KR20060002834A - 조사와 구조물의 표면으로부터 물질 제거를 위해 레이저헤드를 제어 가능하게 이동하는 레이저 조정 시스템 - Google Patents

조사와 구조물의 표면으로부터 물질 제거를 위해 레이저헤드를 제어 가능하게 이동하는 레이저 조정 시스템 Download PDF

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폴 이. 데니
제이 알. 이스트맨
폴 엠. 폴러라
앤드류 피. 조셉
존 에스. 필립스
마이클 엔. 파테나
팀 번햄
폴 콜맨
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로마 린다 유니버시티 메디칼 센터
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Abstract

레이저 조정 시스템(100)은 레이저 헤드(200)로부터의 레이저 광으로 표면을 조사하기 위해 존재하는 구조물의 표면에 대하여 레이저 헤드(200)를 제어 가능하게 이동한다. 레이저 조정 시스템(100)은 레이저 헤드에 연결된 배치 메커니즘(121)을 포함한다. 배치 메커니즘(121)은 표면에 실질적으로 평행한 제1 방향을 따라 레이저 헤드(200)를 이동하는 제1축 배치 시스템(130)을 포함한다. 배치 메커니즘(121)은 제1축 배치 시스템(130)에 결합되며 표면에 실질적으로 평행한 제2 방향으로 레이저 헤드(200)를 이동하는 제2축 배치 시스템(150)을 더 포함한다. 레이저 조정 시스템(100)은 배치 시스템(121)에 결합되고 구조물에 분리 가능하게 연결된 고정 메커니즘(110)을 더 포함한다.

Description

조사와 구조물의 표면으로부터 물질 제거를 위해 레이저 헤드를 제어 가능하게 이동하는 레이저 조정 시스템{LASER MANIPULATION SYSTEM FOR CONTROLLABLY MOVING A LASER HEAD FOR IRRADIATION AND REMOVAL OF MATERIAL FROM A SURFACE OF A STRUCTURE}
우선권 주장
본 출원은 여기에서 전체로서 참조되어 서로 결합된 2003년 3월 18일 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/456,043, 2003년 5월 16일 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/471,057, 그리고 2003년 8월 20일 출원된 미국 가특허 출원 번호 60/496,460에 대한 미국 특허법 119(e)에 따른 이익을 향유한다.
관련 출원
본 출원은 2003년 10월 22일에 모두 출원된 미국 특허 출원 번호 10/690,983, 10/690,833, 10/690,975 그리고 10/691,444에 관한 것이며, 각각은 여기에서 전체로서 참조되어 서로 결합되었다. 본 출원은 또한 미국 특허 출원 번호 (Atty Docket No.LOMASR.021Cp1), (No.LOMASR.023Cp1) 그리고 (No.LOMASR.026Cp1)에 관한 것이며, 각각은 여기 첨부된 같은 날짜에 출원되었고 여기에서 전체로서 참조되어 서로 결합되었 다.
연방 후원을 받은 연구 또는 개발에 관한 선언
본 발명은 Robert T. Staffor Disaster Relief and Emergency Assitance Act(42 U.S.C. 5121 et seq)의 부분인 Federal Emergency Management Agency에 의해 부분적으로 지원되었다.
본 발명은 재료 처리(material processing)분야에 관한 것으로서, 상세하게는, 에너지 파를 이용한 물질의 드릴링, 커팅, 그리고 표면 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
광의의 물질 처리 산업 분야의 종사자들은 비파괴 물질 처리(non-disruptive material processing)에 대한 필요를 오랫동안 인식해왔다. 과거에는, 드릴링, 커팅, 스캐블링(scabbling) 등을 포함하는 가상적으로 모든 물질 처리가 수많은 파괴적인 양상들(예를 들어, 소음, 진동, 먼지, 증기 및 가스)을 포함하고 있었다. 물질 처리는 일반적으로 드릴링, 해머링(hammering) 그리고 다른 동력 보조 방법들(power assisted methods)과 같은 기계적인 기술들과, 물 분사 기반 기술들(water jet based technologies)을 포함한다. 물질 처리의 명시적인 문제들은, 미국 특허 제5,085,026가 잘 설명하고 있다. '026 장치는 콘크리트나 석재와 같은 물질의 기계적인 드릴링을 필요로 하며, 상술한 모든 파괴적인 양상을 생성한다.
특정 실시예들에서, 레이저 조정 시스템은 레이저 헤드로부터의 레이저 광으로 표면을 조사하기 위해 존재하는 구조물의 표면에 대하여 레이저 헤드를 제어 가능하게 이동한다. 레이저 조정 시스템은 레이저 헤드에 연결된 배치 메커니즘을 포함한다. 배치 메커니즘은 표면에 실질적으로 평행한 제1 방향을 따라 레이저 헤드를 이동하는 제1축 배치 시스템을 포함한다. 배치 메커니즘은 제1축 배치 시스템에 결합되며 표면에 실질적으로 평행한 제2 방향으로 레이저 헤드를 이동하는 제2축 배치 시스템을 더 포함한다. 레이저 조정 시스템은 배치 시스템에 결합되고 구조물에 분리 가능하게 연결된 고정 메커니즘을 더 포함한다.
특정 실시예들에서, 레이저 조정 시스템은 레이저 헤드로부터의 레이저 광으로 표면을 조사하기 위해 존재하는 구조물의 표면에 대하여 레이저 헤드를 제어 가능하게 이동한다. 레이저 조정 시스템은 표면에 실질적으로 평행한 제1 방향을 따라서 그리고 표면에 실질적으로 평행하고 제1 방향에 실질적으로 수직한 제2 방향을 따라서 레이저 헤드를 이동함으로써 레이저 헤드를 배치하는 수단을 포함한다. 레이저 조정 시스템은 레이저 조정 시스템을 구조물에 분리 가능하게 결합하는 수단을 더 포함한다.
특정 실시예들에서, 방법은 존재하는 구조물의 표면에 대하여 레이저 헤드를 제어 가능하게 이동하고 레이저 헤드로부터의 레이저 광으로 표면을 조사한다. 상기 방법은 레이저 헤드를 레이저 조정 시스템에 분리 가능하게 결합하는 것을 포함한다. 상기 방법은 레이저 조정 시스템을 구조물에 분리 가능하게 결합하는 것을 더 포함한다. 상기 방법은 표면에 실질적으로 평행한 제1 방향을 따라서 그리고 표면에 실질적으로 평행하고 제1 방향에 실질적으로 수직한 제2 방향을 따라서 레이저 헤드를 이동하는 것을 더 포함한다.
본 발명을 요약할 목적으로, 본 발명의 측면들, 장점들, 그리고 신규한 특징들이 이상에서 설명되어졌다. 그러나 반드시 모든 그러한 장점들이 본 발명의 임의의 특정 실시예에 상응하여 성취되어야 하는 것이 아님은 이해되어진다. 그러므로 본 발명은 여기에서 개시되거나 제시된 다른 장점들을 반드시 실현하지 않고 여기에서 개시된 하나의 장점 또는 일군의 장점들을 실현하거나 최적화하는 방법으로 구현되거나 실시될 수 있다.
도 1은 표면을 갖는 구조물을 처리하기 위한 장치의 개략적인 실시예를 도시한 도면;
도 2는 기술된 실시예들과 호환 가능한 레이저 베이스 유닛을 개략적으로 도시한 도면;
도 3A는 기술된 실시예에 따른 레이저 헤드를 개략적으로 도시한 도면;
도 3B 및 도3C는 기술된 실시예들에 따른 레이저 헤드의 개략적인 두개의 구 조를 도시한 도면;
도 4는 기술된 실시예들에 따른 수용 플레넘의 대략적인 단면도;
도 5는 레이저 헤드와 상호작용 영역 사이의 상대적인 거리를 측정하는 센서를 포함하는 레이저 헤드를 개략적으로 도시한 도면;
도 6A 및 도 6B는 레이저 조종 시스템이 구조물에 해제 가능하게 연결된 고정 메커니즘 및 고정 메커니즘 및 레이저 헤드에 연결된 배치 메커니즘을 포함하는 실시예를 상반된 방향에서 바라본 개략적인 사시도;
도 7은 고정 메커니즘의 부착 인터페이스의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면;
도 8은 고정 메커니즘의 부착 인터페이스와 함께 배치 메커니즘의 전개도를 개략적으로 도시한 도면;
도 9는 제1 축 배치 시스템의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면;
도 10은 제2 축 배치 시스템의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면;
도 11A 및 도 11B는 인터페이스의 두 개의 구조에 대한 실시예를 도시한 도면;
도 12는 레이저 헤드 수신기의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면;
도 13은 상기 장치의 다른 컴포넌트들에 연결된 지지 구조물의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면;
도 14A는 장치에 연결된 서스펜션-기반 지지 시스템의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면;
도 14B는 서스펜션-기반 지지 커넥터들을 포함하는 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면;
도 15는 제어 패널, 마이크로프로세서, 레이저 발생기 인터페이스, 배치 시스템 인터페이스, 센서 인터페이스 및 사용자 인터페이스를 포함하는 제어기의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면;
도 16 스크린과 복수의 버튼들을 포함하는 제어 펜던트를 개략적으로 도시한 도면;
도 17A는 제어 펜던트의 예시"메인 스크린"디스플레이를 도시한 도면;
도 17B는 제어 펜던트의 예시"선택 동작 스크린"디스플레이를 도시한 도면;
도 17C는 제어 펜던트의 예시"원 설정/동작 스크린"디스플레이를 도시한 도면;
도 17D는 제어 펜던트의 예시"관통 설정/동작 스크린"디스플레이를 도시한 도면;
도 17E는 제어 펜던트의 예시"커팅 설정/동작 스크린"디스플레이를 도시한 도면;
도 17F는 제어 펜던트의 예시"표면 키잉 설정/동작 스크린"디스플레이를 도시한 도면;
도 17G는 제어 펜던트의 예시"오류 스크린"디스플레이를 도시한 도면;
도 17H는 제어 펜던트의 예시"정비 스크린"디스플레이를 도시한 도면;
도 18A는 기술된 실시예들과 호환 가능한 감지기를 개략적으로 도시한 도면;
도 18B는 결과적인 스펙트럼 데이터를 분석하는 컴퓨터 시스템을 개략적으로 도시한 도면;
도 19는 레이저 광으로 조사할 때 콘크리트에서 감지된 광 스펙트럼과 레이저 광으로 조사할 때 내장 철근에서 감지된 광 스펙트럼의 예시적인 그래프를 도시한 도면;
도 20은 기술된 실시예들에 따른 레이저 헤드의 또 다른 구성을 개략적으로 도시한 도면;
도 21A-21D는 기술된 실시예들에 따른 다른 고정 메커니즘을 개략적으로 도시한 도면;
도 22는 기술된 실시예들에 따른 스펙트럼 비율을 결정하는 일례의 방법을 도시한 순서도;
재료 처리에서의 분열 양상(Disruptive Aspects)을 줄이는 것은 재료 처리 산업, 특히 수선 및 다른 적용 분야들에서 공통적인 점유된 구조물(occupied structure) 내부 또는 근처에서의 재료 처리를 요구하는 산업에서 오랜 기간의 목적이었다. 이러한 오랜 기간 요구되었던 필요성은 구조물의 안전을 높이기 위해 점유된 구조물을 효과적이고 경제적으로 개장(retrofitting)하기 위한 수단이 절실하게 필요한 지구에서 지진이 발생하는 곳에서 특히 중요하다.
종래의 기술들은 분열 특성으로 인해 점유된 구조물을 개장하는 데에는 실질 적으로 부적합하다. 부가적으로, 이러한 위험하고 비용이 많이 드는 "cut-through" 위험을 종종 나타낸다. "cut-through" 위험은 작업자가 대상 재료를 드릴링하는 동안 의도치 않게 내장된 물체를 자르는 경우를 포함한다. 예를 들어, 존재하는 콘크리트 벽의 홀을 드릴링하는 건설 작업자가 사고로 보강 철재 또는 보강용 강철봉(rebar), 활동 중인 전기 도관 또는 도선과 같은 내장 설비를 만날 수 있다. 이와 같은 사고는 잠재적으로 작업자에게 치명적인 결과(예를 들어, 감전사)를 가져올 수 있을 뿐만 아니라 대상 재료 또는 도구에 고비용의 손해를 가져올 수 있다. 또한, 전통적인 드릴링 방법은 예상치 않게 드릴링되는 재료를 뚫어버려 재료의 맞은편 사이드에 있는 사람 또는 구조물에 피해를 주는 "punch-through" 위험 또한 포함할 수 있다.
나아가, 전통적인 재료 처리 장비들은 지나치게 다루기 어렵다. 소형의 파워 드릴 또는 해머 장치는 통상적으로 50 파운드를 초과하며 작업자가 종종 장기간에 걸쳐 머리 위로 들고 있어야 할 필요가 있다. 또한, 종래의 장치들은 일반적으로 충격에 의한 힘을 발생시키는데 이는 작업자가 장치를 들고 있는 동안 견뎌내어야 한다. 잠재적이면서 피해를 주는 충격, 과도한 무게를 들고 버터야 한다는 점 및 "cut-through" 위험 이외에도, 작업자 및 장치의 주변에 있는 사람들은 먼지, 연기, 진동, 소음뿐만 아니라 떨어지는 또는 발사되는 파편에 노출될 수 있다. 이러한 레벨의 해로운 작업은 점유된 구조물에는 일반적으로 적합하지 않으며, 소음 및 진동이 허용될 수 없는 병원, 실험실 등에 사용되는 구조물에는 전반적으로 적합하지 않다.
이 분야의 기술에서 계속적으로 필요하나 놓치고 있는 것은 상술한 문제점을 극복하는 비-분열 재료 처리 기술이다. 여기에 기술된 특정 실시예에서, 이러한 문제점들을 극복하기 위해 에너지 파가 표면을 향한다. 특정 실시예에서의 에너지 파는 전자기 파(예를 들어, 레이저 광, 마이크로파)이고, 또 다른 실시예에서의 에너지 파는 음파(예를 들어, 초음파)이다. 그러나, 특정 실시예에서, 이러한 커팅 유닛은 부피가 클 수 있으며 기계적인 대응물에 비해 조정하기 어려울 수 있다. 또한, 레이저는 상술한 바와 같은 "cut-through" 위험이 있어 재료의 매트릭스 내부의 숨겨진 물체가 처리되어 의도치 않게 손상될 수 있다. 나아가, 레이저는 레이저 빔의 경로에 있는 물체 또는 사람에 대해 "punch-through" 위험을 유발할 수 있다. 레이저는 또한 잘려진 또는 드릴링된 홀로부터 드릴링된 재료를 제거하는데 있어 어려움이 있을 수 있다. 특정 실시예들에서, 레이저 시스템은 점유된 구조물 내부 또는 근처에서 시스템이 사용될 수 있도록 다수의 비-분열 및 안정 특성을 가지는 휴대용 처리 헤드와 통신하는 이격된 레이저 발생기를 구비한다.
본 발명의 특정 실시예들은 종래 기술의 많은 결점에 대응하고 이전에는 없었던 이익(예를 들어, 구조물 내부에서의 작업에 대한 감소된 분열)을 가능하게 하면서 빠른 재료 처리 방법을 제공한다. 특정 실시예들에서, 소음이 있고, 부피가 크고 무거운 엘리먼트들이 실제 작업 영역에서 현저히 떨어진 지점에서 동작하도록 엘리먼트들 사이에 섬유 연결을 사용한다. 특정 실시예에 의하며, 동작 중에 소음 및 진동이 모두 낮으며 먼지 및 파편을 효과적으로 제거한다. 특정 실시예들은 "cut through" 또는 "punch through" 위험을 줄이는 감지 시스템을 포함한다. 특정 실시예들은 작업자들이 재료 처리 작업 동안 작업 영역으로부터 멀리 위치하도록 하여 작업자의 안전을 높인다. 특정 실시예들은 쉽고 빠른 휴대성 및 셋업(set-up)을 제공함으로써 재료가 처리되는 구조물 내부 또는 근접한 위치에서의 이동을 용이하게 하여 사람이 들고 다닐 수 있는 부품(예를 들어, 50 파운드 이하)에 분리 가능하다.
본 발명의 특정 실시예들은 종래의 처리 기술에 의해서는 피해를 받을 수 있는 깨지기 쉬운 구조물을 처리하는 장치 및 방법을 제공한다. 예를 들어, 개장(retrofit) 또는 재설비(refurnishment) 공정의 일부로 콘크리트 결정 사일로(silo)를 처리하는데 기존의 톱을 이용할 경우, 사일로(silo)의 다른 부분들이 진동으로 인해 피해를 받을 수 있다. 깨지기 쉬운 구조물을 처리하기 위해 레이저를 사용할 경우 처리 중 구조물에 가해지는 부수적인 피해를 줄일 수 있다. 나아가, 여기에 기술된 특정 실시예들은 용이하게 조합되거나 분해될 수 있어 이들은 구조물의 도달할 수 없는 부분에 사용될 수 있다. 여기에 개시된 실시예들은 사람에 의해 만들어진 구조물을 처리하는 관점에서 기술되었으나, 다른 실시예에 의하면, 본 발명은 자연적인 형성물(예를 들어, 광산의 일부 또는 드릴링 동작)을 처리하는데 유용할 수 있다.
기술된 장치 및 방법은 해당 기술의 상태에 상당한 진전을 제공한다. 장치의 다양한 실시예들은 엘리먼트들의 새롭고 신규한 배치 및 종래에는 없었으나 요구되는 성능을 제공하도록 독특하고 신규한 방식으로 구성되는 방법을 포함한다. 특히, 본 발명의 특정 실시예들은 소음이 없고, 실질적으로 진동에 영향을 받지 않으며 먼지, 파편, 독성의 연기를 적게 발생시키는 재료 처리 방법을 제공한다. 부가적으로 특정 실시예들은 종래 기술에 비해 재료 처리가 높은 속도로 이루어지는 것을 가능하게 한다.
아래에서 도면과 관련하여 기재되는 상세한 설명은 단지 본 발명의 다양한 실시예들은 기술하기 위한 것이며, 본 발명이 구성되거나 사용되는 형태만을 나타나기 위한 것은 아니다. 상세한 설명은 설계, 기능, 장치 발명을 구현하기 위한 방법에 대한 실시예를 설명한다. 그러나, 같은 또는 등가의 기능 및 특징이 본 발명의 사상 및 범주 내에 포함되는 것으로 의도된 다른 실시예들에 의해 달성될 수도 있다는 점이 이해되어야 한다.
도 1은 표면을 갖는 구조물을 처리하기 위한 장치(50)의 개략적인 실시예를 도시한 도면이다. 장치(60)는 레이저 베이스 유닛 300, 레이저 조종 시스템 100 및 제어기(500)를 포함한다. 레이저 베이스 유닛 300은 상호 작용하는 영역에 레이저를 제공하는 기능을 하며, 레이저 발생기(310) 및 레이저 발생기(310)에 연결된 레이저 헤드(200)를 포함한다. 레이저 헤드(200)는 상호 작용하는 영역으로부터 재료를 제거하는 기능을 한다. 레이저 조종 시스템(100)은 구조물로부터 분리 가능하게 연결된 고정(anchoring) 메커니즘(100) 고정 메커니즘(110) 및 레이저 헤드(200)에 연결된 배치 메커니즘(positioning Mechanism, 121)을 포함한다. 레이저 조정 시스템은 구조물에 대해 레이저 헤드(200)의 위치를 제어 가능하게 조절한다. 제어기(500)는 레이저 베이스 유닛(300) 및 레이저 조종 시스템(100)에 전기적으로 연결된다. 제어기(500)는 사용자 입력에 응답하여 레이저 베이스 유닛(300) 및 레이저 조종 시스템(100)에 제어 신호를 전송하는 기능을 한다.
특정 실시예들에서, 레이저 헤드(200)는 분리 가능하게 레이저 발생기(310)에 연결되고 분리 가능하게 배치 메커니즘(121)에 연결된다. 특정 실시예들에서, 배치 메커니즘(121)은 고정 메커니즘(110)에 분리 가능하게 연결되며, 컨트롤러(500)는 레이저 베이스 유닛(300) 및 레이저 조종 시스템(100)에 분리 가능하게 연결된다. 이러한 실시예들은 역으로 조합될 수 있거나 분해되어 처리되는 구조물 내 또는 근체의 위치에서 장치(50)의 이동을 용이하게 하는 장치(50)를 제공한다.
레이저 베이스 유닛
레이저 베이스 유닛(300)의 특정 실시예들이 이하에서 설명된다. 분리된 컴포넌트들을 포함하는 레이저 베이스 유닛(300)이 이하에서 설명되나, 다른 실시예는 이러한 컴포넌트들이 둘 이상 조합된 집적 유닛을 포함한다.
레이저 발생기
도 2는 기술된 실시예들과 호환 가능한 레이저 베이스 유닛9300)을 개략적으로 도시한 도면이다. 특정 실시예들에서, 레이저 베이스 유닛(300)은 레이저 발생기(310) 및 냉각 서브시스템(320)을 포함한다. 레이저 발생기(310)는 적당한 전압, 위상, 레이저 발생기(310)를 구동하는데 충분한 전류량을 제공하는 전원 소스(미도시)에 연결된다. 전원 소스는 특정 실시예들에서 휴대 가능하며 냉각수, 공기 또는 장치가 동작하는 설비로부터의 전원 없이 동작할 수 있다. 대표적인 전원 소스는 디젤 전기 발생기를 포함하나 이에 한정되지는 않는다.
특정 실시예들에서, 레이저 발생기(310)는, 바람직하게는, 아크-램프-펌프 ND:YAG 레이저(arc-lamp-pumped ND:YAG laser)를 포함하나, 이와 달리 CO2 레이저, 다이오드 레이저, 다이오드 펌프 ND:YAG 레이저(diode-pumped ND:YAG laser), 섬유 레이저(fiber laser) 또는 다른 타입의 레이저 시스템들을 포함할 수도 있다. 레이저 발생기(310)는 펄스 모드 또는 연속적인 웨이브(continuous-wave) 모드에서 동작될 수 있다. 기술된 실시예에 따른 예시적인 한 레이저 발생기(310)는 Tumpf 4006D, 4000-watt 연속적인 웹이브 레이저로서 독일의 Trumpf Lasertechnik Gmbh of Ditzingen으로부터 입수할 수 있다. 다른 전력 출력(예를 들어, 2000-watt)을 가진 다른 타입의 레이저들이 기술된 실시예들과 호환 가능하다. 기술된 방법 및 장치가 주어진 응용 분야에서 필요로 하는 사항에 따라 당업자는 목적에 맞는 최적의 레이저를 선택할 수 있을 것이다.
특정 실시예들에서, 레이저 발생기(310)는 이동 및 저장의 편의를 위해 컨테이너 내부에 위치될 수 있다. 레이저 발생기(310)는, 바람직하게는, 유리 광섬유 케이블을 통해 레이저 발생기(310)로부터 작업 위치에 레이저 광을 발생한다.
다른 실시예들에 의하면, 레이저 발생기(310)는 CO2 가스를 여기하여 레이저 광을 발생시키는 gas-based CO2 레이저를 포함한다. 이러한 레이저들은 높은 효율(예를 들어, !5 - 13%)로 높은 전력 출력(예를 들어, ~100W - 50kW)을 제공하고 비교적 비싸지 않다. 이러한 gas-based CO2 레이저에 의해 발생되는 레이저 광은 일반적으로 거울 및 덕트(ducts) 또는 암(arm)의 시스템을 이용하여 전달되며 굴곡부 또는 코너 주위로 레이저 광을 전달한다.
다른 실시예들에서, 레이저 발생기(310)는 다이오드 레이저를 포함한다. 이러한 다이오드 레이저는 가스 및 ND:YAG 레이저들에 비해 소형이며, 따라서 직접 전송 구조에 이용될 수 있다(예를 들어, 작업 사이트에서 가까운 지역). 다이오드 레이저들은 높은 전력 효율(예를 들어, ~25 - 40%)로 높은 전력(예를 들어, ~10W - 6kW)을 제공한다. 특정 실시예들에서, 다이오드 레이저로부터의 레이저 광은 광섬유를 경유하여 전달될 수 있으며 전력의 손실이 있을 수 있다.
ND:YAG 레이저를 사용하는 실시예들은 CO2 레이저 또는 다이오드 레이저를 사용하는 실시예들에 대해 장점이 있다. 재료 처리 산업에서 ND:YAG 레이저의 사용은 오랜 경험이 있으며 이들은 높은 전력(예를 들어, ~100W - 6kW)를 제공한다. 또한, ND:YAG 레이저로부터의 레이저 광은 미세한 전력 손실(예를 들어, ~12%)을 가지고 비교적 작고 긴 광섬유를 통해 전달될 수 있다. 이는 레이저 발생기(310) 및 상대적으로 작업 영역으로부터 먼 위치(예를 들어, 약 100m)의 지지 장치의 스테이징(staging)을 가능하게 한다.
처리되는 표면으로부터 거리를 가지고 레이저 발생기(310)를 유지하는 것은 장치(50)의 나머지 부분이 이동 가능하고 소형화하는 것을 가능하게 한다. 아크 램프 펌프 ND:YAG 레이저는 ND:YAG 크리스탈을 여기하여 레이저 광을 발생하는데 아크 램프를 사용한다. 다이오드 펌프 ND:YAG 레이저는 ND:YAG 크리스탈을 여기하는데 다이오드 레이저를 사용하며 전력 효율에 있어 증대를 가져온다(예를 들어, ~10 - 25%, 아크-램프 vjam ND:YAG 레이저에 비해 5% 이하) 이와 같이 증가된 효율로 인해 다이오드 펌프 레이저는 향상된 빔 성능을 가질 수 있고 소형의 냉각 서브시스템(320)을 요구한다. 예시적인 아크-램프 펌프 ND:YAG 레이저는 독일의 Trumpf Lasertechnik Gmbh of Ditzingen으로부터 입수 가능하다.
기술된 실시예들과 호환 가능한 Nd:YAG 및 다른 고체 상태 레이저들(예를 들어, Nd:YliF4, Ti:Sapphire, Yb:YAG 등)은 많은 방법들에 의해 형성되거나 펌핑될 수 있다. 이러한 방법들은 다이오드 레이저뿐만 아니라 플래시 및 아크 램프를 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 고체 상태 미디어(media)의 다양한 구성은 로드(rod), 슬래브(slab) 및 디스크(disk) 구조를 포함하는(이에 한정되지는 않는다) 다양한 실시예들과 호환 가능하다. 다른 구성 및 펌핑(pumping) 방법에 의한 장점들은 효율, 빔 성능 및 레이저 장치(310)의 동작 모드를 포함하나 이에 한정되지는 않는 레이저 장치(310)의 다양한 양상들에 영향을 줄 것이다. 예시적인 다이오드-레이저-펌프 Nd:YAF 디스크 레이저는 독일의 Trumpf Lasertechnik GmbH of Ditzingen으로부터 입수 가능하다.
섬유 레이저들은 도핑된(예를 들어, 이테르퓸(ytterbium) 또는 에르븀(erbium)으로 도핑됨) 섬유를 사용하여 레이저 빔을 생성한다. 도핑된 섬유는 아크 램프 및 다이오드를 포함하나 이에 한정되지는 않으며 다른 라이트 소스들에 의해 펌핑될 수 있다. 섬유 레이저는 레이저 빔을 상호 작용하는 영역에 전달하는 전달 섬유에 연결될 수 있다. 특정 실시예들에서, 섬유 레이저는 약 15%에서 약 20%의 유리한 효율을 제공한다. 이러한 높은 효율은 레이저 발생기(310)의 이동성을 증가 시키는데 이는 더 작은 냉각 유닛들이 사용되기 때문이다. 또한, 이러한 고 효율의 레이저 발생기(310)들은 처리 영역으로부터 보다 가까운 위치에 놓여질 수 있다. 기술된 실시예들과 호환 가능한 예시적인 섬유 레이저는 IPG Photonics of Oxford, Massachusetts로부터 입수 가능하다.
전형적으로, 레이저 발생기(310)의 레이저 발생은 과도한 열을 유발하며, 이는 레이저 발생기(310)와 연결된 냉각 서브시스템(320)에 의해 레이저 발생기(310)로부터 제거되는 것이 바람직하다. 필요한 냉각량은 사용되는 레이저의 타입 및 사이즈에 의해 결정되며, 4-kW Nd:YAG 레이저에 대해 190kW의 냉각 용량일 수 있다. 냉각 서브시스템(320)은 존재하는 처리수(process water) 또는 냉각수 냉각 서브시스템과 같이 존재하는 작업 사이트에서의 여분의 냉각 가능한 수단을 이용할 수 있다. 이와 달리, 레이저 발생기(310)의 전용인 단일의 냉각 서브시스템(320)이 사용될 수도 있다. 단일의 냉각 서브시스템(320)은 공기 또는 액체에 의해 냉각될 수 있다.
도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 특정 실시예들에서 냉각 서브시스템(320)은 열 교환기(322) 및 레이저(310)에 연결된 물 냉각기(324)를 포함하고 충분한 순환 냉각수를 레이저 발생기(310)에 제공하여 여분의 열을 제거한다. 열 교환기(322)는, 바람직하게는, 물로부터 여분의 열의 일부를 제거하고 물 냉각기(324)에 역으로 물을 순환시킨다. 물 냉각기(324)는 물을 미리 설정된 온도로 냉각시키고 냉각된 물을 레이저 발생기(310)에 되돌린다. 기술된 실시예에 따른 예시적인 열 교환기(322) 및 물 냉각기(324)는 독일의 Trumpf Lasertechnik GmbH of Ditzingen으로부터 입수할 수 있다.
레이저 헤드
특정 실시예들에서, 레이저 헤드(200)는 레이저 발생기(310)에 연결되고 장치(50) 및 조사되는 구조물의 인터페이스로서의 역할을 한다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 에너지 도관(400)은 레이저 헤드(200) 및 레이저 발생기(310)를 연결시키고 레이저 발생기(310)로부터 레이저 헤드(200)로의 에너지 전송을 용이하게 한다. 특정 실시예들에서, 에너지 도관(400)은 레이저 광을 레이저 발생기(3100로부터 레이저 헤드(200)에 전송하는 광섬유를 포함한다. 다른 실시예에 의하면, 에너지 도관(400)은 광섬유, 전원 케이블 또는 제어 케이블을 포함하는 도선을 포함한다.
도 3A는 기술된 실시예에 따른 레이저 헤드(200)를 개략적으로 도시한 도면이다. 레이저 헤드(200)는 커넥터(210), 적어도 하나의 광 엘리먼트(220), 하우징(230) 및 수용 플레넘(containment plenum, 240)을 포함한다. 특정 실시예들에서, 커넥터(210)는 하우징(230)에 연결되고, 에너지 도관(400)을 경유하여 레이저 발생기(310)에 광학적으로 연결되며, 레이저 발생기(310)로부터의 레이저 광을 전송하는 기능을 한다. 광 엘리먼트(220)는 커넥터(210) 및 하우징(230) 또는 수용 플레넘(240) 사이에 위치할 수 있다. 도관(400)이 레이저 헤드(200)에 레이저 광을 제공하는 실시예에서, 레이저 조사될 구조물에 작용하기 전에 광 엘리먼트(220)를 통해 전송된다.
레이저 헤드: 확장된 구성
도 3B는 기술된 실시예들에 따른 레이저 헤드(220)의 개략적인 일 구조를 도시한 도면이다. 하우징(230)은 말초부(distal portion, 232), 앵글부(angle portion, 234) 및 인접부(proximal portion, 236)를 포함한다. 여기에 사용된 용어 "distal", "proximal"은 이들에 대해 표준으로 정의된 의미를 가지고 있으며 상호 작용하는 영역에 대해 상대적인 위치를 의미한다. 커넥터(210)는 말초부(232)부에 연결되며, 말초부(232)는 앵글부(234)에 연결되고, 앵글부(234)는 인접부(236)에 연결되며, 인접부(236)는 수용 플레넘(240)에 연결된다. 도 3B와 도시된 것과 같은 구성은 구조물(예를 들어, 콘크리트 벽)의 표면을 드릴링하거나 스크래블링(scrabbling) 하는데 사용될 수 있다. 레이저 헤드(200)의 다양한 컴포넌트들이 Laser Mechanisms, Inc. of Farmington Hills, Michigan으로부터 입수 가능하다.
에너지 도관(400)이 광섬유를 포함하는 특정 실시예들에서, 커넥터(210)는 광섬유를 통해 레이저 발생기(310)로부터 레이저 헤드(200)로 전달되는 레이저 광을 수신한다. 이러한 실시예들에서, 커넥터(210)는 도관(400)에 의해 방사되는 발산 레이저(diverging laser)를 조준한다(collimate). 렌즈(212)는 전달성이 있고 원하는 양만큼 레이저 광에 반응하는 다양한 물질을 포함할 수 있을 것이다. 이러한 물질들은 붕규산염 크라운 글래스(borosilicate crown glass, BK7), 석영(quartz), 아연 셀레나이드(zinc selenide, ZnSe) 및 소듐 클로라이드(sodium chloride, NaCl)를 포함하며 이에 한정되지는 않는다. 렌즈(212)의 물질은 품질, 가격, 물질의 안정성에 근거하여 선택될 수 있다. 붕규산염 크라운 글래스(borosilicate crown glass, BK7)이 전달성 광물질로 Nd:YAG와 함께 일반적으로 이 용되며, 아연 셀레나이드(zinc selenide, ZnSe)가 전달성 광물질로 CO2 레이저와 함께 일반적으로 이용된다.
특정 실시예들에 따르면, 렌즈(212)는 렌즈(212)의 세정, 교체 및 유지를 용이하게 하기 위해 제거 가능한 어셈블리에 탑재될 수 있다. 부가적으로, 렌즈(212)의 탑재는 정렬 및 라이트 빔의 초점을 최적화하도록 조절 가능할 수 있다(예를 들어, 나비 모양의 수나사(thumbscrew) 또는 알렌 헥스 스크류(Allen hex screw) 사용). 특정 실시예들에서, 렌즈(212)는 빔 프로파일(예를 들어, 초점, 빔 형태)의 부가적인 수정을 제공할 수 있다.
특정 실시예들에서, 조준된 레이저 광은 레이저 헤드(200)를 통해 레이저 헤드(200) 내부의 다른 광 엘리먼트들을 경유하여 전송된다. 특정 실시예들에서, 말초부(232)는 일반적으로 직선의 제1 튜브를 포함하고 이를 통해 레이저 광이 앵글부(234)로 전송되며, 인접부(236)는 일반적으로 직선의 제2 튜브를 포함하고 이를 통해 레이저 광은 앵글부(234)로부터 전송된다. 특정 실시예들에서, 말초부(232)는 렌즈(233)를 포함하며, 앵글부(234)는 인접부(236) 및 수용 플레넘(240)를 통해 빛을 구조물에 향하게 하는 거울(235)을 포함한다. 다른 실시예들에 의하면, 다른 장치들(예를 들어, 프리즘)이 인접부(236) 및 수용 플레넘(240)을 통해 구조물로 향하게 하는 앵글부(234)에 이용될 수 있다.
특정 실시예들에서, 렌즈(233)는, 렌즈(233)의 세정, 유지 및 교체를 용이하게 하기 위해, 제거 가능한 어셈블리에 탑재될 수 있다. 부가적으로 렌즈(233)의 탑재는 라이트 빔의 정렬 및 초점을 최적화하도록 조절 가능할 수 있다(예를 들어, 나비 모양의 수나사(thumbscrew) 또는 알렌 헥스 스크류(Allen hex screw) 사용). 특정 실시예들에서, 렌즈(233)는 렌즈(212)로부터 수신되는 빛의 초점을 맞추는 반면, 다른 실시예들에 의하면, 렌즈(233)는 빔 프로파일(예를 들어, 빔 형상)에 대한 부가적인 수정을 제공할 수 있다. 예시적인 렌즈(233)는 600-mm 초점 거리의 실리카 플래노-컨벡스 렌즈(silica plano-convex lens)(예를 들어, Part No. PLCX-50.8-309.1-UV01964이고 뉴 멕시코 CVI Laser Corp. of Albuquerque로부터 입수 가능)를 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 렌즈(233)는 전송성이 있고 원하는 양만큼 레이저 광에 반응하는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질들은 붕규산염 크라운 글래스(borosilicate crown glass, BK7), 석영(quartz), 아연 셀레나이드(zinc selenide, ZnSe) 및 소듐 클로라이드(sodium chloride, NaCl)를 포함하며 이에 한정되지는 않는다. 일례의 렌즈 탑재 어셈블리는 Laser Mechanisms, Inc. of Farmington Hills, Michigan으로부터 상업적으로 입수 가능한 Part Nos. PLALAH0097 및 PLFLH0119를 포함하나 이에 한정되지는 않는다.
말초부(232)가 실질적으로 인접부(236)에 수직인 도 3에 개략적으로 도시된 실시예들에서, 거울(235)은 약 90도의 각도를 통해 빛을 반사한다. 다른 실시예들은 다른 각도들로 빛을 반사하도록 구성된다. 특정 실시예들에서, 거울(235)은 거울의 세정, 유지 및 교체가 용이하도록 제거 가능한 어셈블리에 탑재될 수 있다. 부가적으로, 거울(235)의 탑재는 라이트 빔의 정렬 및 초점을 최적화하도록 조절 가능할 수 있다(예를 들어, 나비 모양의 수나사(thumbscrew) 또는 알렌 헥스 스크 류(Allen hex screw) 사용). 특정 실시예들에서, 거울은 곡률을 가질 수 있거나 그렇지 않으면 라이트 빔의 초점을 맞추거나 빔 프로파일(예를 들어, 빔 형상)을 수정하도록 구성될 수 있다. 일례의 거울(235)은 구리 거울과 같은 철제 거울(예를 들어, Laser Mechanisms, Inc. of Farmington Hills, Michigan으로부터 입수 가능한 Part Nos. PLTRG19 and PLRTC0024) 및 금-코팅 구리 거울(예를 들어, Laser Mechanisms으로부터 입수 가능한 Part No. PLTRC0100)을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 다른 실시예들에 의하면, 유전체-코딩 거울이 사용될 수도 있다.
도 3C는 기술된 실시예들에 따른 레이저 헤드(200)의 또 다른 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 하우징(230)은 말초부(232), 제1 앵글부(234), 제2 앵글부(234') 및 인접부(236)를 포함한다. 커넥터(210)은 말초부(232)에 연결되고, 말초부(232)는 제1 앵글부(234)에 연결되며, 제1 앵글부(234)는 제2 앵글부(234')에 연결되고, 제2 앵글부(234')는 인접부(236)에 연결되며, 인접부(236)는 수용 플레넘(240)에 연결된다. 도 3C에 도시된 구성은 공간적으로 구속된 영역(예를 들어 코너 또는 돌출부에 가까운 콘크리트 벽의 부분을 커팅)에서 구조물을 커팅할 때 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 특정 실시예들에서, 커넥터(210)는 렌즈(212)를 포함하고, 말초부(232)는 관형상(tubular)이고 렌즈(233)를 포함한다. 도 3C의 실시예에서 제1 앵글부(234)는 빛을 제2 앵글부(234')-제2 거울(235')을 포함함-로 향하게 하는 제1 거울(235)을 포함한다. 제2 거울(235')은 관형상(tubular)인 인접부(236) 및 수용 플레넘(240)을 통해 구조물에 빛을 향하게 한다. 특정 실시예들에서, 수용 플레넘(240)과 관련하여 전체적으로 설명되는 바와 같이, 빛은 창(243) 및 노즐(244)을 통해 상호 작용하는 영역으로 전송된다. 특정 실시예들에서, 레이저 헤드(200)는 창(243) 및 노즐(244)을 포함하며, 다른 실시예들에 의하면, 창(243) 및 노즐(244)은 수용 플레넘(240)의 컴포넌트이다.
도 3C에 개략적으로 도시된 실시예에서, 제1 거울(235)은 약 90도의 각도로 빛을 반사하며, 제2 거울(235')은 약 -90도의 각도로 빛을 반사하여 인접부(236)가 실질적으로 말초부(232)에 평행이 되도록 한다. 이러한 실시예들에서, 수용 플래넘(240)에 의해 방사되는 빛은 말초부(232)를 통해 진행하는 빛에 실질적으로 평행하다. 다른 실시예들은 다른 각도들로 빛을 반사하도록 구성된 제1 거울(235) 및 제2 거울(235')을 구비한다. 특정 실시예들은 제1 앵글부(234) 및 제2 앵글부(234') 사이에 직선의 관형상부를 포함하여 수용 플레넘(240)에 의해 방사되는 빛과 말초부(232)를 통해 전송되는 빛에 대한 부가적인 치환(displacement)을 제공한다.
특정 실시예들에서, 말초부(232) 및 제1 앵글부(234) 사이의 연결은 회전 가능하다. 다른 실시예들에 의하면, 제1 앵글부(234) 및 제2 앵글부(234') 사이의 연결은 회전 가능한다. 이러한 회전 가능한 연결들은 나비 모양의 수나사(thumbscrew)에 의해 위치가 고정되는 회전 이음쇠 조인트(swivel joints)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들은 수용 플레넘(240)에 의해 방사되는 빛을 선택된 방향으로 향하게 하는데 유연성을 제공한다. 특정 실시예들에서, 선택된 방향은 말초부(232)을 통해 전송되는 빛과 비평면(non-planar)의 방향이다.
전술한 바와 같이, 제1 거울(235) 및 제2 거울(235') 모두 또는 이중 하나는 세정, 유지 및 교체가 용이하도록 제거 가능한 어셈블리에 탑재될 수 있다. 부가적으로, 제1 거울(235) 및/또는 제2 거울(235')의 탑재는 라이트 빔의 정렬 및 초점을 최적화하도록 조절 가능할 수 있다(예를 들어, 나비 모양의 수나사(thumbscrew) 또는 알렌 헥스 스크류(Allen hex screw) 사용). 특정 실시예들에서, 제1 거울(235) 및 제2 거울(235') 모두 또는 이중 하나는 곡률을 가질 수 있으며, 그렇지 않으면 라이트 빔의 초점을 맞추거나 빔 프로파일(예를 들어, 빔 형상)을 수정하도록 구성될 수 있다.
특정 실시예들에서, 레이저 헤드(200) 내부의 하나 또는 그 이상의 광 엘리먼트들(예를 들어, 렌즈(212, 렌즈(233), 거울(235), 거울(235')은 물 또는 공기에 의해 냉각된다. 냉각수는 레이저 헤드(200)에 근접하고 레이저 헤드(200)에 충분한 물 순환을 제공하도록 된 열 교환기에 의해 공급된다. 이러한 실시예들에서, 냉각수가 광 엘리먼트들(220)에 근접하여 순차적으로 흐르도록, 각각의 광 엘리먼트(220)들을 위한 냉각수 도관들은 직렬로 연결될 수 있다. 다른 실시예들에 의하면, 냉각수의 분리된 부분들이 다양한 광 엘리먼트들(220)에 근접하여 흐르도록, 도과들이 병렬로 연결될 수도 있다. 대표적인 열 교환기는 Miller CoolmateTM 4를 포함하고 이에 한정되지는 않으며, Miller Electric Manufacturing Co. of Appleton, Wisconsin으로부터 입수 가능하다. 냉각수의 유속은, 바람직하게는, 최소한 분당 0.5갤론이다.
레이저 헤드: 소형 구조
도 20은 기술된 실시예들에 따른 레이저 헤드(1200)의 또 다른 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 특정 실시예들에 따른 레이저 헤드(1200)는 이동 가능하며 하나의 사람에 의해 조사되는 표면에 대응되는 위치에 놓여진다. 특정 실시예들에서, 레이저 헤드(1200) 및 하기에서 설명될 고정 메커니즘들(1110)의 특정 실시예들의 조합은 50 파운드 이하의 무게를 가진다.
도 20에 의해 도시된 실시예는 조사될 표면에 홀을 드릴링하는 경우에 일반적으로 이용되고 일반적으로 도 3B 및 도 3C의 실시예들에 비해 소형이며 경량이고, 따라서 보다 구속된 공간들에 접근할 수 있는 장치를 제안한다. 부가적으로, 도 20의 실시예는 도 3B 및 도3C의 실시예에 비해 일반적으로 더 단순하고 견고하다, 따라서 거친 조작 및 비이상적인 동작 조건에 견디는 장치를 제공한다.
특정 실시예들에서, 레이저 헤드(1200)는 일반적으로 구형(rectangular) 하우징(1230)을 포함한다. 레이저 헤드(1200)의 다른 컴포넌트들은 하우징(1230) 위 도는 하우징(1230) 내부에 위치한다. 특정 실시예들에 의한 하우징(1230)은 고정 메커니즘(1110)에 분리 가능하게 연결되는 연결 구조물(미도시)을 포함하고, 후에 설명되는 연결 구조물(1110)은 조사되는 표면에 대응하여 레이저 헤드(1200)를 위치시킨다. 일례의 실시예로, 하우징(1230)은 길이가 약 12인치이고, 높이는 약 8인치이며, 폭은 약 4인치이다. 다른 형상 또는 다른 치수의 하우징(1230)이 기술된 실시예들과 호환될 수 있다.
특정 실시예들에서, 레이저 헤드(1200)는 레이저 광을 레이저 발생기(310)로부터 레이저 헤드(1200)에 전달하는 도관(4000에 연결되는 커넥터(1210)를 더 포함 한다. 특정 실시예들에서, 커넥터(1210)는 도관(400)에 의해 방사되는 발산 레이저(diverging laser)를 조준하는 렌즈(미도시)를 포함한다. 확장된 구성과 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 다양한 실시예의 렌즈는 다양한 물질들을 포함할 수 있으며, 하우징(1230)에 제거 가능하고 탑재될 수 있고, 조절 가능하게 하우징에 탑재될 수 있으며, 빔 프로파일에 대한 부가적인 수정을 제공할 수 있다.
특정 실시예들에서, 레이저 헤드(1200)는 커넥터(1210)로부터 제1 비-제로(non-zero) 각도로 빛을 반사하는 제1 거울(1235)과 제1 거울(1235)로부터 노즐(1244)에 제2 비-제로(non-zero) 각도로 빛을 반사하는 제2 거울(1235')을 더 포함하고, 노즐은 수용 플레넘(240)에 연결된다. 특정 실시예들에서, 도 20에 개략적으로 도시된 바와 같이, 제1 비-제로(non-zero) 각도는 제2 비-제로(non-zero) 각도의 음의 값과 대략적으로 같다. 이러한 두 개의 거울 주고는 종종 "folded optics" 구조라고 불리며 이는 진행 경로가 더 좁은 공간의 길이를 갖도록 거울들 사이의 반사가 효과적으로 진행 경로를 접기 때문이다. 레이저 헤드(1200)의 특정 실시예들은 레이저 라이트의 빔 프로파일을 수정하기 위한 부가적인 광 연결들을 포함한다.
확장된 구조와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 제1 거울(1235) 및 제2 거울(1235') 중 적어도 하나는 제거 가능하고 조절 가능한 어셈블리에 탑재된다. 부가적으로, 특정 실시예에 따른 제1 거울(1235) 및 제2 거울(1235') 중 적어도 하나는 곡률을 가지고 있으며, 그렇지 않으면 빔 프로파일을 수정하도록 구성된다. 특정 실시예에 따른 제1 거울(1235) 및 제2 거울(1235') 중 적어도 하나는 냉각 도 관에 의해 제공되는 공기 도는 물에 의해 냉각된다. 특정 실시예들에서, 냉각 도관은 하우징 내부(1230)에 구비되며, 레이저 헤드(1200)를 보다 다루기 쉽고 더 튼튼하게 하도록 함으로써 레이저 헤드(1200)의 이동 및 배치를 용이하게 한다.
특정 실시예들에서, 도 21C에 도시된 바와 같이, 레이저 헤드(1200)는 하우징(1230)에 연결된 레이저 헤드 핸들(1240)을 포함한다. 레이저 헤드 핸들(1240)은 선택된 지점에서 레이저 헤드의 배치 및 이동을 용이하게 한다. 레이저 헤더 핸들(1200)의 또 다른 구성은 여기에 기술된 다른 실시예들의 구성과 호환 가능하다. 특정 실시예들에 의한 레이저 헤드(1200)는 고정 메커니즘(1110)과 레이저 헤드(1200)를 분리 가능하게 연결하는 커플러(1250)를 더 포함한다. 레이저 헤드(1200)의 다른 구성은 기술된 실시예들과 호환 가능하다.
특정 실시예들에서, 도 21A-21C에 도시된 fp이저 헤드의 소형 구성("소형 레이저 헤드")(1200)은 도 3B 및 도 3C에 도시된 것과 같은 레이저 헤드의 확장 구성("확장 레이저 헤드")(200)에 비해 특정 응용 분야에서 유리하다. 예를 들어, 구조물에서 홀을 드릴링할 때, 길이 및 다른 구속 사항(예를 들어, 에너지 도관(400)과 커넥터(210) 사이의 연결의 단단함)으로 인해 확장된 레이저 헤드(200)는 접근할 수 없는 영역이 있을 수 있다. 소형 레이저 헤드(12000는 부피가 더 작으므로 보다 작은 영역으로의 접근이 가능하다.
부가적으로, 특정 실시예들에서, 소형 레이즈 헤드(1200)는 에너지 도관(400)과 레이저 헤드(1200) 사이의 회전 가능한 연결을 제공하는 선회(pivoting) 조준기 헤드(미도시)를 포함하는 에너지 도관(400)과 결합하여 사용된다. 이러한 실시예들에서, 선회(piviting) 조준기 헤드는 레이저 헤드가 보다 작은 영역으로 접근 가능하도록 함으로써 부가적인 유연성을 제공한다. 조준기 헤드는 일직선일 수도 있으며 각도(예를 들어, 90도)를 가지고 있을 수도 있다. 다른 방향들을 가진 조준기 헤드를 사용함으로써, 구속된 영역으로의 접근을 제공하기 위한 에너지 도관(400)의 방향이 다양해질 수 있다. 예시된 조준기 헤드는 기술된 실시예들과 호환 가능하고 독일의 Trumpf Lasertechnik GmbH of Ditzingen으로부터 입수 가능하다.
나아가, 특정 실시예들에서, 소형 레이저 헤드(1200)는 또한 하우징(1230) 내부의 다양한 센서들, 인접 스위치들(proximity switches), 레이저 헤드(1200)의 유속계(flow meter)들과 결합된다. 이러한 실시예들은 확장된 레이저 헤드(200)에 비해 일반적으로 더욱 단순하고 견고하며, 이로 인해 거친 조작 및 비이상적인 동작 조건에서 견딜 수 있고 덜 손상을 받는다.
레이저 헤드: 경량 구성
도 21D는 고정 메커니즘(1110)과 경량 레이저 헤드(2200)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 특정 실시예들에서, 레이저 헤드(2200)는 140-밀리미터의 초점 거리를 가지고 있으며, 예를 들어, 냉각 및 관찰(observation) 포트와 함께 D35-90도 초점 헤드(D-35 90 degree focus head) 가 독일의 Trumpf Lasertechnik GmbH of Ditzingen(카달로그 번호 35902090)로부터 상업적으로 입수 가능하다. 특정 실시예들의 레이저 헤드(2200)는 비교적 얇은 홀을 드릴링한다. 특정 실시예들에서, 레이저 헤드/고정 메커니즘 조합은 10 파운드 이하의 무게를 가지며, 다른 실시예들에서 조합에 의한 무게는 약 8파운드이다.
레이저 헤드: 수용 플레넘(containment plenum)
특정 실시예들에서, 레이저 헤드(200)는 구조물과의 인터페이스인 인접부(236)와 연결된 수용 플레넘(240)을 포함한다. 특정 실시예들에서, 수용 플레넘은 구조물로부터 제거된 물질들(예를 들어, 레이저 처리동안 발생하는 파편 및 연기)을 수용하고 상호 작용하는 지역으로부터 물질을 제거하는 기능을 한다. 수용 플레넘(240)은 또한 소음을 줄이고 상호 작용하는 지역으로부터 수용 플래넘 외부(예를 들어, 레이저의 명목상의 위험 지역(nominal hazard zone("NHZ"))로 발산되는 빛을 줄이는 기능을 한다. 수용 플레넘(240)의 하나의 목적은 접근 가능한 발산 한계(accessible emission limit("AEL")) 또는 최대-허용 노출(Maximum-permissible exposure("MPE")) 한계를 초과하는 어떠한 레이저 방사도 사람의 눈 또는 피부에 도달하지 않도록 보장하는 것이다.
도 4는 기술된 실시예들에 따른 수용 플레넘(240)의 개략적인 단면도이다. 도 4의 수용 플레넘은 하우징(242), 창(243), 노즐(244), 탄력 인터페이스(246), 추출 포트(248) 및 압축 가스 흡입구(249)를 포함한다. 플레넘 하우징(242)은 레이저 광의 소스(예를 들어, 레이저 헤드(200)의 인접부(236))에 연결될 수 있으며, 수용 플레넘(240)의 다른 컴포넌트들을 구조적으로 지지한다. 플레넘 하우징(242)의 재료들은, 예들 들어, 얇고 유연한 판 형태의 금속(예를 들어, 알루미늄, 철), 세라믹 물질, 유리 또는 흑연, 유리 또는 흑연 섬유로부터 만들어지는 직물을 포함하며 이에 한정되지는 않는다. 특정 실시예들에서, 플레넘 하우징(242)은 플레넘 하우징(242)의 열을 줄이기 위해 물 또는 공기에 의해 냉각된다. 플레넘 하우징(242)의 냉각수 도관은 레이저 헤드(2000)의 다른 컴포넌트들을 위한 냉각수 도관들과 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
특정 실시예들에 의한 창(243)은 노즐(244)의 상류 및 인접부(236)로부터 구조물로의 레이저 광의 진행 경로 내부에 위치한다. 여기서 사용된 "하류(downstream) 및 "상류(upstream)"란 용어는 레이저 광의 진행 방향 및 레이저 광의 진행에 대한 반대 방향 각각에 대해 통상적인 의미를 가지고 있다. 이러한 실시예들에서, 수용 플레넘(240)을 통해 진행하는 빛은 노즐(244)에 도달하기 전에 창(243)에 도달한다. 빛이 창(243)을 통해 하류로 진행하는 실시예들에서, 창(243)은 실질적으로 레이저 광에 대해 투명하다. 창은 레이저 광을 하류 방향으로 전송하기 위해 플레넘 하우징(242) 내에 탑재될 수 있다. 창(243)은 직사각형, 원형을 포함하는 많은 형상을 가질 수 있으며 이에 한정되지는 않는다. 일례로 창(243)은 실리카(silica) 창(예를 들어, Part No. W2-PW-2037-UV-1064-0, CVU Laser Corp. of Albuquerque, Mexico로부터 입수 가능)을 포함하며 이에 한정되지 않는다.
레이저 헤드(200)의 광 엘리먼트들 위의 먼지 및/또는 쓰레기는 상당한 레이저 광의 프랙션(fraction)을 흡수할 수 있으며 이는 균일하지 않은 열을 유발하여 광 엘리먼트들에 피해를 줄 수 있다. 특정 실시예들에서, 창(243)은 플레넘 하우징(242) 내부에 탑재되어 먼지, 연기 또는 기타 구조물과 레이저 광의 상호 작용으로 인해 발생하는 미립자 물질들의 상류 방향으로의 이동에 대한 장벽을 제공한다. 이러한 방식으로 창(243)은 레이저 헤드(200)의 다른 부분들 내부의 상류 방향으로의 광 엘리먼트들의 보호를 용이하게 한다.
특정 실시예들에서, 창(243)은 창의 세정, 유지 및 교체가 용이하도록 제거 가능한 어셈블리에 탑재될 수 있다. 특정 실시예들에서, 창(243)은 인접부(2360로부터 수신한 빛에 대한 초점을 맞추며, 다른 실시예에 의할 경우, 창(243)은 빔 프로파일(예를 들어, 빔 형상)에 대한 부가적인 수정을 제공한다. 이러한 실시예들에서, 창의 탑재는 라이트 빔의 정열 및 초점을 최적화하도록 조절 가능할 수 있다(예를 들어, 나비 모양의 수나사(thumbscrew) 또는 알렌 헥스 스크류(Allen hex screw) 사용). 창 탑재 어셈블리의 일례로 Laser Mechanisms, Inc. of Farmington Hills, Michigan으로부터 입수 가능한 Part Nos. PLALH0097 및 PLFLH0119를 포함하며, 이에 한정되지는 않는다. 특정 실시예들에서, 창(243)은 물 또는 공기에 의해 냉각된다.
창(243)을 통해 전송된 레이저 광은 노즐(244)을 통해 구조물의 상호작용 영역으로 발산된다. 레이저 광은 노즐(244)의 개구(opening) 근처에서 초점이 맞춰질 수 있다. 노즐의 재료에 대한 예로 금속(예를 들어, 구리)을 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 특정 실시예들에서, 노즐(244)은 노즐(244)의 열을 줄이기 위해 물 또는 공기에 의해 냉각된다. 노즐(244)의 냉각수 도관은 레이저 헤드(200)의 다른 구성 요소들의 냉각수 도관들과 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
노즐(244)을 통해 진행하는 레이저 광은, 과도한 열 및 노즐의 피해(244)를 피하도록, 노즐과 충돌("클리핑(clipping)")하지 않는 것이 바람직하다. 레이저 헤드(200)를 통한 레이저 광의 부적절한 정열은 클리핑을 유발할 수 있다. 노즐(244) 의 개구는 레이저 광이 상당한 양으로 노즐(244)과 상호작용하지 않도록 충분히 클 수 있다. 특정 실시예들에서, 노즐(244)의 지름은 약 0.3인치이다.
특정 실시예들에서, 수용 플레넘(240)의 탄력 인터페이스는 구조물에 접촉하여 실질적으로 상호 작용하는 영역을 둘러싸며, 이로 인해 상호작용 영역으로부터의 물질들의 제거 및 수용이 용이해진다. 부가적으로, 탄력 인터페이스(246)는 수용 플레넘(240)외부로 나가는 빛 및/또는 소리의 차단을 용이하게 한다. 탄력 인터페이스는 와이어 브러쉬(wire brush)를 포함하며 이에 한정되지는 않는다.
특정 실시예들에서, 수용 플레넘(240)의 추출 포트(248)는 동작 중 상호작용 영역 내부에서 발생하는 상당 부분의 물질(예를 들어, 가스, 수증기, 먼지 및 파편)을 추출한다. 추출 포트(248)는 상호작용 영역으로부터 물질(예를 들어, 공중의 미립자들, 가스 및 수증기)을 끌어들이기 위한 진공(vacuum)을 생성하는 진공 발생기(미도시)에 연결될 수 있다. 이러한 방법으로, 추출 포트(248)는 수용 플레넘(240)으로부터 물질을 제거하기 위한 방법을 제공한다.
특정 실시예들에서, 압축 가스 흡입구(249)는 압축 가스(예를 들어, 공기)를 수용 플레넘(240)에 제공한다. 특정 실시예들에서, 압축 가스 흡입구(249)는 가스 스트림(stream)을 상호작용 영역으로 향하게 하는 노즐과 유동적으로 연결되어 있다. 특정 실시예들에서, 압축 가스는 노즐(244)을 통해 레이저 광과 동축으로 흐른다. 특정 실시예에 의한 창(243)은 가스가 압력을 발휘할 수 있는 표면을 제공한다. 이러한 방식으로, 압축 가스는 선택된 압력 및 속도로 노즐(244)을 통해 상호작용 영역으로 흘러간다.
압축 가스 흡입구(249)로부터 노즐(244)을 통해 흐르는 압축 가스는 먼지, 파편, 연기 및 기타의 미립자들이 노즐(244)로 들어가는 것을 방지한다. 이러한 방식으로, 압축 가스는 미립자들로부터의 창의 보호를 용이하게 할 수 있다. 부가적으로, 압축 가스는 상호작용 영역으로부터의 물질의 제거가 용이하도록 상호 작용 영역으로의 방향이 노즐(244)에 의해 정해질 수 있다. 노즐(244)은 합성된 유리 용재(slag)가 충분히 점성을 가지며 상호 작용 영역으로부터 제거하기 더욱 어렵도록 구조물이 더 높은 퍼센트의 Si를 포함하는 실시예에서 이와 같은 방식으로 사용될 수 있다.
특정 실시예들에서, 압축 공기는 실질적으로 오일, 습기 또는 다른 오염물질로부터 자유로우며 이로 인해 창(243) 표면의 오염 및 비균일한 열에 의한 창(243)의 잠재적인 훼손을 회피할 수 있다. IQ(Instrument Quality)의 대표적인 소스는 300-IQ 공기 압축기이며 Ingersoll-Rand Air Solutions Group of Davidson, North Carolina로부터 입수 가능하다. 압축 공기의 소스는, 바람직하게는, 충분한 유속으로 공기를 제공하며, 유속은 공기를 전달하는 호스의 길이 및 공기를 이용하는 컴포넌트들의 수 및 이들의 요구 사항에 의해 부분적으로 결정된다.
특정 실시예들에서, 공기 압축기는 레이저 헤드(200)로부터 수백 피트가 떨어진 곳에 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 압축 공기의 소스는 공기 압축기 및 레이저 헤드(200) 사이의 공기 도관 또는 호스들에 농축된 상당한 양의 습기를 줄이기 위한 공기 드라이어(dryer)를 포함한다. 기술된 실시예들에 따른 일례의 공기 드라이어는 400 HSB 드라이어이며, Zeks Compressed Air Solutions of West Chester, Pennsylvania로부터 입수 가능하다.
특정 실시예들에서, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 레이저 헤드(200)는 레이저 헤드(200) 및 상호 작용 영역과의 상대적인 거리를 측정하는 센서(250)를 포함한다. 도 5는 수용 플레넘(240)이 센서(250)를 포함하는 실시예를 개략적으로 도시한 도면이며, 센서의 다른 배치 역시 기술된 실시예들과 호환 가능하다. 물질이 구조물로부터 제거됨에 따라, 상호작용 영역은 구조물 내부로 확장된다. 센서(250)는 구조물 표면으로부터의 상호작용 영역의 깊이를 측정한다. 센서(250)는 음파 센서, 적외선 센서, 촉각(tactile) 센서 및 이미징 센서를 포함하나 이에 한정되지 않는 다양한 기술들을 이용하여 거리를 결정할 수 있다. 레이저 스크래블링(scrabbling) 또는 머시닝(machining)이 수행되는 특정 실시예들에서, 레이저 헤드(200)와 처리되는 표면 사이의 거리를 판단하기 위해, 레이저 다이오드를 포함하고 삼각 측량을 이용하는 센서(250)가 사용될 수 있다.
특정 실시예들에서, 센서(250)는 제어기(500)에 연결되며, 제어기(500)는 센서(250)로부터의 신호에 응답하여 제어신호를 레이저 베이스 유닛(300)에 전송한다. 이러한 방식으로, 센서(250)부터의 깊이 정보는 레이저 광의 초점 및 다른 파라미터들을 조절하기 위해 실시간으로 사용될 수 있다.
특정 실시예들에서, 제어기(500)는 센서(250)로부터의 신호에 응답하여 레이저 조종 시스템(100)에 제어 신호를 전송한다. 레이저 조종 시스템(100)은 제어 신호에 응답하여 레이저 헤드(200)와 상호작용 영역 사이의 상대적인 거리를 조절한다. 부가적으로, 레이저 조종 시스템(100)은 제어 신호에 응답하여 구조물의 표면 을 따라 레이저 헤드(200)의 위치를 조절할 수 있다. 이러한 방식으로, 센서(250)로부터의 제1 위치에서의 깊이 정보는, 제1 위치에서 원하는 깊이가 달성된 경우, 또 다른 위치로 레이저 광을 옮기는데 실시간으로 사용될 수 있다.
다른 실시예들에서, 센서(250)는 상호작용 영역의 깊이를 판단하기 위해 통계적인 방법과 결합되어 이용된다. 이러한 실시예들에서, 센서는 우선 특정 처리 파라미터들(예를 들어, 처리되는 물질, 빛의 강도)과 침투된 깊이에 대해 코럴레이션(correlation)을 계산한 통계적 데이터를 전개하는 측정 페이즈(phase)에서 이용된다. 측정 페이즈 동안, 선택된 처리 파라미터들은 테스트 또는 처리될 구조물의 표면을 나타내는 샘플 표면을 처리하기 위해 시스템적으로 변한다. 측정 페이즈(phase)에서, 센서(250)는 이러한 처리 파라미터들에 상응하는 상호작용 영역의 깊이를 판단하는데 이용된다. 이러한 실시예들에서, 센서(250)는 레이저 헤드(200)로부터 분리될 수 있으며, 구조물의 처리 중 또는 상호작용 영역의 깊이를 측정하기 위해 처리가 일시적으로 중지된 시기동안 사용될 수 있다. 대표적인 센서(250)들은 캘리퍼(caliper) 또는 홀에 삽입되어 상호작용 영역의 깊이를 측정하는 다른 수동 측정 장비들과 호환 가능하며 이러한 장비들에 한정되지 않는다.
특정 실시예들에서, 제어기(500)는 처리 파라미터들과 상호작용 영역 깊이 사이의 코럴레이션(correlation)에 대한 통계 결과 데이터를 포함한다. 후속 처리 페이즈(phase) 동안, 구조물은 처리되고, 이 시기 동안은 센서(250)보다는 제어기(500)가 사용될 특정 처리 파라미터들에 상응하는 통계 데이터를 액세스하여 상대적인 거리를 판단하는데 사용될 수 있다. 이러한 방식은 구조물이 처리되는 동안 상호작용 영역의 깊이를 판단하는데 이어 신뢰성 있고 비용에 있어 효율적이다.
다른 실시예들에서, 센서(250)는 레이저 헤드(200)와 구조물의 표면 사이의 거리를 측정한다. 특정 실시예들에서, 센서(250)는, 레이저 헤드(200)와 구조물 사이의 상대적인 거리가 미리 설정된 거리를 초과한 것을 감지할 경우, 실패 상태 신호를 제어기(500)에 제공한다. 이러한 실패 상태는 장치(50)가 의도치 않게 구조물로부터 분리되면서 발생할 수 있다. 제어기(500)는 실패 상태에 응답하여 적절한 신호를 송신함으로써 레이저 베이스 유닛(300)이 레이저 베이스 유닛(300)과 레이저 헤드(200) 사이의 에너지 전송을 중지하도록 한다. 특정 실시예들에서, 전송 중지는 레이저 헤드(200)가 구조물의 표면으로부터 1 센치미터 이상일 경우 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 장치(50)는 수용 플레넘(240)이 구조물과 접촉 상태가 아닐 경우 레이저 광이 방사되지 않는 것을 보증하는데 센서(250)를 사용할 수 있다. 특정 실시예들에서, 센서(250)는 장치(50)가 구조물에 부착되어 있는 동안 구조물의 표면에 접촉하는 인접 스위치를 포함한다.
레이저 조종 시스템(Laser Manipulation System, LMS)
LMS: 조합된 고정 메커니즘 및 배치 메커니즘
특정 실시예들에서, 레이저 조종 시스템은, 일반적으로 처리되는 표면에 대한 평행한 유기적인 로봇 움직임을 제공하기 위해, 구조물과 관련하여 레이저 헤드(200)를 정확하고 반복적으로 위치시킨다. 이를 위해, 레이저 조종 시스템은 해체가능하게 처리될 구조물에 붙여지며, 표면에 근접하여 레이저 헤드(200)를 정확하게 움직일 수 있다. 도 6A 및 도 6B는 레이저 조종 시스템(100)이 구조물에 분리 가능하게 연결된 고정 메커니즘(110) 및 고정 메커니즘(110) 및 레이저 헤드(200)에 연결된 배치 메커니즘(121)을 포함하는 실시예를 상반된 방향에서 바라본 개략적인 사시도이다. 특정 실시예들에서, 레이저 조종 시스템(100)은, 이동, 저장 및 유지를 위해, 분해되거나 재조합될 수 있다.
고정 메커니즘
특정 실시예들에 의한 레이저 조종 시스템은 레이저 조정 시스템을 처리될 구조물에 분리 가능하게 붙이는 고정 메커니즘(110)을 포함한다. 고정 메커니즘(110)은 구조물에 분리 가능하게 결합될 수 있으며 하나 또는 그 이상의 부착 인터페이스들(111)을 포함한다.
도 6B에 개략적으로 도시된 실시예에서, 고정 메커니즘(110)은 한 쌍의 부착 인터페이스(111)를 포함한다. 각각의 부착 인터페이스(111)는 적어도 하나의 탄성 진공 패드(112), 적어도 하나의 인터페이스 탑재 장치(114), 적어도 하나의 진공 도관(116), 적어도 하나의 탑재 커넥터(118) 및 고정 메커니즘(110)의 부착 인터페이스(111)를 배치 메커니즘(121)에 결합시키는 커플러(119)를 포함한다. 도 6A 및 도 6B에 도시된 실시예에는 두 개의 부착 인터페이스(111) 각각이 두 개의 진공 패드(112)를 포함하나, 다른 실시예들은 어떠한 구조 또는 어떠한 수의 부착 인터페이스(111) 및 진공 패드(112)도 이용할 수 있을 것이다.
도 7에 도시된 실시예에서, 두 개의 진공 패드(112)는 인터페이스 탑재 장치(114)에 연결된다. 특정 실시예들에서, 각각의 진공 패드(112)는 구조물에 놓여졌을 때 효과적으로 공기에 의해 꽉 죄인 영역을 형성하는 원형의 고무 패드를 포함 한다. 각각의 진공 패드(112)는 진공 도관(116)(예를 들어, 유연한 호스)을 경유하여 적어도 하나의 진공 발생기(미도시)에 유동적으로 연결된다. 진공 발생기는 진공을 발생시키기 위해 유체의 힘(예를 들어, 압축 공기)을 이용하거나 외부의 진공 소스를 사용할 수도 있다. 진공 발생기는 진공 도관(116)을 경유하여 진공 패드(112)와 구조물 사이의 공기에 의해 죄인 영역으로부터 공기를 끌어오며 이로 인해 공기에 의해 죄인 영역은 진공 상태가 된다. 대기압은 역으로 진공 패드(112)가 구조물에 부착되는 힘을 제공한다.
인터페이스 탑재 장치(114)는 진공 패드(112), 탑재 커넥터(118) 및 커플러(119)가 놓여지는 견고한 금속 지지대를 포함한다. 특정 실시예들에서, 탑재 커넥터(118)는 후에 상세히 설명되는 그라운드-기반 지지 시스템(700)에 분리 가능하게 부착되는 그라운드-기반 커넥터(118a)를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 탑재 커넥터는 후에 상세히 설명되는 서스펜션-기반 지지 시스템(800)에 분리 가능하게 부착되는 적어도 하나의 서스펜션)-기반 지지 커넥터(118b)를 포함할 수 있다. 커플러(119)는 인터페이스 탑재 장치(114)를 배치 메커니즘(121)에 분리 가능하게 연결한다. 특정 실시예들에서, 커플러(119)는 배치 메커니즘(121)에서 적어도 하나의 해당 홈에 연결 가능한 적어도 하나의 돌출부를 포함할 수 있다.
다른 실시예들에서, 고정 메커니즘은 처리될 구조물에 장치(50)를 고정시키기 위한 다른 기술들을 포함할 수 있다. 이러한 기술들은 장치(50) 또는 의사(quasi)-탱크 트레드(tread), 구조물로부터 매달린 이동성 발판 및 견고한 사다리에 부착되는 윈치(winch), 흡입 장치(예를 들어, 컵, gekkomat 또는 스커트 (skirt))를 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 이러한 기술들은 고정 메커니즘(110)의 다른 실시예들과 조합되어 사용될 수도 있다.
배치 메커니즘
레이저 조종 시스템(100)의 특정 실시예들은 레이저 헤더가 처리될 구조물에 근접하면서 정확하게 움직이도록 하는 배치 메커니즘(121)을 포함한다. 도 8은 고정 메커니즘(110)의 부착 인터페이스(111)와 함께 배치 메커니즘(121)의 전개도를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 8의 배치 메커니즘은 제1 축 배치 시스템(130), 제2 축 배치 시스템(150), 인터페이스(140) 및 레이저 헤드 수신기(220)를 포함한다. 제1 축 배치 시스템(130)은 적어도 하나의 커플러(132)에 의해 고정 메커니즘(110)의 부착 인터페이스들(111)에 분리 가능하게 연결된다. 인터페이스(140)(도 8의 실시예에서 제1 피스(piece, 140a) 및 제2 피스(140b)를 포함함)는 제2 축 배치 시스템(150)을 제1 축 배치 시스템(130)에 분리 가능하게 연결한다. 레이저 헤드 수신기(220)는 제2 축 배치 시스템(150)에 분리 가능하게 연결되고, 레이저 헤드(200)의 하우징(230)에 분리 가능하게 연결된다.
특정 실시예들에서, 제1 축 배치 시스템(130)은 고정 메커니즘(110)의 커플러(132)의 해당 돌출부에 분리 가능하게 연결될 수 있는 홈을 가진 적어도 하나의 커플러(130)를 포함한다. 이러한 실시예들은 배치 메커니즘(121)의 이동 저장 또는 유지를 위해 재조합되거나 해체되는 것이 유리하다. 다른 실시예들은 고정 메커니즘(110)에 고정적으로 연결된 제1 축 배치 시스템을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 제1 축 배치 시스템(130)은 구조물의 표면에 실질적으로 평행한 제1 방향으로 레이저 헤드(200)를 움직인다. 도 9에 개략적으로 도시된 실시예에 의하면, 제1 축 배치 시스템(130)은 제1 레일(134), 제1 드라이브(drive, 136), 제1 스테이지(138)를 더 포함한다. 제1 스테이지(138)는 제1 드라이브(136)의 영향으로 제1 레일(134)에 이동 가능하게 연결된다. 인터페이스(140)의 제1 피스(140a)는, 제1 드라이브(136)가 인터페이스(140)를 제1 레일(134)을 따라 이동하는데 사용되도록, 제1 스테이지(138)에 고정적으로 연결된다. 특정 실시예들에서, 제1 축 배치 시스템은 센서, 한계 스위치(limit switch), 또는 제1 레일(134)을 따른 제1 스테이지(138)의 위치에 관하여 정보를 제공하는 다른 장치들을 더 포함한다. 이 정보는 제어기(500)에 제공되며, 제어기(500)는 이 정보에 응답하여 제1 드라이브(136) 또는 레이저 조종 시스템(100)의 다른 컴포넌트들에 제어 신호를 제공한다.
대표적인 제1 드라이브(136)는 수압(hydraulic) 드라이브, 공기압(pneumatic) 드라이브, 전기 기계(electromechanical) 드라이브, 스크류 드라이브, 벨트 드라이브를 포함하며, 이에 한정되지는 않는다. 제1 레일(134), 제1 드라이브(136) 및 제1 스테이지(138)는 기술된 실시예들과 호환 가능하며 Tol-O-Matic, Inc. of Hamel, Minnesota로부터 입수 가능하다. 제1 레일(134), 제1 드라이브(136) 및 제1 스테이지(138)의 다른 타입의 구조 역시 기술된 실시예들과 호환 가능하다.
특정 실시예들에서, 제2 축 배치 시스템(150)은 구조물의 표면과 실질적으로 평행한 제2 방향으로 레이저 헤드(200)를 움직인다. 특정 실시예들에서, 제2 방향 은 제1 축 배치 시스템의 제1 방향과 실질적으로 수직이다. 도 10에 개략적으로 도시된 실시예에서, 제2 축 배치 시스템(150)은 제2 레일(152), 제2 드라이브(154) 및 제2 스테이지(156)를 포함한다. 특정 실시예들에서, 제1 축 배치 시스템(130) 및 제2 축 배치 시스템(150)은 레이저 헤드(200)에 선형적인 움직임을 제공한다. 다른 실시예들에 의하면, 제1 축 배치 시스템 및 제2 축 배치 시스템(150)은 각각 원형(circular) 및 축방향(axial)의 움직임을 제공한다.
특정 실시예들에서, 제2 스테이지(156)는 제2 드라이브(154)의 영향으로 제2 레일(152)에 이동 가능하게 연결된다. 레이저 헤드 수신기(220)는 제2 드라이브(154)가 레이저 헤드 수신기(220)를 제2 레일(152)을 따라 움직이는데 사용되도록 제2 스테이지(156)에 분리 가능하게 연결된다. 특정 실시예들에서, 제2 축 배치 시스템(150)은 센서, 한계 스위치들 또는 제2 레일(152)을 따른 제2 스테이지(156)의 위치에 관한 정보를 제공하는 다른 장치들을 더 포함한다. 이 정보는 제어기(500)에 제공될 수 있으며, 제어기는 이 정보에 응답하여 제2 드라이브(154) 또는 레이저 조종 시스템(100)의 다른 구성 요소들에 제어 신호를 전송한다.
대표적인 제2 드라이브(154)는 수압(hydraulic) 드라이브, 공기식(pneumatic), 전기 기계(electromechanical) 드라이브, 스크류 드라이브, 벨트 드라이브를 포함하며, 이에 한정되지는 않는다. 제2 레일(152), 제2 드라이브(154) 및 제1 스테이지(156)는 기술된 실시예들과 호환 가능하며 Tol-O-Matic, Inc. of Hamel, Minnesota로부터 입수 가능하다. 제1 레일(134), 제1 드라이브(136) 및 제1 스테이지(138)의 다른 타입의 구조 역시 기술된 실시예들과 호환 가능하다.
특정 실시예들에서, 제2 레일(152)은 인터페이스(140)의 제2 피스(140b)에 고정적으로 연결된다. 제2 피스(140b)는 인터페이스(140)의 제1 피스(140a)의 적어도 하나의 해당 돌출부에 분리 가능하게 연결 가능한 적어도 하나의 홈을 포함한다. 이러한 실시예들은 배치 메커니즘(121)의 이동, 저장 또는 유지를 위해 재조합되거나 분해되는 것이 유리하다. 특정 실시예들에서, 인터페이스(140)는 제1 스테이지(138) 및 제2 레일(152) 모두 또는 이중 하나에 분리 가능하게 연결되는 단일 피스로 만들어질 수 있다. 다른 실시예들은 편리한 해체를 위한 구성을 가지지는 않는다(예를 들어, 인터페이스(140)는 단일 피스로 만들어지고 제1 스테이지(138) 및 제2 레일(152) 모두에 고정적으로 연결됨).
특정 실시예들에서, 인터페이스(140)는 제1 레일(134)과 제2 레일(152)간 상대적 정위(relative orientation)를 조정하기 위한 틸트 메커니즘(144)를 포함한다. 도 11A에서 도식적으로 설명된 바와 같이, 인터페이스(140)의 제1 피스(140a)는 제1 레일(134) 상의 제1 스테이지(138)에 연결되며, 인터페이스(140)의 제2 피스(140b)의 상응하는 홈들에 결합하는 한 쌍의 돌기(142)를 포함한다. 틸트 메커니즘(144)은 제1 플레이트(145), 힌지(146), 제1 플레이트(147), 그리고 한 쌍의 지지 버팀대(support braces)(148)를 포함한다. 제1 플레이트(145)는 제1 스테이지(138)에 고정적으로 장착되며 고정 메커니즘(110)이 장착된 표면에 실질적으로 평행하다. 제2 플레이트(147)는 힌지(146)에 의해 제1 플레이트(145)에 선회하여 결합하며 지지 받침대(148)에 의해 그 자리에서 잠겨질 수 있다.
도 11A에서, 틸트 메커니즘(144)은 제1 플레이트(145)와 제1 플레이트(147) 가 실질적으로 서로 평행하도록 설정된다. 이 구성에서, 레이저 헤드(200)의 제1 방향과 제2 방향에 의해 규정된 이동 평면은 고정 메커니즘(110)이 결합된 표면에 실질적으로 평행하다. 도 11B에서, 틸트 메커니즘(144)은 제2 플레이트(147)가 제1 플레이트(145)에 대해 0이 아닌 각도(non-zero angle)(예를 들어, 90도)에 있도록 설정된다. 이 구성에서, 레이저 헤드(200)의 제1 방향과 제2 방향에 의해 규정된 이동 평면은 고정 메커니즘(110)이 결합된 평면에 대해 0이 아닌 각도에 있다.
특정 실시예들에서, 레이저 헤드 리시버(220)는 레이저 헤드(200)의 하우징(230)에 분리 가능하게 연결된다. 도 12는 여기에 설명된 실시예들에 호환하는 레이저 헤드 리시버(220)를 개략적으로 도시하고 있다. 레이저 헤드 리시버(220)는 제2 스테이지(156)에 연결되며 분리 가능한 클램프(222)와 제3축 배치 시스템(third-axis position system)(224)을 포함한다. 클램프(222)는 레이저 헤드(200)의 하우징(230)을 유지한다. 제3축 배치 시스템(224)는 레이저 헤드(200)와 처리중인 구조물간의 상대 거리를 수정한다. 특정 실시예들에서, 제3축 배치 시스템(224)은 클램프(222)를 제2 레일(152)에 실질적으로 수직하게 이동시키는 스크류 드라이브를 포함한다. 특정 실시예들에서, 도 12에 개략적으로 도시된바 같이, 스크류 드라이브는 핸들(226)에 의해 수동으로 구동되며, 클램프(222)를 이동시키기 위해 회전될 수 있다. 다른 실시예들에서, 스크류 드라이브는 컨트롤러(500)로부터의 제어 신호들에 응답하는 장비에 의해 자동적으로 제어된다.
그라운드-기반 지지 시스템(Ground-Based Support System)
특정 실시예들에서, 장치(50)는 장치(50)에 분리 가능하게 연결된 그라운드- 기반 지지 시스템(700)과 함께 이용될 수 있다. 인터페이스 탑재 장치들(114)은 그라운드-기반 지지 시스템(700)에 분리 가능하게 연결된 지면-기반 지지 커넥터(118a)를 각각 포함할 수 있다. 그라운드-기반 지지 시스템(700)은 상업적으로 이용 가능한 리프팅 또는 배치-타입 시스템과 같은 다양한 종류의 외부 붐 시스템(boom system)들에 유용하게 부착될 수 있으며, 장치(50)의 무게 일부를 지지할 수 있으므로, 고정 메커니즘(110)에 의해 지지되는 무게 부하가 감소된다. 그라운드-기반 지지 시스템(700)은 실질적으로 수직 표면(예를 들어, 벽) 또는 실질적으로 수평 표면(예를 들어, 천장)에서 장치(50)의 사용을 용이하게 하는데 이용될 수 있다.
특정 실시예들에서, 그라운드-기반 지지 시스템(700)은 도 13에 개략적으로 도시된 것과 같은 지지 구조물(710)을 포함한다. 도 13의 지지 구조물(710)은 붐 커넥터(boom connector)(712), 회전 마운트(714), 스프레더 부재(spreader member)(716), 한 쌍의 주요 포스트(718), 그리고 한 쌍의 보조 포스트(720)를 포함한다. 붐 커넥터(712)는 선택된 외부 붐 시스템에 부착된다. 회전 마운트(714)는 붐 커넥터(712)에 회전 가능하게 연결되며 붐 커넥터(712)가 지지 구조물(710)에 대해 용이하게 회전되도록 스프레더 부재(716)에 고정적으로 연결된다.
주요 포스트들(718)은 스프레더 부재(716)에 연결되며 실질적으로 서로에 대해 평행하다. 주요 포스트들(718)의 각각은 인터페이스 탑재 장치(114)의 지면-기반 지지 커넥터들(118a)중 하나에 연결된다. 주요 포스트들(718)은 지면-기반 지지 커넥터들(118a)에 정렬되도록 다양한 위치에서 스프레더 부재(716)와 각각 연결할 수 있다. 각 주요 포스트(718)는 또한 보조 포스트(720)에 연결하며, 실질적으로 보조 포스트(720)에 수직한다. 그 실시예에서, 지면-기반 지지 커넥터(118a)에 연결된 주요 포스트들(718)를 가지기 보다는, 보조 포스트들(720)이 지면-기반 지지 커넥터들(118a)에 연결될 수 있으며, 그로 인해 지지 구조물(710)를 고정 메커니즘(110)에 대해 90도씩 효과적으로 회전시킨다. 그 실시예들은 다양한 구성의 구조물들을 처리하고 특정 어플리케이션에 최적인 대체 구성을 허용하는 조정 가능성을 유용하게 제공한다.
서스펜션-기반 지지 시스템(Suspension-Based Support System)
선택적으로, 장치(50)는 장치(50)에 분리 가능하게 연결된 서스펜션-기반 지지 시스템(800)과 함께 함께 이용될 수 있다. 인터페이스 탑재 장치들(114)은 서스펜션-기반 지지 시스템(800)에 분리 가능하게 연결된 서스펜션-기반 지지 커넥터(118b)를 각각 포함할 수 있다. 서스펜션-기반 지지 시스템(800)은 장치(50)의 무게 일부를 지지할 수 있으므로, 고정 메커니즘(110)에 의해 지지되는 무게 부하가 감소된다. 서스펜션-기반 지지 시스템(800)은 실질적으로 수직 표면(예를 들어, 외벽)에서 장치(50)의 사용을 용이하게 하는데 이용될 수 있다.
특정 실시예들에서, 도 14A에 개략적으로 도시된 바와 같이, 서스펜션-기반 지지 시스템(800)은 윈치(winch)(810), 주요 케이블(812), 및 한 쌍의 보조 케이블들(814)을 포함한다. 윈치(810)는 처리될 구조물의 지붕 또는 다른 부분에 위치한다. 윈치(810)는 주요 케이블(812)에 연결하며, 주요 케이블은 보조 케이블들(814)에 연결한다. 보조 케이블들(814)은 각각 고정 메커니즘(110)의 인터페이스 탑재 장치(114)의 서스펜션-기반 지지 커넥터(118b)에 연결된다. 도 14B는 서스펜션-기반 지지 커넥터(118b)를 가진 장치의 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 장치(50)는 윈치(810)가 주요 케이블(814)의 동작 길이를 짧게 하거나 길게 하도록 이용함으로써 내리거나 올릴 수 있다. 다른 실시예들에서, 지면-기반 지지 커넥터(118a)는 서스펜션-기반 지지 커넥터(118b)로 동작하도록 설정될 수 있다.
LMS: 단순화한 고정 메커니즘(LMS: Simplified Anchoring Mechanism)
도 21A 내지 21D는 여기서 설명된 실시예들에 상응하는 다른 고정 메커니즘(1110)을 개략적으로 도시하고 있다. 고정 메커니즘(1110)은 구조물에 분리 가능하게 연결된 탄성 진공 패드(1112), 레이저 헤드(1200)에 분리가능하게 부착된 커플러(1114), 및 핸들(1116)을 포함한다. 네 개의 진공 패드 고정 메커니즘(110)과 다중축 배치 메커니즘(121)을 포함한 상술한 레이저 조정 시스템(100) 대신에, 고정 메커니즘(1110)은 조사될 구조물에 관련한 선택된 위치에서 도 20의 레이저 헤드(1200)를 분리가능하게 유지하는 단순화한 메커니즘을 제공한다.
특정 실시예들에서, 진공 패드(1112)는 구조물에 위치했을 때 공기가 새지 않는 영역을 효과적으로 생성하는 원형 고무막(미도시)을 포함한다. 진공 패드(1112)는 잘 휘어지는 고무 호스와 같은 진공관(미도시)을 통해 적어도 하나의 진공 생성기(미도시)와 유체적으로 연결된다. 진공관을 경유한 고무막과 구조물간의 공기가 새지 않는 영역에서 공기를 뽑아냄으로써, 진공 생성기는 공기가 새지 않는 영역에 진공을 생성한다. 기압은 고정 메커니즘(1110)을 구조물에 가역적으로 붙이 는 힘을 제공한다. 고정 메커니즘(1110)을 표면에서 제거하는 것은 고무막과 구조물사이의 공기가 새지 않는 영역에 공기가 들어가도록 함으로써 이루어진다. 여기에서 설명된 실시예들에 호환하는 진공 패드(1112)는 다양한 공급원으로부터 이용가능하다. 전형적인 진공 패드(1112)는 리히텐슈타인 공국 Schaan의 Hilti Corporation의 376281-DD-CR-1 Complete Core Rig Stand에 의해 공급된다.
특정 실시예들에서, 커플러(1114)는 레이저 헤드(1200)의 상응하는 레이저 헤드 커플러(1250)에 일치하는 구조물을 포함한다. 도 21A에 의해 개략적으로 도시된 고정 메커니즘(1110)에 대해, 커플러(1114)는 진공 패드(1112)에 부착된 적어도 하나의 돌기(1115)를 포함한다. 커플러(1114)는 적어도 하나의 상응하는 홈(1116)을 포함하는 레이저 헤드 커플러(1250)에 연결 가능하다. 다른 실시예들에서, 커플러(1114)는 홈을 포함하며 레이저 헤드 커플러(1250)는 상응하는 돌기를 포함한다. 또 다른 실시예들에서, 커플러(1114)는 도 21D에 개략적으로 도시된 바와 같이, 레이저 헤드(2200)를 유지하는 이음고리(collar)(1117)를 포함한다.
도 21C에 개략적으로 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예들에서, 커넥터(1114)는 적어도 하나의 로드(1118)를 포함하며 레이저 헤드(1200)의 커플러(1250)는 적어도 하나의 이음고리(1119를 포함한다. 도 21C의 대표적인 실시예에서, 커플러(1114)는 두 개의 로드(1118a, 1118b)를 포함하며, 레이저 헤드 커플러(1250)는 두 개의 이음고리(1119a, 1119b)를 포함한다. 각 이음고리(1119)는 레이저 헤드(1200)가 로드(1118)의 길이에 따른 다양한 장소에 조정 가능하게 위치할 수 있도록 하기 위해 상응하는 로드(1118)에 분리 가능하게 연결된다. 특정 실시예들에서, 이음고리(1119)는 레이저 헤드(1200)가 로드(1118) 주위에서 회전되는 것을 허용하기 위해 로드(1118)에 대해 조정 가능하게 회전될 수 있다. 예를 들어, 도 21C에 의해 개략적으로 도시된 실시예에서, 하나의 이음고리(1119a)는 그것의 상응하는 로드(1118a)로부터 분리될 수 있으며, 다른 이음고리(1119b)는 그것의 상응하는 로드(1118b) 주위에서 회전될 수 있다. 그러한 실시예들은 레이저 헤드(1200)가 그 드릴링 위치에서부터 떨어져서 회전하는 성능을 제공하여 드릴링중인 홀에 대해 시각 검사가 이루어질 수 있도록 한다. 시각 검사가 이루어지면, 레이저 헤드(1200)는 레이저 헤드(1200)를 뒤로 회전하고 이음고리(1119a)를 그 상응하는 로드(1118a)에 재결합함으로써 드릴링 위치로 다시 위치할 수 있다.
특정 실시예들에서, 핸들(1116)은 고정 메커니즘(1110)을 원하는 장소로 이동시키고 위치시키기 용이하기 위해 조정된다. 도 21A 내지 21D에서 개략적으로 도시된 것들을 제외한 핸들(1116)의 다른 구성들은 여기서 설명된 다른 실시예들에 호환한다.
단순화한 고정 메커니즘(1110)은, 상술한 바와 같이, 장치가 구조물을 드릴링하거나 홀을 뚫을 때에만 사용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 고정 메커니즘(1110)은 구조물에 분리 가능하게 부착될 수 있어서 레이저 헤드(1200)가 선택된 장소에 홀을 드릴링하기 위해 구조물에 조사하도록 위치된다. 그 실시예들에서 제2 선택 장소에 제2 홀을 드릴링하기 위해, 고정 메커니즘(1110)은 구조물에서 제거되고 이동되어 레이저 헤드(1200)는 제2 선택 장소에서 구조물을 조사하도록 재위치된다. 고정 메커니즘(1110)(도 6A, 6B, 7 및 8의 고정 메커니즘(110)과 비교할 때) 을 단순화하고 배치 메커니즘(121)의 이용을 피함으로써, 그 단순화된 실시예들은 한 명에 의해 이동가능하고 위치시킬 수 있는 더 가벼운 대안을 제공한다. 더욱이, 그런 단순화된 실시예들은 도 6A, 6B, 7 및 8에 관련해서 설명된 것들 보다 더욱 강인하다.
제어기(Controller)
특정 실시예들에서, 제어기(500)는 레이저 베이스 유닛(300)과 전기적으로 연결되며 레이저 베이스 유닛(300)에 제어 신호들을 전송한다. 다른 실시예들에서, 제어기(500)는 레이저 베이스 유닛(300)과 레이저 조정 시스템(100) 모두에 전기적으로 연결되며, 레이저 베이스 유닛(300)과 레이저 조정 시스템(100) 모두에 제어 신호들을 전송한다. 도 15는 여기에서 설명된 실시예들에 상응하는 제어기(500)의 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 제어기(500)는 제어 패널(510), 마이크로프로세서(520), 레이저 발생기 인터페이스(530), 배치 시스템 인터페이스(540), 센서 인터페이스(550) 및 유저 인터페이스(560)를 포함한다.
특정 실시예들에서, 제어 패널(510)은 메인 파워 서플라이, 메인 파워 스위치, 비상 파워 오프 스위치 및 제어기(500)의 다른 구성부들을 연결된 다양한 전기 커넥터들을 포함한다. 제어 패널(510)은 외부 파워 소스(도 15에는 미도시)에 연결되고 장치(50)의 다양한 구성부들에 전원을 공급한다.
특정 실시예들에서, 마이크로프로세서(520)는 프로그래머블 로직 컨트롤러 마이크로프로세서(Programmable Logic Controller microprocessor)(PLC)를 포함한다. PLC는 엄격하고, 신뢰성 있고 구성하기 쉬우며, 대표적인 PLC는 위스콘신주 밀 워키의 록웰 오토메이션, 일리노이즈주 팔라틴의 쉬나이더 일렉트릭, 독일 뮌헨의 지멘스에서 구할 수 있다. 다른 실시예들에서, 마이크로프로세서(520)는 개인용 컴퓨터 마이크로프로세서 또는 쉽고 유연한 구현을 제공하는 PC/104 임베디드 PC 모듈을 포함한다. 마이크로프로세서(520)는 바람직한 커팅 또는 드릴링 패턴을 달성하도록 제어 신호들을 장치(50)의 다른 구성부들에 (레이저 발생기 인터페이스(530) 및 배치 시스템 인터페이스(540)를 통해) 전송함으로써 장치(50)의 다양한 센서들뿐만이 아니라 사용자(사용자 인터페이스(560)를 통한)로부터의 입력 신호에 응답한다.
마이크로프로세서(520)는 하드에어, 소프트웨어 또는 양자의 조합으로 구현될 수 있다. 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구현되면, 소프트웨어는 프로세서 판독 가능한 저장 매체에 상주한다. 더욱이, 특정 실시예들의 마이크로프로세서(520)는 동작 동안에 이용되는 정보를 유지하는 메모리를 포함한다.
특정 실시예들에서, 레이저 발생기 인터페이스(530)는 레이저 베이스 유닛(300)에 연결되며 제어 신호들을 마이크로프로세서(520)에서 레이저 베이스 유닛(300)의 다양한 구성부들로 전송한다. 예를 들어, 레이저 발생기 인터페이스(530)는 레이저 파워 출력 레벨과 레이저 펄스 프로필 그리고 타이밍을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는, 바람직한 동작 매개변수들을 설정하기 위해 제어 신호들을 레이저 발생기(310)에 전송할 수 있다. 더욱이, 레이저 발생기 인터페이스(530)는 적절한 냉각 레벨, 수용 플래넘(240)의 압축가스 흡입구(249)에 연결된 압축가스의 소스를 설정위해 냉각 서브시스템(320) 또는 추출 포트(248)에 연결된 진공 생성 기로 제어 신호들을 냉각 서브시스템(320)에 전송할 수 있다.
특정 실시예들에서, 배치 시스템 인터페이스(540)는 레이저 조정 시스템(100)의 배치 메커니즘(121)에 연결되고 상술한 바와 같이 제1축 배치 시스템(130) 및 제2축 배치 시스템(150)에 호환한다. 특정 실시예들에서, 배치 시스템 인터페이스(540)는 제1축 배치 시스템(130) 및 제2축 배치 시스템(150)에 대한 서보-드라이버들을 포함한다. 서보-드라이버들은 마이크로프로세서(520)로부터의 제어 신호에 바람직하게 응답하여 제1 드라이브(136)와 제2 드라이브(154)에 대한 구동 전압들과 전류들을 생성한다. 이러한 방식으로, 제어기(500)는 어떻게 레이저 헤드(200)가 구조물의 표면에 걸쳐 스캔되는지를 결정한다. 특정 실시예들에서, 서보-드라이버들은 제어기(500)의 제어 패널(510)로부터 그들의 전력을 수신한다. 배치 메커니즘(121)이 제3축 배치 시스템을 더 포함하는 실시예들에서, 배치 시스템 인터페이스(540)는 적절한 서보-드라이버를 더 포함하여 제어기(500)가 레이저 헤드(200)와 처리중인 구조물 표면간의 상대 거리를 결정할 수 있다.
특정 실시예들에서, 센서 인터페이스(550)는 어떤 동작 매개변수들이 선택되거나 수정될 수 있는지에 대한 데이터를 제공하는 장치(50)의 다양한 센서들(도 15에는 미도시)과 연결한다. 예를 들어, 상기와 같이, 레이저 헤드(200)는 레이저 헤드(200)와 상호작용 영역간 상대 거리를 측정하는 센서(250)를 포함할 수 있다. 그러한 실시예들의 센서 인터페이스(550)는 센서(250)로부터 데이터를 수신하며 이 데이터를 마이크로프로세서(520)에 제공한다. 마이크로프로세서(520)는 레이저 베이스 유닛(300) 및/또는 레이저 조정 시스템(100)의 다양한 동작 매개변수들을 적 절하게, 실시간으로 수정할 수 있다. 센서 인터페이스(550)를 통해 제어기(500)에 연결될 수 있는 다른 센서들은 레이저 헤드(200)가 처리중인 표면에 대해 정위치에 있는지를 확인하는 근접 센서들, 다양한 냉각, 압축 공기, 및 진공 시스템들에 대한 온도 또는 유량 센서(flow sensor), 그리고 철근 감지기들(이하에서 더 충분하게 설명됨)를 포함하지만, 이에 한정되지 는 않는다.
특정 실시예들에서, 사용자 인터페이스(560)는 사용자에게 장치(50)에 관련된 정보를 제공하고 마이크로프로세서(520)로 전송될 사용자 입력을 수신한다. 특정 실시예들에서, 사용자 인터페이스(560)는 마이크로프로세서(520)에 전기적으로 연결된 제어 펜던트(control pendant)(570)를 포함한다. 도 16에 개략적으로 도시된 바와 같이, 특정 실시예들에서, 제어 펜던트(570)는 스크린(572)과 복수의 버튼들(574)을 포함한다.
스크린(572)은 상태 정보와 동작 매개변수 정보를 사용자에게 표시하기 위해 이용될 수 있다. 대표적인 스크린(572)은 액정 디스플레이를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 버튼들(574)은 장치(50)의 동작 매개변수들을 설정하기 위해 마이크로프로세서(520)에 의해 이용되는 데이터를 사용자가 입력하도록 하는데 이용될 수 있다. 다른 실시예들은 키보드, 마우스, 터치패드, 그리고, 전위차계 손잡이 및/또는 다이얼을 포함하지만, 이에 한정되지 않는, 사용자 입력을 장치(50)와 통신하기 위한 다른 기술들을 이용할 수 있다. 특정 실시예들에서, 제어 펜던트(570)는 장치에 전선으로 결선되는 반면, 다른 실시예들에서, 제어 펜던트(570)는 장치(50)와 원격으로(예를 들어, 무선으로) 통신한다.
특정 실시예들에서, 제어 펜던트(570)는 비상 중지 버튼과 싸이클 중지 버튼을 더 포함한다. 비상 중지 버튼을 누르면, 장치(50)는 즉시 모든 이동을 그만두고 레이저 방사는 즉시 중단된다. 주기 중지 버튼을 누르면, 장치(50)는 유사하게 모든 이동을 그만두고 실행중인 커팅 시퀀스에 상응하는 레이저 방사를 중단하지만, 사용자에게는 커팅 시퀀스의 시작으로 되돌아가거나 또는 커팅 시퀀스가 중단된 지점에서 커팅을 재시작하는 옵션이 제공된다. 특정 실시예들에서, 제어 펜던트(570)는 장치(50)를 실행하기 위해서는 반드시 사용자에 의해 수동으로 작동시켜야 하는 "데드 맨 스위치(dead man switch)"를 더 포함한다. 그 스위치는 장치(50)는 적극적으로 제어 펜던트(570)를 사용하는 사람 없이는 동작하지 않는다는 것을 보장함으로써 안전장치를 제공한다.
도 17A 내지 17H는 제어 펜던트(570)의 예시 화면 표시들을 도시하고 있다. 왼쪽과 오른쪽에 걸쳐 있는 각 버튼들(574)의 기능은 장치(50)의 동작 모드에 의존한다. 각 화면 표시는 현재 동작 모드에 관한 관련된 정보와 함께 시스템 상태에 관한 정보를 제공한다.
도 17A의 "메인 스크린" 디스플레이는 "기계 상태" 필드, "시스템 상태" 필드, 그리고 제어 펜던트(570)의 일부 또는 모든 버튼들(574)의 기능에 상응하는 라벨 필드들을 포함한다. "기계 상태" 필드는 장치(50)가 무엇을 하고 있는지와 사용자가 다음으로 무엇을 할지를 설명하는 텍스트 메시지를 포함한다. "시스템 상태" 필드는 장치(50)의 동작 모드를 보여주는 박스를 포함한다. 도 17A에 의해 도시된 예시에서, 장치는 "정비 모드"이다. "시스템 상태" 필드는 고정 시스템(110)의 진 공 패드들(112), 공기압 또는 진공압, 제1축 배치 시스템(130), 및 제2축 배치 시스템(150)을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 장치(50)의 다양한 구성부들의 상태를 지시하는 복수의 상태 박스들을 또한 포함한다. "시스템 상태" 필드는 레이저 베이스 유닛(300)에 의해 감지된 오류들이 있는지를 또한 지시한다. 특정 실시예들에서, 구성부의 명목 상태는 상응하는 상태 박스가 녹색으로 표시된다. 장치(50)의 대기 상태는 모든 시스템 상태 박스가 녹색으로 표시되도록 함으로써 표시된다. 만일 이 구성부들 중 하나의 상태가 동작 매개변수 밖에 있으면, 상응하는 상태 박스는 적색으로 표시되며, 시스템 인터락들이 가능하게 되어, 장치(50)의 동작을 방해한다. 시동시, 시스템 인터락들은 가능화되며 장치(50)의 동작에 앞서 해제되어야 한다. "기계 상태" 필드의 텍스트 메시지는 장치(50)를 동작 매개변수 내에 위치하고 시스템 인터락들을 해제하도록 실행될 동작에 관한 정보를 제공한다. 모든 시스템 인터락들을 해제하면, "기계 상태" 필드는 장치(50)가 이용 준비가 되었음을 표시할 것이다.
도 17B의 "선택 동작 스크린" 디스플레이는 "기계 상태" 필드, "시스템 상태" 필드, 그리고 일부 또는 모든 버튼들(574)의 기능에 상응하는 라벨 필드들을 포함한다. "시스템 상태" 필드는 제1축 배치 시스템(130)(장축으로 불림)과 제2축 배치 시스템(단축으로 불림)에 따른 레이저 헤드(200)의 위치에 관한 정보를 포함한다. 일부 버튼들(574)은 다양한 옵션들을 가능하게 하도록 설정된다. 예를 들어, 네 개의 버튼들(574)은 도 17B에 도시된 바와 같이, 원, 관통, 직선 커팅 그리고 표면 키잉(surface keying)의 네 개의 다른 동작들을 가능하게 하도록 설정된다.
도 17C는 레이저 헤드(200)가 처리될 구조물의 표면에 원하는 깊이로 원형 패턴을 커팅하기 위해 원을 이루도록 이동하는 장치(50)의 원 동작에 관한 정보를 제공하는 "원 설정/동작 스크린" 디스플레이를 표시하고 있다. 특정 실시예들에서, 원 동작은 "트리파이닝(trepanning)", 즉 고체 원형 중심이 커팅되고 그 표면에서 제거되어 원형 홀을 남기는데 이용될 수 있다.
"원 상태" 필드는 원 동작의 상태에 관한 정보와 사용자에 대한 상응하는 지시를 제공한다. 제1축 배치 시스템(130)과 제2축 배치 시스템(150)에 따른 레이저 헤드(200)의 시작 위치는 "시스템 상태" 필드에서 제공된다. "원 매개변수" 필드는 원형 패턴 주위의 회전수, 지름, 커팅이 이루어지는 기간, 원 주위의 레이저 헤드(200)의 움직임 속도, 그리고 레이저 베이스 유닛(LBU) 프로그램 번호를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 원형 패턴의 커팅에 관련된 다양한 매개변수들에 관련된 정보를 제공한다. 특정 실시예들에서, LBU 프로그램 번호는 빔 포커스와 강도를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 레이저 헤드(200)의 동작 매개변수에 상응한다.
특정 실시예들에서, 다양한 매개변수들은 새로운 값이 입력되어 숫자 키패드가 스크린(572)에 팝업되면, 스크린(572)상에서 매개변수를 터치함으로써 변경될 수 있다. 각 매개변수에 대해, "설정 포인트" 값은 현재 메모리에 있는 값과 입력된 마지막 값에 상응한다. "상태" 값은 선택된 현재 값에 상응한다. 새로운 매개변수 값을 저장하면, "상태"와 "설정 포인트" 값이 동일하다. "자동/건식 실행(Auto/Dry Run)"으로 명명된 버튼(574a)을 누르면 원하는 동작을 보장하기 위해 레 이저 빔을 구동하지 않고 레이저 헤드(200)의 원형 이동을 시작한다. "싸이클 시작(Cycle Start)"으로 명명된 버튼(574b)을 누르면 레이저 헤드(200)의 이동과 레이저 빔의 구동을 모두 포함하는 원형 패턴의 커팅을 시작한다. "싸이클 정지(Cycle Stop)"로 명명된 버튼(574c)을 누르면 정지된 부분에서 커팅과 이동을 재시작하는 옵션으로, 커팅과 이동을 멈추거나 중지한다. "기계 리셋(Machine Reset)"으로 명명된 버튼(574d)을 누르면 장치(50)를 중립 상태에 위치시킨다. 커팅 종료시 "다음(Next)"으로 명명된 버튼(574a)을 누르면 "선택 동작 스크린"으로 되돌아간다.
도 17D는 레이저 헤드(200)가 처리중인 구조물의 표면에 원하는 깊이로 홀을 관통하는 장치(50)의 드릴링 동작에 관련된 정보를 제공하는 "관통 설정/동작 스크린(PIERCE SETUP/OPERATION SCREEN)" 디스플레이를 도시한다. "관통 상태(Pierce Status)" 필드는 관통 동작의 상태에 관한 정보와 사용자에 대한 상응하는 지시를 제공한다. 제1축 배치 시스템(130)과 제2축 배치 시스템(150)에 따른 레이저 헤드(200)의 시작 위치는 "시스템 상태" 필드에서 제공된다. "관통 매개변수(Pierce Parameters)" 필드는, 홀의 드릴링에 관련된 다양한 매개변수에 관한 정보를 제공한다. 레이저 매개변수들은 레이저 파워, 레이저 스팟 크기, 그리고 드릴링의 시간(각각은 구조물에 형성된 홀의 직경에 영향을 미칠 수 있다), 그리고 LBU 프로그램 번호를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 매개변수들은 상기한 바와 같이 변경될 수 있다. "자동/건식 구동", "싸이클 시작", "싸이클 정지", "기계 리셋" 및 "다음" 으로 명명된 버튼들(574)은 상술한 바와 같이 동작한다.
도 17E는 레이저 헤드(200)가 처리중인 구조물의 표면에 원하는 깊이로 직선 커팅하는 장치(50)의 커팅 동작에 관련된 정보를 제공하는 "커팅 설정/동작 스크린" 디스플레이를 도시한다. 직선 커팅은 바람직하게 장치의 하나의 축을 따른다. "커팅 상태" 필드는 커팅 동작의 상태에 관련된 정보와 사용자에 대한 상응하는 지시를 제공한다. 제1축 배치 시스템(130)과 제2축 배치 시스템(150)에 따른 레이저 헤드(200)의 시작 위치는 "시스템 상태" 필드에서 제공된다. "커팅 매개변수" 필드는 레이저 헤드(200)의 움직임 속도, 만들어진 커팅의 길이, 그리고 LBU 프로그램 번호를 포함하지만 이에 한정되지는 않는 커팅에 관련된 다양한 변수들에 관한 정보를 제공한다. 매개변수들은 상기한 바와 같이 변경될 수 있다. "장축"과 "단축"으로 명명된 버튼들(574f, 574g)은 레이저 헤드(200)의 움직임 속도로서 제1축 또는 제2축을 각각 선택하는데 이용된다. "자동/건식 구동", "싸이클 시작", "싸이클 정지", "기계 리셋" 및 "다음" 으로 명명된 버튼들(574)은 상술한 바와 같이 동작한다.
도 17F는 레이저 헤드(200)가 처리될 구조물의 표면에 원하는 톱니모양 또는 나사를 커팅하는 장치(50)의 표면 키잉 동작에 관련된 정보를 제공하는 "표면 키잉 설정/동작 스크린" 디스플레이를 도시한다. 표면 키잉 동작은 원하는 깊이 및 일반적으로 직사각형 영역으로 표면에 톱니바퀴 또는 "나사(key)"를 생성하기 위해 표면에 걸친 레이저 빔 스캐닝을 포함한다. 특정 실시예들에서, 표면 키잉 동작은 표면의 "스캐블링"을 실행하는데 이용될 수 있는데, 표면은 임의의 영역(예를 들어, 직사각형)에 걸쳐 레이저 빔과의 상호 작용에 의해 거칠어진다.
"표면 키잉 상태" 필드는 표면 키잉 동작의 상태에 관련된 정보와 사용자에 대한 상응하는 지시를 제공한다. 제1축 배치 시스템(130)과 제2축 배치 시스템(150)에 따른 레이저 헤드(200)의 시작 위치는 "시스템 상태" 필드에서 제공된다. "표면 키잉 매개변수" 필드는 레이저 헤드(200)의 움직임 속도, 제1축과 제2축에 따라 만들어진 나사의 길이, 장치(50)가 제1축과 제2축에 따른 이동간에 증가할 수 있는 오프셋 길이, 그리고 LBU 프로그램 번호를 포함하지만 이에 한정되지는 않는 커팅에 관련된 다양한 변수들에 관한 정보를 제공한다. 매개변수들은 상기한 바와 같이 변경될 수 있다. "장축"과 "단축"으로 명명된 버튼들(574f, 574g)은 레이저 헤드(200)의 움직임 속도로서 제1축 또는 제2축을 각각 선택하는데 이용된다. "자동/건식 구동", "싸이클 시작", "싸이클 정지", "기계 리셋" 및 "다음" 으로 명명된 버튼들(574)은 상술한 바와 같이 동작한다.
도 17G는 감지된 동작 오류에 관한 정보를 제공하는 "오류 스크린" 디스플레이를 도시한다. 감시 시스템의 센서(예를 들어, 유량계(flowmeter), 온도 센서, 안전 스위치, 비상 정지)가 비동작 상태를 감지하면 오류가 발생하고, 장치(50)가 임으의 동작 모드이고 임의의 스크린이 디스플레이되고 있는 동안에 오류가 발생할 수 있다. 오류가 발생하면, 오류를 나타내는 스크롤 메시지가 디스플레이 되고 있는 현재 스크린의 아래 부분에 바람직하게 제공된다. 또한, "기계 상태" 필드는 사용자에게 오류를 제거하라고 지시할 수 있다. "오류 스크린"은 적절한 버튼(574)을 눌러서 임의의 다른 스크린으로부터 억세스될 수 있다. 도 17G에 도시된 바와 같이, 특정 실시예들에서, "오류 스크린"은 시각과 오류 종류를 포함하지만 이에 한정되지 않는 관련된 데이터를 가진 테이블에서 감지된 오류를 디스플레이 한다. 동 작을 위해 장치(50)를 준비하기 위해, 감지된 오류는 사용자에 의해 바람직하게 제거된다. 감지된 오류를 제거한 후, 사용자는 적절한 버튼(574)을 눌러 오류를 인식한다. 오류가 제거되지 않으면, 사용자는 적절한 버튼(574)(예를 들어, "기계 리셋")을 눌러 오류가 발생할 때 표시되는 스크린으로 되돌아갈 수 있다. "기계리셋" 버튼(574)을 누르면 장치(50)를 리셋할 수 있는 "메인 스크린"으로 되돌아간다.
도 17H는 장치(50)에 관한 정보를 제공하는 "정비 스크린"을 도시하고 있다. 정비 모드는 적절한 버튼(574)를 눌러 "메인 스크린"에서 억세스할 수 있다. 정비 모드에서, 시스템 인터락은 바이패스되며, 따라서 사용자는 장치(50) 또는 사람 또는 장치(50)에 근접한 물질에 손상을 입히지 않는 특별한 조치를 바람직하게 취할 수 있다. "정비 스크린"은 사용자에게 적절한 경고를 표시할 수 있다.
정비 모드는 장치(50)의 오류 상태에 독립적인 장치(50)의 다양한 구성부들의 동작을 확인할 수 있는 기회를 사용자에게 제공한다. 예를 들어, 정비 모드에서 적절한 버튼(574)을 누름으로써, 진공 시스템은 켜지고 꺼질 수 있으며, 압축 공기는 솔레노이드 밸드를 통해 켜지고 꺼질 수 있으며, 제1 드라이브(136)와 제2 드라이브(154)는 켜지고 꺼질 수 있다. 또한, 제1축과 제2축의 기본 조그 속도는 스크린(572)을 눌러 상기한 바와 같이 숫자 키패드를 팝업하여 변경될 수 있다.
"시스템 상태" 필드는 고정 시스템(110)의 진공 패드들(112), 공기압 또는 진공압, 제1축 배치 시스템(130), 및 제2축 배치 시스템(150)을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 장치(50)의 다양한 구성부들의 상태를 지시하는 복수의 상태 박스들을 또한 포함한다. "시스템 상태" 필드는 레이저 베이스 유닛(300)에 의해 감지 된 오류들이 있는지를 또한 지시한다. 특정 실시예들에서, 구성부의 명목 상태는 상응하는 상태 박스가 녹색으로 표시된다. 특정 실시예들에서, 구성부의 명목 상태는 상응하는 상태 박스가 녹색으로 표시된다. 장치(50)의 대기 상태는 모든 시스템 상태 박스가 녹색으로 표시되도록 함으로써 표시된다. 만일 이 구성부들 중 하나의 상태가 동작 매개변수 밖에 있으면, 상응하는 상태 박스는 적색으로 표시된다.
"정비 스크린"은 원하는 대로 제1축과 제2축을 따라 레이저 헤드(200)를 움직일 수 있도록 한다. 한 세트의 3개 버튼들(574)은 제1축을 따라 홈 위치로 각각 전진 또는 후진하여 레이저 헤드(200)를 움직일 수 있도록 설정된다. 유사하게, 다른 세트의 3개 버튼들(574)은 제2축을 따라 레이저 헤드(200)를 유사하게 이동하도록 설정된다. 이러한 세트들의 버튼들에 대한 레벨 필드는 이들 두 축을 따른 레이저 헤드(200)의 위치에 관한 정보를 포함한다.
감지기(Detector)
특정 실시예들에서, 제어기(500)는 구조물을 처리하는 도중 구조물에서 내장 물질을 감지하며, 제어기(500)로 감지 신호들을 전송하는 감지기(600)에 연결된다. 특정 실시예들에서, 제어기(500)는 레이저 베이스 유닛(300) 또는 레이저 베이스 유닛(300)과 레이저 조정 시스템(100) 양쪽에 적절한 제어 신호들을 전송함으로써 내장 물질을 실제로 손상하는 것을 피한다. 특정 실시예들에서, 감지기(600)는 내장된 물질을 감지하는 처리 도중에 상호 작용 영역이 발출한 빛을 이용한다.
내장 물질을 검출하는 다양한 기술들은 본 발명의 실시예들에 호환한다. 처 리 도중 상호 작용 영역으로부터 방사된 빛의 스펙트럼 분석은 상호 작용 영역에서 물질의 화학적 성분에 관한 정보를 제공할 수 있다. 빛의 파장 및/또는 강도를 분석함으로써, 가열된 물질의 구성과 그 온도를 판단하는 것이 가능하다. 입체 정보를 이용하면, 내장된 물질의 감지가 특정 실시예들에서는 처리하는 동안 광 스펙트럼에서의 모니터링 변화들에 의존한다. 내장된 물질들의 구성에 있어서 차이에 의해, 콘크리트에 내장된 철근(예를 들어, 강철)과 같은 예에 의해 한정이 아닌, 다양한 물질들에 대한 용융점과 끓는점 온도들에 있어서의 변이는 레이저 광이 내장된 물질에 영향을 미치고 가열할 때 빛의 양, 및/또는 빛의 파장에 상당한 변화를 초래할 수 있다.
도18A는 여기서 설명된 실시예들에 호환하는 예시적인 감지기(600)를 개략적으로 도시하고 있다. 감지기(600)는 시준 렌즈(collimating lens)(610), 광섬유(620), 그리고 분광계(630)를 포함한다. 특정 실시예들의 분광계(630)는 입력 슬릿(631), 광학 격자(632), 집합 렌즈(collection lens)(633), 그리고 광센서(634)를 포함한다. 시준 렌즈(610)는 상호작용 영역에서 방사된 빛을 수신하며, 빛이 광섬유(630)로 향하도록 위치된다. 광섬유(620)는 빛을 분광계(630)로 전달하며, 빛은 입력 슬릿(631)을 거쳐 분광계(630)의 광학 격자(632)로 전송된다. 광학 격자(632)는 빛을 파장의 스펙트럼으로 분리한다. 선택된 범위의 파장을 갖는 분리된 빛은 집합 렌즈(633)를 통해 파장 범위에서의 빛의 세기에 상응하는 신호를 생성하는 광센서(634)로 향해질 수 있다.
특정 실시예들에서, 적어도 감지기(600)의 일부분은 레이저 헤드(200) 상에 장착된다. 시준 렌즈(610)가 레이저 헤드(200)의 일부인 실시예들에서, 시준 렌즈(610)는 방사된 레이저 광의 축에 가깝게 위치되어 상호작용 영역으로부터 빛을 수신할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 시준 렌즈(610)는 노즐(244)뒤에 위치할 수 있으며, 윈도우(243)에 있는 것과 같이, 압축 공기 흡입구(249)로부터 압축 공기에 의해 보호될 수 있다. 특정 실시예들에서, 시준 렌즈(610)는 레이저 빔과 동축이며, 반면에 다른 실시예들에서는, 시준 렌즈(610)가 축 밖에 위치한다. 대표적인 시준 렌즈(610)는 플로리다주 Dunedin의 오션 옵틱스의 UV-74를 포함하되 이에 한정되지는 않는다.
특정 실시예들에서, 광섬유(620)는 레이저 헤드(200)에서 분광계(630)까지 전송되는 광 세기의 충분히 낮은 감쇄를 제공하도록 선택된 물질을 포함한다. 광섬유(620)에 대한 대표적인 물질은 실리카와 용융된 실리카를 포함하되 이에 한정되지는 않는다. 특정 실시예들에서, 광섬유(620)는 순수한 용융 실리카 코어, 도핑된 용융 실리카 피복, 그리고 폴리이미드 버퍼 코팅을 포함한다. 또한, 특정 실시예들의 광섬유(620)는 외부 자켓(예를 들어, Teflonㄾ, Tefzelㄾ, Kevlarㄾ 및 이들의 조합)과 스테인레스 금속 덮개에 의해 보호된다. 또한, 특정 실시예들의 광섬유(620)는 우각 섬유 마운트(right-angle fiber mount)를 이용하여 레이저 헤드(200)에 연결 가능하다. 다른 조유의 광섬유(620)와 탑재 구성들은 여기에서 설명된 실시예들에 호환한다. 대표적인 광섬유(620)는 플로리다주 Dunedin의 오션 옵틱스의 P400-2-UV/VIS를 포함하되 이에 한정되지는 않는다.
특정 실시예들에서, 분광계(630)는 조정 가능한 입력 슬릿(631)을 포함한다. 특정 실시예들의 입력 슬릿(631)은 대략 1 밀리미터의 높이와 대략 5에서 200 마이크론 사이의 범위에서 폭을 가진다. 입력 슬릿(631)은 분광계(630)로 진입하는 빛의 양을 결정한다. 입력 슬릿(631)의 폭은 광센서(634)의 해상도에 영향을 미친다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 대략 5 마이크론의 입력 슬릿 폭은 대략 3 픽셀의 해상도에 상응하는 반면, 대략 200 마이크론은 대략 24 픽셀의 해상도에 상응한다. 입력 슬릿(6310)의 폭은 충분한 해상도뿐만이 아니라 충분한 광 투과율을제공하도록 용이하게 선택된다.
특정 실시예들의 광학 격자(632)는입력 슬릿(631)로부터 빛을 수신하고 빛의 파장에 종속적인 상응하는 각도로 빛의 다양한 파장 성분들을 회절시킨다. 이 방법에서, 광학 격자(632)는 빛의 다양한 파장 성분들을 분리한다. 특정 실시예들에서, 광학 격자(632)와 입력 슬릿(631)으로부터의 빛 사이의 각도는 스캔된 후(예를 들어, 광학 격자(632)를 움직여서), 광센서(634)에 도달한 파장 성분을 스캐닝한다. 광학 격자(632)를 이용하는 대표적인 분광계(630)는 플로리다주 Dunedin의 오션 옵틱스의 USB2000(VIS/UV)를 포함하되 이에 한정되지는 않는다.
특정 실시예들에서, 분광계(630)의 집합 렌즈(633)는 광센서(634)의 광 수신 효율을 증가시킨다. 특정 실시예들에서, 집합 렌즈(633)는 광센서(634)에 부착된 원통형 렌즈를 포함한다. 그러한 실시예들의 집합 렌즈(633)는 (입력 슬릿(631)의 폭 또는 광섬유(620)의 크기에 의해 제한된) 큰 직경 입구 구경과 낮은 광 레벨 어플리케이션에 유리하게 유용하다. 또한, 특정 실시예들에서, 집합 렌즈(633)는 광센서(634)에 도달하는 산란광을 감소시킴으로써 분광계(630)의 효율을 개선한다. 다른 구성들의 입력 슬릿(631), 광학 격자(632), 그리고 집합 렌즈(633)를 갖는 다른 분광계(630)는 여기서 설명된 실시예들에 호환된다.
특정 실시예들에서, 도 18B에 개략적으로 도시된 바와 같은 감지 시스템(600)은 분광계(630)에 연결된 컴퓨터 시스템(640)을 포함한다. 컴퓨터 시스템(640)은 산출된 스펙트럼 데이터를 분석한다. 특정 실시예들의 컴퓨터 시스템(640)은 마이크로프로세서(641), 메모리 서브시스템(642), 그리고 디스플레이(643)를 포함한다. 컴퓨터 시스템(640)에 강인성을 더 제공하기 위해, 마이크로프로세서(641)와 메모리 서브시스템(642)은 쉬운 접속을 위해 인클로져(enclosure)의 하나 이상의 사이드 패널에 입력과 출력 전력 그리고 신호 연결들을 구비한 국립 전기 제조자 협회(National Electrical Manufacturers Association (NEMA))에 의해 평가된 인클로져내에 장착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 컴퓨터 시스템(640)은 벽 콘센트로부터 110V 전원을 공급받는 반면, 특정 실시예들에서, 컴퓨터 시스템(630)은 전력 유실 발생시 기능성을 보장하기 위해 배터리 백업 파워 서플라이(미도시)를 더 포함한다.
특정 실시예들에서, 마이크로프로세서(641)는 펜티엄-200 마이크로프로세서 칩을 포함하는 반면, 다른 실시예들에서는, 마이크로프로세서(641)는 펜티엄-III 850-MHz 마이크로프로세서 칩을 포한한다. 특정 실시예들에서, 메모리 서브시스템(642)은 하드 디스크 드라이브를 포함한다. 다른 종류의 마이크로프로세서(641)와 메모리 서브시스템(642)은 여기서 설명된 실시예들에 호환한다.
특정 실시예들에서, 디스플레이(643)는 박막 트랜지스터(TFT) 터치스크린 디 스플레이를 포함한다. 스펙트럼 결과를 사용자에게 디스플레이하는데 이용되는 것 이외에, 그 터치스크린 디스플레이는 다양한 동작 매개변수들을 수정하기 위해 사용자 입력을 감지기(600)에 제공하는데 이용될 수 있다.
분광계(630)는 구조물 내의 다양한 내장 물질들에 관련된 특정 파장을 감시할 수 있다. 특정 실시예들에서, 분광계(630)는 이러한 파장에서 또는 스펙트럼 영역에 가까운 빛의 상개 세기를 감시할 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 중립 밀도 필터가 스펙트럼 분석 성능을 향상시키기 위해 분광계(630)에 도달하는 빛을 감소시키는데 사용될 수 있다.
특정 실시예들에서, 분광계(630)는 특정 파장에서의 강도 및 이 파장의 양측에서의 강도들을 감시한다. 특정 실시예들의 분광계(630)는 또한 드릴링되는 홀의 증가된 깊이로부터 초래된 강도들의 감소를 감지한다. 도 19는 레이저 광으로 조사할 때 콘크리트에서 감지된 광 스펙트럼과 레이저 광으로 조사할 때 내장 철근에서 감지된 광 스펙트럼의 예시적인 그래프를 도시하고 있다. 콘크리트로부터의 스펙트럼은 대략 592 나노미터의 파장에서의 방사 피크를 보여준다. 철근으로부터의 스펙트럼은 이런 방사 피크를 가지기 않으나, 대신 대략 동일 파장에서 흡수 강하(emission dip)를 보인다. 그러므로 약 592 나노미터에서의 방사 스펙트럼은 내장 철근이 레이저 광에 의해 커팅되고 있는지에 대한 실시간 지시를 제공하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 592 나노미터에서 스펙트럼에 골 또는 피크가 존재한다고 가정하는 특정 실시예들에서, 588.5 나노미터, 592 나노미터, 그리고 593 나노미터 에서 방사 스펙트럼을 샘플링 하고, 비율(2xI592)/(I593+I588.5)을 산출함으로써, 감지기(600)는 방사 스펙트럼이 콘크리트에 상응하는 강하 또는 내장된 철근에 상응하는 피크를 갖는지를 판단할 수 있다. 다른 스펙트럼 데이터는 다른 실시예에서 이용될 수 있다.
특정 실시예들에서, 감지기(600)는 상위 컷오프 파장(예를 들어, 582 나노미터)과 하위 컷오프 파장(예를 들어, 600 나노미터)에 의해 규정된 스펙트럼 영역을 검사하고 내장 철근의 검출 또는 비검출의 스펙트럼 비율 R 특성을 결정한다. 도 22는 여기에서 설명된 실시예들에 상응하는 스펙트럼 비율 R을 결정하는 예시적인 방법(2500)의 흐름도이다. 방법(2500)은 홀이 깊어갈수록 상호작용 영역으로부터의 빛에서의 변화를 처리하지 않는다.
특정 실시예들에서, 방법(2500)은 스펙트럼 영역내의 데이터가 선택된 진폭 범위와 비교되는 동작 블록(2510)을 포함한다. 임의의 데이터가 진폭 범위 밖에 있으면, 스펙트럼은 내장 철근의 비검출에 상응한다고 간주된다.
특정 실시예들에서, 방법(2500)은 하나의 골과 두 개의 피크의 존재를 결정하기 위해 스펙트럼 영역의 데이터를 분석하는 것을 더 포함한다. 특정 실시예들에서, 이 분석은 스펙트럼 영역의 데이터가 동작 블록(2520)에서 골을 포함하는지를 결정하는 것을 포함한다. 만약 골이 존재한다고 결정되면, 골값 V는 동작 블록(2530)에서 산출되며 스펙트럼 영역은 스펙트럼 영역의 데이터가 동작 블록(2540)에서 두 개의 피크를 포함하는지를 결정하도록 분석된다. 특정 실시예들에서, 골값 V는 골에서의 데이터의 진폭에 상응한다. 어떤 다른 실시예들에서, 골값 V를 산출하는 것은 스펙트럼 영역의 제1 부분에서 데이터의 최소값을 결정하는 것을 포함한다. 특정 실시예들에서, 스펙트럼 영역의 제1 부분은 대략 588에서 대략 594 나노미터 사이의 파장 범위에 상응한다.
스펙트럼 영역의 데이터가 두 개의 피크를 포함한다고 결정되면, 피크값 P가 동작 블록(2550)에서 산출되며 동작 블록(2560)에서 스펙트럼 비율 R은 골값 V를 피크값 P로 나누어져서 산출된다. 특정 실시예들에서, 골값 P는 두 피크의 값들을 평균하여 산출된다. 스펙트럼 비율 R이 1보다 크거나 같으면, 스펙트럼은 내장 철근의 검출에 상응한다고 간주된다.
스펙트럼 영역의 데이터가 두 개의 피크를 포함하지 않는다고 간주되면, 특정 실시예들에서, 제1 최대값 M1이 동작 블록(2570)에서 스펙트럼 영역의 제2 부분의 데이터로부터 산출되고 제2 최대값 M2가 동작 블록(2580)에서 스펙트럼 영역의 제3 부분의 데이터로부터 산출된다. 특정 실시예들에서, 스펙트럼 영역의 제2 부분은 대략 582 나노미터에서 대략 588 나노미터 파장의 영역에 상응하며, 스펙트럼 영역의 제3 부분은 대략 594 나노미터에서 대략 600 나노미터의 파장 영역에 상응한다. 특정 실시예들에서, 제1 최대값 M1은 스펙트럼 영역의 제2 부분에서의 최대 데이터 진폭에 상응하며 제2 최대값 M2는 스펙트럼 영역의 제3 부분에서의 최대 데이터 진폭에 상응한다. 특정 실시예들에서, 피크값 P는 동작 블록(2590)에서 제1 최대값 M1과 제2 최대값 M2를 평균하여 산출된다. 그러한 실시예들에서, 스펙트럼 비율 R은 동작 블록(2600)에서 골값 V를 피크값 P로 나누어서 산출된다. 스펙트럼 비율 R이 일보다 크거나 같으면, 스펙트럼은 내장 철근의 검출에 상응한다고 간주된다.
골이 스펙트럼 영역의 데이터에 존재하지 않는다고 판단되면, 피크값 P'은 동작 블록 (2610)에서 산출되며 피크값 P'은 동작 블록(2620)에서 미리 결정된 문턱값 T와 비교된다. 스펙트럼 영역이 하나 이상의 피크를 포함하는 특정 실시예들에서, 피그값 P' 산출은 스펙트럼 영역에서 검출된 임의의 피크들의 강도값을 평균하는 것을 포함한다. 피그값 P'이 문턱값 T보다 작으면, 스펙트럼은 내장 철근 검출에 상응한다고 간주된다.
내장 물질을 감지하기 위한 다른 기술은 고속 셔터 모니터링을 이용한다. 이 접근 방식은 처리될 물질과 레이저 광간의 상호작용에서의 이산 변화를 감시하기 위한 결합 커패시턴스 방전(CCD) 카메라 시스템에서의 진보를 이용한다. 더 새로운 CCD 카메라는 셔터가 개방되는 시간을 약 0.0001초로 감소시킬 수 있는 시스템을 가진다. 이 속도에서, 레이저 광과 처리중인 물질간의 상호 작용의 많은 특징들을 볼 수 있는 것이 가능하다. 추가로, 중립 밀도 필터는 레이저 광과 처리중인 물질의 빛을 내는 상호 작용으로부터 관측되는 섬광을 감소시키고 상호작용 영역을 보다 좋게 촬상하는데 이용될 수 있다.
여기에서 공개된 다수의 실시예들의 수많은 변경, 수정, 및 변형물들은 당업자에게 자명할 것이며 그것들은 본 발명의 사상과 범위 내에서 모두 예상되고 예측된다. 예를 들어, 특정 실시예들은 상세하게 설명되었지만, 당업자는 전술한 실시예들과 변형물들이 대체물 및/또는 부수적인 또는 대체 물질들, 상대적인 구성 요 소의 배열, 그리고 차원적인 구성의 다양한 형태를 합체시키기 위해 수정될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 소수 변형물들만이 여기에서 설명되었지만, 그러한 부가적인 수정과 변경들과 그 균등물들의 실시는 후술하는 특허청구범위에서 규정된 발명의 사상과 범위 내에 있음을 이해할 수 있다.
아래 특허청구범위에서의 상응하는 구조물들, 물질들, 행동들, 그리고 모든 수단 또는 단계 부가 기능 수단(step plus function element)은 특정하게 청구된 다른 청구됨 구성요소들과 결합된 기능들을 수행하기 위한 어떠한 구조물, 물질, 행동들을 포함하도록 의도되었다.

Claims (17)

  1. 존재하는 구조물의 표면에 대응하는 레이저 헤드를 제어 가능하게 움직이고 상기 레이저 헤드로부터의 레이저 광을 상기 표면에 조사하는 레이저 조종 시스템에 있어서,
    상기 레이저 헤드에 연결되는 배치 메커니즘(positioning mechanism)을 포함하되,
    상기 배치 메커니즘은,
    상기 표면에 실질적으로 평행한 제1 방향을 따라 상기 레이저 헤드를 움직이는 제1 축 배치 시스템;
    상기 제1 축 배치 시스템에 연결되고 상기 표면에 실질적으로 평행한 제2 방향에 따라 상기 레이저 헤드를 움직이는 제2 축 배치 시스템; 및
    상기 배치 시스템에 연결되고 상기 구조물에 분리 가능하게 연결되는 고정 메커니즘을 포함하는 레이저 조종 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 실질적으로 수직인 레이저 조종 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 축 배치 시스템 및 상기 제2 축 배치 시스템은 레이저 헤드에 대한 선형 움직임을 제공하는 레이저 조종 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 축 배치 시스템 및 상기 제2 축 배치 시스템은 레이저 헤드에 대한 원형 및 축 방향의 움직임을 제공하는 레이저 조종 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배치 메커니즘은 상기 레이저 헤드에 분리 가능하게 연결되고, 상기 제2 축 배치 시스템은 상기 제1 축 배치 시스템에 분리 가능하게 연결되며, 상기 고정 메커니즘은 상기 배치 메커니즘에 분리 가능하게 연결됨으로써, 상기 레이저 조종 시스템은 구조물 내부에서의 위치로 이동이 용이하도록 역으로 조합되거나 분해될 수 있는 레이저 조종 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 배치 메커니즘에 전기적으로 연결되고 사용자 입력에 응답하여 상기 배치 메커니즘에 제어 신호를 전송하는 제어기를 더 포함하는 레이저 조종 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 축 배치 시스템은 제1 레일, 제1 드라이브를 포함하고, 상기 제2 축 배치 시스템은 제2 레일 및 제2 드라이브를 포함하는 레이저 조종 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 레일은 고정 메커니즘에 연결되고, 상기 제2 레일은 제1 레일에 슬라이딩 가능하게 연결되며, 상기 레이저 헤드는 상기 제2 레일에 슬라이딩 가능하게 연결되는 레이저 조종 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 드라이브 및 상기 제2 드라이브는 수압 드라이브, 공기압(pneumatic) 드라이브, 전기 기계(electromecahnical) 드라이브, 스크류 드라이브 및 벨트 드라이브로 이루어진 그룹으로부터 각각 선택되는 레이저 조종 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 배치 메커니즘은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 실질적으로 수직인 제3 방향에 따라 상기 레이저 헤드를 움직이는 제3 축 배치 시스템을 더 포함하는 레이저 조종 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 고정 메커니즘은 하나 또는 그 이상의 부착 인터페이스를 포함하는 레이저 조종 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 부착 인터페이스는 적어도 하나의 탄력 진공 패드를 포함하는 레이저 조종 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 고정 메커니즘은 그라운드-기반 지지 시스템에 분리 가능하게 부착된 그라운드-기반 지지 커넥터를 포함하는 레이저 조종 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 고정 메커니즘은 서스펜션(suspension)-기반 지지 시스템에 분리 가능하게 부착된 서스펜션-기반 지지 커넥터를 포함하는 레이저 조종 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제2 축 배치 시스템을 상기 제1 축 배치 시스템에 연결하는 인터페이스를 더 포함하고, 상기 인터페이스는 상기 레이저 헤드의 제1 방향 및 제2 방향에 의해 정의 되는 움직임의 평면이 상기 고정 메커니즘이 연결된 표면에 대응하여 회전 가능하도록 하는 힌지를 포함하는 레이저 조종 시스템.
  16. 존재하는 구조물의 표면에 대응하는 레이저 헤드를 제어 가능하게 움직이고 상기 레이저 헤드로부터의 레이저 광을 상기 표면에 조사하는 레이저 조종 시스템에 있어서,
    상기 표면에 실질적으로 평행한 제1 방향 및 상기 표면에 실질적으로 평행하고 상기 제1 방향과 실질적으로 수직인 제2 방향에 따라 레이저 헤드를 움직임으로써 레이저 헤드를 배치하는 수단; 및
    상기 레이저 조종 시스템을 상기 구조물에 분리 가능하게 연결하는 수단을 포함하는 레이저 조종 시스템.
  17. 존재하는 구조물의 표면에 대응하는 레이저 헤드를 제어 가능하게 움직이고 상기 레이저 헤드로부터의 레이저 광을 상기 표면에 조사하는 방법에 있어서,
    상기 레이저 조종 시스템에 상기 레이저 헤드를 분리 가능하게 연결하는 단계;
    상기 레이저 조종 시스템을 상기 구조물에 분리 가능하게 연결하는 단계; 및
    상기 표면에 실질적으로 평행한 제1 방향 및 상기 표면에 실질적으로 평행하고 상기 제1 방향과 실질적으로 수직인 제2 방향에 따라 레이저 헤드를 제어 가능하게 움직이는 단계를 포함하는 방법.
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