KR20150067378A - 로봇식 레이저 솔기 스텝퍼 - Google Patents

Abstract

로봇작동 레이저 솔기 시스템은 길이방향 축을 따라 뻗어 있고 경량의 재료로 제조된 세장 지지 컬럼으로 구성된다. 지지 플레이트는 광학기가 제공된 광학 헤드를 지지하면서 컬럼에 착탈식으로 실장된다. 광학기는 경로를 따라 레이저 빔을 광학 헤드의 보호 윈도우를 통해 용접영역을 향해 보내도록 구성된다.
레이저 솔기 스텝퍼는 지지 플레이트에 실장되고 광학 헤드의 대각선 맞은편에 스텝퍼의 길이방향 축을 따라 뻗어 있는 제 1 암으로 구성된다. 이동가능한 함의 내부면은 광학 헤드와 정렬되고 레이저 빔에 의해 축방향으로 이동되는 터널, 가압 가스성 매질의 축방향으로 흐르는 제 1 기류, 및 가스성 매질의 축방향으로 흐르는 제 2 기류를 정의한다. 컬럼에서 발생한 압력 그래디언트에 응답해 제 1 기류의 압력보다 더 낮은 압력으로 터널에 들어간 제 2 기류는 컬럼내에 볼텍스를 생성하지 않는다.
제 1 및 제 2 기류는 터널의 하류 단부를 통해 다음 용접영역으로 나간다. 기류가 흘러 나감에 따라, 이들은 터널로부터 용접 파편들을 운반한다.

Description

로봇식 레이저 솔기 스텝퍼{ROBOTIC LASER SEAM STEPPER}

본원은 2 이상의 겹쳐진 금속 워크피스들을 결합하도록 동작하는 레이저 용접 시스템 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본원은 Class 1의 수 kW 레이저로 구성되고 큰 기계적 하중을 견딜 수 있는 가벼우며 컴팩트한 구조를 갖는 레이저 솔기 스텝퍼에 관한 것이다.

다수의 금속부 또는 시트 재료를 함께 어셈블리에 결합하기 위해 통상적으로 용접이 사용된다. 종래 용접방법들이 쉽게 이용될 수 있고 가령 아크 및 저항 스팟용접을 포함한다. 꽤 최근에 레이저 용접방법은 적어도 몇몇 관점에서 종래 용접방법보다 이점을 발견하였다. 예컨대, 레이저빔의 선명한 포커싱과 고에너지 집중으로 부품의 주변 부위로 흘러드는 열을 줄이면서 용접을 더 빨리 하게 한다. 그러나, 로봇식 레이저 용접기의 설계는 후술된 바와 같이 몇몇 구조적 난제를 제공한다.

이들 난제들 중 하나는 레이저 헤드에 파편들의 접근을 막는 유리 윈도우에 부딪히는 경향이 있는 용접 파편 및 먼지로부터 레이저 헤드에 위치된 포커싱 광학기의 보호에 관한 것이다. 유리 윈도우의 무결성은 파편에 의해 손상될 수 있고 그 교체는 자동으로 어셈블리된 라인의 잦은 중단을 야기한다. 대표적으로, 에어제트가 종종 크로스제트 기술이라고 하는 특징인 가이드의 길이방향 축에 비스듬히 광 가이드에 도입된다. 높은 공기압에서, 크로스제트는 공기 가이드 내부에 볼텍스를 야기한다. 볼텍스는 가이드의 중앙 영역이 외주 영역의 압력보다 더 낮은 압력 하에 있는 가이드내에 압력 그레디언트를 발생한다. 압력 그래디언트는 레이저빔의 품질에 악영향을 끼치고 중앙 영역을 따라 보호 윈도우를 향해 흐르게 하는 것이 주목되었다. 또한, 크로스제트는 불편하게 큰 수준의 소음을 야기한다.

따라서, 광학보호 기능을 수행하면서 레이저 빔의 품질에 영향을 주지 않는 공기공급 어셈블리의 새로운 디자인에 대한 필요성이 있다.

또 다른 난제는 특히 고에너지 집중에 관해 솔기의 품질과 관련 있다. 레이저빔의 전력이 소정의 전력보다 약간 더 크면, 빔은 이들 피스들을 결합하는 대신 관통 개구를 형성하도록 모든 겹쳐진 피스들을 용융시킬 수 있다. 반대로, 낮은 전력빔은 피스를 결합시키기에 충분하지 않을 수 있다. 레이저 소스의 출력 전력을 제어하기 위한 다양한 기술들이 있으나, 공지의 기술들 중 어느 것도 솔기의 품질을 결정할 수 있고 실시간으로 결정된 솔기 품질에 응답해 출력 전력을 변경할 수 있는 게 없다. 그러나, 용접 품질은 그렇지 않다면, 임의의 용접 공정의 가장 중요한 파라미터들 중 하나이다.

따라서, 용접 품질을 기초로 레이저 출력을 자동으로 조정하기 위한 시스템으로 구성된 광섬유 레이저 용접 시스템에 대한 필요성이 있다.

또 다른 난제는 피용접 피스의 복잡한 기하학적 형태로부터 발생한다. 자주, 결합되는 피스들은 이상적으로 위치되어 있지 않고, 로봇이 기설정된 위치로 이동되면, 피스와 로봇 가의 위치를 교정하기 위해 로봇을 조작하는 것이 필요하다.

따라서, 로봇의 바람직하지 못한 조작 없이 피용접 피스의 바람직한 위치와 실제 위치 간에 차를 보상하도록 구성된 장치가 제공된 로봇 용접 시스템에 대한 필요성이 있다.

다른 난제는 또한 종종 동일한 로봇암의 대각선으로 맞은편 수직 위치들을 필요로 하는 피용접 피스의 복잡한 기하학적 형태로부터 발생된다. 명백히, 이 암을 피스를 향해 이동시키는 액츄에이터는 전체 용접기기의 중력으로 인해 각각의 하방 및 상방 방향에 해당하는 다른 모멘트를 가한다. 암을 작동하는 힘을 제어하는 공지의 방법들은 암의 소정 위치를 나타내는 데이터를 수동으로 입력하는 것을 포함한다. 수동 동작은 부정확할 수 있고 시간소모적일 수 있다.

따라서, 암 이동단계의 자동화를 위한 또 다른 필요성이 있다.

본 명세서에 개시된 수동 조종가능한 솔기 스텝퍼는 상술한 필요성들 모두를 해결한다. 개시된 용접 시스템은 용접이 수행되는 소정 위치로 시스템을 전달하도록 동작될 수 있는 로봇에 착탈식으로 실장된다.

크로스제트 문제를 해결한 본원의 일태양에 따르면, 가압 기류가 길이방향 축에 나란한 광 가이드 채널에 강제된다. 이하 "오버제트"라고 하는 이런 수송 기술은 실질적으로 중앙 영역과 외주 영역 간에 압력 그래디언트를 없앤다. 그 결과, 광학 헤드의 보호 윈도우를 향해 흐르는 작은 입자들 또는 파편들이 기류에 의해 효과적으로 되돌려져 보호 윈도우의 수명을 늘리고 빔 품질에 영향을 주지 않는다. 더욱이, 개시된 오버제트 구성을 이용해 크로스제트 구조와 관련된 높은 수준의 소음이 상당히 감소된다.

오버제트 이외에 또 다른 태양에 따르면, 상대적으로 큰 용접 파편들을 제거하고 오버제트에 나란히 흐르는 또 다른 기류가 터널을 횡단한다. 터널내에 음압을 형성하는 펌프가 저속으로 큰 부피의 주변 공기를 오버제트에 나란한 터널의 상류 단부로 가이드한다. 터널로부터 양 기류를 배기하는 배기구가 용접영역에 가까이 위치해 있기 때문에, 상기 기류들은 배기구를 통해 크기가 다른 용접 파편들을 수송한다.

또 다른 태양은 솔기 스텝퍼의 동작에 관한 것이다. 겹쳐진 피용접 금속 피스들은 빔 출력이 너무 높으면 태워질 수 있고, 반대로 빔 출력이 너무 낮으면 접합이 약해질 수 있다. 빔 출력이 너무 높으면, 더 많은 양의 레이저 복사가 피스를 관통해 태워진 상대적으로 큰 채널을 횡단한다. 출력이 낮으면, 상대적으로 낮은 량의 레이저 복사는 피스를 겨우 지나간다.

상술한 바를 기초로, 본원은 용접영역 뒤에 나란히 배치된 광검출기를 교시하고 있다. 피드백 루프를 이용해, 감지된 레이저 복사는 처리되고 기준값과 비교된다. 제어신호는 그런 후 레이저 시스템의 전력 소스에 결합되어 출력 전력을 변경하고 솔기에 소정의 품질을 제공한다.

피용접 피스들은 일반적으로 약간 잘못 배치되므로, 로봇이 소정 위치로 가이이드되어 피스들과 맞물릴 경우, 피스들이 서로 미는 소정의 압력에 미치지 못하게 된다. 로봇의 위치에 대한 피스들의 위치지정 에러를 보상하기 위해, 공지의 종래 기술은 로봇을 조정해 피스들의 현재 위치에 대해 그 위치를 조절하는 것을 교시하고 있다. 이런 조절은 시간 소모적이고 공정의 효율에 영향을 준다.

본원의 용접 시스템은 소정의 위치를 확립하기 위한 다른 접근을 갖는다. 2개의 그립핑 암들을 갖는 용접 시스템의 구성에서, 암들은 조절가능하게 이동될 수 있어, 피스들이 소정 높이보다 낮으면, 공압작동 암은 소정 높이로 피스들을 올린 후 전기작동 암이 이 높이로 가이드된다. 반대로, 피스들이 소정 높이보다 약간 높으면, 전기작동 암은 암들이 소정 압력으로 서로를 향해 피스를 미는 각각 반대방향 힘을 작용하는 소정 높이로 피스를 데려온다.

공압작동 암은 사전 스트레스된다. 따라서, 이동은 암이 위 또는 아래로 이동하는지 여부에 따라 암에 가해지는 다른 힘들을 필요로 한다. 중력이 암에 가해진 힘의 방향과 동일 방향에 있으면, 사전 스트레스된 힘을 약간 초과한 상대적으로 미미한 힘이 발생된다. 그렇지 않으면, 생성된 힘은 실질적으로 사전 스트레스된 힘보다 더 크다. 상술한 바를 기초로, 본원의 시스템에는 용접 시스템의 감지된 위치를 기초로 소정의 힘을 발생하는 공압펌프에 결합되는 제어신호를 발생하도록 동작하는 위치감지장치가 제공된다.

본 발명의 내용에 포함됨.

본원의 장치의 상기 및 다른 특징들은 도면과 함께 하기의 상세한 설명으로부터 더 즉시 명백해진다.
도 1은 본원의 레이저 용접 시스템의 엑소노메트릭(axonometric) 도면이다.
도 2a-2c는 각각 전기작동되는 암의 단면도, 측입면도 및 평면도이다.
도 3a-3c 및 도 4a-4c는 본원의 용접 시스템의 동작 원리를 도시한 것이다.
도 5는 로봇 위치에 대해 피용접 피스의 위치를 조절하도록 동작하는 공압장치의 도면이다.
도 6은 용접품질 제어 시스템의 동작을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본원의 용접기의 공압작동 암의 도면이다.
도 8은 용접위치에 도시된 그립핑 암을 갖는 본원의 용접 시스템의 엑소노메트릭 도면이다.
도 9는 전기작동 암의 동작을 나타내는 본원의 용접 시스템의 측면도이다.
도 10은 본원의 스텝퍼의 도식적 측면도이다.
도 11은 압력단부 피스의 직각도면이다.
도 12는 본원의 용접 시스템의 동작의 흐름도이다.

첨부도면에 도시된 본원의 몇몇 실시예들을 상세히 참조한다. 가능하다면 어디서나, 동일 또는 유사한 부분 또는 단계들을 언급하기 위해 동일 또는 유사한 참조부호가 도면 및 명세서에 사용된다. 단지 편의성과 명확히 하기 위해, 방향(위/아래 등) 또는 운동(전방/후방 등) 용어는 도면 종이의 면에 대해 사용되었다. 이들 및 유사한 방향 용어들은 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 도면은 간략한 형태이며 정확한 비율로 되어 있지 않다.

도 1은 스텝퍼(10)를 로봇에 결합시키는 마운트(18)로 구성된 컴팩트한 레이저 솔기 스텝퍼(10)를 도시한 것이다. 실장된 상태에서, 로봇은 하기에 더 상세히 개시된 바와 같이 회전축(A-A) 주위로 스텝퍼(10)를 회전시키고 길이방향 축(B-B)을 따라 스텝퍼를 직선으로 이동시킬 수 있다. 2개의 그립핑 암들, 즉, 전기작동 암(14) 및 공압작동 암(16)은 kN 수준의, 가령 약 3kN에 달하는 적절한 힘으로 서로를 향해 피용접 금속 피스들을 가압할 수 있는 그립핑 유닛을 정의한다. 암은 지지 어셈블리(12)에 착탈식으로 실장된다. 고출력 광섬유 레이저와 같은 레이저 소스는 수 킬로와트 수준의 가령 약 4000W까지의 단일모드 또는 다중모드 레이저 빔을 방출하도록 구성된다. 그러나, 하기에 개시된 바와 같이, 스텝퍼는 용접이 수행될 경우 레이저 방출이 외부로 흐르는 것을 막는 환경안전장치로 구성되며, 이는 개시된 스텝퍼를 Class 1 레이저 시스템으로 분류한다. 전반적으로, 스텝퍼(10)는 양 암(14 및 16)과 각각 어셈블리될 때 약 45kg까지 무게가 나가며, 피용접 피스들이 고정 지지체에 실장될 경우 발생할 수 있는 단 하나의 전기작동 암(14)과 동작할 경우에는 그보다 덜하다.

암(14 및 16)은 각각 가장 멀리 떨어져 있는 홈위치와 암이 용접되는 각각의 정면 및 후면 피스들에 접하는 용접 위치 사이에 움직인다. 용접동안, 스텝퍼(10)는 약 40-50mm까지 레이저 워블 솔기를 형성함으로써 2 이상의 피스들을 결합하도록 구성된다. 솔기가 용접됨에 따라, 레이저 방출은 시간의 각 지점에서 작은 임시 통로가 피스들을 통해 형성되기 때문에 용융된 금속 피스들을 통해 전파할 수 있다. 빔이 통로 위치에서 치워진 다음, 용융된 재료는 통로를 메우며 다시 흐른다.

도 2a-2c를 참조하면, 이동식 암(14)은 그립핑 기능 이외에, 이 암의 내부는 레이저 빔과 유체 흐름에 대한 가이드로서 이용된다. 가스성 매질의 기류들 중 하나는 광전파 방향에 반대 방향으로 용접영역으로부터 산란된 스파크 및 작은 입자들 또는 파편들로부터 광학 헤드(20)의 출력 단부에 실장된 보호 유리 윈도우의 노출을 막거나 적어도 실질적으로 최소화하기 위해 형성된다. 가압 기류의 압력보다 더 낮은 압력으로 제 1 기류에 나란히 이동하는 다른 기류는 더 큰 입자를 다룬다.

암(14)은 암의 입력 및 출력 단부 사이에 스텝퍼의 길이방향 축(B-B)을 따라 뻗어 있는 터널(22)을 정의하는 중공 세장 내부로 구성된다. 암은 암(14)을 하기에 언급된 축방향으로 이동가능한 지지 플레이트에 착탈식으로 결합하는 플랜지(26)에 의해 덮인 하우징(24)(도 2b)을 포함한다. 하우징 구조는 일체로 또는 다수의 구성요소들로 조립될 수 있다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 하우징(24)은 용접영역을 향해 테이퍼진 전반적으로 원뿔형의 2 부분의 구조를 포함한다.

도 2b에 도시된 바와 같이 플랜지(26)는 입력단부(28)(도 2a)에 후미지고, 하우징(24)(도 2b)의 (공기경로 및 광경로를 따라) 상류 단부에 겹쳐진 축방향으로 뻗어 있는 숄더(30)로 종결되는 다단 외벽으로 구성된다. 짧은 T형 튜브(32)(도 2a)는 플랜지(26)의 오목 단부에 수용되고 하우징(24)의 상류 단부를 축방향으로 겹치고 이 단부로부터 반경방향 안쪽으로 이격되도록 내부로 뻗어 있다.

하우징(24), 플랜지(26), 및 튜브(32)의 상대 위치는 상대적으로 큰 제 1 환형공간(34)(도 2c)과 단부 중 하나에 의해 환형공간(34)에 개방되고 다른 하나에 의해 하우징(24)의 내부에 개방되는 상대적으로 좁은 통로(36)를 정의한다.

환형공간(34)은 반경방향으로 뻗어있는 유입구(36)를 통해 공기와 같이 가압 가스성 매질의 제트를 수용한다(도 2b). 가압 공기제트가 공간(34)을 채우기 때문에, 축방향 통로(36)를 통해 축(B-B)에 나란한 하우징(24)의 내부 또는 터널(22)로 흐른다. 가압 공기가 터널을 통해 흐르기 때문에, 압력은 실질적으로 대기압으로 떨어진다. 터널을 따른 초기 가압 기류의 축방향 운송 및 다른 흐름을 이하 "오버제트"라 한다. 오버제트는 작은 용접 파편들이 광학 헤드(20)의 보호 유리 윈도우에 손상을 주는 것을 막으며, 이는 레이저 헤드의 수명을 극적으로 증가시킨다.

레이저 헤드(20)는 500mm 레이저 빔을 수용하도록 구성되고, 약 100 mm 조준길이와 약 250-300 mm 초점길이를 갖는다. 이들 파라미터들은 예로서 주어져 있으나, 이들은 보호 윈도우가 공지의 종래 기술의 거리보다 더 먼 거리로 용접영역으로부터 이격되게 한다.

이동식 암(14)의 구성은 용접영역에서 발생한 작은 입자들 이외에, 큰 입자들도 또한 제거하기 위해 터널에 음압을 생성하게 한다. 이런 압력은 하우징(24)의 상류 영역을 따라 또는 심지어 공기 가이드로서 광학 헤드를 이용해 어디에나 제공된 도 2b에 대시 화살표로 도식적으로 나타낸 공기 유입구(38)를 이용해 형성될 수 있다. 이 제 2 기류는 가압 공기의 제 1 기류의 압력보다 더 낮은 압력으로 및 저속으로 상술한 바와 같이 터널로 들어간다. 바람직하기로, 제 2 기류는 대기압 하에 있다. 결국, 제 2 기류의 압력은 공지의 장치들에서 고속으로 터널에 들어가는 가압 크로스제트에 대해 일반적인 공기 볼텍스가 제공되도록 선택된다.

도 2a에 더 잘 나타난 흡기 배출구(40)는 압력단부 피스(42)에 가까운 하우징(24)내에 있는 터널(22)에 개방되고 터널(22)의 상류와 하류 단부 사이에 압력 그래디언트를 형성하도록 호스(46)를 통해 소스(44)에 의해 발생된 외부 음압과 유체소통한다. 제 2 기류(38)(도 2b)는 터널내 오버제트의 공기 부피를 실질적으로 초과한 부피로 터널(22)에 흡기된다. 양 기류들은 축방향으로 단방향이고 실질적으로 터널을 따른 공기 통로의 더 큰 스트레치를 따라 같거나 상대적으로 낮은 압력 하에 있다. 오버제트, 저속 및 큰 부피의 제 2 기류와 양 기류의 균일한 방향이 조합해 기류들 간의 간섭을 없애고, 작고 큰 용접 파편들의 효과적 배기를 제공하며 터널을 가로지르는 레이저빔의 품질에 영향을 주지 않는다.

도 3 및 도 4를 모두 참조하면, 스테퍼(10)의 동작은 도 3a-4a에 더 잘 도시된 바와 같이 중첩된 금속 피스들(50)의 그룹을 향한 이동으로 시작한다. 공압작동 암(16)(도 4a)은 피스들(50) 너머로 가장 낮은 위치로 떨어진다. 이 암의 이런 이동은 워크피스들의 면 너머로 이 암을 더 낮출 수(높일 수) 없는 공지의 스텝퍼로 종종 발생한 바와 같은 스텝퍼(10)와 피스 스택들(50) 간에 충돌을 방지한다. 또한 홈 위치라고 하는 이 위치에서, 전기작동 암(14)은 도 3a 및 4a 모두에서 보여진 바와 같이 작동하지 않는다.

도 3b 및 4b를 참조하면, 암(16)이 피스들(50)과 나란히 배치된 후, 공압장치가 피스를 향해 바람직하게는 피스들과 접촉해 이동시킨다. 초기에, 피스들(50)의 위치가 약간 소정 위치에서 벗어나더라도, 암(16)은 소정 위치에 피스들을 데려온다. 전기작동 암(14)은 여전히 작동하지 않는다.

도 3c 및 4c는 전기작동 암(14)이 피스들에 대해 밀도록 배치되는 최종 위치지지정 동작을 도시한 것이다. 따라서, 암은 대각선으로 대향해 있고 부분적으로 서로를 보상하는 힘들을 생성하고, 이는 로봇 지지체(12)에 하중을 실질적으로 줄인다. 더 중요하게, 피스들(50)은 초기에 이들이 소정 위치에에서 벗어나 위치될 수 있더라도 서로에 신뢰할 수 있게 가압된다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 이동식 암(16) 및 작동 장치는 피스들과 로봇 간의 피할 수 없는 위치 에러에 대한 보상기로서 기능한다. 용접이 완료된 후, 일련의 상술한 동작은 거꾸로 된다.

도 5는 암(16)을 작동하는 공압장치(52)를 도시한 것이다. 구조적으로, 스텝퍼(10)는 본 출원과 공동소유되고 명세서에 참조로 완전히 합체된 EP 2149421B1에 개시된 스텝퍼의 무게의 적어도 절반이다. 그럼에도 불구하고, 구조적 강도는 대략 상술한 기준에 개시된 스텝퍼의 강도와 같거나 심지어 더 낫다.

실질적으로 스텝퍼의 이동와 관련된 모든 힘들이 중앙 컬럼(54)에서 막히는 폐쇄 기계 운동회로를 형성함으로써 질량 감소가 달성되었다. 예컨대, 스텝퍼를 로봇에 결합하는 마운트(18)가 컬럼에 직접 결합된다. 레이저 광학 헤드, 암(14)의 전기 액츄에이터, 측면들 중 하나에 소정의 길이의 사인형 빔을 제공하기 위한 워블링 및 선형 구동 장치들, 및 맞은편에 암(14)을 실은 프레임(56)은 가령 레일(58) 상에 컬럼(54)의 일측을 따라 슬라이드식으로 가이드된다. 암(16)을 동작하기 위한 공압장치(52)가 다른 측면에 배치된다.

공압장치(52)는 도 4a의 홈 위치에 있는 거리에 해당하는 암(14)의 가장 먼 거리에서 유지하며 암(16)의 스텝퍼(12)의 무게와 실질적으로 같은 힘을 발휘하는 2개의 사전 스트레스된 스프링(60)으로 구성된다. 각 스프링의 대향 단부들 중 하나는 암(16)에 탈부착식으로 고정된 반면, 다른 단부는 지지 컬럼(54)에서 밀링된 채널(62)을 따라 슬라이딩할 수 있다.

2개의 공압 실린더(64)가 각각의 스프링(60)과 정렬된다. 홈 위치에서, 실린더(64)는 전체 신장을 가능하게 하는 스프링에 의해 발생된 압력보다 더 낮은 압력 하에 있다. 하부 암(16)은 피용접 워크피스를 향해 이동될 필요가 있는 경우, 실린더(64)내 압력은 암(16)이 워크시트와 접촉하고 암(16)이 하부 암이고 피스들이 로봇에 대해 소정 위치 아래에 배치된 경우 이들을 위로 옮기도록 스프링(60)이 가압되는 기설정된 수준으로 증가된다. 피스들이 초기에 소정 위치 위에 배치되면, 암(16)은 도 3a, 3c 및 4c에서 알 수 있는 바와 같이 용접위치로 옮겨지고, 피스들은 상부의 전기작동 암(14)에 의해 아래의 용접위치로 옮겨진다.

실린더(64)에 생성된 압력은 스텝퍼(12)의 위치에 따른다. 스텝퍼가 다른 암(14)에 대해 암(16)이 하부 암이 되는 위치에 있으면, 상대적으로 작은 힘이 암(16)을 피스(50)를 향해 이동시키도록 스프링에 가해져야 한다. 반대로, 암(14) 위에 암(16)이 있으면, 스프링에 가해지고 스프링을 가압하기에 충분한 발생 힘은 스프링력의 약 2배이다. 공지의 스텝퍼에서, 일반적으로 조작자가 수동으로 위치관련 데이터를 주입한다.

개시된 스텝퍼(12)에서, 암의 위치는 위치지정 센서 시스템(66)에 의해 자동으로 결정된다. 위치가 감지되면, 센서(66)에 의해 발생된 신호가 중앙처리장치 또는 컨트롤러에 수신되고 소정의 압력이 실린더(64)에 형성된다. 용접을 마친 후, 스프링은 초기 위치로 옮겨진다.

도 6은 솔기 품질 제어 시스템의 동작을 도시한 흐름도를 도시한 것이다. 레이저 빔과 피용접 피스가 기설정된 길이를 따라 서로에 대해 그리고 기설정된 주파수에서 워블링하는 광학 헤드와 함께 이동됨으로써, 빔은 겹쳐진 시트를 녹여 전면 및 후면 워크피스를 통해 뻗어 있는 통로를 형성한다. 빔이 더 움직임에 따라, 용융된 금속은 통로를 메우게 다시 흐르나, 통로를 레이저 빔이 지나간 후이다. 통과된 레이저 빔의 측정강도는 용접의 품질을 나타낸다. 측정된 강도가 기준값보다 더 크면, 후술된 바와 같이, 통로가 너무 크고 레이저의 출력전력이 감소된다. 반대로, 측정된 강도가 기준값보다 낮으면, 출력 레이저 전력이 증가한다.

레이저 방출은 증폭기(72)에서 증강되고 또한 아날로그-디지털 컨버터(74)에서 변환된 신호를 발생하는 광검출기(70)에 의해 감지된다. 측정된 광은 광 피크에 해당하는 높은 강도로 더 높거나 더 낮은 강도를 갖는다. 신호의 평균(Vav) 및 피크(Vpeak) 전력들은 마이크로 컨트롤러(76)에서 결정된다. 컨트롤러는 예컨대, 적분기 및 피크 검출 기능을 포함한 다양한 기능들을 수행할 수 있는 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 알려진 집적회로 타입일 수 있고 경량의 구조를 갖는다. 분석기(80)는 정해진 출력을 처리하고 Vav 대 Vpeak 비에 해당하는 제어신호를 출력한다. 상기 비는 피드백 회로(82)를 통해 중앙처리장치(84)로 다시 공급된다. 상기 비가 기준값보다 작거나 클 경우, 장치(84)는 빔 출력을 증가 또는 감소시키도록 동작할 수 있는 전력 소스에 결합된 제어신호를 출력한다.

도 7은 도 6의 솔기 품질 제어의 예시적인 구현을 도시한 것이다. 공압 암(16)에 검출기(70)를 수용하는 관통 네스트가 제공된다. 네스트는 중공 내부를 갖는 L형 암(16)의 베이스(86)에 형성된다. 용접 동안, 레이저 방출은 암의 하단에서 또는 암의 내부에 위치된 임의의 타입의 반사 스크린에서 반사된다. 반사광은 검출기(70)에 의해 감지된다. 상술한 제어 특징은 다른 구성으로 쉽게 구현될 수 있다. 암 대신, 용접영역 뒤에 제공되고 선택적으로 주변광과 고립된 내부를 갖는 임의의 광트랩 구성이 광검출기와 결합해 사용될 수 있다. 따라서, 개시된 싱글암 구성에 집적된 레이저도 또한 상술한 기술에 따라 제어될 수 있다. 더욱이, 반사광을 감지하는 대신, 검출기(70)는 입사광을 직접 감지하도록 위치될 수 있다.

용접 동안, 파편들은 바닥이 없는 압력단부 피스(88)를 통해 암의 구성요소(86)의 내부에 침투할 수 있다. 제거되지 않는다면, 누적된 파편들은 이 구성요소에 손상을 줄 수 있고 일반적으로 용접 품질에 악영향을 줄 수 있다. 누적을 방지하기 위해, 구성요소(86)의 중공 내부는 외부 펌프(90)와 유체소통한다. 펌프는 도 2a의 펌프(44)와 같은 펌프이거나 호스를 통해 파편들의 제거를 위해 충분한 압력 그래디언트를 생성하도록 동작하는 다른 펌프일 수 있다. 압력배출 기술 이외에, 구성요소(86)의 바닥은 누적된 파편들의 또한 제거를 위해 탈착될 수 있다.

도 8은 개시된 스텝퍼(12)의 구성요소들 중 일부를 도시한 것이다. 상술한 바와 같이, 중앙지지요소인 컬럼(54)이 스텝퍼의 이동과 관련된 모든 운동하중을 받는다. 무엇보다도 암들(14 및 16)을 지지하는 프레임(56)은 워블링 및 선형 구동장치(94 및 96)로 컬럼(54)을 따라 축방향으로 슬라이드하는 플레이트(92)를 포함한다. 전자모터는 트랜스미션(98)을 통해 플레이트(92)에 선형 힘을 가한다. 암(14)은 이동가능하게 플레이트(92)에 고정되고 어떤 레이저 복사도 단부 피스들의 기하학적 파라미터에 의해 정해진 용접영역을 벗어나지 않도록 각각의 암(14 및 16)의 압력단부 피스(88 및 100)가 전면 및 후면 워크피스에 접하는 용접위치에 선형으로 이동한다. 용접영역의 밀봉으로 kW 전력 수준에도 불구하고, 레이저는 Class 1 레이저로 보증된다.

도 9를 참조하면, 전기작동 암(14)은 초기에 암들 간의 거리가 가장 먼 홈 위치에 있다. 사용시, 암(14)은 전기모터(104)에 연결된 샤프트(102)의 작동시 제 1 선형 속도로 먼저 개방위치로 이동되며, 암(14)은 홈 위치의 거리보다 더 적은 거리로 암(16)에서 이격되어 있다. 샤프트(102)는 레일(110)을 따라 가이드되는 프레임(56)에 결합되고, 차례로 선형 베어링(108)을 통해 컬럼(54)에 실장된다. 암(14)의 개방위치로의 이동이 모니터되고 임의의 물체가 도중에 감지되면, 물체가 제거될 때까지 암은 멈춘다. 암(14)은 용접영역 및 이에 따라 제 1 속도보다 더 낮은 제 2 속도로 암(16)에 더 가까운 폐쇄위치로 더 이동된다. 폐쇄위치는 피스의 두께의 함수인 워크피스로부터 기설정된 거리에 해당한다. 마지막으로, 암(14)은 피스를 가압하는 용접/그립핑 위치로 옮겨진다.

도 10은 각각 단부 피스(88 및 100)가 워크피스와 완전히 접촉하지 않는다면 레이저를 발사하는 것을 막고, 암(14)의 단부 피스(100)가 손상되면, 이에 따라 적절히 동작할 수 없는 안전장치를 도시한 것이다. 안전장치는 암(14)의 압력 피스(100)에 결합되고 압력피스(100)의 각각의 측면을 따라 뻗어 있는 2개의 사전 스트레스된 축방향 이동가능한 컨택트(112)를 포함한다. 초기의 사전 스트레스된 조건에서, 양 컨택트(112)는 기설정된 거리에서 단부 피스(100)의 에지 너머로 뻗어 있다. 전면 워크피스 및 암(14)이 정확히 위치되면, 양 컨택트(112)는 워크피스의 표면과 접촉한다. 그러나, 위치가 정확하지 않으면, 컨택트(112) 중 적어도 하나가 워크피스를 가압하지 못해, 레이저가 발사될 수 없다.

안전장치는 각각의 컨택트(112)에 전기적으로 직렬연결된 와이어(114)를 더 포함한다. 이들 구성요소들 중 적어도 하나는 마이크로컨트롤러에 의해 수신된 신호를 발생하지 않으면, 회로는 개방된 상태로 있고 컨트롤러는 레이저의 전력 소스로 제어신호를 출력하지 않으면, 따라서 불활성 상태로 있다.

와이어(114)는 단부 피스의 외주 주위로 이어지는 폐쇄형 그루브에 단부 피스(100)의 에지로부터 짧은 거리에 실장된다. 단부 피스(100)가 손상되고 와이어(114)가 전면 워크피스의 표면과 직접 접촉하면, 레이저 소스를 발사하는 것을 막는 것이 쉽게 깨어질 것이다.

도 11은 단부 피스(100)를 도시한 것이나, 하기의 특징에 대한 설명은 또한 다른 단부 피스(88)와 관련 있다. 각각의 단부 피스들(88 및 100)의 접촉면이 과도한 마모에 노출되지 않는 것을 보장하기 위해, 보호 플레이트(101)가 접촉면에 결합된다. 플레이트(101)는 단단한 강철로 제조되고 접촉면에 용접될 수 있으며, 이는 필요하다면 플레이트의 교체를 복잡하게 할 수 있다. 바람직하기로, 플레이트(101)는 체결장치(103)에 의해 접촉면에 착탈식으로 실장된다.

플레이트(101)가 체결장치(103)에 의해 결합되면, 내부면은 와이어(114)를 수용하기 위해 그루브된다. 용접의 경우, 접촉면(103)과 플레이트(101) 사이에 튜브가 위치된 후 이들 플레이트가 용접된다. 와이어(114)는 그런 후 튜브를 통해 당겨진다. 플레이트(101)의 추가는 단부 피스의 실질적인 수명을 증가시킬 뿐만 아니라 본원의 장치의 어셈블리 및 유지 모두를 용이하게 한다.

도 12는 본원의 스텝퍼(10)의 동작을 도시한 것이다. 스텝퍼(10)의 제어 방식에 포함된 모든 컨트롤러들은 PLC(Programmable Logical Controller) 플랫폼을 기초로 한 다소 유사한 구성의 스텝퍼들 또는 건들에 비해 건(12)의 전체 어셉블리의 전체 무게를 상당히 줄이는 FPGA 플랫폼을 기초로 하고 있음을 아는 것이 가치 있다.

턴온 신호에 응답해, 가압 매질의 외부 소스는 120으로 도시된 전기작동 암(14)의 터널(22)(도 2a)내에 오버제트를 제공한다. 오버제트와 동시에 또는 연이어, 122 및 124에 각각 도시된 바와 같이 워크 피스에 소정의 압력, 용접 길이 및 워블링 주파수가 설정될 때까지 모터(104)(도 8)가 작동하고 동작한다. 상기 개시된 단계들 모두가 완료되었다면, 공압작동 암(16)은 피용접 워크피스의 면 너머로 이동되고 그런 후 각각의 단계(121 및 123)에 도시된 바와 같이 소정의 위치로 이동된다.

그런 후, 모터(104)는 부호(126)로 나타낸 바와 같이 홈 위치에서 개방위치로 암(14)을 이동시키기 시작한다. 암(14)이 상대적으로 고속으로 개방위치를 향해 움직이면, 경로를 따라 임의의 장애물들의 존재가 연속으로 128에서 제어된다. 130에서 암(14)의 폐쇄위치로의 다른 이동은 상대적으로 느린 속도로 제공된다. 마지막으로, 암(14)은 132에서 워크피스 상에 소정의 압력을 제공하기 위해 용접위치로 이동된다.

용접위치에서, 단부압력 피스(100)와 워크피스의 표면 간의 접촉이 134에 도시된 바와 같이 검증된다. 접촉 제어 후에 또는 전에, 펌프(44)(도 2a)는 용접 파편들과 함께 모든 기류들을 배기하는 압력 그레디언트를 생성하도록 작동된다. 상기의 모든 후에, 레이저는 빔을 출력하고 용접동작은 136으로 나타낸 바와 같이 개시된다. 용접동작 동안, 상기와 같이 개시되고 138로 표시된 바와 같이 솔기의 품질이 제어된다. 필요하다면, 빔의 출력이 140에서 조절된다. 공정이 끝나면, 각각의 초기 위치로 다시 복원되고 모든 액츄에이터들은 150에 도시된 바와 같이 턴오프될 수 있다.

가장 실용적이고 바람직한 실시예인 것으로 여겨지는 것이 도시되고 개시되었으나, 개시된 구성 및 방법은 당업자들에 떠오를 것이며 본 발명의 기술사상과 범위로부터 벗어남이 없이 이용될 수 있음이 명백하다. 예컨대, 광섬유 레이저에 대한 대안으로, 다른 타입의 종래 레이저들이 본원의 구성에 포함될 수 있다. 따라서, 본 발명은 가령 광섬유 레이저에 대해 기술되고 도시된 특별한 구성들에 국한되지 않고, 특허청구범위내에 있을 수 있는 모든 변형들과 부합하도록 해석되어야 한다.

Claims (20)

1. 2 이상의 겹쳐진 금속 피스들을 결합시키게 동작할 수 있는 레이저 솔기 스텝퍼로서,
   길이방향 축을 따라 뻗어 있는 세장 지지 컬럼;
   지지 컬럼을 따라 축방향으로 이동할 수 있고 광학 헤드의 보호 윈도우를 통해 경로를 따른 레이저 빔을 용접영역에 집속시키도록 구성된 광학기들이 제공된 광학 헤드; 및
   보호 윈도우의 하류에 경로를 따라 지지 컬럼에 실장되고, 용접위치에서 금속 피스들 중 하나에 대해 제 1 암이 가압하는 용접위치와 홈 위치와 간에 축방향으로 이동하도록 광학 헤드에 결합되며, 레이저 방출이 용접영역 밖으로 벗어나는 것을 방지하기 위해 용접영역을 둘러싸도록 구성되고, 개방식 상류 및 하류 단부로 구성되며 레이저 빔에 의해 축방향으로 횡단하도록 구성된 세장 터널, 가압 가스성 매질의 제 1 축방향 기류; 및 제 1 기류의 압력보다 더 낮은 공기 볼텍스의 형성을 방지하기 위해 선택된 제 2 압력의 가스성 매질의 제 2 축방향 기류를 정의하는 내주면으로 구성된 제 1 암을 구비하고,
   제 1 및 제 2 기류는 터널내 흐르는 용접 파편들과 보호 윈도우 간에 접촉을 실질적으로 최소화하는 레이저 솔기 스텝퍼.
2. 제 1 항에 있어서,
   터널의 하류 단부와 유체소통하고, 용접 파편들이 제 1 및 제 2 기류로 터널로부터 터널의 하류 단부를 통해 배출되도록 터널의 상류 및 하류 단부 사이에 압력 그레디언트 발생시 터널로부터 제 1 및 제 2 기류를 추출하도록 동작할 수 있는 제 1 진공소스를 더 구비하는 레이저 솔기 스텝퍼.
3. 제 1 항에 있어서,
   지지 컬럼에 착탈식으로 결합되고, 서로 정렬되며 각각의 제 1 및 제 2 암에 착탈식으로 실장되는 압력단부 피스들을 지지하는 제 1 및 제 2 재료를 더 구비하고, 압력단부 피스는 레이저 빔으로 용접 동작 동안 기설정된 힘으로 용접될 각각의 금속 피스들을 가압하는 레이저 솔기 스텝퍼.
4. 제 1 항에 있어서,
   피용접 피스를 관통하는 레이저 복사를 검출하도록 구성된 광검출기; 및
   광검출기로부터 신호를 수신하고, 측정된 강도가 기준값과 일치하지 않는다면, 레이저 빔의 출력이 조절되고 솔기의 품질이 향상되도록 전파하는 레이저 빔의 강도를 기준값에 일치시키게 동작될 수 있는 컨트롤러를 더 구비하는 레이저 솔기 스텝퍼.
5. 제 3 항에 있어서,
   제 2 암은 컬럼에 슬라이드식으로 실장되고 L형을 정의하도록 함께 결합되는 제 1 및 제 2 구성요소들로 구성되며, 제 2 구성요소는 전파하는 레이저 빔을 광검출기를 향해 반사하도록 구성된 중공 내부를 정의하는 내부 면으로 구성된 레이저 솔기 스텝퍼.
6. 제 5 항에 있어서,
   L형 암의 제 2 구성요소의 자유 단부와 유체소통하는 진공유닛을 더 구비하고, 진공유닛은 용접 파편들을 제거하기에 충분한 내부의 압력 그래디언트를 발생하도록 동작할 수 있는 레이저 솔기 스텝퍼.
7. 제 5 항에 있어서,
   L형 암은 바닥 이동 시 제거되는 용접 파편들을 수용하는 탈착식 바닥으로 구성되는 레이저 솔기 스텝퍼.
8. 제 5 항에 있어서,
   컬럼에 결합된 공압 액츄에이터를 더 구비하고, 충돌을 막기 위해 피용접 금속 피스들로부터 일 축방향으로는 제 2 암을 축방향으로, 반대 축방향으로는 피스를 향하게 옮기도록 동작할 수 있는 레이저 솔기 스텝퍼.
9. 제 8 항에 있어서,
   공압 액츄에이터는
   제 2 암이 반대 축방향으로 자발적으로 이동하는 것을 막는 제 1 힘을 발생하는 복수의 사전 스트레스된 스프링들; 및
   사전 스트레스된 스프링에 각각 결합되고, 제 2 힘을 가하도록 동작할 수 있어 제 2 힘이 제 1 힘을 초과할 경우 스프링이 반대 축방향의 제 2 암을 피스를 향해 옮기게 가압하는 복수의 공압 실리더들로 구성된 레이저 솔기 스텝퍼.
10. 제 8 항에 있어서,
    서로에 대해 암의 위치를 결정하도록 동작될 수 있는 위치지정 센서를 더 구비하고, 제 2 암이 제 1 암 아래에 있을 경우, 스프링에 가해지고 제 2 암을 옮기기에 충분한 제 2 힘은 제 2 암이 제 1 암 위에 있을 때의 제 2 힘보다 더 큰 레이저 솔기 스텝퍼.
11. 제 1 항에 있어서,
    제 1 암은
    외주면이 제공되고 하류 단부를 향해 테이퍼진 원뿔형 형태를 갖는 하우징;
    하류단부를 향해 협소해지고 하우징의 상류 영역과 축방향으로 겹치는 외벽으로 구성된 오목 플랜지; 및
    플랜지의 오목부에 수용되고, 플랜지와 함께 큰 환형공간 및 하우징과 함께 협소한 축방향 통로를 정의하도록 상류 단부와 겹치게 하우징에 축방향으로 뻗어 있는 T형 튜브로 구성되고,
    환형공간과 통로는 가스성 매질의 제 1 기류가 공간에 들어가고 통로를 통해 하우징의 하류 단부를 향해 터널로 축방향으로 더 흐르도록 유체소통하는 레이저 솔기 스텝퍼.
12. 제 11 항에 있어서,
    컬럼을 따라 지지 플레이트를 이동시키도록 동작할 수 있는 제 1 액츄에이터;
    소정의 길이가 솔기에 제공되도록 동작할 수 있는 제 2 액츄에이터; 및
    사인형 형태가 솔기에 제공되도록 동작하는 제 3 액츄에이터를 더 구비하고,
    액츄에이터는 지지 플레이트에 이동식으로 결합되는 레이저 솔기 스텝퍼.
13. 제 12 항에 있어서,
    제 1 액츄에이터는
    제 1 암이 제 1 피스로부터 제 1 거리로 이격된 홈 위치;
    제 1 암이 피스들로부터 제 1 거리보다 더 짧은 제 2 거리로 이격되는 개방위치;
    제 1 암이 개방위치와 피스들 사이에 위치된 폐쇄위치; 및
    제 1 암이 소정의 힘으로 워크피스를 가압하는 그립핑 위치를 포함한 복수의 이격된 위치들 중에 제 1 암을 직선으로 이동시키도록 동작되는 레이저 솔기 스텝퍼.
14. 제 12 항에 있어서,
    제 1 액츄에이터는 개방위치 및 폐쇄위치 간에 지지 플레이트의 선형 속도보다 더 큰 선형속도로 홈위치와 개방위치 사이에 지지 플레이트를 옮기도록 동작할 수 있는 레이저 솔기 스텝퍼.
15. 제 1 항에 있어서,
    레이저 빔을 방출하는 광섬유 레이저를 더 구비하는 레이저 솔기 스텝퍼.
16. 제 3 항에 있어서,
    각각의 압력단부 피스들의 접촉면에 단단한 강철로 제조된 보호 플레이트가 제공되고, 상기 플레이트는 각각 접촉면에 착탈식으로 부착되는 레이저 솔기 스텝퍼.
17. 용접영역내 용접을 형성하기에 충분한 전력으로 레이저 빔을 출력하는 단계;
    후면에 용접영역을 통해 전파하는 광을 감지하는 단계;
    감지된 광에 응답해 신호를 발생하는 단계;
    신호를 기준값과 비교하는 단계; 및
    기설정된 강도의 용접이 생성되도록 레이저 소스의 전력을 증감하는 단계를 포함하는 복수의 겹쳐진 워크피스들을 기설정된 강도의 용접과 함께 용접하는 방법.
18. 하나 이상의 금속 피스들을 기설정된 강도의 용접으로 결합하기 위한 레이저 솔기 스텝퍼로서,
    광빔을 방출하는 레이저 소스;
    용접영역을 향해 광을 가이드하여 워크피스들을 결합하는 용접을 발생하도록 구성된 터널을 형성하는 내부가 제공된 적어도 하나의 암;
    용접영역의 후면에 위치된 광트랩;
    트랩에 결합되며 용접영역을 통해 전파하는 광을 감지하고 광 감지시 신호를 출력하도록 동작되는 광센서; 및
    감지된 광을 수신하고 이를 기준값과 비교하며, 빔의 전력을 조절해 기설정된 강도의 용접을 발생하도록 레이저 소스에 결합된 제어신호를 출력하도록 동작할 수 있는 컨트롤러를 구비하는 레이저 솔기 스텝퍼.
19. 기설정된 거리에서 서로 이격된 2 이상의 금속 피스들을 결합하기 위한 솔기 스텝퍼로서,
    길이방향 축을 따라 뻗어 있는 세장 지지 컬럼;
    지지 컬럼을 따라 축방향으로 이동될 수 있고 경로를 따라 용접영역에 레이저 빔을 집속시키도록 구성된 광학기가 제공된 광학 헤드;
    경로를 따라 지지 컬럼에 실장되고, 용접 동안 레이저 방출이 용접영역 밖으로 벗어나는 것을 방지하고 피스 간의 거리를 보존하기 위해 기설정된 힘으로 방출영역 앞에 있는 전면 금속 피스들을 암이 가압하는 용접위치로 광학 헤드와 함께 이동할 수 있는 제 1 암;
    용접영역의 뒷면에 후면 금속 피스와 나란히 배치되고, 용접영역을 통해 전파한 광방출을 수용하며 수용된 방출이 트랩 밖으로 나가는 것을 막도록 구성된 내부를 갖는 레이저 방출 트랩;
    트랩에 연결되고 내부에 방출을 감지하도록 동작하는 센서; 및
    센서로부터의 신호와 기준값을 일치시키고 금속 피스들 간에 기설정된 거리를 유지하기 위해 힘을 조절하도록 제어신호를 출력하게 동작할 수 있는 컨트롤러를 구비하는 수동 조종가능한 레이저 솔기 스텝퍼.
20. 기설정된 강도의 용접으로 2 이상의 금속 피스들을 결합하기 위한 솔기 스텝퍼로서,
    길이방향 축을 따라 뻗어 있는 세장 지지 컬럼;
    지지 컬럼을 따라 축방향으로 이동될 수 있고 경로를 따라 용접영역에 레이저 빔을 집속시키도록 구성된 광학기가 제공된 광학 헤드;
    경로를 따라 지지 컬럼에 실장되고, 용접 동안 레이저 방출이 용접영역 밖으로 벗어나는 것을 방지하기 위해 기설정된 힘으로 방출영역 앞에 있는 전면 금속 피스들을 암이 가압하는 용접위치로 광학 헤드와 함께 이동할 수 있는 제 1 암;
    용접영역의 뒷면에 후면 금속 피스와 나란히 배치되고, 용접영역을 통해 전파한 광방출을 수용하며 수용된 방출이 트랩 밖으로 나가는 것을 막도록 구성된 내부를 갖는 레이저 방출 트랩;
    트랩에 연결되고 내부에 방출을 감지하도록 동작하는 센서; 및
    센서로부터의 신호를 수신하고 이를 기준값을 일치시키도록 동작할 수 있으며, 방출 전력을 조절하도록 제어신호를 출력하는 컨트롤러를 구비하는 솔기 스텝퍼.

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