KR102424131B1 - Laser cleaning device with adjustable laser beam spot size - Google Patents

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Abstract

폴리곤미러를 구비하고 레이저 빔을 이용하여 작업 대상물의 표면을 클리닝하는 레이저 클리닝 장치로서, 레이저 빔 스팟 사이즈가 조절되는 레이저 클리닝 장치를 개시한다.
실시예에 따른 레이저 클리닝 장치는 레이저 빔을 발사하는 레이저발진기; 상기 레이저발진기의 전방에 배치되고, 상기 레이저발진기에서 발사된 레이저 빔의 스팟 사이즈를 조절하는 렌즈유닛; 레이저 빔을 반사하는 복수 개의 반사면을 구비하고, 상기 렌즈모듈의 전방에 배치되어 제자리 회전하는 폴리곤미러; 및 상기 폴리곤미러에 반사된 레이저 빔을 집광하여, 작업 대상물의 표면으로 조사하는 집광렌즈;를 포함한다.Disclosed is a laser cleaning apparatus having a polygon mirror and cleaning a surface of a work object using a laser beam, wherein a laser beam spot size is adjusted.
A laser cleaning apparatus according to an embodiment includes a laser oscillator for emitting a laser beam; a lens unit disposed in front of the laser oscillator and adjusting a spot size of a laser beam emitted from the laser oscillator; a polygon mirror having a plurality of reflective surfaces that reflect the laser beam and arranged in front of the lens module to rotate in place; and a condensing lens for condensing the laser beam reflected by the polygon mirror and irradiating the laser beam onto the surface of the work object.

Description

레이저 빔 스팟 사이즈 조절이 가능한 레이저 클리닝 장치{LASER CLEANING DEVICE WITH ADJUSTABLE LASER BEAM SPOT SIZE}LASER CLEANING DEVICE WITH ADJUSTABLE LASER BEAM SPOT SIZE

본 개시(The Disclosure)는 레이저를 이용하여 작업 대상물의 표면을 클리닝하는 장치와 관련되며, 특히 폴리곤미러를 구비하는 레이저 클리닝 장치와 관련된다.The present disclosure (The Disclosure) relates to an apparatus for cleaning the surface of a work object using a laser, and more particularly to a laser cleaning apparatus having a polygon mirror.

한국 등록특허공보 제10-0556586호에는 폴리곤미러를 구비하고 레이저 빔을 이용하여 작업 대상물의 표면을 클리닝하는 레이저 클리닝 장치의 일례가 게재되어 있다.Korean Patent No. 10-0556586 discloses an example of a laser cleaning apparatus having a polygonal mirror and cleaning the surface of a work object using a laser beam.

전술한 레이저 클리닝 장치는 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 발생수단; 복수의 반사면을 가지고 축을 중심으로 회전하며, 상기 레이저 발생수단에서 생성되어 상기 반사면으로 입사되는 레이저를 반사하는 폴리곤미러; 상기 폴리곤미러에 장착되어 상기 폴리곤미러의 위치 및 속도 정보를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 인코더; 상기 폴리곤미러의 각 반사면에 대한 오차값을 입력받아 각 반사면에서의 오차 보상값을 산출하기 위한 오차 보정부; 상기 인코더로부터 상기 폴리곤미러의 반사면 정보를 입력받아, 상기 각 반사면에 대한 상기 오차 보상값을 참조하여 미러를 구동하여, 상기 레이저 발생수단으로부터 출력되는 상기 레이저 빔의 상기 각 반사면에서의 입사 방향을 변경하기 위한 엑츄에이터; 및 상기 폴리곤미러로부터 반사되는 레이저를 집광하여 가공 대상물에 조사하기 위한 렌즈;를 포함한다.The laser cleaning apparatus described above includes a laser generating means for generating and outputting a laser beam; a polygon mirror having a plurality of reflective surfaces, rotating about an axis, and reflecting the laser generated by the laser generating means and incident on the reflective surface; an encoder mounted on the polygon mirror to convert the location and speed information of the polygon mirror into an electrical signal and output it; an error correction unit for receiving an error value for each reflective surface of the polygon mirror and calculating an error compensation value for each reflective surface; Receives information on the reflection surface of the polygon mirror from the encoder, drives the mirror with reference to the error compensation value for each reflection surface, and the laser beam output from the laser generating means is incident on each reflection surface an actuator for changing direction; and a lens for condensing the laser reflected from the polygon mirror to irradiate the object to be processed.

KRUS 10-055658610-0556586 B1B1 (2006.03.06.(2006.03.06. 공고)Announcement) KRUS 10-206055310-2060553 B1B1 (2019.12.30.(2019.12.30. 공고)Announcement)

폴리곤미러를 구비하고 레이저 빔을 이용하여 작업 대상물의 표면을 클리닝하는 레이저 클리닝 장치로서, 레이저 빔 스팟 사이즈가 조절되는 레이저 클리닝 장치를 제공하는 것이다.To provide a laser cleaning apparatus having a polygon mirror and cleaning a surface of a work object using a laser beam, the laser cleaning apparatus having a laser beam spot size adjusted.

실시예에 따른 레이저 클리닝 장치는 레이저 빔을 발사하는 레이저발진기; 상기 레이저발진기의 전방에 배치되고, 상기 레이저발진기에서 발사된 레이저 빔의 스팟 사이즈를 조절하는 렌즈유닛; 레이저 빔을 반사하는 복수 개의 반사면을 구비하고, 상기 렌즈모듈의 전방에 배치되어 제자리 회전하는 폴리곤미러; 및 상기 폴리곤미러에 반사된 레이저 빔을 집광하여, 작업 대상물의 표면으로 조사하는 집광렌즈;를 포함한다.A laser cleaning apparatus according to an embodiment includes a laser oscillator for emitting a laser beam; a lens unit disposed in front of the laser oscillator and adjusting a spot size of a laser beam emitted from the laser oscillator; a polygon mirror having a plurality of reflective surfaces that reflect the laser beam and arranged in front of the lens module to rotate in place; and a condensing lens for condensing the laser beam reflected by the polygon mirror and irradiating the laser beam onto the surface of the work object.

또한 실시예에 따른 레이저 클리닝 장치는 작업 대상물의 표면을 촬영하는 카메라; 상기 카메라에서 촬영된 영상의 색상값 정보를 바탕으로 작업 대상물의 표면 상태를 분석하는 영상해석부; 및 상기 영상해석부에서 분석된 작업 대상물의 표면 상태에 따라, 상기 렌즈유닛의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.In addition, a laser cleaning apparatus according to an embodiment includes a camera for photographing the surface of a work object; an image analysis unit for analyzing the surface state of the work object based on color value information of the image photographed by the camera; and a control unit for controlling the operation of the lens unit according to the surface state of the work object analyzed by the image analysis unit.

또한 상기 렌즈유닛은 소정 간격으로 두고 나란하게 배치되는 한 쌍의 볼록렌즈; 및 상기 한 쌍의 볼록렌즈 사이에 배치되고, 상기 한 쌍의 볼록렌즈의 중심을 지나는 축선을 따라 전, 후로 이동 가능한 오목렌즈;를 구비할 수 있다.In addition, the lens unit may include a pair of convex lenses disposed side by side at a predetermined interval; and a concave lens disposed between the pair of convex lenses and movable forward and backward along an axis passing through the center of the pair of convex lenses.

실시예에 따른 레이저 클리닝 장치는 레이저발진기에서 발사된 레이저 빔이 렌즈유닛을 통과하여 폴리곤미러에 반사된 후, 집광렌즈를 통해 작업 대상물의 표면에 조사되도록 구성되고, 작업 대상물의 표면 상태에 따라 레이저 빔의 스팟 사이즈가 조절될 수 있다.The laser cleaning apparatus according to the embodiment is configured such that the laser beam emitted from the laser oscillator passes through the lens unit and is reflected on the polygon mirror, and then is irradiated to the surface of the work object through the condensing lens, and the laser according to the surface state of the work object The spot size of the beam may be adjusted.

도 1은 실시예에 따른 레이저 클리닝 장치의 개략적인 구조를 블록도 형태로 나타낸다.1 is a block diagram showing a schematic structure of a laser cleaning apparatus according to an embodiment.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 실시예에 따른 레이저 클리닝 장치를 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a laser cleaning apparatus according to an embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 실시예에 따른 레이저 클리닝 장치(100)[이하 '레이저 클리닝 장치(100)'라 함]의 개략적인 구조를 블록도 형태로 나타낸다.1 shows a schematic structure of a laser cleaning apparatus 100 (hereinafter referred to as a 'laser cleaning apparatus 100') according to an embodiment in a block diagram form.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 클리닝 장치(100)는 레이저발진기(110), 렌즈유닛(120), 폴리곤미러(130) 및 집광렌즈(140)를 포함한다.As shown in FIG. 1 , the laser cleaning apparatus 100 includes a laser oscillator 110 , a lens unit 120 , a polygon mirror 130 , and a condensing lens 140 .

레이저발진기(110)는 레이저 빔을 생성하여 발사하는 기능을 한다.The laser oscillator 110 functions to generate and emit a laser beam.

렌즈유닛(120)은 레이저발진기(110)의 전방에 배치되고, 레이저발진기(110)에서 발사된 레이저 빔의 스팟 사이즈를 조절하는 기능을 한다.The lens unit 120 is disposed in front of the laser oscillator 110 and functions to adjust the spot size of the laser beam emitted from the laser oscillator 110 .

렌즈유닛(120)은 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 하나의 예로서, 한 쌍의 볼록렌즈(121, 121')와 오목렌즈(122)로 구성될 수 있다.The lens unit 120 may be configured in various forms, and as an example, may include a pair of convex lenses 121 and 121 ′ and a concave lens 122 .

한 쌍의 볼록렌즈(121, 121')는 소정 간격을 두고 나란하게 배치된다. 한 쌍의 볼록렌즈(121, 121') 각각은 빛을 굴절시켜, 빛이 한 점으로 모이게 한다.The pair of convex lenses 121 and 121' are arranged side by side at a predetermined interval. Each of the pair of convex lenses 121 and 121' refracts light, so that the light is collected at one point.

오목렌즈(122)는 한 쌍의 볼록렌즈(121, 121') 사이에 배치된다. 한 쌍의 볼록렌즈(121, 121')와 오목렌즈(122)의 중심축은 일치하며, 오목렌즈(122)는 중심축을 따라 전[블록렌즈(121)/레이저발진기(110) 방향], 후[볼록렌즈(121')/폴리곤미러(130) 방향]로 이동될 수 있다. 오목렌즈(120)는 빛을 퍼지게 한다.The concave lens 122 is disposed between the pair of convex lenses 121 and 121'. The central axis of the pair of convex lenses 121 and 121' and the concave lens 122 coincide, and the concave lens 122 is forward (block lens 121/laser oscillator 110 direction) along the central axis, after [ direction of the convex lens 121 ′/polygon mirror 130]. The concave lens 120 spreads light.

렌즈유닛(120)의 작동원리를 설명한다. 오목렌즈(122)가 전측으로 이동하여, 레이저발진기(110)에 가까워지면, 오목렌즈(122)에 의해 레이저 빔(빛)이 퍼지는 거리[오목렌즈(122)와 폴리곤미러(130) 사이의 거리]가 길어져, 레이저 빔의 스팟 사이즈가 커지게 된다. 반대로 오목렌즈(120)가 후측으로 이동하여, 레이저발진기(110)에서 멀어지면, 오목렌즈(122)에 의해 레이저 빔(빛)이 퍼지는 거리[오목렌즈(122)와 레이저발진기(110) 사이의 거리]가 짧아져, 레이저 빔의 스팟 사이즈가 작아지게 된다.An operating principle of the lens unit 120 will be described. When the concave lens 122 moves forward and approaches the laser oscillator 110 , the distance at which the laser beam (light) is spread by the concave lens 122 (distance between the concave lens 122 and the polygon mirror 130 ) ] becomes longer, and the spot size of the laser beam becomes large. Conversely, when the concave lens 120 moves to the rear side and moves away from the laser oscillator 110, the distance at which the laser beam (light) is spread by the concave lens 122 (between the concave lens 122 and the laser oscillator 110 ). distance] becomes shorter, and the spot size of the laser beam becomes smaller.

폴리곤미러(130)는 복수 개의 반사면을 구비하고, 렌즈유닛(120)의 전방에 배치된다. 폴리곤미러(130)는 모터(미도시)의 회전축에 결합되어, 제자리 회전되도록 구성된다. 모터의 회전축을 지나는 가상의 직선과 레이저발진기(110)에서 출력되는 레이저 빔의 경로는 수직을 이룬다.The polygon mirror 130 has a plurality of reflective surfaces and is disposed in front of the lens unit 120 . The polygon mirror 130 is coupled to a rotation shaft of a motor (not shown), and is configured to rotate in place. A virtual straight line passing through the rotation axis of the motor and the path of the laser beam output from the laser oscillator 110 are perpendicular to each other.

레이저발진기(110)에서 발사되는 레이저 빔은 렌즈유닛(120)을 통과한 후, 폴리곤미러(130)의 반사면에 반사되어, 작업 대상물(A)의 표면으로 향한다.The laser beam emitted from the laser oscillator 110 passes through the lens unit 120, is reflected on the reflective surface of the polygon mirror 130, and is directed to the surface of the work object (A).

집광렌즈(140)는 폴리곤미러(130)의 하방에 배치되고, 반사면에 반사되어 레이저 빔를 집광하여, 작업 대상물(A)의 표면 방향으로 조사되도록 한다.The condensing lens 140 is disposed below the polygon mirror 130 , is reflected on the reflective surface to condense the laser beam, and is irradiated in the direction of the surface of the work object (A).

한편 작업 대상물(A)은 컨베이어 형태의 작업대 위에 안착되어, 이송 가능하게 구성될 수 있다.On the other hand, the work object (A) may be configured to be transportable by being seated on a conveyor-type workbench.

계속해서, 레이저 클리닝 장치(100)는 카메라(150), 영상해석부(160) 및 제어부(170)를 더 포함할 수 있다.Subsequently, the laser cleaning apparatus 100 may further include a camera 150 , an image analysis unit 160 , and a control unit 170 .

카메라(150)는 집광렌즈(140)의 인근에 배치된다. 카메라(150)는 작업 대상물(A)의 표면을 촬영하는 기능을 한다.The camera 150 is disposed in the vicinity of the condensing lens 140 . The camera 150 functions to photograph the surface of the work object (A).

통상적으로 작업 대상물(A)의 표면에 생성된 녹(B)의 두께가 두꺼울수록, 작업 대상물(A)의 표면은 검붉은 색을 띄는데, 영상해석부(160)는 카메라(150)에서 촬영된 영상의 색상값 등을 바탕으로, 작업 대상물(A)의 표면 상태를 분석한다.In general, as the thickness of the rust (B) generated on the surface of the work object (A) is thicker, the surface of the work object (A) has a dark red color, and the image analysis unit 160 is photographed by the camera 150 . Based on the color value of the image, etc., the surface state of the work object (A) is analyzed.

즉, 작업 대상물(A)에 레이저 클리닝이 실시되는 동안, 카메라부(150)에 의해 영상 촬영되고, 촬영된 영상은 영상해석부(160)에 의해 분석된다.That is, while laser cleaning is performed on the work object A, an image is captured by the camera unit 150 , and the captured image is analyzed by the image analysis unit 160 .

작업 대상물(A)의 표면 상태에 대한 정의는 작업 대상물(A)의 재질과 클리닝 작업자의 경험에 따라 달라질 수 있다.The definition of the surface state of the work object A may vary depending on the material of the work object A and the experience of the cleaning worker.

제어부(170)는 영상해석부(150)에서 분석된 작업 대상물(A)의 표면 상태에 따라, 렌즈유닛(120)의 동작, 폴리곤미러(130)의 회전속도 및 작업 대상물(A)의 이송속도를 제어한다.The control unit 170 controls the operation of the lens unit 120, the rotation speed of the polygon mirror 130, and the transport speed of the work object A according to the surface state of the work object A analyzed by the image analysis unit 150. control

예컨대, 작업 대상물(A)의 표면 상태가 양호할수록, 레이저 빔의 스팟 사이즈는 커지고, 폴리곤미러(130)의 회전속도와 작업 대상물(A)의 이송속도가 빨라지도록 구성될 수 있다. 레이저 빔의 스팟 사이즈는 커지고, 폴리곤미러(130)의 회전속도와 작업 대상물(A)의 이송속도가 빨라지면, 자연스럽게 클리닝 강도가 약해지고, 작업 속도는 향상된다. 이 경우, 레이저발진기(120)가 일정한 출력으로 작동하기 때문에, 클리닝 작업이 매우 안전할 뿐 아니라, 결과물의 품질도 매우 우수하다.For example, the better the surface state of the work object (A), the larger the spot size of the laser beam, and the rotation speed of the polygon mirror 130 and the transfer speed of the work object (A) may be configured to be faster. If the spot size of the laser beam is increased, and the rotation speed of the polygon mirror 130 and the transport speed of the work object A are increased, the cleaning strength is naturally weakened and the working speed is improved. In this case, since the laser oscillator 120 operates at a constant output, the cleaning operation is very safe and the quality of the result is very good.

앞서 설명된 레이저 클리닝 장치(100)는 레이저발진기(110)에서 발사된 레이저 빔이 렌즈유닛(120)을 통과하여 폴리곤미러(130)에 반사된 후, 집광렌즈(140)를 통해 작업 대상물의 표면(A)에 조사되도록 구성되고, 작업 대상물(A)의 표면 상태에 따라 레이저 빔의 스팟 사이즈가 조절될 수 있다.In the laser cleaning apparatus 100 described above, after the laser beam emitted from the laser oscillator 110 passes through the lens unit 120 and is reflected on the polygon mirror 130 , the surface of the work object through the condensing lens 140 . It is configured to be irradiated to (A), and the spot size of the laser beam can be adjusted according to the surface state of the work object (A).

본 개시(The Disclosure)의 실시예를 설명할 때 사용된 각종 표현(용어, 시각화된 이미지 등)들은 기술에 대한 이해를 높이기 위한 도구적인 목적에 의해 선택된 것에 불과하다.Various expressions (terms, visualized images, etc.) used when describing an embodiment of the present disclosure (The Disclosure) are merely selected for the purpose of a tool to increase understanding of the technology.

또한 본 개시는 여러 여건상 제한된 수의 실시예에 의하여 설명되었고, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 설명된 실시예를 기반으로 본 개시의 기술적 사상의 범위 안에서 새로운 실시예들을 무수히 창안해 낼 수 있을 것이다.In addition, the present disclosure has been described by a limited number of embodiments due to various circumstances, and those of ordinary skill in the art can create a myriad of new embodiments within the scope of the technical spirit of the present disclosure based on the described embodiments. you can do it

따라서 본 개시의 권리범위는 '발명의 설명' 및 '도면'에 나타난 일부 표현에 의해 제한되어선 안되고, 명세서의 전반에 내재된 본 개시의 근원적 기술적 사상을 바탕으로 폭넓게 해석되어야 함이 마땅하다.Therefore, the scope of the present disclosure should not be limited by some expressions shown in the 'description of the invention' and 'drawings', but should be interpreted broadly based on the fundamental technical idea of the present disclosure contained throughout the specification.

100... 레이저 클리닝 장치
110... 레이저발진기
120... 렌즈유닛
121, 121'... 볼록렌즈
122... 오목렌즈
130... 폴리곤미러
140... 집광렌즈
150... 카메라
160... 영상해석부
170... 제어부
--
A... 작업 대상물 / B... 녹100... laser cleaning device
110... laser oscillator
120... lens unit
121, 121'... convex lens
122... concave lens
130... polygon mirror
140... condensing lens
150... camera
160... Image analysis department
170... control
--
A... Workpiece / B... Rust

Claims (3)

상부에 작업 대상물(A)이 안착되는 컨베이어 형태의 작업대;
상기 작업대에 안착된 작업 대상물(A)을 향해 레이저 빔을 발사하는 레이저발진기(110);
상기 레이저발진기(110)의 전방에 배치되고, 상기 레이저발진기(110)에서 발사된 레이저 빔의 스팟 사이즈를 조절하는 렌즈유닛(120);
레이저 빔을 반사하는 복수 개의 반사면을 구비하고, 상기 렌즈모듈(120)의 전방에 배치되어 제자리 회전하는 폴리곤미러(130);
상기 폴리곤미러(130)에 반사된 레이저 빔을 집광하여, 작업 대상물(A)의 표면으로 조사하는 집광렌즈(140);
작업 대상물의 표면을 촬영하는 카메라(150);
상기 카메라(150)에서 촬영된 영상의 색상값 정보를 바탕으로 작업 대상물(A)의 표면 상태를 분석하는 영상해석부(160); 및
상기 영상해석부(160)에서 분석된 작업 대상물(A)의 표면 상태에 따라, 상기 렌즈유닛(120)의 동작을 제어하는 제어부(170);를 포함하고,
상기 렌즈유닛(120)은,
소정 간격으로 두고 나란하게 배치되는 한 쌍의 볼록렌즈(121, 121'); 및 상기 한 쌍의 볼록렌즈(121, 121') 사이에 배치되고,
상기 한 쌍의 볼록렌즈(121, 121')의 중심을 지나는 축선을 따라 전, 후로 이동 가능한 오목렌즈(122);를 포함하고,
상기 제어부(170)는, 작업 대상물(A)의 표면 상태에 따라, (i) 레이저발진기(110)에서 발사되는 레이저 빔의 스팟 사이즈, (ii) 상기 폴리곤미러(130)의 회전속도 및 (iii) 작업 대상물(A)의 이송속도를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 클리닝 장치.A workbench in the form of a conveyor on which the work object (A) is seated on the upper part;
a laser oscillator 110 for emitting a laser beam toward the work object A seated on the work bench;
a lens unit 120 disposed in front of the laser oscillator 110 and adjusting a spot size of a laser beam emitted from the laser oscillator 110;
a polygon mirror 130 having a plurality of reflective surfaces for reflecting the laser beam and disposed in front of the lens module 120 to rotate in place;
Condensing lens 140 for condensing the laser beam reflected by the polygon mirror 130, and irradiating the surface of the work object (A);
a camera 150 for photographing the surface of the work object;
an image analysis unit 160 for analyzing the surface state of the work object (A) based on color value information of the image photographed by the camera 150; and
a control unit 170 for controlling the operation of the lens unit 120 according to the surface state of the work object A analyzed by the image analysis unit 160;
The lens unit 120,
a pair of convex lenses 121 and 121' arranged side by side at a predetermined distance; And disposed between the pair of convex lenses (121, 121'),
Concave lens 122 movable forward and backward along an axis passing through the center of the pair of convex lenses 121 and 121';
The control unit 170, according to the surface state of the work object (A), (i) the spot size of the laser beam emitted from the laser oscillator 110, (ii) the rotation speed of the polygon mirror 130, and (iii) ) A laser cleaning apparatus, characterized in that it is configured to control the feed rate of the work object (A). 삭제delete 삭제delete
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