KR102672099B1 - 자동 레이저-노즐-정렬을 이용한 유체 제트에 결합된 레이저 빔으로 공작물을 제작하기 위한 장치 및 이러한 빔을 정렬하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유체 제트에 결합된 레이저 빔(101)을 갖는 공작물을 기계 가공하기 위한 장치(100)에 관한 것이다. 장치(100)는 레이저 빔(101)을 제공하기 위한 레이저 유닛(101a), 유체 제트를 생성하기 위한 개구(102a)를 갖는 노즐 유닛(102), 및 레이저 유닛(101a)으로부터 노즐 유닛(102)상으로 레이저 빔(101)을 제공하도록 구성된 광학 유닛(103)을 포함한다. 또한, 장치(100)는 노즐 유닛(102)상에 레이저 빔의 입사점(109)을 변경하기 위해 광학 유닛(103) 및/또는 노즐 유닛(102)을 제어(108, 110)하도록 구성된 제어 유닛(104)을 포함한다. 장치(100)는 또한 노즐 유닛(102)의 표면(102b)으로부터 반사된 레이저 광(106)을 감지하고 감지된 반사 레이저 광(106)에 기초하여 감지 신호(107)를 생성하도록 구성된 감지 유닛(105)을 포함한다. 제어 유닛(104)은 감지 신호(107)를 평가하고 레이저 빔(101)이 개구(102a)와 완전히 및/또는 부분적으로 정렬됨을 나타내는 감지 신호(107)에서 정의된 감지 패턴을 결정하도록 특히 구성된다.
Description
본 발명은 유체 제트에 결합된 레이저 빔으로 공작물을 가공하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 장치는 구체적으로 유체 제트를 생성하기 위한 노즐 유닛의 개구와 레이저 빔을 자동 정렬(자동 레이저-노즐 정렬)하도록 구성된다. 본 발명은 또한 공작물을 가공하기 위해 레이저 빔을 정렬하는 방법, 특히 노즐 유닛의 개구와 레이저 빔을 정렬하는 방법에 관한 것이다.
유체 제트에 결합된 레이저 빔으로 공작물을 가공하는 종래의 장치가 일반적으로 알려져 있다. 레이저 빔으로 공작물을 가공하기 위해, 레이저 빔은 유체 내부에서 전반사에 의해 공작물로 가이드된다. 유체 제트는 보어 또는 유사한 개구를 갖는 유체 제트 생성 노즐에 의해 생성된다. 레이저 빔은 노즐 보어를 통해 유체 제트로 적어도 하나의 광학소자에 의해 결합된다. 따라서, 공작물 가공 공정을 시작하기 전에, 레이저 빔을 노즐 보어와 정렬시킬 필요가 있다.
이를 위해, 종래의 장치에서, 레이저 빔은 일반적으로 디포커싱된 다음 유체 제트 생성 노즐로 지향된다. 따라서, 유체 제트 생성 노즐은 종래 장치의 사용자에 의해, 예를 들어 노즐 보어를 시각적으로 식별하기 위해 카메라에 의해 보여질 수 있다. 이어서, 레이저 빔은 보어를 향해 이동될 수 있고, 보어를 통해 그리고 유체 제트로 빔을 결합시키도록 최종적으로 포커싱될 수 있다. 이 절차는 시간이 많이 걸리고 오류가 발생하기 쉽다.
초점이 맞지 않은 레이저 빔이 유체 제트 생성 노즐 전체를 비추기 때문에, 레이저 빔과 보어의 자동 정렬이 제대로 작동하지 않는다. 한 가지 이유는 이 라이트 업(lit up) 시나리오에서 노즐 보어의 위치를 그 자체로 결정하기가 상대적으로 어렵기 때문이다. 다른 이유는, 예를 들어, 유체 제트 생성 노즐 상에 있는 도트 오염에 의해 보어 위치의 결정 및 레이저 빔과의 정렬이 더욱 복잡해질 수 있기 때문이다. 이러한 도트 오염은 보어와 유사한 크기 및 형상을 가질 수 있는데, 즉, 이들은 예를 들어 카메라 이미지에 유사하게 보일 수 있고, 따라서 레이저 빔이 잘오정렬될 가능성이 높아진다.
이러한 문제점 및 과제를 고려하여, 본 발명은 특히 레이저 빔을 유체 제트 생성 노즐과 정렬시키는 것과 관련하여 종래의 장치를 개선시키는 것을 목표로 한다. 따라서, 본 발명의 목적은 레이저 빔을 유체 제트 생성 노즐 유닛의 개구와 자동적으로 정확하게 정렬시키기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 특히, 이 자동 레이저 노즐 정렬의 성공률은 오류가 거의 없거나 전혀 없어야 한다. 또한, 자동 레이저-노즐 정렬에 필요한 시간이 가능한 짧아야 한다. 특히, 상술한 종래의 장치와 비교하여, 레이저 빔을 유체 제트 생성 노즐과 정렬시키는 것이 보다 빠르고 정확하게 수행되어야 한다. 이에 의해, 본 발명은 또한 간단하고 컴팩트한 장치 구현을 목표로 한다.
본 발명의 목적은 첨부된 독립 청구항에 제공된 해결방안에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 구현은 종속항에 정의되어 있다.
특히, 본 발명은 노즐로부터의 레이저 빔 반사를 광학적으로 감지하고, 이들 반사를 계산적으로 평가하여 완벽한 정렬을 찾는 데 기초한 자동 레이저-노즐 정렬 절차를 제안한다.
본 발명의 제 1 태양은 유체 제트에 결합된 레이저 빔으로 공작물을 기계 가공하기 위한 장치로서, 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 유닛; 유체 제트를 생성하기 위한 개구를 갖는 노즐 유닛; 상기 레이저 유닛으로부터 상기 노즐 유닛으로 레이저 빔을 제공하도록 구성된 광학 유닛; 상기 노즐 유닛 상의 레이저 빔의 입사점을 변경하도록 광학 유닛 및/또는 노즐 유닛을 제어하도록 구성된 제어 유닛; 상기 노즐 유닛의 표면으로부터 반사된 레이저 광을 감지하고 감지된 반사 레이저 광에 기초하여 감지 신호를 생성하도록 구성된 감지 유닛을 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 감지 신호를 평가하고 레이저 빔이 개구와 완전히 및/또는 부분적으로 정렬됨을 나타내는 감지 신호에서 정의된 감지 패턴을 결정하도록 구성되는 장치를 제공한다.
제 1 태양의 장치는 정확한 자동 레이저-노즐 정렬을 가능하게 한다. 장치의 하나의 주요 개선점은 감지 유닛이 노즐 유닛의 상이한 부분으로부터 나오는 반사된 레이저 광을 감지하고 구별할 수 있다는 것이다. 장치의 다른 개선점은 제어 유닛이 한편으로는 감지 유닛을 제어하고 그 감지 신호를 실시간으로 평가할 수 있고, 다른 한편으로는 노즐 유닛의 레이저 빔(일반적으로 광스팟)의 위치(발생 지점)를 정확하게 제어할 수 있다는 것이다. 특히, 제어 유닛, 감지 유닛 및 장치의 광학 유닛의 밀접한 상호 작용으로 자동 레이저-노즐 정렬이 빠르고 정확해진다.
예를 들어, 제어 유닛은 광학 유닛을 적절하게 제어함으로써 레이저 빔으로 노즐 유닛의 표면의 적어도 일부의 자동 스캔을 제어할 수 있고, 이에 따라 감지 신호 및 특히 감지 패턴의 외관을 기초로 (레이저 빔으로) 노즐 개구를 정확하게 감지할 수 있다. 감지 패턴의 외관은 레이저 빔이 노즐 개구와 적어도 부분적으로 정렬되는 것을 나타낸다. 즉, 레이저 빔(예를 들어 스팟)은 (전형적으로 둥근) 개구와 적어도 부분적인 측면 중첩을 나타낸다. 선택적으로, 제어 유닛은 또한 감지 신호에서 추가 특성 신호 패턴, 예를 들어, 노즐 개구의 심지어 더욱 정확한 감지를 지원하기 위해, 노즐 유닛 상에 및/또는 노즐 유닛의 도트 오염 또는 다른 구조에 영향을 미치는 레이저 빔을 나타내는 신호 패턴을 결정할 수 있다.
"레이저 유닛"은 장치의 레이저 소스일 수 있고, 레이저 소스는 레이저 빔을 생성하여 이를 광학 유닛에 제공하도록 구성된다. 대안으로, 레이저 유닛은 장치의 레이저 포트 또는 입구일 수 있고, 레이저 포트 또는 입구는 예를 들어 외부 레이저 소스로부터 장치 내로, 바람직하게는 광학 유닛을 향해 레이저 빔을 수용 및 결합하도록 구성된다.
"입사점"은 레이저 빔에 의해 조명되는 노즐 유닛 표면상의 지점 또는 영역, 즉 레이저 빔이 노즐 유닛에 충돌하는 지점 또는 영역일 수 있다. 레이저 빔이 개구에 적어도 부분적으로 입사할 때 개구의 적어도 일부이거나 이를 포함할 수 있다. 다시 말해, 입사점은 노즐 유닛의 표면 및/또는 개구의 임의의 지점 또는 영역 일 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔의 직경 및/또는 레이저 빔이 노즐 유닛에 포커싱되거거나 디포커싱되는지에 따라, 입사점은 노즐 유닛상의 더 작거나 큰 지점 또는 영역일 수 있다. 일반적으로, 입사점은 레이저 빔을 노즐 유닛에 포커싱함으로써 야기되는 광점에 의해 정의된다.
"감지 패턴"은 감지 신호의 특성 강도, 형상 또는 시간 전개일 수 있다. 예를 들어, 감지 패턴은 감지 유닛상의 반사된 레이저 광의 이미지가 더 작은 및/또는 더 밝은 스팟에서 더 큰 및/또는 더 어두운 스팟으로 또는 그 반대로 변경되면, 감지 유닛에 의해 출력되는 감지 신호일 수 있다. 감지 패턴은 감지 유닛상의 노즐 개구의 이미지와 감지 유닛상의 반사된 레이저 광의 이미지의 전체 및/또는 부분 측면 중첩을 나타낼 수 있다. 레이저 빔이 개구와 "완전히 및/또는 부분적으로" 정렬됨을 나타내는 감지 패턴은 레이저 빔이 개구와 약간 중첩되는 것을 감지하자마자 감지 신호에 나타나는 감지 패턴을 의미할 수 있다. 이는 또한 완전 정렬을 구체적으로 나타내는 제 1 감지 패턴 및/또는 부분 정렬을 구체적으로 나타내는 제 2 감지 패턴의 출현을 의미할 수 있다. 특히, 입사점이 연속적으로 또는 적어도 여러 번 변경될 때, 감지 신호에서 하나 이상의 감지 패턴이 전개 또는 변경될 수 있다. 예를 들어, 제 2 감지 패턴의 출현 후에 제 1 감지 패턴의 출현이 이어질 수 있다.
"감지 유닛"은, 예를 들어, 감지 표면 상에 닿은 반사된 레이저 광(즉, 노즐 유닛상의 레이저 빔의 이미지)을 (전기)감지 신호로 변환할 수 있는 센서 또는 광 검출기이다. 감지 유닛은 카메라의 일부일 수 있으며, 카메라는 감지 신호를 가시화하기 위해, 가령 감지 유닛상의 반사된 레이저 광의 이미지를 재생하기 위해, 디스플레이 유닛과 같은 이미징 수단을 더 포함할 수 있다.
"노즐 유닛"은 예를 들어 노즐 재료의 예를 들어 고체 블록 또는 스톤, 가령, 사파이어 또는 다이아몬드, 또는 금속, 세라믹 및/또는 절연체 재료일 수 있다. 노즐 개구는, 예를 들어, 고체 블록 또는 스톤을 통한 보어, 즉, 노즐 재료를 관통하는 보어이다. 노즐 개구는 예를 들어 직경이 10-200 ㎛이고, 유체 제트는 예를 들어 노즐 개구 직경의 약 0.6-1 배의 직경을 갖는다. 유체 제트는 특히 예를 들어 50-800 bar의 압력을 갖는 가압 유체 제트이다.
"노즐 개구"는 특히 "노즐 표면"의 일부이다. 감지 유닛은 적어도 노즐 표면의 고체부로부터 반사된, 즉 노즐 재료의 표면으로부터 반사된 레이저 광을 감지하도록 구성된다. 그러나, 감지 유닛은 또한, 예를 들어, 노즐 개구 내의 유체로부터 레이저 광이 역반사/후방산란될 때 "노즐 개구"로부터 반사된 레이저 광을 감지하도록 구성될 수 있다.
"제어 유닛"은 마이크로 컨트롤러, 처리 유닛, 프로세서 및/또는 소프트웨어에 의해 동작되는 개인용 컴퓨터일 수 있다. 소프트웨어는 구체적으로 감지 신호를 기록 및/또는 평가하고/하거나 이미징 수단 상에 출력된 감지 신호에 기초하여 이미지를 분석하도록 구성될 수 있다.
장치의 구현 형태에서, 제어 유닛은 노즐 유닛에 대한 레이저 빔의 측면 변위를 생성하도록 광학 유닛을 제어하도록 구성된다.
측면 변위를 야기함으로써, 제어 유닛은 노즐 유닛상의 레이저 빔의 입사점의 변화를 제어하도록 구성된다
"측면 변위"는 예컨대 유체 제트 및 z 방향으로 있는 상기 유체 제트에 최종적으로 결합된 레이저 빔의 전파 방향과 더불어 x 및/또는 y 방향(Δx/Δy)으로 변위를 특히 의미한다. 측면 변위의 x-y 평면은 노즐 유닛의 표면 평면과 일치할 수 있고, 개구는 z 방향을 따라 노즐 유닛을 통과할 수 있다. 광학 유닛은 노즐 유닛뿐만 아니라 레이저 유닛으로부터 수신된 레이저 빔에 대해서도 출력 레이저 빔을 변위시키도록 구성될 수 있다.
장치의 추가 구현 형태에서, 광학 유닛의 적어도 일부가 움직일 수 있고, 특히 회전 가능하고, 제어 유닛은 노즐 유닛에서 레이저 빔의 입사점을 변경하기 위해 광학 유닛의 적어도 하나의 부분의 이동, 특히 회전을 제어하도록 구성된다.
광학 유닛의 적어도 일부, 예를 들어, 광학 유닛의 하나 이상의 광학소자(예를 들어, 미러)의 이동을 제어함으로써, 제어 유닛은 단계적으로 또는 연속적으로 입사점을 여러 번 변경하여 레이저 빔으로 노즐 유닛 표면의 스캔을 달성할 수 있다. 따라서, 제어 유닛은 감지 패턴이 감지 신호에 나타나는 하나 이상의 입사점을 정확하게 결정할 수 있다. 이에 의해, 제어 유닛은 자동 레이저-노즐 정렬을 수행하고 완료할 수 있다.
장치의 다른 구현 형태에서, 노즐 유닛은 이동 가능하고, 제어 유닛은 노즐 유닛상의 레이저 빔의 입사점을 변경하기 위해 노즐 유닛의 이동을 제어하도록 구성된다.
장치는 또한 제어 유닛이 광학 유닛과 노즐 유닛(의 이동) 모두를 동시에 또는 서로 뒤이어 제어함으로써, 입사점을 변경할 수 있도록 구성될 수 있다. 이는 노즐 표면을 스캔할 때 장치에 가장 큰 유연성을 제공한다.
장치의 다른 구현 형태에서, 제어 유닛은 광학 유닛 및/또는 노즐 유닛을 제어해 결정된 이동 패턴에 따라 노즐 유닛상의 레이저 빔의 입사점을 연속적으로 및/또는 단계적으로 변화시키고 감지 신호를 연속적으로 및/또는 반복적으로 평가하도록 구성된다.
이러한 방식으로, 제어 유닛은 레이저 빔으로 노즐 유닛의 표면 스캔을 야기할 수 있고, 감지 신호를 모니터링하고 감지 신호 및 결정된 감지 패턴에 기초하여 광학 유닛 및/또는 노즐 유닛을 제어함으로써 자동 레이저-노즐 정렬을 달성할 수 있다.
이동 패턴은 감지 유닛상의 반사된 레이저 광의 이미지가 나선형 또는 다른 패턴을 따라 이동하게 하는 나선형 패턴 및/또는 임의의 다른 패턴일 수 있다.
이러한 나선형 패턴으로, 장치는 자동 레이저-노즐 정렬을 시간 최적화된 방식으로 완료할 수 있다. 이동 패턴은 나선형 패턴일뿐만 아니라, 나선형 패턴 및/또는 지그재그 패턴 및/또는 왕복 스캐닝 패턴일 수 있다. 따라서, 상이한 패턴이 조합될 수 있다.
장치의 다른 구현 형태에서, 제어 유닛은 감지 신호에서 감지 패턴을 결정할 때 광학 유닛 및/또는 노즐 유닛의 제어를 차단하여 노즐 유닛상의 레이저 빔의 입사점을 변경시키도록 구성된다.
감지 패턴이 결정되면, 제어 유닛은 레이저 빔이 노즐 개구와 충분히 정렬되었다고 결정하고, 따라서 절차를 가능한 짧게 유지하기 위해 자동 레이저-노즐 정렬 절차를 종료할 수 있다.
장치의 다른 구현 형태에서, 반사된 레이저 광은 광학 유닛의 적어도 일부를 통과하고/하거나 광학 유닛에 의해 감지 유닛에 제공된다.
이러한 방식으로, 특히 간단하고 컴팩트한 장치 구현이 가능하다.
장치의 추가 구현 형태에서, 광학 유닛은 제 1 편향소자 및 제 2 편향소자를 포함하고, 제 1 편향소자는 레이저 유닛으로부터 제 2 편향소자로 레이저 빔을 제공하도록 구성되고, 제 2 편향소자는 레이저 빔을 제 1 편향소자로부터 노즐 유닛으로 제공하도록 구성된다.
이러한 광학 유닛은 제조가 비교적 간단하고 저렴하지만, 매우 컴팩트하게 구축될 수 있다. "편향소자"는 레이저 빔을 제어된 방식으로 반사 및/또는 지향할 수 있는 미러 또는 임의의 다른 광학소자일 수 있다. 이 구현에서 광학 유닛은 제어 유닛에 의해 효율적이고 정확하게 제어될 수 있다.
장치의 추가 구현 형태에서, 제 1 편향소자 및/또는 제 2 편향소자는 노즐 유닛상의 레이저 빔의 입사점의 변화를 생성하도록 회전 가능하다.
예를 들어, 2 개의 광 편향소자는 각각 레이저 빔의 원점(예를 들어 레이저 유닛)으로부터 하향으로 레이저 빔의 측면 변위를 야기하기 위한 변경 가능한 경사각을 갖는 미러일 수 있고, 따라서 노즐 유닛상의 입사점의 변경을 야기할 수 있다. 편향소자들 중 적어도 하나가 전동될 수 있고, 그 모터 전동은 제어 유닛에 의해 정확하게 제어될 수 있다. 이러한 편향소자들에 의해, 그럼에도 불구하고 정확한 결과를 위한 광학 유닛의 간단한 구현이 달성된다.
장치의 다른 구현 형태에서, 장치는 레이저 빔을 노즐 유닛 상에 포커싱하도록 구성된 적어도 하나의 광학소자를 더 포함한다.
종래의 장치와 대조적으로, 자동 레이저-노즐 정렬 절차는 제 1 태양의 장치에 의해 포커싱된 레이저 빔으로 수행될 수 있다. 이렇게 하면 절차가 더욱 정확 해지며 노즐 개구와 정렬될 때마다 레이저 빔의 디포커싱 및 포커싱을 방지한다. 따라서, 자동 레이저-노즐 정렬 기간이 감소될 수 있다.
장치의 추가 구현 형태에서, 적어도 하나의 광학소자는 레이저 유닛으로부터 광학 유닛으로 레이저 빔을 제공하기 위한 제 1 광학소자 및 광학 유닛으로부터 노즐 유닛으로 레이저 빔을 제공하기 위한 제 2 광학소자를 포함하고, 제 1 광학소자 및/또는 제 2 광학소자는 특히 레이저 빔의 전파 방향을 따라 이동 가능하다.
레이저 빔의 "전파 방향"은 예를 들어 수직 방향 및/또는 z 방향일 수 있지만, 광학 유닛은 레이저 빔을 변위시키고 및/또는 노즐 유닛 상에 레이저 빔의 입사점을 측면 및/또는 xy 방향으로 변경할 수 있다. 그러나, 레이저 빔의 전파 방향은 예를 들어 광학 유닛의 편향소자에 의해 장치에서 적어도 한 번 변경될 수 있다. 따라서, 레이저 빔의 전파 방향은 제 1 광학소자 및 제 2 광학소자에 대해 반드시 동일할 필요는 없다. 따라서, 각각의 광학소자는 수신 및/또는 출력하는 레이저 빔의 전파 방향을 따라 이동 가능할 수 있다.
장치의 추가 구현 형태에서, 적어도 하나의 광학소자는 감지 유닛상의 반사된 레이저 광의 이미지를 조정하기 위한 제 3 광학소자를 포함한다.
예를 들어, 제 3 광학소자는 이미지를 더 작은 및/또는 더 밝은 스팟에서 더 큰 및/또는 더 어두운 스팟으로 또는 그 반대로 변경하기 위해 사용될 수 있다. 이를 위해, 제 3 광학소자는 특히 수신 및/또는 출력하는 레이저 빔의 전파 방향을 따라 이동될 수 있다.
본 발명의 제 2 태양은 공작물을 가공하기 위해 레이저 빔을 정렬하기 위한 방법으로서, 레이저 빔을 제공하는 단계; 상기 레이저 빔을 개구가 있는 노즐 유닛에 제공하는 단계; 상기 노즐 유닛상에서 레이저 빔의 입사점을 변경하는 단계; 상기 노즐 유닛의 표면으로부터 반사된 레이저 광을 감지하여 감지된 반사 레이저 광에 기초하여 감지 신호를 생성하는 단계; 및 레이저 빔이 개구와 완전히 및/또는 부분적으로 정렬됨을 나타내는 감지 신호에서 정의된 감지 패턴을 결정하기 위해 상기 감지 신호를 평가하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
제 1 태양의 방법은 제 1 태양의 장치에 대해 상술한 바와 동일한 장점 및 효과를 달성한다. 또한 다양한 용어에 대한 동일한 정의와 설명이 적용된다.
방법의 구현 형태에서, 상기 방법은 레이저 빔을 노즐 유닛 상에 포커싱하는 단계를 더 포함한다.
상술한 바와 같이, 자동 레이저-노즐 정렬의 정확성이 향상되고, 정렬을 수행하는 시간도 또한 감소된다.
상기 방법의 다른 구현 형태에서, 상기 방법은 노즐 유닛상의 레이저 빔의 입사점을 변경하기 위해, 반사된 레이저 광의 이미지가 감지 신호를 생성하기 위한 감지 유닛상에 센터링되도록 레이저 빔의 입사점을 초기에 설정하는 단계, 결정된 이동 패턴에 따라 노즐 유닛상에서 레이저 빔의 입사점을 이동시켜 감지 유닛 상에 그 이동 패턴의 이미지를 생성하는 단계, 및 감지 신호에서 감지 패턴을 결정하면 이동을 중지하는 단계를 더 포함한다.
이러한 방식으로, 자동 레이저-노즐 정렬이 빠르고 정확하게 수행될 수 있다.
방법의 다른 구현 형태에서, 방법은 감지 신호의 감지 패턴에 기초하여 노즐 유닛상의 레이저 빔의 입사점을 변경함으로써 레이저 빔을 개구와 정렬시키는 단계를 더 포함한다.
이러한 방식으로, 개구 내에서 레이저 빔의 정밀한 미세 정렬이 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 (예를 들어, 제어 유닛에 의해), 입사점이 하나 이상의 측면 방향을 따라(예를 들어, 주변으로) 변경되는 경우 감지 패턴이 어떻게 변화하는지, 또는 그것이 사라지는 지 여부를 평가할 수 있다. 따라서, 관찰된 감지 패턴 및 그 변화에 기초한 레이저 빔의 완벽한 정렬이 설정될 수 있다.
방법의 다른 구현 형태에서, 이동 패턴은 반사된 레이저 광의 이미지가 나선형 또는 다른 패턴을 따라 이동하게 하는 나선형 패턴 및/또는 임의의 다른 패턴이다.
특정 이동 패턴을 사용하면, 레이저 빔과 노즐 개구의 자동 레이저 노즐 정렬을 빠르고 정확하게 완료할 수 있다.
본 방법의 다른 구현 형태에서, 레이저 빔이 개구와 완전히 및/또는 부분적으로 정렬됨을 나타내는 감지 패턴은 감지 유닛상의 반사된 레이저 광의 이미지가 더 작고/작거나 더 밝은 스팟에서 더 크고/크거나 더 어두운 스팟으로 또는 그 반대로 변함에 따라 발생한다.
"작고/작거나 더 밝은 스팟에서 더 크고/크거나 더 어두운 스팟으로 또는 그 반대로"의 변경은 "더 작은데서 더 큰데로 또는 그 반대로", "더 밝은 데서 더 어두운 데로 또는 그 반대로", 및 "더 작고 밝은데서 더 어둡고 더 큰데로 또는 그 반대로" 스팟의 변화를 적어도 포함한다. 이에 의해, "더 밝은 데서 더 어두운 데로 또는 그 반대로"로의 변경은 "더 크고 더 밝은 데서 더 작고 더 어두운 데로" 스팟의 변화를 포함한다. 마찬가지로, "작은 데서 큰 데로 또는 그 반대로"의 변화는 "작고 더 어두운 데서 더 크고 더 밝은 데로" 스팟의 변화를 포함한다.
특히, 레이저 빔이 노즐 개구와 적어도 부분적으로 정렬될 때 상기 노즐 개구의 이미지는 전형적으로 밝아진다. (일반적으로 레이저-노즐 정렬 절차 동안) 노즐 유닛/개구에 의해 생성된 유체 제트로 인해, 이미지는 노즐 표면상의 레이저 빔(스팟)의 이미지만큼 밝지 않을 수 있다. 따라서, 레이저 빔을 능동 유체 제트 생성 노즐과 정렬시키는 데 특히 유용한 독특한 감지 패턴이 정의될 수 있다. 따라서, 감지 패턴은 정밀한 자동 레이저 노즐 정렬을 가능하게 한다.
방법의 다른 구현 형태에서, 감지 패턴은 특히 이동 패턴에 따라 입사점을 이동할 때 개구의 이미지와 반사된 레이저 광의 이미지의 전체 및/또는 부분 측면 중첩을 나타낸다.
따라서, 감지 신호에서의 감지 패턴은 레이저 빔과 개구의 정렬의 정확한 지문이며, 자동 레이저-노즐 정렬을 정확하게 수행하는데 사용될 수 있다.
상기 방법의 다른 구현 형태에서, 상기 방법은 감지 유닛상에 반사된 레이저 광의 이미지를 조정하기 위해, 특히 더 작고/작거나 더 밝은 이미지에서 더 크고/크거나 더 어두운 이미지 또는 그 반대로 변경을 야기하도록 적어도 하나의 광학소자를 제어하는 단계를 더 포함한다.
적어도 하나의 광학소자의 제어는 광학소자의 적어도 일부의 이동을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 이미지는 예를 들어 감지 유닛 상에 포커싱 또는 디포커싱될 수 있다.
본 발명의 내용에 포함됨.
첨부 도면과 관련하여 특정 실시예의 하기 설명에서 본 발명의 상술한 태양 및 바람직한 구현 형태를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 도시한다.
도 8은 감지 유닛상에 반사된 레이저 광의 이미지를 개략적으로 도시하며, 이는 노즐 유닛상의 레이저 빔의 입사점을 변경하는데 사용되는 이동 패턴에 따라 이동한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 도시한다.
도 8은 감지 유닛상에 반사된 레이저 광의 이미지를 개략적으로 도시하며, 이는 노즐 유닛상의 레이저 빔의 입사점을 변경하는데 사용되는 이동 패턴에 따라 이동한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(100)를 도시한다. 장치(100)는 유체 제트(미도시)에 결합된 레이저 빔(101)을 갖는 공작물(미도시)을 기계 가공하도록 구성된다. 공작물은 예를 들어 금속, 세라믹, 다이아몬드, 반도체, 합금, 초합금 또는 초경질 재료를 포함하는 재료로 제조될 수 있다. 공작물을 가공하는 것은 공작물을 절단 또는 드릴링하거나, 또는 재료 절삭에 의해 공작물을 3 차원으로 성형하는 것을 포함할 수 있다. 레이저 빔(101)은 바람직하게는 20 내지 400 W 이상의 레이저 출력을 갖는다. 레이저 빔(101)은 펄스 레이저 빔일 수 있지만, 연속 레이저 빔일 수도 있다. 바람직하게는 가압 유체 제트의 압력은 50-800 bar일 수 있다.
공작물을 가공하는 동안, 장치(100)는 공작물 상에 유체 제트를 제공하고, 적어도 하나의 광학소자에 의해 그리고 유체 제트를 생성하는 노즐 유닛(102)의 노즐 개구(102a)를 통해 레이저 빔(101)을 유체 제트에 결합시키도록 구성된다. 이에 의해, 공작물은 장치(100)의 일부일 수도 있고 아닐 수도 있는 가공면 상에 위치될 수 있다. 어느 경우이든, 장치(100)는 가공면 상에 배치된 공작물을 기계 가공할 수 있도록 배열된다. 장치(100)는 가공면의 이동을 최대 5 차원으로 제어할 수 있다.
본 발명의 장치(100)는 노즐 유닛(102)의 개구(102a)와 레이저 빔(101)의 자동 정렬을 수행하도록 특별히 설계된다. 이는 노즐 유닛(102)에 의해 유체 제트가 능동적으로 생성되거나 되지 않고도 수행될 수 있다. 전형적으로, 자동 제트 노즐 정렬은 유체 제트가 생성된 상태에서 수행된다. 이 정렬 목적에 너무나 필요한 장치의 구성 요소가 도 1에 도시되어 있다. 특히, 장치는 또한 레이저 유닛(101a), 노즐 유닛(102), 광학 유닛(103), 제어 유닛(104) 및 감지 유닛(105)을 포함한다. 장치의 도시된 유닛들도 모두 가공 유닛 또는 장치의 헤드 또는 다른 종류의 인클로저 또는 하우징에 은닉될 수 있다.
레이저 유닛(101a)은 레이저 빔(101)을 직접 생성시키거나 이를 수신하여 장치(100)에 결합시킴으로써 레이저 빔(101)을 제공하도록 구성된다. 따라서, 레이저 유닛(101a)은 레이저 소스 또는 레이저 포트 또는 장치(100)의 입구일 수 있다. 레이저 포트 또는 입구는 외부 레이저 소스로부터 제공된 레이저 빔(101)에 대해 투명한 윈도우를 포함할 수 있고/있거나 장치(100)에 더 레이저 빔(101)을 포커싱, 지향 및/또는 분할하기 위한 광학소자를 포함할 수 있다.
노즐 유닛(102)은 유체가 장치(100)에 제공될 때 유체 제트를 생성하도록 구성된다. 노즐 유닛(102)은 보호된 환경에서 유체 제트를 생성하기 위해 장치(100)의 가공 유닛/헤드 또는 하우징/인클로저 내에 배치되는 것이 바람직하다. 노즐 개구(102a)는 유체 제트의 폭을 정의한다. 노즐 개구(102a)를 통해, 레이저 빔(101)이 유체 제트에 결합될 수 있다.
노즐 개구(102a)는 바람직하게는 10-200 ㎛의 직경을 가지며, 유체 제트는 바람직하게는 노즐 개구(102a) 직경의 약 0.6-1 배의 직경을 갖는다. 바람직하게는 가압 유체 제트에 대한 압력은 외부 유체 공급부를 통해 제공될 수 있으며, 제어 유닛(104)에 의해 제어될 수 있다. 유체 제트에 공급되는 유체는 바람직하게는 물이다. 즉, 유체 제트는 워터 제트이다. 장치(100)로부터 유체 제트를 출력하기 위해, 장치(100)는 바람직하게 출구 개구를 갖는 출구 노즐을 포함한다. 출구 개구는 노즐 개구(102a)보다 넓은 것이 바람직하다.
광학 유닛(103)은 레이저 유닛(101a)으로부터 노즐 유닛(102) 상으로 레이저 빔(101)을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 광학 유닛(103)은 레이저 유닛(101a)으로부터 레이저 빔(101)을 수신할 수 있고, 노즐 유닛(102)을 향해 편향시키거나 그렇지 않으면 지향시킬 수 있다. 이에 의해, 광학 유닛(103)은 적어도 노즐 유닛 (102)에 대해 레이저 빔의 측면 변위를 생성하도록 구성될 수 있고, 측면 변위는 예를 들어 광학 유닛(103)을 이동, 회전 또는 그렇지 않으면 제어함으로써 변경될 수 있다. 광학 유닛(103)은 특히 제어 유닛(104)에 의해 제어될 수 있다.
제어 유닛(104)은 광학 유닛(103) 및/또는 노즐 유닛(102)을 제어하여 노즐 유닛(102)상에 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 변경하도록 구성된다. 예를 들어, 제어 유닛(104)은 입사점을 변경하기 위해 광학 유닛(103)의 적어도 일부를 이동 및/또는 회전시킬 수 있고/있거나 동일한 효과를 위해 노즐 유닛(102)을 이동시킬 수 있다. 입사점(109)이 노즐 유닛(102)의 표면(102b) 상에 있으면, 레이저 빔(101)은 표면(102b)으로부터 반사된다.
감지 유닛(105)은 노즐 유닛(102)의 표면(102b)으로부터 반사된 이러한 레이저 광(106)을 감지하고, 감지된 반사 레이저 광(106)에 기초하여 감지 신호(107)를 생성하도록 배열되고 구성된다. 도 1은 레이저 빔(101)이 노즐 유닛 표면(102b)에 부딪히고, 표면(102b)으로부터 감지 유닛(105)을 향해 그리고 감지 유닛(105)으로 반사되는 시나리오를 도시한다. 도 2는 다른 시나리오로, 즉 노즐 유닛(102)에 대한 레이저 빔(101)의 상이한 상대 변위, 즉 노즐 유닛(102)상에 레이저 빔(101)의 상이한 입사점(109)을 갖는 도 1에 도시된 동일한 장치(100)를 도시한다. 도 2의 시나리오에서, 레이저 빔(101)은 노즐 개구(102a)와 정렬된다. 따라서, 노즐 유닛(102)의 표면(102b)으로부터 감지 유닛(105)을 향해 그리고 감지 유닛(105)으로 직접 반사되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 이 시나리오에서도 감지 유닛(105)은 개구(102b) 내에 유체 제트를 형성하기 위해 유체로부터 역반사/후방산란된 반사 레이저 광을 감지할 수 있다.
어쨌든, 감지 유닛(105)에 의해 생성된 감지 신호(107)는 입사점(109)이 노즐 유닛(102)에서 변화될 때, 특히 레이저 빔(101)이 노즐 개구(102a)와 부분적으로 및/또는 완전히 겹칠 때 변한다. 따라서, 감지 신호(107)는 레이저 빔(101)과 개구(102a)의 정렬 또는 오정렬에 따라 적어도 하나의 특성 감지 패턴을 나타낸다.
따라서, 제어 유닛(104)은 감지 신호(107)를 평가하고 감지 신호(107)에서 레이저 빔(101)이 개구(102a)와 완전히 및/또는 부분적으로 정렬됨을 나타내는 정의된 감지 패턴을 결정하도록 구성된다. 감지 패턴은 제어 유닛(104)에 의해 미리 정의되거나 학습될 수 있다. 따라서, 제어 유닛(104)은 감지 신호(107)에 기초하여 레이저 빔(101)이 노즐 개구(102a)와 적어도 부분적으로 정렬되는 것을 결정하도록 구성된다.
예를 들어, 제어 유닛(104)은 (제어 신호(108)에 의해) 광학 유닛(103)을 제어하고/하거나 노즐 유닛(102)상의 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 연속적으로 및/또는 단계적으로 변경하도록, 즉 결정된 이동 패턴에 따라 노즐 유닛 표면(102b)을 스캔하도록 (제어 신호(110)에 의해) 노즐 유닛(102)을 제어할 수 있다. 이에 의해, 제어 유닛(104)은 예를 들어 하나 이상의 정의된 감지 패턴에 대한 감지 신호(107)를 연속적으로 및/또는 반복적으로 평가할 수 있다. 감지 신호(107)에서 감지 패턴을 감지하면, 광학 유닛(103) 및/또는 노즐 유닛(102)의 (제어 신호(108 및/또는 110)에 의한) 제어를 차단하여 노즐 유닛(102)상의 레이저 빔(101)의 입사점(109)의 변경을 중지시키고 따라서 자동 레이저-노즐 정렬 절차를 완료할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 장치를 기반으로 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한다. 도 3 및 도 1의 동일한 요소에는 동일한 참조부호가 붙어 있으며 기능도 동일하다. 따라서, 도 3의 장치(100)도 또한 레이저 유닛(101a), 노즐 유닛(102), 광학 유닛(103), 제어 유닛(104) 및 감지 유닛(105)을 포함한다.
도 3은 반사된 레이저 광(106)이 광학 유닛(103)의 적어도 일부를 통과할 수 있고/있거나 광학 유닛(103)의 적어도 일부에 의해 감지 유닛(105)에 제공되거나 지향될 수 있음을 구체적으로 도시한다. 즉, 광학 유닛(103)은 레이저 빔(101)을 레이저 유닛(101a)으로부터 노즐 유닛(102)으로 제공하거나 지향시키며, 그리고 반사된 레이저 광(106)을 감지 유닛(105)에 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학 유닛(103)은 미러와 같은 적어도 하나의 이동 가능한 편향소자에 의해 실현될 수 있다. 그러나, 이는 또한 추가의 광학소자를 포함할 수 있다. 또한, 노즐 유닛(102) 및/또는 감지 유닛(105)은 광학 유닛(103)의 소정 제어 설정에 대해 레이저 빔(101)이 노즐 유닛(102)에 부딪히고 반사 광(106)이 감지 유닛(105)에 도달하도게 보장하도록 이동될 수 있다. 이러한 광학 유닛(103)에 의해, 도 3에 도시된 바와 같이, 장치(100)는 특히 컴팩트하게 구성될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 장치(100) 상에 구축된 본 발명의 실시예에 따른 장치(100)를 도시한다. 도 4 및 도 1의 동일한 요소에는 동일한 참조 부호가 붙어 있으며 기능도 동일하다. 따라서, 도 4의 장치(100)도 또한 레이저 유닛(101a), 노즐 유닛(102), 광학 유닛(103), 제어 유닛(104) 및 감지 유닛(105)을 포함한다.
구체적으로는, 도 4의 광학 유닛(103)은 제 1 편향소자(401) 및 제 2 편향소자(402)를 포함한다. 제 1 편향소자(401)는 레이저 빔(101)을 레이저 유닛(101a)으로부터 제 2 편향소자(402)로 가이드하도록 구성되고, 제 2 편향소자(402)는 레이저 빔(101)을 제 1 편향소자(401)로부터 노즐 유닛(102)으로 가이드하도록 구성된다. 양 편향소자(401 및/또는 402)는 미러에 의해 실현될 수 있고, 이동 가능하고 /하거나 회전 가능할 수 있다. 특히, 제 1 편향소자(401) 및/또는 제 2 편향소자(402)는 노즐 유닛(102)상의 레이저 빔(101)의 입사점(109)의 변화를 생성하기 위해 회전될 수 있다. 제어 유닛(104)은 (제어신호(108a 및/또는 108b)에 의해) 하나 또는 양 편향소자(401 및/또는 402)를 제어할 수 있다. 제어 유닛(104)은 레이저 빔(10)으로 노즐 유닛(102)의 면(102b) 중 적어도 일부를 스캔하기 위해 특히 편향소자(401 및/또는 402) 중 하나 또는 둘 모두의 경사각의 스윕을 제어할 수 있다. 즉, 제어 유닛(104)은 노즐 유닛(102)상에 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 연속적으로 및/또는 단계적으로 변화시킬 수 있다. 스캔은 바람직하게 나선형 패턴과 같이 결정된 이동 패턴에 따라 실현된다. 제어 유닛(104)은 또한 이동 패턴 동안 감지 신호(107)를 연속적으로 및/또는 반복적으로 평가하도록 감지 유닛(105)을 제어할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 장치(100) 상에 구축된 본 발명의 실시예에 따른 장치(100)를 도시한다. 도 5 및 도 1의 동일한 요소에는 동일한 참조 부호가 붙어 있으며 기능도 동일하다. 따라서, 도 5의 장치(100)도 또한 레이저 유닛(101a), 노즐 유닛(102), 광학 유닛(103), 제어 유닛(104) 및 감지 유닛(105)을 포함한다.
도 5는 장치가 하나 이상의 광학소자, 가령 3 개의 렌즈로 실현된 3 개의 광학소자(501, 502 및 502)를 포함할 수 있음을 구체적으로 도시한다. 하나 이상의 광학소자(501, 502 및 503)는 레이저 빔(101)을 레이저 유닛(101a)으로부터 광학 유닛(103)으로 지향시키는 제 1 광학소자(501), 및 레이저 빔(101)을 광학 유닛(103)으로부터 노즐 유닛(102)으로 지향시키기 위한 제 2 광학소자(502)를 포함할 수 있다. 제 1 광학소자(501) 및/또는 제 2 광학소자(502)에 의해, 장치(100)는 레이저 빔(101)을 노즐 유닛(102)에 포커싱하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제 1 광학소자(501) 및/또는 제 2 광학소자(502)는 특히 각각 수용 및/또는 출력하는 레이저 빔(101)의 전파 방향을 따라 이동할 수 있다. 노즐 유닛(102) 상에 레이저 빔(101)을 포커싱하는 것은 표면(102b)상의 레이저 스팟의 크기 및/또는 휘도를 변경시킬 수 있고, 따라서 감지 유닛(105)상에 반사된 광 스팟의 이미지의 크기 및/또는 휘도를 변경시킬 수 있다.
제 3 광학소자(503)는 예를 들어 이미지를 더 밝고/밝거나 더 작게 하거나 더 어둡고/어둡거나 더 크게 하기 위해 감지 유닛(105)상에 반사된 레이저 광(106)의 이미지를 조정하는데 사용될 수 있다. 이를 위해, 제 3 광학소자는 수신 및/또는 출력하는 레이저 빔(101)의 전파 방향을 따라 이동될 수 있다.
도 6은 레이저 빔(101)과 노즐 개구(102a)를 정렬하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 방법(100)을 도시한다. 따라서, 방법(600)은 도 1 내지 도 5 중 어느 하나에 도시된 바와 같이 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
방법(600)은 레이저 빔을 제공하는 단계(601), 노즐 유닛(102)에 레이저 빔(101)을 제공하는 단계(602), 노즐 유닛(102)상에 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 변경하는 단계(603), 노즐 유닛(102)의 표면(102b)으로부터 반사된 레이저 광(106)을 감지하여 감지된 반사 레이저 광(106)에 기초하여 감지 신호(107)를 생성하는 단계(604), 및 레이저 빔(101)이 개구(102a)와 정렬됨을 나타내는 감지 신호(107)에서의 하나의 정의된 감지 패턴 또는 다수의 한정된 감지 패턴들을 결정하기 위해 감지 신호(107)를 평가하는 단계(605)를 포함한다. 도 6의 화살표는 반드시 단계들의 순서를 나타내는 것은 아니다. 특히, 단계 (601-605)는 동시에 수행될 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 방법(600)을 기반으로 하는 본 발명의 실시예에 따른 방법(600)을 도시한다. 도 7은 도 6에 도시된 단계(602, 603 및 604)의 구체적 세부 사항을 도시한다. 도 8은 도 7에 따라 수행된 방법(600)을 예시하기 위해 사용된다. 특히, 도 8은 감지 유닛(105)상에 반사된 레이저 광(106)의 이미지(802)를 개략적으로 도시하며, 노즐 유닛(102)상에 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 변경하는데 사용되는 이동 패턴에 따라 이동한다.
제공된 레이저 빔(101)은 노즐 유닛(102)의 표면(102b) 상에 (예를 들어, 단계(602)의 일부로서) 포커싱될 수 있다. 이는 예를 들어 적어도 하나의 광학소자, 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이 광학소자들(501 및 502) 중 하나 또는 둘 모두를 제어함으로써 달성될 수 있다. 이어서, (예를 들어 단계(603)의 일부로서) 레이저 빔(101)의 입사점(109)은 반사 레이저 광(106)의 이미지(802)(도 8 참조)가 초기에 감지 유닛(105)에 센터링되도록 선택될 수 있다(701)(및 그에 따라 카메라 등에서 감지 유닛(105)에 연결된 가령 디스플레이 유닛에 센터링되어 나타난다). 그 후, 노즐 유닛(102)상에 레이저 빔(101)의 입사점(109)은 결정된 이동 패턴에 따라 (예를 들어 단계(603)의 일부로서) 변경되고(702), 이에 의해 그 이동 패턴의 이미지(801)(도 8 참조)가 감지 유닛(105) 상에 생성된다. 감지 패턴이 감지 신호(107)에서 결정되면, (예를 들어 단계(604)의 일부로서) 입사점(109)의 이동이 중지될 수 있다(704).
도 8은 노즐 유닛(102)상에 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 변경하는 이동 패턴을 나타내는 감지 유닛(105)상의 반사 광(106)의 이미지(802)의 예를 도시한다. 특히, 도 8에 도시된 바와 같이, 이동 패턴은 반사된 레이저 광(106)의 이미지(802)가 나선형(801)을 따라 이동하게 하는 나선형 패턴일 수 있다. 이동 패턴은 또한 선택적으로 나선형 패턴과 결합한 지그재그 패턴 및/또는 왕복 스캐닝 패턴 일 수 있다. 어떤 지점에서, 이미지(802)는 입사점(109)이 이동 패턴을 따라 이동될 때 개구(102a)의 이미지(803)와 완전히 또는 부분적으로(측면으로) 겹칠 수 있다. 이 경우에, 감지 신호(107)는 레이저 빔(101)이 개구(102a)와 (부분적으로 및/또는 완전히) 정렬되었음을 나타내는 감지 패턴을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 감지 패턴은 포커싱된 레이저 빔(101)이 노즐 유닛 면(102b)으로부터 반사될 때 어두운 배경에 대해 더 작고/작거나 더 밝은 스팟으로부터 레이저 빔(101)이 노즐 개구(102a)로 들어가서 예를 들어 유체 제트의 유체에 의해 반사될 때 더 어두운 배경에 대해 더 크고/크거나 더 어두운 스팟으로 감지 유닛(105)상에 반사된 레이저 광(106)의 이미지(802)의 변화로 인해 발생할 수 있다. 이미지(802)는 또한 레이저 빔(101)이 (예를 들어, 유체 제트없이) 산란 및/또는 반사되지 않고 개구(102a)를 통과하는 경우에 사라질 수 있다.
본 발명은 구현 형태뿐만 아니라 다양한 실시예와 함께 설명되었다. 그러나, 다른 변형은 도면, 명세서 및 독립 청구항의 연구로부터 당업자에 의해 이해되고 청구된 발명을 실시할 수 있다. 청구 범위 및 명세서에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정 관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 단일 요소 또는 다른 유닛은 청구 범위에 인용된 여러 엔티티 또는 항목의 기능을 수행할 수 있다. 특정 조치들이 서로 다른 종속 항들에서 인용된다는 사실은 이러한 조치들의 조합이 유리한 구현에 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.
Claims (20)
- 유체 제트에 결합된 레이저 빔(101)으로 공작물을 기계 가공하기 위한 장치(100)로서,
레이저 빔(101)을 제공하기 위한 레이저 유닛(101a);
유체 제트를 생성하기 위한 개구(102a)를 갖는 노즐 유닛(102);
상기 레이저 유닛(101a)으로부터 상기 노즐 유닛(102)으로 레이저 빔(101)을 제공하도록 구성된 광학 유닛(103);
상기 노즐 유닛(102)상의 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 변경하도록 광학 유닛(103)의 움직임을 제어(108, 110)하도록 구성된 제어 유닛(104); 및
상기 노즐 유닛(102)의 표면(102b)으로부터 반사된 레이저 광(106)을 감지하고 감지된 반사 레이저 광(106)에 기초하여 감지 신호(107)를 생성하도록 구성된 감지 유닛(105)을 포함하고,
상기 제어 유닛(104)은:
레이저 빔(101)으로 노즐 유닛(102)의 표면의 적어도 일부의 자동 스캔을 수행하도록 광학 유닛(103)의 움직임을 제어하고,
상기 스캔 동안 감지 신호(107)를 평가하고,
상기 스캔 동안 평가된 상기 감지 신호(107)에서 정의된 감지 패턴을 결정하도록 구성되며, 상기 감지 패턴은 레이저 빔(101)이 개구(102a)와 완전히 또는 부분적으로 정렬됨을 나타내는 것인, 장치. - 제 1 항에 있어서,
제어 유닛(104)은 노즐 유닛(102)에 대한 레이저 빔(101)의 측면 변위를 생성하기 위해 광학 유닛(103)의 움직임을 제어(108, 110)하도록 구성되는 장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
광학 유닛(103)의 적어도 일부가 회전 가능하며,
제어 유닛(104)은 노즐 유닛(102) 상에 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 변경하기 위해 광학 유닛(103)의 적어도 일부의 회전을 제어(108a, 108b)하도록 구성되는 장치. - 제 1 항에 있어서,
노즐 유닛(102)은 이동 가능하고,
제어 유닛(104)은 노즐 유닛(102)상의 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 변경하기 위해 노즐 유닛(102)의 이동을 제어(110)하도록 더 구성되는 장치. - 제 1 항에 있어서,
제어 유닛(104)은 광학 유닛(103)의 움직임을 제어(108, 110)하여 결정된 이동 패턴에 따라 노즐 유닛(102) 상에 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 연속적으로 또는 단계적으로 변경하고 감지 신호(107)를 연속적으로 또는 반복적으로 평가하도록 구성되는 장치. - 제 5 항에 있어서,
감지 신호(107)에서 감지 패턴을 결정하면, 제어 유닛(104)이, 광학 유닛(103)의 움직임의 제어(108, 110)를 차단하여 노즐 유닛(102) 상에 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 변경시키도록 구성되는 장치. - 제 1 항에 있어서,
반사된 레이저 광(106)은 광학 유닛(103)의 적어도 일부를 통과하고/하거나 광학 유닛(103)에 의해 감지 유닛(105)으로 제공되는 장치. - 제 1 항에 있어서,
광학 유닛(103)은 제 1 편향소자(401) 및 제 2 편향소자(402)를 포함하고,
상기 제 1 편향소자(401)는 레이저 유닛(101a)으로부터 상기 제 2 편향소자(402)로 레이저 빔(101)을 제공하도록 구성되며,
상기 제 2 편향소자(402)는 상기 제 1 편향소자(401)로부터 노즐 유닛(102)으로 레이저 빔(101)을 제공하도록 구성되는 장치. - 제 8 항에 있어서,
적어도 하나의 제 1 편향소자(401) 또는 제 2 편향소자(402)는 노즐 유닛(102) 상에 레이저 빔(101)의 입사점(109)의 변화를 생성하도록 회전 가능한 장치. - 제 1 항에 있어서,
레이저 빔(101)을 노즐 유닛(102)에 포커싱하도록 구성된 적어도 하나의 광학소자(501, 502, 503)를 포함하는 장치. - 제 10 항에 있어서,
적어도 하나의 광학소자(501, 502, 503)는 레이저 빔(101)을 레이저 유닛(101a)으로부터 광학 유닛(103)으로 제공하기 위한 제 1 광학소자(501) 및 광학 유닛(103)으로부터 노즐 유닛(102)으로 레이저 빔(101)을 제공하기 위한 제 2 광학소자(502)를 포함하고,
적어도 하나의 상기 제 1 광학소자(501) 또는 상기 제 2 광학소자(502)는 레이저 빔(101)의 전파 방향을 따라 이동 가능한 장치. - 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
적어도 하나의 광학소자(501, 502, 503)는 감지 유닛(105)상의 반사된 레이저 광(106)의 이미지(802)를 조정하기 위한 제 3 광학소자(503)를 포함하는 장치. - 공작물을 가공하기 위해 레이저 빔(101)을 정렬하기 위한 방법(600)으로서,
레이저 빔(101)을 제공하는 단계(601);
상기 레이저 빔(101)을 개구(102a)가 있는 노즐 유닛(102)에 제공하는 단계(602);
레이저 빔(101)으로 노즐 유닛(102)의 표면의 적어도 일부의 자동 스캔을 수행하기 위하여, 상기 노즐 유닛(102)상에서 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 변경하는 단계(603);
상기 노즐 유닛(102)의 표면(102b)으로부터 반사된 레이저 광(106)을 감지(604)하여 감지된 반사 레이저 광(106)에 기초하여 감지 신호(107)를 생성하는 단계; 및
정의된 감지 패턴을 결정하기 위하여 상기 스캔 동안 상기 감지 신호(107)를 평가하는 단계(605)를 포함하고,
상기 감지 패턴은 레이저 빔(101)이 개구(102a)와 완전히 또는 부분적으로 정렬됨을 나타내는 것인, 방법. - 제 13 항에 있어서,
레이저 빔(101)을 노즐 유닛(102)에 포커싱(701)하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
반사된 레이저 광(106)의 이미지(802)가 감지 신호(107)를 생성하기 위해 감지 유닛(105)에 센터링되도록 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 초기에 설정하는 단계(702); 및
결정된 이동 패턴에 따라 노즐 유닛(102)상에서 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 이동시킴으로써 감지 유닛(105) 상에 상기 이동 패턴의 이미지(801)를 생성하는 단계(703); 및
상기 감지 신호(107)에서 감지 패턴을 결정하면 이동(703)을 중지시키는 단계(704)를 포함하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
감지 신호(107)에서의 감지 패턴에 기초하여 노즐 유닛(102)상에 레이저 빔(101)의 입사점(109)을 변경함으로써 레이저 빔(101)을 개구(102a)와 정렬시키는 단계를 더 포함하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
이동 패턴은 반사된 레이저 광(106)의 이미지(802)가 나선형(801) 또는 다른 패턴을 따라 이동하게 하는 나선형 패턴 또는 임의의 다른 패턴인 방법. - 제 15 항에 있어서,
레이저 빔(101)이 개구(102a)와 완전히 또는 부분적으로 정렬됨을 나타내는 감지 패턴은 더 작거나 더 밝은 스팟에서 더 크거나 더 어두운 곳으로 또는 그 반대로 감지 유닛(105)상에 반사된 레이저 광(106)의 이미지(802)의 변화로 인해 발생하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
감지 패턴은, 이동 패턴에 따라 입사점(109)을 이동시킬 때, 개구(102a)의 이미지(803)와 반사된 레이저 광(106)의 이미지(802)의 전체 또는 부분 측면 중첩을 나타내는 방법. - 제 19 항에 있어서,
더 작거나 더 밝은 이미지(802)로부터 더 크거나 더 어두운 이미지(802) 또는 그 반대로 변화를 야기하기 위해, 감지 유닛(105)상에 반사된 레이저 광(106)의 이미지(802)를 조정하기 위해 적어도 하나의 광학소자(503)를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
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