KR102054012B1 - 레이저 가공기를 이용하는 홀 형성장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 홀 가공장치는 레이저 가공기, 통합 제어수단, 자동 이재기, 및 수치제어 드릴링 머신을 포함하고, 상기 레이저 가공기는, 피가공체의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀을 형성하거나, 상기 피가공체의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀 마커를 표시하는 레이저 가공모듈; 상기 피가공체가 탑재되며 상기 피가공체를 상기 레이저 가공모듈에 투입 또는 반출하는 가공 테이블; 및 상기 피가공체가 상기 레이저 가공모듈에 투입되기 전에 상기 피가공체의 두께를 측정하는 변위센서; 를 포함한다.

Description

레이저 가공기를 이용하는 홀 형성장치{Hole forming apparatus using laser processing machine}
본 발명은 레이저 가공기를 이용하는 홀 형성장치에 관한 것으로서, 특히 피가공체에 형성될 홀의 직경을 d라 하고 피가공체의 두께를 t라 할 때, d/t 값이 소정의 기준치를 초과하는 경우에는 피가공체의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀을 형성시키고, d/t 값이 기준치 이하인 경우에는 피가공체의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀 마커(hole marker)를 표시한 후 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공을 통하여 홀을 형성하는 홀 형성장치에 관한 것이다.
레이저 가공기술은 이미 1960년에 레이저 관련 이론이 완결된 후 1970년대부터 산업화 응용에 대한 연구가 시작되면서 1980년대부터는 CO2 레이저를 이용한 판금 소재의 가공이 시작되었다.
판금 소재의 가공에 많이 사용되는 CO2 레이저는 CO2 기체를 활성 매질로 사용하는 기체 레이저의 한 종류로서, 보통 효율을 높이기 위하여 CO2에 N2, He가 혼합된 혼합기체가 활성 매질로 많이 사용되며, 일반적으로 적외선 영역에 다수의 발진 선을 가지고 파장 10.6㎛ 선이 최대의 출력을 낸다. 최근에는 네오듐 이온 Nd3+을 유리에 도프한 1.06㎛의 연속 발진 레이저 등과 같이 광섬유 속에 능동 매질을 지닌 이른바 광섬유 레이저(fiber laser)도 판금 소재의 가공에 많이 사용되고 있다.
도 1 및 도 2는 레이저 가공을 통한 종래의 홀 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 레이저(11)는 가공헤드(10) 내의 집광렌즈(13)를 통과한 후 가공헤드(10)의 선단에 있는 노즐(14)을 통하여 가공 테이블(30)상에 탑재된 판금 형태의 피가공체(20)에 조사된다. 이 때 가공헤드로(10)로 유입되는 어시스트 가스(assist gas, 12)가 노즐(14)을 통하여 피가공체(20)에 분사된다.
가공 테이블(30)은 레이저(11)에 의하여 용융되지 않는 재질의 것이 사용되고, 설령 용융되더라도 피가공체(20)와의 접촉 면적이 적어 피가공체(20)에 일체로 융착되지 않도록 가공 테이블(30)의 상면에 다소 예리한 복수개의 돌기 받침부가 마련된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 피가공체(20)의 홀(H)은 먼저 절단 가공의 기점이 되는 위치에 레이저(11)로 피어싱(piercing)한 다음에 레이저(11)를 원주(S)를 따라 이동시키면서 피가공체(20)를 절단함으로써 얻어진다.
레이저(11)가 피가공체(20)에 조사되면 그 부분이 국부적으로 용융되는데, 이 때 발생하는 용융물이 어시스트 가스(12)에 의하여 증발 내지 비산되어 가면서 피가공체(20)의 절단이 이루어진다. 도 2에서 참조부호 d는 홀(H)의 직경이고, 참조부호 t는 피가공체(20)의 두께이다.
도 3은 레이저 가공을 통한 종래의 홀 형성방법에서 일반적으로 발생하는 드로스(dross, 21)를 설명하기 위한 도면이다.
홀(H)의 형성을 위한 절단 과정에서 레이저(11)에 의한 용융물이 어시스트 가스(12)에 의해 완전히 증발 내지 비산되지 못하면 용융물이 피가공체(20)의 이면으로 흐르게 되고, 그 과정에서 급격히 냉각되면서 점도가 증가되어 절단 부위에서 피가공체(20)의 이면에 도 3b에서와 같이 이른바 드로스(dross, 21)가 발생한다. 도 3a는 드로스(21)가 발생되지 않은 상대적인 경우를 보여주기 위하여 참고적으로 제시된 사진이다.
이러한 드로스(21)의 발생은 레이저 가공조건, 피가공체(20)의 재질 및 두께 등 여러 인자에 의해 영향을 받는다.
레이저 가공조건으로는 절단속도, 어스시트 가스(12)의 압력이나 종류 등을 들 수 있는데, 일반적으로 절단속도가 빠를수록 드로스(21)의 발생이 심해지고, 어시스트 가스(12)의 압력이 높을수록 드로스(21)의 발생이 감소한다.
피가공체(20)의 재질과 관련하여서는, 예컨대 질소 어시스트 가스를 사용하여 스테인레스 강을 절단할 경우 용융물의 점도가 크기 때문에 연강 재질을 절단할 때보다 더 높은 가스 압으로 어시스트 가스를 불어 줘야 드로스(21)의 발생이 감소한다.
피가공체(20)의 두께와 관련하여서는, 일반적으로 피가공체(20)의 두께가 클수록 레이저(11)가 통과하면서 닿는 부위가 많아지므로 드로스(21)의 발생이 증가한다. 특히, 도 4b에서와 같이 피가공체(20)의 두께(t) 대비 홀(H)의 직경(d)이 작은 경우에 드로스(21)의 발생이 특히 심하여 문제가 된다.
도 4는 d/t 값에 따른 드로스(21)의 발생 정도를 설명하기 위한 도면이다. 홀(H)의 직경(d)이 작을수록 피가공체(20)에 조사되는 레이저(11)의 스팟 직경이 홀(H)의 직경(d)에 비하여 상대적으로 커지므로 도 2에서와 같이 레이저(11)를 원주(S)를 따라 이동시켜가며 절단하는 과정에서 레이저(11)에 의해 용융되고 냉각되는 부위의 중첩이 상대적으로 많아져 열 영향의 양상이 더욱 복잡해진다. 뿐만 아니라 여기에 피가공체(20)의 두께(t)가 작아진다면 피가공체(20)의 두께(t)에 의한 영향이 더욱 크게 가해져 드로스(21)의 발생이 심화된다.
집적회로 제조 시의 포토리소그래피(photo-lithography) 공정에서 나노미터(nm) 수준의 미세한 선을 만들기 위해 사용되는 자외선 영역의 엑시머 레이저나 기타 극초정밀 분야에서 사용되는 그 이하 파장의 레이저와 비교해 볼 때, 판금 소재의 가공에 많이 사용되는 CO2 레이저나 광섬유 레이저는 이 보다 상대적으로 파장이 길어 적외선 영역인 마이크로미터(㎛) 수준의 파장을 가지기 때문에 레이저(11)의 스팟 직경이 상대적으로 크다.
레이저 판금가공 시 피가공체(20)로 많이 사용되는 탄소강, 스테인레스강, 또는 알루미늄 합금 등의 경우, 피가공체(20)의 홀(H)의 직경(d)이 두께(t) 대비 일정 수준 이하일 경우 열영향부의 영향이 크게 발생한다.
특히, 산업현장에서 주로 사용되는 CO2 레이저나 광섬유 레이저를 광원으로 사용하는 레이저 가공기를 이용하여 홀(H)을 형성할 경우, 도 4b에서와 같이, 홀의 직경(d) 대비 피가공체의 두께(t)에 대한 비율(d/t * 100)이 기준치 이하일 때 드로스(21)의 발생이 현저히 증가하여, 홀(H)의 가공 불량률이 크게 증가하게 된다.
이러한 드로스(21)의 발생을 방지하기 위해, 어시스트 가스의 분사압을 높이는 방법(대한민국 특허공보 특1996-0005213. 1996.04.23.공고), 절단 개시부(피어싱 예정부)에 드로스 부착방지제를 미리 분사하는 방법(대한민국 특허공보 제10-1086691호, 2011.11.24.공고) 등 여러 방안이 제안된 바 있다.
그러나 이들 종래의 방안은 홀(H)의 직경(d)과 상관없이 드로스(21)의 발생 방지를 위한 일반적인 방법에 불과할 뿐이며, d/t 값이 작음으로 인해 드로스(21)의 발생이 심화되는 것을 해결하기 위한 직접적인 방안이라 보기가 어렵다.
드로스(21)가 발생한 경우 피가공체(20)의 이면을 기계적으로 연마함으로써 피가공체(20)에서 드로스(21)를 떼어내는 과정을 거치는 게 일반적인데, 이렇게 d/t 값이 작은 홀의 경우에는 기계적 연마 과정에서 드로스(21)의 일부가 오히려 조그마한 홀(H)로 함몰되어 들어감으로써 홀(H)이 오히려 드로스(21)에 의해 더 막히거나, 그 정도는 아니더라도 절단 부근의 거침 정도가 여전히 해소되지 못하는 문제를 갖는다.
상술한 바와 같이 레이저 가공을 통한 종래의 홀 형성방법에 의하면, d/t 값이 어느 정도 이하인 경우에는 홀(H)이 설계수치대로 깨끗하게 형성되지 못하는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, d/t 값이 소정의 기준치를 초과하는 경우에는 피가공체의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀을 형성시키고, d/t 값이 상기 기준치 이하인 경우에는 피가공체의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀 마커(hole marker)를 표시한 후 상기 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공을 통하여 홀을 형성함으로써, 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 홀 형성장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 홀 형성장치는, 레이저 가공기, 통합 제어수단, 자동 이재기, 및 수치제어 드릴링 머신을 포함하고, 상기 레이저 가공기는, 피가공체의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀을 형성하거나, 상기 피가공체의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀 마커를 표시하는 레이저 가공모듈; 상기 피가공체가 탑재되며 상기 피가공체를 상기 레이저 가공모듈에 투입 또는 반출하는 가공 테이블; 및 상기 피가공체가 상기 레이저 가공모듈에 투입되기 전에 상기 피가공체의 두께를 측정하는 변위센서; 를 포함하며, 상기 통합 제어수단은, 상기 피가공체에 형성시킬 홀의 직경 및 상기 홀 형성 위치에 대한 캐드 데이터가 설정 입력되는 캐드 데이터 입력부; 상기 변위센서에서 측정된 상기 피가공체의 두께를 입력받는 피가공체 정보 입력부; 상기 피가공체 두께를 t라 하고, 상기 홀의 직경을 d라 할 때, d/t 값을 연산하는 연산부; 상기 d/t 값이 기설정된 기준치를 초과하면 상기 홀 형성 위치에 홀을 형성하도록 상기 레이저 가공모듈을 제어하고, 상기 d/t 값이 상기 기준치 이하이면 상기 홀 형성 위치에 상기 홀 마커를 표시하도록 상기 레이저 가공모듈을 제어하는 홀 앤 마커 가공 제어부; 상기 홀 마커가 표시된 피가공체를 상기 수치제어 드릴링 머신으로 이재시키도록 상기 자동 이재기를 제어하는 이재 명령부; 및 상기 피가공체의 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공을 통하여 홀을 형성하도록 상기 수치제어 드릴링 머신을 제어하는 드릴 가공 제어부; 를 포함한다.
또한, 상기 레이저 가공모듈은 CO2 레이저나 광섬유 레이저를 연속모드로 조사하는 것이 선택될 수 있다.
또한, 상기 기준치는 0.7인 것이 바람직하다.
또한, 상기 홀 앤 마커 가공 제어부는 상기 홀 마커를 표시할 때 레이저 가공을 통하여 상기 피가공체에 기준 마커를 표시하도록 상기 레이저 가공모듈을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수치제어 드릴링 머신은, 외관을 이루는 메인 프레임; 상기 자동 이재기를 통하여 이재되어 온 피가공체가 탑재되도록 상기 메인 프레임에 의해 지지되어 가로로 설치되며, 하나 이상의 베어링 공이 상하로 관통되도록 형성되는 지지테이블; 상기 지지테이블 상에 놓이는 피가공체를 촬상하여 상기 홀 마커와 상기 기준 마커의 위치를 검출하여 그 위치 정보를 상기 드릴 가공 제어부로 전송하는 비젼머신; 상기 메인 프레임의 일측에 고정되게 설치되는 드릴기; 상기 피가공체의 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공을 통하여 홀이 형성될 수 있도록 상기 드릴 가공 제어부의 제어를 통하여 상기 피가공체를 상기 드릴기의 밑으로 이송시키는 매니퓰레이터; 무게 감지를 통하여 상기 지지테이블에 상기 피가공체가 탑재되었음을 감지하는 로드셀; 및 상기 로드셀에 의하여 상기 피가공체가 상기 지지테이블에 탑재되었음이 감지되는 경우에 상기 베어링 공을 통하여 상기 지지테이블의 위로 볼 베어링을 돌출시킴으로써 상기 매니퓰레이터에 의한 상기 피가공체의 이송이 용이하게 이루어지도록 상기 지지테이블의 하부에 설치되는 볼 베어링 이젝터; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 볼 베어링 이젝터는, 상기 하나 이상의 볼 베어링을 지지하면서 상하로 이동 가능하도록 상기 지지테이블의 하부에 설치되는 베어링 지지대; 상기 베어링 지지대의 승하강을 위하여 상기 베어링 지지대에 연결되도록 설치되는 캠; 및 상기 캠을 회전시키도록 설치되는 캠구동모터; 를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 홀 형성방법은, 피가공체에 형성시킬 홀의 직경 및 홀 형성 위치에 대한 캐드 데이터와, 기준치를 통합 제어수단에 설정 입력하는 단계; 상기 피가공체가 레이저 가공모듈에 투입되기 전에 가공 테이블에 탑재된 상기 피가공체의 두께를 측정하는 단계; 상기 통합 제어수단에서 연산된 d/t 값이 상기 기준치를 초과하는 경우에는 상기 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀이 형성되도록 상기 레이저 가공모듈을 제어하고, 상기 d/t 값이 상기 기준치 이하이면 상기 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀 마커를 표시하도록 상기 레이저 가공모듈을 제어하는 단계; 상기 홀 마커가 표시된 상기 피가공체를 상기 레이저 가공모듈에서 수치제어 드릴링 머신으로 자동 이재시키는 단계; 및 상기 홀 마커의 위치를 비젼머신으로 촬상하여 상기 홀 마커의 위치정보를 상기 통합 제어수단으로 전송하고, 상기 수치제어 드릴링 머신이 상기 드릴 가공 제어부에 의해서 제어되면서 상기 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공을 통하여 홀을 형성하는 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 홀 마커를 표시할 때에 레이저 가공을 통하여 상기 피가공체에 기준 마커가 표시되도록 상기 통합 제어수단에 의해 상기 레이저 가공모듈이 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 비젼머신은 상기 홀 마커를 촬상할 때 상기 기준 마커도 함께 촬상하여 상기 홀 마커와 기준 마커의 위치 정보를 상기 통합 제어수단에 전송하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저 가공모듈은 CO2 레이저나 광섬유 레이저를 연속모드로 조사하는 것이 선택될 수 있고, 이 때 상기 기준치는 0.7인 것이 바람직하다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 의하면, d/t 값에 따른 홀 가공의 자동화 시스템이 구축되므로 수작업에 의한 정밀도 감소 및 생산성 감소가 최소화되며, 휴먼 에러도 최소화 된다.
특히 d/t 값이 기준치(CO2 레이저나 광섬유 레이저의 연속모드를 이용할 경우 0.7) 이하인 경우에는 레이저가 아닌 드릴을 이용하여 홀을 형성하기 때문에 피가공체의 두께(t)에 비하여 홀의 직경(d)이 소정의 기준치보다 작은 경우 고질적으로 발생하는 드로스의 악영향을 없앨 수 있다.
뿐만 아니라 레이저 가공모듈에서 홀 마커 및 기준 마커를 형성하고 이를 발판삼아 수치제어 드릴링 머신에서 수치제어가 이루어지면서 드릴을 통한 홀 가공이 이루어지기 때문에 수작업에 의한 드릴 작업에 비하여 정밀도와 생산성이 향상된다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 레이저 가공을 통한 종래의 홀 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 레이저 가공을 통한 종래의 홀 형성방법에서 일반적으로 발생하는 드로스(21)를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 d/t 값에 따른 드로스(21)의 발생 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 홀 형성장치의 레이저 가공기(200)를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 홀 형성장치의 통합 제어수단(300)을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 홀 형성장치의 수치제어 드릴링 머신(400)을 설명하기 위한 사시 개략도이다.
도 8은 도 7의 단면도이다.
도 9는 도 5의 자동 이재기(100)에 대한 흡착패드(130)를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 홀 형성장치의 작동원리를 참고하여 홀 형성방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 홀 형성장치를 설명하기 위한 도면들이다. 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 홀 형성장치는 레이저 가공기(200), 통합 제어수단(300), 자동 이재기(100), 및 수치제어 드릴링 머신(400)을 포함하여 이루어진다.
레이저 가공기(200)
도 5에 도시된 바와 같이, 레이저 가공기(200)는 레이저 가공모듈(220), 가공 테이블(210), 및 변위센서(230)를 포함하여 이루어진다.
피가공체(20)는 가공 테이블(210) 상에 탑재되며 가공 테이블(210)의 수평이동을 통해서 레이저 가공모듈(220)에 투입되거나 반출된다.
피가공체(20)로는 금속 재질, 예컨대 탄소강 S45C, 스테인레스강 SUS304, 알루미늄 합금 등이 선택될 수 있다.
피가공체(20)의 두께(t)는 재질별로 상이하게 실시될 수 있다. 예컨대, 탄소강의 경우 0.5mm ~ 30mm, 스테인레스강의 경우 0.1mm ~ 20mm, 알루미늄 합금의 경우 1mm ~ 8mm로 실시될 수 있다.
변위센서(230)는 피가공체(20)가 레이저 가공모듈(220)에 투입되기 전에 가공 테이블(210) 상에 탑재된 피가공체(2O)의 두께(t)를 측정하여 통합 제어수단(300)의 피가공체 정보 입력부(320)로 전송하도록 설치된다. 예컨대 레이저 변위센서 등과 같은 공지의 것을 가공 테이블(210)의 전반부 옆쪽에 설치하면 피가공체(20)가 가공 테이블(210)에 탑재된 상태에서도 비접촉식으로 피가공체(20)의 두께(t)가 측정될 수 있다.
피가공체(20)가 레이저 가공모듈(220)에 투입되면 레이저 가공모듈(220)은 통합 제어수단(300)의 제어를 받아가며 가공 테이블(210) 상의 피가공체(20)를 캐드 데이터대로 레이저 가공한다.
이때의 레이저 가공은 도 2에서와 같이 피가공체(20)의 홀 형성 위치에 홀(H)을 형성하는 방식이 될 수도 있고, 또는 이렇게 홀(H)을 형성하는 대신에 피가공체(20)의 홀 형성 위치에 홀 마커를 표시하는 방식이 될 수도 있다.
여기서, 홀 형성 위치란 피가공체(20)에 홀(H)이 형성될 위치를 의미하며, 홀 마커란 홀(H)이 형성될 위치를 시각적으로 파악할 수 있도록 상기 홀 형성 위치의 표면에 표시되는 표식을 의미한다.
레이저는 가공헤드 지지프레임(222)에 수평 및 상하 이동이 가능하게 설치되는 가공헤드(221)에서 조사(照射)된다.
레이저로는 CO2 레이저나 광섬유 레이저가 선택될 수 있다. 레이저 가공 속도, 가공 품질, 레이저의 가격 등을 고려할 때 CO2 레이저나 광섬유 레이저가 산업현장에서 일반적으로 가장 많이 사용된다.
레이저의 조사 모드는 출력 방식에 따라 펄스(pulse) 모드 또는 연속(continuous wave, CW) 모드 중 어느 하나로 실시될 수 있다. 펄스 모드는 짧은 시간 동안 고출력의 레이저가 펄스 형태로 조사되는 모드이며, 연속 모드는 연속적으로 일정한 출력의 레이저가 조사되는 모드이다.
도 2에서와 같이 원주(S)를 따라 레이저로 절단할 때에는 펄스 모드보다 연속 모드를 사용하는 것이 더 매끄럽고 균일한 절단 가공면을 얻을 수 있으므로 본 발명의 경우 연속 모드를 사용하는 것이 바람직하며, 뿐만 아니라 펄스 모드는 연속 모드보다 상대적으로 절단속도가 느려 생산성이 낮으므로 고속가공을 위하여도 연속 모드가 바람직하다.
통합 제어수단(300)
도 6에 도시된 바와 같이, 통합 제어수단(300)은 캐드 데이터 입력부(310), 피가공체 정보 입력부(320), 연산부(340), 홀 앤 마커(hole and marker) 가공 제어부(350), 이재 명령부(360), 및 드릴 가공 제어부(370)를 포함하여 이루어진다.
캐드 데이터 입력부(310)에는 피가공체(20)에 형성시킬 홀(H)의 직경(d) 및 홀 형성 위치 등에 대한 캐드 데이터가 설정 입력된다.
피가공체 정보 입력부(320)에는 피가공체(20)의 두께(t) 및 재질 등과 같은 피가공체 정보가 설정 입력된다. 본 발명에서 피가공체(20)의 두께(t)는 중요한 의미를 가지므로 상술한 바와 같이 변위센서(230)를 통하여 피가공체(20)의 투입 시 마다 가공 테이블(210) 상에 놓인 피가공체(20)의 두께(t)를 정확히 실측하여 피가공체 정보 입력부(320)에 설정 입력되도록 하는 것이 휴먼에러를 제거하고 가공 품질을 향상시키는데 바람직하다.
연산부(340)는 변위센서(230)로부터 피가공체 정보 입력부(320)에 전송 입력되는 피가공체 두께(t)와, 캐드 데이터 입력부(310)에 설정 입력되는 홀(H)의 직경(d)과 홀 형성 위치 데이터를 토대로 각 홀에 대한 d/t 값을 연산한다.
홀 앤 마커(hole and marker) 가공 제어부(350)는, 상기 d/t 값이 기설정된 기준치를 초과하면 상기 캐드 데이터를 토대로 가공체(20)의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀(H)을 형성하고, 상기 d/t값이 상기 기준치 이하이면 홀(H)을 형성하는 대신에 피가공체(20)의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀 마커를 표시하도록 레이저 가공모듈(220)을 제어한다.
상기 홀 마커는 레이저 가공모듈(220)에서 조사되는 레이저의 세기를 홀(H)을 형성시킬 때보다 약하게 제어하여 상기 홀 형성 위치의 표면에 예컨대 십자(+) 형태 등으로 표시함으로써 얻을 수 있다.
상기 기준치는 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀을 형성시킬 것인지, 아니면 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀 마커를 표시할 것인지를 결정하기 위하여 홀 앤 마커 가공 제어부(350)에 미리 설정 입력되는 값이다.
도 4에서 설명한 바와 같이, 레이저 가공을 통하여 홀(H)을 형성할 경우 d/t 값이 드로스(21)의 발생에 영향을 미친다. 이 경우, d/t 값이 0.7을 초과하면 도 4의 (a)와 같이 홀(H)이 미려하게 가공되나, d/t 값이 0.7 이하이면 도 4의 (c)와 같이 홀(H)에 드로스(21)가 발생하게 된다.
특히, 홀(H)이 가공되는 판금소재가 탄소강 S45C, 스테인레스강 SUS304 또는 알루미늄 합금으로 실시되고, 상기 판금소재의 가공에 많이 사용되는 CO2 레이저나 광섬유 레이저가 연속 조사 모드(CW)로 홀(H)을 가공할 때, d/t ≤ 0.7 인 경우에는 드로스로 인하여 깨끗한 홀(H)을 얻기가 어려우므로 이때의 상기 기준치는 0.7로 설정 입력되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 홀 마커의 표시 과정에서, 홀 앤 마커 가공 제어부(350)의 제어에 의한 레이저 가공을 통하여 피가공체(20)의 표면에 기준 마커가 표시되는 것이 바람직하다.
상기 기준 마커는 수치제어 드릴링 머신(400)에서 피가공체(20)를 드릴 가공 할 때에 피가공체(20)의 초기 위치나 상기 홀 마커의 위치 등을 파악하는 데 기준으로 삼기 위한 것이다. 상기 기준 마커를 토대로 수치제어 드릴링 머신(400)에서 피가공체(20)가 수치제어 방식으로 위치 제어되면서 상기 홀 마커의 표시 부위에 드릴 가공을 통하여 홀(H)이 형성된다. 상기 기준 마커는 예컨대 십자(+) 형태로 피가공체(20)의 적당한 위치(예: 가장자리나 모서리 부분)에 표시될 수 있다.
이재 명령부(360)는 홀 앤 마커 가공 제어부(350)에 의해서 홀 마커가 표시된 피가공체(20)를 수치제어 드릴링 머신(400)으로 이재시키도록 자동 이재기(100)를 제어한다.
이렇게 수치제어 드릴링 머신(400)으로 이재되어온 피가공체(20)를 살펴보면, 'd/t > 기준치'의 경우에는 레이저 가공모듈(200)에서 이미 홀(H)이 형성된 상태이고, 'd/t ≤ 기준치'의 경우에는 아직 홀(H)이 형성되어 있지는 않고 홀 형성 위치에 단지 홀 마커만 표시된 상태이다.
드릴 가공 제어부(370)는 수치제어 드릴링 머신(400)으로 이재되어 온 피가공체(20)에 대하여 상기 기준 마커의 위치를 토대로 하여 캐드 데이터대로 피가공체(20)가 위치 제어됨으로써 상기 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공을 통하여 홀(H)이 형성되도록 수치제어 드릴링 머신(400)을 제어한다.
수치제어 드릴링 머신(400)
도 7은 수치제어 드릴링 머신(400)을 설명하기 위한 사시도이고, 도 8은 그 단면도이다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 수치제어 드릴링 머신(400)은 비젼머신(410), 매니퓰레이터(420), 드릴기(430), 메인 프레임(440), 지지테이블(401), 로드셀(402), 볼 베어링 이젝터(405)를 포함하여 이루어진다.
수치제어 드릴링 머신(400)은 메인 프레임(440)을 통하여 외관 골격이 형성된다. 지지 테이블(401)은 메인 프레임(440)에 의해 지지되어 메인 프레임(440)의 상부에 가로로 설치되며, 하나 이상의 베어링 공(401a)이 상하로 관통되도록 형성된다. 자동 이재기(100)를 통하여 이재되어온 피가공체(20)는 지지테이블(401) 상에 탑재된다.
비젼머신(410)은 지지테이블(401)을 위에서 밑으로 바라보도록 수치제어 드릴링 머신(400)의 전단 상부에 설치되며, 지지테이블(401) 상에 탑재된 피가공체(20)의 표면을 촬상하여 상기 홀 마커와 기준 마커의 위치를 검출하고 그 위치 정보를 통합 제어수단(300)의 드릴 가공 제어부(370)로 전송한다.
매니퓰레이터(420)는 상기 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공이 이루어질 수 있도록 드릴 가공 제어부(370)의 제어를 통하여 피가공체(20)를 드릴기(430)의 밑으로 이송시킨다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 드릴기(430)는 메인 프레임(440)에 X축 및 Y축 방향이 고정되게 구비된다. 즉, 드릴기(430)가 X축 또는 Y축 방향으로 이동하여 홀 마커에 드릴 가공을 실시하게 되면, 드릴기(430)의 이동에 따른 드릴기(430)의 위치 오차 또는 드릴기(430)에서 발생하는 진동에 의해 드릴기(430)가 오차 범위를 벗어나서 위치할 수 있다.
이 경우, 드릴기(430)가 홀 마커에 드릴 가공 시 가공 오차를 초과하여 드릴 가공을 실시할 수 있게 되고, 이에 따라 가공 불량이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 드릴기(430)는 메인 프레임(440)에 고정되게 구비되어, 드릴기(430)의 이동 또는 진동에 의해 드릴기(430)의 위치가 오차 범위를 벗어나는 것을 방지한다. 다만, 드릴기(430)는 홀 마커에 드릴 가공을 실시할 수 있도록 Z축 방향(상하 방향)으로는 이동 가능하게 구비된다.
매니퓰레이터(420)는 피가공체(20)의 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공을 통하여 홀이 형성될 수 있도록 드릴 가공 제어부(370)의 제어를 통하여 피가공체(20)를 드릴기(430)의 밑으로 이송시키기 위한 것으로서, LM 가이드(421), 볼 스크류(422), 클램프(423), 및 가이드 레일(424)를 포함한다.
가이드 레일(424)은 Y축 방향으로 길게 뻗으면서 2개가 서로 나란하게 배치되도록 메인 프레임(440)의 윗면에 설치되며, LM 가이드(421)는 가이드 레일(424)을 따라 Y축 방향으로 이동 가능하도록 각 가이드 레일(424) 상에 결합 설치되며, 볼 스크류(422)는 LM 가이드(421) 사이를 잇도록 X축 방향으로 설치되고, 클램프(423)는 볼 스크류(422)를 따라 X축 방향으로 이동 가능하게 볼 스크류(422)에 결합 설치된다.
그러면 드릴기(430)의 위치가 고정된 상태에서도 수치제어 방식으로 클램프(423)의 이동을 제어함으로써 피가공체(20)를 원하는 위치로 자유롭게 이동시켜 가며 상기 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공을 통하여 홀을 형성할 수 있다.
매니퓰레이터(420)를 통한 피가공체(20)의 이송을 돕기 위한 볼 베어링 이젝터(405)는 볼 베어링(407), 베어링 지지대(406), 캠(403), 및 캠구동모터(404)를 포함한다.
베어링 지지대(406)는 볼 베어링(407)을 밑에서 지지하면서 상하로 이동 가능하도록 지지테이블(401)의 하부에 설치되며, 볼 베어링(407)은 베어링 공(401a)의 위치에 대응하도록 하나 이상 설치된다. 캠(403)은 베어링 지지대(406)에 연결되도록 설치된다. 캠구동모터(404)에 의하여 캠(403)이 회전함으로써 베어링 지지대(406)의 상하 이동이 이루어진다.
로드셀(402)은 무게 감지를 통하여 지지테이블(401) 상에 피가공체(20)가 탑재되었음을 감지하기 위한 것이다. 로드셀(402)은 무게 감지를 통하여 피가공체(20)의 탑재 여부를 파악할 수 있기만 하면 그 설치위치나 작동방식에 크게 제한 받지 않는다. 도면에서는 로드셀(402)이 지지테이블(401)의 하부에 설치되는 경우가 예로서 도시되었다.
지지테이블(401)에 피가공체(20)가 탑재되었음이 로드셀(402)을 통하여 감지되면 로드셀(402)은 그 감지신호를 드릴 가공 제어부(370)로 전송하고, 이를 전송받은 드릴 가공 제어부(370)는 볼 베어링 이젝터(405)의 캠구동모터(404)를 제어하여 베어링 지지대(406)를 위로 상승시킨다.
그러면 지지테이블(401)에 형성되어 있는 복수개의 베어링 공(401a)을 통하여 볼 베어링(407)이 지지테이블(401)의 위로 돌출되어 나옴으로써 피가공체(20)가 볼 베어링(407)에 의해 받쳐진 상태로 볼 베어링(407)의 구름 도움을 받으며 이동될 수 있으므로 매니퓰레이터(420)에 의한 피가공체(20)의 이송이 용이하게 이루어지게 된다.
매니퓰레이터(420)에 의해 드릴기(430)의 밑으로 피가공체(20)가 이송되면 드릴 가공 제어부(370)는 상기 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공을 통하여 홀이 형성될 수 있도록 드릴기(430)의 작동을 제어한다.
자동 이재기(100)
도 5에 도시된 바와 같이, 자동 이재기(100)는 암구동부(110)에 의해 상하 및 수평 운동되는 로봇암(120)의 끝단에 흡착패드(130)가 설치되어 이루어질 수 있다. 흡착패드(130)는 한 개만 도시되었지만 복수개가 설치될 수도 있다. 이재 명령부(360)의 제어를 통해서 구동부(110)가 제어되면서 로봇암(120)이 움직임으로써 피가공체(20)의 이재가 이루어진다.
도 9에 도시된 바와 같이, 흡착패드(130)는 판금 소재가 잘 부착되도록 위로 볼록 하게 고무재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 흡착패드(130)의 천장 가운데에는 흡착패드(130) 내의 공기를 흡입하기 위한 공기파이프(133)와 연결되는 공기흡입구(131)가 형성되고, 공기흡입구(131)의 주변에는 흡착과정에서 공기가 잘 흡입되도록 고무돌기(132)가 형성되는 것이 바람직하다. 공기파이프(133)는 흡입펌프(미도시)에 연결된다.
작동원리
도 10은 본 발명에 따른 홀 형성장치의 작동원리를 참고하여 홀 형성방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저 통합 제어수단(300)의 캐드 데이터 입력부(310)에 홀(H)의 직경(d) 및 홀 형성 위치 등에 대한 캐드 데이터를 설정 입력한다(S10).
다음에, 가공 테이블(210) 상에 피가공체(20)를 탑재시키고 통합 제어수단(300)의 제어를 통하여 피가공체(20)를 레이저 가공모듈(220)에 투입시킨다(S20). 이 때 가공 테이블(210)에 탑재된 피가공체(20)가 레이모듈(220)에 투입되기 전에 변위센서(230)를 통해서 피가공체(20)의 두께(t)가 측정된다(S30).
변위센서(230)에 의해서 측정된 피가공체(20)의 두께(t)는 통합 제어수단(300)의 피가공체 정보 입력부(320)에 전송 입력되고, 이 때, 연산부(340)는 피가공체 정보 입력부(320)에 전송 입력되는 피가공체 두께(t)와 캐드 데이터 입력부(310)에 입력되는 홀의 직경(d)과 홀 형성 위치 데이터를 토대로 각 홀에 대한 d/t 값을 연산한다.
홀 앤 마커 가공 제어부(350)는 연산부(340)에서 연산된 d/t 값을 기설정된 기준치와 비교하여(S40), d/t 값이 상기 기준치를 초과하는 경우에는 상기 캐드 데이터를 토대로 레이저 가공모듈(220)을 제어하여 도 2에서와 같이 피가공체(20)의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀(H)을 형성한다(S50). 그리고 d/t 값이 상기 기준치 이하인 경우에는 레이저 가공모듈(220)을 제어하여 피가공체(20)의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀 마커를 표시한다(S60). 이 때, 상기 홀 마커를 표시하는 과정에서 상기 기준 마커도 함께 표시되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 홀 마커가 표시된 피가공체(20)는 이재 명령부(360)의 제어를 받는 자동 이재기(100)를 통하여 레이저 가공모듈(220)에서 수치제어 드릴링 머신(400)의 지지테이블(401)로 자동 이재된다(S70).
지지테이블(401)에 이재된 피가공체(20)에 대한 비젼머신(410)의 촬상을 통하여 상기 홀 마커와 기준 마커의 위치가 드릴 가공 제어부(370)로 전송되고, 매니퓰레이터(420)는 상기 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공이 이루어질 수 있도록 피가공체(20)를 드릴기(430)의 밑으로 이송시킨다. 이 때 피가공체(20)의 이송은 로드셀(402)의 무게 감지를 통한 볼 베어링 이젝터(405)의 작동으로 용이하게 이루어진다.
드릴 가공 제어부(370)에 의해 매니퓰레이터(420)가 수치제어 되면서 이동됨으로써 상기 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공을 통하여 홀이 형성된다(S80). 드릴 가공을 통한 홀(H)의 형성은, 예컨대 홀(H)의 직경(d)과 같은 직경을 갖는 드릴 비트를 이용함으로써 구현될 수 있다.
종래의 문제점을 해결하기 위해서, d/t 값이 소정의 기준치를 초과하는 홀에 대해서는 종래와 같이 레이저 가공기에서 홀을 형성하고, d/t값이 소정의 기준치 이하인 홀에 대해서는 레이저 가공기에서 홀을 형성하지 않고 반제품 상태로 수동 반출하여 드릴링 머신에서 수동으로 드릴 가공을 통하여 홀을 형성하는 방법이 고려될 수 있으나, 이렇게 수작업이 중간에 수반되면 생산성 및 정밀도 측면에서 바람직하지 않다.
그러나 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, d/t 값에 따른 홀 가공의 자동화 시스템이 구축되므로 수작업에 의한 정밀도 감소 및 생산성 감소가 최소화되며, 휴먼 에러도 최소화 된다.
특히 d/t 값이 기준치(CO2 레이저나 광섬유 레이저의 연속모드를 이용할 경우 0.7) 이하인 경우에는 레이저가 아닌 드릴을 이용하여 홀을 형성하기 때문에 두께에 비하여 홀의 직경이 매우 작은 경우 고질적으로 발생하는 드로스의 악영향을 없앨 수 있다.
뿐만 아니라 레이저 가공모듈(220)에서 홀 마커 및 기준 마커를 형성하고 이를 발판삼아 수치제어 드릴링 머신(400)에서 수치제어가 이루어지면서 드릴을 통한 홀 가공이 이루어지기 때문에 수작업에 의한 드릴 작업에 비하여 정밀도와 생산성이 향상된다.
이상, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200 : 레이저 가공기 300 : 통합 제어수단
100 : 자동 이재기 400 : 수치제어 드릴링 머신

Claims (3)

  1. 레이저 가공기, 통합 제어수단, 자동 이재기, 및 수치제어 드릴링 머신을 포함하고,
    상기 레이저 가공기는, 피가공체의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀을 형성하거나, 상기 피가공체의 홀 형성 위치에 레이저 가공을 통하여 홀 마커를 표시하는 레이저 가공모듈; 상기 피가공체가 탑재되며 상기 피가공체를 상기 레이저 가공모듈에 투입 또는 반출하는 가공 테이블; 및 상기 피가공체가 상기 레이저 가공모듈에 투입되기 전에 상기 피가공체의 두께를 측정하는 변위센서; 를 포함하며,
    상기 통합 제어수단은, 상기 피가공체에 형성시킬 홀의 직경 및 상기 홀 형성 위치에 대한 캐드 데이터가 설정 입력되는 캐드 데이터 입력부; 상기 변위센서에서 측정된 상기 피가공체의 두께를 입력받는 피가공체 정보 입력부; 상기 피가공체 두께를 t라 하고, 상기 홀의 직경을 d라 할 때, d/t 값을 연산하는 연산부; 상기 d/t 값이 기설정된 기준치를 초과하면 상기 홀 형성 위치에 홀을 형성하도록 상기 레이저 가공모듈을 제어하고, 상기 d/t 값이 상기 기준치 이하이면 상기 홀 형성 위치에 상기 홀 마커를 표시하도록 상기 레이저 가공모듈을 제어하는 홀 앤 마커 가공 제어부; 상기 홀 마커가 표시된 피가공체를 상기 수치제어 드릴링 머신으로 이재시키도록 상기 자동 이재기를 제어하는 이재 명령부; 및 상기 피가공체의 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공을 통하여 홀을 형성하도록 상기 수치제어 드릴링 머신을 제어하는 드릴 가공 제어부; 를 포함하고,
    상기 수치제어 드릴링 머신은, 외관을 이루는 메인 프레임; 상기 자동 이재기를 통하여 이재되어 온 피가공체가 탑재되도록 상기 메인 프레임에 의해 지지되어 가로로 설치되며, 하나 이상의 베어링 공이 상하로 관통되도록 형성되는 지지테이블; 상기 지지테이블 상에 놓이는 피가공체를 촬상하여 상기 홀 마커와 상기 기준 마커의 위치를 검출하여 그 위치 정보를 상기 드릴 가공 제어부로 전송하는 비젼머신; 상기 메인 프레임의 일측에 고정되게 설치되는 드릴기; 상기 피가공체의 홀 마커가 표시된 부위에 드릴 가공을 통하여 홀이 형성될 수 있도록 상기 드릴 가공 제어부의 제어를 통하여 상기 피가공체를 상기 드릴기의 밑으로 이송시키는 매니퓰레이터; 무게 감지를 통하여 상기 지지테이블에 상기 피가공체가 탑재되었음을 감지하는 로드셀; 및 상기 로드셀에 의하여 상기 피가공체가 상기 지지테이블에 탑재되었음이 감지되는 경우에 상기 베어링 공을 통하여 상기 지지테이블의 위로 볼 베어링을 돌출시킴으로써 상기 매니퓰레이터에 의한 상기 피가공체의 이송이 용이하게 이루어지도록 상기 지지테이블의 하부에 설치되는 볼 베어링 이젝터; 를 포함하며,
    상기 매니퓰레이터는 Y축 방향으로 2개가 서로 나란하게 배치되도록 상기 메인 프레임의 윗면에 설치되는 가이드 레일; 및 상기 가이드 레일을 따라 Y축 방향으로 이동 가능하도록 상기 가이드 레일 상에 결합되는 LM 가이드를 포함하는 홀 형성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 가공모듈은 CO2 레이저나 광섬유 레이저를 연속모드로 조사하는 홀 형성장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기준치는 0.7인 홀 형성장치.
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