KR20080087097A

KR20080087097A - 스캐너 헤드 및 관련 공작 기계

Info

Publication number: KR20080087097A
Application number: KR1020087015346A
Authority: KR
Inventors: 크리스티안 뵈트처
Original assignee: 트룸프 베르크초이그마쉬넨 게엠베하 + 코. 카게
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2008-09-30
Also published as: EP1965945A1; KR101236632B1; CN101346208A; EP1965945B1; ATE431216T1; DE502005007296D1; US7525708B2; CN101346208B; JP4691166B2; US20080259425A1; WO2007079760A1; JP2009520995A

Abstract

본 발명은 집속된 레이저 빔(7c)에 의해 공작물을 가공하기 위한 스캐너 헤드(1.1)로서, 상기 스캐너 헤드는 제1 모듈(2), 및 제1 축(A_Sc)을 중심으로 틸팅 가능한 스캐너 미러(5)를 구비하는 제2 모듈(3)을 포함하고, 상기 제1 모듈(2)은 제1 방향(C)으로부터 바람직하게는 제1 방향에 수직한 제2 방향(B)으로 레이저 빔(7a)을 편향시키기 위해 제1 방향(C)으로 회전 가능하게 지지되며, 상기 제2 모듈(3)은 제1 모듈(2)에 고정되고 제2 방향(B)으로 회전 가능하게 지지된다. 적응형 빔 편향 유닛(adaptive beam deflection unit), 구체적으로 적응형 미러(8)는 제1 모듈(2)에 마련되고, 하나 또는 다른 하나의 스캐너 미러(5)는 제2 모듈(3, 3')에 배치되어 상기 스캐너 미러가 제1 축에 수직한 제2 축(B_Sc)을 중심으로 회전 가능하거나 틸팅 가능하도록 해주며, 빔 확대용 요소(9) 및 집속용 요소(10)를 구비한 광학 장치(6)는 스캐너 헤드(1.1)에 배치된다.

Description

스캐너 헤드 및 관련 공작 기계{SCANNER HEAD AND ASSOCIATED PROCESSING MACHINE}

본 발명은, 집속된 레이저 빔에 의해 공작물을 가공하기 위한 스캐너 헤드로서, 상기 스캐너 헤드는 제1 모듈, 및 제1 축을 중심으로 틸팅(tilting) 가능한 스캐너 미러를 구비하는 제2 모듈을 포함하며, 상기 제1 모듈은 제1 방향으로부터 바람직하게는 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 레이저 빔을 편향시키기 위해 제1 방향으로 회전 가능하게 지지되며, 상기 제2 모듈은 제1 모듈에 고정되고 제2 방향으로 회전 가능하게 지지되는 것인 스캐너 헤드에 관한 것이고, 본 발명은 또한 이러한 스캐너 헤드를 구비하는 공작 기계에 관한 것이다.

본 출원에서 사용되는 바와 같이, '스캐너 헤드'라는 용어는, 스캐너 헤드가 제1 방향 및 제2 방향을 중심으로 회전 가능하도록 하고 대체로 평행인 레이저 빔이 스캐너 헤드에 전달되도록 하기 위해 3차원 레이저 가공 시스템 또는 산업용 로봇[말단 장치(end effector)로서의 산업용 로봇]에 지지될 수 있는 하위 조립체를 의미하도록 선택된 것이다.

이러한 스캐너 헤드는 EP 1 228 835에 기술되어 있다. 이 문헌에서의 레이저 빔은 변위 가능한 렌즈에 의해 초점에 집속되고, 제2 방향을 중심으로 한 스캐 너 미러의 회전 또는 스캐너 미러의 틸팅을 통해 상기 초점 주위에 2차원 아치형 작업 영역(구형 쉘 형상임)이 형성된다. 상기 렌즈를 이동시킴으로써, 초점의 공간상의 위치를 조절할 수 있으므로, 상기 작업 영역은 소정 작업 공간으로 확장된다.

DE 100 27 148 A1은 공작물을 가공하기 위한 장치를 개시하며, 상기 장치에 있어서 조절용 가동 스캐너 미러는 빔 경로에 배치된다. 위 문헌에서 가동 스캐너 미러는, 가동 서스펜션, 예컨대 카르단 서스펜션(cardan suspension)을 구비한 스캐너 미러를 의미하도록 선택된 것이다. 미러의 조절 능력은 서로 수직한 2개의 축을 중심으로 한 미러의 틸팅에 의해 달성된다.

위 문헌에서 설명한 스캐너 헤드 및 다른 통상적인 스캐너 장치의 스캐너 헤드의 단점은, 집속된 레이저 빔의 입사 방향이 스캐너의 작업 영역에 실질적으로 수직하게 배향되는 것이다. 이에 따라 스캐너는 주로 평면 가공에 적절하며, 이는 3차원 가공을 위해서 일반적으로 공작물의 추가적인 축방향 이동이 필요함을 의미한다.

이에 대응하여, 본 발명의 목적은, 초점의 대체로 자유로운 3차원 배향 및 이에 따른 작업 공간의 3차원 배향이 최대한 용이하고 신속하게 달성될 수 있도록 하는 전술한 유형의 스캐너 헤드를 개발하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은, 적응형 빔 편향 유닛(adaptive beam deflection unit), 구체적으로 적응형 미러가 제1 모듈에 마련되고 하나 또는 다른 하나의 스캐너 미러가 제2 모듈에 배치되어 상기 스캐너 미러가 제1 축에 수직한 제2 축을 중심으로 회전 가능하거나 틸팅 가능하며 빔 확장용 요소 및 집속용 요소를 구비하는 광학 장치가 상기 스캐너 헤드에 배치되는 것인 전술한 유형의 스캐너 헤드에 의해 달성된다.

적응형 빔 편향 유닛은, 큰 각도(약 90 °)의 빔 편향 및 상기 빔의 방향에 있어서의 레이저 빔의 집속 위치의 변동을 조합하도록 기능한다. 적응형 빔 편향 유닛으로서 기능하는 적응형 미러는 출원인의 EP 1 424 584 A1에 개시되어 있으며, 이는 인용함으로써 본 출원에 포함된다. 위 문헌에서 설명하는 적응형 미러는 비구면이고 큰 각도(약 90 °정도)의 빔 편향을 위해 사용될 수 있는데, 이는 비구면 형상이 전술한 편향 중에 발생하는 수차(aberration)를 줄여주기 때문이다. EP 1 424 584 A1에서 종래 기술로서 설명된 구형 편향 미러와 추가적인 편향 미러의 조합은, 선호되지는 않지만 대안으로 적응형 빔 편향 유닛으로서 사용될 수 있다.

전술한 바와 같은 적응형 빔 편향 유닛에 의해, 빔의 방향에 있어서 레이저 빔의 집속 위치를 바꿀 수 있다. 빔의 방향에 있어서 관련된 공간적 범위는 이에 따라 스캐너의 작업 영역에 전달되며, 스캐너의 작업 영역(초점을 조절하지 않은 경우)은 우선 구형 쉘의 소정 부분을 나타내는데, 다시 말하면 상기 작업 영역은 작업 공간이 된다. 또한, 빔의 방향으로의 집속 위치의 조절을 통해, (근사적으로) 구형인 스캐너 미러의 작업 영역은 스캐너에서 일반적인 바와 같이(F/theta 또는 평면 영역 렌즈 참조) 평면 작업 영역으로 변형된다. 적응형 광학계의 사용은 빔의 방향으로의 집속 조절을 위한 이동축(EP 1 228 835에 설명된 장치와 함께 필요함)의 필요성을 미연에 방지한다. 또한, 본 발명에 따른 스캐너 헤드를 이용할 때, 스캐너 헤드의 배향을 위한 제2 모듈의 회전 이동은 스캐너 미러의 회전 이동과 기능적으로 분리되는데, 이는 이들 회전 이동이 기술적으로 조합되기 어렵기 때문이다.

제1 축을 중심으로 한 틸팅 및 제2 축을 중심으로 한 회전이 가능한 단일 스캐너 미러의 사용 이외에, 또한 각각 스캐너 헤드에서 단일 축선을 중심으로 틸팅 가능한 것인 2개의 개별적인 스캐너 미러를 사용할 수 있다. EP 1 228 835와는 대조적으로, 추가적인 회전축 및/또는 틸팅축을 제공하는 것은, 작업 영역을 위한 배향축 및 신속한 스캐너 축으로의 분리를 가능하게 해준다. 2개의 축을 따라 틸팅하기 위한 스캐너 미러의 서스펜션은, 예컨대 본 출원인의 DE 102 52 443 A1 또는 DE 202 12 155 U1에 설명된 바와 같이 달성될 수 있다.

보통의 레이저 빔 입력 데이터를 이용한 원격 용접을 가능하게 해주는 적당한 광학 조건에 도달하기 위해, 집속용 요소, 특히 타원면경(ellipsoidal mirror) 또는 수렴 렌즈에 의한 레이저 빔의 집속 이외에도 또한 레이저 빔을 확장시키는 광학 장치가 마련된다. 이러한 목적은 빔 확장용 요소에 의해 달성되며, 상기 빔 확장용 요소는 바람직하게는 포물면경(parabolic mirror) 또는 발산 렌즈로서 구현된다. 구체적인 용례에 따라서는, 광학 장치를 전부 반사형 요소로 또는 전부 투과형 요소로 구성하는 것이 유리할 수 있다. 상기 광학 장치는, 전자의 경우 바람직하게는 포물면경 및 타원면경을 포함하며, 후자의 경우 바람직하게는 발산 렌즈 및 수렴 렌즈를 포함한다. 또한, 특히 열 효과(thermal effect)에 따른 집속 위치의 이동(shift)을 보상하기 위해서는 반사형 요소와 투과형 요소를 조합하여 사용하는 광학 장치가 유리할 수 있다. 빔 확장 기능 및 집속 기능은, 각각 단일 광학 요소에 의해 개별적으로 구현될 수 있거나, 또는 각각의 기능에 있어서 최적화된 다수의 광학 요소의 조합의 형태를 취할 수 있다. 이들 실시예 모두는 공작 기계와 조합하여 사용될 수 있으며, 상기 공작 기계는 YAG 레이저 또는 CO₂ 레이저와 함께 작동되는 것이 바람직하다.

집속용 광학 요소는 레이저 빔을 초점에 집속시킨다. 레이저 빔은 스캐너 미러(들)에 의해 작업 영역 상에 편향되고, 전술한 바와 같이 적응형 빔 편향 유닛에 의해 상기 작업 영역 주위에 작업 공간이 형성된다.

스캐너 헤드가 직교좌표형 로봇의 직교좌표 축(X, Y, Z)을 따라 이동할 때, 스캐너의 (제한된) 작업 공간은 이에 따라 베이직 머신(basic machine)의 작업 공간으로 확장되며, 또한 3차원으로 자유롭게 배향될 수 있다. 특히, 스캐너 헤드가 직교좌표형 로봇과 함께 이동하거나/함께 조합되는 경우, 예컨대 자동차 본체를 5개의 면에서 가공할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 광학 장치는 제2 모듈에 배치된다. 이러한 경우, 스캐너 미러(들) 및 광학 장치는 제2 모듈의 2개의 별도의 하위 조립체에 배치될 수 있으며, 스캐너 미러(들)는 예컨대 별도의 스캐너 유닛에 배치되고, 상기 스캐너 유닛은 광학 장치를 포함하는 하위 조립체에 플랜지식으로 장착된다.

대안으로, 스캐너 미러(들) 및 광학 장치는 제2 모듈에 의해 형성되는 공통의 하위 조립체에 통합될 수 있다. 이는 매우 밀집된 구조가 가능하도록 해준다.

또 다른 실시예에 있어서, 스캐너 미러(들)는 제2 방향에 관하여 편심되도록 제2 모듈에 배치된다. 이러한 경우, 레이저 빔은 예컨대 광학 장치의 반사형 광학 요소에 의해 제2 방향을 벗어나서 스캐너 미러로 편향될 수 있으며, 상기 광학 장치는 스캐너 미러가 제2 모듈에서 편심되도록 배치될 수 있게 해준다. 제2 모듈은 제2 방향을 중심으로 회전하기 때문에, 이에 따라 스캐너 미러는 둥근 원호를 그리게 되고, 결과적으로 스캐너의 작업 영역의 자유로운 공간적 배향을 용이하게 한다.

또 다른 실시예에 있어서, 레이저 빔은 적응형 빔 편향 유닛, 및 빔 확장용 요소 또는 집속용 요소의 양자에 의해 제1 방향으로부터 제2 방향으로 편향된다. 집속용 요소 또는 빔 확장용 요소는 이 경우에 반사 구조를 가지며 제1 모듈 내에 배치된다. 광학 장치에서의 다른 요소도 또한 제1 모듈에 배치되는 것이 바람직하며, 이는 투과 구조인 것이 유리하다. 이러한 장치는 밀집된 스캐너 헤드 구조로 귀결되며, 특히 제2 모듈의 길이 중 하나는 짧아질 수 있다. 이에 따라 회전 반경(swivel radius)은 짧아지며, 회전 반경이 짧아지면 위치 설정의 정확도는 높아진다. 또한, 이러한 경우 스캐너 미러의 치수는 더 작을 수 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 스캐너 헤드는 제1 축을 중심으로 틸팅되지 않을 때 스캐너 미러에 대한 레이저 빔의 입사각이 45 °가 아닌 각도가 되도록 하는 방식으로 구성되어 특정 용접 공정에서의 편광(polarisation)과 관련한 요구조건을 충족시킨다. 그러나, 이는 스캐너 미러 제어(변형)의 비용을 증가시킨다.

본 발명은 또한 전술한 바와 같은 스캐너 헤드를 이용하여 공작물을 3차원적으로 가공하기 위한 공작 기계에서 구체화되며, 상기 공작 기계는 직교좌표 축을 따라 스캐너 헤드를 이동시키기 위한 유닛과, 제1 방향 및 제2 방향으로 회전 가능하게 스캐너 헤드를 지지하기 위한 각도조절용 기구(angular mechanism)를 구비한다. 특히, 3개의 직교좌표 축(X, Y, Z) 및 2개의 회전축(B, C)를 구비하는 TLC 유형인 본 출원인의 3D 공작 기계를 이용할 때, 스캐너 헤드를 지지하기 위해 B/C 축 상의 운동학 원리를 채용할 수 있다.

개략도를 참고하여 본 발명의 바람직하고 예시적인 실시예를 설명할 것이다.

도 1은 반사형 광학 장치에 플랜지식으로 장착된 스캐너 유닛을 구비한 스캐너 헤드의 제1 실시예의 개략적인 종단면도이다.

도 2는 밀집된 구조 형태인 스캐너 헤드의 제2 실시예에 대한 유사한 개략도이다.

도 3은 스캐너 미러에서 직각이 아닌 각도로 빔이 편향되는 스캐너 헤드의 제3 실시예의 광학 구성요소의 개략도이다.

도 4는 투과형 광학 장치를 구비한 스캐너 헤드의 제4 실시예의 광학 구성요소의 개략적인 종단면도이다.

도 5는 투과형 광학 장치를 구비한 스캐너 헤드의 제5 실시예의 유사한 개략도로서, 적응형 미러는 발산 렌즈와 수렴 렌즈 사이의 빔 경로에 배치된다.

도 6은 적응형 미러 이후의 빔 경로에 포물면경 및 수렴 렌즈를 구비한 스캐 너 헤드의 제6 실시예의 유사한 개략도이다.

도 7은 포물면경과 수렴 렌즈 사이의 빔 경로에 적응형 미러를 구비한 스캐너 헤드의 제7 실시예의 유사한 개략도이다.

도 8은 발산 렌즈와 타원면경 사이의 빔 경로에 적응형 미러를 구비한 스캐너 헤드의 제8 실시예의 유사한 개략도이다.

도 9는 적응형 미러 이전의 빔 경로에 발산 렌즈 및 타원면경을 구비한 스캐너 헤드의 제9 실시예의 또 다른 유사한 개략도이다.

도 1은 제1의 수직 방향(C)으로 회전 가능하게 지지된 제1 모듈(2), 및 제1 모듈(2)에 고정되며 유사하게 제2의 수평 방향(B)을 중심으로 회전 가능하게 지지되는 제2 모듈(3)을 포함하는 스캐너 헤드(1.1)를 도시하고 있다. 제2 모듈(3)에는 스캐너 미러(5)를 구비한 스캐너 유닛(4)이 마련되고, 스캐너 유닛은 광학 장치(6)의 하우징에 플랜지식으로 장착된다. 스캐너 헤드(1.1)는 도 1에 일부분만이 도시된 공작 기계에 조립되며, 도 1은 공작 기계의 3개의 직교좌표 축(X, Y, Z)을 도시하고 있다.

실질적으로 평행한 레이저 빔(7a)은 제1 모듈(2)에서 스캐너 헤드(1.1)에 입사하고, 상기 레이저 빔은 제1 모듈에서 수직 방향(C)으로부터 수평 방향(B)으로 레이저 빔(7a)을 편향시키는 적응형 편향 미러(8)와 만난다. 동시에, 편향 미러(8)는 빔의 방향으로 레이저 빔의 집속 위치를 바꾸는 기능을 하는데, 다시 말해서 평행하거나, 수렴하거나 또는 발산하는 레이저 빔(7b)은 평행한 레이저 빔(7a) 으로부터 적응형 미러(8)의 조절에 따라 형성된다. 이러한 목적을 위해, 적응형 편향 미러(8)는 예컨대, 이미 인용된 EP 1 424 584 A1에 더욱 상세하게 설명된 바와 같이 압전 요소(도시 생략)에 의해 또는 미러의 후면에 충돌하는 냉각수의 압력 하에서 변형될 수 있다. 적응형 편향 미러(8)를 이용하면, 대략 ± 4000 mm의 일반적인 최소 초점 거리를 얻을 수 있다.

수평으로 배향된 레이저 빔(7b)은 이후에 제2 모듈(3)에 입사하며, 제2 모듈에서 우선 확산용 포물면경(9)과 만나고, 상기 포물면경은 빔 경로에서 후속하는 타원면경(10)과 함께 광학 장치(6)를 형성한다. 이 경우, 타원면경(10)의 초점 거리(유효 초점 거리는 대략 800 mm임)는, 타원면경이 집속 효과를 갖도록 그리고 수렴하는 레이저 빔(7c)을 생성하도록 선택된다. 집속된 레이저 빔(7c)은 이후에 스캐너 미러(5)와 만나고, 이때 집속된 레이저 빔은 스캐너 헤드(1.1)를 빠져나오기 전에 다시 편향되며 초점(11)에서 공작물(도시 생략됨)과 만난다. 스캐너 미러(5)는 제1 축(A_Sc)을 중심으로 틸팅 가능하고, 제1 축에 수직한 제2 축(B_Sc)을 중심으로 회전 가능하다. 대안으로, 서로 수직한 축을 중심으로 각각 틸팅 가능한 2개의 스캐너 미러가 또한 스캐너 헤드(1.1)에 마련될 수 있다.

2개의 축(A_Sc, B_Sc)을 중심으로 한 스캐너 미러(5)의 틸팅 및 회전은 초점(11)에서 실질적으로 구형인 작업 영역(12)을 형성한다. 적응형 편향 미러(8)에 의해 집속 위치를 적절하게 바꿈으로써, 구형 쉘의 일부를 나타내는 초기의 구형 작업 영역(12)에는 빔의 방향으로 이와 관련된 3차원 영역이 부여될 수 있고, 상기 3차원 영역은 Z축을 따라 대략 ± 150 mm 내지 대략 ± 200 mm인 높이(△Z)를 갖는다. 또한, 초점의 Z를 조절하면, 스캐너 미러(5)의 대략 구형인 작업 영역으로부터 스캐너에서 일반적인(평면 영역 렌즈 참조) 대략 350 mm × 350 mm(X × Y)인 평면 작업 영역(13)이 형성되도록 할 수 있다.

작업 영역(13)의 보다 용이한 2차원 배향을 위해 스캐너 미러(5)는 소정 방향(B)을 중심으로 편심되도록 배치되므로, 스캐너 미러는 소정 방향(B)을 중심으로 대략 600 내지 700 mm인 작은 회전 반경으로 회전할 수 있다. 레이저 빔(7b)이 광학 장치(6)에 의해 소정 방향(B)으로 평행하게 이동됨에 따라 스캐너 미러(5) 및 제2 모듈(3)이 공간적으로 분리된 축(B 및 B_Sc)을 중심으로 회전 가능하다는 점에서 전술한 추가적인 융통성이 달성된다.

포물면경(9)에 대한 입사각(α) 및 타원면경(10)에 대한 입사각(β)은 기하학적 요구조건의 함수로서 변하기 때문에 이 입사각들을 의도적으로 더 특정하지는 않는다. 스캐너 미러(5)에 대한 레이저 빔(7b)의 입사각(γ)만을 대략 45 °로 설정하며, 이는 제어를 용이하게 한다.

도 2는, 포물면경(9) 및 타원면경(10)이 스캐너 미러(5)와 함께 공통의 하위 조립체에 배치된다는 점에서 도 1의 스캐너 헤드(1.1)와는 상이한 스캐너 헤드(1.2)의 구조를 도시하고 있으며, 상기 공통의 하위 조립체는 제2 모듈(3)에 의해 형성된다. 결과적으로, 도 1에 비해 더욱 밀집된 구조가 달성된다.

단순화를 위해, 도 3은 또 다른 구조의 스캐너 헤드(1.3)의 광학 요소만을 도시하고 있으며, 이러한 스캐너 헤드에서 적응형 편향 미러(8)에 집속된 레이저 빔(7b)의 포물면경(9), 타원면경(10) 및 스캐너 미러(5)에 대한 입사각(α, β, γ)은 45 °가 아닌 각도로 선택된다. 따라서, 이러한 구조는 특히 스캐너 미러(5)에서 90 °편향이 없다는 점에서 도 1 및 도 2에 도시된 구조와 상이하다. 특정 용접 공정에 있어서, 이는 레이저 빔(7b)의 편광에 유리한 효과를 가질 수 있다. 특히, 3개의 입사각(α, β, γ)은 레이저 빔(7b)의 요구되는 편광 조건이 초점(11)에서 구현되도록 하는 방식으로 선택될 수 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 스캐너 헤드(1.1 내지 1.3)의 구조는 반사형 광학계(reflective optics)로서의 광학 장치(6)를 보여주고 있다. 구체적인 용례에 따라, 이들 반사형 광학계를, 도 4에 도시된 스캐너 헤드(1.4)의 경우에서와 같이 투과형 광학계(transmissive optics)로 대체하는 것이 더욱 유리할 수 있다. 도 4에 도시된 장치(6)는, 빔 경로에 있는 발산 렌즈(9') 및 후속하는 수렴 렌즈(10')를 포함하며 제2 모듈(3)에 배치된다. 이러한 구조에 있어서, 스캐너 미러(5)는 제2 축(B_Sc)을 중심으로 회전 가능하며, 상기 제2 축은 제2 방향(B)과 일치하고, 제2 모듈(3")은 제2 방향을 중심으로 회전 가능하게 지지된다. 다른 방식으로, 도 4의 스캐너 헤드(1.4)의 구조는 도 1에 도시된 스캐너 헤드(1.1)에 대응된다.

도 4와 유사하게, 도 5는 투과형 광학 장치(6)를 구비한 스캐너 헤드(1.5)를 도시하고 있다. 도 4와는 대조적으로, 도 5에서의 발산 렌즈(9')는 제1 모듈(2)에서 적응형 미러(8) 이전의 빔 경로에 배치되는 반면, 빔 경로에서 후속하는 수렴 렌즈(10')는 제2 모듈(3)에 배치된다. 이는, 발산하는 빔의 경로에 적응형 미러(8)를 배치함으로써 스캐너 헤드(1.5)의 더욱 밀집된 구조를 달성할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1 내지 도 5에 도시된 스캐너 헤드(1.1 내지 1.5)의 구조에 있어서, 제1 방향(C)으로부터 제2 방향(B)으로의 레이저 빔(7a)의 90 °편향은 오로지 적응형 미러(8)에 의해서만 구현된다. 대안적인 구조에 있어서는, 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 유사하게, 전술한 빔 편향이 또한 적응형 미러(8)에 의한 편향 및 광학 장치(6)의 반사형 광학 요소의 조합을 통해 달성될 수 있다.

도 6은 스캐너 미러(1.6)의 구조를 도시하고 있으며, 도 6에서 적응형 미러(8) 및 포물면경(9)은 제1 방향(C)으로부터 제2 방향(B)으로의 편향을 위해 사용된다. 제2 방향(B)으로 진행하는 레이저 빔(7b)은 수렴 렌즈(10')에 의해 집속되며, 수렴된 빔은 스캐너 미러(5)와 만난다. 포물면경(9) 및 수렴 렌즈(10')는 제1 모듈(2)에 배치된다. 결과적으로, 제2 모듈(3)은 도 1 내지 도 5에서의 구조보다는 수평 방향으로 더 짧은 구조일 수 있으므로, 스캐너 헤드(1.6)의 회전 반경은 줄어들게 되고, 스캐너 미러(5)는 더 작은 치수일 수 있다. 또한, 투과형 요소[수렴 렌즈(10')]와 반사형 요소[포물면경(9)]를 조합함으로써, 열적 효과에 의한 집속 위치의 변위를 적어도 부분적으로 보상할 수 있다.

도 7에 도시된 스캐너 헤드(1.7)의 구조는, 단지 적응형 미러(8) 및 포물면경(9)의 배치가 역전된다는 점에서만 도 6에서의 구조와 상이하다. 적응형 미러(8)는 이에 따라 포물면경(9)과 수렴 렌즈(10') 사이의 빔 경로에 배치된다.

도 8에 도시된 스캐너 헤드(1.8)의 구조에 있어서, 레이저 빔(7a)을 확장시키는 발산 렌즈(9')는 우선 제1 모듈(2)에서 제1 방향으로 진행하는 빔 경로에 배치된다. 확장된 레이저 빔(7a)은 적응형 미러(8) 및 타원면경(10)에서 편향되고 집속되므로, 상기 레이저 빔은 수렴되는 레이저 빔(7c)이 제2 방향(B)으로 진행할 때 제2 모듈(3)로 진입한다.

또 다른 구조의 스캐너 헤드(1.9)는, 단지 제1 모듈(2)에서 적응형 미러(8) 및 타원면경(10)의 위치가 역전되어 있다는 점에서만 도 8에 도시된 구조와 상이하며, 이에 따라 적응형 미러(8)는 빔 경로에서 발산 렌즈(9') 및 타원면경(10) 이후에 위치하고, 그 결과로서 확장된 후 수렴된 레이저 빔이 상기 적응형 미러에 입사된다.

도 6 내지 도 9에서 입사하는 레이저 빔(7a)에 대한 적응형 미러(8) 및 타원면경(10) 또는 포물면경(9)의 위치, 그리고 적응형 미러 및 타원면경 또는 포물면경의 서로에 대한 위치는 각각 2가지 요소의 조합을 통해 90 °편향이 달성되도록 하는 방식으로 선택된다. 도 1 내지 도 9에 도시된 모든 구조는 적절한 가공용 레이저, 구체적으로 CO₂ 레이저 또는 YAG 레이저와 함께 작동될 수 있는 것이 유리하다.

도시된 스캐너 헤드(1.1 내지 1.9)의 구조에 있어서, 빔의 방향으로의 집속 위치의 변동은 적응형 미러(8)에 의해 달성된다. 이러한 변동은 초점(11) 주위에서 이루어지며, 상기 초점은 스캐너 헤드(1.1 내지 1.9)의 공칭 초점 거리에 위치 하고, 상기 공칭 초점 거리는 광학 장치(6)의 집속용 렌즈 요소(10') 또는 미러 요소(10)에 의해 고정된다. 공칭 초점 거리가 광학 장치(6)에 의해 고정된다는 사실은 적응형 미러(6)에 작용하는 압력이 단지 약간의 굴절력(refractive power)[(양 또는 음의) 긴 초점 거리에 대응함]을 발생시키기에 충분함을 의미한다. 적응형 편향 미러(8)는 또한 렌즈 또는 미러의 변위를 통해 달성될 수 있는 것보다 신속한 Z방향으로의 집속 위치의 변동을 구현할 수 있으며, 예컨대 이는 렌즈 또는 미러가 렌즈 또는 미러의 질량 때문에 보통 너무 느리게 작동하여 신속하게 이동하지 못하는 데 그 이유가 있다.

제1 방향(C) 및 제2 방향(B)으로의 스캐너 헤드(1.1 내지 1.9)의 변위를 위한 유닛 및 레이저 빔을 발생시키기 위한 복사 소스가 공작 기계에 마련되는 경우에, 도 1 내지 도 9에 도시된 스캐너 헤드(1.1 내지 1.9)의 구조는 각각, 공작물의 3차원 가공을 위한 공작 기계, 특히 TLC 머신 혹은 산업용 로봇에 공작 유닛으로서 조립될 수 있는 것이 가장 유리하다. 이러한 공작 기계에 있어서, 예컨대 스캐너 헤드(1.1 내지 1.9)의 구조 중 하나를 이용하여 5개의 면에서 자동차를 가공하는 것이 가능하다.

Claims

집속된 레이저 빔(7c)을 이용하여 공작물을 가공하기 위한 스캐너 헤드(1.1 내지 1.9)로서,

제1 방향(C)으로부터 바람직하게는 제1 방향에 수직인 제2 방향(B)으로 레이저 빔(7a)을 편향시키기 위해 제1 방향(C)으로 회전 가능하게 지지되는 제1 모듈(2)과,

상기 제1 모듈(2)에 고정되며 제2 방향(B)으로 회전 가능하게 지지되고, 제1 축(A_Sc)을 중심으로 틸팅 가능한 스캐너 미러(5)를 구비하는 제2 모듈(3)

을 포함하며, 적응형 빔 편향 유닛, 구체적으로는 적응형 미러(8)가 제1 모듈(2)에 마련되고,

하나 또는 다른 하나의 스캐너 미러(5)는 제2 모듈(3)에 배치되며 제1 축에 수직인 제2 축(B_Sc)을 중심으로 회전 가능하거나 틸팅 가능하고, 빔 확장용 요소(9, 9') 및 집속용 요소(10, 10')를 구비한 광학 장치(6)가 스캐너 헤드(1.1 내지 1.9)에 배치되는 것을 특징으로 하는 스캐너 헤드.
제1항에 있어서, 상기 광학 장치(6)는 빔 확장용 요소로서 포물면경(9) 또는 발산 렌즈(9')를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐너 헤드.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광학 장치(6)는 집속용 요소로서 타원면경(10) 또는 수렴 렌즈(10')를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐너 헤드.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 광학 장치(6)는 상기 제2 모듈(3)에 배치되는 것을 특징으로 하는 스캐너 헤드.
제4항에 있어서, 상기 스캐너 미러(들)(5) 및 광학 장치(6)는 2개의 별도의 하위 조립체에 배치되는 것을 특징으로 하는 스캐너 헤드.
제4항에 있어서, 상기 스캐너 미러(들)(5) 및 광학 장치(6)는 제2 모듈(3')에 의해 형성되는 공통의 하위 조립체에서 통합되는 것을 특징으로 하는 스캐너 헤드.
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제2 모듈(3) 내의 스캐너 미러(들)(5)는 제2 방향(B)에 관하여 편향되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 스캐너 헤드.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 레이저 빔(7a)은 적응형 빔 편향 유닛, 및 빔 확장용 요소(9) 또는 집속용 요소(10)의 양자에 의해 제1 방향(C)으로부터 제2 방향(B)으로 편향되는 것을 특징으로 하는 스캐너 헤드.
제8항에 있어서, 상기 광학 장치(6)는 제1 모듈(2)에 배치되는 것을 특징으로 하는 스캐너 헤드.
제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 빔 확장용 요소(9')는 투과형 요소이고 집속용 요소(10)는 반사형 요소이거나, 또는 빔 확장용 요소(9')는 반사형 요소이고 집속용 요소(10)는 투과형 요소인 것을 특징으로 하는 스캐너 헤드.
제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 스캐너 헤드는 제1 축(A_Sc)을 중심으로 틸팅되지 않을 때 상기 스캐너 미러(5)에 대한 레이저 빔의 입사각(γ)이 45 °가 아닌 각도가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스캐너 헤드.
제1항 내지 제11항 중 어느 하나에 따른 스캐너 헤드(1.1 내지 1.9)를 이용하여 공작물을 3차원적으로 가공하기 위한 공작 기계로서, 직교좌표 축(X, Y, Z)을 따라 스캐너 헤드(1.1 내지 1.9)를 변위시키기 위한 유닛과, 제1 방향(C) 및 제2 방향(B)으로 스캐너 헤드(1.1 내지 1.9)를 회전 가능하게 지지하기 위한 각도조절용 기구를 특징으로 하는 공작 기계.