KR20110095263A

KR20110095263A - 레이저빔을 이용해 공작물을 가공하기 위한 기계

Info

Publication number: KR20110095263A
Application number: KR1020117010805A
Authority: KR
Inventors: 막스 쉬로벤하우저; 귄터 라우쉬
Original assignee: 훼르비거 아우토마티지어룬스테크닉 홀딩 게엠베하
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-08-24
Also published as: EP2344296A1; JP5486746B2; JP2012508650A; DE102008057415B3; WO2010054792A1; CN102216024A; CN102216024B; KR101627386B1; EP2344296B1; ES2586810T3

Abstract

본 발명은 레이저빔을 이용해 공작물을 가공하기 위한, 특히 금속을 레이저 커팅하기 위한 기계에 관한 것으로, 상기 기계는 공작물 홀더, 레이저 가공 유닛, 상기 레이저 가공 유닛과 상기 공작물 홀더를 서로 상대적으로 움직이기 위한 드라이브 유닛, 기계 제어기, 및 가스 공급 장치를 포함하며, 상기 가스 공급 장치는 적어도 하나의 가스 소스, 상기 레이저 가공 유닛에 할당된 가스 노즐, 상기 가스 노즐을 적어도 하나의 가스 소스와 연결시키는 라인 배열, 및 상기 라인 배열 안에 배치되고 가스 제어 유닛에 연결되어 있는 적어도 하나의 비례 압력조절밸브 (4) 를 구비한다. 상기 비례 압력조절밸브 (4) 는 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14), 및 이것에 의해 작동된 공압 파워 스테이지 (13) 를 포함한다.

Description

레이저빔을 이용해 공작물을 가공하기 위한 기계 {MACHINE FOR MACHINING A WORKPIECE BY MEANS OF A LASER BEAM}

본 발명은 레이저빔을 이용해 공작물을 가공하기 위한, 특히 금속을 레이저 커팅 (laser cutting) 하기 위한 기계에 관한 것으로, 상기 기계는 공작물 홀더 (workpiece holder), 레이저 가공 유닛, 상기 레이저 가공 유닛과 상기 공작물 홀더를 서로 상대적으로 움직이기 위한 드라이브 유닛 (drive unit), 기계 제어기, 및 가스 공급 장치를 포함하며, 상기 가스 공급 장치는 적어도 하나의 가스 소스 (gas source), 상기 레이저 가공 유닛에 할당된 가스 노즐 (gas nozzle), 상기 가스 노즐을 적어도 하나의 가스 소스와 연결시키는 라인 배열 (line arrangement), 및 상기 라인 배열 안에 배치되고 가스 제어 유닛 (gas control unit) 에 연결되어 있는 적어도 하나의 비례 (proportional) 압력조절밸브 (pressure control valve) 를 구비한다.

레이저빔을 이용해 여러 가지 재료의 여러 가지 가공이 실행될 수 있다. 예컨대 특히 금속의 레이저 용접을 위한, 레이저 커팅을 위한, 그리고 레이저 레터링을 위한 방법이 알려져 있다. 집속된 (focused) 레이저빔의 에너지 밀도는 재료를 녹이거나 또는 심지어 증발시키기에 충분하다.

레이저 광학계 (laser optics) 의 손상 또는 그의 광학적 특성의 침해를 저지하기 위해, 레이저빔을 이용한 재료 가공시 생기는 물질들의 신뢰성 있는 운반이 필요하다. 이를 위해 고속-가스 제트 (gas jet) 는 레이저 가공의 영역을 향하게 되며, 이를 위해 여기에서 언급된 유형의 레이저 가공 기계들은 가스 노즐 (gas nozzle) 을 갖추고 있는 가스 공급 장치를 구비한다. 특정한 레이저 가공 방법들에서는 가스 제트의 속도를 특정한 가공 공정에 맞출 수 있는 것이 중요하다; 특히 이는 레이저 커팅에 적용되며, 여기에서 가스 속도는 우선은, 즉 레이저빔이 재료 두께를 완전히 관통하기 전에는, 그 후에 절단선을 따라 재료를 계속해서 절삭할 때보다 낮다. 동종 기계들에 제공되어 있는 가스 공급 장치의 비례 압력조절밸브는 가스 노즐을 떠나가는 가스 제트의 속도를 조정하는데 쓰인다. 가스의 종류는 레이저빔을 이용해 수행되는 재료 가공의 결과에 영향을 미치기 때문에, 동종 기계들의 가스 공급 유닛은 부분적으로, 상이한 가스들을 제공하는 다수의 가스 소스 (gas source) 를 포함한다.

위에서 설명된 전체 선행기술과 관련하여, 예컨대 JP 08174261 A, KR 1020060059652 A, DE 102005028243 A1, DE 69317313 T3, DE 202007015908 U1, DE 102005049010 A1, DE 10154352 A1, DE 60216996 T2, 및 WO 2004/087362 A2 를 참조하도록 한다.

마지막에 언급된 문헌은 레이저빔을 이용해 공작물을 가공하기 위한 이러한 기계를 공개하고 있으며, 상기 기계에서는 레이저 가공 유닛에 할당되어 있는 가스 노즐에 의해 가스 흐름을 제어하기 위해 비례 (proportional) 관류 조절 밸브 또는 서보 (servo)-조절 밸브가 제공되어 있을 수 있다. 이 경우, 후자는 특히 공압 (pneumatic) 관류 조절 밸브로서 설계되어 있을 수 있으며, 상기 공압 관류 조절 밸브는 가스 압력에 따라 제어된다.

선행기술에 대해, 본 발명의 목적은 특히 높은 파워 포텐셜 (power potential) 에 의해 그 탁월함을 나타내는, 도입부에 기재된 유형의 기계를 제공하는 것이다. 특히, 가능한 한 짧은 가공 시간을 위해서는, 기존에는 실현되지 않았던 또는 실현 가능하지 않았던 동력 (dynamics) 을 갖고 레이저빔을 이용한 재료 가공을 가능하게 하고자 하며, 생산품의 더욱 개선된 품질을 위해서는 레이저빔을 이용한 재료 가공의 향상된 정밀성을 가능하게 하고자 한다.

이 목적은, 레이저빔을 이용해 공작물을 가공하기 위한 동종 기계에 있어서, 본 발명에 따르면 비례 (proportional) 압력조절밸브 (pressure control valve) 가 피에조 공압 (piezopneumatic) 파일럿 스테이지 (pilot stage), 및 이것에 의해 작동된 공압 (pneumatic) 파워 스테이지 (power stage) 를 포함함으로써 달성된다. 매우 놀라운 방식으로, 상기 비례 압력조절밸브의 이러한 설계는 하기에서 상세히 설명되는 바와 같이 기계의 여러 가지 실무 관련 성능 특징의 본질적인 개선을 초래하는 일련의 가능성을 여는 비결을 형성한다.

본 발명의 적용시 발생하는 제 1 가능성은, 상기 비례 압력조절밸브가 레이저 가공 유닛에 배치되어 있다는 것이며, 즉 상기 레이저 가공 유닛의 운동시 이것과 함께 움직여진다는 것이다. 왜냐하면 선행기술에 비해 상기 비례 압력조절밸브의 무게는 피에조 공압 파일럿 스테이지, 및 이것에 의해 작동된 공압 파워 스테이지를 가진 그의 설계를 통해, 상기 레이저 가공 유닛에 상기 비례 압력조절밸브가 직접 배치되는 것 또는 부착되는 것이 기계의 동력에 부정적인 영향을 미치지 않을 정도로 감소될 수 있기 때문이다. 그러므로, 본 발명에 따른 기계에 있어서, 상기 레이저 가공 유닛은, 훨씬 더 무겁고 자기로 제어된 (magnetically controlled) 비례 압력조절밸브가 상기 레이저 가공 유닛에 배치되는 경우보다 본질적으로 더 큰 동력을 갖고 움직여질 수 있다. 비례 압력조절밸브의 고정식 (stationary) 배치와 비교하여 볼 때, 즉 이것이 레이저 가공 유닛과 함께 이동되는 것이 아니라 오히려 호스 (hose) 또는 그 밖의 플렉시블한 (flexible) 가스 라인 (gas line) 을 통해, 상기 레이저 가공 유닛에 배치되어 있는 가스 노즐과 연결되어 있는 배치와 비교하여 볼 때, 가공의 정밀성이 본질적으로 개선된다; 왜냐하면 가스 노즐 밖으로 배출되는 가스 제트 (gas jet) 는 (변형 가능한 가스 라인들이 필요하지 않으며, 비례 압력조절밸브와 가스 노즐 사이의 데드 스페이스 (dead space) 가 감소될 수 있기 때문이다) 레이저빔에, 그리고 이것에 의해 현재 실행되는 재료 가공에 훨씬 더 정확히 맞춰질 수 있기 때문이다. 이는 각각의 경우에 있어 설정 가능한 가스 제트의 배출 속도에 관해서 뿐만 아니라 가스 유형에 관해서도, 즉 가공 작동 내에서의 가스 교환에 관해서도 유효하다. 특히 빠른 가스 교환, 또는 가스 노즐을 떠나가는 가스 제트의 속도의 특히 정확할 뿐만 아니라 특히 빠른 변경도 본 발명의 적용시 가능해진 특히 높은 가공 동력의 양상들이다. 상기 설명되어 있는 양상들의 의미에서, 본 발명의 특히 바람직한 개선형태는, 상기 비례 압력조절밸브가 상기 레이저 가공 유닛에 부착되어 있는 가스 노즐에 특히 가까이, 바람직하게는 바로 그의 근처에 배치되어 있다는 점에 의해 그 탁월함을 나타낸다.

피에조 공압 파일럿 스테이지를 가진 상기 압력조절밸브의 본 발명에 따른 설계로 인해, 상기 압력조절밸브의 작동은 24V 의 작동 전압을 갖고 가능하며, 파워측에서의 높은 스위칭 라인들 (switching lines) 에서 조차 상기 피에조 공압 파일럿 스테이지의 전력 소비가 50mW 미만이며, 바람직하게는 최대 30mW 인 것은 공작물을 레이저 가공하기 위한 본 발명에 따른 기계의 실용적인 적용을 위해 특히 유리하다.

본 발명에 의해 제공된 가능성들은, 상기 피에조 공압 파일럿 스테이지의 제어 압력 출구 (control pressure outlet) 가 상기 공압 파워 스테이지를 직접 가압하면 본 발명의 바람직한 개선형태에 따라 크게 이용된다. 특히, 이로 인해, 움직여진 레이저 가공 유닛 안에 수용되기에 이상적인 방식으로 적합한 특히 콤팩트한 비례 압력조절밸브가 실현될 수 있다. 같은 관점에서 볼 때, 상기 피에조 공압 파일럿 스테이지가 상기 공압 파워 스테이지의 하우징에 직접 부착되어 있는 피에조 공압 파일럿-비례밸브를 포함하면 특히 유리하다. 바람직한 개선형태에서, 상기 피에조 공압 파일럿-비례밸브는 하우징을 포함할 수 있으며, 상기 하우징은 그 안에 배치된, 입구 노즐과 배기 노즐 사이에서 위치가 변경될 수 있는 압전 (piezoelectric) 벤더 트랜스듀서 (bender transducer) 를 구비한다. 위에서 설명된 의미에서 상기 공압 파워 스테이지를 직접 가압하기 위해, 상기 피에조 공압 파일럿-비례밸브의 상기 하우징의 내부 공간이 상기 공압 파워 스테이지와 연통 (communicate) 하면 바람직하다.

상기 피에조 공압 파일럿-비례밸브의 상기 하우징은 인클로저 (enclosure) 안에 수용되어 있을 수 있으며, 상기 인클로저의 내부 공간 안으로, 상기 피에조 공압 파일럿-비례밸브의 배기 개구부가 통해 있고, 상기 인클로저는 상기 배기 노즐에 비해 큰 횡단면을 가진 출구 개구부 (exit opening) 를 구비하고 있다. 이러한 인클로저는, 상기 비례 압력조절밸브의 조절 특성곡선의 재생 가능성을 침해할 수도 있는 흐름 영향으로부터 상기 파일럿-비례밸브의 배기 개구부를 보호하며, 그리고 이러한 방식으로 특히 높은 정밀성에 기여한다. 동시에, 상기 배기 노즐에 비해 비교적 크게 상기 인클로저의 출구 개구부를 치수화함으로써, 마찬가지로 상기 비례 압력조절밸브의 조절 특성곡선의 재생 가능성의 침해를 초래할 수도 있는 상기 인클로저 내부에서의 원치 않은 압력형성이 저지된다. 상기 인클로저는 상기 가스 제어 유닛의 전자 컴포넌트들 (eletronic components) 의 적어도 한 부분을 수용할 수 있으며, 따라서 이것들도 상기 비례 압력조절밸브의 바로 근처에 있음에도 불구하고 보호되어 수용되어 있다.

위에서 설명된 본 발명의 개선형태의 의미에서의 상기 피에조 공압 파일럿 스테이지가 상기 공압 파워 스테이지의 하우징에 직접 부착되어 있는 피에조 공압 파일럿-비례밸브를 포함하면, 다시 한번 본 발명의 다른 개선형태에 따르면 상기 피에조 공압 파일럿-비례밸브의 입구 노즐은 상기 피에조 공압 파일럿-비례밸브의 하우징 안의 개구부를 통해, 상기 공압 파워 스테이지의 하우징 안에 배치되어 있는 제어 가스 보어 (control gas bore) 에 연결되어 있다. 이로 인해, 상기 공압 파워 스테이지의 하우징의 스태틱스 (statics) 는 상기 피에조 공압 파일럿-비례밸브에 대한 제어 가스의 연결을 위해 사용될 수 있다. 이와 관련하여 분명하게 하기 위해 참조할 점은, 상기 피에조 공압 파일럿-비례밸브의 제어 가스로서는 원칙적으로 모든 가스, 및 모든 가스 혼합물 (예컨대 공기도) 이 고려된다는 것이다. 상기 피에조 공압 파일럿-비례밸브가, 어쨌든 가스 공급 장치 안에서 가용 가능한 가스를 갖고 작동되는 것이 고려되며, 특히 상기 설명된 제어 가스 보어가 초기 압력 조절기 (상기 초기 압력 조절기는 파일럿-비례밸브에서 예컨대 1.2bar 로 조절할 수 있다) 를 통해 상기 가스 공급 장치의 고압-가스 소스에 연결되어 있음으로써 작동되는 것이 고려된다. 다른 옵션 (option) 에 따르면, 상기 제어 가스 보어는 상기 가스 공급 장치와는 다른 별도의 압력 매체 소스 (pressure medium source) 에 연결되어 있다.

상기 공압 파워 스테이지의 설계와 관련하여, 본 발명의 바람직한 개선형태는, 상기 공압 파워 스테이지가 입구, 출구, 및 제어 피스톤 보어 안에서 축방향으로 이동 가능하게 안내된 제어 피스톤을 구비하며, 상기 제어 피스톤은 부합하는 (corresponding), 하우징에 고정된 제 2 제어 모서리 (control edge) 와 상호 작용하는 적어도 하나의 제 1 제어 모서리를 구비하고, 상기 제 1 제어 모서리와 상기 제 2 제어 모서리는 상기 입구와 상기 출구 사이의 흐름 경로 안에 배치되어 있는 가변적인 (variable) 제어간극 (control gap) 을 규정함으로써 그 탁월함을 나타낸다. 이러한 구현형태에서는, 하기에서 구체적으로 설명되는 바와 같이 특별한 장점들이 실현될 수 있다. 즉, 예컨대 상기 제 2 제어 모서리가 상기 제어 피스톤 보어에 대한 출구의 개구부의 영역에 배치되어 있음으로써, 상기 제어 피스톤은 상기 제어간극 안에서 팽창하는 가스에 의한 모든 침해를 받지 않을 수 있다; 왜냐하면 흐름의 상당한 불안정을 가진 상기 팽창은 상기 공압 파워 스테이지의 출구에서, 즉 하우징에 고정된 영역에서 수행되며, 따라서 상기 제어 피스톤에의 반작용이 저지되기 때문이다. 이에 반해, 상기 제어 피스톤의 영역에는, 제공되어 있는 가스의 일정한 압력이 항상 적용된다. 이는 조절 특성곡선의 재생 가능성의 높은 정밀성을 초래한다. 게다가, 그 밖의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 제어 피스톤 보어에 대한 입구의 개구부의 횡단면 표면이 상기 제어 피스톤 보어에 대한 출구의 개구부의 횡단면 표면보다 크면 이에 기여한다.

이 의미에서의 상기 공압 파워 스테이지는 제어 피스톤을 구비하고 상기 피에조 공압 파일럿 스테이지는 압전 벤더 트랜스듀서를 포함하면, 상기 압전 벤더 트랜스듀서의 운동의 상기 제어 피스톤의 이동 거리에 대한 변성비는 결정적인 설계 파라미터들의 적합한 선택을 통해 적어도 일부 영역들에서 적어도 1:50, 바람직하게는 거의 1:100 또는 이를 초과할 수 있다. 이는 조절 특성의 관점에서 특히 바람직한 관계이다.

상기 비례 압력조절밸브와 상기 가스 노즐 사이의 가스 라인 (gas line) 의 빠른 환기, 그리고 이로써 특히 빠른 가스 교환 가능성과 관련하여, 상기 공압 파워 스테이지가 환기부를 구비하고 상기 제어 피스톤이 제 3 제어 모서리를 구비하면 유리하며, 상기 제 3 제어 모서리는 부합하는, 하우징에 고정된 제 4 제어 모서리와 상호 작용하고, 상기 제 3 제어 모서리와 상기 제 4 제어 모서리는 출구와 환기부 사이의 흐름 경로 안에 배치되어 있는 가변적인 제 2 제어간극을 규정한다. 또한, 이러한 점에 있어서 상기 제 4 제어 모서리가 상기 제어 피스톤 보어에 대한 출구의 개구부의 영역에 배치되어 있으면 유리한다. 이 경우에도, 입구와 출구와의 연결과 관련하여 위에서 설명한 실현 가능한 장점들과 관련하여, 상기 제어 피스톤 보어에 대한 상기 환기부의 개구부의 횡단면 표면이 바람직하게는 상기 제어 피스톤 보어에 대한 출구의 개구부의 횡단면 표면보다 큰 것이 유효하다.

위에서 설명된 본 발명의 개선형태의 의미에서의 상기 공압 파워 스테이지가 입구, 출구, 환기부, 및 제어 피스톤 보어 안에서 축방향으로 이동 가능하게 안내된 제어 피스톤을 포함하며, 상기 제어 피스톤은 하우징에 고정된 제 2 제어 모서리와 상호 작용하는 제 1 제어 모서리와, 하우징에 고정된 제 4 제어 모서리와 상호 작용하는 제 3 제어 모서리를 구비하면, 본 발명의 다시 한번 다른 특히 바람직한 개선형태에 따르면 상기 제 1 및/또는 상기 제 2 제어 모서리의 상응하는 프로파일링 (profiling) 에 의해, 상기 출구 환기시의 흐름 조절 특성은 상기 출구와 상기 입구의 연결에 의한 상기 비례밸브의 개방시의 흐름 조절 특성과 구별된다. 특히, 이 의미에서, 특히 상기 제 1 및/또는 상기 제 2 제어 모서리가 모따기가 되어 있음으로써, 상기 제 3 및 상기 제 4 제어 모서리는 상기 제 1 및/또는 상기 제 2 제어 모서리보다 모서리가 더 날카로울 수 있다. 본 발명에 따른 기계의 이러한 구현형태에서는, 상기 비례 압력조절밸브의 출구에, 그리고 이로써 가스 노즐에 적용되는 압력의 특히 섬세한, 그리고 정밀한 설정이 가능하다. 정반대로, - 상기 제 1 및 상기 제 2 제어 모서리와 비교하여 - 상기 제 3 및 상기 제 4 제어 모서리를 더 날카롭게 설계함으로써, 출구 환기시 가스 라인의 내부에서의 압력의 급격한 감소가 상기 압력조절밸브의 하류에서 실현될 수 있으며, 이는 특히 빠른 가스 교환의 가능성과 관련하여 매우 유리하다.

상기 피에조 공압 파일럿 스테이지의 제어 압력 출구가 상기 공압 파워 스테이지를 직접 가압하는 것이 특히 바람직하다는 것이 위에서 이미 설명되었다. 상기 피에조 공압 파일럿 스테이지에 의한 상기 공압 파워 스테이지의 이러한 직접적인 가압의 구조적인 형태와 관련하여 여러 가지 가능성이 존재하고, 상기 가능성들은 여러 가지 장점을 가지며, 그러므로 특정한 주변조건들에 따라 바람직하게 이용될 수 있다. 상기 설계의 의미에서의 상기 공압 파워 스테이지가 제어 피스톤 보어 안에서 축방향으로 이동 가능한 제어 피스톤을 포함하면, 특히 상기 제어 피스톤의 전면은 제어공간 (control space) 을 한정할 수 있으며, 상기 제어공간은 상기 피에조 공압 파일럿 스테이지의 제어 압력 출구에 직접 연결되어 있다. 이로 인해, 상기 압력조절밸브의 특히 콤팩트한 구조가 만들어진다; 하지만 상기 제어 피스톤 보어 안에서의 상기 제어 피스톤의 가능한 한 빽빽한, 그럼에도 불구하고 저마찰 안내에 대한 매우 큰 요구가 제시된다. 예컨대, 가능한 대안으로서, 작동 플런저 (actuating plunger) 가 상기 제어 피스톤에 작용하는 것이 고려되며, 상기 작동 플런저는 상기 피에조 공압 파일럿 스테이지의 상기 제어 압력 출구에 연결되어 있는 압력/거리 트랜스듀서와 연결되어 있다. 통상적인 방식으로 멤브레인 (membrane) 을 구비할 수 있는 상기 압력/거리 트랜스듀서를 통해, 상기 피에조 공압 파일럿 스테이지와 상기 공압 파워 스테이지 사이의 가스 분리가 수행된다.

상응하는 관점들이 상기 제어 피스톤의 운동, 즉 전형적으로 그의 복원에 적용된다. 여기에서도 각각의 장점들을 가진 다수의 가능성이 실현될 수 있다. 즉, 특히 상기 제어 피스톤은 상기 제어공간 또는 상기 작동 플런저와 마주하고 있는 쪽에서 복원 스프링 (restoring spring) 에 의해 가압될 수 있다. 또는, 상기 제어공간 또는 상기 작동 플런저와 마주하고 있는 상기 제어 피스톤의 전면은 복원-제어공간을 한정하며, 상기 복원-제어공간은 피에조 공압 복원-파일럿 밸브의 제어 압력 출구에 연결되어 있다. 또다시 다른 개선형태에 따르면, 상기 제어공간 또는 상기 작동 플런저와 마주하고 있는 쪽에서 복원 플런저가 상기 제어 피스톤에 작용하며, 상기 복원 플런저는 피에조 공압 복원-파일럿 밸브의 제어 압력 출구에 연결되어 있는 압력/거리 트랜스듀서와 연결되어 있다.

바람직하게는, 본 발명의 개선형태에 따르면, 상기 공압 파워 스테이지의 상기 제어 피스톤은 - 이러한 제어 피스톤이 제공되어 있는 한 - 건식 (dry) 으로 작동할 수 있다. 이 경우, 그 어떤 유형의 윤활제 및 슬립제가 생략될 수 있다. 이는 - 왜냐하면 그 결과로 윤활제 또는 슬립제가 가스와 함께 상기 압력조절밸브 밖으로 전혀 배출될 수 없기 때문이다 - 오염으로부터 레이저 광학계 (laser optics) 보호의 본질적인 양상을 나타낸다. 상기 제어 피스톤은 경량 금속으로, 바람직하게는 알루미늄으로 구성되는 것이 특히 바람직하다; 그리고 상기 제어 피스톤은 바람직한 구현형태에서 표면이 테플론 유도체 (Teflon derivative) 로 코팅되어 있다. 이러한 구현형태는 높은 조절동력, 및 조절 특성의 특히 좋은 재생 가능성과 관련하여 유리하다. 넓은 온도범위의 내에서, 조절 특성의 특히 좋은 재생 가능성은, 상기 제어 피스톤이 밸브 하우징 안에 삽입된 제어 슬리브 안에서 안내되어 있으며, 상기 제어 슬리브 안에 상기 제어 피스톤 보어가 설계되어 있고, 그리고 상기 제어 슬리브는 바람직하게는 상기 제어 피스톤과 동일한 또는 유사한 종류의 재료로 구성되며, 그리고 특히 마찬가지로 표면이 테플론 유도체로 코팅되어 있을 수 있음으로써 특히 보장될 수 있다. 위에 설명된 의미에서 제어 슬리브가 제공되어 있으면, 이것은 바람직하게는 상기 제어 피스톤 보어쪽으로 입구 관통부, 출구 관통부 및 환기 관통부를 구비하며, 상기 입구 관통부, 상기 출구 관통부 및 상기 환기 관통부는 상기 압력조절밸브의 입구, 출구, 및 환기부와 연통한다.

또다시 구현형태에 관한 큰 가능성들은, 상기 가스 제어 유닛의 일부를 형성하는 상기 압력조절밸브의 조절의 설계를 위한 본 발명의 범위 안에 존재한다. 이러한 점에서, 상기 가스 제어 유닛이 순전히 디지털식인 조절 스테이지 (regulating stage) 를 포함하는 것이 특히 고려된다. 이는 특히 동시에 최소의 반응 및 조절 시간에서 비선형 조절관계들 및/또는 개별적인 조절 특성곡선들을 사전에 결정할 수 있는 가능성을 제공한다. 상기 가스 제어 유닛의 상기 조절 스테이지는 특히 - 아날로그 인터페이스 생략하에 - 단일 방향 또는 양방향 디지털 (digital) 통신 인터페이스 (communication interface) 를 통해 상기 기계 제어기와 연통할 수 있다. 특히 바람직한 그 밖의 옵션들, 예컨대 특히 상기 비례 압력조절밸브의 파라미터 세트 (set of parameters) 를 상기 기계 제어기에 의해 필요에 맞게 변경시키고, 그리고 현재의 공정에 맞출 수 있는 가능성이 발생한다. 이 이외에, 상기 비례 압력조절밸브가 자기 진단 기능 (self-diagnosis function) 을 구비하며, 그리고 조절 거리의 변경을 독립적으로 (independently) 인식하면 특히 유리하다.

이때, 본 발명의 전형적인 적용 경우들을 위해 심지어 상기 가스 제어 유닛이 순 (pure) 압력조절을 포함하면 충분하며, 즉 제어 피스톤 또는 비교 가능한 제어 요소의 위치 조절이 생략되고, 그리고 상기 압력조절밸브의 출구에 있는 압력이 직접 조절되면 충분하다. 하지만, 예컨대 상기 가스 제어 유닛이 조합된 (combined) 압력/위치 조절을 포함함으로써 상기 조절 스테이지의 그 밖의 구현형태도 고려되며, 상기 압력/위치 조절에서는, 특히 상기 가스 제어 유닛에 연결되어 있는, 상기 제어 피스톤의 위치를 검출하는 피스톤 위치 센서 (piston position sensor) 가 제공되어 있다.

상기 레이저 가공 유닛의 드라이브의 제어기와 상기 가스 제어 유닛과의 직접적인 제어 기술적 결합과 관련하여, 상기 기계 제어기는 바람직하게는 압력 스위치 (pressure switch) 를 구비하며, 상기 압력 스위치는 상기 비례 압력조절밸브의 출구에 있는 압력으로 가압되고, 그리고 상기 레이저 가공 유닛을 위한 조정 드라이브 (adjusting drive) 에 작용한다. 이로 인해, 높은 공정 동력을 위하여, 상기 레이저 가공 유닛의 운동은 상기 가스 노즐을 떠나가는 가스 흐름과 직접적으로 결합될 수 있다.

공작물을 레이저 가공하기 위한 본 발명에 따른 기계의 라인 배열 (line arrangement) 안에는, 상기 비례 압력조절밸브의 상류에 적어도 하나의 스위칭 밸브가 배치될 수 있으며, 상기 스위칭 밸브를 이용해 가스 소스는 그 밖의 라인 배열로부터 차단될 수 있다. 이는 특히 다수의 가스 소스 (gas source) 가 제공되어 있고, 바람직하게는 각각의 가스 소스에 자기 자신의 스위칭 밸브가 할당되어 있는 경우에 유효하다. 이러한 스위칭 밸브들도 특히 바람직하게는 전자 공압식으로 설계되어 있으며, 정확히 말하면 압전 (piezoelectric) 또는 전자기 (electromagnetic) 드라이브를 갖고 설계되어 있을 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 적용시 가스 압력 조절측에서 실현 가능한 결과는 스위칭 밸브들의 바람직하지 않은 설계에 의한 침해를 받지 않는다. 오히려 이 경우 스위칭 밸브들은 기계의 동력 생산을 위해 바람직한 방식으로 상기 비례 압력조절밸브에 맞춰질 수 있다. 상기 스위칭 밸브들은 역류를 방지하도록 설계되어 있는 것이 특히 바람직하다; 이는 선행기술에서는 비례 압력조절밸브에 인접한 가스가 다른 가스를 제공하는 가스 소스 안으로 역류되는 것을 저지하기 위해 필요한 역류 방지 밸브의 이용을 불필요하게 한다.

공작물을 레이저 가공하기 위한 본 발명의 기술 구조적인 실행에서 실현 가능한 기계들은 기존에 실현 가능했던 작동 파라미터들과 본질적으로 구별되는 작동 파라미터들을 허용한다. 즉, 특히 상기 공압 파워 스테이지는 (부분적으로 분명히) 20bar 를 초과하는, 예컨대 30bar 까지의 또는 이를 초과하는 작동 범위를 구비할 수 있다. 이는 기존에는 실현될 수 없었던 적용들을 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 기술적인 실행에서 실현 가능한 기계들에 있어서 상기 비례 압력조절밸브의 반응 시간은 200ms 이하이며, 바람직하게는 기껏해야 150ms 일 수 있으며 및/또는 상기 비례 압력조절밸브의 출구쪽 압력변경의 90% 는 최대 100ms 내에서 조절될 수 있고, 이는, 이와 관련된, 기존에는 실현 가능하지 않았던 동력으로 인해 마찬가지로 새로운 적용 및 작업 결과를 가능하게 한다. 본 발명의 적용시 상기 비례 압력조절밸브와 상기 가스 노즐 사이의 데드 볼륨 (dead volume) 이 최대 1200㎣, 바람직하게는 기껏해야 600㎣ 으로 감소될 수 있는 것도, - 위에서 이미 설명된 바와 같이 - 선행기술에 비해 본질적으로 상승된 공정 동력 및 정밀성을 초래한다. 이러한 점에서, 상기 레이저 가공 유닛에 배치되어 있는 상기 가스 공급 장치의 구성요소들의 무게가 최대 1500g 이며, 바람직하게는 1000g 미만일 수 있는 것이 마찬가지로 실효를 거둔다. 상기 압력조절밸브의 본 발명에 따른 설계는 - 구체적으로 설명된 바와 같이 - 특히 높은 가스 성능의 정밀한, 그리고 매우 동적인 (highly dynamic) 조절을 구비한, 공작물을 레이저 가공하기 위한 동종 기계를 제공하는 것을 가능하게 하기 때문에, 본 발명에 따르면, 필요해진 매우 높은 가스흐름을 가진 이용 영역들이 개척되어 있다. 이 의미에서 본 발명의 이점들은, 20bar 를 초과하는, 특히 30bar 까지의 가스 압력들에 있어서 상기 가스 노즐의 흐름 횡단면 (flow cross-section) 이 바람직하게는 5.7㎟ 까지이면, 특히 바람직하게는 심지어 7㎟ 까지이면 특히 실효를 거두며, 이는 둥근 흐름 횡단면을 가진 가스 노즐의 설계에 있어서 바람직하게는 2.7mm 까지의, 특히 바람직하게는 3mm 까지의 지름에 상응한다. 상기 가스 노즐의 최소 횡단면은 존재하지 않는다; 하지만 본 발명과 관련된 특별한 장점들은 대략 0.8mm 부터 1mm 까지의 가스 노즐의 최소 지름부터 비로소 실효를 거둔다.

이하, 본 발명의 특별한 양상들을 도면에 도시되어 있는 바람직한 실시예들을 근거로 보다 상세히 설명한다.

도 1 은 공작물을 레이저 가공하기 위한 본 발명에 따른 기계의 가스 공급 장치에 관한 블록 다이어그램,
도 2 는 도 1 에 따른 가스 공급 장치에서 이용 가능한 비례 압력조절밸브의 상세한 도면,
도 3 은 도 2 에 따른 압력조절밸브의 부분의 개략적인 도면,
도 4 는 도 2 에 따른 압력조절밸브의 다른 부분의 개략적인 도면,
도 5 는 도 2 에 따른 압력조절밸브의 도 4 에 도시되어 있는 부분의 변경을 보이고 있는 개략적인 도면,
도 6 은 도 2 에 따른 압력조절밸브의 변경을 보이고 있는 개략적인 도면,
도 7 은 도 2 에 따른 압력조절밸브의 그 밖의 변경을 보이고 있는 개략적인 도면,
도 8 은 도 2 에 따른 압력조절밸브의 배열의 제 1 가능성을 보이고 있는 개략적인 도면,
도 9 는 도 2 에 따른 압력조절밸브의 배열의 그 밖의 가능성을 보이고 있는 개략적인 도면이다.

공작물을 레이저 가공하기 위한 본 발명에 따른 기계는 가스 공급 유닛 (gas supply unit) 에서 분명하게 드러나 있는 특이성에 의해 선행기술과 구별되기 때문에, 본 발명에 관한 아래의 설명은 상기 가스 공급 유닛에 제한된다. 레이저 가공을 위한 기계의 그 밖의 구성 및 그 밖의 구성요소들, 즉 공작물 홀더, 레이저 가공 유닛, 상기 레이저 가공 유닛과 상기 공작물 홀더를 서로 상대적으로 움직이기 위한 드라이브 유닛, 및 기계 제어기에 대해서는, 충분히 알려져 있는 선행기술, 특히 그 공개 내용이 본 발명의 대상과 관계가 있는, 위에서 언급된 선행기술에 관한 문헌들 및 시장에서 구입 가능한 기계들을 참조하도록 한다.

도 1 에 도시되어 있는, 레이저빔을 이용해 공작물을 가공하기 위한 기계의 가스 공급 유닛 (1) 은 높은 압력하에 서로 다른 가스들 (공정가스들) 을 제공하는 2 개의 가스 소스 (gas source, 2), 각각 하나의 가스 소스 (2) 에 할당되어 있는 2 개의 스위칭 밸브 (switching valve, 3), 상기 스위칭 밸브 (3) 들을 통해 두 가스 소스 (2) 의 각각과 연결될 수 있는 비례 압력조절밸브 (4), 및 레이저 가공 유닛 (5) 에 배치되어 있는 가스 노즐 (gas nozzle, 6) 을 포함한다. 상기 가스 유닛의 상기 언급된 구성요소들은 라인 배열 (line arrangement, 7) 을 통해 서로 연결되어 있다. 두 스위칭 밸브 (3) 는 역류를 방지하는 공압밸브 (pneumatic valve) 들로서 설계되어 있으며, 즉 그것들은 공압식으로 스위칭될 수 있다. 이를 위해, 제어 가스 소스 (control gas source, 8) 가 제공되어 있으며, 상기 제어 가스 소스는 각각의 경우에 있어 제어 밸브 (9) 를 통해 스위칭 밸브 (3) 들로 스위칭될 수 있으며, 상기 제어 밸브 (9) 들은 특히 솔레노이드 밸브 (solenoid valve) 또는 피에조 밸브 (piezo valve) 일 수 있다. 비례 압력조절밸브 (4) 도 공압식으로 작동될 수 있으며, 따라서 이것도 제어 가스 소스 (8) 에 연결되어 있다. 이 이외에, 시스템 (10) 은 전기 연결부 (11) 를 통해 전류 공급부에 연결되어 있으며, 인터페이스 (12) 를 통해 기계의 기계 제어기에 연결되어 있다.

비례 압력조절밸브 (4) 는 (도 2 참조) 높은 작동압력들 및 높은 가스용량을 위해 설계된 공압 (pneumatic) 파워 스테이지 (power stage, 13), 및 이것을 작동시키는 피에조 공압 (piezopneumatic) 파일럿 스테이지 (pilot stage, 14) 를 포함한다. 공압 파워 스테이지 (13) 는 본질적으로 원통형인 하우징 섹션 (15), 이것 안에 삽입되고 제어 피스톤 보어 (control piston bore, 16) 를 규정하는 제어 슬리브 (17), 및 상기 제어 피스톤 보어 안에서 축방향으로 이동 가능한 제어 피스톤 (18) 을 포함한다. 단부쪽에서, 하우징 섹션 (15) 은 제 1 하우징 커버 (19) 및 제 2 하우징 커버 (20) 에 의해 폐쇄되어 있다. 이 이외에, 하우징 섹션 (15) 에는 연결블록 (connection block, 21) 이 플랜지 설치되어 있다 (flange-mounted). 연결블록 (21) 에는 입구 연결부 (22), 출구 연결부 (23), 및 환기 연결부 (24) 가 제공되어 있다. 제어 슬리브 (17) 안에 제공되어 있는 입구 관통부 (26) 는 입구 보어 (25) 를 통해 입구 연결부 (22) 와 연통한다. 제어 슬리브 (17) 안에 제공되어 있는 출구 관통부 (28) 는 출구 보어 (27) 를 통해 출구 연결부 (23) 와 연통한다. 제어 슬리브 (17) 안에 제공되어 있는 환기 관통부 (30) 는 환기 보어 (29) 를 통해 환기 연결부 (24) 와 연통한다. 특히 도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 입구 관통부 (26) 및 환기 관통부 (30) 의 횡단면 표면들은 출구 관통부 (28) 의 횡단면 표면보다 크다.

상기 제어 피스톤의 둘레에는, 2 개의 오버플로 그루브 (overflow groove), 즉 제 1 오버플로 그루브 (31) 와 제 2 오버플로 그루브 (32) 가 배치되어 있다. 제 1 오버플로 그루브 (31) 를 이용해, 도 2 에 도시되어 있는 위치에 대해 오른쪽으로 이동된 제어 피스톤 (18) 의 상응하는 위치에 있어서 상기 압력조절밸브의 입구 (E) 와 출구 (A), 즉 입구 관통부 (26) 와 출구 관통부 (28) 는 서로 연결될 수 있다. 그리고 제 2 오버플로 그루브 (32) 을 이용해, 도 2 에 도시되어 있는 위치에 대해 왼쪽으로 이동된 제어 피스톤 (18) 의 상응하는 위치에 있어서 상기 압력조절밸브의 출구 (A) 와 환기부 (B), 즉 출구 관통부 (28) 와 환기 관통부 (30) 는 서로 연결될 수 있다. 두 오버플로 그루브 (31 및 32) 사이에, 제어 피스톤 (18) 은, 제어 피스톤 보어 (16) 에 본질적으로 밀봉하며 밀착하는 링 모양의 웨브 (web, 33) 를 구비한다. 제 1 오버플로 그루브 (31) 를 향해 (도 3 참조) 웨브 (33) 에는 제 1 제어 모서리 (control edge, 34) 가 제공되어 있으며, 상기 제 1 제어 모서리는 출구 관통부 (28) 의 영역에 배치되어 있는, 하우징에 고정된 제 2 제어 모서리 (35) 와 상호 작용한다. 제 2 오버플로 그루브 (32) 를 향해, 웨브 (33) 에는 제 3 제어 모서리 (36) 가 제공되어 있으며, 상기 제 3 제어 모서리는 마찬가지로 출구 관통부 (28) 의 영역에 배치되어 있는, 하우징에 고정된 제 4 제어 모서리 (37) 와 상호 작용한다. 제어 슬리브 (17) 의 내부에서의 제어 피스톤 (18) 의 위치 변경을 통해, 제 1 제어 모서리 (34) 와 제 2 제어 모서리 (35) 사이에는 또는 제 3 제어 모서리 (36) 와 제 4 제어 모서리 (37) 사이에는, 각각의 경우에 있어 가변적인 (variable) 제어간극 (control gap) 에 의해 형성된, 입구와 출구 사이의 또는 출구와 환기부 사이의 흐름 경로가 규정될 수 있다.

도 3 은, 제어 피스톤 (18) 의 상응하는 위치에 의해, 제 1 제어 모서리 (34) 와 제 2 제어 모서리 (35) 사이에 형성된 제어간극의 비교적 작은 개구부가 존재할 때의 흐름 상태를 도시하고 있다. 입구 (E) 와 출구 (A) 사이의 상응하여 심한 압력감소를 위해 결정적인, 상기 제어간극의 영역에서의 스로틀 효과 (throttle effect), 및 이것에 의해 야기된, 출구쪽에 도달하는 공정가스의 극단적인 난류 (turbulence) 는, 상기 제 1 제어 모서리와 상기 제 2 제어 모서리의 선택된 배열을 근거로 제어 피스톤의 위치, 및 설정된 위치의 성취 가능한 정밀성에 영향을 미치지 않고 지속된다. 왜냐하면 난류는 하우징 섹션 (15) 의 영역에 존재하기 때문이며, 그리고 웨브 (33) 의 둘레면에서만 (제어 피스톤에 영향을 미치지 않고) 작용하기 때문이다. 이에 반해, 항상 입구 (E) 와 연결되어 있는 제 1 오버플로 그루브 (31) 의 영역에서는, 공정가스는 일정하게 각각의 가스 소스 (2) 의 압력을 갖고 인접한다.

도 4 및 도 5 는 출구 (A) 환기시, 즉 출구 (A) 를 제 1 오버플로 그루브 (32) 를 통해 환기부 (B) 와 연결할 때의 흐름 조절 특성이, 제 1 오버플로 그루브 (31) 를 통한 입구 (E) 와 출구 (A) 의 연결에 의한 비례밸브의 개방에 적용되는 흐름 조절 특성과 구별되도록 할 수 있는 조치들을 도시하고 있다. 이를 위해, 상기 제 3 제어 모서리 (36) 와 상기 제 4 제어 모서리 (37) 가 상기 제 1 및/또는 상기 제 2 제어 모서리보다 모서리가 더 날카롭도록 상기 제 1 제어 모서리 (34) 및/또는 상기 제 2 제어 모서리 (35) 의 프로파일링 (profiling) 이 형성되어 있는 것이 결정적이다. 이를 위해, 도 4 에 따르면, 하우징에 고정된 제 2 제어 모서리 (35) 는 모따기가 되며, 즉 챔퍼 (chamfer, 38) 가 제공된다. 이에 반해, 도 5 에 따르면 동일한 목적을 위해 제 1 제어 모서리 (34) 가 모따기가 되며, 즉 챔퍼 (39) 가 제공된다.

공압 파워 스테이지 (13) 를 작동시키는데 쓰이는 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14) 는 피에조 공압 파일럿-비례밸브 (40) 를 포함한다. 이것은 - 그 자체로서 알려져 있는 바와 같이 - 내부 공간 (41) 을 둘러싸는 하우징 (42) 을 구비하며, 상기 하우징 안에는 피에조 세라믹 (piezoceramic) 벤더 트랜스듀서 (bender transducer, 43) 가 배치되어 있다. 벤더 트랜스듀서 (43) 는 한쪽이 단단히 클램핑되어 있다. 그의 자유 단부는 2 개의 노즐 사이에, 즉 입구 노즐 (44) 과 배기 노즐 (45) 사이에 배치되어 있다. 피에조 공압 파일럿-비례밸브 (40) 의 하우징 (42) 은 보호벨 (protection bell, 47) 형태의 인클로저 (enclosure, 46) 안에 수용되어 있으며, 그의 내부 공간 (48) 안으로, 배기 노즐 (45) 과 연결된, 피에조 공압 파일럿-비례밸브의 배기 개구부가 통해 있다. 가스 제어 유닛의 전자 컴포넌트들의 부분 (49) 을 수용하는 보호벨 (47) 은 배기 노즐 (45) 에 비해 큰 횡단면을 가진 출구 개구부 (50) 를 구비한다. 피에조 공압 파일럿-비례밸브 (40) 의 하우징 (42) 은 위치가 안전하게 되어 보호벨 (47) 의 상응하는 리세스 (recess, 51) 안에 수용되어 있다. 제 2 하우징 커버 (20) 에 보호벨 (47) 을 부착시킴으로써 피에조 공압 파일럿-비례밸브 (40) 의 하우징 (42) 은 상기 하우징 커버에 단단히 밀착된다.

피에조 공압 파일럿-비례밸브 (40) 의 입구 노즐 (44) 은 상기 파일럿-비례밸브의 하우징 (42) 의 개구부 (52) 를 통해, 공압 파워 스테이지 (13) 의 하우징 안에 배치되고 제 2 하우징 커버 (20) 및 하우징 섹션 (15) 을 통해 연결블록 (21) 까지 뻗어 있는 제어 가스 보어 (53) 에 연결되어 있다. 연결블록 (21) 에는 제어 가스 연결부 (54) 가 제공되어 있으며, 상기 제어 가스 연결부에는, 제어 가스 보어 (53) 를 제어 가스 소스 (8) 와 연결시키는 가스 라인이 연결될 수 있다.

피에조 공압 파일럿 스테이지 (14) 는 공압 파워 스테이지 (13) 를 직접, 정확히 말하면 제어 압력 출구 (55) 를 통해 가압한다. 이를 위해, 피에조 공압 파일럿-비례밸브 (40) 의 하우징 (42) 의 내부 공간 (41) 은 앞서 말한 제어 압력 출구 (55) 를 통해 공압 파워 스테이지 (13) 와 연통한다. 구체적으로는, 제어 압력 출구 (55) 는 제 2 하우징 커버 (20) 를 관통하는 제어 압력 보어 (56) 를 통해 제어공간 (57) 에 연결되어 있으며, 상기 제어공간은 제 2 하우징 커버 (20), 이것을 향해 있는 제어 피스톤 (18) 의 전면 (58), 및 제어 슬리브 (17) 에 의해 한정되어 있다. 마주하고 있는 단부에서, 제어 피스톤 (18) 은 복원 스프링 (59) 을 통해 제 1 하우징 커버 (19) 에 지지된다. 제어 슬리브 (17) 내부에서의 제어 피스톤 (18) 의 위치는 이러한 방식으로 제어공간 (57) 의 내부에 있는 압력에 의해서만 좌우되며, 상기 압력은 파일럿-비례밸브 (40) 를 이용해, 즉 벤더 트랜스듀서 (43) 의 상응하는 전기 가압을 통해 매우 정밀하게, 그리고 빨리 발생할 수 있다.

상기 압력조절밸브는 조합된 (combined) 압력/위치 조절부로서 설계된 디지털 (digital) 조절 스테이지 (regulating stage) 에 연결되어 있다. 이를 위해, 출구 (A) 에 있는 압력 뿐만 아니라 제어 피스톤 (18) 의 실제의 위치는 상기 조절 스테이지로 스위칭된다. 이를 위해, 측정 플런저 (measuring plunger, 60) 가 제어 피스톤 (18) 과 연결되어 있으며, 상기 측정 플런저는 제 1 하우징 커버 (19) 를 관통하고, 그리고 그 자체로서 알려져 있는, 제 1 하우징 커버 (19) 에 배치되어 있는 위치 센서 (61) 와 상호 작용한다.

도 6 은 압력조절밸브 (4') 의 이러한 구현형태를 개략적으로 보이고 있으며, 이 구현형태는 도 2 에 따른 실시형태에 비해, 제어 피스톤 (18) 에 작동 플런저 (62) 가 작용한다는 점에서 변경되어 있고, 상기 작동 플런저는 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14) 의 제어 압력 출구 (55) 에 연결되어 있는, 그 자체로서 알려져 있는 압력/거리 트랜스듀서 (63) 와 연결되어 있다.

이러한 방식으로, 가스 기술적으로 피에조 공압 파일럿 스페이지 (14) 는 압력/거리 트랜스듀서 (63) 의 멤브레인 (membrane, 64) 을 통해 공압 파워 스테이지 (13) 에서 분리되어 있다. 도 6 에서, 전자 조절 장치를 포함하고 기계 인터페이스 (12) 를 가진 가스 제어 유닛은 65 로 표시되어 있다. 위치 센서 (61) 에 대해 추가적으로, 출구 (A) 에서의 압력을 검출하는 압력 센서 (66) 도 가스 제어 유닛 (65) 의 상기 전자 조절 장치와 연결되어 있다. 또한, 제어 가스 소스 (8) 와 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14) 사이에 접속된 초기 압력 조절기 (initial pressure controller, 67) 가 도시되어 있다. 그 밖에는, 도 1 내지 도 5 에 관한 상기 설명들 (반복을 피하기 위해 상기 설명들을 참조하도록 한다) 이 상응하는 방식으로 유효하다. 완벽을 기하기 위해 참조할 점은, 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14) 및 복원 스프링 (59) 에 의한 제어 피스톤 (18) 의 가압의 배열이 도 2 에 따른 실시형태에 비해 교환되어 있다는 것이다.

도 7 에 도시되어 있는 비례 압력조절밸브 (4'') 의 그 밖의 변경에 있어서, 제어 피스톤 (18) 의 위치는 - 스프링 복원 생략하에 - 반대 방향으로 작용하는 2 개의 피에조 공압 파일럿 스테이지들 (14' 및 14'') 에 의해 설정된다. 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14') 의 제어 압력 출구 (55) 는 위에서 이미 설명되었던 바와 같이 압력/거리 트랜스듀서 (63) 및 작동 플런저 (62) 를 통해 제어 피스톤 (18) 에 작용한다. 어느 정도는 피에조 공압 복원-파일럿 밸브 (69) 를 형성하는 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14'') 의 제어 압력 출구 (68) 는 상응하는 방식으로 압력/거리 트랜스듀서 (70) 및 복원 플런저 (71) 를 통해 제어 피스톤 (18) 에 작용한다.

도 8 및 도 9 는 공작물을 레이저 가공하기 위한 기계의 내부에서의 가스 공급 장치의 구성요소들의 서로 다른 배열 변형들을 개략적으로 도시하고 있다. 도 8 에 따르면, 가스 노즐 (6) 만 (움직여진) 레이저 가공 유닛 (5) 에 배치되어 있으며, 이에 반해 비례 압력조절밸브 (4) 는 고정식으로 배치되어 있다. 비례 압력조절밸브 (4) 는 플렉시블한 (flexible) 연결 라인 (72) 을 통해 가스 노즐 (6) 과 연결되어 있다. 이에 반해, 도 9 에 따르면, 위에서 설명된 바람직한 효과를 가진, 본 발명에 따라 이용된 비례 압력조절밸브 (4) 의 비교적 적은 무게에 의해 가능한 바와 같이, 비례 압력조절밸브 (4) 는 레이저 가공 유닛 (5) 에 직접 배치되어 있다.

Claims

레이저빔을 이용해 공작물을 가공하기 위한, 특히 금속을 레이저 커팅하기 위한 기계로서, 상기 기계는 공작물 홀더, 레이저 가공 유닛 (5), 상기 레이저 가공 유닛과 상기 공작물 홀더를 서로 상대적으로 움직이기 위한 드라이브 유닛, 기계 제어기, 및 가스 공급 장치를 포함하며, 상기 가스 공급 장치는 적어도 하나의 가스 소스 (2), 상기 레이저 가공 유닛에 할당된 가스 노즐 (6), 상기 가스 노즐을 적어도 하나의 가스 소스와 연결시키는 라인 배열 (7), 및 상기 라인 배열 안에 배치되고 가스 제어 유닛 (65) 에 연결되어 있는 적어도 하나의 비례 압력조절밸브 (4, 4', 4'') 를 구비하는, 레이저빔을 이용해 공작물을 가공하기 위한, 특히 금속을 레이저 커팅하기 위한 기계에 있어서,
비례 압력조절밸브 (4, 4', 4'') 는 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14, 14'), 및 피에조 공압 파일럿 스테이지에 의해 작동된 공압 파워 스테이지 (13) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저빔을 이용해 공작물을 가공하기 위한, 특히 금속을 레이저 커팅하기 위한 기계.
제 1 항에 있어서, 비례 압력조절밸브 (4, 4', 4'') 는 레이저 가공 유닛 (5) 에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 가스 노즐 (6) 은 레이저 가공 유닛 (5) 에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14, 14') 의 제어 압력 출구 (55) 는 공압 파워 스테이지 (13) 를 직접 가압하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 4 항에 있어서, 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14) 는 공압 파워 스테이지 (13) 의 하우징 (15, 19, 20) 에 직접 부착되어 있는 피에조 공압 파일럿-비례밸브 (40) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 5 항에 있어서, 피에조 공압 파일럿-비례밸브 (40) 는 하우징 (42) 을 포함하며, 상기 하우징은 그 안에 배치된, 입구 노즐 (44) 과 배기 노즐 (45) 사이에서 위치가 변경될 수 있는 압전 벤더 트랜스듀서 (43) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 6 항에 있어서, 피에조 공압 파일럿-비례밸브 (40) 의 하우징 (42) 의 내부 공간 (41) 은 공압 파워 스테이지 (13) 와 연통하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 피에조 공압 파일럿-비례밸브 (40) 의 하우징 (42) 은 인클로저 (46) 안에 수용되어 있으며, 상기 인클로저의 내부 공간 (48) 안으로, 배기 노즐 (45) 과 연결되어 있는 피에조 공압 파일럿-비례밸브 (40) 의 배기 개구부가 통해 있고, 상기 인클로저는 상기 배기 노즐에 비해 큰 횡단면을 가진 출구 개구부 (50) 를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 8 항에 있어서, 인클로저 (46) 는 상기 가스 제어 유닛의 전자 컴포넌트 (49) 들의 적어도 한 부분을 수용하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 피에조 공압 파일럿-비례밸브 (40) 의 입구 노즐 (44) 은 상기 피에조 공압 파일럿-비례밸브의 하우징 (42) 안의 개구부 (52) 를 통해, 공압 파워 스테이지 (13) 의 하우징 (15, 19, 20) 안에 배치되어 있는 제어 가스 보어 (53) 에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 10 항에 있어서, 제어 가스 보어 (53) 는 초기 압력 조절기를 통해 상기 가스 공급 장치의 가스 소스 (2) 에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 10 항에 있어서, 제어 가스 보어 (53) 는 상기 가스 공급 장치와는 다른 제어 가스 소스 (8) 에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 12 항에 있어서, 상기 제어 가스 보어는 초기 압력 조절기 (67) 를 통해 제어 가스 소스 (8) 에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 공압 파워 스테이지 (13) 는 입구 (E), 출구 (A), 및 제어 피스톤 보어 (16) 안에서 축방향으로 이동 가능하게 안내된 제어 피스톤 (18) 을 구비하며, 상기 제어 피스톤은 부합하는, 하우징에 고정된 제 2 제어 모서리 (35) 와 상호 작용하는 적어도 하나의 제 1 제어 모서리 (34) 를 구비하고, 상기 제 1 제어 모서리와 상기 제 2 제어 모서리는 상기 입구와 상기 출구 사이의 흐름 경로 안에 배치되어 있는 가변적인 제어간극을 규정하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 14 항에 있어서, 제 2 제어 모서리 (35) 는 제어 피스톤 보어 (16) 에 대한 출구 (A) 의 개구부의 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 15 항에 있어서, 제어 피스톤 보어 (16) 에 대한 입구 (E) 의 개구부의 횡단면 표면은 상기 제어 피스톤 보어에 대한 출구 (A) 의 개구부의 횡단면 표면보다 큰 것을 특징으로 하는 기계.
제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 공압 파워 스테이지 (13) 는 환기부 (B) 를 구비하고 제어 피스톤 (18) 은 제 3 제어 모서리 (36) 를 구비하며, 상기 제 3 제어 모서리는 부합하는, 하우징에 고정된 제 4 제어 모서리 (37) 와 상호 작용하고, 상기 제 3 제어 모서리와 상기 제 4 제어 모서리는 출구 (A) 와 환기부 (B) 사이의 흐름 경로 안에 배치되어 있는 가변적인 제 2 제어간극을 규정하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 17 항에 있어서, 제 4 제어 모서리 (37) 는 제어 피스톤 보어 (16) 에 대한 출구 (A) 의 개구부의 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서, 제어 피스톤 보어 (16) 에 대한 환기부 (B) 의 개구부의 횡단면 표면은 상기 제어 피스톤 보어에 대한 출구 (A) 의 개구부의 횡단면 표면보다 큰 것을 특징으로 하는 기계.
제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 및/또는 제 2 제어 모서리 (34; 35) 의 프로파일링 (profiling) 에 의해, 출구 (A) 환기시의 흐름 조절 특성은 상기 출구와 입구 (E) 의 연결에 의한 상기 비례밸브의 개방시의 흐름 조절 특성과 구별되는 것을 특징으로 하는 기계.
제 20 항에 있어서, 제 3 및 제 4 제어 모서리 (36; 37) 는 제 1 및/또는 제 2 제어 모서리 (34; 35) 보다 모서리가 더 날카로운 것을 특징으로 하는 기계.
제 21 항에 있어서, 상기 제 1 및/또는 상기 제 2 제어 모서리는 모따기가 되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 4 항 및 제 14 항에 있어서, 제어 피스톤 (18) 의 전면 (58) 은 제어공간 (57) 을 한정하며, 상기 제어공간은 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14) 의 제어 압력 출구 (55) 에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 4 항 및 제 14 항에 있어서, 작동 플런저 (62) 가 제어 피스톤 (18) 에 작용하며, 상기 작동 플런저는 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14, 14') 의 제어 압력 출구 (55) 에 연결되어 있는 압력/거리 트랜스듀서 (63) 와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 23 항 또는 제 24 항에 있어서, 제어 피스톤 (18) 은 제어공간 (57) 또는 작동 플런저 (62) 와 마주하고 있는 쪽에서 복원 스프링 (59) 에 의해 가압되는 것을 특징으로 하는 기계.
제 23 항 또는 제 24 항에 있어서, 작동 플런저 (62) 와 마주하고 있는 쪽에서 복원 플런저 (71) 는 제어 피스톤 (18) 에 작용하며, 상기 복원 플런저는 피에조 공압 복원-파일럿 밸브 (69) 의 제어 압력 출구 (68) 에 연결되어 있는 압력/거리 트랜스듀서 (70) 와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 23 항 또는 제 24 항에 있어서, 제어공간 (57) 또는 작동 플런저 (62) 와 마주하고 있는 제어 피스톤 (18) 의 전면은 복원-제어공간을 한정하며, 상기 복원-제어공간은 피에조 공압 복원-파일럿 밸브 (69) 의 제어 압력 출구 (68) 에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 14 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 피스톤 (18) 은 건식으로 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 28 항에 있어서, 제어 피스톤 (18) 은 경량 금속으로, 바람직하게는 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기계.
제 28 항 또는 제 29 항에 있어서, 제어 피스톤 (18) 은 표면이 테플론 유도체 (Teflon derivative) 로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 14 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 피스톤 (18) 은 밸브 하우징 (15, 19, 20) 안에 삽입된 제어 슬리브 (17) 안에서 안내되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 17 항 및 제 31 항에 있어서, 제어 슬리브 (17) 는 제어 피스톤 보어 (16) 쪽으로 입구 관통부 (26), 출구 관통부 (28) 및 환기 관통부 (30) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 31 항 또는 제 32 항에 있어서, 제어 슬리브 (17) 는 제어 피스톤 (18) 과 동일한 또는 유사한 종류의 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 기계.
제 31 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 슬리브 (17) 는 표면이 테플론 유도체로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 14 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 제어 유닛 (65) 에 연결되어 있는 피스톤 위치 센서 (piston position sensor, 61) 가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 제어 유닛 (65) 은 순전히 디지털식인 조절 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 제어 유닛 (65) 의 상기 조절 스테이지는 단일 방향 또는 양방향 디지털 통신 인터페이스 (12) 를 통해 상기 기계 제어기와 연통하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비례 압력조절밸브의 파라미터 세트 (set of parameters) 는 상기 기계 제어기에 의해 필요에 맞게 변경되며, 그리고 현재의 공정에 맞춰질 수 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서, 비례 압력조절밸브 (4, 4', 4'') 는 자기 진단 기능 (self-diagnosis function) 을 구비하며, 그리고 조절 거리의 변경을 독립적으로 인식하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 제어 유닛 (65) 은 순 (pure) 압력조절을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 제어 유닛 (65) 은 조합된 (combined) 압력/위치 조절을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계 제어기는 압력 스위치 (pressure switch) 를 구비하며, 상기 압력 스위치는 비례 압력조절밸브 (4, 4', 4'') 의 출구 (A) 에 있는 압력으로 가압되고, 그리고 레이저 가공 유닛 (5) 을 위한 조정 드라이브 (adjusting drive) 에 작용하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서, 공압 파워 스테이지 (13) 는 20 bar 를 초과하는 작동 범위를 구비하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 6 항 및 제 14 항에 있어서, 압전 벤더 트랜스듀서 (43) 의 운동의 제어 피스톤 (18) 의 이동 거리에 대한 변성비는 적어도 일부 영역들에서 적어도 1:50, 바람직하게는 거의 1:100 또는 이를 초과하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서, 비례 압력조절밸브 (4, 4', 4'') 의 반응 시간은 최대 200ms, 바람직하게는 기껏해야 150ms 인 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서, 비례 압력조절밸브 (4, 4', 4'') 의 출구쪽 압력변경의 90% 는 최대 100ms 내에서 조절되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서, 비례 압력조절밸브 (4, 4', 4'') 와 가스 노즐 (6) 사이의 데드 볼륨 (dead volume) 은 최대 1200㎣, 바람직하게는 기껏해야 600㎣ 인 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 노즐 (6) 은 0.8mm 와 3mm 사이의, 바람직하게는 1mm 와 2.7mm 사이의 지름을 가진 둥근 흐름 횡단면 (flow cross-section) 을 가진 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 48 항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 가공 유닛 (5) 에 배치되어 있는 상기 가스 공급 장치의 구성요소들의 무게는 최대 1500g 이며, 바람직하게는 1000g 미만인 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서, 라인 배열 (7) 안에는, 비례 압력조절밸브 (4, 4', 4'') 의 상류에 적어도 하나의 스위칭 밸브 (3) 가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 50 항에 있어서, 스위칭 밸브 (3) 는 압전 (piezoelectric) 또는 전자기 (electromagnetic) 드라이브를 갖고 전자 공압식으로 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 50 항 또는 제 51 항에 있어서, 다수의 가스 소스 (gas source, 2) 가 제공되어 있으며, 각각의 가스 소스에는 스위칭 밸브 (3) 가 할당되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 52 항에 있어서, 스위칭 밸브 (3) 들은 역류를 방지하도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 53 항 중 어느 한 항에 있어서, 비례 압력조절밸브 (4, 4', 4'') 의 작동 전압은 24V 인 것을 특징으로 하는 기계.
제 1 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서, 피에조 공압 파일럿 스테이지 (14, 14') 의 전력 소비는 50mW 미만이며, 바람직하게는 최대 30mW 인 것을 특징으로 하는 기계.