KR102584148B1 - 레이저 빔으로 공작물을 제작하기 위한 기기 - Google Patents

레이저 빔으로 공작물을 제작하기 위한 기기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 빔(102)으로 공작물(101)을 기계가공하는 기기(100, 200, 300, 700) 및 방법(400)에 관한 것이다. 기기(100, 200, 300, 700)는 가압 유체 제트(104)를 제공하고 적어도 하나의 광학소자(105)를 통해 레이저 빔(102)을 공작물(101)를 향한 유체 제트(104) 내로 결합시키도록 구성된 기계 기계가공 유닛(103)을 포함한다. 또한, 유체 제트(104)를 통해 그리고 적어도 하나의 광학소자를 통해 공작물(101)로부터 멀리 전파되는 레이저 유도 전자기 복사를 수신하도록 배열되고 수신된 복사(106)를 신호(108)로 변환시키도록 구성된 감지 유닛(107)을 포함한다. 기기(100, 200, 300, 700)는 또한 신호(108)에 기초하여 공작물(101)을 기계가공하는 상태를 결정하도록 구성된 신호 처리 유닛(109)을 포함한다.

Description

레이저 빔으로 공작물을 제작하기 위한 기기
본 발명은 레이저 빔으로 공작물을 기계가공하기 위한 기기, 및 대응하는 기계가공 방법에 관한 것이다. 특히, 기기 및 방법은 유체 제트에 결합된 레이저 빔으로 공작물을 기계가공하기 위한 것이다. 본 발명은 구체적으로 프로세스 복사에 기초하여 기기 및 방법의 기계가공 공정을 제어하는 것에 관한 것이다.
레이저 빔으로 공작물을 기계가공하는 종래의 기기가 알려져 있다. 유체 제트가 공작물에 부딪히는 유체 제트에 결합된 레이저 빔으로 공작물을 기계가공하는 종래의 기기도 또한 공지되어 있다.
종래 기기의 레이저 빔 기계가공 프로세스 동안 일반적으로 직면하는 문제는 기기와 공작물의 기계적 상호작용의 부재로 인해 공작물을 기계가공하는 프로세스의 특성 상태를 결정하기 어렵다는 것이다. 이 난제는 종종 기계가공 프로세스 시간을 크게 증가시킨다. 예를 들어, 레이저 빔으로 공작물을 절단하기 위해 종래의 기기를 사용할 때, 레이저 빔이 공작물 재료를 뚫었는지 여부 및 뚫었을 때를 정확히 결정하는 것이 문제다. 따라서, 컷팅 공정은 시간 최적화된 방식으로 완료될 수 없다. 또한, 공작물 기계가공의 다른 상태, 예를 들어, 기계가공 공정의 불안정성을 나타내는 상태를 정확하게 결정할 수 있는 확률을 갖는 것도 또한 유리할 것이다.
레이저 빔이 제어되지 않은 방식으로 공작물로부터 다시 산란될 수 있기 때문에, 공작물의 육안 검사에 의한 프로세스 상태의 결정은 어렵거나 심지어 위험하다. 또한, 종래의 기기가 유체 제트로 가이드되는 레이저 빔을 사용하는 경우, 습한 공작물 환경으로 인해 추가적인 어려움이 발생한다. 예를 들어, 유체 제트는 제어되지 않은 방식으로 공작물로부터 다시 튀어 나올 수 있기 때문에, 유체가 공작물의 표면 영역에 쌓일 수 있고, 이에 의해 기계가공 프로세스의 상태를 결정하는 것이 훨씬 어렵다.
종래의 방안은 예를 들어 기기 및/또는 공작물 옆에 배치된 카메라에 의한 육안 검사에 크게 의존한다. 그러나, 종래의 육안 검사는 상기 언급된 환경적 어려움, 특히 습한 환경에서 매우 정확하지 않다. 또한, 예를 들어, 유체가 튐으로 인해 검사 장비, 가령 카메라가 손상될 위험이 높다. 더욱이, 이 종래의 방안에 따른 장치는 비교적 크고, 다수의 개별 부품들로 불편하게 분포되어 있다.
이러한 문제점 및 단점을 고려하여, 본 발명은 종래의 기기 및 방안을 개선하는 것을 목표로 한다. 따라서, 본 발명의 목적은 기계가공 프로세스 시간을 단축할 수 있는 유체 제트에 레이저 빔이 결합된 공작물을 기계가공하는 기기 및 방법을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명은 기계가공 프로세스의 상태를 보다 정확하게 결정할 수 있어야 한다. 공작물 기계가공 상태를 결정하는 정확도가 높을수록 기계가공 프로세스를 더 잘 최적화할 수 있다. 특히, 본 발명은 레이저 빔이 공작물 재료를 뚫었는지 신뢰성있는 결정을 요구한다. 따라서, 본 발명은 특히 유체 제트에 의해 야기된 습한 환경에 의해 방해받지 않는 컴팩트한 기기 및 방안을 목표로 한다. 따라서, 기기 및 장비의 손상을 피해야 한다.
본 발명의 목적은 첨부된 독립 청구항에 제공된 방안에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 구현은 종속항에 정의되어 있다.
특히, 본 발명은 프로세스 복사(process emission)에 기초하여, 즉, 레이저 빔으로 공작물을 기계가공함으로써 발생하는 레이저-유도 전자기 복사에 기초하여 공작물을 기계가공하는 상태를 검출하는 것을 제안한다.
본 발명의 제 1 태양은 레이저 빔으로 공작물을 기계가공하기 위한 기기로서, 상기 기기는: 공작물에 가압 유체 제트를 제공하고 적어도 하나의 광학소자를 통해 레이저 빔을 공작물을 향한 유체 제트 내에 결합하도록 구성된 기계가공 유닛; 유체 제트를 통해 그리고 적어도 하나의 광학소자를 통해 공작물로부터 멀리 전파되는 레이저 유도 전자기 복사를 수신하도록 배열되고, 수신된 복사를 신호로 변환하도록 구성된 감지 유닛; 및 상기 신호에 기초하여 공작물을 기계가공하는 상태를 결정하도록 구성된 신호 처리 유닛을 포함하는 기기를 제공한다.
가공 유닛에서, 레이저 빔은 가압 유체 제트에 결합되는데, 이는 레이저 빔용 웨이브가이드와 같은 역할을 하며 전반사에 의해 레이저 빔을 공작물로 가이드한다. 가압 유체 제트는 바람직하게는 유체 노즐에 의해 제공되고, 레이저 빔은 유체 노즐을 통해 유체 제트 내로 그리고 공작물을 향해 적어도 하나의 광학소자에 의해 지향될 수 있다. 유체 노즐 및 적어도 하나의 광학소자는 광학소자와 유체의 접촉을 방지하기 위해, 예를 들어, 광학 윈도우에 의해 분리될 수 있다.
감지 유닛은 광감지 유닛 또는 광센서일 수 있으며, 바람직하게는 유체 제트를 따라 1차 레이저 빔의 반대 방향으로 진행하는, 즉, 공작물로부터 멀리 전파되는 레이저 유도된 전자기 복사를 검출할 수 있도록 배치된다. 특히, 공작물을 기계가공하는 레이저 빔에 의해 유도된 일부 전자기 복사는 유체 제트를 통해 역전파되지 않을 수 있지만 다른 곳으로 진행할 수 있다.
감지 유닛에 의해 수신된 레이저 유도된 전자기 복사는 공작물 기계가공의 상이한 상태들에 대한 매우 정확한 지문을 제공한다. 특히, 이에 따라 감지 유닛에 의해 출력되는 신호는 공작물을 기계가공하는 상이한 상태에 따라 특징적인 거동을 나타낸다. 따라서, 신호 처리 유닛은 신호에 기초하여 공작물을 기계가공하는 상태를 정확하고 효율적으로 결정할 수 있다. 결과적으로, 기계가공 프로세스 시간을 크게 개선하기 위해 결정된 상태에 기초하여 기기의 동작에 따라 트리거될 수 있다.
감지 유닛이 유체 제트를 통해 레이저 유도된 전자기 복사를 수신할 수 있다는 사실로 인해 기계가공 공정의 습한 환경으로부터 감지장치를 안전하게 배치할 수 있다. 유리하게는, 유체 제트는 또한 레이저 유도 복사를 역전파하기 위한 웨이브가이드로서도 작용하므로, 이 복사를 보다 정확하게 검출할 수 있고, 따라서 이 복사를 감지할 때 감지 유닛이 공급하는 신호의 분석 또는 후처리를 가능하게 한다. 바람직하게는, 감지 유닛은 기기에 수용되며, 보다 바람직하게는 유체 접촉으로부터 보호되고 증가된 수명을 누리기 위해 임의의 유체 회로 및 유체 노즐로부터 분리되도록 한다. 제 1 태양의 기기는 매우 컴팩트한 방식으로 구축될 수 있으며, 기기의 모든 부품은 유리하게 집적될 수 있다.
장치의 바람직한 구현에서, 신호 처리 유닛은 공작물을 기계가공하는 상태로서 레이저 빔이 공작물을 뚫었는지를 결정하도록 구성된다.
본 발명의 기기는 레이저 빔이 공작물을 통해 뚫었는지 여부를 특히 매우 정확하고 신속하게 결정할 수 있다. 따라서, 특히 레이저 빔으로 공작물을 컷팅하기 위해 기기가 사용될 때, 기계가공 프로세스 시간이 상당히 단축될 수 있다. 이는 레이저 빔이 공작물을 뚫은 상태가 결정되면 기계가공 프로세스를 즉시 중지할 수 있기 때문이다. 신호 처리 유닛은 이러한 명령을 자동으로 제공하도록 구성될 수 있다.
기기의 다른 바람직한 구현에서, 감지 유닛은 레이저 빔을 유체 제트에 결합 시키도록 구성된 적어도 하나의 광학소자를 통해 유체 제트를 통해 전파되는 레이저 유도 전자기 복사를 수신하도록 구성된다.
이러한 특정 방식으로, 기기는 특히 컴팩트하게 구성될 수 있다. 또한, 최소량의 광학부품이 요구된다.
기기는 가공 유닛 및 감지 유닛을 포함하는 광학 헤드를 포함할 수 있다. 따라서, 광학 헤드에서 레이저 빔은 기계가공 유닛에 의해 유체 제트로 결합될 수 있고, 감지 유닛은 공작물로부터 역전파되는 레이저 유도 복사를 감지할 수 있다. 이 경우, 신호 처리 유닛은 장치 내에, 가령, 하우징 내에 있지만 광학 헤드의 외부에 배치될 수 있다. 레이저 소스 및/또는 레이저 제어기를 포함하는 레이저 유닛은 장치의 일부일 수도 있고 아닐 수도 있지만, 적어도 광학 헤드와는 별개이다.
장치의 다른 바람직한 구현에서, 기기는 기계가공 유닛을 포함하는 광학 헤드 및 감지 유닛을 포함하는 레이저 유닛을 포함한다.
레이저 유닛은 레이저 소스 및/또는 레이저 제어기를 포함할 수 있다. 이 구현에서, 레이저 빔은 레이저 유닛에 의해 광학 헤드에 제공될 수 있고, 여기서 기계가공 유닛에 의해 유체 제트로 결합된다. 공작물로부터 역전파되는 레이저-유도 복사는 광학 헤드를 통해 레이저 유닛으로 가이드될 수 있고, 여기서 레이저 유닛은 감지 유닛에 의해 수신된다. 광학 헤드는 예를 들어 광섬유에 의해 레이저 유닛에 광학적으로 연결될 수 있다.
놀랍게도, 공작물 기계가공 상태는 감지 유닛이 광학 헤드로부터 이격된 레이저 유닛내에 배치될 때에도 수신된 레이저-유도된 복사에 기초하여 감지 유닛에 의해 제공되는 신호에 기초하여 신호 처리 유닛에 의해 정확하게 결정될 수 있음을 발견하였다. 레이저 유닛에 제공된 감지 유닛(107) 및 빔 스플리터, 광학 분리 유닛 및/또는 포커싱 광학 장치 등과 같은 선택적으로 연관된 광학소자를 갖는 장점은 이들 소자들의 취급, 및 가령 유지 관리 또는 교체가 쉽다는 것이다. 추가 장점은 광학 헤드가 감지 유닛 및 관련 광학소자를 교환할 필요없이 교환될 수 있다는 것이다. 레이저 유닛에 사용 가능한 공간이 더 많기 때문에 광학 헤드를 더 작게 만들 수 있고 감지 유닛 및 관련 광학소자를 더 크게 만들 수 있다.
장치의 다른 바람직한 구현에서, 기기는 광학 헤드와 레이저 유닛을 광학적으로 연결하기 위한 광학 연결 소자, 특히 광섬유를 더 포함하며, 광학 헤드 내의 기계가공 유닛은 광학 연결 소자를 통해 레이저 빔을 수용하도록 구성되고 레이저 유닛의 감지 유닛은 광학 연결 소자를 통해 레이저-유도 전자기 복사를 수신하도록 구성된다.
따라서, 동일한 광학 연결 소자, 예를 들어, 광섬유는 장치 내에서, 즉 광학 헤드와 레이저 유닛 사이에서 각각 레이저 빔 및 레이저-유도 복사에 대한 레이저 광을 운송하는데 사용된다. 그럼에도 불구하고, 공작물 기계가공 상태는 이에 따라 감지 유닛에 의해 생성된 신호에 기초하여 처리 유닛에 의해 정확하게 결정될 수 있다.
기기의 다른 바람직한 구현에서, 적어도 하나의 광학소자는 레이저 빔을 유체 제트에 결합시키기 위한 렌즈를 포함하고, 감지 유닛은 상기 렌즈를 통해 역전파 레이저 유도 전자기 복사를 수신하도록 구성된다.
따라서, 이 특정 구현은 렌즈를 이중 방식으로 사용할 수 있게 하고, 유체 접촉으로부터 보호되도록 감지 유닛을 위치 설정할 수 있게 한다. 또한, 장치는 컴팩트한 방식으로 구축될 수 있다.
기기의 다른 바람직한 구현에서, 기기는 감지 유닛상의 레이저 유도 전자기 복사의 적어도 일부를 포함하는 관심 전자기 복사만을 분리 및/또는 초기 레이저 광이 감지 유닛에 도달하는 것을 방지하도록 구성된 분광 유닛, 바람직하게는 광학 필터 유닛을 더 포함한다.
특히, 분광 유닛은 공작물로부터 멀리 전파되는 레이저-유도 전자기 복사이거나 이를 포함하는 복사를 수신하도록 배열 및 구성되고, 수신된 복사로부터 관심 전자기 복사를 분리할 수 있고, 상기 레이저-유도 전자기 복사의 적어도 일부를 포함하는 상기 관심 복사를 감지 유닛에 제공할 수 있다. 분광 유닛은 공작물의 기계가공 상태를 보다 정확하고 신뢰할 수 있게 결정할 수 있는 효과가 있다. 분광 유닛은 원하지 않는 복사가 감지 유닛에 도달하는 것을 방지한다. 따라서, 감지 유닛은 관심 복사를 보다 민감하고 정확하게 검출할 수 있다. 관심 복사는 원하지 않는 다른 복사가 제거된 레이저 유도 전자기 복사일 수 있거나, 레이저 유도 전자기 복사의 일부일 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔은 상이한 메커니즘에 의해 야기된 상이한 종류의 전자기 복사를 유도할 수 있다. 이 경우, 관심 복사는 하나의 특정 메커니즘에 의해 야기되는 유일한 레이저 유도 전자기 복사일 수 있다.
기기의 다른 바람직한 구현에서, 레이저-유도 전자기 복사는 레이저 빔으로 기계가공된 공작물의 일부로부터 방출된 2차 복사를 포함한다.
이 경우 2차 복사는 예를 들어 공작물의 기계가공된 표면 영역이 플라즈마로 변환되기 때문에 레이저 빔으로 공작물을 처리함으로써 야기된다. 이 플라즈마는 공작물의 기계가공 상태, 특히 레이저 빔이 공작물을 뚫었는지 여부의 특히 정확한 결정을 할 수 있도록 가령 상술한 분광 유닛에 의해 감지 유닛 상에서 또는 감지 유닛에 의해 쉽게 분리될 수 있는 특성 복사를 방출한다.
기기의 다른 바람직한 구현에서, 레이저-유도 전자기 복사는 공작물로부터 반사되는 1차 레이저 복사를 포함한다.
이는 본 발명을 구현하는 간단한 방법을 제공한다. 공작물로부터 다시 반사된 레이저 광은 1차 레이저 빔의 광의 적어도 일부를 포함하고, 유체 제트를 통해 감지 유닛을 향해 역전파된다. 감지 유닛에 의해 변환된 해당 신호는 공작물 기계가공 상태, 특히 레이저 빔이 공작물을 뚫었는지 여부에 대한 정확한 지문을 제공한다.
기기의 다른 바람직한 구현에서, 레이저-유도 전자기 복사는 유체 제트에서 레이저 빔의 산란, 바람직하게는 라만 산란에 의해 생성된 2차 복사를 포함한다.
유체 제트 내 레이저-유도 산란은 환경 조건이 덜 제어되는 공작물 표면에서 직접 생성되지 않고, 층류 및/또는 더 잘 제어된 유체 제트에서 생성된다는 이점이 있다. 그럼에도 불구하고, 이 산란 유도 복사는 공작물 기계가공 상태, 특히 레이저 빔이 공작물을 뚫었는지 여부에 대한 정확한 지문을 제공한다.
이는 레이저 빔으로 기계가공된 공작물의 일부로부터 방출된 2차 복사, 공작물로부터 반사되는 1차 레이저 복사, 및/또는 유체 제트에서 레이저 빔의 산란에 의해 생성된 2차 복사가 유체 제트를 통해 그리고 적어도 하나의 광학소자를 통해 공작물로부터 멀리 전파되는 경우일 수 있다. 이 경우, 상술한 분광 유닛은 임의의 원치않는 레이저-유도 전자기 복사를 필터링하고, 예를 들어 레이저-유도된 관심 전자기 복사만, 가령, 레이저 빔으로 기계가공된 공작물의 일부로부터 감지 유닛 상으로 방출된 2차 복사를 집속시키는 데 사용될 수 있다.
기기의 다른 바람직한 구현에서, 신호 처리 유닛은 0.5초 미만, 바람직하게는 0.1초 미만의 시간 분해능으로 신호를 처리하도록 구성된다.
예를 들어, 신호 처리 유닛의 시간 분해능은 0.2-0.5s, 또는 0.1-0.5s, 또는 0.1-0.2s, 또는 심지어 0.01s-0.1s일 수 있다. 신호 처리 유닛에 의해 제공되는 이러한 바람직한 시간 분해능은 공작물의 기계가공 상태의 정확한 검출을 가능하게 하고, 따라서 기계가공 프로세스의 특별히 안정적인 제어를 가능하게 한다. 특히, 이러한 신호 처리 유닛으로 기계가공 처리 시간이 더욱 단축될 수 있다.
기기의 다른 바람직한 구현에서, 레이저 빔은 펄스 레이저 빔이고, 감지 유닛은 수신된 복사를 각각의 레이저 펄스에 대한 신호로 변환하도록 구성되고, 신호 처리 유닛은 시간이 지남에 따라 복수의 신호를 적분해 적분 신호를 생성하고, 상기 적분 신호의 패턴 또는 패턴의 변화에 기초하여 공작물을 기계가공하는 상태를 결정하도록 구성된다.
시간이 지남에 따라 신호를 적분하면 공작물의 기계가공 상태를 결정하는 신뢰성이 더욱 향상된다. 특히, 단일(비적분) 신호에서 발생하는 패턴은 적분 신호에서 향상될 수 있다. 또한, 적분 신호에만 나타나는 추가적인 패턴은 추가 상태를 결정하거나 보다 정확하게 상태를 결정하는 것을 허용할 수 있다. 또한, 신호 노이즈 영향이 감소되기 때문에, 결정의 감도가 일반적으로 향상된다.
기기의 다른 바람직한 구현에서, 기기는 적어도 하나의 주변 장치, 바람직하게는 레이저 제어기, 유체 공급 제어기, 가스 공급 제어기 및/또는 이동축 제어기를 추가로 포함하며, 여기서 신호 처리 유닛은 주변 장치의 동작을 시작, 중단, 정지 및/또는 재개하기 위해, 공작물을 기계가공하는 결정된 상태에 기초하여 명령 신호를 갖는 적어도 하나의 주변 장치를 포함한다.
따라서, 기계가공 공정 시간이 최적화될 수 있다. 특히, 결정된 공작물 기계가공 상태에 기초하여, 기기는 필요한 조치를 취하기 위해 신속하게 반응할 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔이 공작물을 돌파하면, 기기는 기계가공 프로세스를 정지시킬 수 있다. 추가 장점으로서, 기계가공 공정 품질이 향상될 수 있다.
본 발명의 제 2 태양은 레이저 빔으로 공작물을 기계가공하는 방법으로, 공작물에 가압 유체 제트를 제공하고 하나 이상의 광학소자를 통해 레이저 빔을 공작물을 향해 유체 제트 내에 결합시키는 단계; 유체 제트 및 적어도 하나의 광학소자를 통해 공작물로부터 멀리 전파되는 레이저-유도 전자기 복사를 수신하고 수신된 복사를 신호로 변환하는 단계; 및 상기 신호에 기초하여 공작물을 기계가공하는 상태를 결정하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
제 2 태양의 방법으로, 제 1 태양의 장치에서와 동일한 장점 및 효과가 달성될 수 있다.
방법의 바람직한 구현에서, 방법은 공작물을 가공하는 상태를 결정하기 위해, 복수의 신호를 기록하는 단계; 기록된 신호를 기설정된 기준 신호와 비교하는 단계; 및 유사하거나 일치하는 기준 신호에 기초하여 공작물의 기계가공 상태를 결정하는 단계를 더 포함한다.
기준 신호를 제공하고 이들 기준 신호와의 비교를 수행함으로써, 매우 정확한 결과를 갖는 쉬운 구현이 제공될 수 있다.
방법의 다른 바람직한 구현에서, 방법은 공작물을 기계가공하는 상태를 결정하기 위해, 적분 신호를 생성하기 위해 시간에 따라 복수의 신호를 적분하는 단계; 상기 적분 신호에서 패턴 또는 패턴의 변화를 평가하는 단계; 및 상기 패턴 또는 패턴의 변화에 기초하여 공작물을 기계가공하는 상태를 결정하는 단계를 더 포함한다.
이에 의해, 상술한 장치의 각각의 구현 형태와 동일한 장점 및 효과가 달성된다.
방법의 다른 바람직한 구현에서, 레이저-유도 전자기 복사는 레이저 빔으로 기계가공된 공작물의 일부로부터 방출된 2차 복사를 포함하고, 상기 방법은 공작물을 기계가공하는 상태로서, 공작물을 기계가공 시작한 후 증가된 단일 신호 또는 적분 신호의 값이 결정된 임계치 아래로 다시 감소할 때, 레이저 빔이 공작물을 뚫은 것으로 결정하는 단계를 포함한다.
본 방법의 다른 바람직한 구현에서, 레이저-유도 전자기 복사는 공작물로부터 반사된 1차 레이저 복사를 포함하고, 상기 방법은 공작물을 기계가공하는 상태로서, 공작물을 기계가공 시작한 후 감소된 단일 신호 또는 적분 신호의 값이 결정된 임계치 이상으로 다시 증가할 때, 레이저 빔이 공작물을 뚫은 것으로 결정하는 단계를 포함한다.
단일 신호 또는 적분 신호, 즉 신호 또는 적분 신호에 뒤이은 패턴에서 상기 언급된 특성 지문은 매우 정확한 결정 결과를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 처리 부하가 낮기 때문에, 방법을 매우 빠르게 수행할 수 있다.
본 발명의 내용에 포함됨.
첨부도면과 관련하여 이하의 특정 실시예의 설명에서 본 발명의 상술한 태양 및 바람직한 구현을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기기를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기기를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기기를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법에 사용된 특성 신호 패턴을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기기를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기기를 도시한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기기(100)를 도시한 것이다. 특히, 기기(100)는 레이저 빔(102)으로 공작물(101)을 기계가공하도록 구성된다. 공작물(101)은 예를 들어 금속, 세라믹, 다이아몬드, 반도체, 탄화물(carbide), 합금, 초합금 또는 초경(ultra-hard) 재료로 제조될 수 있다. 공작물(101)은 특히 기기(100)의 일부가 아니다. 그러나, 공작물(101)은 기기(100)의 일부일 수도 있고 아닐 수도 있는 기계가공 면 상에 위치될 수 있다. 어느 경우이든, 기기(100)는 기계가공면에 배치된 공작물(101)을 기계가공할 수 있도록 배열될 수 있다. 기기(100)는 또한 최대 3차원으로 가공면의 이동을 제어할 수 있다.
기기(100)는 기계가공 유닛(103), 감지 유닛(107) 및 신호 처리 유닛(109)을 포함한다. 기기(100)의 이들 유닛(103, 107 및 109)은 바람직하게는 기기(100)에 모두 집적된다. 즉, 바람직하게는 기기(100)의 하우징 또는 인클로저 내에 배치된다. 기기(100)는 또한 동일한 하우징 또는 인클로저 내에 배치된 추가 유닛을 포함할 수 있다.
기계가공 유닛(103)은 공작물(101) 상에 가압 유체 제트(104)를 제공하고, 레이저 빔(102)을 유체 제트(104)에 결합시키도록 구성된다. 특히, 레이저 빔(102)은 적어도 하나의 광학소자(105)에 의해 유체 제트(104)에 결합된다. 이 적어도 하나의 광학소자(105)는 예를 들어 하나 이상의 렌즈, 렌즈 어셈블리, 광가이드 광학장치, 빔 스플리터, 미러, 필터 또는 편광기를 포함할 수 있다. 레이저 빔(102)은 원칙적으로 광섬유에 가이드되는 것과 같이 바람직하게는 얇은(즉, μm 범위의 직경을 갖는) 유체 제트(104)에 의해 가이드된다. 레이저 빔(102)은 예를 들어 펄스 레이저 빔(102)이고 공작물(101)을 향하고 공작물로 보내지며, 따라서 공작물(101)를 정밀하게 기계가공하는데 사용될 수 있는 반면, 유체 제트(104)는 공작물(101)을 지속적으로 냉각시키고 가능하게는 잔해를 제거한다. 예를 들어, 기기(100)는 구체적으로 공작물(101)을 정확하게 절단 또는 성형하도록 구성될 수 있다.
레이저 빔(102)은 레이저에 의해 제공되며, 레이저는 기기의 일부일 수 있거나 외부에 있을 수 있지만 레이저 빔(102)을 기기(100)의 레이저 공급 포트에 결합시킨다. 레이저 빔(102)은 가시광일 수 있고, 바람직하게는 녹색 스펙트럼이다. 예를 들어, 레이저 빔(102)은 532nm의 파장을 가질 수 있다.
감지 유닛(107)은 레이저-유도 전자기 복사(106), 즉 공작물(101)이 레이저 빔(102)으로 기계가공될 때 발생하는 전자기 복사를 수신하도록 구성된다. 따라서, 레이저-유도 전자기 복사(106)를 "프로세스 복사(process emission)"라 할 수 있다. 감지 유닛(107)은 유체 제트(104)를 통해 그리고 적어도 하나의 광학소자를 통해 공작물(101)로부터 멀리 전파되는 레이저-유도 전자기 복사(106)를 수신할 수 있고 따라서 감지할 수 있도록 배열된다. 따라서, 역전파 프로세스 복사(106)가 유체 제트(104) 내에 가이드되고 유체 제트(104)에 의해 감지 유닛(107)에 도달할 수 있다. 감지 유닛(107)이 프로세스 복사(106)를 수용할 수 있는 적어도 하나의 광학소자는 레이저 빔(102)을 유체 제트(104)에 결합시키는 데 사용되는 적어도 하나의 광학소자(105)일 수 있다. 이는 도 1에 예시적으로 도시되어 있다.
감지 유닛(107)은 또한 수신된 레이저-유도 전자기 복사(106)를 신호(108)로 변환하도록 구성되며, 예를 들어, 출력 신호로서 광전류를 제공한다. 따라서, 감지 유닛(107)은 예를 들어 광검출기일 수 있지만, 적어도 관심있는 전자기 복사를 전기 신호로 변환할 수 있는 임의의 다른 장치 또는 광센서일 수 있다. 신호(108)는 추가 분석 및/또는 처리를 위해 신호 처리 유닛(109)에 제공된다.
신호 처리 유닛(109)은 예를 들어 마이크로 프로세서 또는 컴퓨터에 의해 실현되고, 특히 감지 유닛(107)으로부터 수신한 신호(108)에 기초하여 공작물(101)을 가공하는 상태를 결정하도록 구성된다. 특히, 신호 처리 유닛(109)은 레이저 빔(102)이 공작물(101)을 뚫었는지의 여부를 공작물(101)의 기계가공 상태로서 결정하도록 구성된다. 다시 말해서, 레이저 빔(102)이 공작물(101)을 뚫었다는 것과 뚫었을 때를 결정할 수 있다. 이를 위해, 신호 처리 유닛(109)은 신호(108)에 대한 신호 처리를 적용할 수 있다. 신호 처리는 예를 들어 스케일링, 평균, 시간에 따른 기록, 시간에 따른 적분, 또는 신호(108) 변환을 포함할 수 있고, 신호(108) 또는 적분 신호를 하나 이상의 기준 신호와 비교하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리 유닛(109)은 복수의 신호(108)를 기록하고, 기록된 신호(108)를 미리 저장된 기준 신호와 비교하도록 구성될 수 있다. 신호 처리 유닛(109)은 대안으로 또는 추가로 시간에 따라 복수의 신호(108)를 적분하여 적분 신호를 생성하고, 상기 적분 신호에서 패턴 또는 패턴의 변화를 평가하도록 구성될 수 있다. 복수의 신호(108)는 각각의 경우에 레이저 빔(102)이 펄스 레이저 빔인 경우 감지 유닛(107)에 의해 감지된 레이저 펄스 유도 전자기 복사(106)로부터 발생할 수 있다.
그 후, 신호 처리 유닛(109)은 유사하거나 일치하는 기준 신호(제 1 경우) 또는 패턴 또는 패턴의 변화(제 2 경우)에 기초하여 공작물(101)을 기계가공하는 상태를 결정하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 신호 처리 유닛(109)은 바람직하게 감지 유닛(107)이 적어도 10Hz 보다 바람직하게는 적어도 15Hz로 작동되기 때문에 0.5s 미만, 바람직하게는 0.2s 미만, 더욱 바람직하게는 0.1s 미만의 시간 분해능을 제공한다.
도 2는 도 1에 도시된 기기(100) 상에 구축된 본 발명의 실시예에 따른 기기(200)를 도시한 것이다. 도 2 및 도 1의 동일한 요소는 동일한 참조 부호가 붙어 있으며 기능도 동일한다. 따라서, 도 2의 기기(200)는 가압 유체 제트(104)를 공작물(101)에 제공하고 레이저 빔(102)을 유체 제트(104)에 결합시키도록 구성된 기계가공 유닛(103)을 포함한다. 또한, 이는 유체 제트(104)를 통해 그리고 기계가공 유닛(103)을 통해, 바람직하게는 적어도 하나의 광학소자(105)를 통해, 역전파 레이저 유도 전자기 복사(106)를 수신하고 이를 신호(108)로 변환하도록 구성된 감지 유닛(107)을 포함한다. 신호 처리 유닛(109)(여기서는 "디지털 신호 처리 유닛 + IPC", 즉, 신호 처리 유닛(109)은 또한 프로세스 간 통신(IPC)을 제공할 수 있음)은 상기 신호(108)에 기초하여 공작물(101)의 기계가공 상태를 결정하도록 다시 구성될 수 있다. 도 2는 기기(200)의 바람직한 전체 레이아웃에 대한 추가 세부 사항을 추가로 도시한 것이다. 그런 후 도 2의 기기(200)는 특히 여러 주변 장치를 포함한다.
기기(200)는 레이저 소스(221) 및 레이저 소스(221)를 제어하기 위한 레이저 제어기(207)를 포함할 수 있다. 레이저 소스(221)는 레이저 빔(102)에 레이저 광을 공급(204)하도록 구성된다. 레이저 소스(221)는 또한 기기(200)에 포함되지 않고 레이저 광을 기기(200)의 레이저 공급 포트에 공급하기 위한 외부 장치일 수 있다. 기기(200)에서, 레이저 빔(102)은 바람직하게는 빔 스플리터이며 기계가공 유닛(103)과 감지 유닛(103) 사이 광경로에 배열된 기기(200)의 광학 유닛(201)에 의해 기계가공 유닛(103)으로 지향되는 것이 바람직하다. 기계가공 유닛(103)에서, 레이저 빔(102)은 유체 제트(104) 내로 결합된다. 특히, 역전파 레이저 유도 전자기 복사(106)는 바람직하게는 이 광학 유닛(201)을 통과하나, 감지 유닛(107)을 향해 지향된다.
기기(200)는 또한 바람직하게는 분광 유닛(202)을 포함하고, 상기 분리 유닛은 감지 유닛(107) 상에 레이저 유도 전자기 복사(106)를 포함하는 관심있는 전자기 복사(203)만을 분리하도록 구성된다. 분광 유닛(202)은 바람직하게는 유체 제트(104)를 통해 그리고 적어도 하나의 광학소자(105)를 통해 공작물(101)로부터 멀리 이동하는 레이저-유도 전자기 복사(106)를 수신할 수 있고, 수신된 레이저-유도 전자기 복사(106)의 적어도 일부를 포함하는 관심 복사(203)를 감지 유닛(107) 상으로 출력할 수 있도록 기계 기계가공 유닛(103) 및 감지 유닛(107) 사이 광경로에 배열된다. 분광 유닛(202)은 하나 이상의 광학 필터들로 구성될 수 있고 원하지 않는 전자기 복사를 필터하도록, 즉, 소정의(원하지 않는) 파장의 전자기 복사가 감지 유닛(107)에 도달하는 것을 방지하도록 구성된 광학 필터 유닛일 수 있다. 관심있는 전자기 복사(203)는 특히 레이저-유도 전자기 복사(106)만일 수 있고, 우발적으로 분광 유닛(202)에 도달하는(분광 유닛(202) 없이 감지 유닛(107)에 도달할 수 있는) 다른 전자기 복사는 필터링된다. 관심있는 전자기 복사(203)는 또한 분광 유닛(202)에 도달하고(분광 유닛(202)없이 감지 유닛(107)에 도달할 수 있는) 레이저 유도 전자기 복사(106)의 일부일 수 있으며, 관심 없는 레이저-유도 전자기 복사는 필터링된다. 레이저-유도 전자기 복사가 2차 복사이거나 2차 복사를 포함하는 경우, 분광 유닛(202)은 레이저 광이 감지 유닛(107)에 도달하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 즉, 분광 유닛(202)은 레이저 소스(221)에 의해 제공되는 파장과 동일한 파장의 광을 필터링하도록 구성될 수 있다. 보다 상세하게, 본 발명에 의해 예상되는 3가지 메커니즘이 있으며, 이 메커니즘은 공작물(101)을 기계가공하는 상태의 정확한 지문을 제공할 수 있는 관심 레이저 유도 전자기 복사(106)를 생성한다.
먼저, 레이저-유도 전자기 복사(106)는 레이저 빔(102)으로 기계가공된 공작물(101)의 일부로부터 방출되는 2차 복사(206a)이거나 2차 복사를 포함할 수 있다. 공작물(101)의 기계가공된 표면부는 예를 들어 레이저 빔(102)에 의해 플라즈마로 변환될 수 있고, 이 플라즈마는 2차 복사(206a)의 소스이다. 전형적으로, 이 2차 복사(206a)는 황색 및/또는 주황색 스펙트럼에서 나온 것이다. 따라서, 분광 유닛(202)은 이 경우에 황색 및/또는 주황색 스펙트럼으로부터의 광이 감지 유닛(107)에 도달하도록 허용하는 반면, 스펙트럼의 다른 부분에서 나온 광을 차단하고, 특히 녹색 스펙트럼에서 나온 레이저 광을 차단하도록 구성된다. 따라서, 관심 복사(203)는 2차 복사(206a)만을 포함할 수 있다. 이 경우, 감지 유닛(107)은 특히 황색 및/또는 주황색 스펙트럼에 민감하도록 구성될 수 있다.
둘째, 레이저-유도 전자기 복사(106)는 공작물(101), 특히 공작물 표면으로부터 반사된 1차 레이저 복사(206b)이거나 1차 레이저 복사를 포함할 수 있다. 레이저 광은 바람직하게는 녹색 스펙트럼에서 나온 것이기 때문에, 분광 유닛(202)은이 경우 녹색 스펙트럼으로부터의 광이 감지 유닛(107)에 도달하도록 허용하는 반면, 스펙트럼의 다른 부분으로부터의 광을 차단하도록 구성될 수 있다. 따라서, 관심 복사(203)는 2차 복사(206b)만을 포함할 수 있다. 이 경우, 감지 유닛(107)은 특히 녹색 스펙트럼에 민감하도록 구성될 수 있다.
셋째로, 레이저-유도 전자기 복사(106)는 유체 제트(104)에서 레이저 빔(102)의 산란에 의해 생성된 2차 복사(206c)이거나 2차 복사를 포함할 수 있다. 특히, 이 2차 복사(206c)는 레이저 빔(102)의 라만 산란에 의해 야기될 수 있다. 이 2차 복사(206c)는 적색 스펙트럼에서 나온 것이다. 따라서, 분광 유닛(202)은 이 경우에 적색 스펙트럼으로부터의 광이 감지 유닛(107)에 도달하도록 허용하는 반면, 스펙트럼의 다른 부분, 특히 녹색 스펙트럼에서 나온 레이저 광을 차단하도록 구성될 수 있다. 따라서, 관심 복사(203)는 2차 복사(206c)만을 포함할 수 있다. 이 경우, 감지 유닛(107)은 적색 스펙트럼에 특히 민감하도록 구성될 수 있다.
특히, 2차 복사(206a) 및 레이저 반사(206b) 모두는 공작물(101), 특히 기계가공된 공작물 표면부로부터 유래하는 반면, 2차 복사(206c)는 유체 제트(104), 특히 유체 제트(104)를 따른 하나 이상의 여러 위치에서 유래한다.
기기(200)는 다수의 주변 장치를 더 포함할 수 있고, 신호 처리 유닛(109)은 바람직하게는 공작물(101)을 기계가공하는 결정된 상태에 기초하여 명령 신호를 하나 이상의 주변 장치에 제공하도록 구성된다. 이런 식으로, 신호 처리 유닛(109)은 결정된 상태에 따라 주변 장치를 제어할 수 있고, 예를 들어 이들 주변 장치가 각각의 동작을 시작, 중단, 정지 및/또는 재개하도록 지시할 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 기기(200)는 주변 장치로서 레이저 제어기(207), 유체 공급 제어기(여기서는 유체 펌프와 선택적으로 통합됨)(205), 가스 공급 제어기(223)(여기서는 "보호 가스 제어기"), 공작물(101)이 놓이는 또는 대안으로 공작물(101) 자체인 기계가공 표면을 수직 X, Y 및 Z 방향으로 및/또는 회전 a, b, c 방향으로 이동하도록 구성될 수 있는 이동축 제어기(208)(여기서는 "컴퓨터 수치 제어(CNC)"))를 포함한다.
신호 처리 유닛(109)은 각각의 명령 신호를 상이한 주변 장치에 제공하도록 구성된다. 바람직하게, 신호 처리 유닛(109)은 신호(217)를 통해 레이저 제어기(207), 신호(214)를 통해 유체 공급 제어기(205), 신호(216)를 통해 가스 공급 제어기(223) 및 신호(213)를 통해 이동축 제어기(208)를 제어할 수 있다. 신호 처리 유닛(109)은 바람직하게는 전혀 외부 입력없이, 그러나 신호(108) 및 공작물(101)의 기계가공 결정된 상태에만 기초하여 주변 장치를 서로 독립적으로 제어한다. 그럼에도 불구하고, 기기(200)는 신호(212)를 통해 신호 처리 유닛(109)에 추가적인 명령을 제공하기 위해 휴먼/스크립트 입력(204)을 수신할 수 있는 인간 기계 인터페이스(210)를 포함할 수 있다.
결정된 공작물(101)의 기계가공 상태에 기초하여 신호 처리 유닛(109)에 의해 제공된 명령에 따라, 주변 장치는 지시된 동작을 취할 수 있다. 예를 들어, 레이저 제어기(207)는 레이저 빔(102)에 대한 레이저 광의 공급을 시작, 일시 정지 또는 중지할 수 있다. 유체 공급 제어기(205)는 바람직하게는 물인 유체를 기계가공 유닛(103)에 공급(222)을 시작, 중단 또는 정지시키기 위해 유체 압력 제어 밸브(215)를 제어할 수 있다. 가스 공급 제어기(223)는 바람직하게는 헬륨인 가스를 기계가공 유닛(103)으로 공급(219)을 시작, 중단 또는 정지시키기 위해 보호 가스 제어 밸브(211)를 제어할 수 있다. 이동축 제어기(208)는 공작물(101)의 특정 운동을 제공할 수 있다. 즉, 공작물(101)이 배치되는 기계가공 면을 제어할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 기기(100) 도 2에 도시된 기기(200) 상에 구축된 본 발명의 실시예에 따른 기기(300)를 도시한 것이다. 도 3 및 도 1 및/또는 도 2의 동일한 요소는 도 2에 동일한 참조 부호가 붙어 있고 동일한 기능을 한다. 특히, 도 3은 특히 기계가공 유닛(103)에 제공된 바와 같이 기기(300)의 광학 배열 및 유체 회로에 대한 더 상세한 내용을 도시한 것이다. 기계가공 유닛(103)은 특히 레이저 빔(102)을 유체 제트(104)에 결합시키기 위한 렌즈(305)를 포함할 수 있다. 전파된 레이저-유도 전자기 복사(106)는 바람직하게는 이 렌즈(305)를 통해 유체 제트(104)를 거친 다음 감지 유닛(107)을 향해 전달된다. 이에 의해, 복사(106)는 바람직하게는 광학 유닛(201)을 통해 렌즈(305)로부터 분광 유닛(202)으로 이동되고, 감지 유닛(107)에 복사(106)의 적어도 일부를 포함하는 관심 복사(203)로서 더 제공된다.
기계가공 유닛(103)은 또한 광학 장치, 여기서는 예를 들어 렌즈(305)를 유체 회로 및 유체 제트(104)가 생성되는 기계가공 유닛(103)의 영역으로부터 분리하기 위해 광학적으로 투명한 보호 윈도우(301)를 포함할 수 있다. 유체 제트(104)를 생성하기 위해, 기계가공 유닛(103)은 유체 노즐(302)을 포함하는 것이 바람직하다. 이 유체 노즐(302)에는 유체 공급부(222)를 통해 유체가 제공되며, 이는 기기(300)의 하우징 또는 인클로저를 통한 채널로서 구현될 수 있다. 이를 위해, 유체 노즐(302)은 유체 제트(104)의 폭을 정의하는 유체 개구를 포함한다. 개구는 바람직하게는 10-200㎛의 직경을 가지며, 유체 제트(104)는 유체 개구보다 바람직하게는 약 0.6-1배의 직경을 갖는다. 가압 유체 제트(104)에 대한 압력은 유체 공급부(222)를 통해 제공된다. 바람직하기로, 압력은 50-800 bar이다.
또한 도 3에 볼 수 있는 바와 같이, 보호 가스, 바람직하게는 헬륨이 가스 공급부(219)를 통해 기계가공 유닛(103) 내로, 특히 기계가공 유닛(103) 내에 제공된 공간으로 공급될 수 있으며, 이를 통해 생성된 유체 제트(104)가 유체 노즐(302)을 떠난 후 통과한다. 여기서, 유체 제트(104)가 하부 출구 개구를 통해 기계 기계가공 유닛(103)을 빠져 나가기 전에 보호 가스가 유체 제트(104)를 둘러쌀 수 있고, 이어서 공작물(101)을 향해 그리고 공작물 상에 더 이동한다.
도 3에 도시된 기기(300)는 또한 바람직하게는 분광 유닛(202)과 감지 유닛(107) 사이의 광경로에 그리고 감지 유닛(107) 상에 광을 지향시키기 위해 배열된다. 특히, 렌즈(305)를 통해 유체 제트(104)를 거쳐 전파된 레이저 유도 전자기 복사(106)는 바람직하게는 광학 유닛(201)과 그런 후 광분리 유닛(202)을 통과하고, 나머지 필터링된 관심있는 전자기 복사(203)는 포커싱 광학기(300)에 의해 감지 유닛(107)에, 특히 감지 유닛(107)의 광민감 영역에 집속된다. 포커싱 광학기(300)는 바람직하게는 적어도 하나의 렌즈를 포함하거나 적어도 하나의 렌즈일 수 있지만, 포물선 미러와 같은 다른 광학소자를 포함하거나 또한 다른 광학소자일 수 있다. 감지 유닛(107)은 신호 처리 유닛(109)((여기서 미도시)에 의한 추가 분석 및/또는 처리를 위해 관심있는 수신된 필터링된 복사(203)를 신호(108)로 변환하도록 구성된다.
도 3은 또한 기기(300)의 상술한 요소들이 인클로저 내에, 특히 광학 헤드(303) 내에 제공될 수 있음을 도시한 것이다. 즉, 기기(300)는 기계가공 유닛(103) 및 감지 유닛(107)을 포함할 수 있는 광학 헤드(303)를 더 포함할 수 있다. 광학 헤드(303)는 또한 광학 유닛(201), 분광 유닛(202) 및/또는 포커싱 광학기(300)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법(400)을 도시한 것이다. 방법(400)은 가압 유체 제트(104)를 공작물(101) 상에 제공하고 적어도 하나의 광학소자(105)를 통해 유체 제트(104) 내로 공작물(101)을 향해 레이저 빔(102)을 결합시키는 단계(401)를 포함한다. 또한, 방법(400)은 유체 제트(104)를 통해 그리고 적어도 하나의 광학소자, 바람직하게는 레이저 빔(102)을 유체 제트(104)에 결합시키기 위해 사용되는 적어도 하나의 광학소자(105)를 통해 공작물(101)로부터 멀리 전파되는 레이저-유도 전자기 복사(106)를 수신하는 단계(402)를 포함한다. 또한, 방법(400)은 수신된 복사를 신호(108)로 변환하는 단계(403)를 포함한다. 마지막으로, 방법(400)은 신호(108)에 기초하여 공작물을 가공하는 상태를 결정하는 단계(404)를 포함한다.
방법(400)은 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 기기(100, 200 또는 300)에 의해 각각 수행될 수 있다. 특히, 단계(401)는 기계가공 유닛(103)에 의해, 단계(402 및 403)는 감지 유닛(107)에 의해, 그리고 단계(404)는 신호 처리 유닛(109)에 의해 수행될 수 있다.
방법(400)은 특히 다수 신호들(108)의 자동화된 시간 기록을 포함할 수 있으며, 각 신호(108)는 복수의 레이저 펄스들 중 하나에 의해 야기될 수 있다. 즉, 레이저 빔(102)은 펄스 레이저 빔이다. 레이저 펄스는 규칙적으로 제공될 수 있으며 ns 크기일 수 있다. 각각의 신호(108)는 단일 숫자값 또는 시간의 함수로서 연속 값들로 표현될 수 있다. 다수의 획득된 신호들(108)은 또한 적분 신호를 생성하기 위해 시간에 걸쳐 적분될 수 있다. 방법(400)은 획득된 신호(108)와 기준 신호와의 자동화된 비교를 더 포함할 수 있으며, 이는 기준 스토리지로부터, 가령, 신호 처리 유닛(109)의 메모리로부터 판독된다. 그런 후, 방법(400)은 획득된 신호들(108) 또는 적분 신호에서 패턴 또는 패턴의 변화를 평가하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 패턴 또는 패턴의 변화에 기초하여 공작물(101)의 기계가공 상태를 결정할 수 있다. 선택적으로, 방법(400)은 명령 신호 또는 명령 코드의 자동 생성 및 하나 이상의 주변 장치로의 후속 전송을 포함하여, 이들 주변 장치가 각자의 동작을 시작, 중단, 정지 또는 재개할 수 있다.
도 5는 공작물(101)의 기계가공 상태를 결정하기 위해 방법(400)에서(또는 장치(100, 200, 300)의 신호 처리 유닛(109)에 의해) 바람직하게 사용되는 2개의 특정 신호 패턴(500a 및 500b)을 개략적으로 도시한 것이다.
특히, 레이저-유도 전자기 복사(106)가 레이저 빔(102)으로 기계가공된 공작물(101)의 일부로부터 방출된 상술한 2차 복사(206a)이거나 2차 복사를 포함하는 경우, 좌측 신호 패턴(500a)이 바람직하게 사용된다. 신호 패턴(500a)은 신호(108) 또는 적분 신호가 공작물(101)의 기계가공을 "시작"한 후 "공정 중" 시간 구간에서 먼저 증가한 후 "공정 중" 시간 구간 이후에 다시 감소할 때 레이저 빔이 공작물(101)을 뚫었음을 나타낸다. 신호(108) 또는 적분 신호가 결정된 임계치 미만으로 떨어지면, 프로세스의 "완료"에 도달한다. 즉, 레이저 빔이 공작물(101)을 뚫었다고 결정할 수 있다.
마찬가지로, 레이저 유도 전자기 복사(106)가 공작물(101)로부터 반사된 1차 레이저 복사(206b)이거나 1차 레이저 복사를 포함하는 경우, 우측 신호 패턴(500b)이 바람직하게 사용된다. 신호 패턴(500b)은 신호(108) 또는 적분 신호가 공작물(101)의 기계가공을 "시작"한 후 "공정 중" 시간 구간에서 먼저 감소한 후, "공정 중" 시간 구간으로부터 다시 증가할 때 레이저 빔이 공작물(101)을 뚫었음을 나타낸다. 신호(108) 또는 적분 신호가 결정된 임계치 이상으로 상승하면, "종료"에 도달한다. 즉, 레이저 빔이 공작물(101)을 뚫었다.
도 6은 도 2에 도시된 기기(200) 상에 구축된 본 발명의 실시예에 따른 기기(200)를 도시한 것이다. 도 2 및 도 6의 동일한 요소는 동일한 참조 부호를 붙이고 동일한 기능을 한다.
도 6은 특히 기기(200)가 인클로저, 특히 기계가공 유닛(103) 및 감지 유닛(107)을 포함할 수 있는 광학 헤드(600)를 더 포함할 수 있음을 도시한 것이다. 광학 헤드(600)는 결과적으로 광학 유닛(201) 및 분광 유닛(202)을 또한 포함할 수 있다. 도 2와 관련하여 이미 설명된 바와 같이, 레이저 빔(102)에 대한 레이저 광은 예를 들어 레이저 유닛(601)이 기기(200)의 일부가 아닌 경우 광섬유를 통해 그리고 (레이저 소스(201) 및/또는 레이저 제어기(207)를 포함하는) 레이저 유닛(601)에 의해 기기(200)의 레이저 공급 포트에 또는 광학 헤드(600)에, 가령, (레이저 유닛(601)이 기기(200)의 일부인 경우) 광학 헤드(600)의 레이저 공급 포트에 제공될 수 있다(204).
도 7은 도 1에 도시된 기기(100)를 기반으로 하는 본 발명의 실시예에 따른 기기(700)를 도시한 것으로 도 2 및 도 6의 기기(200)와 공통인 요소들을 갖는다. 도 7 및 도 1, 도 2 및/또는 도6에서 동일한 요소는 동일한 참조 부호로 표시되고 동일한 기능을 한다.
도 7의 기기(700)는 도 6에 도시된 기기(200)와 다른 구성을 갖는다. 특히, 기기(700)는 기계가공 유닛(103)을 포함하는 광학 헤드(701)를 포함한다. 그러나, 광학 헤드(701)는 감지 유닛(107)을 포함하지 않는다. 감지 유닛(107)은 레이저 유닛(703)(레이저 소스(221) 및/또는 레이저 컨트롤러(207) 포함)에 제공된다. 특히, 레이저 유닛(703)은 레이저 소스(221)에 제공되는 레이저 제어기(207)에 의해 형성될 수 있거나 그 반대도 마찬가지다. 레이저 유닛(703)은 기기(700)의 일부이다. 광학 헤드(701)의 기계가공 유닛(103)은 레이저 빔(102)을 유체 제트(104)에 결합 시키도록 구성된다. 레이저 유닛(703)의 감지 유닛(107)은 레이저 유도 전자기 복사(106)(예를 들어, 레이저 빔(102)으로 기계가공된 공작물(101)의 일부로부터 방출된 2차 복사(206a) 또는 공작물(101)로부터 반사된 1차 레이저 복사(206b) 또는 유체 제트(104)에서 레이저 빔(102)의 산란에 의해 생성된 2차 복사(206c))를 수용하도록 구성된다.
기기(700)는 또한 광학 헤드(701)와 레이저 유닛(703)을 광학적으로 연결하는 광학 연결 소자(702), 특히 광섬유(702)를 포함한다. 레이저 유닛(703)은 광학 연결 소자(702)를 통해 광학 헤드(701)에, 예를 들어, 레이저 광을 유체 제트(104)에 결합시키는 기계가공 유닛(103)에 추가로 제공되는 광학 헤드(701)의 공급 포트에 전송되는 레이저 빔(102)에 레이저 광을 제공하도록 구성된다. 레이저 유도 전자기 복사(106)는 기계가공 유닛(103)에 의해 유체 제트(104)를 통해 수용되고 광학 헤드(701)를 통해 그리고 광학 연결 소자(702)를 통해 레이저 유닛(703)에, 예를 들어, 레이저 유닛(703)의 공급 포트에 추가로 제공되며, 여기서 신호(108)로 변환시키는 감지 유닛(107)에 더 제공된다.
따라서, 레이저 유닛(703)은 바람직하게는 빔 스플리터이고 바람직하게는 레이저 소스(221)로부터 광학 연결 소자(702)로 레이저 빔(102)에 레이저 광을 제공하기 위해 레이저 소스(222)와 광학 연결 소자(702) 사이의 광경로에 배치되는 광학 유닛(201)을 또한 포함할 수 있다. 또한, 후방-전파 레이저-유도 전자기 복사(106)는 이 광학 유닛(201)을 통과할 수 있으나, 감지 유닛(107)을 향해 지향된다. 레이저 유닛(703)은 또한 감지 유닛(107) 상에 레이저 유도 전자기 복사(106)를 포함하는 관심 전자기 복사(203)만을 분리하도록 구성된 분광 유닛(202)를 포함할 수 있다. 분광 유닛(202)은 바람직하게는 광학 유닛(201)과 감지 유닛(107) 사이의 광경로에 배치되어, 광학 유닛(201)으로부터 레이저-유도 전자기 복사(106)를 수신하고 관심 복사(203)를 감지 유닛(107)에 제공하게 한다.
요약하면, 본 발명은 유체 제트(104)에 연결된 레이저 빔(102)으로 공작물(101)을 가공할 수 있는 기기(100, 200, 300 및 700) 및 방법(400)을 제공하며, 기계가공 프로세스 상태의 정확한 결정으로 인해, 기계가공 공정 시간을 크게 줄일 수 있다.
본 발명은 구현 형태뿐만 아니라 다양한 실시예와 결부하여 설명되었다. 그러나, 다른 변형도 도면, 명세서 및 독립 청구항의 연구로부터 당업자에 의해 이해되고 청구된 발명을 실시할 수 있다. 청구 범위 및 명세서에서, "포함하는"이라는 용어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 단일 요소 또는 다른 유닛은 청구범위에 인용된 여러 엔티티 또는 항목의 기능을 수행할 수 있다. 특정 수단들이 서로 다른 종속 항들에서 인용된다는 사실은 이러한 수단들의 조합이 유리한 구현에 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.

Claims (18)

  1. 레이저 빔(102)으로 공작물(101)을 기계가공하기 위한 기기(100, 200, 300, 700)로서, 상기 기기(100, 200, 300, 700)는:
    공작물(101)에 가압 유체 제트(104)를 제공하고 적어도 하나의 광학소자(105)를 통해 레이저 빔(102)을 공작물(101)을 향한 유체 제트(104) 내에 결합하도록 구성된 기계가공 유닛(103);
    유체 제트(104)를 통해 그리고 적어도 하나의 광학소자를 통해 공작물(101)로부터 멀리 전파되는 레이저 유도 전자기 복사(106)를 수신하도록 배열되고, 수신된 복사(106)를 신호(108)로 변환하도록 구성된 감지 유닛(107); 및
    신호(108)에 기초하여 공작물(101)을 가공하는 상태를 결정하도록 구성된 신호 처리 유닛(109)을 포함하고,
    레이저 빔(102)은 펄스 레이저 빔이며,
    감지 유닛(107)은 수신된 복사를 각각의 레이저 펄스에 대한 신호(108)로 변환하고;
    신호 처리 유닛(109)은 적분 신호를 생성하기 위해 시간에 걸쳐 복수의 신호(108)를 통합하고, 패턴(500a, 500b) 또는 적분된 신호의 패턴(500a, 500b) 변화에 기초하여 공작물(101)을 기계가공하는 상태를 결정하도록 구성되는 기기(100, 200, 300, 700).
  2. 제 1 항에 있어서,
    신호 처리 유닛(109)은 공작물(101)을 가공하는 상태로서 레이저 빔(102)이 공작물(101)을 뚫었는지를 결정하도록 구성되는 기기(100, 200, 300, 700).
  3. 제 1 항에 있어서,
    감지 유닛(107)이 레이저 빔(102)을 유체 제트(104)에 결합시키도록 구성된 적어도 하나의 광학소자(105)를 통해 유체 제트(104)를 통과해 전파되는 레이저 유도 전자기 복사(106)를 수신하도록 배열된 기기(100, 200, 300, 700).
  4. 제 1 항에 있어서,
    기계가공 유닛(103)을 포함하는 광학 헤드(701); 및
    감지 유닛(107)을 포함하는 레이저 유닛(703)을 포함하는 기기(700).
  5. 제 4 항에 있어서,
    광학 헤드(701)와 레이저 유닛(703)을 광학적으로 연결하기 위한 광학 연결 소자(702)를 더 포함하고,
    상기 광학 헤드(701)의 기계가공 유닛(103)은 광학 연결 소자(702)를 통해 레이저 빔(102)을 수신하도록 구성되고,
    레이저 유닛(703)의 감지 유닛(107)은 광학 연결 소자(702)를 통해 레이저-유도 전자기 복사(106)를 수신하도록 구성되는 기기(700).
  6. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 광학소자(105)는 레이저 빔(102)을 유체 제트(104) 내에 결합하기 위한 렌즈(305)를 포함하고,
    감지 유닛(107)은 상기 렌즈(305)를 통해 역전파 레이저 유도 전자기 복사(106)를 수신하도록 배열된 기기(300).
  7. 제 1 항에 있어서,
    감지 유닛(107)상에 레이저-유도 전자기 복사(106)의 적어도 일부를 포함하는 관심 전자기 복사(203)만을 분리하거나 초기 레이저 광(102)이 감지 유닛(107)에 도달하는 것을 방지하도록 구성된 분광 유닛(202)을 포함하는 기기(200, 300, 700).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저-유도 전자기 복사(106)는 레이저 빔(102)으로 기계가공된 공작물(101)의 일부로부터 방출된 2차 복사(206a)을 포함하는 기기(100, 200, 300, 700).
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저-유도 전자기 복사(106)는 공작물(101)로부터 반사되는 1차 레이저 복사(206b)를 포함하는 기기(100, 200, 300, 700).
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저-유도 전자기 복사(106)는 유체 제트(104)에서 레이저 빔(102)의 산란에 의해 생성된 2차 복사(206c)를 포함하는 기기(100, 200, 300, 700).
  11. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    신호 처리 유닛(109)은 0.5초 미만의 시간 분해능으로 신호(108)를 처리하도록 구성되는 기기(100, 200, 300, 700).
  12. 삭제
  13. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 주변 장치(207, 205, 223, 208)를 더 포함하고,
    상기 신호 처리 유닛(109)은 주변 장치(207, 205, 223, 208)의 동작을 시작, 중단, 정지 또는 재개하기 위해 상기 적어도 하나의 주변 장치(207, 205, 223, 208)에 공작물을 가공하는 결정된 상태(101)를 기초로 명령 신호(217, 214, 216, 213)를 제공하도록 구성된 기기(200, 300, 700).
  14. 레이저 빔(102)으로 공작물(101)을 가공하는 방법(400)으로서,
    공작물(101)에 가압 유체 제트(104)를 제공하고(401) 하나 이상의 광학소자(105)를 통해 레이저 빔(102)을 공작물(101)을 향해 유체 제트(104) 내에 결합시키는 단계;
    유체 제트(104) 및 적어도 하나의 광학소자를 통해 공작물(101)로부터 멀리 전파되는 레이저-유도 전자기 복사(106)를 수신하고(402) 수신된 복사(106)를 신호(108)로 변환하는 단계(403); 및
    상기 신호(108)에 기초하여 공작물(101)을 가공하는 상태를 결정하는 단계(404)를 포함하고,
    공작물(101)을 기계가공하는 상태를 결정하기(404) 위해,
    적분 신호를 생성하기 위해 시간에 따라 복수의 신호(108)를 적분하는 단계;
    상기 적분 신호에서 패턴(500a, 500b) 또는 패턴(500a, 500b)의 변화를 평가하는 단계; 및
    상기 패턴(500a, 500b) 또는 패턴(500a, 500b)의 변화에 기초하여 공작물(101)을 기계가공하는 상태를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법(400).
  15. 제 14 항에 있어서,
    공작물(101)을 기계가공하는 상태를 결정하기(404) 위해,
    복수의 신호를 기록하는 단계(108);
    기록된 신호(108)를 기설정된 기준 신호와 비교하는 단계; 및
    유사하거나 일치하는 기준 신호에 기초하여 공작물(101)의 기계가공 상태를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법(400).
  16. 삭제
  17. 제 14 항에 있어서,
    레이저-유도 전자기 복사(106)는 레이저 빔(102)으로 기계가공된 공작물(101)의 일부로부터 방출된 2차 복사(206a)를 포함하고,
    상기 방법(400)은, 공작물(101)을 기계가공하는 상태로서, 공작물(101)을 기계가공 시작한 후 증가된 단일 신호(108) 또는 적분 신호의 값이 결정된 임계치 아래로 다시 감소할 때, 레이저 빔(102)이 공작물(101)을 뚫은 것으로 결정하는 단계(404)를 포함하는 방법(400).
  18. 제 17 항에 있어서,
    레이저-유도 전자기 복사(106)는 공작물(101)로부터 반사된 1차 레이저 복사(206b)를 포함하고,
    상기 방법(400)은, 공작물(101)을 기계가공하는 상태로서, 공작물(101)을 기계가공 시작한 후 감소된 단일 신호(108) 또는 적분 신호의 값이 결정된 임계치 이상으로 다시 증가할 때, 레이저 빔(102)이 공작물(101)을 뚫은 것으로 결정하는 단계(404)를 포함하는 방법(400).
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