KR101599391B1 - 레이저 광학 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 광학 헤드에 관한 것으로, 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 레이저 빔이 입사되는 하우징(10); 상기 입사된 레이저 빔의 방향을 전환시키는 다각형 미러(20); 상기 방향 전환된 레이저 빔을 집속시키는 집속렌즈(30); 및 상기 하우징 하부에 상기 집속렌즈에서 집속된 레이저 빔이 통과하며 가공물의 산화를 방지하는 가스를 분출하는 노즐(40)을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
위와 같이 구성되는 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 가공물의 산화를 방지할 수 있고, 레이저 가공의 생산성, 공작기계의 이송 자유도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

레이저 광학 헤드{Laser Optical Head}

본 발명은 레이저 광학 헤드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가공물의 산화를 방지할 수 있고, 레이저 가공의 생산성, 공작기계의 이송 자유도를 향상시킬 수 있는 레이저 광학 헤드에 관한 것이다.

레이저를 이용한 가공이 산업 전반에 걸쳐 적용 분야가 급속히 확대되고 있다. 레이저 가공의 장점은 정밀성, 공정의 유연성, 비접촉식, 열영향부의 최소화 등을 들 수 있다. 이러한 우수한 특성으로 인하여 기존의 열처리, 용접, 드릴링 등 기존의 기계 가공을 대체하고 있다.

근래에 위와 같은 레이저 가공의 장점을 기존의 공작기계에 접목시켜 부품 가공의 생산성뿐만 아니라 정밀성을 제고하려는 시도가 있다. 이는 기존의 기계 가공과 첨단의 레이저 가공의 장점을 상호 보완하는 것으로, 이들을 실용화한 복합 가공기의 필요성이 점차 대두되고 있다.

이와 같은 복합 가공의 예로서, 선반 공작기계에서 절삭 가공 이후에 연속적으로 레이저 빔을 이용하여 국부적 열처리, 마킹, 드릴링, 용접, 절단 가공을 함으로써 가공 시간을 단축하면서 정밀도를 향상시킬 수 있고, 또한 절삭 가공이 어려운 재질의 경우, 레이저 빔을 이용하여 국부적으로 가열함으로써 절삭성을 향상시킬 수 있어, 복합 가공 기술은 기존에 비하여 가공 재료의 선정, 설계의 유연성 등을 제공할 수 있다.

그러나 위와 같은 복합 가공은 레이저 가공의 특성상 진공 또는 불활성가스 분위기를 형성할 수 있는 한정된 체임버 내에서 이루어지므로, 가공 재료의 크기를 제한하고, 밀링 가공과 같은 절삭 가공이 자유롭지 못하며, 가공물과 레이저 발진기 사이의 거리가 제한되는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 가공물의 산화를 방지할 수 있으며, 레이저 가공의 생산성, 공작기계의 이송 자유도를 향상시킬 수 있는 레이저 광학 헤드를 제공하고자 하는 것이다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 레이저 빔이 입사되는 하우징; 상기 입사된 레이저 빔의 방향을 전환시키는 다각형 미러; 상기 방향 전환된 레이저 빔을 집속시키는 집속렌즈; 및 상기 하우징 하부에 상기 집속렌즈에서 집속된 레이저 빔이 통과하며 가공물의 산화를 방지하는 가스를 분출하는 노즐을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 상기 다각형 미러를 회전시키는 회전수단을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 상기 가공물의 온도를 측정하는 온도측정수단을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 상기 하우징에 입사되는 레이저 빔이 광파이버를 통해 전달되는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 레이저 빔이 입사되는 영역에 노즐로부터 불활성가스, 특히 질소가스를 분사함으로써 가공물의 산화를 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 하우징에 입사되는 레이저 빔의 방향을 변환시키는 다각형 미러를 회전시켜 한 번에 넓은 영역을 가공함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 가공물에서 방사되는 광을 검출하여 온도를 측정, 가공물의 온도가 일정하도록 레이저 빔의 출력을 제어함으로써 가공물의 품질을 균일하게 제어할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 가공물에 입사되는 레이저 빔을 광파이버를 통해 전달함으로써 공작기계와 레이저 발진기 사이의 거리를 자유롭게 변경할 수 있어 공작기계의 이송 자유도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드의 단면도
도 2는 본 발명에 따른 레이저 빔의 흐름도
도 3은 가공물의 가공 전후 상태도
도 4는 본 발명에 따른 레이저 빔의 흐름도
도 5는 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드의 회전수단의 단면도
도 6은 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드의 노즐 단면도
도 7은 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드의 온도측정수단의 단면도

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드의 단면도, 도 2는 본 발명에 따른 레이저 빔의 흐름도로서, 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 레이저 빔이 입사되는 하우징(10), 상기 입사된 레이저 빔의 방향을 전환시키는 다각형 미러(20), 상기 방향 전환된 레이저 빔을 집속시키는 집속렌즈(30) 및 상기 하우징(10) 하부에 설치되어 가공물의 산화를 방지하는 가스를 분출하는 노즐(40)로 구성된다.

위와 같은 구성에 따라 하우징(10)에 레이저 빔이 입사되고, 입사된 빔은 다각형 미러(20)를 통해 가공물 방향으로 그 방향이 전환되며, 방향이 전환된 빔은 집속렌즈(30)를 통과하여 가공물에 조사되어, 폴리싱, 드릴링과 같은 레이저 가공을 하게 된다.

먼저, 가공물에 조사되는 레이저 빔은 레이저 발진기(미도시)에서 발진되어 레이저 빔 이송용 광파이버(50)를 통해 하우징에 전달된다. 레이저 빔은 가공용으로서 파장에 제약은 없으나, 폴리싱에 적합한 파장으로는 800 ~ 1064 nm 영역의 근적외선이 바람직하다. 이는 폴리싱의 경우 재료의 표면을 국부적으로 용융시키기 때문에 강한 열작용이 있는 파장을 선택할 필요가 있기 때문이다. 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 광학 헤드가 부착되는 공작기계와 레이저 발진기 사이를 광파이버로 연결함으로써 종래 미러와 같은 광학요소를 이용하여 레이저 빔을 전송하는 방식에 비하여 공작기계의 이송 자유도를 향상시킬 수 있다.

상기 레이저 빔 이송용 광파이버(50)에서 나오는 레이저 빔은 발산하는 특성이 있으므로, 광파이버에서 나오는 레이저 빔을 평행 빔으로 형성하기 위하여 광파이버 전방에 콜리메이션 렌즈(51)를 설치한다. 광파이버와 렌즈 사이의 거리는 콜리메이션 렌즈의 초점거리와 동일하다.

한편, 레이저 빔은 연속파형 또는 펄스파형으로 가공물에 조사될 수 있다. 도 3은 가공물의 최초 표면상태(A), 가공물의 가공 후 표면상태(B, C)를 나타내는 도면으로, 가공물에 펄스파형을 조사하는 경우에는 10㎛ 이하의 피치를 가지는 거칠기를 제거할 수 있고(B 참조), 가공물에 연속파형을 조사하는 경우에는 10㎛ 이상의 피치를 가지는 거칠기를 제거할 수 있다(C 참조). 따라서 통상의 가공물은 다양한 형태의 피치를 가지므로 연속파형과 펄스파형을 조합할 필요가 있다. 이에 따라 본 발명에서는 가공 효율을 향상시키기 위하여 먼저 연속파형을 이용하여 큰 피치의 거칠기를 제거한 후 펄스파형을 이용하여 작은 피치의 거칠기를 제거하는 순서로 가공하는 것이 바람직하다.

하우징(10)은 레이저 광학 헤드의 외형을 이루어 내부 구성요소를 보호하는 기능을 한다. 하우징 측면에는 레이저 빔이 입사되는 입사공(11)이 형성된다.

다각형 미러(20)는 입사된 레이저 빔을 가공물 방향으로 전환시키는 기능을 한다. 상기 다각형 미러는 회전수단(60)을 통해 회전된다. 이는 도 4에 도시된 바와 같이 일정하게 입사되는 레이저 빔을 다각형 미러의 회전을 통해 가공물에 입사되는 위치를 변경시킬 수 있어 가공 영역을 확대시킬 수 있기 때문이다.

상기 회전수단(60)은 공작기계의 주축에 연결되는 생크(61), 상기 생크와 커플링을 통해 연결되어 동력을 전달하는 전동축(62), 상기 전동축과 상기 다각형 미러의 축을 연결하는 전동수단(63)을 포함한다. 이에 따라 공작기계의 회전력이 생크(61), 전동축(62), 전동수단(63)을 통해 다각형 미러를 회전시킴으로써 일정하게 입사되는 레이저 빔이 가공물 상에서 직선 왕복운동으로 변환된다. 위와 같이 구성함에 따라 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 하우징에 입사되는 레이저 빔을 다각형 미러를 통해 회전시켜 한 번에 넓은 영역을 가공함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.

상기 전동수단(63)은 도 5에 도시된 바와 같이, 전동축(62)과 다각형 미러의 축(64)을 연결하는 것으로, 전동축과 다각형 미러의 축 사이의 관계에 따라 원추차, 베벨기어, 스큐기어, 나사기어 등 다양하게 적용할 수 있다. 즉 두 축의 중심선이 평행하지 않고 한 점에서 만나는 경우에는 원추차, 베벨기어를, 두 축의 중심선이 평행하지도 서로 만나지도 않는 경우에는 스큐기어, 나사기어 등을 적용한다.

상기 다각형 미러(20)의 회전속도는 고속인 것이 바람직하다. 이는 저속으로 회전하는 경우 가공물의 이동방향(예를 들면 도 2의 지면에 수직인 방향)과 수직으로 결이 생기는 문제점이 있기 때문이다.

집속렌즈(30)는 상기 다각형 미러에서 방향 전환된 레이저 빔을 가공물에 집속하는 구성이다. 즉 집속렌즈의 초점이 대략 가공물 표면에 위치하도록 조정하여 가공물을 가공하기 위한 것이다.

노즐(40)은 상기 하우징(20) 하부에 설치된다. 노즐은 가공물 주위에 불활성가스를 공급하여 가공물과 공기 중의 산소의 접촉을 방지하여 가공물의 산화를 방지하기 위한 것이다. 불활성가스로는 네온, 아르곤가스, 질소가스, 탄산가스 등이 있으나, 비교적 가격이 저렴하고 상온에서 화학적으로 안정된 질소가스가 바람직하다. 불활성가스를 인입하기 위해 노즐 상부에 불활성가스가 인입되는 제1 흡입구(41)가 형성된다. 제1 흡입구와 가스탱크 사이는 공구헤드가 작업 반경 내에서 자유롭게 이동할 수 있도록 유연한 관으로 연결된다.

노즐의 형상은 레이저 빔의 이동방향에 연동하여 정해진다. 즉 하우징에 입사되는 레이저 빔이 다각형 미러를 통해 직선 왕복운동하기 때문에 이에 맞추어 노즐의 단면은 도 6에 도시된 바와 같이 일자형, 즉 레이저 빔이 이동하는 방향의 변의 길이가 길고, 이웃하는 변의 길이가 짧은 형태이다.

또한 노즐에는 이산화탄소가스가 인입되는 제2 흡입구(42)가 형성될 수 있다. 이산화탄소는 고체 상태인 드라이아이스에서 기체 상태로 승화하는 과정, 즉 팽창하면서 가공물 주위의 불순물을 제거할 수 있는 세정기능이 있기 때문이다. 제2 흡입구를 형성하기 위해 노즐을 이중 통 형상으로 하고, 내측 통에는 제1 흡입구를, 외측 통에는 제2 흡입구를 형성하여, 내측 통에 불활성가스를, 내측 통과 외측 통 사이에 이산화탄소를 주입하여 가공물의 산화를 방지하고, 불순물을 제거한다.

본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 가공물의 온도를 측정하는 온도측정수단(70)을 포함할 수 있다. 이는 가공물의 온도를 측정하여 온도를 일정하게 함으로써 가공품질을 일정하게 하기 위함이다.

도 7은 상기 온도측정수단(70)을 포함하는 레이저 광학 헤드의 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 온도측정수단(70)은 빔 스플리터(71), 고온계용 미러(72), 고온계용 빔 집속장치(73), 고온계용 광파이버(74) 및 고온계(미도시)를 포함한다.

가공물에 레이저 빔을 조사하게 되면 가공물의 온도가 상승하여 적외선을 방사한다. 방사된 적외선을 흡수하여 가공물의 방사율을 고려하여 가공물의 온도를 측정할 수 있게 된다. 또는 파장이 서로 다른 두 적외선을 흡수, 재료의 방사율을 계산하여 가공물의 온도를 측정할 수도 있다.

가공물에서 방사되는 적외선은 먼저 노즐 상부에 설치된 집속렌즈(30)를 통과하고, 집속렌즈를 통과한 적외선은 다각형 미러(20)에서 반사되며, 반사된 적외선은 빔 스플리터(71)에서 일부 반사되어 고온계용 미러(72)에 입사된다.

고온계용 미러(72)에서 반사된 적외선은 고온계용 빔 집속장치(73)로 보내지고, 집속된 빔은 고온계용 광파이버(74)를 통해 고온계로 전달되며, 고온계에서 가공물의 온도를 산출하여, 가공물의 온도가 목표온도가 차이가 있는 경우 레이저 출력을 제어하게 된다.

위에서는 적외선이 집속렌즈, 다각형 미러, 빔 스플리터, 고온계용 미러, 고온계용 빔 집속장치, 고온계용 광파이버를 통해 고온계에 전달되어 가공물의 온도를 측정하는 실시형태를 설명하였지만, 이는 하나의 실시형태에 불과할 뿐 헤드의 구조에 따라 다양한 변형이 가능하다.

예를 들면, 적외선이 고온계용 빔 집속장치에 바로 집속되어 고온계로 전달되는 구조, 적외선이 고온계용 미러에서 반사되고 고온계용 빔 집속장치에 집속되어 고온계로 전달되는 구조 등 레이저 광학 헤드를 이루는 구성요소의 배치에 따라 다양한 실시형태가 가능하다.

여기서 고온계용 광파이버는 레이저 빔 광파이버와 마찬가지로 광학 헤드와 고온계를 별도로 설치하고 이를 광파이버로 연결함으로써 공작기계와 고온계 사이의 거리를 임의로 설정할 수 있는 등 유연성을 제공할 수 있다.

위와 같이 구성되는 본 발명에 따른 레이저 광학 헤드는 불활성가스를 분사하여 가공물의 산화를 방지할 수 있고, 다각형 미러를 회전시킴으로써 생산성을 향상시킬 수 있으며, 가공물의 온도를 일정하게 유지시켜 가공물의 품질을 향상시킬 수 있으며, 광파이퍼를 통해 레이저 빔을 전달함으로써 공작기계의 이송 자유도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

10: 하우징 20: 다각형 미러
30: 집속렌즈 40: 노즐
50: 레이저 빔 이송용 광파이버 60: 회전수단
70: 온도측정수단

Claims (12)

1. 공작기계의 주축에 설치되며, 레이저 빔이 입사되는 하우징(10);
   상기 입사된 레이저 빔의 방향을 전환시키는 다각형 미러(20);
   상기 공작기계의 추축의 동력으로 상기 다각형 미러(20)를 회전시키는 회전수단(60);
   상기 방향 전환된 레이저 빔을 가공물에 집속시키는 집속렌즈(30);
   상기 하우징(10) 하부에 상기 집속렌즈(30)에서 집속된 레이저 빔이 통과하는 노즐(40); 및
   상기 가공물에서 방사되어 상기 다각형 미러(20)에서 반사된 적외선을 이용하여 상기 가공물의 온도를 측정하는 온도측정수단(70)을 포함하고,
   상기 온도측정수단(70)은,
   상기 다각형 미러(20)의 일측에 설치되며, 상기 다각형 미러(20)에서 반사된 적외선을 반사시키되, 상기 하우징(10)에 입사된 레이저 빔은 통과시키는 빔 스플리터(71);
   상기 빔 스플리터(71)에서 반사된 적외선을 반사하여 적외선의 방향을 전환시키는 고온계용 미러(72);
   상기 고온계용 미러(72)에서 반사된 적외선을 집속하는 고온계용 빔 집속장치(73);
   상기 고온계용 빔 집속장치에서 집속된 적외선을 전달하는 고온계용 광파이버(74); 및
   상기 전달된 빔에서 가공물의 온도를 측정하는 고온계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 광학 헤드.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 하우징(10)에 입사되는 레이저 빔은 레이저 빔 이송용 광파이버(50)를 통해 전달되는 것을 특징으로 하는 레이저 광학 헤드.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 레이저 빔 이송용 광파이버(50)를 통해 전달되는 빔을 평행 빔으로 형성하기 위한 콜리메이션 렌즈(51)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 광학 헤드.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 레이저 빔은 연속파형과 펄스파형의 조합인 것을 특징으로 하는 레이저 광학 헤드.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 노즐(40)에는 가공물의 산화를 방지하기 위한 불활성가스 또는 질소가스가 인입되는 제1 흡입구(41)를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 광학 헤드.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 노즐은 이중 통 형상으로, 외측 통에는 가공물을 세정하기 위한 이산화탄소가 인입되는 제2 흡입구(42)를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 광학 헤드.
   
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전수단(60)은
   상기 공작기계의 주축에 연결되는 생크(61);
   상기 생크(61)와 커플링을 통해 연결되어 동력을 전달하는 전동축(62); 및
   상기 전동축과 상기 다각형 미러의 축을 연결하는 전동수단(63)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 광학 헤드.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 전동수단(63)은 한 쌍의 원추차 또는 베벨기어인 것을 특징으로 하는 레이저 광학 헤드.
   
10. 삭제
11. 삭제
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징(10) 외측에 설치되어 하우징의 회전을 방지하는 스토퍼(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 광학 헤드.

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