔 집광부(130)의 단부로부터 상부로 멀리 이격되어 배치되므로, 표면에 굴곡부이나 홈 같은 형상을 갖고 있는 시편(10)의 경우 시편(10)이 이동하는 과정에서 변위센서(140)가 시편(10) 상의 부분과 간섭될 염려도 전혀 없어, 본 발명의 레이저 클래딩 시스템(100)으로 작업할 수 있는 작업 대상물(10)의 제한이 없다는 이점이 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 리모델링이나 보수를 위한 z축 방향의 작업경로를 생성하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
상기 레이저 클래딩 시스템은 도 2에 도시된 레이저 클래딩 시스템(100)의 주요 구성부들을 모두 포함한다. 즉, 레이저 클래딩 시스템은 레이저 발생장치(110), 빔 이송부(120), 빔 집광부(130)를 포함하는 레이저빔 조사부, 클래딩 소재 공급장치(135), 변위센서(140), 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템(150), 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비(160), 상기 장치들을 제어하고, CAD/CAM 장비(160)로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부(170)를 포함한다.
작업 대상물(예를 들어, 금형)(10)의 리모델링이나 보수는 작은 부분에 변화를 주거나 부주의나 장기간의 사용에 의해 금형이 손상된 경우 이루어진다. 이러한 경우, 금형에 용접을 하던 방식은 사람에 따라 품질이 다르고 물성이 좋지 않아 오래 사용하기 어렵고 정밀한 보수를 할 수 없었지만, 본 발명에서와 같이 자동으로 CAD 데이터를 얻어서 작업을 하게 되면 새 제품과 유사한 품질을 얻을 수 있게 된다.
작업 대상물(10)을 보수할 경우에, 이러한 작업 대상물(10)은 처음에 제작된 상태와는 마모 등에 의해 형상의 변화가 생기므로 처음 제작된 상태의 3D CAD 데이터와는 많이 달라지게 된다. 따라서, 이 경우 작업 대상물(10)의 3D CAD 데이터는 실제 측정에 의해 생성해야 한다는 문제가 생긴다.
본 발명에서, 작업 대상물(10)의 보수를 위해서는 보수하고자 하는 작업 대상물(10)을 이송 시스템 위에 올려 놓고 작업 대상물(10)을 x축, y축으로 움직여 x-y축 좌표를 얻는다. 만약, 작업 대상물(10)이 사각형이면 4개의 꼭지점을, 6각형이면 6개의 꼭지점을 입력한다. 그러면 해당 면을 지그재그로 움직이는 모든 x, y 좌표값 정보를 얻어 올 수 있다. 이와 같이, x, y 좌표값 정보를 얻는 작업은 기존의 레이저 클래딩 시스템에서도 동일하게 적용될 수 있지만, 작업 대상물(10)의 리모델링이나 보수를 위한 z축 방향의 작업경로를 생성하는 것은 기존의 레이저 클래딩 시스템에서는 어려웠다.
본 발명의 레이저 클래딩 시스템(100)은 작업 대상물(10)의 표면을 따라 움직이면서 변위센서(140)에 의해 작업 대상물(10)의 z축 방향의 작업경로를 생성하는 것이 가능하다.
이를 위해, 변위센서(140)는 작업 대상물(10)의 표면(12)을 따라 이동하면서 변위센서(140)와 작업 대상물(10) 사이의 거리를 측정한다. 변위센서(140)가 작업 대상물(10)의 표면(12)을 따라 이동하는 것은 변위센서(140)가 고정되고 작업 대상물(10)이 이동하거나, 작업 대상물(10)이 고정되고 변위센서(140)가 이동함으로써 가능하다.
도 4를 참조하면, 변위센서(140)와 작업 대상물(10) 사이의 거리는 D로 표시되고, 이러한 거리(D)는 변위센서(140)에 의해 측정될 수 있다.
다음에, 제어부(170)는 변위센서(140)의 측정값을 기초로 작업 대상물(10)의 표면으로부터 빔 집광부(130)의 단부까지의 거리(H)를 계산한다. H는 상술한 바와 같이, H = cosθ*D - L 의 수식 (2)로부터 계산할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 작업 대상물(10)의 표면(12)은 굴곡을 가지므로, z축방향의 높이가 달라지게 되고, 그에 따라 레이저 클래딩 작업을 할 때 z축방향의 작업경로는 달라져야 한다.
이와 같이, 변위센서(140)는 얻어진 x, y 좌표값 정보에 따라 작업 대상물(10)의 표면(12)을 따라 이동하면서 연속적인 z축 방향의 좌표 정보를 얻을 수 있다.
이러한 방법으로, x, y, z축 방향의 좌표 정보가 얻어지면 3차원의 작업경로를 생성할 수 있고, 이러한 작업경로에 대한 정보는 CAD/CAM 장비(160)에 저장되고, 제어부(170)는 그에 따라 레이저 클래딩 작업을 수행하게 된다.
제어부(170)는 3차원 정보를 미리 알고 클래딩 작업을 제어하므로, 클래딩 작업시에 항상 일정한 높이로 클래딩 층을 적층하는 것이 가능하게 된다.
이하에서는, 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물 상에 클래딩 층을 적층하기 위한 레이저 클래딩의 제어 방법에 대해 설명하기로 한다.
상기 레이저 클래딩 시스템은 도 2에 도시된 레이저 클래딩 시스템(100)의 주요 구성부들을 모두 포함한다. 즉, 레이저 클래딩 시스템은 레이저 발생장치(110), 빔 이송부(120), 빔 집광부(130)를 포함하는 레이저빔 조사부, 클래딩 소재 공급장치(135), 변위센서(140), 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템(150), 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비(160), 상기 장치들을 제어하고, CAD/CAM 장비(160)로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부(170)를 포함한다.
먼저, 상기 레이저 클래딩 시스템(100)을 이용하여 작업 대상물 상에 클래딩 층을 한 층 이상 적층한다. 일반적으로, 하나의 클래딩 층의 높이는 예를 들어, 250㎛가 되도록 적층할 수 있다. 그러나, 작업 대상물 상에 클래딩 층이 항상 일정한 높이로 적층되는 것이 가장 좋지만 여러 가지 변수로 인해 실제로 작업 대상물 상에 클래딩 층이 적층되는 높이는 작업 대상물의 표면을 따라 약간의 편차를 가지게 된다. 작업 대상물 상에 클래딩 층이 적층되는 높이의 편차는 클래딩 층이 여러 층 적층될수록 더욱 커지게 된다. 이러한 편차를 방지하기 위해 클래딩 작업 시에 작업 대상물 상의 용융 풀의 높이를 실시간으로 측정하고, 그에 따라 레이저 출력, 분말 공급량, 가스량 등의 공정변수를 제어하면서 클래딩 층을 적층하지만, 이와 같이 실시간으로 공정변수를 제어하면서 작업을 하는 것이 어려울 경우도 있다.
따라서, 본 실시예에서는 작업 대상물 상에 클래딩 층을 한 층 이상 적층한 후, 적층된 클래딩 층의 높이 편차를 전체적으로 측정하여 z축 방향의 작업경로를 얻고, 그에 따라 레이저 출력, 분말 공급량, 가스량 등의 공정변수를 제어하면서 작업 대상물 상에 클래딩 층을 추가로 적층하는 방법을 사용한다.
이를 위해, 다음에 변위센서(140)를 이용하여 클래딩 층이 적층된 작업 대상물의 표면을 따라 이동하면서 변위센서(140)와 작업 대상물의 표면 사이의 거리를 측정한다.
다음에, 제어부(170)가 변위센서(140)의 측정값을 기초로 작업 대상물의 표면으로부터 빔 집광부(130)의 단부까지의 거리를 계산하여 z축 방향의 작업경로를 생성한다. z축 방향의 작업경로는 작업 대상물 상에 이미 적층된 클래딩 층의 높이 정보가 된다. z축 방향의 작업경로를 생성하는 방법은 도 5를 참조하여 설명한 바와 같다.
다음에, 생성된 z축 방향의 작업경로에 기초하여 클래딩 층의 높이가 높은 곳은 낮게, 클래딩 층의 높이가 낮은 곳은 높아지도록 레이저 출력, 분말 공급량, 가스량 등의 공정변수를 제어하면서 작업 대상물 상에 클래딩 층을 적층한다. 이와 같이, 이미 적층된 클래딩 층의 높이 정보를 알고 그에 따라 레이저빔이 이동 중에 공정조건을 변경하여 클래딩 층을 적층하므로, 클래딩 작업 중에 실시간으로 용융 풀의 높이를 측정하지 않고도 클래딩 층의 높이 제어가 가능하게 된다.
상기의 과정은 레이저 클래딩 작업 중에 수차례 반복될 수 있다.
이러한 방법에 따르면, 작업 대상물 상에 클래딩 층을 형성할 때, 실시간으로 용융 풀의 높이를 측정하고 그에 따라 공정변수를 제어하는 어려움을 해소하여 레이저 클래딩의 제어 방법이 단순해지면서, 작업 대상물 상에 적층되는 클래딩 층의 품질은 일정 수준 이상으로 유지할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 정위치를 설정하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
상기 레이저 클래딩 시스템은 도 2에 도시된 레이저 클래딩 시스템(100)의 주요 구성부들을 모두 포함한다. 즉, 레이저 클래딩 시스템은 레이저 발생장치(110), 빔 이송부(120), 빔 집광부(130)를 포함하는 레이저빔 조사부, 클래딩 소재 공급장치(135), 변위센서(140), 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템(150), 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비(160), 상기 장치들을 제어하고, CAD/CAM 장비(160)로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부(170)를 포함한다.
레이저 클래딩 작업을 수행하기 위해서는 먼저, 작업이 시작되는 작업원점을 설정하게 된다. 이는 작업 대상물(10)이 놓여 있는 위치가 CAD 데이터 상의 위치와 정확하게 일치하도록 하는 작업이다. 작업 대상물(10)은 작업원점에 정확하게 위치되어야 미리 알고 있는 CAD 데이터에 따라 레이저빔이 이동하면서 작업이 제대로 이루어질 수 있다. 종래에는, 작업 대상물(10)이 작업원점에 위치되도록 하는 작업, 즉 작업 대상물(10)의 정위치를 설정하는 작업이 작업자가 육안으로 하거나 별도의 측정장비를 이용해서 진행되었다. 작업자가 육안으로 수행할 경우 오류가 많이 생기고, 별도의 측정장비를 이용할 경우 작업시간이 증가되는 요인이 되었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 자동으로 작업 대상물의 정위치를 설정한다.
이를 위해서는 작업 대상물(10)이 작업원점에 정확하게 위치되었는지를 확인하는 작업과, 작업 대상물(10)이 작업원점에 정확하게 위치되지 않았을 경우 작업 대상물(10)의 위치를 보정하는 작업이 이루어져야 한다.
도 6a를 참조하면, 먼저, 변위센서(140)가 작업 대상물(10)의 표면을 따라 x축 방향으로 이동하면서 변위센서(140)와 작업 대상물(10) 사이의 거리를 측정한다. 작업 대상물(10)의 x축방향 경계점(M)을 전후해서는 변위센서(140)의 측정값 사이에 급격한 변화가 발생하게 된다. 그에 따라, 변위센서(140)의 측정값이 급격한 변화가 발생되는 점을 기초로 작업 대상물(10)의 x축방향 경계점(M)의 좌표를 얻을 수 있다. 예를 들어, 측정된 x축방향 경계점(M)의 좌표가 (101, 50)이라 한다.
다음에, 얻어진 상기 x축방향 경계점의 좌표가 CAD/CAM 장비(160)에서 제공하는 작업 대상물(10)의 해당 좌표와 일치하는지를 확인한다. CAD/CAM 장비(160)에서 제공하는 x축방향 경계점(M)의 좌표가 (100, 50)이라 한다면, 측정된 x축방향 경계점(M)의 좌표와 일치하지 않는 것이 된다.
만일, 상기 x축방향 경계점(M)의 좌표가 CAD/CAM 장비(160)에서 제공하는 작업 대상물(10)의 해당 좌표와 일치하지 않을 경우 일치하도록 작업 대상물(10)의 위치를 보정하게 된다. 이러한 작업은 작업 대상물(10)이 놓여 있는 테이블을 이송 시스템에 의해 이동시키거나, 작업자가 수작업으로 할 수 있다.
다음에, 변위센서(140)가 작업 대상물(10)의 표면을 따라 y축 방향으로 이동하면서 변위센서(140)와 작업 대상물(10) 사이의 거리를 측정한다. 작업 대상물(10)의 y축방향 경계점을 전후해서는 변위센서(140)의 측정값 사이에 급격한 변화가 발생하게 된다. 그에 따라, 변위센서(140)의 측정값이 급격한 변화가 발생되는 점을 기초로 작업 대상물(10)의 y축방향 경계점(N)의 좌표를 얻을 수 있다. 예를 들어, 측정된 y축방향 경계점(N)의 좌표가 (50, 101)이라 한다.
다음에, 얻어진 상기 y축방향 경계점(N)의 좌표가 CAD/CAM 장비(160)에서 제공하는 작업 대상물(10)의 해당 좌표와 일치하는지를 확인한다. CAD/CAM 장비(160)에서 제공하는 y축방향 경계점(N)의 좌표가 (50, 100)이라 한다면, 측정된 y축방향 경계점(N)의 좌표와 일치하지 않는 것이 된다.
만일, 상기 y축방향 경계점(N)의 좌표가 CAD/CAM 장비(160)에서 제공하는 작업 대상물(10)의 해당 좌표와 일치하지 않을 경우 일치하도록 작업 대상물(10)의 위치를 보정하게 된다.
작업 대상물(10)의 정위치를 설정하는 작업은 작업 대상물(10)이 다각형의 형상을 갖는 경우, 작업 대상물(10)의 꼭지점을 기준으로 변위센서(140)가 x축 방향으로 이동하면서 x축 방향의 경계점을 두 개 찾아서 하나의 직선을 만들고, 변위센서(140)가 y축 방향으로 이동하면서 y축 방향의 경계점을 두 개 찾아서 다른 하나의 직선을 만든다. 이러한 두 개의 직선이 만나는 점이 꼭지점이 되므로, 이러한 꼭지점의 좌표와 CAD 데이터 상의 꼭지점의 좌표가 일치하는지를 확인하고, 일치하지 않을 경우 보정하는 방법으로도 가능하다.
이하에서는, 도 7을 참조하여 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 레이저빔 조사부의 작업 높이를 자동으로 설정하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
상기 레이저 클래딩 시스템은 도 2에 도시된 레이저 클래딩 시스템(100)의 주요 구성부들을 모두 포함한다. 즉, 레이저 클래딩 시스템은 레이저 발생장치(110), 빔 이송부(120), 빔 집광부(130)를 포함하는 레이저빔 조사부, 클래딩 소재 공급장치(135), 변위센서(140), 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템(150), 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비(160), 상기 장치들을 제어하고, CAD/CAM 장비(160)로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부(170)를 포함한다.
레이저 클래딩 작업을 할 때는 레이저빔 조사부의 작업 높이가 매우 중요한 공정변수가 된다. 레이저빔 조사부의 작업 높이, 즉 작업 대상물(10)과 빔 집광부(130)의 단부 사이의 거리에 따라 레이저빔의 포커싱 위치가 달라지기 때문이다. 따라서, 레이저 클래딩 작업을 할 때는 레이저빔[또는 빔 집광부(130)의 단부]이 정확한 높이에서 작업을 시작해야 동일한 품질의 클래딩 층을 형성할 수 있다.
종래에는 작업자가 빔 집광부를 z축 방향으로 미세하기 움직이면서 측정도구로 빔 집광부를 위치를 맞추는 방법을 사용하고 있어서, 작업자에 따라 오차가 많이 발생되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 레이저빔 조사부의 작업 높이를 자동으로 설정하고자 한다.
이를 위해, 먼저 변위센서(140)를 이용하여 변위센서(140)와 작업 대상물(10) 사이의 거리를 측정한다.
다음에, 변위센서(140)의 측정값을 기초로 작업 대상물(10)의 표면으로부터 빔 집광부(130)의 단부까지의 실제 높이(H)를 계산한다. H는 상술한 바와 같이, H = cosθ*D - L 의 수식 (2)로부터 계산할 수 있다.
다음에, 계산된 실제 높이(H)가 원하는 작업 높이와 다를 경우 빔 집광부(130)를 수직방향으로 이송하여 원하는 작업 높이와 일치하도록 실제 높이(H)를 보정한다. 일반적으로, 레이저 클래딩 시스템은 빔 집광부(130)를 수직방향으로 자동 이송할 수 있도록 구성된다.
본 발명에서는, 이와 같이 레이저빔 조사부의 작업 높이를 자동으로 설정하므로 작업자가 수동으로 설정하는 것과 비교하여 클래딩 작업의 정밀도나 속도가 향상될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10 : 시편, 작업 대상물
100 : 레이저 클래딩 시스템
101 : 냉각장치
110 : 레이저 발생장치
120 : 빔 이송부
130 : 빔 집광부
135 : 클래딩 소재 공급장치
140 : 변위센서
150 : 이송 시스템
160 : CAD/CAM 장비
170 : 제어부

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  8. 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 정위치를 설정하는 방법에 있어서,
    상기 레이저 클래딩 시스템은, 소정의 레이저빔 조사로 상기 작업 대상물의 표면에 용융 풀을 만들어 내기 위해 레이저 발생장치, 빔 이송부, 빔 집광부를 포함하는 레이저빔 조사부; 상기 작업 대상물의 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; 수직선으로부터 소정 각도만큼 기울어져 상기 빔 집광부에 인접하게 배치되고 물체까지의 거리를 측정하는 변위센서; 상기 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 상기 CAD/CAM 장비로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 변위센서가 상기 작업 대상물의 표면을 따라 x축 방향으로 이동하면서 상기 변위센서와 상기 작업 대상물 사이의 거리를 측정하여 상기 작업 대상물의 x축방향 경계점의 좌표를 얻는 단계;
    얻어진 상기 x축방향 경계점의 좌표가 상기 CAD/CAM 장비에서 제공하는 상기 작업 대상물의 해당 좌표와 일치하는지를 확인하는 단계;
    상기 x축방향 경계점의 좌표가 상기 CAD/CAM 장비에서 제공하는 상기 작업대상물의 해당 좌표와 일치하지 않을 경우 일치하도록 상기 작업 대상물의 위치를 보정하는 단계;
    상기 변위센서가 상기 작업 대상물의 표면을 따라 y축 방향으로 이동하면서 상기 변위센서와 상기 작업 대상물 사이의 거리를 측정하여 상기 작업 대상물의 y축방향 경계점의 좌표를 얻는 단계;
    얻어진 상기 y축방향 경계점의 좌표가 상기 CAD/CAM 장비에서 제공하는 상기 작업 대상물의 해당 좌표와 일치하는지를 확인하는 단계;
    상기 y축방향 경계점의 좌표가 상기 CAD/CAM 장비에서 제공하는 상기 작업대상물의 해당 좌표와 일치하지 않을 경우 일치하도록 상기 작업 대상물의 위치를 보정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 정위치를 설정하는 방법.
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