KR20120081350A

KR20120081350A - Laser processing apparatus with waterjet

Info

Publication number: KR20120081350A
Application number: KR1020110002651A
Authority: KR
Inventors: 변주삼; 윤홍식; 강동오
Original assignee: (주)코썸사이언스
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2012-07-19

Abstract

PURPOSE: A laser machining apparatus having a water-jet is provided to enhance the precision of a laser machining because a mirror and lens are adjusted by using piezoelectrics. CONSTITUTION: A laser machining apparatus comprises a laser emitting unit(100), one or more mirrors(200,220,240), a mirror adjusting mechanism, a lens adjusting mechanism(400), a lens, a water-jet(500), a machining completion sensing unit, and a control unit. The laser emitting unit emits lasers(120). The mirrors vertically guide the lasers to a work piece by converting a direction of the lasers. The mirror adjusting mechanism comprises piezoelectrics(620) and adjusts an angle or position of the mirror. The lens forms a focus by concentrating the laser. The lens adjusting mechanism adjusts a position of the lens. The water-jet processes by discharging water and guides the lasers to the work piece. The machining completion sensing unit senses the machining completion of the work piece. The control unit controls the laser emitting unit, the mirror, the mirror adjusting mechanism, the lens adjusting mechanism, and the water-jet.

Description

Laser processing apparatus with waterjet

본 발명은 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치에 관한 것으로서, 특히 압전체를 사용하여 레이저 가공의 정밀도를 향상시킨 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser processing apparatus having a water jet, and more particularly, to a laser processing apparatus having a water jet having improved accuracy of laser processing using a piezoelectric body.

레이저 가공 장치를 이용한 가공은 절삭, 용접 또는 마킹 등과 같이 그 활용 범위가 넓으며, 금속이나 세라믹 소재부터 플라스틱에 이르기까지 가공할 수 있는 소재의 범위 또한 넓다.Machining using a laser processing device has a wide range of applications such as cutting, welding or marking, and a wide range of materials that can be processed from metal or ceramic materials to plastic.

하지만 이러한 레이저 가공 장치를 이용하여 피가공물을 가공함에 있어서 예를 들어, 절삭 또는 드릴링 등의 가공 과정에서 알갱이와 같은 부산물이 생기고 이러한 부산물들은 다시 가공 소재에 붙을 가능성이 높다. 피가공물이 접착성이 강한 특성을 지녔다면 후기 공정 과정에서 문제가 생기거나 최종 생산품의 불량을 초래할 수 있다. 이러한 경우, 부산물을 제거하기 위해서 부가적인 공정이 필요하고 이에 따라 공정 비용이 증가되는 문제점이 생긴다.However, in the processing of the workpiece using such a laser processing device, for example, by-products such as granules are generated in a processing process such as cutting or drilling, and these by-products are likely to stick to the processed material again. Workpieces that have strong adhesive properties can cause problems during later processing or lead to defective final products. In this case, an additional process is required to remove the by-products, and thus a process cost increases.

이외에도 레이저를 조사하여 피가공물을 가공하게 되면 레이저의 열에너지에 의해서 가공 소재가 변성 및 변질될 가능성이 농후하다. 가공물의 특성이 중요한 제품이라면 이러한 점은 커다란 문제점으로 자리 잡을 수 있다.In addition, when the workpiece is processed by irradiating the laser, there is a high possibility that the processed material is denatured and deteriorated by the thermal energy of the laser. If the characteristics of the workpiece are important, this can be a big problem.

전술한 문제점을 해결하기 위해서 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치가 제안되어 있는바, 도 1은 종래의 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치의 측단면도이다.In order to solve the above-mentioned problems, a laser processing apparatus having a water jet has been proposed. Fig. 1 is a side cross-sectional view of a laser processing apparatus having a conventional water jet.

도 1에 도시된 바와 같이, 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치에 있어서 워터젯은 노즐을 통해서 물을 분사하여 피가공물을 가공하는 기능과 더불어 레이저 가공 장치에서 방출하는 레이저를 가이드 하는 기능을 수행한다. 이외에도 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치를 사용하게 되면 가공 공정에서 생기게 되는 부산물들이 다시 피가공 소재에 붙기 전에 워터젯에서 분사되는 물과 함께 배출되기 때문에 부산물들을 제거하기 위한 부가적인 공정이 필요하지 않다. 또한 워터젯이 분사하는 물이 레이저 조사에 의해 가열되어 있는 가공 소재를 냉각함으로써 전술한 바와 같은 소재의 변성 및 변질을 방지할 수 있다. As shown in FIG. 1, in a laser processing apparatus having a water jet, a water jet functions to process a workpiece by spraying water through a nozzle and guides a laser emitted from the laser processing apparatus. In addition, the use of a laser processing apparatus combined with a water jet eliminates the need for an additional process for removing the by-products because the by-products generated in the processing process are discharged together with the water jetted from the water jet before they are stuck to the workpiece. In addition, it is possible to prevent degeneration and deterioration of the material as described above by cooling the processed material in which the water jetted by the waterjet is heated by laser irradiation.

그러나 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치에 있어서도, 레이저의 조사 방향 및 초점을 정밀하게 조정하는 데는 문제점이 남아있다. 일반적으로 레이저 가공 장치에서 출력된 레이저는 빔 익스팬더(beam expander)에 의해서 확장되고, 이렇게 확장된 레이저는 반사 거울 통해 방향이 조절된 후에 초점 렌즈를 통해서 집중되어 피가공물에 조사된다.However, even in a laser processing apparatus having a waterjet, there remains a problem in precisely adjusting the laser irradiation direction and focus. In general, the laser output from the laser processing apparatus is extended by a beam expander, and the extended laser is focused through a focus lens and then irradiated onto the workpiece after being adjusted through a reflecting mirror.

한편, 워터젯 기능의 겸비 여부와 관계없이 종래의 레이저 가공 장치에서는 가공 정밀도에 영향을 주는 반사 거울과 초점 렌즈를 조정하는 기구에 대부분 모터가 사용되어 왔다. 그러나 모터를 사용하여 반사 거울과 초점 렌즈를 조정하는 경우, 나노 스케일의 정밀 가공을 구현하기가 어렵다는 문제점이 있다.On the other hand, regardless of whether or not the waterjet function is combined, in the conventional laser processing apparatus, a motor has been mostly used for the mechanism for adjusting the reflecting mirror and the focus lens that affect the processing accuracy. However, when adjusting the reflecting mirror and the focus lens using a motor, there is a problem that it is difficult to implement nanoscale precision processing.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 레이저 가공 장치에 워터젯을 겸비하여 가공 과정에서 방출되는 부산물을 효과적으로 제거하고 레이저의 열에너지에 따른 피가공물의 변성 및 변질을 방지하는 한편, 압전체를 사용하여 레이저 가공의 정밀도를 향상시킨 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치을 제공함을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has a waterjet in a laser processing apparatus, which effectively removes by-products emitted during the process and prevents degeneration and alteration of the workpiece due to thermal energy of the laser, It is an object of the present invention to provide a laser processing apparatus having a water jet which improves the accuracy of laser processing.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치는 레이저를 방출하는 레이저 방출 기구; 상기 레이저를 방향 전환 시켜 피가공물에 수직 조사되도록 안내하는 하나 이상의 미러; 압전체를 포함하여 이루어져 상기 미러의 위치 또는 각도를 조정하는 미러 조정 기구; 상기 레이저를 집광하여 초점을 형성시키는 렌즈; 상기 렌즈의 위치를 조정하는 렌즈 조정 기구; 피가공물을 가공하며 상기 레이저를 피가공물에 가이드하는 물을 방출하는 워터젯; 피가공물에 대한 가공 완료를 감지하는 가공 완료 감지부 및 상기 가공 완료 감지부로부터의 신호에 의거하여 상기 레이저 방출 기구, 상기 미러 조정 기구, 상기 렌즈 조정 기구 및 상기 워터젯을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, a laser processing apparatus having a waterjet of the present invention comprises: a laser emitting mechanism for emitting a laser; One or more mirrors which redirect the laser to guide the laser to be irradiated perpendicularly to the workpiece; A mirror adjusting mechanism including a piezoelectric body to adjust the position or angle of the mirror; A lens for focusing the laser to form a focus; A lens adjusting mechanism for adjusting the position of the lens; A waterjet for processing the workpiece and releasing water for guiding the laser to the workpiece; And a control unit for controlling the laser emission mechanism, the mirror adjustment mechanism, the lens adjustment mechanism, and the waterjet based on a processing completion detection unit for detecting processing completion of the workpiece and a signal from the processing completion detection unit. .

전술한 구성에서, 상기 미러 조정 기구는 상기 미러를 고정 및 지지하는 미러 마운트; 상기 미러 마운트 후방에서 상기 미러 마운트를 탄력적으로 지지하는 고정되어 설치되는 탄성 지지 수단 및 상기 미러 마운트 후방에 위치하여 상기 미러 마운트를 가압하여 상기 미러 마운트의 위치 및 각도를 조정하는 압전체를 포함하여 이루어진다. In the above-described configuration, the mirror adjustment mechanism includes a mirror mount that fixes and supports the mirror; And a resilient support means fixedly installed to elastically support the mirror mount behind the mirror mount, and a piezoelectric body positioned behind the mirror mount to press the mirror mount to adjust the position and angle of the mirror mount.

상기 탄성 지지 수단은 상기 미러 마운트 후면 양단에 연결되는 2개의 인장 스프링 및 상기 인장 스프링을 지지하는 지지부재를 포함하여 이루어지고, 상기 압전체는 2개로 이루어져 상기 미러 마운트의 후면 양단을 가압하여 미러 마운트의 위치 및 각도를 조정한다.The elastic support means includes two tension springs connected to both ends of the rear surface of the mirror mount and a support member for supporting the tension spring, and the piezoelectric body is composed of two pressurizing both ends of the rear surface of the mirror mount to Adjust the position and angle.

상기 레이저를 촬영하는 CCD 카메라를 포함하여 이루어지는 영상 획득부를 더 구비하고, 상기 제어부는 상기 영상 획득부로부터의 신호에 의거하여 상기 레이저 방출 기구, 상기 미러 조정 기구, 상기 렌즈 조정 기구 및 상기 워터젯을 제어한다.And an image acquisition unit including a CCD camera for shooting the laser, wherein the control unit controls the laser emission mechanism, the mirror adjustment mechanism, the lens adjustment mechanism, and the waterjet based on a signal from the image acquisition unit. do.

본 발명의 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치에 따르면, 워터젯을 겸비하여 가공 과정에서 방출되는 부산물을 효과적으로 제거할 수 있고 레이저의 열에너지에 따른 피가공물의 변성 및 변질을 방지할 수 있는 한편, 압전체를 사용하여 미러와 렌즈를 조정함으로써 레이저 가공의 정밀도를 향상시킬 수 있다.According to the laser processing apparatus having the waterjet of the present invention, by-products having a waterjet can effectively remove the by-products emitted during the process and prevent the degeneration and alteration of the workpiece due to the thermal energy of the laser, while using a piezoelectric body By adjusting the mirror and the lens, the accuracy of laser processing can be improved.

도 1은 종래 기술에 따른 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치의 측단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치의 측단면도.
도 3은 도 2에 도시한 워터젯의 확대 단면도.
도 4는 도 2에 도시한 미러 구동 기구의 확대 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치의 개략적인 기능 블록도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치의 제어 과정을 설명하기 위한 흐름도.1 is a side cross-sectional view of a laser processing apparatus having a water jet according to the prior art.
Figure 2 is a side cross-sectional view of a laser processing apparatus having a waterjet according to an embodiment of the present invention.
3 is an enlarged cross-sectional view of the waterjet shown in FIG. 2;
4 is an enlarged cross-sectional view of the mirror drive mechanism shown in FIG. 2;
5 is a schematic functional block diagram of a laser processing apparatus having a waterjet according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart illustrating a control process of a laser processing apparatus having a waterjet according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of a laser processing apparatus having a waterjet of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치의 측단면도이고, 도 3은 도 2에 도시한 워터젯의 확대 단면도이며, 도 4는 도 2에 도시한 미러 구동장치의 확대 단면도이다. 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치는 레이저(120)를 방출하는 레이저 방출부(100), 레이저(120)의 직경을 확장시키는 광선 확장부(140), 레이저(120)의 정렬도를 조정하는 미러 구동 기구(600), 레이저(120)를 집중하는 렌즈의 초점을 조정하는 렌즈 구동 기구(400), 레이저(120)의 정렬도를 관측하는 카메라(300) 및 레이저(120)를 가이드하는 물을 분사하는 워터젯(500)를 포함하여 이루어질 수 있다.2 is a side cross-sectional view of a laser processing apparatus having a waterjet according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the waterjet shown in FIG. 2, and FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the mirror driving device shown in FIG. 2. to be. As shown in Figures 2 to 4, the laser processing apparatus having a waterjet according to the present invention is a laser emitting unit 100 for emitting a laser 120, a light beam expansion unit 140 for expanding the diameter of the laser 120 ), A mirror driving mechanism 600 for adjusting the alignment of the laser 120, a lens driving mechanism 400 for adjusting the focus of the lens focusing the laser 120, and a camera for observing the alignment of the laser 120. It may include a water jet 500 for spraying water to guide the 300 and the laser (120).

전술한 구성에서, 레이저 방출부(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 수평축으로 설치되어 레이저(120)를 방출할 수 있으며, 이와는 달리 수직축으로 설치될 수도 있다. In the above-described configuration, the laser emitter 100 may be installed in a horizontal axis to emit the laser 120 as shown in FIG. 2, or alternatively, may be installed in a vertical axis.

도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 방출부(100)에서 수평 방향으로 방출된 레이저(120)는 미러(200)에 의해 수직 방향으로 방향 전환되어 광선 확장부(242)를 통과하게 된다. 이때 광선 확장부(242)에 의해 레이저(120)의 직경이 확장되는 비율에 따라 피가공물(720)에 조사되는 레이저의 단면적이 변화하게 된다. 광선 확장부(242)는 렌즈와 프리즘 및 확대된 레이저를 평행 광선속으로 만들어주는 콜리메이터(collimator)를 포함하여 이루어질 수 있다. As shown in FIG. 2, the laser 120 emitted in the horizontal direction from the laser emitter 100 is turned in the vertical direction by the mirror 200 to pass through the beam extension 242. At this time, the cross-sectional area of the laser irradiated to the workpiece 720 is changed according to the ratio of the diameter of the laser 120 expanded by the light expanding unit 242. The beam extension 242 may comprise a collimator that makes the lens, the prism and the magnified laser into parallel beams.

한편, 레이저 가공 장치는 레이저 방출부(100)에서 방출되는 레이저(120)의 방향 전환이 필요한 위치에 다수의 미러를 배치할 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에서는 3개의 미러(200, 220, 240)를 배치한다. 3개의 미러(200, 220, 240)에 의해서 방향 전환되는 레이저(120)는 결국 처음 레이저 방출부(100)에서 방출되는 레이저 축과 평행한 상태가 된다.On the other hand, the laser processing apparatus may arrange a plurality of mirrors in a position that needs to change the direction of the laser 120 emitted from the laser emitting unit 100, in one embodiment of the present invention three mirrors (200, 220, 240). The laser 120 redirected by the three mirrors 200, 220, 240 eventually becomes parallel to the laser axis emitted from the laser emitter 100 at first.

전술한 3개의 미러(220, 220, 240) 중 레이저(120)가 피가공물(720)에 수직 방향으로 조사될 수 있도록 레이저(120)를 방향 전환 시키는 미러(240)에는 미러 구동 기구(600)가 설치될 수 있다.The mirror driving mechanism 600 is provided in the mirror 240 which redirects the laser 120 so that the laser 120 is irradiated in the vertical direction to the workpiece 720 among the three mirrors 220, 220, and 240 described above. Can be installed.

도 4는 도 2에 도시한 미러 구동 기구의 확대 단면도이다.4 is an enlarged cross-sectional view of the mirror drive mechanism shown in FIG. 2.

미러 구동 기구(600)는 방향 전환되는 레이저(120)를 나노 스케일로 정밀 제어하여 정렬시키기 위한 것으로 도 4에 도시된 바와 같이, 미러(240)가 고정되는 미러 마운트(242), 미러 마운트(242)의 방향 및 위치를 조정하는 압전체(620) 및 지지 부재(630)에 대해 미러 마운트(242)를 탄력적으로 지지하는 탄성 신축 부재(640)를 포함하여 이루어질 수 있다. The mirror drive mechanism 600 is for precisely aligning the laser beam 120 to be directionally controlled at a nano scale, as shown in FIG. 4, as shown in FIG. 4, the mirror mount 242 and the mirror mount 242 to which the mirror 240 is fixed. And an elastic expansion and contraction member 640 that elastically supports the mirror mount 242 with respect to the piezoelectric member 620 and the support member 630 for adjusting the direction and position of the "

미러 마운트(242)는 미러(240)의 방향 전환을 자유롭게 하기 위한 것으로 도 4에 도시된 바와 같이 삼각 형태로 이루어지는 것이 바람직한데, 이와는 달리 직사각 형태로 이루어질 수도 있다. The mirror mount 242 is configured to freely change the direction of the mirror 240 and is preferably formed in a triangular shape as shown in FIG. 4. Alternatively, the mirror mount 242 may be formed in a rectangular shape.

압전체(620)는 전압이 가해지면 변형, 예를 들어 길이가 변하는 물질로서 나노 스케일 단위로 길이 조정이 가능하다. 압전체(620)는 하나 이상이 사용될 수 있는데, 도 4에 도시된 바와 같이 미러 마운트(242)의 후면의 양단을 조정할 수 있도록 두 개의 압전체가 설치되는 것이 바람직하다.The piezoelectric material 620 is a material that is deformed, for example, changes in length when a voltage is applied, and can be adjusted in nanoscale units. One or more piezoelectric elements 620 may be used, and as shown in FIG. 4, two piezoelectric elements may be installed to adjust both ends of the rear surface of the mirror mount 242.

한편, 신장하는 압전체(620)는 미러 마운트(242)를 밀게 되는데, 압전체(620)가 변형되는 정도에 따라 미러 마운트(242)의 각도 또는 위치가 변하게 된다. 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이 미러 구동 기구(600)가 두 개의 압전체(620)로 이루어지는 경우, 미러 마운트(242)의 후면 상단 압전체와 하단 압전체의 신장되는 정도의 차이에 따라 미러(240)의 각도가 결정되며, 신장되는 정도가 같을 때에는 미러 마운트(242)의 위치가 변하게 된다. 반대로 압전체(620)가 수축되는 경우에는 탄성 수축 부재(640)가 압전체(620)의 수축 정도만큼 미러 마운트(242)를 당기게 되어 미러 마운트(242)의 각도 또는 위치가 변하게 된다. 탄성 신축 부재(640)는 예를 들어 인장 스프링 등으로 이루어질 수 있다.On the other hand, the elongated piezoelectric 620 pushes the mirror mount 242, and the angle or position of the mirror mount 242 is changed according to the degree of deformation of the piezoelectric 620. For example, as shown in FIG. 4, when the mirror driving mechanism 600 includes two piezoelectric bodies 620, the mirror 240 may vary according to the difference between the degree of extension of the rear upper piezoelectric body and the lower piezoelectric body of the mirror mount 242. ) Angle is determined, and the position of the mirror mount 242 is changed when the degree of extension is the same. On the contrary, when the piezoelectric body 620 is contracted, the elastic contraction member 640 pulls the mirror mount 242 as much as the contraction degree of the piezoelectric body 620 so that the angle or position of the mirror mount 242 is changed. The elastic stretching member 640 may be made of, for example, a tension spring.

본 발명의 일 실시예에서는 한 개의 탄성 신축 부재(640)를 사용하였지만, 미러 구동 기구(600)는 압전체에 의한 미러 마운트(242) 조정이 더욱 정교하게 이루어지도록 미러 마운트(242) 후면 양단에 2개 이상, 바람직하게는 3개의 탄성 신축 부재(640)를 연결하여 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, one elastic stretching member 640 is used, but the mirror driving mechanism 600 is provided at both ends of the rear surface of the mirror mount 242 so that the adjustment of the mirror mount 242 by the piezoelectric body is more precisely performed. It may be made by connecting two or more, preferably three elastic stretching members 640.

다시 도 2를 참조하면, 렌즈 구동 기구(400)는 확장된 레이저를 다시 집광하여 초점을 형성하는데, 미러 구동 기구(600)의 하방에 설치될 수 있다. 렌즈 구동 기구(400)는 렌즈의 위치를 상방 또는 하방으로 조정하여 초점을 조정하게 되는데, 이를 위해 모터를 사용하거나 미러 구동 기구(600)와 마찬가지로 압전체를 사용하여 정밀 제어가 가능하게 할 수도 있다.Referring back to FIG. 2, the lens driving mechanism 400 focuses the expanded laser again to form a focus, which may be installed below the mirror driving mechanism 600. The lens driving mechanism 400 adjusts the focus by adjusting the position of the lens upward or downward. For this purpose, precise control may be performed by using a motor or a piezoelectric body as in the mirror driving mechanism 600.

워터젯(500)은 물을 분사하여 피가공물(720)을 가공하는 기능과 더불어 레이저 방출부(100)에서 방출된 레이저(120)를 피가공물(720)에 가이드 하는 기능을 수행하는데, 도 3에 도시한 바와 같이 렌즈 구동 기구(400)의 하방에 설치되는 것이 바람직하다. 구체적으로 워터젯(500)은 물을 저장하기 위한 워터 저장실(530), 워터 저장실(530) 상방에 형성되는 투광창(510) 및 워터 저장실(530)의 물을 분사하는 노즐(540)을 포함하여 이루어질 수 있다.The waterjet 500 sprays water to process the workpiece 720 and guides the laser beam 120 emitted from the laser emitter 100 to the workpiece 720. As shown in the drawing, it is preferable to be provided below the lens driving mechanism 400. Specifically, the waterjet 500 includes a water storage chamber 530 for storing water, a floodlight 510 formed above the water storage chamber 530, and a nozzle 540 for spraying water from the water storage chamber 530. Can be done.

워터 저장실(530)은 고압 상태를 견디면서도 물이 장시간 저장되어도 녹과 같은 재질의 변형 및 변성을 방지할 수 있는 금속 합금, 예를 들어 스테인리스스틸 합금 등으로 이루어질 수 있다. 워터 저장실(530)의 측면 또는 하면에는 물을 공급하는 워터 공급로(520)가 구비되는데, 이러한 워터 공급로(520)는 하나 이상일 수 있다.The water storage chamber 530 may be made of a metal alloy, for example, a stainless steel alloy, which can withstand high pressure and prevent deformation and modification of a material such as rust even if water is stored for a long time. A water supply path 520 is provided on the side or bottom surface of the water storage chamber 530, and the water supply path 520 may be one or more.

투광창(510)은 레이저(120)가 워터 저장실(530)을 통과하여 지나갈 수 있도록 하기 위한 것으로 굴절율이 작아서 레이저를 왜곡 또는 굴절 시키지 않는 투명 재질, 예를 들어 수정 또는 강화 유리를 사용하여 구현될 수 있다.The light-transmitting window 510 is for allowing the laser 120 to pass through the water storage chamber 530. The light-transmitting window 510 may be implemented by using a transparent material, for example, quartz or tempered glass, having a small refractive index, which does not distort or refract the laser. Can be.

도3에 도시된 바와 같이, 노즐(540)은 워터 저장실(530)의 하방에 설치되는데, 고압을 견뎌낼 수 있는 금속 합금이나 수정 또는 다이아몬드 등을 사용하여 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 3, the nozzle 540 is installed below the water storage chamber 530, and may be formed using a metal alloy, quartz, or diamond that can withstand high pressure.

노즐(540) 중심에는 물이 통과하여 분출되는 노즐공(542)이 형성되는데, 노즐공(542)의 직경은 20㎛부터 50㎛ 사이에서 선택될 수 있다. 노즐공(542)을 통하여 방출되는 물은 일정 압력으로 방출되는 것이 바람직한데, 이를 위해 노즐공(542) 입구에는 감압필터가 설치될 수 있다. 수압은 100bar에서 600bar 사이에서 선택될 수 있다.At the center of the nozzle 540, a nozzle hole 542 is formed through which water is jetted. The diameter of the nozzle hole 542 may be selected between 20 μm and 50 μm. The water discharged through the nozzle hole 542 is preferably discharged at a predetermined pressure. For this purpose, a pressure reducing filter may be installed at the inlet of the nozzle hole 542. Hydraulic pressure can be selected between 100 bar and 600 bar.

노즐공(542)은 또한 레이저(120)가 통과하는 통로로 이용되는데, 렌즈 구동 기구(400)에 의해 집광되는 레이저는 노즐공(542) 입구에 초점이 맞추어지는 것이 바람직하다. 노즐공(542)을 통과하는 레이저에 의해서 노즐공 내벽에 손상이 가해지거나 노즐 내벽이 레이저를 흡수하여 출력이 약해지는 것을 방지하기 위해서 노즐공(542)의 내벽에는 레이저를 반사할 수 있도록 반사 코팅을 할 수 있다.The nozzle hole 542 is also used as a passage through which the laser 120 passes, and the laser focused by the lens driving mechanism 400 is preferably focused at the entrance of the nozzle hole 542. Reflective coating to reflect the laser on the inner wall of the nozzle hole 542 in order to prevent damage to the inner wall of the nozzle hole by the laser beam passing through the nozzle hole 542 or to prevent the nozzle inner wall from absorbing the laser and weakening the output. can do.

한편, 레이저(120)의 초점이 맞추어지는 노즐공(542)의 입구에는 레이저의 열에너지에 의해 물이 가열되어 더멀 렌즈(thermal lens)가 형성될 수 있는데, 더멀 렌즈는 레이저(120)를 발산시키는 작용을 하기 때문에 이에 의해 레이저(120)의 초점이 변할 수가 있다. 이를 방지하기 위해 노즐(540)은 오리피스(orifice) 등을 구비하여 유량을 측정 또는 조절하고, 이러한 측정값에 의거하여 수압을 조정함으로써 더멀 렌즈가 형성될 수 없을 정도의 충분히 빠른 유속을 확보할 수 있을 것이다.Meanwhile, at the inlet of the nozzle hole 542 where the laser 120 is focused, water may be heated by the thermal energy of the laser to form a thermal lens. The thermal lens emits the laser 120. As a result, the focus of the laser 120 may be changed. In order to prevent this, the nozzle 540 may be provided with an orifice or the like to measure or adjust the flow rate, and adjust the water pressure based on the measured value to secure a sufficiently high flow rate such that the dermal lens cannot be formed. There will be.

노즐공(542) 하방의 노즐 내벽은 도 3에 도시된 바와 같이 원뿔 형상으로 형성되어 노즐공(542)을 통과하는 물이 노즐 내벽(546)과 충돌하는 것을 방지할 수 있다. 원뿔 형상을 형성할 때 노즐 내벽(546)과 노즐공 내벽과의 각도는 노즐이 분사하는 물의 압력 또는 분사 속도에 의해서 결정될 수 있을 것이다. The nozzle inner wall below the nozzle hole 542 is formed in a conical shape as shown in FIG. 3 to prevent water passing through the nozzle hole 542 from colliding with the nozzle inner wall 546. When forming the cone shape, the angle between the nozzle inner wall 546 and the nozzle hole inner wall may be determined by the pressure or the spraying speed of the water sprayed by the nozzle.

노즐공(542)에서 수직 하방으로 방출되는 레이저(120)와 물은 피가공물 고정부(700)가 고정 또는 지지하고 있는 피가공물(720)에 충돌하게 된다. 피가공물(720)은 분사되는 물의 수압이 약해져서 레이저(120)가 물을 벗어나게 되는 지점보다 상방에 위치하는 것이 바람직하다. The laser 120 and water discharged vertically downward from the nozzle hole 542 collide with the workpiece 720 which is fixed or supported by the workpiece fixing portion 700. The workpiece 720 is preferably located above the point where the water pressure of the sprayed water is weakened so that the laser 120 leaves the water.

한편, 피가공물(720)의 하방에는 가공완료 감지 센서(800)가 구비될 수 있는데, 가공완료 감지 센서(800)는 가공 목표 위치의 가공완료 또는 가공 진행 상황을 감지하는 기능을 수행한다.On the other hand, below the workpiece 720 may be provided with a processing completion sensor 800, processing completion sensor 800 performs a function for detecting the completion or processing progress of the processing target position.

본 발명의 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치는 또한 노즐공(542)을 통과하는 레이저(120)의 정렬도 즉, 노즐 축(544)과 레이저 축이 일치하는지를 확인하기 위한 카메라(300)를 미러 구동 기구(600)의 상방에 구비할 수 있다. 카메라(300)는 노즐(540) 또는 노즐공(542) 내벽 등에 의해 반사되는 레이저를 촬영하여 후술하는 제어부에 전달함으로써 제어부가 레이저(120) 축과 노즐 축(544)의 일치 여부를 체크할 수 있도록 한다. The laser processing apparatus having the waterjet of the present invention also provides a mirror driving mechanism for the camera 300 for checking the alignment of the laser 120 passing through the nozzle hole 542, that is, whether the nozzle axis 544 and the laser axis coincide. It can be provided above 600. The camera 300 captures a laser beam reflected by the nozzle 540 or the inner wall of the nozzle hole 542 and transmits the laser beam to a controller which will be described later. The controller can check whether the laser shaft 120 and the nozzle shaft 544 match each other. Make sure

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치의 개략적인 기능 블록도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 워터젯을 겸비한 레이저 가공장치의 전기적인 구성은 레이저에 의한 가공의 완료 또는 진행 상태를 감지하는 가공 완료 감지부(910), 노즐(540) 또는 노즐공(542) 내벽 등에 의해 반사되는 레이저의 영상을 획득하는 영상 획득부(920), 레이저 방출부(932)와 이를 구동하는 레이저 구동부(930), 미러 조정 압전체(942)와 이를 구동하는 미러 압전체 구동부(940), 렌즈 조정 압전체(952)와 이를 구동하는 렌즈 압전체 구동부(950), 피가공물 고정부, 즉 피가공물의 위치를 조절하는 위치 조절 모터(962)와 이를 구동하는 위치 조절 구동부(960) 및 가공 완료 감지부(910)와 영상 획득부(920)로부터 입력된 신호에 의거하여 각 구동부를 제어하는 제어부(900)를 포함하여 이루어질 수 있다. 5 is a schematic functional block diagram of a laser processing apparatus having a waterjet according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 5, the electrical configuration of the laser processing apparatus having a waterjet of the present invention is a machining completion detection unit 910, a nozzle 540 or a nozzle hole for detecting the completion or progress of processing by the laser ( 542, an image acquisition unit 920 for acquiring an image of a laser reflected by an inner wall, a laser emission unit 932, a laser driver 930 for driving the mirror, a mirror adjustment piezoelectric 942, and a mirror piezoelectric driver for driving the same ( 940, the lens adjustment piezoelectric member 952 and the lens piezoelectric driver 950 for driving the workpiece, the position adjustment motor 962 for adjusting the position of the workpiece, that is, the workpiece, and the position adjustment driver 960 for driving the workpiece. The control unit 900 may be configured to control each driving unit based on a signal input from the processing completion detection unit 910 and the image acquisition unit 920.

전술한 구성에서 가공 완료 감지부(910)는 압력 감지용 로드셀(load cell) 및 그 주변 회로를 포함하여 이루어 질 수 있는데, 이와는 달리 레이저의 도달 여부와 세기를 감지하는 수광 소자 및 그 주변 회로로 이루어질 수 있다.In the above-described configuration, the processing completion detection unit 910 may include a pressure sensing load cell and a peripheral circuit thereof. Alternatively, the processing completion detector 910 may be configured as a light receiving element and a peripheral circuit sensing the arrival and intensity of the laser. Can be done.

영상 획득부(920)는 CCD 카메라(charge-coupled device camera)를 포함하여 이루어질 수 있다.The image acquirer 920 may include a charge-coupled device camera.

레이저 방출부(930)는 YAG(yttrium aluminum garnet) 레이저, Nd-YAG 레이저, 엑시머(excimer) 레이저, copper vapor 레이저 또는 다이오드 레이저 방출용 소자나 기구로 구현될 수 있을 것이다. 이를 구동하기 위한 레이저 구동부(930)는 트랜지스터와 같은 전자식 스위치 또는 물리적인 접점을 갖는 릴레이 스위치 및 그 주변 회로 소자를 포함하여 이루어질 수 있을 것이다.The laser emitter 930 may be implemented as a device or apparatus for emitting yttrium aluminum garnet (YAG) laser, Nd-YAG laser, excimer laser, copper vapor laser, or diode laser. The laser driver 930 for driving this may include an electronic switch such as a transistor or a relay switch having physical contacts and a peripheral circuit element thereof.

미러 조정 압전체(942) 및 렌즈 조정 압전체(952)는 수정, 전기석 또는 로셸염 등의 결정판을 적층하여 이루어질 수 있으며 이를 구동하기 위한 미러 압전체 구동부(940) 및 렌즈 압전체 구동부(950)는 트랜지스터와 같은 전자식 스위치 또는 물리적인 접점을 갖는 릴레이 스위치 및 그 주변 회로 소자를 포함하여 이루어질 수 있을 것이다. The mirror adjusting piezoelectric member 942 and the lens adjusting piezoelectric member 952 may be formed by stacking crystal plates such as quartz, tourmaline, or Rochelle salt, and the mirror piezoelectric driver 940 and the lens piezoelectric driver 950 for driving the same may be formed of a transistor, such as a transistor. It may comprise a relay switch having an electronic switch or a physical contact and its peripheral circuit elements.

위치 조절 모터(962)는 피가공물 고정부(700)의 수평 이동 또는 수직 이동이 가능하도록 한 개 이상의 모터가 사용될 수 있는데, AC 모터, DC모터, 브러쉬리스 DC 모터 또는 릴럭턴스(reluctance) 모터 방식 등을 사용하여 정밀 제어를 위한 소형모터를 구현할 수 있을 것이다. 이를 구동하기 위한 위치 조절 구동부(960)는 트랜지스터와 같은 전자식 스위치 또는 물리적인 접점을 갖는 릴레이 스위치 및 그 주변 회로 소자를 포함하여 이루어질 수 있을 것이다.Position adjustment motor 962 may be used one or more motors to enable the horizontal movement or vertical movement of the workpiece fixing portion 700, AC motor, DC motor, brushless DC motor or reluctance motor type Small motors for precise control can be implemented using The position control driver 960 for driving the same may include an electronic switch such as a transistor or a relay switch having a physical contact point and a peripheral circuit element thereof.

한편, 제어부(900)는 전술한 구성요소의 자동 제어 및 감시 기능을 담당하는바, 구체적으로 영상 획득부(920)로부터 입력되는 영상을 분석 및 처리하여 렌즈 또는 피가공물(720)의 위치를 교정하거나 워터젯(500)의 수압 등을 조정하는 기능을 수행한다. 이를 위해 제어부(900)는 마이크로 프로세서를 이용한 소프트웨어적인 구성에 PLC(Programmable logic controller) 등과 같은 하드웨어적인 구성을 겸비하여 이루어질 수 있다.On the other hand, the control unit 900 is responsible for the automatic control and monitoring of the above-described components, specifically, to analyze and process the image input from the image acquisition unit 920 to correct the position of the lens or the workpiece 720 Or adjust the water pressure of the waterjet 500. To this end, the control unit 900 may combine a software configuration using a microprocessor with a hardware configuration such as a programmable logic controller (PLC).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치의 제어 과정을 설명하기 위한 흐름도이다. 이하, 별다른 언급이 없는 한 제어부(900)가 주체가 되어 도 8에 도시된 제어 과정을 수행함을 밝혀둔다.6 is a flowchart illustrating a control process of a laser processing apparatus having a waterjet according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, unless otherwise stated, it is revealed that the control unit 900 performs the control process shown in FIG. 8 as a subject.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치에 의해 피가공물(720)을 가공함에 있어서, 먼저 단계 S10에서 레이저 방출부(100)를 구동시켜 저출력 레이저를 방출시킨다. 이어서 단계 S30에서는 영상 획득부로부터 입력된 영상 신호를 분석 및 처리하여 방출된 레이저(120)의 축이 노즐 축(544)과 일치하는지를 판단한다. 이때, 불일치로 판단되면 단계 S50에서 미러 조정 구동부를 제어하여 미러(240)의 각도를 조정한다.As illustrated in FIG. 6, in processing the workpiece 720 by the laser processing apparatus having the waterjet of the present invention, first, the laser emitting unit 100 is driven in step S10 to emit a low power laser. In operation S30, the image signal input from the image acquisition unit is analyzed and processed to determine whether the axis of the emitted laser 120 coincides with the nozzle axis 544. At this time, if it is determined that there is a mismatch, the mirror adjustment driver is controlled in step S50 to adjust the angle of the mirror 240.

다음으로, 단계 S70에서 노즐공(542)의 입구에 형성되는 레이저 초점의 특성, 예를 들어 위치 또는 직경 등이 사용자가 지정한 설정 값과 일치되는지를 판단한다. 단계 S70에서의 판단 결과, 일치하지 않다면 단계 S90에서 렌즈 조정 구동부를 제어하여 렌즈의 위치를 상방 또는 하방으로 교정한다.Next, in step S70, it is determined whether the characteristic of the laser focus formed at the entrance of the nozzle hole 542, for example, the position or the diameter, matches the setting value specified by the user. As a result of the determination in step S70, if there is a mismatch, the lens adjustment driving unit is controlled in step S90 to correct the position of the lens upward or downward.

이어서 단계 S110에서 위치 조절 구동부를 제어하여 피가공물(720)을 노즐(540)의 하방에 위치하도록 이송한 후, 단계 S130에서 레이저 방출부(100)와 워터젯(500)을 구동하여 고출력 레이저 및 물을 방출시켜 피가공물(720)을 가공한다. 다음으로, 단계 S150에서 가공 완료 감지부(910)로부터의 감지 신호에 의거하여 레이저(120) 및 물에 의해 가공 목표 위치의 가공이 완료되었는지를 판단한다. 단계 S150의 판단 결과, 가공이 완료되면 단계 S170에서 위치 조절 구동부(960)를 제어하여 피가공물(720)을 이동시켜 다음 가공 목표 위치를 가공하게 된다.Subsequently, in step S110, the position adjustment driving unit is controlled to transfer the workpiece 720 to be positioned below the nozzle 540, and then in step S130, the laser emission unit 100 and the waterjet 500 are driven to drive the high power laser and water. The workpiece 720 is processed by discharging the same. Next, based on the detection signal from the machining completion detection unit 910 in step S150, it is determined whether the machining of the machining target position is completed by the laser 120 and water. As a result of the determination in step S150, when the processing is completed, the position adjustment drive unit 960 is controlled in step S170 to move the workpiece 720 to process the next machining target position.

단계 S190에서는 가공 완료 감지부로부터의 감지 신호에 의거하여 피가공물 상의 모든 가공 목표 위치가 가공되었는지를 판단하고, 가공 완료되면 단계 S210에서 레이저 방출부(100)를 오프한다.In step S190, it is determined whether all of the machining target positions on the workpiece are processed based on the detection signal from the machining completion detecting unit, and when the machining is completed, the laser emitting unit 100 is turned off in step S210.

본 발명의 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.The laser processing apparatus having the waterjet of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various ways within the scope of the technical idea of the present invention.

또 다른 실시예로, 본 발명의 워터젯을 겸비한 레이저 가공 장치는 워터젯(500)의 노즐(540) 둘레에 기체 노즐을 더 구비하여 워터젯(500)이 방출하는 물을 안정하게 가이드하여 물의 분사 길이 즉, 노즐에서부터 분사되는 물의 수압이 약해져서 레이저(120)가 물을 벗어나게 되는 지점까지의 길이를 연장시키는 기체를 방출시킬 수도 있다. 이러한 경우, 기체로는 독성이 없고 물과 같은 액체에 녹지 않는 아르곤, 헬륨, 이산화탄소 또는 제논 등의 안정한 기체를 사용하여 이루어질 수 있다.In another embodiment, the laser processing apparatus having a waterjet of the present invention further includes a gas nozzle around the nozzle 540 of the waterjet 500 to stably guide the water discharged from the waterjet 500 so that the water jet length is controlled. In addition, the water pressure of the water sprayed from the nozzle may be weakened to release a gas that extends the length to the point where the laser 120 leaves the water. In this case, the gas may be made using a stable gas such as argon, helium, carbon dioxide or xenon, which is not toxic and insoluble in a liquid such as water.

또 다른 실시예로, 워터젯은 물 이외에 다른 액체를 공급받아 방출할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 오일이나 실리콘 오일과 물의 혼합액체 등을 사용하여 이루어질 수 있다.In another embodiment, the waterjet may be supplied with and discharged other liquid than water. For example, it may be made using a silicone oil or a mixed liquid of silicone oil and water.

10 : 레이저 방출부 20 : 렌즈
30 : 워터 챔버 40 : 워터 공급로
50 : 노즐 60 : 피가공물
100 : 레이저 방출부 120 : 레이저
140 : 레이저 확장부 200, 220, 240 : 미러
242 : 미러 마운트 300 : 카메라
400 : 렌즈 구동 기구 500 : 워터젯
510 : 투광창 520 : 워터 공급로
530 : 워터 저장실 540 : 노즐
542 : 노즐공 544 : 노즐 축
546 : 노즐 내벽 560 : 기체 노즐부
580 : 기체 공급로 600 : 미러 구동 기구
620 : 압전체 640 : 탄성 신축 부재
630 : 지지 부재 700 : 피가공물 고정부
720 : 피가공물 고정부 800 : 가공완료 감지 센서
900 : 제어부 910 : 가공완료 감지부
920 : 영상 획득부 930 : 레이저 구동부
932 : 레이저 방출부 940 : 미러 조정 구동부
942 : 미러 조정 압전체 950 : 렌즈 조정 구동부
952 : 렌즈 조정 압전체 960 : 위치 조절 구동부
962 : 위치 조절 모터10 laser emitting unit 20 lens
30: water chamber 40: water supply passage
50: nozzle 60: workpiece
100: laser emitting unit 120: laser
140: laser expansion unit 200, 220, 240: mirror
242 mirror mount 300 camera
400 lens driving mechanism 500 waterjet
510: floodlight 520: water supply
530: water reservoir 540: nozzle
542: nozzle hole 544: nozzle axis
546: nozzle inner wall 560: gas nozzle portion
580: gas supply path 600: mirror drive mechanism
620: piezoelectric 640: elastic stretching member
630: support member 700: workpiece fixing portion
720: Workpiece Fixed Part 800: Finished Sensor
900: control unit 910: processing completion detection unit
920: image acquisition unit 930: laser driver
932: laser emitting unit 940: mirror adjustment driving unit
942: Mirror adjustment piezoelectric 950: Lens adjustment drive unit
952: Lens adjusting piezoelectric 960: Position adjusting drive
962 positioning motor

Claims

A laser emission mechanism for emitting a laser;
One or more mirrors which redirect the laser to guide the laser to be irradiated perpendicularly to the workpiece;
A mirror adjusting mechanism including a piezoelectric body to adjust the position or angle of the mirror;
A lens for focusing the laser to form a focus;
A lens adjusting mechanism for adjusting the position of the lens;
A waterjet which processes water by releasing water and guides the laser to the workpiece;
Machining completion detection unit for detecting the completion of processing for the workpiece and
And a control unit for controlling the laser emission mechanism, the mirror adjustment mechanism, the lens adjustment mechanism, and the waterjet based on a signal from the processing completion detection unit.

The method of claim 1,
The mirror adjustment mechanism
A mirror mount for fixing and supporting the mirror;
An elastic support means installed behind the mirror mount to elastically support the mirror mount;
And a piezoelectric body positioned behind the mirror mount and configured to pressurize the mirror mount to adjust the position and angle of the mirror mount.

The method of claim 2,
The elastic support means
Two tension springs connected to both ends of the rear surface of the mirror mount;
It comprises a support member for supporting the tension spring,
And a piezoelectric body comprising two water jets to press both ends of the rear surface of the mirror mount to adjust the position and angle of the mirror mount.

The method of claim 1,
It further comprises an image acquisition unit comprising a CCD camera for shooting the laser,
And the control unit controls the laser emission mechanism, the mirror adjustment mechanism, the lens adjustment mechanism, and the waterjet based on the signal from the image acquisition unit.