KR20020052942A - 레이저 조사장치 - Google Patents

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KR20020052942A KR1020010081332A KR20010081332A KR20020052942A KR 20020052942 A KR20020052942 A KR 20020052942A KR 1020010081332 A KR1020010081332 A KR 1020010081332A KR 20010081332 A KR20010081332 A KR 20010081332A KR 20020052942 A KR20020052942 A KR 20020052942A
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Abstract

본 발명은 레이저빔을 조사하는 광학헤드와, 광학헤드를 회동유지하는 회동유지기구를 포함하는 로보트와 같은 자동용접장치에 채용되어지는 레이저 조사장치에 관한 것이다. 레이저의 스폿(spot)이 회동유지기구에 의해 광학헤드를 회동시킴으로써 용접장소에 고정밀도로 위치될 수 있게 된다.

Description

레이저 조사장치{LASER BEAM PROJECTOR}
본 발명은 레이저 조사장치에 관한 것으로, 특히 로보트 암의 선단등에 유지되는 자동 용접 헤드에 장착할 수 있고, 용접장소에 고정밀도로 레이저빔을 조사할수 있는 레이저 조사장치에 관한 것이다.
레이저빔을 이용하는 맞대기 용접(butt welding)이 자동차등의 제조에 있어서 부재를 접합하기 위해 일반적으로 이용되고 있다. 최근, CO2레이저가 CO2레이저에 의해 형성할 수 있는 것 보다 더 작은 스폿으로 레이저빔을 촛점 지울 수 있는 YAG 레이저에 의해 대체되고 있다. 작은 스폿으로 레이저빔을 촛점 지울 수 있는 YAG 레이저를 이용하는 용접공정은 작은 레이저빔 스폿을 이용하는 미세 용접을 달성할 수 있게 된다. 또한, 미세 용접은 0.05mm 칫수의 위치 정밀도로 홈에 레이저빔 스폿의 형성을 요구한다.
그러나, 현재의 산업 로보트의 추적(tracing) 정밀도는 상기한 위치 정밀도에 대응할 정도로 충분히 높지 않다. 따라서, 요구되는 용접 정밀도에 대응하는 만족할 만한 용접은 로보트 암의 선단에 YAG 레이저 조사장치를 탑재하는 것에 의해 간단히 달성될 수 없고, 로보트암이 산업용 로보트에 대해 미리 가르쳐준 용접 선을 추적하게 만든다. 요구되는 용접 정밀도에 대응하도록 다양한 측정이 제안되고 있다.
일본국 특허출원 제1998-328867호에 개시된 레이저빔 장치는 장력이 있는 판형상 제품을 유지하기 위한 작업 테이블과, 레이저빔의 촛점을 맞추고 제품상에 레이저빔의 촛점을 맞추기 위해 축운동을 할 수 있는 광학 촛점 시스템, 레이저빔 조사 노즐과 함께 필수불가결하게 제공되는 상부 제품유지부재, 중공, 레이저빔 장치 헤드와 상부 제품유지부재를 내부연결하여 레이저빔 장치 헤드와 상부 제품유지부재가 레이저빔을 촛점 맞추기 위해 서로에 대해 이동할 수 있는 확장연결부재 및, 하부 고정 표면판을 구비하여 구성된다. 제품은 레이저빔 장치의 가까운 위치에서 상부 제품유지부재와 하부 고정 표면판 사이에 유지된다.
이러한 알려진 레이저빔 장치는 원하는 경로를 추적하는 레이저빔을 만들도록 그 위에 제품을 지지하는 작업 테이블을 이동시킨다. 따라서, 레이저빔 장치가 부득이 하게 커지고, 제품의 형상에 제한을 주게 된다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 자동 용접장치의 동작을 돕고, 고정밀도로 용접 부분에 레이저빔을 조사하는 용접 로보트와 같은 자동 용접장치상에 탑재된 레이저 조사장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 로보트에 탑재된 본 발명의 실시예에 따른 레이저 조사장치의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 레이저 조사장치의 평면도,
도 3은 도 1에 도시된 레이저 조사장치에 포함된 광학헤드 회동기구의 개략 측면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 조사장치의 개략 평면도,
도 5a 및 도 5b는 각각 도 4에 도시된 레이저 조사장치에 포함된 회동기구의 개략 측면도 및 개략 정면도,
도 6a 및 도 6b는 도 4에 도시된 레이저 조사장치에 포함된 제1회동 프레임을 회동시키기 위한 회동기구와 제2회동 프레임을 회동시키기 위한 회동기구의 개략 측면도이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 조사장치는, 레이저빔을 조사하는 광학헤드와; 광학헤드를 유지 및 회동시키는 회동유지기구를 구비하여 구성된 것을 특징으로 한다.
회동유지기구가 광학헤드를 유지하여 광학헤드가 광학헤드의 중심을 지나는 축에 대해 회동될 수 있도록 되는 것이 바람직하다.
회동유지기구가 용접선과 직교방향으로 광학헤드를 회동시키는 제1회동유지 유니트와, 용접선의 방향으로 광학헤드를 회동시키기 위한 제2회동유지 유니트를 포함하는 것이 바람직하다.
회동유지기구가 광학헤드를 회동시키기 위해 광학헤드에 구동력을 전달하는회동링크기구를 포함하는 것이 바람직하다.
광학헤드는 YAG 레이저빔을 방사하는 헤드일 수 있다.
광학헤드는 로보트 암 등에 탑재될 수 있다.
(실시예)
이하, 예시도면을 참조하면서 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 조사장치(S)를 도시한 것으로, 레이저 조사장치(S)는 로보트 암의 동작과 협조하여 레이저빔을 고정밀도로 용접장소에 조사하도록 로보트(R)의 로보트 암(RA)의 선단에 부착된다. 레이저 조사장치(S)는 핵심 구성요소로서 레이저빔을 조사하는 YAG 레이저가 설치된 광학헤드(10)와, 광학헤드(10)를 유지 및 회동시킬 수 있는 회동유지기구(20)를 포함한다. 광학헤드(10)는 실질적으로 다단 원통과 유사한 형상을 갖는다. YAG 레이저에 의해 방사되는 레이저빔은 제품에 광학헤드(10)의 레이저빔 조사 종단을 통해 조사된다. 광학헤드(10)는 공지의 YAG 레이저 조사장치에 포함된 광학헤드와 구성이 동일함에 따라 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
광학헤드(10)의 중심을 지나는 공통 축을 따라 각각 반대 방향으로 연장하기 위한 한쌍의 축(11)이 원통형 광학헤드(10)의 부분에 부착된다. 회동유지기구 (20)는 축상에서 광학헤드(10)를 회동시킨다. 본 실시예에 있어서, 광학헤드(10)는 회동유지기구(20)에 의해 유지되면서 그 레이저빔 조사 종단이 아래쪽으로 향하고 있다.
도 2를 참조하는 바, 회동유지기구(20)는 광학헤드(10)를 지지하는 회동 프레임(21)과, 회동 프레임(21)을 회동가능하게 지지하는 유지 프레임(22), 모터(24)와 회동링크기구(23A)를 포함하는 회동기구(23) 및, 유지 프레임(22)에 연결되는 연결부재(25)를 포함한다. 연결부재(25)와 일체적으로 형성된 프랜지(도시되지 않았음)가 볼트 및 너트로 로보트 암의 선단에 부착된 프랜지(도시되지 않았음)에 접합된다.
회동 프레임(21)은 반원호형상부재(21b)의 반대 단에 U형상 부재(21a)의 반대측 부분의 자유단을 연결함으로써 형성된다. 축(11)이 U형상 부재(21a)의 반대측 부분을 통해 고정적으로 연장됨에 따라 광학헤드(10)가 회동부재(21)상에 지지된다.
유지 프레임(22)은 판형상부재(22b)를 반원호형상부재(22a)의 반대 단에 연결함으로써 형성된 U형상 프레임이다. 반원호형상부재(22a)의 곡률반경은 반원호형상부재(21b)의 곡률반경 보다 더 크다. 회동 프레임(21)은 유지 프레임(22)에 의해 에워싸인다. 회동 프레임(21)의 반원호형상부재(21b)와 유지프레임(22)의 반원호형상부재(22a)는 각각 광학헤드(10)에 대해 동일 측상에 위치한다. 축(11)은 유지 프레임(22)의 판형상부재(22b)에 유지된 베어링의 회동을 위해 지지된다.
연결부재(25)는, 예컨대 장방형 판이다. U형상 유지 프레임(22)의 반대 단이 연결부재(25)의 표면 하부의 반대측에 연결된다. 모터(24)가 연결부재(25)의 앞 표면의 상부 중간부분에 접합된다. 로보트 암의 선단에 부착된 프랜지에 연결된 프랜지는 연결부재(25)의 뒤 표면에 형성된다.
도 3을 참조하는 바, 회동기구(23)의 회동링크기구(23A)는 모터(24)에 포함된 축방향 이동이 가능한 구동축(24a)에 회동가능하게 연결된 일단과, U형상 부재(21a)의 반대측 부분 사이에서 연장되는 교차 부분의 외부 표면에 부착된 조인트(21c)에 회동가능하게 연결된 타단을 갖는다. 도 3에 도시된 화살표(A1) 방향으로 구동축(24a)을 진출시키도록 모터(24)가 구동될 때, 회동링크기구(23A)는 도 3에 도시된 바와 같이 반시계방향으로 회동된다. 한편, U형상 부재(21a)의 교차부분은 화살표(A2) 방향으로 당겨지고, 광학헤드(10)가 도 3에 도시된 바와 같이 시계방향으로 회동함으로써, 광학헤드(10)의 레이저빔 조사단이 화살표(A3)에 의해 나타내는 바와 같이 안쪽, 예컨대 로보트 암을 향해 움직인다.
도 3에 도시된 화살표(B1) 방향으로 구동축(24a)을 진입시키도록 모터(24)가 구동될 때, 회동링크기구(23A)는 도 3에 도시된 바와 같이 시계방향으로 회동된다. 한편, U형상 부재(21a)의 교차부분이 화살표(B2) 방향으로 내려 눌려지고, 광학헤드(10)가 도 3에 도시된 바와 같이 반시계방향으로 회동됨에 따라 광학헤드(10)의 레이저빔 조사단이 화살표(B3)로 나타내는 바와 같이 외부방향, 예컨대 로보트 암으로부터 멀어지는 방향으로 움직인다.
광학헤드(10)의 축(11)이 상기한 바와 같이 유지 프레임(22)상의 베어링에서 지지됨으로써 광학헤드(10)가 도 1에 도시된 용접선(K; 홈)에 직교하는 방향으로 축(11)상에서 회동된다.
본 실시예에 따르면, 광학헤드(10)가 용접선(K)에 직교하는 방향으로 유지 프레임(22)상에서 회동됨으로써 레이저 조사장치에 의해 조사되는 레이저빔은 용접선(K)상에 조사되고, 광학헤드(10)가 회동될 때 회동유지기구(20)상에서 작용하는반응력은 광학헤드가 병진운동을 할때의 유지기구상에서 작용하는 반응력 보다 다 더 낮다. 광학헤드(10)가 광학헤드(10)의 중심을 지나는 공통 축을 갖춘 축(11)에 의해 지지되고, 광학헤드(10)가 축(11)의 공통 축에 대해 회동됨으로써 광학헤드(10)의 관성 모멘트가 작고, 따라서 회동유지기구(20)상에서 작용하는 반응력이 더 낮다. 따라서, 회동유지기구(20)는 매우 작은 구조로 형성될 수 있고, 로보트 암에 용이하게 부착될 수 있게 된다.
모터(24)의 구동축(24a)의 선형 운동은 어떠한 감속기(reduction gear)를 이용하는 것 없이 회동링크기구(23A)에 의해 회동 프레임(21)의 회동운동으로 변환된다. 따라서, 회동 프레임(21)은 감속기에서의 백래시(backlashes)에 의해 야기될 수 있는 어떠한 손실 동작 없이 회동될 수 있게 되고, 따라서 레이저빔 조사의 정밀도가 개선될 수 있게 된다. 더욱이, 반대 방향으로 교대로 주기적으로 광학헤드(10)를 회동시킴으로써 위빙(weaving) 레이저빔 용접이 달성될 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 조사장치에 대해 설명한다. 레이저 조사장치는 서로 직교하는 2개의 축에 대해 회동을 위해 지지된 광학헤드를 갖는다.
도 4는 개략 평면도로 본 발명에 따른 레이저 조사장치(S1)를 나타내는 바, 제1회동 프레임(21)이 유지 프레임(22)상에서 그에 고정된 축(21d)에 의해 지지되어, 제1회동 프레임(21)이 유지 프레임(22)과 관련된 축(21d)의 공통 축에 대해 회동할 수 있게 된다.
제2회동 프레임(26)은 제1회동 프레임(21)상에서 그에 고정된 축(26d)에 의해 지지되어, 제2회동 프레임(26)이 제1회동 프레임(21)과 관련된 축(26d)의 공통 축에 대해 회동할 수 있게 된다. 제1회동 프레임(21)은 제1모터(24)를 포함하는 제1회동기구(23)에 의해 축(21d)의 공통 축에 대해 회동될 수 있다. 제2회동 프레임(26)은 제2모터(28)를 포함하는 제2회동기구(27)에 의해 축(26d)의 공통 축에 대해 회동될 수 있다.
제1회동 프레임(21)과, 유지 프레임(22) 및, 제1회동기구(23)는 각각 이전의 실시예에서의 레이저 조사장치(S)의 그것과 유사하다. 제2회동 프레임(26)은 U형상 부재(26a)의 반대측 부분의 자유단을 반원호형상부재(26b)의 반대단에 연결함으로써 형성된다. 제2회동 프레임(26)은 제1회동 프레임(21)에 의해 에워싸인다. 제1회동 프레임(21)의 반원호형상부재(21b)와 제2회동 프레임(26)의 반원호형상부재(26b)는 각각 광학헤드(10)에 대해 동일한 측상에 위치된다. 광학헤드(10)는 U형상 부재(26a)의 중앙 부분과 반원호형상부재(26b)의 중앙 부분을 통해 고정적으로 연장된 축(26d)에 따라 제2회동 프레임(26)에 지지된다. 축(26d)은 제1회동 프레임(21)에 유지된 베어링에서의 회동을 위해 지지된다. 유지 프레임(22)은 이전의 실시예에서의 레이저 조사장치(S)에 포함된 것과 구성이 동일하다. 제1회동 프레임(21)의 U형상 부재(21a)의 측면 부분에 고정된 축(21d)은 유지 프레임(22)상에 유지된 베어링으로 지지된다.
도 5a 및 도 5b를 참조하는 바, 제2회동기구(27)의 회동링크기구(27A)는 볼 조인트에 의해 모터(28)에 포함된 축방향 이동가능 구동축(28a)에 연결된 일단과, U형상 부재(26a)의 반대측 부분 사이에서 연장되는 교차 부분의 외부 표면에 부착된 조인트(26c)에 볼 조인트에 의해 연결된 타단을 갖는다. 모터(28)가 도 5a 및 도 5b에 도시된 화살표(A1)의 방향으로 구동축(28a)을 진출시키도록 구동되어질 때, 회동링크기구(27A)는 도 5a 및 도 5b에 도시된 화살표(A2)의 방향으로 U형상 부재(26a)의 교차 부분에 부착된 조인트(26c)를 끌어 당기고, 따라서 광학헤드(10)가 도 5b에 도시된 바와 같이 시계방향으로 회동되고, 광학헤드(10)의 레이저빔 조사단이 도 5b에 도시된 화살표(A3)의 방향으로 움직인다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 화살표(B1)의 방향으로 구동축(28a)이 진입되도록 모터(28)가 구동될 때, 회동링크기구(27A)는 화살표(B2)의 방향으로 제2회동 프레임(26)에 부착된 조인트(26c)를 밀어 내려 광학헤드(10)가 도 5b에 도시된 바와 같이 반시계방향으로 회동되고, 따라서 광학헤드(10)의 레이저빔 조사단이 도 5b에 도시된 화살표(B3)의 방향으로 움직이게 된다.
제1회동기구(23)는 용접선(K; 홈)에 직교하는 방향으로 광학헤드(10)를 회동시키고, 제2회동기구(27)는 용접선(K)의 방향으로 광학헤드(10)를 회동시킨다.
본 실시예에 있어서, 광학헤드(10)는 서로 직교하는 2개의 축에 대해 회동될 수 있게 된다. 따라서, 홈이 복잡한 형상으로 만곡되어도 레이저빔이 홈위에 고정밀도로 조사될 수 있게 된다. 광학헤드(10)의 레이저빔 조사단이 원 운동을 수행하도록 광학헤드(10)가 회동될 수 있으므로, 복잡한 위빙(weaving) 동작이 가능하게 된다.
상기한 실시예에 있어서 레이저 조사장치의 다양한 변형이 가능하다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 회동링크기구(23A) 대신, 조인트에 의해 2개의링크를 회동가능하게 연결함으로써 형성되고, 모터(24)의 구동축(24a)에 고정된 일단과 회동 프레임(21)의 조인트(21c)에 회동가능하게 연결된 타단을 갖춘 회동링크기구(23B)가 상기 실시예의 제1회동기구(23)에 제공될 수 있다.
도 6b에 나타낸 바와 같이, 회동링크기구(27A) 대신, 볼 조인트에 의해 2개의 링크를 회동가능하게 연결함으로써 형성되고, 모터(28)의 구동축(28a)에 고정된 일단과 회동 프레임(26)의 조인트(26c)에 볼 조인트에 의해 회동가능하게 연결된 타단을 갖춘 회동링크기구(27B)가 상기 실시예의 제2회동기구(27)에 제공될 수 있다.
회전링크기구(23B)(27B)를 이용할 때, 구동축(24a)(28a)이 진출 또는 진입될 경우의 광학헤드(10)의 회동 방향은 회동링크기구(23A)(27B)를 이용할 경우의 광학헤드(10)의 회동방향과 반대이다.
본 발명이 용접 로보트에 채용되는 것으로 설명되어졌음에도 불구하고, 본 발명은 다양한 자동 용접장치에 적용할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기한 특정 실시예에 대해서 설명하고 있지만, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.
이상의 설명으로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따르면, 레이저빔의 스폿이 광학헤드를 회동시킴으로써 용접부분상에 고정밀도로 위치될 수 있고, 따라서 광학헤드가 제품상에 레이저빔의 위치를 조정하도록 회동될 경우 회동유지기구상에 작용하는 반응력은 광학헤드가 동일한 목적을 위해 병진운동을 할 경우 유지기구상에서 작용하는 반응력 보다 더 낮다. 더욱이, 위빙 레이저빔 용접은 반대방향으로 교대로 광학헤드를 주기적으로 회동시킴으로써 달성될 수 있게 된다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 광학헤드가 그 중심을 지나는 축에 대응하는 위치에서 회전가능하게 지지됨으로써, 관성이 작고, 따라서 유지기구상에서 작용하는 반응력이 더욱 낮다.
본 실시예에서의 레이저 조사장치의 광학헤드가 용접선에 직교하는 방향 및 용접선의 방향으로 서로에 대해 직교하는 2개의 축에 대해 회동될 수 있음으로써, 레이저빔의 스폿이 용접장소에 더욱 고정밀도로 위치될 수 있고, 복잡한 위빙 동작이 달성될 수 있게 된다.
모터의 구동축의 선형 동작이 어떠한 감속기를 이용하는 것 없이 회동링크기구에 의해 회동 프레임의 회동 동작으로 변환됨으로써, 회동 프레임은 감속기에서 백래시에 의해 야기될 수 있는 어떠한 손실 동작 없이 회동될 수 있게 되고, 따라서 레이저빔의 스폿이 용접장소에 더욱 고정밀도로 위치될 수 있게 된다.
본 실시예에서의 광학헤드가 서로 직교하는 2개의 축에 대해 회동할 수 있음으로써, 홈이 복잡한 형상으로 만곡되어 있어도 레이저빔이 홈에 고정밀도로 조사될 수 있게 된다.

Claims (14)

  1. 레이저빔을 조사하는 광학헤드와;
    광학헤드를 유지 및 회동시키는 회동유지기구를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 조사장치.
  2. 제1항에 있어서, 회동유지기구가 광학헤드를 유지하여 광학헤드가 광학헤드의 중심을 지나는 축에 대해 회동될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 레이저 조사장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 회동유지기구가 용접선과 직교방향으로 광학헤드를 회동시키는 제1회동유지 유니트와, 용접선의 방향으로 광학헤드를 회동시키기 위한 제2회동유지 유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사장치.
  4. 제1항에 있어서, 회동유지기구가 광학헤드를 회동시키기 위해 광학헤드에 구동력을 전달하는 회동링크기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사장치.
  5. 제2항에 있어서, 회동유지기구가 광학헤드를 회동시키기 위해 광학헤드에 구동력을 전달하는 회동링크기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사장치.
  6. 제3항에 있어서, 회동유지기구가 광학헤드를 회동시키기 위해 광학헤드에 구동력을 전달하는 회동링크기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사장치.
  7. 제1항에 있어서, 광학헤드가 YAG 레이저빔을 방사하는 것을 특징으로 하는 레이저 조사장치.
  8. 로보트 암과;
    레이저빔을 조사하는 광학헤드와, 광학헤드를 유지 및 회동시키는 회동유지기구를 포함하고, 로보트 암에 부착된 레이저 조사장치를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 로보트.
  9. 제8항에 있어서, 회동유지기구가 광학헤드를 유지하여 광학헤드가 광학헤드의 중심을 지나는 축에 대해 회동될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 로보트.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 회동유지기구가 용접선과 직교방향으로 광학헤드를 회동시키는 제1회동유지 유니트와, 용접선의 방향으로 광학헤드를 회동시키기 위한 제2회동유지 유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 로보트.
  11. 제8항에 있어서, 회동유지기구가 광학헤드를 회동시키기 위해 광학헤드에 구동력을 전달하는 회동링크기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 로보트.
  12. 제9항에 있어서, 회동유지기구가 광학헤드를 회동시키기 위해 광학헤드에 구동력을 전달하는 회동링크기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 로보트.
  13. 제10항에 있어서, 회동유지기구가 광학헤드를 회동시키기 위해 광학헤드에 구동력을 전달하는 회동링크기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 로보트.
  14. 제8항에 있어서, 광학헤드가 YAG 레이저빔을 방사하는 것을 특징으로 하는 로보트.
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