KR20050051742A - High speed, great space laser finishing machine that control position by nano-meter scale - Google Patents

High speed, great space laser finishing machine that control position by nano-meter scale Download PDF

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KR20050051742A KR1020030085358A KR20030085358A KR20050051742A KR 20050051742 A KR20050051742 A KR 20050051742A KR 1020030085358 A KR1020030085358 A KR 1020030085358A KR 20030085358 A KR20030085358 A KR 20030085358A KR 20050051742 A KR20050051742 A KR 20050051742A
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Abstract

본 발명은 기체로 부상되는 가이드(guide)와 결합된 평면자석 구동형 선형모터(linear motor)를 탑재한 XYZ-3축 직교로봇에 갈바노 모터(galvano-motor), flat-field Lens set , 갈바노 모터 드라이버(galvano-motor driver)로 구성되는 레이저 스케너(scanner)를 효과적으로 결합하고 , 스케너의 첫번째 갈바노 모터에 달린 반사경 전단에 빔 분할기를 삽입하여 가공면으로부터 올라온 탐색광을 CCD 카메라 소자에 이미징(imaging)하여 여기서 나온 신호를 컴퓨터에 영상 신호로 전송하고 분석, 처리하여 원하는 형태의 용접(welding), 절단(cutting), 표면처리, 드릴링(drilling), 마킹(marking)등의 가공을 획기적으로 빠르면서도 나노 미터급으로 위치를 정밀 제어하는 고속, 대공간 레이저 가공기를 구현하기 위하여;The present invention provides a galvano-motor, a flat-field lens set, and a galvano to an XYZ-3 axis orthogonal robot equipped with a planar magnet-driven linear motor coupled with a guide that floats as a gas. Effectively combines a laser scanner consisting of a galvano-motor driver, and inserts a beam splitter in front of the reflector attached to the scanner's first galvano motor to image the search light from the machined surface onto the CCD camera element. Imagine and transmit the signal from the computer as an image signal, analyze it, and process it to dramatically reduce the welding, cutting, surface treatment, drilling, and marking of the desired shape. To implement a high-speed, large-space laser processing machine that precisely controls positions at a fast and nanometer scale;

기체로 부상되는 가이드(guide)와 결합된 평면자석 구동형 선형모터(linear motor)를 탑재한 XYZ-3축 직교로봇과,XYZ-3 axis orthogonal robot equipped with a planar magnet driven linear motor coupled with a floating guide;

상기 직교로봇에 레이저 스케너(scanner)를 효과적으로 결합하고, 스케너의 첫번째 갈바노 모터에 달린 반사경 전단에 빔 분할기를 삽입하고,Efficiently combine a laser scanner with the orthogonal robot, insert a beam splitter in front of the reflector attached to the first galvano motor of the scanner,

상기 빔 분할기를 통하여 탐색광을 CCD 카메라 소자에 이미징(imaging)하여 여기서 나온 신호를 컴퓨터에 영상 신호로 전송하고,The search beam is imaged to the CCD camera element through the beam splitter, and the signal from the beam splitter is transmitted to the computer as an image signal.

상기 영상신호를 전송받아 분석, 처리하여 대면적을 도3과 같이 스케너의 유효작업 공간으로 분할해서 유효작업 공간(cell)내부에서는,The video signal is received, analyzed and processed, and the large area is divided into the effective work space of the scanner as shown in FIG.

상기 유효작업 공간 내부에서 XY면은 스케너가 작업을 담당하고 스케너 유효 작업 공간의 기준 좌표점과,In the effective working space, the XY plane has a reference coordinate point of the scanner validating space, the scanner is in charge of the work,

상기 유효 작업 공간의 기준 좌표점과 다른 유효작업 공간의 기준 좌표 점으로의 이동과 Z축 이동은 도3과 같이 로봇과 PZT가 담당하는데, The robot and the PZT are responsible for the movement of the reference coordinate point of the effective working space and the Z-axis movement that are different from the reference coordinate point of the effective working space, as shown in FIG.

상기 로봇과 레이저 스케너, 레이저 스케너 몸체와 갈바노 모터 사이에 각각 전압을 가하면 길이가 변하는 피에조 소자(PZT)를 이용하여 결합하고,When the voltage is applied between the robot and the laser scanner, the laser scanner body and the galvano motor, respectively, the piezo element (PZT) is changed in length,

상기 피에조 소자(PZT)와 결합된 모든 광학계는 공기 유동이나 온도의 변화, 기압의 변화로 인한 굴절률의 변화가 최소화 되도록 밀폐와 별도의 제어장치를 부착함으로써 수 나노 미터의 정밀도로 안정된 상태에서 정밀하게 용접(welding), 절단(cutting), 표면처리, 드릴링(drilling), 마킹(marking) 정보기록(recording)등을 레이저를 사용하여, 작업 종류에 따라 고체 레이저, 기체 레이저, 반도체 레이저, 액체 레이저 , 화이버(fiber) 레이저, 화학(COIL) 레이저, 자유전자 레이저를 사용하며, 발진 방식은 음향광학적 (AO) Q-switching , 전기광학적(EO) Q-switching , 수동 혹은 능동형 mode-locking, 전기적 변조에 의한 펨토 초(femto sec)에서 연속 발진으로 컴퓨터 및 마이크로 프로세서와 로봇, 스케너를 연동하여 제어함으로써 나노 미터급으로 위치를 제어하는 고속, 대공간 레이저 가공기를 제공하는데 있다.All optical systems combined with the piezoelectric element (PZT) are precisely fixed in a stable state with a precision of several nanometers by attaching a separate and separate control device to minimize a change in refractive index due to air flow, temperature change, or air pressure change. Welding, cutting, surface treatment, drilling, marking information recording etc., using laser, solid laser, gas laser, semiconductor laser, liquid laser, Fiber lasers, COIL lasers and free electron lasers are used, and the oscillation method is used for acoustic optical (AO) Q-switching, electro-optical (EO) Q-switching, passive or active mode-locking, and electrical modulation. High-speed, large-space laser that controls position at nanometer level by controlling computer, microprocessor, robot and scanner by continuous oscillation at femto sec To provide the air.

Description

나노 미터급으로 위치를 제어하는 고속, 대공간 레이저 가공기{ High speed, great space laser finishing machine that control position by nano-meter scale}High speed, great space laser finishing machine that control position by nano-meter scale}

본 발명의 기술분야 중에서 첫째, 기존의 직교 로봇 분야는 기계적 이송 방식인 볼스크류 타입이 갖는 최대 정밀도가 0.02mm 정도 이므로 보다 정밀한 위치제어가 어렵지만, 기체로 부상되는 가이드(guide)와 결합된 평면자석 구동형 선형모터(linear motor)를 이용하여 구성하면 수백 나노 미터대의 정밀도까지 정밀하게 위치를 제어할 수 있는 XYZ-3축 직교로봇을 구성할 수 있다. 기계적 이송방식은 스크류(screw) 축 자체 하중에 의한 처짐이나 사용되는 장소의 온도 변화에 의한 열변형 때문에 정밀도 대비 가공 면적에 제한을 받아왔지만, 자석을 사용하는 선형모터는 이러한 문제점을 일부 보완하고 있다. 레이저 가공에 있어서 레이저는 일정한 출력을 유지하는 반면 로봇은 필연적으로 가속, 등속, 감속의 과정을 거쳐야 한다. 이때 시작점에서 등속구간에 이르는 가속구간의 레이저 조사량이 달라서 그 구간 내의 각각의 위치에서 가공품질이 다르다. 등속구간에서는 일정한 가공 품질이 유지되며, 감속구간에서도 가속구간에서와 같은 성질의 현상이 발생한다. 또한 이송속도는 볼스크류 타입이 일반적으로 20mm 피치의 경우 최대 1m/sec, 리니어 모터타입이 5m/sec 정도이지만 자체 하중과 기계적인 한계로 인하여 가공기에서 사용되는 최대 이송속도로 쓰기에는 비경제적이며, 정밀한 위치제어나 가공이 될수록 속도는 점차 내려서 쓰는 것이 일반적이지만, 현장에서는 좀더 빠르면서도 정밀도가 높고 경제적인 가공기를 요구하고 있다. In the technical field of the present invention, first, the conventional orthogonal robot field has a maximum precision of 0.02mm of the ball screw type, which is a mechanical transfer method, so that more precise position control is difficult, but a plane magnet coupled with a guide that floats as a gas Using a linear motor, the XYZ-3 axis orthogonal robot can be configured to precisely control the position to hundreds of nanometers. The mechanical feed method has been limited in the processing area for precision due to the deflection due to the screw shaft's own load or the thermal deformation due to the temperature change in the place where it is used, but the linear motor using magnets compensates for this problem. . In laser processing, a laser must maintain a constant power while a robot must inevitably go through acceleration, constant velocity, and deceleration. At this time, the laser irradiation dose from the starting point to the constant velocity section is different, so the processing quality is different at each position within the section. The constant machining quality is maintained in the constant velocity section, and the same phenomenon occurs in the deceleration section as in the acceleration section. In addition, the feed speed is generally 1m / sec for the 20mm pitch ball screw type and 5m / sec for the linear motor type, but it is not economical to use at the maximum feed speed used in the machine due to its own load and mechanical limitations. As precision position control and machining become more common, the speed is gradually lowered, but in the field, a faster, more precise and economical machine is required.

둘째, 갈바노 모터와 비구면 렌즈의 조합인 flat-field Lens set을 사용하는 레이저 스케너(scanner) 분야는 레이저의 특성상 대면적을 가공하려면 동일한 레이저를 사용하더라도 빔의 spot size가 커져야 하고, spot size를 줄이려면 초점거리가 짧아져 작업면적이 적어지는 특징이 있다. 하지만 레이저 스케너는 빔의 위치를 이송하는 속도가 최대 10m/sec에 이르고, 거의 진동을 발생시키지 않으면서도 기계 자체 질량도 수백 그람(g) 정도밖에 되지 않는다. 또한 직교 로봇과는 달리 가속과 감속이 레이저 입장에서 보면 거의 무시할 정도로 적어서 가공 전구간의 가공품질이 일정하게 유지 된다. Second, in the area of laser scanner using flat-field lens set, which is a combination of galvano motor and aspherical lens, the spot size of the beam must be increased even if the same laser is used to process the large area due to the characteristics of the laser. To reduce, the focal length is shorter and the working area is smaller. However, the laser scanner has a speed of moving the beam up to 10m / sec, and generates only a few hundred grams (g) of mass in itself without generating vibration. In addition, unlike orthogonal robots, acceleration and deceleration are almost negligible from the laser perspective, so that the processing quality between machining bulbs is kept constant.

셋째, 상기 기체로 부상되는 가이드(guide)와 결합된 평면자석 구동형 선형모터(linear motor)가 구현할 수 있는 수백 나노 미터 대의 정밀도를 극복하여 수 나노 미터의 정밀도를 갖도록 구성하려면 어려움이 많다. 일반적으로 피에조(Piezo) 소자 (PZT)가 1~2kV/mm 정도의 길이가 변화되는데, 전기적으로 마이크로 볼트 정도까지 전압이 조절되더라도 미리 미터(mm) 영역을 움직이려면 마이크로 볼트 단위로 0 ~ 수 kV까지 제어할 수 있는 드라이버 구성이 쉽지않고, 비 경제적이다.Third, it is difficult to construct a precision of several nanometers by overcoming the precision of several hundred nanometers that can be realized by a planar magnet-driven linear motor coupled with a guide that floats with the gas. In general, the piezo element (PZT) varies in length of about 1 to 2 kV / mm. Even if the voltage is electrically controlled to about micro volts, it is 0 to several kV in microvolts to move the meter area in advance. It is not easy to configure a driver that can control up to, and it is not economical.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 고안한 것으로서, 그 목적은 기체로 부상되는 가이드(guide)와 결합된 평면자석 구동형 선형모터(linear motor)를 이용하여 수백 나노 미터까지 정밀하게 위치를 제어할 수 있는 XYZ-3축 직교 로봇을 구성하고, 전압을 가하면 길이가 변하는 피에조 소자(PZT)를 마이크로 미터 이내에서 조절이 가능하도록 구성하여 로봇의 최종 축인 Z축과 갈바노 모터, flat-field Lens set사이 사이에 삽입하여 결합하고, 갈바노 모터에 부착된 반사경 전단에 빔 분할기를 삽입하여 CCD카메라와 광학계로 이루어진 작업대상물의 영상을 추출하는 장치를 이루고 그 장치로부터 나온 영상 신호를 컴퓨터에 영상을 전송하고 분석하고 처리하여 나노 미터급의 작업 위치를 찾아 정렬 할 수 있고, 원하는 형태의 용접(welding), 절단(cutting), 표면처리, 드릴링(drilling), 마킹(marking), 정보 기록(recording) 등의 가공을 할 수 있을 뿐만 아니라, 이미지를 프로세스하여 연속적으로 작업물의 상태에 따라 작업순서, 위치 보정을 하여 작업을 하여, 기존에 할 수 없었던 나노 미터급의 초 정밀 가공이면서 대공간 가공을 쉽게 이룰 수 있을 뿐 아니라 가공 속도면에서도 기존의 리니어 모터 로봇 방식에 비해 같은 정밀도 구현일 때 최소 10배 이상 빠르게 작업이 진행되도록 함으로써 달성된다.The present invention has been devised to solve the above problems, and its purpose is to precisely control the position up to hundreds of nanometers by using a planar magnet driven linear motor coupled with a guide that floats as a gas. XYZ-3 axis orthogonal robot, which can be adjusted within a micrometer by changing the length of the piezo element (PZT) by applying voltage, Z-axis, galvano motor, final axis of the robot, flat-field lens set It is inserted in between and coupled, and the beam splitter is inserted in front of the reflector attached to the galvano motor to form a device for extracting the image of the workpiece consisting of the CCD camera and the optical system, and transmits the image signal from the device to the computer. Analyze, analyze and process to find and align nanometer work locations, welding, cutting and surface shapes It can not only process drilling, drilling, marking, information recording, etc., but also process the image and continuously work by correcting the work order and position according to the state of the workpiece. It is not only possible to achieve nanometer-class ultra-precision machining, but also to achieve large space machining easily, and to achieve processing speed at least 10 times faster when the same precision is realized compared to the conventional linear motor robot method. do.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 대면적을 레이저의 파장과 이루려는 레이저의 spot size를 계산하여 그 값을 바탕으로 구성되는 갈바노 모터와flat-field Lens set으로 이루어지는 스케너 유효 작업공간 크기의 셀(Cell) 내부의 XY면들로 분할한 다음 직교 로봇과 PZT는 셀과 셀의 지정 좌표 점들까지만 이동하고 셀 내부 XY면의 작업은 갈바노 모터 와 flat-field Lens set으로 구성된 스케너가 담당함으로써 나노 미터급의 위치 제어가 가능한 초 정밀 가공이면서 대공간 가공을 쉽게 이룰 수 있게 하는 장치를 구성하기 위하여, 모든 광학계를 구성하는 부분은 공기 유동이나 온도의 변화, 기압의 변화, 진동으로 인한 굴절률의 변화나 위치 변화가 최소화 되도록 일정 상태를 위지하기 위한 밀폐, 진동 방지, 공진현상 방지, 별도의 제어장치를 부착함으로써 수 나노 미터급 정밀 가공기가 제공되는데, 사용되는 레이저는 빔의 질을 결정하는 factor인 M2(엠스퀘어)값이 1.0 ~ 2.0사이의 값을 갖는 Pointing Vector가 안정된 발진 방식이여 한다. 작업을 하고자 하는 물질 종류에 따라 고체 레이저, 기체 레이저, 반도체 레이저, 액체 레이저 , 화이버(fiber) 레이저, 화학(COIL) 레이저, 자유전자 레이저가 사용되며, 레이저 발진 방식은 음향광학적(AO) Q-switching , 전기광학적(EO) Q-switching , 수동 혹은 능동형 mode-locking, 전기적 변조등이다. 펄스 폭은 펨토 초(femto sec) 펄스레이저에서 연속 발진에 이르는 레이저로써 가공특성에 따라 사용되며, 장치를 구성하는 기계적 구조물들은 온도 변화에 의한 열팽창이 가장적은 재료로서 슈퍼인바,세라믹,석재를 사용하며, 레이저 해드(laser head)는 다이오드 레이저나 다이오드 레이저로 펌핑(pumping)되는 고체 레이저와 같이 작고 가벼운 레이저는 Z축에 스케너와 함께 결합하여 탑재 하지만, 크고 무거운 레이저는 로봇의 프레임 위에 같이 정렬하여 놓고 반사경들을 이용하여 전송하며, 컴퓨터나 마이크로 프로세서를 사용하여 이 장치에서 사용되는 각종 드라이버들을 제어하고 통제하는 장치를 구성함으로써 반도체나 나노 기술에서 사용되는 나노 미터급의 정밀한 위치 제어가 가능한 가공 정밀도 대비 대공간 레이저 가공기를 구성하여 제공하는 발명에 관한 것이다.In order to achieve the above object, the present invention calculates a spot size of a laser to achieve a large area with a wavelength of a laser, and calculates the effective size of a scanner based on a galvano motor and a flat-field lens set. After division into XY planes inside the cell, the Cartesian robot and PZT move only to the cell and the specified coordinate points of the cell, and the work of the XY plane inside the cell is handled by a scanner consisting of a galvano motor and a flat-field lens set. In order to construct an ultra-precision processing that enables metric position control, and to make large-space processing easily, all the optical system parts are composed of air flow, temperature change, air pressure change, and refractive index change due to vibration. B. Sealing, vibration prevention, resonance phenomenon prevention, and separate control device for attaching a certain state to minimize position change The nanometer precision processing machine is provided, and the laser used should be a stable oscillation method of the pointing vector whose M 2 (m square) value, which determines the beam quality, is between 1.0 and 2.0. Solid laser, gas laser, semiconductor laser, liquid laser, fiber laser, chemical laser, free electron laser and free electron laser are used depending on the type of material to be worked on. switching, electro-optical (EO) Q-switching, passive or active mode-locking, and electrical modulation. The pulse width is a laser from femto sec pulse laser to continuous oscillation. It is used according to the processing characteristics. The mechanical structures that make up the device use super invar, ceramic, and stone as the materials with the least thermal expansion due to temperature change. Laser heads are small and light lasers, such as diode lasers or solid-state lasers pumped by diode lasers, mounted in combination with a scanner on the Z axis, but large and heavy lasers are aligned on the robot's frame. Place and transmit using reflectors, and use a computer or a microprocessor to configure and control the various drivers used in this device, allowing for precise positioning control at the nanometer level used in semiconductor or nanotechnology. Composed of a large space laser processing machine It relates to people.

이를 실현하기 위한 본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같다.The configuration of the present invention for realizing this is as follows.

나노 미터급의 정밀한 위치 제어 대면적 레이저 가공기에 있어서, 기체로 부상되는 가이드(guide)와 결합된 자석 구동형 선형모터(linear motor)와 결합하여 수백 나노 미터까지 정밀하게 위치를 제어할 수 있는 XYZ-3축 직교 로봇(1)을 안정된 프레임(2) 위에 구성하고, 전압을 가하면 길이가 변하는 피에조 소자(PZT)(3)를 로보트의 최종 축인 Z축에 마이크로 미터 이내에서 조절이 가능하도록 구성하여 갈바노 모터(4), flat-field Lens set(6)사이 사이에 삽입하여 결합하고, 갈바노 모터에 부착된 첫번째 광 경로 제어 반사경(5) 전단에 빔 분할기(7)를 삽입하여 CCD소자(8)와 광학계(9)로 이루어진 작업 대상물의 영상 추출 장치를 이루고, 각각의 장치들은 그 드라이버나 마크로 프로세서를 거치거나 직접 컴퓨터(13)에 연결됨으로써 구성된다. Precise position control in the nanometer-scale large-area laser processing machine, combined with a magnetically driven linear motor combined with a guide that rises as a gas, XYZ for precise position control up to several hundred nanometers The 3-axis orthogonal robot 1 is configured on the stable frame 2, and the piezoelectric element (PZT) 3 whose length changes when a voltage is applied is configured to be adjustable within a micrometer on the Z axis, which is the final axis of the robot. Insert and couple between the galvano motor (4) and the flat-field lens set (6), and insert the beam splitter (7) in front of the first optical path control reflector (5) attached to the galvano motor (CCD). 8) and an optical image extraction device of the work object consisting of the optical system (9), each device is configured by going through a driver or a macro processor or directly connected to the computer (13).

상기와 같은 구성을 참조하여 본 본 발명의 작용을 설명하겠다.The operation of the present invention will be described with reference to the above configuration.

상기, 나노 미터급의 정밀한 위치 제어 대공간 레이저 가공기는 도3과 같은 방식으로 레이저의 파장과 이루려는 레이저(10)의 spot size 를 계산하여 그 값을 바탕으로 구성되는 갈바노 모터와 flat-field Lens set으로 이루어지는 스케너 유효 작업면적 크기의 셀(Cell)들로 분할한 다음 직교 로봇과 PZT는 셀과 셀의 지정 좌표 점들까지만 이동하고 셀 내부 XY면의 작업은 갈바노 모터 와 flat-field Lens set으로 구성된 스케너가 담당함으로써 나노 미터급의 위치 제어가 가능하면서도 기존의 리니어 모터 로봇 방식에 비해 같은 정밀도 구현일 때 최소 10배 이상 빠르게 작업이 진행되는 것으로써 탐색광에 의한 광학계와 CCD 카메라로 구성되는 영상 추출 장치로부터 나온 영상 신호를 컴퓨터에 전송, 분석, 처리하고 이미 작성된 데이터와 비교하여 확인하여 각 구동부에 신호를 전달하여 나노 미터급의 작업 위치를 찾아 정렬하여 작업을 실시하거나 이미 추출된 이미지를 프로세스하여 연속적으로 작업대상물(11)의 상태에 따라 작업순서, 위치 보정, 원점 보정을 하면서 대공간을 가공하는데, 모든 광학계를 구성하는 부분은 공기 유동이나 온도의 변화, 기압의 변화, 진동으로 인한 굴절률의 변화나 위치 변화가 최소화 되도록 일정 상태를 위지하기 위한 밀폐, 진동 방지, 공진현상 방지, 별도의 제어장치를 부착함으로써 수 나노 미터급 정밀 가공기가 제공되는데, 사용되는 레이저는 빔의 질을 결정하는 factor인 M2(엠스퀘어)값이 1.0 ~ 2.0사이의 값을 갖는 Pointing Vector가 안정된 발진 방식이여 하며, 레이저 헤드(Head)는 다이오드 레이저나 다이오드 레이저로 펌핑(pumping)되는 고체 레이저와 같이 작고 가벼운 레이저는 Z축에 스케너와 함께 결합하여 탑재하고, 크고 무거운 레이저는 로봇의 프레임 위에 같이 정렬하여 놓고 반사경(12)들을 이용하여 전송하며, 나노 미터급 정밀 가공기를 구성하는 기계적 구조물들은 온도 변화에 의한 열팽창이 가장적은 재료로서 수퍼인바, 세라믹, 석재를 사용하거나 길이 제어가 가능한 재료를 사용하며, 컴퓨터나 마이크로 프로세서를 사용하여 이 장치에서 사용되는 각종 드라이버들을 제어하고 통제하는 장치를 구성함으로써 반도체나 나노 기술에서 사용되는 나노 미터급의 정밀한 위치 제어가 가능한 작업 정밀도 대비 대공간 레이저 가공기이다. The nanometer precision position control large space laser processing machine calculates the spot size of the laser 10 to be formed with the wavelength of the laser in the manner as shown in FIG. 3 and the galvano motor and the flat-field based on the values. After dividing the cell into the size of the scanner effective working area of the lens set, the Cartesian robot and the PZT move only to the cell and the specified coordinate points of the cell, and the work of the XY plane inside the cell is performed by the galvano motor and the flat-field lens set. It is possible to control the position of the nanometer by being in charge of the scanner which is composed of the optical system and the CCD camera which is operated by at least 10 times faster when the same precision is realized compared to the conventional linear motor robot method. Each drive unit transmits, analyzes and processes the image signal from the image extraction device to the computer and compares it with the data already written. It processes signals by finding and aligning nanometer-class working positions by processing signals, or by processing already extracted images to process large spaces while continuously performing work order, position correction, and origin correction according to the state of the workpiece 11. The parts that make up all optical systems are airtight, anti-vibration, anti-resonance, separate control to maintain a certain state to minimize air flow, temperature change, air pressure change, refractive index change or position change due to vibration. By attaching the device, a few nanometer precision processing machine is provided, and the laser used is a stable oscillation method of the pointing vector whose M2 (m square) value, which determines the quality of the beam, is between 1.0 and 2.0. The laser head is a small and light laser, such as a diode laser or a solid state laser pumped by a diode laser. Combined with a scanner and mounted on the Z-axis, the large and heavy lasers are aligned together on the robot's frame and transmitted using reflectors (12). The mechanical structures that make up the nanometer-class precision processing machine have thermal expansion due to temperature changes. It uses the smallest materials such as super invar, ceramics, stone, or materials with length control, and uses a computer or microprocessor to configure and control the various drivers used in this device. It is a large-space laser processing machine compared to the working precision that enables the precise control of the nanometer grade used.

본 발명은 나노 미터급의 정밀한 위치 제어 및 가공이 가능하면서도 정밀도 대비 대공간을 레이저 가공할 수 있는 장치로써 구성이 매우 간단하면서도 제작이 쉬워 경제적이며, 기존의 로봇이 갖고있는 가속과 감속 시간에 의한 그 구간에서의 작업 불균일성과 기계적 정밀도의 한계를 극복하면서도, 작업 정밀도 대비 작업속도가 획기적으로 빨라졌을 뿐만 아니라, 진동, 마모, 공진, 섭동을 현저히 줄여 매우 안정하게 작동하며, 유지면에서도 매우 경제적인 유용한 발명인 것이다. The present invention is a device that can perform nanometer-class precise position control and processing, but also laser processing a large space compared to precision, the configuration is very simple and easy to manufacture and economical, due to the acceleration and deceleration time of the existing robot Overcoming the limitations of work inhomogeneity and mechanical precision in the area, not only has the work speed dramatically increased compared to the work precision, but also significantly reduces vibration, abrasion, resonance and perturbation. It is a useful invention.

도1 본 발명의 전체 시스템의 구성도1 is a configuration diagram of the entire system of the present invention

도2 본 발명의 구성 및 작동 알고리즘의 흐름도2 is a flowchart of the configuration and operation algorithm of the present invention.

도3 본 발명의 대공간과 셀(cell)의 설명도. 3 is an explanatory diagram of a large space and a cell of the present invention;

<주요 부분에 대한 부호 설명><Sign Description for Main Parts>

1. 기체로 부상되는 가이드(guide)와 결합된 자석 구동형 선형모터(linear motor) 1. A magnetically driven linear motor combined with a guide that floats into the aircraft

2. 안정된 프레임2. Stable frame

3. 전압을 가하면 길이가 변하는 피에조소자(PZT) 3. Piezo element (PZT) whose length changes when voltage is applied

4. 갈바노 모터(Galvano-motor)4. Galvano-motor

5. 광 경로제어반사경( laser control mirror)5. Laser control mirror

6. Flat field lens set 6.Flat field lens set

7. 빔 분할기 (beam split mirror)7. beam split mirror

8. CCD 카메라에 image를 결상시키기 위한 광학계8. Optical system for image forming on CCD camera

9. CCD 카메라9. CCD camera

10. 레이저(laser)10. Laser

11.작업대상물(Work piece)11.Work piece

12.반사경 (mirror)12.mirror

13.컴퓨터 (Computer)13.Computer

Claims (2)

기체로 부상되는 가이드(guide)와 결합된 자석 구동형 선형모터(linear motor)를 탑재한 XYZ-3축 직교로봇과,           XYZ-3 axis orthogonal robot with magnet driven linear motor coupled with airborne guide 상기 직교로봇에 레이저 스케너(scanner)를 효과적으로 결합하고, 스케너의 첫번째 갈바노 모터에 달린 반사경 전단에 빔 분할기를 삽입하고,Efficiently combine a laser scanner with the orthogonal robot, insert a beam splitter in front of the reflector attached to the first galvano motor of the scanner, 상기 빔 분할기를 통하여 탐색광을 CCD 카메라 소자에 이미징(imaging)하여 여기서 나온 신호를 컴퓨터에 영상 신호로 전송하고,The search beam is imaged to the CCD camera element through the beam splitter, and the signal from the beam splitter is transmitted to the computer as an image signal. 상기 영상신호를 전송받아 분석, 처리하여 작업정밀도 대비 대공간을 도3과 같이 스케너의 유효작업 면적으로 분할해서 유효작업 면적(cell)내부의 XY면은,The XY plane inside the effective work area is divided into the effective work area of the scanner as shown in FIG. 상기 유효작업 면적 내부의 XY면은 스케너가 작업을 담당하고 유효 작업 면적의 기준 좌표점과,The XY plane inside the effective working area is the scanner is responsible for the work and the reference coordinate point of the effective working area, 상기 유효 작업 면적의 기준 좌표점과 다른 유효작업의 기준 좌표 점으로의 이동은 도3과 같이 로봇과 마이크로 미터 이내에서 조절이 가능하도록 구성된 PZT가 담당하며, The movement of the reference coordinate point of the effective work area and the reference coordinate point of the other effective work is performed by the PZT configured to be controlled within a micrometer and the robot as shown in FIG. 상기 로봇과 레이저 스케너, 레이저 스케너 몸체와 갈바노 모터 사이 사이에 각각 피에조소자(PZT)를 이용하여 마이크로 미터 이내에서 조절이 가능하도록 구성 결합하고,Between the robot and the laser scanner, between the laser scanner body and the galvano motor, the piezoelectric element (PZT) is used to control the combination within a micrometer, respectively, 상기 피에조소자(PZT)와 결합된 모든 광학계는 공기 유동이나 온도의 변화, 기압의 변화로 인한 굴절률의 변화가 최소화 되도록 밀폐와 별도의 제어장치를 부착함으로써 수 나노 미터의 정밀도로 안정된 상태에서 정밀하게 용접(welding), 절단(cutting), 표면처리, 드릴링(drilling), 마킹(marking), 정보기록(recording) 등을 레이저를 사용하여, 작업 종류에 따라 고체 레이저, 기체 레이저, 반도체 레이저, 액체 레이저 , 화이버(fiber) 레이저, 화학(COIL) 레이저, 자유전자 레이저를 사용하며, 발진 방식은 음향광학적(AO) Q-switching , 전기광학적(EO) Q-switching , 수동 혹은 능동형 mode-locking, 전기적 펄스 폭 변조등이며, 펄스 폭은 펨토 초(femto sec)에서 연속이며, 발진을 작업종류에 따라 선택하며, 컴퓨터 및 마이크로 프로세서와 로봇, 스케너를 연동하여 제어함으로써 수 나노 미터급으로 위치를 제어하는 고속, 대공간 레이저 가공기.All optical systems combined with the piezoelectric element (PZT) are precisely fixed in a stable state with a precision of several nanometers by attaching a separate and separate control device to minimize the change in refractive index due to air flow, temperature change, or air pressure change. Welding, cutting, surface treatment, drilling, marking, recording, etc., using laser, solid laser, gas laser, semiconductor laser, liquid laser , Fiber laser, COIL laser and free electron laser. The oscillation method is acoustic optical (AO) Q-switching, electro-optical (EO) Q-switching, passive or active mode-locking, electrical pulse Width modulation, pulse width is continuous in femto sec, select oscillation according to work type, and control several nano by interworking with computer, micro processor, robot and scanner High speed, large space laser machine for metric position control. 레이저(13)는 빔의 질을 결정하는 factor인 M2(엠스퀘어)값이 1.0 ~ 2.0사이의 값을 갖는 Pointing Vector가 안정된 발진 방식이여 하며, 레이저 해드(Head)는 다이오드 레이저나 다이오드 레이저로 펌핑(pumping)되는 고체 레이저와 같이 작고 가벼운 레이저는 Z축에 스케너와 함께 탑재 하고, 크고 무거운 레이저는 로봇의 프레임 위에 같이 정렬하여 놓고 반사경들을 이용하여 전송하며, 나노 미터급 정밀 가공기를 구성하는 기계적 구조물들은 온도 변화에 의한 열팽창이 가장적은 재료로서 수퍼인바, 세라믹, 석재를 사용하거나 길이 제어가 가능한 재료를 사용하며, 컴퓨터나 마이크로 프로세서를 사용하여 이 장치에서 사용되는 각종 드라이버들을 제어하고 통제하는 장치를 구성함으로써 반도체나 나노 기술에서 사용되는 수 나노 미터급의 정밀한 위치 제어가 가능한 대공간 레이저 가공기.The laser 13 is a stable oscillation method in which a pointing vector having a value of M2 (m square), which determines a beam quality, is between 1.0 and 2.0, and the head is pumped by a diode laser or a diode laser. Small and light lasers (pumping solid lasers) are mounted with a scanner on the Z axis, and large and heavy lasers are aligned on the robot's frame and transmitted using reflectors, and the mechanical structure of a nanometer precision machine These are the materials that have the least thermal expansion due to temperature change. They are made of super inbar, ceramic, stone, or other materials whose length can be controlled. They use a computer or microprocessor to control and control various drivers used in this device. By constructing, precise nanometer-scale positioning systems used in semiconductors and nanotechnology Space for laser machining is possible.
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