KR20080112691A - 레이저를 이용한 공작물 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 집속렌즈를 하나의 광학헤드에 적용하여 초점거리 조절 및 동일한 작업거리 내에서 다양한 상을 갖는 레이저 빔을 조사하도록 구성된 레이저를 이용한 공작물 가공장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 공작기계에 결합되는 본체와, 상기 본체의 상부에 구비되며 일측은 레이저 발생원과 연결되어 레이저 발생원으로부터 발생되는 레이저를 본체의 내부로 유도하는 광파이버와, 상기 광파이버의 하측에 구비되며 상기 광파이버로부터 레이저를 입사 받고 입사된 레이저를 평행하게 조사하는 콜리메이션 렌즈와, 상기 콜리메이션 렌즈의 하측에 구비되며 상기 콜리메이션 렌즈를 투과한 레이저를 가공물의 표면에 다초점 및 다양한 크기의 상을 갖도록 하는 집속렌즈부를 포함하여 구성되는 것이 특징이다.

레이저, 초점, 렌즈, 집속렌즈, 공작기계

Description

레이저를 이용한 공작물 가공장치{Apparatus for Processing using Laser-Beam}

도 1은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 공작물 가공장치의 일실시예를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 공작물 가공장치의 다른 실시예를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 공작물 가공장치의 또 다른 실시예를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 공작물 가공장치의 또 다른 실시예를 나타낸 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10: 본체 11: 집속렌즈 수용부

20: 콜리메이션 렌즈 30: 집속렌즈

41: 제1 빔 스플릿터 42: 전반사 미러

43: 제2 빔 스플릿터 50: 보호윈도우

60: 정밀초점장치 100: 광파이버

200: 카메라 300: 고온계

400: 가공물

본 발명은 다수의 집속렌즈를 하나의 광학헤드에 적용하여 초점거리 조절 및 동일한 작업거리 내에서 다양한 상을 갖는 레이저 빔을 조사하도록 구성된 레이저를 이용한 공작물 가공장치에 관한 것이다.

일반적으로 레이저를 이용한 재료의 가공은 산업 전반에 걸쳐서 적용 분야가 급속히 확대되어 가고 있다. 상기 레이저가 갖고 있는 재료가공에서의 우수한 특성은 레이저 가공이 열처리, 용접, 드릴링 공정 등에서 기존의 공정을 대체하고 있으며, 이를 통한 품질 및 신뢰성 그리고 생산성 향상을 도모하고 있다. 이러한 레이저 가공의 중요한 장점은 정밀성, 공정의 유연성, 비접촉 가공 그리고 최소의 열영향부 등을 들 수 있다.

근래에 들어 상기와 같은 레이저 가공의 장점을 기존의 공작기계(예; 선반 가공기)에 접목시켜, 부품 가공의 효율성과 정밀도 그리고 생산성을 극대화 시키려는 노력이 있었다. 이는 첨단 레이저기술과 기존의 기계가공기술이 상호 융합 보완될 수 있는 기술로서 이러한 기술을 실용화한 복합 가공기의 필요성이 점차 대두되고 있다.

상기 복합 가공의 예로서, 선반 공작기계에 레이저 빔을 접목시켜 가공의 효율을 향상시키고 국부적 열처리(급냉처리 불필요), 마킹, 드릴링, 용접, 절단 그리 고 그루빙 가공 등을 레이저 빔을 이용하여 절삭가공과 동시에 혹은 공작물이 세팅된 상태에서 연속적으로 처리함으로서 정밀도를 향상시키고 가공시간을 단축한다. (다단계공정을 한 단계로 단축). 또한 절삭가공이 난해한 재질(텅스텐, 세라믹 등)은 절삭 가공시에 가공부위를 레이저 빔으로 가열함으로서 절삭성(생산성) 및 정밀도를 획기적으로 개선할 수 있다. 또한 기존에 가공이 불가능한 재료들을 복합가공 기술을 이용하여 기계가공을 함으로서 재료선정 및 설계의 유연성을 제공할 수 있다.

상기와 같이 레이저를 이용한 복합 가공을 실현시키기 위해서는 새로운 개념의 레이저 빔 이송 광학 모듈의 개발이 필수적이고 복합가공화의 장점인 생산성을 증대시키려면 신속히 가공 공구를 교환할 수 있는 시스템이 갖추어져야 하며, 이를 위해서 새로운 개념의 빔이송장치 및 가공헤드가 설계되어야 하나, 종래에는 이와 같은 연구 및 개발이 미미한 수준에 머무르고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 과제에 부합하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 리볼버 형태의 광학계의 모든 기능을 갖출 수 있으면서도 구조가 간단하여 전체적인 크기가 축소되어 스테이지나 가공기에 적합하고, 제조단가를 절감한 레이저를 이용한 공작물 가공장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 공작기계에 결합되는 본체와; 상기 본체의 상부에 구비되며 일측은 레이저 발생원과 연결되어 레이저 발생원으로부터 발생되 는 레이저를 본체의 내부로 유도하는 광파이버와; 상기 광파이버의 하측에 구비되며 상기 광파이버로부터 레이저를 입사 받고 입사된 레이저를 평행하게 조사하는 콜리메이션 렌즈와; 상기 콜리메이션 렌즈의 하측에 구비되며 상기 콜리메이션 렌즈를 투과한 레이저를 가공물의 표면에 다초점 및 다양한 크기의 상을 갖도록 하는 집속렌즈부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 공작물 가공장치에 의해 달성된다.

또한, 본 발명의 다른 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하되, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 하며, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 레이저 광학계로서 렌즈 교체가 용이하게 고안되어 여러 형태의 빔을 하나의 광학계에서 사용할 수 있도록 구성하였으며 이를 위한 본 발명의 구성은 다음과 같다.

공작기계에 결합되는 본체(10), 상기 본체(10)의 상부에 구비되며 일측은 레이저 발생원과 연결되어 레이저 발생원으로부터 발생되는 레이저를 본체(10)의 내부로 유도하는 광파이버(100), 상기 광파이버(100)의 하측에 구비되며 상기 광파이버(100)로부터 레이저를 입사 받고 입사된 레이저를 평행하게 조사하는 콜리메이션 렌즈(20), 상기 콜리메이션 렌즈(20)의 하측에 구비되며 상기 콜리메이션 렌즈(20)를 투과한 레이저를 가공물(400)의 표면에 다초점 및 다양한 크기의 상을 갖도록 하는 집속렌즈부.

상기 본체(10), 광파이버(100), 콜리메이션 렌즈(20), 집속렌즈부는 가공물(400)의 표면에 다초첨 및 다양한 크기의 상을 갖게 하기 위한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 본체(10)는 선반, 밀링머신, 셰이퍼 등과 같은 공작기계에 결합된다.

광파이버(100)는 상기 본체(10)의 상부에 구비되어 있으며 레이저 발생원(미도시)에 연결되어 레이저 발생원으로부터 발생되는 레이저를 본체(10)의 내부로 유도하기 위해 구비된 것으로 레이저 발생원의 레이저를 조사한다.

콜리메이션 렌즈(20)는 상기 광파이버(100)로부터 조사된 레이저를 투과시켜 본체(10)의 하측으로 조사하되 평행하게 조사되도록 볼록렌즈가 사용될 수 있다.

집속렌즈부는 상기 콜리메이션 렌즈(20)의 하측에 구비되며 초점거리가 서로 다른 다수개의 집속렌즈(30)와 상기 다수개의 집속렌즈(30)의 일부 또는 전부가 상기 콜리메이션 렌즈(20)의 수직 동선과 상반되는 곳에 위치되도록 상기 다수개의 집속렌즈(30)를 수용하는 집속렌즈 수용부(11)로 구성된다.

상기 다수개의 집속렌즈(30)는 적어도 두개 이상 구비될 수 있고, 250mm focal lens, 200mm focal lens, 150mm focal lens, 100mm focal lens 등 다양한 초점거리의 렌즈를 선택하여 구비할 수 있다. 이와 같은 집속렌즈(30)는 상기 콜레메이션 렌즈(20)와 더불어 다양한 초점크기의 레이저를 조사할 수 있고, 본체(10)의 하부와 가공물(400)의 상단과의 거리 즉, 작업거리는 일정하게 유지하면서도 다양한 초점크기의 레이저를 조사할 수 있어, 본체(10)를 상, 하 수직이동 시키는 과정이 불필요하며, 집속렌즈(30)가 바뀌더라도 작업거리가 같아지기 때문에 노즐 및 부가장치의 설치가 용이해진다.

한편, 상기 다수개의 집속렌즈(30)와 콜리메이션 렌즈(20)를 이용하면 공작물(400)을 가공하는데 따른 레이저의 상 크기나, 레이저의 초점을 조절할 수 있는데 일예로, 도 1에 도시된 바와 같이 중간부위에 있는 집속렌즈와 콜리메이션 렌즈(20)가 수직으로 동선에 있으면 가공물(400)의 표면에 정확히 조사되고, 도 2에 도시된 바와 같이 상측에 구비된 집속렌즈 두개를 콜리메이션 렌즈(20)와 수직으로 동선에 놓게 되면 가공물(400)의 상측으로 초점이 맺게 되며, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 본체(10)의 하측에 구비된 집속렌즈와 콜리메이션 렌즈(20)를 수직으로 동선에 놓게 하면 가공물(400)의 하측으로 초점을 맺게 할 수 있다.

이와 같은 실시예는 당업자에 의해 다양하게 실시될 수 있는데 이는 집속렌즈(30)의 구비 갯수와 상기 집속렌즈(30)와 콜리메이션 렌즈(20)와의 이격거리를 다양하게 변화시킬 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명은 상기 본체(10)에 콜리메이션 렌즈(20)를 상,하로 정밀 조정 할 수 있도록 정밀초점장치(60)가 구비될 수 있는데 정밀초점장치(60)는 레이저가 가공물(400)에 더욱 정밀하게 조사될 수 있도록 초점을 맞추는데 사용된다. 상기 정밀초점장치(60) 즉, 콜리메이션 렌즈(20)를 상,하로 정밀 위치 조정할 수 있는 장치는 다양한 공지기술이 있기에 설명을 생략한다.

또한, 상기 본체(10)는 다수개의 집속렌즈(30)의 일부 또는 전부가 상기 집속렌즈 수용부로(11)의 위치이동, 또는 콜리메이션 렌즈(20)와 수직의 동선에 위치시키도록 하는 집속렌즈 이동수단이 구비될 수 있으며 이 또한 다양한 공지의 기술이 있어 이하 설명을 생략한다.

한편, 본 발명은 가공물(400)의 가공상태와 가공물(400)의 표면온도를 체크하는 카메라(200)와 고온계(300)가 본체(10)의 일측에 구비된다. 가공물(400)의 표면온도를 체크할 수 있는 구성은 제1 빔 스플릿터(41)와 고온계(300) 및 제2 빔 스플릿터(43)이다.

제1 빔 스플릿터(41)는 콜리메이션 렌즈(20)와 수직으로 동선을 이루는 집속렌즈(30)의 최상층과의 사이에 개재되며, 콜리메이션 렌즈(20)로부터 입사된 레이저는 투과시키고, 가공물(400)로부터 방사되는 가시광선과 적외선은 반사시키는 성질을 갖고 제2 빔 스플릿터(43)는 적외선을 반사시키는 성질을 갖는다. 따라서, 가공물(400)에서 방사된 적외선은 제1 빔 스플릿터(41)에 의해 제2 빔 스플릿터(43)로 반사되어 고온계(300)로 전달된다.

그리고 가공물(400)의 가공상태를 체크할 수 있는 구성은 제1 빔 스플릿터(41)와 전반사 미러(42)와 카메라(200)일 수 있다.

전반사 미러(42)는 가시광선을 반사시키는 성질을 갖고 있어, 상기 제1 빔 스플릿터(41)와 함께 가공물(400)에서 반사된 가시광선을 상기 카메라(200)에 전달한다.

이러한 전반사 미러(42)와 제2 빔 스플릿터(43)는 본체(10)의 부피를 불필요하게 확대시키지 않게 하기 위해서 수평의 동선에 위치시킬 수 있는데 이때 수평의 동선에 위치되는 순서는 가공물(400)에서 방사되는 적외선 및 가시광선을 반사시키는 제1 빔 스플릿터(41)가 먼저이고, 적외선을 반사시키는 제2 빔 스플릿터(43)가 그 다음이며, 전반사 미러(42)가 마지막이 된다. 또한 제2 빔 스플릿터(43)는 가시광선은 투과하고, 적외선은 반사하는 성질이어야 한다.

아울러 본체(10)의 하부는 가공물(400)에서 발생하는 분진 및 가스가 본체(10) 내부로 인입되는 것을 방지하기 위하여 레이저가 투과되는 보호윈도우(50)가 더 구비되는데 이는 투명한 유리소재이거나, 레이저, 가시광선, 적외선을 모두 투과시키는 성질의 것이어야 한다.

전술한 바와 같은 본 발명은 하나의 공작물 가공장치에 여러 종류의 렌즈를 구비하여 이들의 조합으로 다양한 빔을 조사할 수 있어 기존의 리볼버형 가공장치를 대체할 수 있고, 이로 인해 제조단가가 절감되며 스테이지나 가공기에 적용이 용이하다.

이상 본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

1. 공작기계에 결합되는 본체(10)와;

   상기 본체(10)의 상부에 구비되며 일측은 레이저 발생원과 연결되어 레이저 발생원으로부터 발생되는 레이저를 본체(10)의 내부로 유도하는 광파이버(100)와;

   상기 광파이버(100)의 하측에 구비되며 상기 광파이버(100)로부터 레이저를 입사 받고 입사된 레이저를 평행하게 조사하는 콜리메이션 렌즈(20)와;

   상기 콜리메이션 렌즈(20)의 하측에 구비되며 상기 콜리메이션 렌즈(20)를 투과한 레이저를 가공물(400)의 표면에 다초점 및 다양한 크기의 상을 갖도록 하는 집속렌즈부;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 공작물 가공장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 집속렌즈부는,

   상기 콜리메이션 렌즈(20)의 하측에 구비되며 두께가 서로 다른 다수개의 집속렌즈(30)와;

   상기 다수개의 집속렌즈(30)의 일부 또는 전부가 상기 콜리메이션 렌즈(20)의 수직 동선과 상반되는 곳에 위치되도록 상기 다수개의 집속렌즈(30)를 수용하는 집속렌즈 수용부(11)로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 공작물 가공장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 본체(10)는 다수개의 집속렌즈(30)의 일부 또는 전부가 상기 집속렌즈 수용부로(11)의 위치이동, 또는 콜리메이션 렌즈(20)와 수직의 동선에 위치시키는 집속렌즈 이동수단이 더 구비되어 이루어지는 것이 특징인 레이저를 이용한 공작물 가공장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 본체(10)는 콜리메이션 렌즈(20)를 상,하로 정밀 조정할 수 있도록 정밀초점장치(60)를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 공작물 가공장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 본체(10)는 콜리메이션 렌즈(20)와 수직으로 동선을 이루는 집속렌즈(30)의 최상층과의 사이에 콜리메이션 렌즈(20)로부터 입사된 레이저는 투과시키고, 가공물(400)로부터 반사 또는 방사되는 가시광선과 적외선은 반사시키는 제1 빔 스플릿터(41)를 개재하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 공작물 가공장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 본체(10)의 일측은 카메라(200)가 구비되고, 제1 빔 스플릿터(41)를 통해 반사된 가시광선을 상기 카메라(200)로 전달하기 위해 구비되는 전반사 미러(42)를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 공작물 가공장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 본체(10)의 일측은 고온계(300)가 구비되고, 제1 빔 스플릿터(41)를 통해 반사된 적외선을 상기 고온계(300)에 전달하기 위해 구비되는 제2 빔 스플릿터(43)를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 공작물 가공장치.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 제2 빔 스플릿터(43)는 전반사 미러(42)와 수평의 동선을 이루며 가시광선은 투과하고, 적외선은 반사하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 공작물 가공장치.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 본체(10)의 하부는 가공물(400)에서 발생하는 분진 및 가스가 본체(10) 내부로 인입되는 것을 방지하기 위하여 레이저가 투과되는 보호윈도우(50)를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 공작물 가공장치.

Images