KR102656940B1 - 고속으로 드로잉되는 3차원 형상물을 레이저 커팅하는 방법 및 시스템 - Google Patents

고속으로 드로잉되는 3차원 형상물을 레이저 커팅하는 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 커팅 대상물이 이동하는 커팅물 이송부, 커팅 대상물에 레이저를 조사하는 레이저 조사부, 커팅 대상물의 이동 속도를 측정하는 속도 측정부, 레이저 조사부의 레이저 조사 작동을 제어하는 제어부를 포함하고, 레이저 조사부로부터의 레이저 광의 레이저 조사 스팟은, 3차원 공간 상에서 위치좌표를 이동 가능하도록 제어되는 레이저 커팅 방법 및 시스템에 관한 것이다.

Description

고속으로 드로잉되는 3차원 형상물을 레이저 커팅하는 방법 및 시스템{Method and system for laser cutting 3D shapes drawn at high speed}
본 발명은 고속으로 드로잉되는 3차원 형상물을 레이저 커팅하는 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 고속으로 드로잉되는 대상물을 단순히 2차원 평면상에서 커팅하는 것이 아니고 3차원 곡면을 따라 원하는 형태로 커팅할 수 있는 레이저 커팅 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 레이저 커팅장치는 레이저를 이용하여 각종 유리기판이나 금속, 비금속 판넬을 용도나 규격에 맞게 절단하는 장치이다. 레이저 커팅기는 기본 원리로서, 레이저를 이용하여 절단 기판을 연화점(softening point) 이하로 가열 후 냉각시켜 절단 기판 내부의 팽창/압축의 힘을 극대화하여 재료의 손실을 최소화하여 절단하는 방식이다. 레이저 커팅 방식은 그 편리성과 효율성으로 인해 산업 분야를 막론하고 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다.
레이저 커팅 장치는 커팅하고자 하는 표면과 레이저 광 조사장치 사이의 거리를 정확히 인식하고 커팅하고자 하는 표면에 정확히 레이저 광이 집속될 수 있도록 제어하는 것이 중요하다. 레이저 집속 지점이 커팅 목표 표면보다 조금만 높거나 낮아도 커팅 작업이 제대로 이루어지지 않기 때문이다. 이 때문에, 종래 대부분의 레이저 커팅 공정은 레이저의 집속 지점이 일정하게 유지될 수 있는 평면 상에서의 커팅 작업에 한하여 이루어져 왔다.
그런데, 평면이 아닌 3차원 곡면 상에서 커팅 작업이 필수적으로 필요한 공정도 존재한다. 예컨대, 원통형의 파이프를 커팅하는 작업에 있어서는, 원통형 파이프의 표면이 원형을 갖는 곡면 형상이기 때문에 커팅 지점의 높이가 연속적으로 변화한다는 문제점이 있다. 레이저 커팅 장치를 이용하여 이러한 형태의 파이프를 절단하기 위해서는, 파이프의 곡면 형상에 대응하도록 레이저의 집속 지점 역시 연속적으로 변화시키지 않을 수 없다.
또한, 파이프의 성형 방법 중에는 드로잉(drawing) 공정에 의해 파이프를 생산하는 공정이 있다. 해당 공정의 경우 드로잉으로 인해 지속적으로 뽑혀 나오는 파이프를 주기적으로 절단해줄 필요가 있다. 즉, 일 방향으로 고속으로 움직이는 3차원 곡면 형상의 물체에 대하여 절단 작업을 진행해야 한다. 이에 레이저 커팅 공정을 적용할 경우 3차원 곡면 형상에 대응하도록 지속적으로 레이저의 집속 지점을 변화시키는 것뿐만 아니라, 파이프가 지속적으로 이동 중이므로 원하는 지점을 커팅하기 위해서는 커팅 공정 중 파이프의 이동 방향으로 동일한 속도로 레이저의 집속 지점을 변화시키지 않을 수 없다.
한국 특허등록공보 제2583539호 한국 특허등록공보 제2510082호 한국 특허출원공개공보 제2023-0168121호 한국 특허등록공보 제2534417호
본 발명의 목적은, 3차원 곡면 형상을 갖는 물체에 대해서도 효율적으로 레이저 커팅 공정을 진행할 수 있는 레이저 커팅 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 고속으로 이동하는 물체에 대해서도 원하는 스팟에만 효율적으로 레이저 커팅 공정을 진행할 수 있는 레이저 커팅 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템은, 커팅 대상물이 이동하는 커팅물 이송부, 커팅 대상물에 레이저를 조사하는 레이저 조사부, 커팅 대상물의 이동 속도를 측정하는 속도 측정부, 레이저 조사부의 레이저 조사 작동을 제어하는 제어부를 포함하고, 레이저 조사부로부터의 레이저 광의 레이저 조사 스팟은, 3차원 공간 상에서 위치좌표를 이동 가능하도록 제어되고, 커팅 대상물이 이송되는 방향은 z축 방향으로 정의될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서, 속도 측정부는 3개의 접촉식 속도 측정부와 1개의 비접촉식 속도 측정부를 포함하고, 접촉식 속도 측정부는 커팅물 이송부에서 이송 중인 커팅 대상물에 접촉하는 롤러부를 포함하고, 롤러부의 회전속도로부터 커팅 대상물의 이송 속도를 측정하고, 비접촉식 속도 측정부는 커팅물 이송부에서 이송 중인 커팅 대상물에 레이저 광을 조사하여 그 반사광을 센싱함에 의해 커팅 대상물의 이송 속도를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서, 제어부는, 속도 측정부로부터 측정된 4개의 속도 데이터를 전달받고, 3개의 접촉식 속도 측정부로부터 측정된 속도 데이터의 평균값과, 비접촉식 속도 측정부로부터 측정된 속도 데이터를 합한 후 반으로 나누어 연산한 값을 커팅 대상물의 속도라고 정의하고, 사전에 사용자에 의해 입력된 커팅 대상물 절단 길이와 제어부가 연산한 커팅 대상물의 속도 데이터에 기초하여 레이저 조사부에 의한 레이저 조사 주기를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서, 레이저 조사부에 의한 레이저 조사 스팟의 위치를 조정하는 레이저 조사 스팟 조절부를 더 포함하고, 레이저 조사 스팟 조절부는, 적어도 하나 이상의 미러 장치를 포함하고, 미러 장치는 소정의 고정축을 중심으로 소정의 각도 범위 내에서 회전하며 레이저 조사부로부터의 레이저광이 도달하는 레이저 조사 스팟을 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서, 커팅 대상물은 원통형 파이프 형상이고, 커팅 대상물의 원통형 파이프의 중심축은 z축에 해당하고, 레이저 조사부는 4개의 레이저 조사 헤드를 포함하고, 4개의 레이저 조사 헤드는 z축을 중심으로 중심각 90°씩 균일하게 이격되어 배치되고, 제어부는, 커팅 대상물의 1회 커팅 과정에서, 레이저 조사부의 4개의 레이저 조사 헤드 각각으로부터의 레이저광이 도달하는 레이저 조사 스팟이 z축 방향으로 커팅 대상물의 이동속도와 동일한 속도로 이동할 수 있도록 레이저 조사 스팟 조절부의 미러 장치의 동작을 제어하고, 또한 동시에 레이저 조사 스팟이 커팅 대상물의 원통형 곡면의 원주방향을 따라 90°씩 이동하도록 레이저 조사 스팟 조절부의 미러 장치의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서, 제어부는 레이저 조사부의 위치좌표를 이동하며 레이저 조사 스팟을 조절하도록 제어하고, 또한 제어부가 연산한 커팅 대상물의 속도로 레이저 조사부를 z축 방향으로 이동하도록 제어하고, 커팅 대상물은 원통형 파이프 형상이고, 커팅 대상물의 원통형 파이프의 중심축은 z축에 해당하고, 레이저 조사부는 4개의 레이저 조사 헤드를 포함하고, 4개의 레이저 조사 헤드는 z축을 중심으로 중심각 90°씩 균일하게 이격되어 배치되고, 제어부는, 커팅 대상물의 1회 커팅 과정에서, 레이저 조사부의 4개의 레이저 조사 헤드 각각을 z축 방향으로 커팅 대상물의 이동속도와 동일한 속도로 이동시키면서, 레이저 조사 스팟이 커팅 대상물의 원통형 곡면의 원주방향을 따라 90°씩 이동하도록 레이저 조사 헤드의 x, y위치좌표를 제어하고, 1회 커팅 과정이 완료되면, 레이저 조사부의 4개의 레이저 조사 헤드 각각의 위치좌표를 원위치로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서, 레이저 조사부는, z축에 수직한 평면판으로 형성되고, 중심부에 커팅 대상물이 통과하는 제1 관통구를 갖는 베이스부, 베이스부 상에 베이스부와 평행하게 배치되는 원판으로 형성되고, 중심부에 커팅 대상물이 통과하는 제2 관통구를 가지며, z축을 중심으로 90°회전 가능하도록 구성된 회전판부, 그리고 회전판부에 연결되고 z축을 중심으로 90°의 일정한 중심각 간격을 갖도록 이격되어 배치되는 4개의 레이저 조사 헤드를 포함하고, 베이스부는, 제어부에 의해 z축을 따라 전후 방향으로 이동하도록 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 3차원 곡면 형상을 갖는 물체에 대해서도 효율적으로 레이저 커팅 공정을 진행할 수 있는 레이저 커팅 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고속으로 이동하는 물체에 대해서도 원하는 스팟에만 효율적으로 레이저 커팅 공정을 진행할 수 있는 레이저 커팅 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서 커팅물 이송부를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서 레이저 조사부 및 레이저 조사 스팟 조절부에 의해 커팅 대상물에 레이저광이 조사되는 모습을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서 속도 측정부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서 레이저 광의 이동 경로를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서 제어부의 작동 알고리즘을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서 레이저 조사부의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다.　 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.　 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다.　 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다.　 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다.　 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.　 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.　 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.　 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.　 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다.　 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 ‘포함한다’, ‘갖는다’, ‘이루어진다’ 등이 사용되는 경우 ‘~만’이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다.　 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, ‘~상에’, ‘~상부에’, ‘~하부에’, ‘~옆에’ 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, ‘바로’ 또는 ‘직접’이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.　 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템은, 커팅 대상물이 이동하는 커팅물 이송부(10), 커팅 대상물에 레이저를 조사하는 레이저 조사부(20), 커팅 대상물의 이동 속도를 측정하는 속도 측정부(30), 레이저 조사부(20)의 레이저 조사 작동을 제어하는 제어부(60)를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서 커팅물 이송부(10)를 도시한 평면도이다.
커팅물 이송부(10) 상에서 커팅 대상물이 이송되는 방향은, 이하 z축으로 정의한다. 커팅 대상물은 예컨대 원통형 파이프일 수 있고, 이 때 원통형 파이프의 중심축은 z축과 일치할 수 있다. 또한, z축에 수직한 평면을 xy평면으로 정의한다.
일 실시예에서, 커팅 대상물은 봉재나 관재를 이것보다 단면적이 작은 치수의 다이스에 통과시켜 인발하여 다이스 구경과 같은 형상의 단면제품을 얻는 가공법인 드로잉(drawing) 공정에 의해 뽑혀나와 커팅물 이송부(10) 상에서 이송될 수 있다. 이 때, 커팅물 이송부(10)에서 커팅 대상물이 이송되는 경로의 양 측부에는 이송 롤러(11)가 배치될 수 있다. 커팅 대상물은 양측에서 회전하는 이송 롤러(11) 사이를 통과하게 되고, 이송 롤러(11)의 회전에 의해 이송될 수 있다. 커팅 대상물은, 예컨대 대략 2000mm/s의 속도로 이송될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서 레이저 조사부(20) 및 레이저 조사 스팟 조절부(40)에 의해 커팅 대상물에 레이저광이 조사되는 모습을 개략적으로 도시한 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서, 레이저 조사부(20)로부터의 레이저 광이 도달하는 레이저 조사 스팟은, 3차원 공간 상에서 그 위치좌표를 이동 가능하도록 제어될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템은 레이저 조사부(20)에 의한 레이저 조사 스팟의 위치를 조정하는 레이저 조사 스팟 조절부(40)를 더 포함할 수 있다. 레이저 조사 스팟 조절부(40)는 적어도 하나 이상의 미러 장치(41)를 포함할 수 있다. 미러 장치(41)는 레이저 조사부(20)로부터의 레이저 광을 반사하여 레이저 광의 경로 및 도달 거리를 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 미러 장치(41)는 소정의 고정축을 중심으로 소정의 각도 범위 내에서 회전하도록 구성될 수 있다. 미러 장치(41)는 소정의 각도 범위 내에서 회전함으로써 레이저 조사부(20)로부터의 레이저 광이 반사되는 반사각을 조절할 수 있다. 또한 복수개의 미러 장치(41)에 의한 반사 과정을 통해 레이저 광의 경로뿐만 아니라 도달 거리도 조절할 수 있다. 이에 의해, 레이저 조사부(20)로부터의 레이저광이 도달하는 레이저 조사 스팟을 조절할 수 있다. 도 2에는 하나의 미러 장치(41)만이 도시되어 있지만, 레이저 조사 스팟 조절부(40)에는 복수개의 미러 장치(41)가 포함되어 복잡하고 다양하게 레이저 광 경로를 조절하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 조사 스팟 조절부(40) 내의 미러 장치(41)의 작동은 제어부(60)에 의한 제어 신호에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서, 레이저 조사부(20)는 4개의 레이저 조사 헤드(21)를 포함할 수 있다. 4개의 레이저 조사 헤드(21)는 z축을 중심으로 중심각 90°씩 균일하게 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 커팅 대상물의 원주 방향으로 등간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 각각의 레이저 조사 헤드(21)는 커팅 대상물의 원주 방향으로 중심각 90°범위를 담당하여 커팅작업을 진행할 수 있다. 즉, 1개의 레이저 조사 헤드(21)는 커팅 대상물의 원주 방향으로 중심각 90°범위 내에서 커팅 대상물의 원통형 외주면을 따라 레이저 광을 조사하여 커팅 작업을 수행할 수 있다. 이 때, 레이저 광이 도달하는 레이저 조사 스팟은 커팅 대상물의 원통형 외주면을 따라 이동하도록 레이저 조사 스팟 조절부(40)의 미러 장치(41)에 의해 조절될 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 레이저 조사 헤드(21)로부터의 레이저 광의 광 경로뿐만 아니라 도달 거리도 조절할 수 있어 단순 평면 상의 커팅 작업뿐만 아니라 3차원 곡면 상에서의 커팅 작업도 효율적으로 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(60)는, 커팅 대상물의 1회 커팅 과정에서, 레이저 조사부(20)의 4개의 레이저 조사 헤드(21) 각각으로부터의 레이저광이 도달하는 레이저 조사 스팟이 z축 방향으로 커팅 대상물의 이동속도와 동일한 속도로 이동할 수 있도록 레이저 조사 스팟 조절부(40)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(60)는 레이저 조사 스팟 조절부(40)의 미러 장치(41)의 동작을 제어하는 동시에, 레이저 조사 스팟이 커팅 대상물의 원통형 곡면의 원주방향을 따라 90°씩 이동하도록 레이저 조사 스팟 조절부(40)의 미러 장치(41)의 동작을 제어할 수 있다. 이 때, 레이저 조사 스팟이 z축 방향으로 이동하는 속도, 즉, 커팅 대상물의 이동 속도는 속도 측정부(30)로부터 측정된 데이터에 기초하여 연산한다.
상술한 실시예에 따르면, 레이저 조사 스팟이 커팅 대상물의 z축 방향으로의 이동 속도와 동일한 속도로 z축 상에서 이동하므로, 커팅 대상물에 비스듬한 커팅이 아닌 커팅 대상물의 이송 방향과 수직한 방향으로의 반듯한 커팅 작업이 가능하다. 즉, 커팅 대상물과 동일한 z축 방향으로의 속도로 이동함에 의해, 커팅 대상물의 표면 상에 있어서는 z축 방향으로의 위치를 고정하고, x, y방향으로는 커팅 대상물의 원통형 외주면을 따라 중심각 90°범위 이동하며 커팅 작업을 진행할 수 있다. 이러한 작업을 커팅 대상물의 원통형 외주 방향을 따라 등간격으로 이격된 4개의 레이저 조사 헤드(21)로부터의 레이저 광이 수행함으로써, 커팅 대상물을 이송 방향에 수직한 방향으로 반듯하게 커팅할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서 속도 측정부(30)를 개략적으로 도시한 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서, 속도 측정부(30)는 3개의 접촉식 속도 측정부(31)와 1개의 비접촉식 속도 측정부(32)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 접촉식 속도 측정부(31)는 커팅물 이송부(10)에서 이송 중인 커팅 대상물에 접촉하는 롤러부(311)를 포함할 수 있다. 롤러부(311)는 커팅 대상물에 접촉하여, 커팅 대상물이 이동할 때 접촉면의 마찰력으로 인해 회전하게 된다. 접촉식 속도 측정부(31)는 이와 같은 롤러부(311)의 회전속도로부터 커팅 대상물의 이송 속도를 측정할 수 있다. 즉, 롤러부(311)의 회전 속도(rev/s)에 롤러부(311)의 지름(mm) 및 원주율을 곱하면 커팅 대상물의 이송 속도(mm/s)를 구할 수 있다.
그런데, 접촉식 속도 측정부(31)의 경우 롤러부(311)의 슬립이 발생할 가능성이 있다. 즉, 롤러부(311)가 커팅 대상물과의 접촉 표면 상에서 미끄러지는 일이 발생할 수 있다. 이 경우, 실제 커팅 대상물이 이동한 거리와, 롤러부(311)의 회전수에 의해 연산된 거리는 일치하지 않을 수 있다. 이러한 문제로 인한 오차를 최소화하기 위해, 본 실시예에서는 3개의 접촉식 속도 측정부(31)를 배치하였다. 즉, 3개의 접촉식 속도 측정부(31) 각각으로부터 연산된 속도값을 모두 반영하여 커팅 대상물의 속도를 연산함으로써 잠재적인 오차 발생을 최소화할 수 있다. 예컨대, 가장 간단한 예로는 3개의 접촉식 속도 측정부(31) 각각으로부터 연산된 속도값의 평균값을 사용하여 오차의 최소화를 도모할 수 있다.
일 실시예에서, 비접촉식 속도 측정부(32)는 커팅물 이송부(10)에서 이송 중인 커팅 대상물에 레이저 광을 조사하여 그 반사광을 센싱함에 의해 커팅 대상물의 이송 속도를 측정할 수 있다. 비접촉식 속도 측정부(32)는 커팅 대상물과 접촉하지 않고 이동 속도를 측정하기 때문에, 접촉식 속도 측정부(31)와 같은 슬립으로 인한 오차 문제는 발생하지 않는다.
레이저 광을 커팅 대상물에 조사하면 그 표면으로부터 반사되는 반사광이 발생한다. 그런데, 겉으로 보면 반사 표면이 매끄럽게 보일지라도, 확대하여 눈으로 볼 수 없는 미세 표면을 보면 울퉁불퉁한 표면을 이루고 있다. 이로 인해, 커팅 대상물의 표면에서 반사된 반사광은 반사 표면의 위치에 따라 서로 다른 간섭광을 갖게 된다. 반사 표면의 형태가 모두 다르기 때문이다. 비접촉식 속도 측정부(32)는 동일한 간섭광을 카메라로 센싱한 후 해당 간섭광이 단위시간동안 이동한 거리를 측정하여 커팅 대상물의 이동 속도를 측정한다. 다만, 비접촉식 속도 측정부(32)의 경우 간섭광을 인식하는데 있어서 오류가 발생할 경우 속도 측정에 오차가 발생할 수 있는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서, 제어부(60)는 속도 측정부(30)로부터 측정된 4개의 속도 데이터를 전달받을 수 있다. 그리고, 예컨대, 3개의 접촉식 속도 측정부(31)로부터 측정된 속도 데이터의 평균값과, 비접촉식 속도 측정부(32)로부터 측정된 속도 데이터를 합한 후 반으로 나누어 연산한 값을 커팅 대상물의 속도라고 정의할 수 있다. 즉, 3개의 접촉식 속도 측정부(31)로부터 측정된 속도 데이터의 평균값을 하나의 데이터로 하고, 비접촉식 속도 측정부(32)로부터 측정된 속도 데이터를 다른 하나의 데이터로 하여, 그 둘의 평균을 구한 후 얻은 값을 커팅 대상물의 속도라고 정의할 수 있다. 이로 인해, 접촉식 속도 측정부(31)와 비접촉식 속도 측정부(32) 각각의 단점을 보완하고 오차를 최소화한 커팅 대상물의 속도값을 측정할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(60)는 사전에 사용자에 의해 입력된 커팅 대상물 절단 길이와, 제어부(60)가 연산한 커팅 대상물의 속도 데이터에 기초하여 레이저 조사부(20)에 의한 레이저 조사 주기를 제어할 수 있다.
즉, 사전에 사용자에 의해 입력된 커팅 대상물 절단 길이를 제어부(60)가 연산한 커팅 대상물의 속도 데이터로 나누면 커팅 주기가 계산된다. 제어부(60)는 이렇게 계산된 커팅 주기에 한번씩 커팅 작업이 수행될 수 있도록 레이저 조사부(20)와 레이저 조사 스팟 조절부(40)를 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서 레이저 광의 이동 경로를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
예컨대, 도 4에서 점A는 커팅 시작부분일 수 있다. 또한, 도 4에서 점B는 커팅 종료지점일 수 있다. A점과 B점 사이의 원호 중심각은 90°이다. 커팅이 진행되는 동안 커팅 대상물이 z축으로 이동하기 때문에, 커팅 대상물을 그 길이 방향에 수직한 방향으로 반듯하게 커팅하기 위해서는 레이저 조사 스팟 또한 커팅 대상물의 z축 방향으로의 속도와 동일한 속도로 이동하지 않으면 안된다. 따라서, 커팅 대상물 상에 고정된 좌표계에서 보면 A점에서 B점으로 이동하는 경로는 반듯한 원호를 그리지만, 커팅 대상물의 외주 좌표계에서 본다면 커팅 대상물이 z축으로 이동하기 때문에 A점에서 B점으로 이동하는 경로는 나선형을 그리게 된다. 본 발명은 이러한 사항을 고려하여 제어부(60)에 의해 레이저 조사부(20)와 레이저 조사 스팟 조절부(40)를 제어함으로써, 고속으로 이동하는 커팅 대상물의 3차원 곡면 상에 레이저 커팅 작업을 효율적으로 수행할 수 있는 유리한 효과를 발휘한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서 제어부(60)의 작동 알고리즘을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
앞서 설명한 바와 같이, 제어부(60)는 속도 측정부(30)로부터 전달받은 데이터를 기초로 커팅 대상물의 속도를 오차를 최소화하여 연산한다. 그리고, 이렇게 연산한 커팅 대상물의 속도에 기초하여 레이저 조사부(20)와 레이저 조사 스팟 조절부(40)에 제어 명령을 송신한다. 이와 같은 메커니즘에 의해 효율적인 3차원 레이저 커팅 작업이 수행된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서 레이저 조사부(20)의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 커팅 시스템에 있어서, 레이저 조사부(20)는 그 위치좌표를 이동하며 레이저 조사 스팟을 조절하도록 제어될 수 있다. 즉, 제어부(60)는 레이저 조사부(20)의 위치좌표를 이동하며 레이저 조사 스팟을 조절하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(60)는 연산한 커팅 대상물의 속도로 레이저 조사부(20)가 z축 방향으로 이동하도록 제어할 수 있다. 즉, 레이저 조사부(20)가 커팅 대상물과 동일한 속도로 z축 상에서 이동하여 레이저 조사부(20)와 커팅 대상물 사이의 z축방향 상대속도가 0이 되도록 제어할 수 있다.
이 때, 커팅 대상물은 원통형 파이프 형상이고, 커팅 대상물의 원통형 파이프의 중심축은 z축에 해당한다.
일 실시예에서, 레이저 조사부(20)는 4개의 레이저 조사 헤드(21)를 포함할 수 있다. 4개의 레이저 조사 헤드(21)는 z축을 중심으로 중심각 90°씩 균일하게 이격되어 배치될 수 있다.
구체적으로, 레이저 조사부(20)는 레이저 조사 헤드(21), 베이스부(22) 및 회전판부(23)를 포함할 수 있다. 베이스부(22)는 z축에 수직한 평면판으로 형성되고, 중심부에 커팅 대상물이 통과하는 제1 관통구(22a)를 가질 수 있다. 베이스부(22)는 또한, 제어부(60)로부터의 제어명령 의해 z축을 따라 전후 방향으로 이동하도록 구성될 수 있다. 회전판부(23)는 베이스부(22) 상에 베이스부(22)와 평행하게 배치되는 원판으로 형성되고, 중심부에 커팅 대상물이 통과하는 제2 관통구(23a)를 가지며, z축을 중심으로 90°회전 가능하도록 구성될 수 있다. 레이저 조사 헤드(21)는 회전판부(23)에 연결되고 z축을 중심으로 90°의 일정한 중심각 간격을 갖도록 이격되어 4개가 배치될 수 있다. 이 때, 각각의 레이저 조사 헤드(21)는 회전판부(23)의 원판의 중심, 즉, z축을 향해 레이저 광을 조사하도록 방향 배치될 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 베이스부(22)가 커팅 대상물의 이동 속도와 동일한 속도로 z축 방향으로 이동하면서, 회전판부(23)가 z축을 중심으로 90°범위 내에서 회전하면서 레이저 조사 헤드(21)로부터 커팅 대상물을 향해 레이저 광을 조사할 수 있다. 이에 따르면, 레이저 조사 헤드(21)가 z축 방향으로 커팅 대상물에 대해 고정된 상태(즉, 상대속도가 0)로 레이저 조사 스팟이 커팅 대상물의 원통형 곡면의 원주방향을 따라 90°씩 이동하면서 커팅 공정이 수행된다. 즉, 커팅 대상물의 1회 커팅 과정에서, 제어부(60)는 레이저 조사부(20)의 4개의 레이저 조사 헤드(21) 각각을 z축 방향으로 커팅 대상물의 이동속도와 동일한 속도로 이동시키면서, 회전판부(23)의 회전에 의해 레이저 조사 헤드(21)의 x, y위치좌표를 제어하면서 커팅 공정을 수행할 수 있다.
또한 제어부(60)는, 1회 커팅 과정이 완료되면 레이저 조사부(20)의 4개의 레이저 조사 헤드(21) 각각의 위치좌표를 원위치로 제어할 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 고속으로 이동하는 커팅 대상물의 3차원 곡면에 대하여 원하는 형태의 커팅 공정을 효율적으로 수행할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
10: 커팅물 이송부
20: 레이저 조사부
21: 레이저 조사 헤드
30: 속도 측정부
40: 레이저 조사 스팟 조절부
41: 미러 장치
60: 제어부

Claims (5)

  1. 커팅 대상물이 이동하는 커팅물 이송부(10);
    커팅 대상물에 레이저를 조사하는 레이저 조사부(20);
    커팅 대상물의 이동 속도를 측정하는 속도 측정부(30);
    상기 레이저 조사부(20)의 레이저 조사 작동을 제어하는 제어부(60);를 포함하고,
    상기 레이저 조사부(20)로부터의 레이저 광의 레이저 조사 스팟은, 3차원 공간 상에서 위치좌표를 이동 가능하도록 제어되고,
    커팅 대상물이 이송되는 방향은 z축 방향으로 정의되고,
    상기 속도 측정부(30)는 3개의 접촉식 속도 측정부(31)와 1개의 비접촉식 속도 측정부(32)를 포함하고,
    상기 접촉식 속도 측정부(31)는 상기 커팅물 이송부(10)에서 이송 중인 커팅 대상물에 접촉하는 롤러부(311)를 포함하고, 상기 롤러부(311)의 회전속도로부터 커팅 대상물의 이송 속도를 측정하고,
    상기 비접촉식 속도 측정부(32)는 상기 커팅물 이송부(10)에서 이송 중인 커팅 대상물에 레이저 광을 조사하여 그 반사광을 센싱함에 의해 커팅 대상물의 이송 속도를 측정하고,
    상기 제어부(60)는,
    상기 속도 측정부(30)로부터 측정된 4개의 속도 데이터를 전달받고, 3개의 상기 접촉식 속도 측정부(31)로부터 측정된 속도 데이터의 평균값과, 상기 비접촉식 속도 측정부(32)로부터 측정된 속도 데이터를 합한 후 반으로 나누어 연산한 값을 커팅 대상물의 속도라고 정의하고,
    사전에 사용자에 의해 입력된 커팅 대상물 절단 길이와 상기 제어부(60)가 연산한 커팅 대상물의 속도 데이터에 기초하여 상기 레이저 조사부(20)에 의한 레이저 조사 주기를 제어하는,
    레이저 커팅 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 조사부(20)에 의한 레이저 조사 스팟의 위치를 조정하는 레이저 조사 스팟 조절부(40)를 더 포함하고,
    상기 레이저 조사 스팟 조절부(40)는, 적어도 하나 이상의 미러 장치(41)를 포함하고,
    상기 미러 장치(41)는 소정의 고정축을 중심으로 소정의 각도 범위 내에서 회전하며 상기 레이저 조사부(20)로부터의 레이저광이 도달하는 레이저 조사 스팟을 조절할 수 있도록 구성되는,
    레이저 커팅 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    커팅 대상물은 원통형 파이프 형상이고, 커팅 대상물의 원통형 파이프의 중심축은 상기 z축에 해당하고,
    상기 레이저 조사부(20)는 4개의 레이저 조사 헤드(21)를 포함하고,
    4개의 상기 레이저 조사 헤드(21)는 상기 z축을 중심으로 중심각 90°씩 균일하게 이격되어 배치되고,
    상기 제어부(60)는,
    커팅 대상물의 1회 커팅 과정에서, 상기 레이저 조사부(20)의 4개의 상기 레이저 조사 헤드(21) 각각으로부터의 레이저광이 도달하는 레이저 조사 스팟이 z축 방향으로 커팅 대상물의 이동속도와 동일한 속도로 이동할 수 있도록 상기 레이저 조사 스팟 조절부(40)의 상기 미러 장치(41)의 동작을 제어하고, 또한 동시에 레이저 조사 스팟이 커팅 대상물의 원통형 곡면의 원주방향을 따라 90°씩 이동하도록 상기 레이저 조사 스팟 조절부(40)의 상기 미러 장치(41)의 동작을 제어하는,
    레이저 커팅 시스템.
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