KR20140022821A

KR20140022821A - 레이저 빔을 이용한 작업물의 재료 가공을 위한 기계 및 그 방법

Info

Publication number: KR20140022821A
Application number: KR1020137025951A
Authority: KR
Inventors: 안드레 시워트; 맨프레드 바르쯔; 요르크 디엠; 아트좀 푹스; 인고 슈럼
Original assignee: 아이피지 포토닉스 코포레이션
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2014-02-25
Also published as: EP2686131A1; MX2013010502A; US9321129B2; WO2012123167A1; JP2014511766A; BR112013023721A2; MX340966B; DE102011001322A1; CN103459084A; EP3308898A1; KR20160125521A; JP6029600B2; BR112013023721B1; EP2686131B1; US20140209585A1; CN103459084B

Abstract

본 발명은 레이저 빔을 이용하여 재료를 가공하기 위한 기계에 관한 것으로, 특히 본원발명의 재료가공 기계는 레이저 빔 용접을 위한 것으로, 재료 가공시에 작업물로 향하는 레이저 빔을 둘러싸는 유출 개구부를 구비한 기계 가이드형 보호 하우징을 포함한다. 기계를 완전하게 둘러싸는 하우징 없이도 인력 안전을 보장하는 레이저 빔 용접을 위한 기계를 만들기 위하여, 측정 변수로서 소정의 화학 또는 물리적 특성을 검출하는 하나 이상의 센서가 상기 보호 하우징에 배치되는데, 상기 센서는 제어장치와 연결되며, 상기 제어장치는 상기 측정변수에 대한 설정값과 상기 측정변수의 검출된 실제값들을 비교하고, 비교된 설정값/실제값에 따라 상기 레이저 빔(3)을 차단하고 그리고/또는 상기 레이저 빔의 활성화를 저지한다. 또한, 본 발명은 상기 기계가 작동하는 동안 인력 안전을 개선하기 위한 방법 또는 정렬에 관한 것이다.

Description

레이저 빔을 이용한 작업물의 재료 가공을 위한 기계 및 그 방법{MACHINE AND METHOD FOR THE MATERIAL PROCESSING OF WORKPIECES BY WAY OF A LASER BEAM}

본 발명은 레이저 빔을 이용하여 작업물을 재료 가공하기 위한 기계에 관한 것이며, 이 기계는 재료가공 시에 하나 이상의 작업물로 향하는 레이저 빔을 둘러싸는 유출 개구부(outlet opening)를 구비한 기계 가이드형 보호 하우징을 포함한다. 그 밖에, 본 발명은 상기 유형의 기계를 이용하여 레이저 빔으로 작업물을 재료 가공하기 위한 방법에도 관한 것이다.

오늘날의 고출력 레이저는 산업 제조분야에서 재료가공을 위해 이용된다. 특히 레이저 빔 용접은 그 중요성이 점차 증가하고 있다. 레이저 빔 용접은 특히 높은 용접 속도, 협폭의 용접 솔기 및 적은 열변형(thermal distortion) 조건에서 접합되어야 하는 작업물들의 용접을 위해 이용된다. 레이저 빔 용접은 대개 추가 재료의 공급 없이 실시된다. 레이저 방사선을 유연하게 작업물 쪽으로 안내하기 위해, 레이저 빔 용접용 장치는 보통 빔 소스(beam source)와 빔 가이드 시스템을 포함한다. 빔 가이드 시스템은 특히 가요성 광도파관을 포함하며, 이 광도파관으로 레이저 방사선이 빔 소스로부터 레이저 빔을 위한 유출 개구부를 포함하는 가공 헤드(machining head) 쪽으로 안내된다. 가공 헤드는 특히 산업용 로봇의 다축 이동식 암에 배치된다. 그러나 빔 소스, 예컨대 고체 레이저는 고정되어 배치된다.

레이저 장치에서는 상당한 건강 위험이 발생한다. 집중된 전자기 방사선은 레이저 장치의 사용자에게 생물학적 상해를 야기할 수 있다. 레이저 빔 또는 레이저 빔의 산란 방사선이 피부 또는 각막에 부딪힌다면, 방사선의 각각의 파장에 따라서 화상 및/또는 조직 손상이 야기된다. 상기 위해 가능성으로 인해 레이저 장치에 대해서는 엄격한 사고 예방 규정이 적용된다. 상기 사고 예방 규정의 의미에서, 레이저 장치들은 여러 가지 등급으로 분류된다. 자동차 생산 용도로 결정된 레이저 빔 용접용 기계에 대해서는 최소의 위해 가능성이 요구되며, 이에 따라 레이저 장치의 접근 가능한 레이저 방사선은 무해해야만 한다(등급 1). 보호 하우징은 상기 사고 예방 규정의 의미에서, 접근 가능한 방사선의 규정된 한계 값을 초과하는 접근 가능한 방사선을 방지하기 위해 제공되는 레이저 장치의 부품이다.

레이저 빔 용접을 위한 기계에서 건강 위해를 방지하기 위해, 지금까지 기계는 대개 금속으로 이루어진 보호 벽부들에 의해 둘러싸였다. 상기와 같이 둘러싸는 하우징을 통해 사고예방 규정을 고려한다. 그러나 기계를 완전하게 둘러싸는 하우징은 자동차 산업분야에서 연속적인 생산공정에 기계의 통합을 방해한다.

DE 20 2007 012 255 U1로부터는 레이저 빔을 이용하여 작업물을 재료가공하기 위한 기계를 완전하게 둘러싸는 하우징이 공지되었으며, 이 경우 하우징은 이중 벽으로 실현된다. 트랜시버 유닛은 하우징의 벽부들 사이의 공동부(cavity)를 모니터링한다. 상기 공동부 내로 레이저 방사선이 유입되면 곧바로, 수신 부재들이 반응하면서 레이저 장치의 안전 회로를 트리거링한다.

DE 10 2006 053 579 A1은 마찬가지로 능동적인 레이저 보호 벽부들을 포함하는, 완전하게 둘러싸인 레이저 재료가공 시스템을 개시하고 있다. 능동적인 레이저 보호 벽부들은 수동적으로 레이저 방사선의 투과를 방지할 뿐 아니라, 레이저 방사선이 보호 벽부에 부딪친 직후에 레이저 방사선의 차단을 달성한다. 레이저 방사선의 방향에서 능동적인 보호 벽부의 전방에는 레이저 보호필름이 배치되며, 이 레이저 보호필름은 레이저 방사선이 부딪칠 때 검출될 수 있는 변화를 야기할 뿐 아니라, 임계값의 초과시에 검출기 신호를 통해 레이저를 차단하기 위해 임계값 스위치를 통해 레이저와 연결된 하나 이상의 센서를 포함한다.

DE 100 59 246 A1은 재료가공시에 작업물로 향하는 레이저 빔을 둘러싸는 유출 개구부를 구비한 보호 하우징을 포함하는 수동 작동식 레이저 재료가공 장치를 개시하고 있다. 보호 하우징의 내부 챔버는 가공할 작업물에 장치를 배치하는 것을 통해 차광 방식으로 폐쇄된다. 보호 하우징의 내부챔버 내 감광성 센서는, 보호 하우징의 내부챔버가 작업물에 의해 폐쇄되는 동안만 레이저 빔이 제공되는 점을 보장한다.

EP 2 149 421 A1은 자동차 산업분야의 연속적인 생산공정에서 레이저 빔 용접을 위한 기계를 개시하고 있으며, 이 경우 빔 소스는 광도파관을 통해 집속 광학장치와 연결되고, 이 광학장치는 레이저 빔을 위한 유출 개구부를 포함하는 기계 가이드형 보호 하우징 내에 배치된다. 용접시에 하나 이상의 작업물로 향하는 레이저 빔은, 레이저 빔이 슬롯형 유출 개구부를 통해서만 보호 하우징으로부터 유출되도록, 집속 광학장치에 의해 정렬된다. 인력 안전을 향상시키기 위해, 보호 하우징의 유출 개구부가 작업물 상에 안착될 때 비로소 빔 소스가 활성화될 수 있다. 레이저 빔 용접을 위한 상기 기계는 자동차 산업분야의 종래의 저항 용접라인의 기반 구조에 통합된다.

인력 안전을 향상시키기 위해 EP 2 149 421 A1에서 제안된 조치에도 불구하고, 레이저 장치에 대한 사고 예방 규정에 준하여 요구되는 등급 1은 모든 작동조건 하에서 달성되지 않는다. 유출 개구부를 포함하는, 보호 하우징의 압력편(pressure piece)이 폐쇄되면, 유출 개구부의 영역에서 레이저 방사선의 제어되지 않는 유출이 발생한다. 결국, 보호 하우징은, 보호 하우징으로부터 레이저 방사선의 제어되지 않는 유출이 발생할 정도로, 직접 또는 간접적인 레이저 방사선에 의해 강하게 손상될 수 있다. 상기 유형의 손상은 예컨대 기계 가이드형 보호 하우징 내 집속 광학장치와 광도파관 사이의 불완전한 연결에 의해 야기될 수 있다. 그 밖에도, 레이저 빔의 제어되지 않는 반사는 내부뿐 아니라 외부로부터 보호 하우징을 파괴할 수 있다.

본 발명의 과제는, 상기 종래 기술로부터 출발하여, 작업물을 재료 가공하기 위한, 최초에 언급한 유형의 기계, 특히 레이저 빔 용접을 위한 기계에 있어서, 기계를 완전하게 둘러싸는 하우징 없이도, 특히 마모의 결과로 보호 하우징의 손상 시에도 향상된 인력 안전을 보장하는 상기 기계를 제공하는 것에 있다. 또 다른 과제는 상기 유형의 기계의 작동시에 인력 안전을 향상시키기 위한 방법 및 그 장치를 명시하는 것에 있다.

상기 과제는, 작업물을 재료가공하기 위한, 최초에 언급한 유형의 기계에 있어서, 보호 하우징에 측정 변수로서 소정의 화학 및/또는 물리 특성을 검출하는 하나 이상의 센서가 장착되고, 이 센서는 제어장치와 연결되고, 이 제어장치는 측정 변수에 대한 설정값과 측정 변수의 검출된 실제값을 비교하여 설정값/실제값 비교에 따라 레이저 빔을 차단하고, 그리고/또는 레이저 빔의 활성화를 저지하며, 센서들 중 하나 이상의 센서는 보호 하우징(8)의 손상으로 인한 전기저항의 변화를 검출하는 저항센서인 것을 통해 해결된다.

그 밖에도, 상기 과제는, 청구항 제12항의 특징들을 포함하는, 작업물의 재료 가공을 위한 방법과, 청구항 제11항의 특징들을 포함하는 장치에 의해 해결된다.

저항센서는 보호 하우징의 손상으로 인한 전기 저항의 변화를 검출한다. 보호 하우징의 유출 개구부는 보통 보호 하우징에 의해 포함되어 유출 개구부의 방향으로 점차 가늘어지는 압력편에 배치된다. 보호 하우징의 손상은 우선적으로, 매번 용접공정마다 작업물 쪽에 밀착되는 높은 하중을 받는 압력편의 영역에서 발생한다. 저항센서는 바람직하게는 상기 압력편에 배치된다. 예컨대 압력편의 벽부에 매입되는 와이어로서 실시되는 저항 센서는 바람직하게는 하나 이상의 권선으로 압력편을 에워싼다. 이후 특히 유출 개구부로부터 10 ~ 15㎜의 간격으로 이격 배치된 와이어가 압력편의 손상으로 인해 파괴된다면, 저항센서의 전기저항이 변한다. 이런 변화는 저항센서가 연결되어 있는 전기회로에서 검출될 수 있다. 그 밖에도, 유출 개구부에 인접하는 방식으로 저항센서를 배치하는 점에 의해서는, 마모로 인한 압력편의 손상도 검출된다. 압력편의 부분들이 마모로 인해 파손된다면, 상대적으로 얇은 와이어가 파열되며, 그럼으로써 저항이 변하게 된다. 그 밖에도, 압력편으로부터 보호 하우징의 나머지 부분으로의 전환부를 따라 와이어를 안내하는 것을 통해서는 보호 하우징으로부터 전체 압력편의 분리도 역시 검출된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 저항센서는 원래 제공되어 있는 안전 회로의 부품이면서, 보호 하우징의 유출 개구부가 작업물 상에 안착되면, 비로소 빔 소스의 활성화를 가능하게 한다. 상기 안전회로는 해당 개시내용이 본 출원에도 분명하게 포함되는 EP 2 149 421 A1에 개시되어 있다. 안전회로는 예컨대 보호 하우징에 배치된 스위칭 부재를 포함하며, 이 스위칭 부재는 유출 개구부의 안착 시 빔 소스의 에너지 공급 장치를 스위치 온(ON)한다. 저항센서가 상기 스위칭 회로에 연결된다면, 압력편의 손상이 존재할 때, 스위칭 부재의 스위칭 위치와 무관하게 에너지 공급장치의 활성화는 이루어질 수 없다.

생산환경에 레이저 빔 용접을 위한 기계의 최적의 통합을 위해, 특히 로봇 암에 배치되는 기계 가이드형 보호 하우징에 대해 높은 수준의 이동성이 요구된다. 기계 가이드형 보호 하우징에 저항 센서뿐 아니라 뜻밖의 추가 센서들을 배치하는 점은 상기 유연성을 가능하게 한다. 그러나 작동 중에 계속해서 다축으로 이동하는 보호 하우징의 환경에서 센서들의 배치와 측정값들의 모니터링은 실용적이지 못하다.

보호 하우징이 단일벽일 경우, 제공되는 점에 한해 추가 센서는, 예컨대 보호 하우징 및/또는 집속 광학장치의 내부면에 장착하는 것을 통해, 바람직하게는 보호 하우징의 내부에 배치된다. 보호 하우징이 안전성 증대를 위해 이미 이중 벽으로 실시되는 점에 한해서, 추가센서는 상호 간에 이격되어 배치되는 벽부들에 의해 밀폐되는 공동부 내에 배치될 수 있다. 보호 하우징에 각각의 저항센서에 추가로 복수의 추가센서가 배치되는 점에 한해서, 이중벽의 보호 하우징에서는 하나 이상의 센서가 공동부 내에 배치되고 하나 이상의 센서는 보호 하우징의 내부에 배치될 수 있다.

센서들은, 보호 하우징의 내부에서, 또는 보호 하우징의 벽부들 사이의 공동부의 내부에서, 레이저 빔을 위한 유출 개구부의 영역에서 마모가 발생하고, 그리고/또는 보호 하우징의 벽부들의 손상이 발생할 때 변하는 화학 또는 물리적 측정 변수의 실제값들을 검출한다. 제어장치는, 계속해서 측정 변수들에 대한 설정값과 검출된 실제값들을 비교하면서, 설정값/실제값 비교에 따라 레이저 빔을 차단하고, 그리고/또는 레이저 빔의 활성화를 저지한다. 차단 또는 활성화 저지는 특히, 전원장치로부터 빔 소스를 분리하는 전기 스위칭 수단에 의해 이루어질 수 있다. 또 다른 가능성은, 레이저 빔 자체가 차단되는 점에 있다. 이는 예컨대 집속 광학장치의 직후방에서 광로 내로 삽입된 필터 부재 또는 빔 차단 장치로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라서, 재료가공용 기계의 보호 하우징에는 저항센서에 추가로 전자기 방사선을 위한 하나 이상의 센서가 장착된다. 센서는 보호 하우징의 내부에, 그리고/또는 이중 벽부의 공동부 내에 배치된다. 벽부의 손상으로 인해 보호 하우징 내로 주변광이 입사된다면, 센서의 레벨도 변한다. 레벨 변화는 제어 장치에 의해 검출되며, 제어장치는 레벨 변화에 따라 레이저 빔을 차단하거나, 또는 레이저 빔이 아직 활성화되지 않은 점에 한해 레이저 빔의 활성화를 저지한다. 유출 개구부를 포함하는 보호 하우징의 압력편이 폐쇄된다면, 압력편이 용접할 작업물 상에 더 이상 동일 평면으로 안착되지 않는 점으로 인해, 보호 하우징의 내부로 주변광의 입사가 발생하며, 이는 센서에 의해 검출된다.

전자기 방사선을 위한 센서의 감도 범위는 재료 가공을 위한 기계의 주변에 지배적으로 존재하는 전자기 방사선에 부합하게 조정된다. 바람직하게는, 전자기 방사선을 위한 센서는 레이저 빔의 파장 범위의 전자기 방사선에 대해서는 둔감하다. 이런 둔감성은 특히 전자기 방사선을 위한 센서의 전방에 연결되어 레이저 빔의 파장 범위의 전자기 방사선은 투과시키지 않는 필터를 통해 달성될 수 있다.

전자기 방사선을 위한 센서들로서는 특히 광전 셀 또는 포토 다이오드가 고려된다.

대체되거나 추가되는 방식으로, 보호 하우징이 소정의 제1 부피 유량을 갖는 기상 매체가 보호 하우징의 내부로 공급될 수 있게 하는 유입구를 포함하고, 보호 하우징이 소정의 제2 부피 유량을 갖는 기상 매체가 배출될 수 있게 하는 유출구를 포함하는 점에 한해서, 보호 하우징의 손상은 유량 센서로 확인될 수 있다. 레이저 빔 용접을 위한 기계는, 보호 하우징의 내부에서 오염물 및 입자를 통한 레이저 빔의 저하를 방지하기 위해, 보통 크로스 제트 또는 플라스마 제트의 형태로 상기 유형의 가스 유동을 포함한다. 유출구는 보통 소정의 부피 유량을 가지면서 공급되는 기상 매체를 흡인 배출하는 흡인장치와 연결된다. 보호 하우징의 손상의 결과로 누출이 발생한다면, 기상 매체의 일부분은 누출을 통해 사라지게 된다. 이를 통해, 기상 매체의 배출된 부피 유량은 더욱 적어진다. 이런 부피 유량 변화는 보호 하우징의 내부에 장착된 유량 센서에 의해 검출된다. 유량 서는 특히 기상매체를 위한 유출구의 영역에 배치된다. 그러나 유량센서는 유출구에 연결되고 흡인장치와도 연결된 튜브 내에도 배치될 수 있다. 추가되는 방식으로, 기상매체를 위한 유입구는, 레이저 빔의 차단 또는 저지를 위한 제어장치에서 공급되는 기상매체의 뜻밖의 부피 유량변동을 고려하도록 하기 위해, 계속해서 유량센서에 의해 모니터링될 수 있다.

유출구 또는 유입구에서 부피 유량을 검출하기 위해, 유량센서는 기상매체의 유동 속도를 측정할 수 있고, 유량은 관류되는 횡단면 면적과 해당 위치에서 측정되는 유동 속도의 곱으로 산출될 수 있다. 기상매체의 유동속도는 예컨대 날개형 기체 속도계(vane anemometer)로 검출될 수 있다. 그 밖에도, 유동속도의 측정을 위해, 자기 유도형 유량 센서뿐 아니라, 특히 초음파 유량센서가 고려된다. 초음파 유량센서의 실질적인 장점은, 측정이 실질적으로 기상매체의 특성과 무관하다는 점에 있다. 또한, 초음파 유량센서는 이동식 기계부품을 포함하지 않으며, 그럼으로써 유지보수 비용이 낮으며, 이는 특히 자동차 산업분야의 자동화된 생산공정에서 이용하기에 바람직하다.

본 발명의 추가 구현예에 따라서, 보호 하우징에는 저항센서에 추가로 하나 이상의 압력센서가 배치되며, 이 압력센서는 보호 하우징의 내부에, 그리고/또는 공동부 내에 지배적으로 존재하는 압력을 검출한다.

기계 가이드형 보호 하우징의 소정의 작동 상황에서, 예컨대 보호 하우징이 유출 개구부로 용접할 작업물 상에 동일 평면으로 안착될 때, 보호 하우징의 내부에는 정의된 압력이 지배적으로 존재한다. 상기 압력이 보호 하우징의 벽부 내 손상을 통해, 또는 유출 개구부를 포함하는, 보호 하우징의 압력편의 마모를 통해 변한다면, 이런 압력의 변화는 제어장치에 의해 검출되고 레이저 빔은 차단된다.

이중 벽부형 보호 하우징의 공동부 내 압력의 변화가 모니터링되는 점에 한해서, 보호 하우징의 벽부의 손상은 확실하게 확인될 수 있다. 그러나 유출 개구부의 영역에서, 특히 유출 개구부를 포함하는 압력편에서 보호 하우징의 마모는 공동부의 압력 모니터링을 통해 확인될 수 없다. 이런 이유에서, 보호 하우징의 내부에서 뿐 아니라 경우에 따라 제공되는 이중 벽부의 공동부 내에서 압력을 검출하는 점이 권장된다.

압력의 검출을 위해, 예컨대 압전 압력센서 및 특히 압전저항 압력센서가 고려된다. 압전저항 압력센서는 적용 사례를 위해 요구되는 높은 감도를 포함하고, 그 밖에도 경제적으로 이용될 수 있다. 압전저항 압력센서의 온도 의존성은 차이를 형성하는 전기회로를 통해 무효화될 수 있다.

본 발명의 추가 구체예에 따라서, 보호 하우징에는 저항센서에 추가로 보호 하우징의 내부에서 소음수준(sound level)의 변화를 검출하는, 소음 수준을 검출하기 위한 하나 이상의 센서가 배치된다. 소음수준 센서의 이용은, 이동식 부품, 예컨대 집속 광학장치의 결함과 함께 발생하는 주변 소음이 적시에 검출될 수 있다는 추가 장점을 제공한다.

소음수준의 검출을 위해, 특히 마이크로폰이 이용된다. 마이크로폰은 보호 하우징의 내부에 음압을 상응하는 유사한 전압으로 변환한다. 전압은 제어장치에서 분석되면서 레이저 빔을 차단하거나 레이저 빔의 활성화를 저지한다.

본 발명의 추가 구체예에 따라서 보호 하우징에는 저항센서에 추가로 보호 하우징의 내부 및/또는 공동부 내 가스의 화학조성의 변화를 검출하는 하나 이상의 화학센서가 배치된다. 보호 하우징의 벽부가 손상된다면, 작동 중에 외부 공기가 보호 하우징의 내부 및/또는 공동부 내에 유입된다. 이를 통해, 화학센서에 의해 검출되는 가스의 화학조성이 변하게 된다. 제어장치는 가스의 화학조성의 변화에 따라서 레이저 빔을 차단하거나 레이저 빔의 활성화를 저지한다.

화학센서는 센서 자체를 둘러싸는 가스에 대한 정보를, 제어장치에 의해 처리될 수 있는 전기적으로 이용 가능한 신호로 변환하는 가스센서이다. 가스센서로서는 화학적 저항원리에 따라 기능하는 센서가 고려된다. 주변 가스는 가스에 민감한 센서 층의 전도성에 직접적으로 영향을 미친다. 이 경우, 저항변화가 측정변수로서 이용된다. 가스에 민감한 층으로서는 예컨대 무기 금속산화물 반도체(Mox) 또는 전도성 폴리머가 고려된다. 대체되는 방식으로 가스센서는 용량성 원리에 따라 기능할 수 있다. 이 경우, 가스에 민감한 유전체는 커패시터의 용량을 변경한다. 그에 따라 용량변화가 측정변수로서 이용된다.

본 발명에 따른 조치의 결과로, 보호 하우징은 로봇의 로봇 암에 고정되고, 종래의 저항 용접 건(gun)의 용접헤드와 동일한 방식으로 작업물 쪽으로 이동되며, 이때 레이저 용접을 위한 기계에 의해 기계의 주변에 있는 작업자에 대한 건강 위해도 발생하지 않는다.

특히 레이저 빔 용접시에 인력 안전을 높이기 위한 바람직한 장치는 레이저 방사선을 위한 빔 소스뿐 아니라, 청구항 제1항 내지 제10항 중 어느 하나 이상의 항에 따르는 재료가공 기계의 보호 하우징 내에서 빔 소스로부터 집속 광학장치 쪽으로 레이저 방사선을 안내하는 빔 가이드 시스템을 포함한다.

빔 소스는 바람직하게는 섬유 레이저이다. 섬유 레이저는 높은 전기-광학 효율성, 탁월한 빔 품질, 오랜 사용 수명, 및 조밀하고 정비가 필요 없으면서 둔감한 구성을 포함하며, 그 때문에 섬유 레이저는 제공되는 적용 사례를 위해 특히 적합하다.

유리 섬유의 하나 이상의 도핑된 코어는 활성매체(active medium)를 형성한다. 섬유 레이저는 일반적으로, 섬유 코어에 병렬로 섬유 코어의 피복 내로, 또는 이 피복 자체로 방사선이 주사되면서, 광학적으로 펌핑된다. 펌프 방사선(pump radiation)은 바람직하게는 복수의 싱글 모드 섬유 레이저를 포함하는 펌프장치에서 발생한다. 각각의 레이저 활성 섬유 코어를 위한 도핑 원소로서는 요구되는 고출력 적용을 위한 이터븀(Ytterbium) 및 네오딤(Neodym)이 이용된다.

레이저 빔은 도핑된 코어로부터 유출된 후에 방사선 가이드 시스템, 특히 유리섬유를 포함하는 광도파관에 도달하고, 이 광도파관은 재료가공 기계의 집속 광학장치 쪽으로 방사선을 안내한다.

본 발명은 하기에서 도면에 따라 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따르는 보호 하우징 내 레이저 용접용 기계를 도시한 도이다.
도 2a는 규정에 따른 작동조건에서, 전자기 방사선을 위한 센서를 포함하는 본 발명에 따른 레이저 용접용 기계의 제1 실시예를 도시한 도이다.
도 2b는 고장난 작동조건에서, 도 2a에 따른 기계를 도시한 도이다.
도 3a는 규정에 따른 작동조건에서, 유량센서를 포함하는 본 발명에 따른 레이저 용접용 기계의 제2 실시예를 도시한 도이다.
도 3b는 고장난 작동조건에서, 유량센서를 포함하는 도 3a에 따른 기계를 도시한 도이다.
도 4a는 규정에 따른 작동조건에서, 압력센서를 포함하는 본 발명에 따른 레이저 용접용 기계의 제3 실시예를 도시한 도이다.
도 4b는 고장난 작동조건에서, 압력센서를 포함하는 도 4a에 따른 기계를 도시한 도이다.
도 5는 이중 벽부형 보호 하우징을 포함하는 본 발명에 따른 레이저 용접용 기계의 보호 하우징을 도시한 도이다.
도 6은 저항센서를 포함하는 본 발명에 따른 레이저 용접용 기계의 보호 하우징을 도시한 도이다.

도 1에는, 고출력 레이저의 레이저 빔(3)을 이용하여 작업물(2)을 재료 가공하기 위한 기계(1)의 기본 구성이 도시되어 있다. 로봇 암(7)을 포함하는 로봇(4)은 사용자로 하여금 작업물(2) 쪽으로 레이저 방사선을 유연하게 안내하게끔 허용한다. 레이저 에너지는 미도시된 광도파관에 의해 가공 헤드(5) 쪽으로 안내되고, 이 가공 헤드로부터 레이저 빔(3)이 유출된다. 요구되는 레이저 안전성을 확보하기 위해, 전체 레이저 가공기계는 보호 하우징(6) 내에 배치되며, 이 보호 하우징은 보호 하우징으로부터 레이저 방사선의 유출을 방지한다.

도 2 내지 도 4에 도시된 본 발명에 따르는 레이저 용접용 기계(1)는 로봇 암(7)을 구비한 로봇(4)을 포함하고, 로봇 암의 단부에는 로봇(4)에 의해 안내되는 보호 하우징(8)이 배치된다. 보호 하우징은 로봇 암(7)의 고정점의 맞은편에 위치하는 선단부에 유출 개구부(9)를 포함하고, 이 유출 개구부는 재료 가공시에 작업물(2)로 향하는 레이저 빔(3)을 둘러싼다. 레이저 용접용 기계(1)가 자동차 산업분야에서 이용되는 점에 한해서, 보호 하우징(8)의 유출 개구부(9)는, 보호 하우징(8)에 의해 둘러싸이면서 유출 개구부(9)의 방향으로 연장되는 압력편(21)에 배치된다(도 6 참조). 나머지 보호 하우징(8)에 비해서, 용접시에 유출 개구부(9)로 작업물(2) 상에 동일 평면으로 안착되는 압력편(21)은 점차 가늘어진다.

유출 개구부는 특히 슬롯의 형태를 보유한다. 레이저는, 유출 개구부(9)가 작업물 상에 안착되면, 비로소 활성화될 수 있다. 이를 위해, 보호 하우징(8)에는 스위칭 부재가 배치될 수 있고, 이 스위칭 부재는 작업물들 중 하나의 작업물 상에 유출 슬롯이 안착될 때 빔 소스의 에너지 공급 장치를 스위치 온(ON)한다. 이런 점에 한해서, 대응하는 개시내용이 분명하게 본 출원에 포함되는 EP 2 149 421 A1이 참조된다. 도 2a, 도 3a 및 도 4a에는, 작업물(2) 상에 안착된, 결함 없는 보호 하우징(8)을 포함하는 본 발명에 따른 기계가 각각 도시되어 있다. 도 2b, 도 3b 및 도 4b에는, 보호 하우징(8)의 측벽부의 영역에 개략적으로 도시된 손상(10)을 포함하는 보호 하우징(8)이 각각 도시되어 있다.

도 6에는, 자체에 배치되는 저항센서(20)를 포함하는, 레이저 용접용 기계(1)의 보호 하우징(8)만이 도시되어 있으며, 상기 저항센서는 보호 하우징(8)의 손상으로 인한 전기 저항의 변화를 검출한다. 도 2 내지 도 4에 따르는 실시예들에는, 저항센서(20)가 명확성을 위해 도시되어 있지 않다.

압력편(21)의 벽부에 매입되는 와이어로서 실시되는 저항센서(20)는 바람직하게는 하나 이상의 권선으로 압력편(21)을 에워싼다. 이를 위해, 와이어는 하우징 벽부 내에 둘레를 따라 연장되는 그루브 내에 접착될 수 있다. 와이어 권선에서 유출 개구부(9)까지의 간격은 약 10 ~ 15㎜이다. 또한, 와이어는 압력편의 내부에서 압력편의 벽부에 고정될 수 있다. 저항센서(20)의 와이어는 압력편(21)에서 보호 하우징(8)의 나머지 부분으로의 전환부(22)를 따라 권선에 의해 안내된다.

저항센서(20)는 원래 제공되는 안전회로(24)의 부품이면서, 보호 하우징의 유출 개구부(9)가 작업물(2) 상에 안착되면, 비로소 빔 소스의 활성화를 가능하게 한다. 안전회로(24)는 보호 하우징(8)에 배치되는 2개의 스위칭 부재(23), 예컨대 유출 개구부(9)의 안착 시에 방사선 소스의 에너지 공급장치를 스위치 온(ON)하는 누름 버튼스위치를 포함한다. 저항센서(20)는 누름 버튼스위치의 스위칭 회로에 연결되며, 그럼으로써 압력편(21)의 손상이 존재하고 이와 함께 저항센서(20)의 와이어의 손상이 발생할 경우, 스위칭 부재들(23)의 스위칭 위치와 무관하게, 에너지 공급장치의 활성화는 이루어질 수 없게 된다.

도 2 내지 도 4에 따르는 본 발명에 따른 기계(1)의 실시예들 간 차이점은 보호 하우징(8)에 장착되어 측정 변수로서 소정의 화학 및/또는 물리 특성을 검출하는 센서들과 관련하여 발생한다. 센서들에 의해 검출되는 측정 변수들의 실제값들은 도들에는 미도시된 제어장치 내에서 측정 변수에 대한 상응하는 설정값들과 비교된다. 설정값/실제값 비교에 따라서 제어장치는 작동 부재를 이용하여 레이저 빔을 차단하거나 레이저 빔의 활성화를 저지한다.

도 2 내지 도 4에 따라 도시된 실시예들에서, 보호 하우징(8)은 단순한 벽부에 의해 형성된다. 그러나 안전성 증대를 위해, 보호 하우징(8)은, 도 5에 도시된 것처럼, 이중 벽부로 실시될 수 있다. 상호간에 이격되어 배치되는 보호 하우징(8)의 벽부들은 공동부(11)를 밀폐한다.

도 2 내지 도 4에 따라서 하기에 설명되는 모든 실시예들은 단일 벽부형 보호 하우징뿐 아니라 이중 벽부형 보호 하우징(8)도 구비하여 실시될 수 있다. 각각의 기계(1)는 저항센서(20)에 추가로 각각의 도에 도시된 센서만을 포함하거나, 또는 도 2 내지 도 4에 도시되거나 앞서 설명한 센서들의 조합 구성을 포함할 수도 있다. 센서들은 보호 하우징(8)의 내부에 배치될 뿐 아니라, 제공되는 점에 한해서 보호 하우징(8)의 공동부(11) 내에도 배치될 수 있다.

도 2에 따른 실시예에서, 보호 하우징(8)의 내부에는 전자기 방사선을 위한 센서(12)가 배치된다. 센서(12)의 전방에는 레이저 방사선(3)에 대해 비투과성인 필터가 배치될 수 있다. 이를 통해, 전자기 방사선을 위한 센서(12)는 보호 하우징(8) 내에 도달한 나머지 방사선에 대해서만 반응한다. 이는, 작업물(2)로부터 보호 하우징을 상승 제거시에 유출 개구부(9)를 통해 보호 하우징(8)의 내부에 도달하는 보호 하우징의 환경 내 전자기 방사선이거나, 또는 작업물(2) 상에 레이저 보호 하우징이 안착된 경우 뜻밖의 손상(10)을 통해 보호 하우징(8) 내로 침투한 전자기 방사선일 수 있다. 보호 하우징 외부의 작업 영역에서 정의된 전자기 방사선을 보장하기 위해, 하나 이상의 방사선 소스(18)는 기계 가이드형 보호 하우징(8)의 작업영역 내에 배치될 수 있다. 방사선 소스들(18)의 전자기 방사선의 파장은 바람직하게는 전자기 방사선을 위한 센서(12)에 부합하게 조정된다.

전자기 방사선을 위한 센서(12)는 외부로부터 보호 하우징(8)의 내부로 조사되는 전자기 방사선을 검출한다. 제어장치가, 보호 하우징의 벽부 내 손상(10)으로 인해, 전자기 방사선에 대한 설정값으로부터 검출된 실제값이 공차 범위를 벗어나는 편차를 나타내는 것으로 검출한다면, 레이저 빔(3)의 차단이 이루어진다.

규정에 따른 작동시에, 보호 하우징(8)이 작업물(2)로부터 상승 제거되면, 곧바로 전자기 방사선은 마찬가지로 유입 개구부(9)를 통해 하우징 내로 유입되며, 하우징 내에서 센서(12)에 의해 검출된다. 유입되는 방사선은, 해당 유출 개구부가 여전히 작업물(2) 상에 안착되어 있지 않는 점에 한해서, 레이저 빔의 활성화를 저지한다.

도 3에 따른 보호 하우징(8)에는 유량 센서(19)가 배치된다. 유량센서(19)는 공급되는 기상매체(13)와 강제로 배출되는 기상매체(14) 사이의 부피 유량변화를 검출한다. 기상매체(13, 14)는 미도시된 유입구를 통해 보호 하우징(8)으로 공급되고 미도시된 유출구(14)를 통해 배출된다. 부피유량이, 예컨대 보호 하우징(8)의 벽부 내 손상(10)을 통해 변한다면, 유량센서(19)는 기상매체의 부피유량의 변화를 검출한다. 손상(10)으로 인해, 기상매체의 누출 부피유량(15)은 보호 하우징(8)으로부터 유출되며, 그럼으로써 유량센서(19)는 유출구에서 배출되는 기상매체(14)의 더 적은 부피유량을 검출하게 된다. 이처럼 유량센서(19)에 의해 측정되는 실제값의 편차는 제어 장치에서 분석되며, 설정값/실제값 비교에 따라서 레이저 빔은 차단된다.

도 4에는, 보호 하우징(8)에 압력센서(16)가 배치되는, 레이저 용접용 기계(1)의 일 실시예가 도시되어 있으며, 상기 압력센서는 보호 하우징(8)의 내부에 지배적으로 존재하는 압력의 변화를 검출한다. 보호 하우징(8)의 벽부에 손상(10)이 발생하면, 압력이 변하며, 제어장치는 레이저 빔(3)을 차단한다.

설명한 측정장치 및 측정방법의 실질적인 장점은, 도 1에 도시된 완전 하우징(6)에 비해 훨씬 더 낮은 비용이 발생한다는 점에 있다. 또한, 재료 가공용, 특히 레이저 용접용 기계(1)는 연속적인 생산공정에 더욱 잘 연결된다.

1: 기계
2: 작업물
3: 레이저 빔
4: 로봇
5: 가공헤드
6: 보호 하우징
7: 로봇 암
8: 보호 하우징
9: 유출 개구부
10: 손상
11: 공동부
12: 전자기 방사선 센서
13: 공급된 기상매체
14: 배출된 기상매체
15: 누출 부피유량
16: 압력센서
17: 소음수준 검출을 위한 센서
18: 방사선 소스
19: 유량센서
20: 저항센서
21: 압력편
22: 전환부
23: 스위칭 부재
24: 안전회로

Claims

레이저 빔을 이용하여 재료 가공하기 위한 기계로서, 재료 가공시에 작업물로 향하는 레이저 빔을 둘러싸는 유출 개구부를 구비한 기계 가이드형 보호 하우징을 포함하는 상기 재료가공 기계에 있어서,
- 상기 보호 하우징(8)에 측정 변수로서 소정의 물리 특성을 검출하는 하나 이상의 센서(12, 16, 19, 20)가 배치되고,
- 상기 센서(12, 16, 19, 20)는 제어장치와 연결되고, 이 제어장치는 상기 측정변수에 대한 설정값과 상기 측정변수의 검출된 실제값들을 비교하면서, 설정값/실제값 비교에 따라 상기 레이저 빔(3)을 차단하고, 그리고/또는 상기 레이저 빔의 활성화를 저지하며,
- 상기 센서들(12, 16, 19, 20) 중 하나 이상의 센서는 상기 보호 하우징(8)의 손상으로 인한 전기 저항의 변화를 검출하는 저항센서(20)인 것을 특징으로 하는 재료가공 기계.
제1항에 있어서, 상기 보호 하우징(8)의 유출 개구부(9)는 상기 보호 하우징(8)에 의해 포함되는 압력편(21)에 배치되고, 상기 저항센서(20)도 상기 압력편(21)에 배치되는 것을 특징으로 하는 재료가공 기계.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저항센서(20)는 안전회로(24)의 부품이면서, 상기 보호 하우징(8)의 유출 개구부(9)가 상기 작업물(2) 상에 안착되면, 비로소 빔 소스의 활성화를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 재료가공 기계.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 추가센서(12, 16, 19)는 상기 보호 하우징(8)의 내부에 배치되어, 측정변수로서 공동부(11) 내 소정의 화학 또는 물리 특성을 검출하는 것을 특징으로 하는 재료가공 기계.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호 하우징(8)은 이중벽으로 실시되고, 상호간에 이격되어 배치되는 상기 보호 하우징(8)의 벽부들은 하나 이상의 공동부(11)를 밀폐하고, 하나 이상의 추가센서(12, 16, 19)는 상기 공동부(11) 내에 배치되어, 측정변수로서 공동부(11) 내 소정의 화학 또는 물리 특성을 검출하는 것을 특징으로 하는 재료가공 기계.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 센서(12)는, 외부로부터 상기 보호 하우징(8)의 내부 및/또는 상기 공동부(11) 내로 유입되는 전자기 방사선(R)을 검출하는 전자기 방사선을 위한 센서인 것을 특징으로 하는 재료가공 기계.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 센서는, 상기 보호 하우징(8)의 내부에, 그리고/또는 상기 공동부(11) 내에 지배적으로 존재하는 압력의 변화를 검출하는 압력 센서(16)인 것을 특징으로 하는 재료가공 기계.
제4항에 있어서, 상기 센서는, 상기 보호 하우징(8)의 내부에서 소음수준의 변화를 검출하는, 소음수준을 검출하기 위한 센서인 것을 특징으로 하는 재료가공 기계.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 센서는, 상기 보호 하우징의 내부 및/또는 상기 공동부 내 가스의 화학 조성의 변화를 검출하는 화학 센서인 것을 특징으로 하는 재료가공 기계.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 보호 하우징(8)은 기상매체(13)가 상기 보호 하우징(8)의 내부로 공급될 수 있게 하는 유입구를 포함하고,
- 상기 보호 하우징(8)은 기상 매체(14)가 배출될 수 있게 하는 유출구를 포함하며,
- 공급되고, 그리고/또는 배출되는 기상매체(13, 14)의 부피유량(F)의 변화를 검출하기 위한 하나 이상의 유량 센서(19)가 상기 보호 하우징에 배치되는 것을 특징으로 하는 재료가공 기계.
레이저 방사선을 위한 빔 소스뿐 아니라, 제1항 내지 제10항 중 어느 하나 이상의 항에 따르는 재료가공 기계의 보호 하우징 내에서 빔 소스로부터 집속 광학장치 쪽으로 레이저 방사선을 안내하는 빔 가이드 시스템을 포함하는 장치.
레이저 빔을 이용하여 작업물을 재료가공하기 위한 방법으로서, 기계 가이드형 보호 하우징이 재료가공 시에 작업물로 향하는 레이저 빔을 둘러싸는 유출 개구부로 작업물 상에 안착되는, 상기 재료가공 방법에 있어서,
- 상기 보호 하우징에 배치되는 하나 이상의 저항센서에 의해, 상기 보호 하우징의 손상으로 인한 전기저항의 변화가 측정되고,
- 상기 전기저항의 검출된 실제값들은 상기 전기저항에 대한 설정값과 비교되며,
- 설정값/실제값 비교에 따라 레이저 빔이 차단되고, 그리고/또는 레이저 빔의 활성화가 저지되는 것을 특징으로 하는 재료가공 방법.
제12항에 있어서,
- 상기 보호 하우징에 배치되는 하나 이상의 추가센서에 의해, 측정변수로서 소정의 화학 및/또는 물리 특성이 검출되고,
- 상기 측정변수의 검출된 실제값들은 상기 측정변수를 위한 설정값과 비교되며,
- 설정값/실제값 비교에 따라 레이저 빔이 차단되고, 그리고/또는 레이저 빔의 활성화가 저지되는 것을 특징으로 하는 재료가공 방법.
제13항에 있어서, 상기 측정변수들의 실제값들은 상기 보호 하우징의 내부에서 검출되는 것을 특징으로 하는 재료가공 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 측정변수들의 실제값들은, 상호간에 이격되어 배치되는 상기 보호 하우징의 벽부들에 의해 밀폐되는 공동부 내에서 검출되는 것을 특징으로 하는 재료가공 방법.
제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호 하우징은 로봇에 의해 이동되는 것을 특징으로 하는 재료가공 방법.