KR19990062091A - 레이저 가공기의 초기관통홀 가공장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 가공기의 가공헤드 안쪽으로 노출되는 광섬유를 이용하여 소재가공전에 가공하는 초기관통홀의 가공시작레벨과 가공완료레벨을 검출한 다음 정상적인 커팅가공을 수행하도록하여 정확한 초기관통홀을 가공할 수 있도록 한 레이저 가공기의 초기관통홀 가공장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 레이저 가공기의 가공헤드(30) 안쪽으로 노출되어 소재(31)로부터 반사되는 반사광(B1)을 검출하는 광섬유(32)와, 광섬유(32)로부터 검출되는 반사광(B1)을 전기적인 신호로 변환하는 광/전기신호 변환부(40)와, 광/전기신호 변환부(40)에 의해 변환된 전기신호를 증폭하는 증폭부(42)와, 증폭부(42)에 의해 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부(44)와, 아날로그/디지털 변환부(44)로부터 출력되는 디지털 신호를 소정의 전압레벨로 변환하는 입력인터페이스 회로부(46)와, 입력인터페이스 회로부(46)를 통해 입력되는 디지털 신호의 레벨을 비교연산한 후 이를 기초로하여 초기관통홀(31a)의 가공시작시점과 가공완료시점을 검출한 다음 정상적인 커팅가공을 수행하도록 제어하는 한편, 경보신호를 출력하는 제어부(48)와, 제어부(48)를 통해 출력되는 경보신호 및 커팅가공신호를 소정의 전압레벨로 변환하는 출력인터페이스 회로부(50)와, 출력인터페이스 회로부(50)와 접속되어 이를 통해 출력되는 경보신호에 따라 경보하는 경보회로부(52)로 구성한 것이다.

Description

레이저 가공기의 초기관통홀 가공장치 및 그 제어방법

본 발명은 레이저 가공기의 초기관통홀 가공장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 가공기의 가공헤드 안쪽으로 노출되는 광섬유를 이용하여 소재가공전에 가공하는 초기관통홀의 가공시작레벨과 가공완료레벨을 검출한 다음 정상적인 커팅가공을 수행하도록하여 정확한 초기관통홀을 가공할 수 있도록 한 레이저 가공기의 초기관통홀 가공장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적인 레이저 가공기는 첨부도면 도1에 도시된 바와 같이 레이저 발진기(10)로부터 발생되는 레이저 빔(B2)을 반사경(12)을 통해 반사시킨 후에 가공헤드(14)에 위치한 집속렌즈(15)를 통해 소재(20)의 가공부위에 빔을 집속하여 소재(20)를 순간적으로 증발시켜 가공하는 것으로, 소재(20)와 집속렌즈(15)의 갭을 일정하게 유지하여야 균일하고 매끄러운 가공면을 얻을 수 있게 된다.

이와 같은 가공과정에서 소재(20)로부터 증발되는 용융불꽃이 레이저 빔(B2)이 투과되는 집속렌즈(15)나 소재(20)의 표면에 융착되면, 집속렌즈(15)를 손상시키거나 절단면 및 소재(20) 표면을 오염시키게 되는 한편, 용융된 소재(20)의 가공부위는 대기중의 산소와 쉽게 반응하여 산화하기 쉬운데 이러한 것을 방지하기 위하여 가스탱크(16)에 저장된 질소와 같은 어시스트 가스(G) 등을 소재(20)의 가공부위를 향하여 일정한 압력으로 분사하고 있다.

또한, 이러한 레이저 가공기는 첨부도면 도2에 도시된 바와 같이 가공전에 커팅 완제품(20c)에 영향을 주지 않는 소재(20)의 블랭크 부위(20a)에 초기관통홀(20b)을 가공한 후 이 곳에 레이저 빔을 통과시킨 후 가로 및 세로방향으로 가공헤드를 서보제어하여 정상적인 커팅을 하도록 되어 있었다.

즉, 첨부도면 도3에 도시된 바와 같이 단계 S1에서 소재(20)의 블랭크 부위(20a)에 초기관통홀(20b) 가공을 시작한 다음, 단계 S2에서 이 초기관통홀(20b) 가공을 시작한 시점에서부터 소정의 가공예측시간동안 시간을 지연시킨 후 이 가공예측시간이 경과되면, 초기관통홀(20b)의 가공이 완료된 것으로 간주하여 단계 S3에서 정상적인 커팅가공을 수행하도록 구성되어 있었다.

그러나 이와 같은 종래의 초기관통홀 가공방법은 소재의 두께와 재질 그리고 레이저 출력에 따라 가공예측시간에 많은 차이점을 가지게 되며, 그 가공예측시간 또한 예측하기가 매우 곤란하므로, 레이저 출력이 너무 높게 설정되면, 가공예측시간이 도래하기 전에 초기관통홀(20b)이 가공완료되어 남은 시간 동안에는 정상적인 커팅가공을 시작할 수 없으므로, 생산성을 떨어뜨리게 되는 문제점이 있었으며, 레이저 출력이 적게 설정되는 경우에는 초기관통홀(20b)이 가공완료되기 전에 도3의 단계 S3에서와 같이 커팅가공으로 진행되어 가공불량을 낳게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 소재가공전에 가공하는 초기관통홀의 가공완료시점을 보다 정확하게 측정할 수 있도록하여 기존과 같이 초기관통홀의 가공완료시점이 어긋남에 따라 발생될 수 있는 생산성저하나 가공불량을 미연에 방지할 수 있는 레이저 가공기의 초기관통홀 가공장치 및 그 제어방법을 제공함에 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 레이저 가공기의 가공헤드 안쪽으로 노출되어 소재로부터 반사되는 반사광을 검출하는 광섬유와, 상기 광섬유로부터 검출되는 반사광을 전기적인 신호로 변환하는 광/전기신호 변환부와, 상기 광/전기신호 변환부에 의해 변환된 전기신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 증폭부에 의해 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부와, 상기 아날로그/디지털 변환부로부터 출력되는 디지털 신호를 소정의 전압레벨로 변환하는 입력인터페이스 회로부와, 상기 입력인터페이스 회로부를 통해 입력되는 디지털 신호의 레벨을 비교연산한 후 이를 기초로하여 초기관통홀의 가공시작시점과 가공완료시점을 검출한 다음 정상적인 커팅가공을 수행하도록 제어하는 한편, 경보신호를 출력하는 제어부와, 상기 제어부를 통해 출력되는 경보신호 및 커팅가공신호를 소정의 전압레벨로 변환하는 출력인터페이스 회로부와, 상기 출력인터페이스 회로부와 접속되어 이를 통해 출력되는 경보신호에 따라 경보하는 경보회로부로 구성하여 레이저 가공기의 초기관통홀 가공장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 출력인터페이스 회로부(50)를 통해 레이저 발진기를 제어하여 레이저 빔을 소재를 향해 출력하는 단계;

소재로부터 반사되어 광섬유로 입사되는 반사광의 광전압레벨이 초기관통홀가공시 광전압레벨 이상인가의 여부를 비교연산하여 그 비교연산결과가 정의 값을 가지는 경우 명령수행을 다음 단계로 넘기고, 부의 값을 가지는 경우 정의 값을 가질 때까지 무한루프를 도는 단계;

초기관통홀 가공시간 동안 시간을 지연시키는 단계;

소재로부터 반사되어 광섬유로 입사되는 반사광의 광전압레벨이 연장시 광전압레벨과 같은 가의 여부를 비교연산하는 단계;

상기의 단계로부터 그 비교연산결과가 부의 값을 가지는 경우 제어부에 접속된 출력인터페이스 회로부를 통해 경보회로부에 구동신호를 출력하여 이 경보회로부로하여 경보신호를 출력케 한 다음 종료하는 단계;

상기의 단계로부터 그 비교연산결과가 정의 값을 가지는 경우 연장시간 동안 시간을 지연시키는 단계;

상기의 단계에 이어서 커팅가공을 수행하고 종료하는 단계로 구성하여 레이저 가공기의 초기관통홀 가공제어방법이 제공된다.

도 1 은 종래 레이저 가공기의 구성을 개략적으로 보이는 블록구성도,

도 2 는 레이저 가공기에 의해 가공되는 커팅 완제품 및 초기관통홀의 가공패턴을 보이는 소재의 평면도,

도 3 은 종래 레이저 가공기의 초기관통홀 가공제어흐름을 보이는 플로우 차트,

도 4 는 본 발명에 따른 레이저 가공기의 초기관통홀 가공장치의 구성을 보이는 블록구성도,

도 5 는 본 발명에 따른 레이저 가공기의 초기관통홀 가공제어흐름을 보이는 플로우 차트,

도 6 은 본 발명에 따른 광섬유로 입사되는 반사광의 광전압레벨과 그 시간에 따른 신호패턴을 보이는 파형도이다.

도면의 주요부분에 대한 부호설명

30 : 가공헤드 48 : 제어부

31 : 소재 50 : 출력인터페이스 회로부

B1 : 반사광 52 : 경보회로부

32 : 광섬유 520 : 레이저 발진기

40 : 광/전기신호 변환부 B2 : 레이저 빔

42 : 증폭부 V : 광전압레벨

44 : 아날로그/디지털 변환부 Vb : 초기관통홀가공시 광전압레벨

46 : 입력인터페이스 회로부 Vc : 연장시 광전압레벨

31a : 초기관통홀 Tc : 연장시간

이하본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도4는 본 발명에 따른 레이저 가공기의 초기관통홀 가공장치의 구성을 보이는 블록구성도로서, 이에 도시된 바와 같이 레이저 가공기의 가공헤드(30) 안쪽으로 노출되어 소재(31)로부터 반사되는 반사광(B1)을 검출하는 광섬유(32)와, 상기 광섬유(32)로부터 검출되는 반사광(B1)을 전기적인 신호로 변환하는 광/전기신호 변환부(40)와, 상기 광/전기신호 변환부(40)에 의해 변환된 전기신호를 증폭하는 증폭부(42)와, 상기 증폭부(42)에 의해 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부(44)와, 상기 아날로그/디지털 변환부(44)로부터 출력되는 디지털 신호를 소정의 전압레벨로 변환하는 입력인터페이스 회로부(46)와, 상기 입력인터페이스 회로부(46)를 통해 입력되는 디지털 신호의 레벨을 비교연산한 후 이를 기초로하여 초기관통홀(31a)의 가공시작시점과 가공완료시점을 검출한 다음 정상적인 커팅가공을 수행하도록 제어하는 한편, 경보신호를 출력하는 제어부(48)와, 상기 제어부(48)를 통해 출력되는 경보신호 및 커팅가공신호를 소정의 전압레벨로 변환하는 출력인터페이스 회로부(50)와, 상기 출력인터페이스 회로부(50)와 접속되어 이를 통해 출력되는 경보신호에 따라 경보하는 경보회로부(52)로 구성하였다.

상기 광섬유(32)는 상기 가공헤드(30)에 소정각도인 예컨대 45°각도로 노즐(68)을 향하여 하향되도록 설치될 수 있으나 꼭 이러한 설치각도에 한정하려는 것은 아니며, 이 가공헤드(30)에 나사결합되는 볼트(69)를 이용하여 고정된다.

도면중 미설명 부호 70은 상기 가공헤드(30)에 위치되어 레이저 빔(B2)을 집속하는 포커스 렌즈를 나타낸 것이고, 80은 헤드이송축 서보구동부를 나타낸 것이며, Xm은 헤드세로 이송용 서보모터를 나타낸 것이고, Ym은 헤드가로 이송용 서보모터를 나타낸 것이며, Zm은 헤드 업/다운 서보모터를 나타낸 것이다.

도5는 본 발명에 따른 레이저 가공기의 초기관통홀 가공제어흐름을 보이는 플로우 차트로서, 이에 도시된 바와 같이 출력인터페이스 회로부(50)를 통해 레이저 발진기(520)를 제어하여 레이저 빔(B2)을 소재(31)를 향해 출력하는 단계(S10);

소재(31)로부터 반사되어 광섬유(32)로 입사되는 반사광(B1)의 광전압레벨(V)이 초기관통홀가공시 광전압레벨(Vb) 이상인가의 여부를 비교연산하여 그 비교연산결과가 정의 값을 가지는 경우 명령수행을 다음 단계로 넘기고, 부의 값을 가지는 경우 정의 값을 가질 때까지 무한루프를 도는 단계(S20);

초기관통홀 가공시간(Tb) 동안 시간을 지연시키는 단계(S30);

소재(31)로부터 반사되어 광섬유(32)로 입사되는 반사광(B2)의 광전압레벨(V)이 연장시 광전압레벨(Vc)과 같은 가의 여부를 비교연산하는 단계(S40);

상기의 단계(S40)로부터 그 비교연산결과가 부의 값을 가지는 경우 제어부(48)에 접속된 출력인터페이스 회로부(50)를 통해 경보회로부(52)에 구동신호를 출력하여 이 경보회로부(52)로하여 경보신호를 출력케 한 다음 종료하는 단계(S50);

상기의 단계(S40)로부터 그 비교연산결과가 정의 값을 가지는 경우 연장시간(Tc) 동안 시간을 지연시키는 단계(S60);

상기의 단계(S60)에 이어서 커팅가공을 수행하고 종료하는 단계(S70)로 구성하였다.

도6은 본 발명에 따른 광섬유로 입사되는 반사광의 광전압레벨과 그 시간에 따른 신호패턴을 보이는 파형도로서, 이에 도시된 바와 같이 부호 Va는 자연광이 광섬유(32)에 입사되어 나타나는 가공대기시 광전압레벨을 나타낸 것이고, 부호 Vb는 레이저 빔(B2)이 소재(31)에 반사되면서 광섬유(32)로 입사되는 반사광(B1)에 의한 초기관통홀가공시 광전압레벨을 나타낸 것이며, 부호 Vc는 연장시 광전압레벨을 나타낸 것이고, 부호 Vd는 정상커팅가공시 광전압레벨을 나타낸 것이며, 부호 Ve는 버닝시 광전압레벨을 나타낸 것이다.

이중에 연장시 광전압레벨(Vc)은 초기관통홀가공시 광전압레벨(Vb)보다는 현저하게 낮고, 정상커팅가공시 광전압레벨(Vd)보다는 약간 낮은 값으로 설정될 수 있다. 즉, 상기 연장시 광전압레벨(Vc)과 초기관통홀가공시 광전압레벨(Vb)의 차이보다 이 연장시 광전압레벨(Vc)과 정상커팅가공시 광전압레벨(Vd)의 차이가 크게 되도록 설정될 수 있다.

그리고 동도면에서 부호 Ta는 가공대기시간을 나타낸 것이고, 부호 Tb는 초기관통홀가공시간을 나타낸 것이고, 부호 Tc는 연장시간을 나타낸 것이고, 부호 Td는 정상커팅가공시간을 나타낸 것이고, 부호 Te는 버닝시간을 나타낸 것이다.

즉, 상기 초기관통홀가공시간(Tb)은 소재(31)의 재질 및 두께 그리고 레이저 발진기(520)의 출력을 고려한 가공예측시간보다 다소 길게 설정된 소정의 시간이 될 수 있다.

이하 본 발명에 따른 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 첨부도면 도3 내지 도6에 도시된 바와 같이 레이저 발진기(520)로부터 레이저 빔(B2)이 출력되지 않는 상태에서는 첨부도면 도4에 도시된 바와 같이 광섬유(32)를 통해 자연광이 입사되므로, 첨부도면 도6에 도시된 바와 같이 가공대기시 광전압레벨(Va)이 검출되며, 이것은 가공이 이루어지지 않는 동안인 가공대기시간(Ta) 동안 지속된다.

이 상태에서 첨부도면 도5에 도시된 바와 같은 단계 S10에서 제어부(48)가 출력인터페이스 회로부(50)를 통해 레이저 발진기(520)를 제어하여 레이저 빔(B2)을 소재(31)를 향해 출력하게 되면, 소재(31)로부터 레이저 빔(B2)이 반사되어 광섬유(32)의 일측단으로 입사되어 첨부도면 도4에 도시된 바와 같이 광섬유(32)의 타측단에 접속되어 있는 광/전기신호 변환부(40)에서 광신호가 전기적인 신호로 변환된 후 증폭부(42)를 거치면서 소정의 전압레벨로 증폭되어 아날로그/디지털 변환부(44)를 입력단에 입력되어 디지털신호로 변환된다.

이때 아날로그/디지털 변환부(44)에 의해 변환된 디지털신호(광전압레벨)는 입력인터페이스 회로부(46)를 거치면서 제어부(48)의 전압레벨과 같은 전압레벨로 변환되어 이 제어부(48)의 데이터 메모리부(도시 않됨)로 로드된다.

이때 제어부(48)는 단계 S20에서 소재(31)로부터 반사되어 광섬유(32)로 입사되는 반사광(B1)의 광전압레벨(V)이 초기관통홀가공시 광전압레벨(Vb) 이상인가의 여부를 비교연산하여 그 비교연산결과가 부의 값을 가지는 경우 정의 값을 가질 때까지 계속해서 무한루프를 돌게 되는 한편, 그 비교연산결과가 정의 값을 가지는 경우 명령수행을 단계 S30으로 넘기게 된다. 즉, 이 초기관통홀가공시 광전압레벨(Vb)은 소재(31)의 재질 및 두께 그리고 레이저 발진기(520)의 출력에 따라 다양한 값을 가지게 되는데, 예컨대 5mm 두께의 연강을 1000W급의 레이저 발진기(520)를 이용하여 가공하는 경우 그 초기관통홀가공시 광전압레벨(Vb)은 약 10V로 되며, 또한 이것은 증폭부(42)의 증폭도에 따라 달라질 수 있는 값이고, 이 증폭부(42)의 증폭도를 가변하므로써 일정한 전압레벨로 조정이 가능한 것이다.

이후에 단계 S30에서는 초기관통홀 가공시간(Tb) 동안 시간을 지연시키게 된다. 즉, 이 초기관통홀 가공시간(Tb)은 소재(31)의 재질 및 두께 그리고 레이저 발진기(520)의 출력을 고려한 가공예측시간보다 다소 길게 설정된 소정의 시간이 될 수 있다.

이러한 과정에서 레이저 가공기 또는 소재(31)에 이상이 없거나 상기 가공예측시간보다 다소 길게 설정된 초기관통홀 가공시간(Tb)이 잘못 설정된 값이 아니라면, 레이저 빔(B2)에 의해 소재(31)에 초기관통홀(31a)이 형성된다.

이때 단계 S40에서 제어부(48)는 소재(31)로부터 반사되어 광섬유(32)로 입사되는 반사광(B2)의 광전압레벨(V)이 연장시 광전압레벨(Vc)과 같은가의 여부를 비교연산하게 되는데, 이러한 과정에서 그 비교연산결과가 부의 값을 가지는 경우 단계 S50에서와 같이 제어부(48)는 이에 접속된 출력인터페이스 회로부(50)를 통해 경보회로부(52)에 구동신호를 출력하여 이 경보회로부(52)로하여 경보신호를 출력하여 작업자에게 이상이 있다는 것을 알리게 되는 한편, 그 비교연산결과가 정의 값을 가지는 경우 제어부(48)는 단계 S60에서와 같이 연장시간(Tc) 동안 시간을 지연시키는 것에 의해 레이저 발진기(520)로하여 소재(31)의 초기관통홀(31a) 가공부위에 레이저 빔(B2)을 계속해서 출력하도록 하게 되어 정확한 초기관통홀(31a) 가공을 완료하게 되며, 단계 S70에서 제어부(48)는 헤드 이송축 서보구동부(80)를 통해 헤드 업/다운 서보모터(Zm), 헤드 가로이송용 서보모터(Ym) 및 헤드 세로이송용 서보모터(Xm)를 제어하여 커팅패턴에 따라 소재(31)를 커팅가공하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 레이저 가공기의 가공헤드 안쪽으로 노출되는 광섬유를 이용하여 소재가공전에 가공하는 초기관통홀의 가공시작시점과 가공완료시점을 보다 정확하게 검출할 수 있도록 구성되어 있으므로, 기존과 같이 초기관통홀의 가공완료시점이 어긋남에 따라 발생될 수 있는 커팅가공개시시점까지 대기하는 시간을 앞당길 수 있으므로, 가공생산성을 보다 향상시킬 수 있음은 물론이고, 과다한 가공이 이루어지는 것을 방지하여 이러한 것에 의한 가공불량을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 레이저 가공기의 가공헤드(30) 안쪽으로 노출되어 소재(31)로부터 반사되는 반사광(B1)을 검출하는 광섬유(32);

   상기 광섬유(32)로부터 검출되는 반사광(B1)을 전기적인 신호로 변환하는 광/전기신호 변환부(40);

   상기 광/전기신호 변환부(40)에 의해 변환된 전기신호를 증폭하는 증폭부(42);

   상기 증폭부(42)에 의해 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부(44);

   상기 아날로그/디지털 변환부(44)로부터 출력되는 디지털 신호를 소정의 전압레벨로 변환하는 입력인터페이스 회로부(46);

   상기 입력인터페이스 회로부(46)를 통해 입력되는 디지털 신호의 레벨을 비교연산한 후 이를 기초로하여 초기관통홀(31a)의 가공시작시점과 가공완료시점을 검출한 다음 정상적인 커팅가공을 수행하도록 제어하는 한편, 경보신호를 출력하는 제어부(48);

   상기 제어부(48)를 통해 출력되는 경보신호 및 커팅가공신호를 소정의 전압레벨로 변환하는 출력인터페이스 회로부(50);

   상기 출력인터페이스 회로부(50)와 접속되어 이를 통해 출력되는 경보신호에 따라 경보하는 경보회로부(52)로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 초기관통홀 가공장치.
2. 출력인터페이스 회로부(50)를 통해 레이저 발진기(520)를 제어하여 레이저 빔(B2)을 소재(31)를 향해 출력하는 단계(S10);

   소재(31)로부터 반사되어 광섬유(32)로 입사되는 반사광(B1)의 광전압레벨(V)이 초기관통홀가공시 광전압레벨(Vb) 이상인가의 여부를 비교연산하여 그 비교연산결과가 정의 값을 가지는 경우 명령수행을 다음 단계로 넘기고, 부의 값을 가지는 경우 정의 값을 가질 때까지 무한루프를 도는 단계(S20);

   초기관통홀 가공시간(Tb) 동안 시간을 지연시키는 단계(S30);

   소재(31)로부터 반사되어 광섬유(32)로 입사되는 반사광(B2)의 광전압레벨(V)이 연장시 광전압레벨(Vc)과 같은 가의 여부를 비교연산하는 단계(S40);

   상기의 단계(S40)로부터 그 비교연산결과가 부의 값을 가지는 경우 제어부(48)에 접속된 출력인터페이스 회로부(50)를 통해 경보회로부(52)에 구동신호를 출력하여 이 경보회로부(52)로하여 경보신호를 출력케 한 다음 종료하는 단계(S50);

   상기의 단계(S40)로부터 그 비교연산결과가 정의 값을 가지는 경우 연장시간(Tc) 동안 시간을 지연시키는 단계(S60);

   상기의 단계(S60)에 이어서 커팅가공을 수행하고 종료하는 단계(S70)로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 가공기의 초기관통홀 가공제어방법.