KR20180112546A

KR20180112546A - 레이저 가공 시스템 및 레이저 가공 방법

Info

Publication number: KR20180112546A
Application number: KR1020170043780A
Authority: KR
Inventors: 윤태재; 이재영; 김기호; 최다빈
Original assignee: 주식회사 이오테크닉스
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-10-12
Also published as: KR102070726B1; TW201841707A; WO2018186627A1; TWI681836B

Abstract

레이저 가공 방법이 개시된다. 개시된 레이저 가공 방법은 가공 방향을 따라 배열된 레이저 조사부와 높이 측정부를 이용하여, 가공 대상물에 대한 높이 측정과 레이저 가공을 동시에 진행할 수 있다.

Description

레이저 가공 시스템 및 레이저 가공 방법{Laser processing system and laser processing method}

본 발명은 가공 대상물의 굴곡에 따라 높이 조절이 가능한 레이저 가공 시스템 및 레이저 가공 방법에 관한 것이다.

레이저 가공이란 집광렌즈를 이용하여 레이저 빔을 하나의 초점 형태로 집광시키고 그 초점을 가공 대상물의 표면 또는 내부에 조사하여 가공하는 방식이다.

레이저 빔을 하나의 초점에 집광하여 가공하면 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문에, 그 레이저 빔의 초점을 이용하여 제품을 절단하거나 제품 표면에 마킹 가공하는 것이 가능해진다. 집광된 레이저 빔의 크기는 레이저 빔의 파장, 집광렌즈의 초점거리, 입사되는 레이저 빔의 직경 등에 따라 달라지는데, 레이저 빔은 집광된 초점 위치에서 가공을 실시해야 보다 정밀하고 안정적인 가공품질을 얻을 수 있다.

다만, 가공 대상물이 휘어지는 등 다양한 요인에 의해 가공 대상물의 부위별 높이가 달라질 수 있다.

레이저 가공 시 가공이 이루어지는 높이를 심도(Depth of Focus: DOF)라고 하는데, 가공되는 제품의 표면이 초점 위치에서 벗어나게 되면 가공이 되지 않거나 가공 품질에 악영향을 주게 되므로, 레이저 빔이 조사되는 레이저 조사부와 가공 대상물 사이가 일정하게 유지되는 것이 중요하다.

레이저 조사부와 가공 대상물 사이의 거리를 일정하게 유지하기 위하여, 먼저 가공 대상물의 부위별 높이를 모두 측정한 후, 측정된 데이터를 바탕으로 레이저 조사부의 높이를 조정하며 레이저 빔을 조사할 수 있다.

그러나, 이러한 방식에서는, 가공 대상물의 부위별 높이를 측정하기 위한 데이터 취득 동작과 레이저 빔을 조사하는 가공 동작을 따로 수행하게 된다. 그에 따라, 가공 대상물이 레이저 헤드를 적어도 2 번 지나가야 하는 번거로움이 있으며, 이로 인해 가공 시간을 줄이는 데 한계가 있었다.

본 발명은 가공 대상물의 부위별 높이 측정을 위한 데이터 취득 동작과 레이저 빔을 조사하는 가공 동작을 동시에 수행함으로써, 가공 대상물에 대한 가공 시간을 줄일 수 있는 레이저 가공 시스템 및 레이저 가공 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 레이저 가공 방법은,

가공 방향을 따라 배열된 레이저 조사부와 높이 측정부를 이용하여, 가공 대상물에 대한 높이 측정과 레이저 가공을 동시에 진행하는 레이저 가공 방법으로서,

상기 높이 측정부에 의해 상기 가공 대상물의 제1 영역의 높이를 측정하는 단계;

상기 가공 대상물을 상기 레이저 조사부 및 상기 높이 측정부에 대해 상대 이동시켜, 상기 가공 대상물의 제1 영역 상에 상기 레이저 조사부를 위치시키고 상기 가공 대상물의 제1 영역과 다른 제2 영역 상에 상기 높이 측정부를 위치시키는 단계;

상기 레이저 조사부가 상기 제1 영역 상에 도달할 때, 상기 높이 측정부에 의해 측정된 상기 제1 영역의 높이를 기초로, 상기 레이저 조사부 및 상기 높이 측정부의 높이를 조절하는 단계; 및

상기 레이저 조사부가 상기 제1 영역에 레이저 빔을 조사하는 동안, 상기 높이 측정부는 상기 제2 영역의 높이를 측정하는 단계;를 포함하며,

상기 제2 영역의 높이를 측정하는 단계에서는,

상기 높이 측정부가 측정한 상기 제2 영역에 대한 측정 데이터에 상기 높이 측정부의 높이 변화를 반영하여 상기 제2 영역에 대한 높이 정보를 산정할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 높이 측정부의 높이가 증가하거나 감소하였을 때, 상기 높이 측정부에 의해 측정된 상기 제2 영역에 대한 측정 데이터에 상기 높이 측정부의 변화된 높이를 빼거나 더해서 상기 제2 영역에 대한 높이 정보를 산정할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 영역은 상기 가공 대상물의 일 단부 영역이며, 상기 제1 영역이 상기 높이 측정부를 지난 후 상기 레이저 조사부에 도달하기 전에, 상기 레이저 조사부의 높이를 조절하기 시작할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 레이저 조사부가 상기 제1 영역의 소정 지점에 레이저 빔을 조사하는 목표 높이에 도달할 수 있도록, 상기 레이저 조사부의 높이가 상기 목표 높이에 도달할 때까지 상기 레이저 조사부의 높이를 복수 회 변경할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 레이저 조사부의 높이 변경은 복수 회에 걸쳐 소정의 단위 높이씩 변경할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 높이 측정부는 소정 거리의 측정 간격마다 상기 가공 대상물의 높이를 측정하며, 상기 레이저 조사부의 높이 변경 횟수는, 상기 높이 측정부와 상기 레이저 조사부 사이의 거리를 상기 높이 측정부의 상기 측정 간격으로 나눈 값보다 작을 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 가공 대상물에 대한 높이 정보는, 상기 높이 측정부에 의해 측정된 측정 데이터들에 대한 이동 평균을 이용하여 산정될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 레이저 가공 시스템은,

가공 대상물이 탑재되는 작업 테이블;

상기 가공 대상물의 영역 별 높이를 측정하는 높이 측정부;

상기 가공 대상물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사부;

상기 레이저 조사부와 상기 높이 측정부가 가공 방향을 따라 배열되도록 지지하는 헤드부;

상기 헤드부의 높이를 조절하기 위한 승강 구동부; 및

상기 승강 구동부의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하며,

상기 작업 테이블 및 상기 헤드부 중 적어도 하나가 상기 레이저 빔의 광축 방향과 교차하는 방향으로 이동 가능하며,

상기 높이 측정부는 상기 헤드부의 높이 변화에 따라 높이가 달라지며,

상기 제어부는, 상기 높이 측정부에 의해 측정된 측정 데이터에 상기 높이 측정부의 높이 변화를 반영하여 상기 가공 대상물의 높이 정보를 산정하고, 상기 높이 정보에 기초하여 상기 승강 구동부를 제어할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 높이 측정부의 높이가 증가하거나 감소하였을 때, 상기 높이 측정부에 의해 측정된 측정 데이터에 상기 높이 측정부의 변화된 높이를 빼거나 더해서 상기 가공 대상물의 높이 정보를 산정할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 가공 대상물은 상기 레이저 조사부에 대해 상기 레이저 빔의 광축 방향과 교차하는 방향으로 이동되며, 상기 제어부는, 상기 가공 대상물의 일 단부 영역이 상기 높이 측정부를 지난 후 상기 레이저 조사부에 도달하기 전에, 상기 레이저 조사부의 높이를 조절하기 시작하도록 상기 승강 구동부를 제어할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 레이저 조사부가 상기 가공 대상물의 소정 지점에 레이저 빔을 조사하는 목표 높이에 도달할 수 있도록, 상기 레이저 조사부의 높이가 상기 목표 높이에 도달할 때까지 상기 레이저 조사부의 높이를 복수 회 변경하도록, 상기 승강 구동부를 제어할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 레이저 조사부의 높이 변경이 복수 회에 걸쳐 소정의 단위 높이씩 변경되도록, 상기 승강 구동부를 제어할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 높이 측정부에 의해 측정된 측정 데이터들에 대한 이동 평균을 이용하여 상기 가공 대상물에 대한 높이 정보를 산정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템 및 레이저 가공 방법은, 가공 대상물의 부위별 높이 측정을 위한 데이터 취득 동작과 레이저 빔을 조사하는 가공 동작을 동시에 수행함으로써, 가공 대상물에 대한 가공 시간을 줄일 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 레이저 가공 시스템의 일 예를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 가공 대상물의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 비교예에 따른 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 레이저 가공 시스템의 작동을 개념적으로 나타낸 도면이며,
도 5a 내지 도 5c는 도 4의 레이저 가공 시스템의 동작을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 3a 및 도 3b의 비교예에 따른 레이저 가공 시스템의 레이저 가공 시간의 예를 나타낸 그래프이며,
도 7은 도 4의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템의 레이저 가공 시간의 예를 나타낸 그래프이다.
도 8은 소정 시점에 레이저 조사부의 높이를 변경한 예를 나타낸 그래프이며,
도 9는 소정 시점 이전부터 레이저 조사부의 높이를 변경한 예를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.

“제1”, “제2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. “및/또는” 이라는 용어는 복수의 관련된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 항목들 중의 어느 하나의 항목을 포함한다.

도 1은 실시예에 따른 레이저 가공 시스템(100)의 일 예를 개념적으로 도시한 도면이다. 도 2는 가공 대상물(TA₀)의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 레이저 가공 시스템(100)은 가공 대상물(TA₀)이 탑재되는 작업 테이블(10)과, 가공 대상물(TA₀)에 레이저 빔(L)을 조사하는 레이저 조사부(20)를 포함한다.

작업 테이블(10) 및 레이저 조사부(20) 중 적어도 하나는 레이저 빔(L)의 광축 방향과 교차하는 방향으로 이동할 수 있다.

일 예로서, 작업 테이블(10)이 레이저 빔(L)의 광축 방향과 수직인 방향으로 이동 할 수 있다. 그에 따라, 작업 테이블(10)에 탑재된 가공 대상물(TA₀)은 작업 테이블(10)과 함께 레이저 빔(L)의 광축 방향과 수직인 방향으로 이동될 수 있다.

레이저 조사부(20)는 가공 대상물(TA₀)의 소정 영역에 레이저 빔(L)을 조사할 수 있다. 예를 들어, 레이저 조사부(20)는 가공 대상물(TA₀)의 내부 또는 표면에 레이저 빔(L)의 초점이 맺히도록 레이저 빔(L)을 조사할 수 있다. 일 예로서, 가공 대상물(TA₀)의 내부에 레이저 빔(L)을 집광하여 개질 영역을 형성할 수 있다. 다른 예로서, 가공 대상물(TA₀)의 표면에 레이저 빔(L)을 집광하여 가공 대상물(TA₀)의 표면에 홈을 형성할 수 있다.

작업 테이블(10)이 이동함에 따라, 레이저 빔(L)은 가공 대상물(TA₀)에 작업 테이블(10)의 이동 방향과 반대 방향인 가공 방향을 따라 조사된다.

다만, 가공 대상물(TA₀)은 그 형태가 평평한 것이 이상적이지만, 가공 대상물(TA)의 휨 현상 등 다양한 원인에 의해 가공 대상물(TA)은 실제로 평평하지 않을 수 있다. 도 2를 참조하면, 가공 대상물(TA)이 휘어져, 가공 대상물(TA)의 상부 표면 높이가 일정하지 않을 수 있다. 여기서, 높이는 작업 테이블(10)의 상부 표면을 기준으로 한 높이로 정의한다.

만일, 가공 대상물(TA)의 상부 표면 높이가 일정하지 않은 상태에서, 레이저 조사부(20)에 의해 조사된 레이저 빔(L)이 작업 테이블(10)로부터 소정의 높이에 집광될 경우, 레이저 빔(L)이 가공 대상물(TA)에 집광되는 위치가 일정하지 않거나 가공 대상물(TA)의 일부 영역에는 아예 집광되지 않는 등 가공 품질이 현저히 저하될 수 있다.

이러한 점을 고려하여, 레이저 가공 시스템(100)은 가공 대상물(TA)의 영역 별 높이를 측정하는 높이 측정부(30)와, 높이 측정부(30)와 레이저 조사부(20)가 가공 방향을 따라 배열되도록 지지하는 헤드부(40)와, 레이저 조사부(20)를 지지하는 헤드부(40)의 높이를 조절하기 위한 승강 구동부(50)와, 높이 측정부(30)에 의해 측정된 측정 데이터에 기초하여 승강 구동부(50)의 구동을 제어하는 제어부(60)를 더 포함할 수 있다.

높이 측정부(30)는 가공 대상물(TA)의 영역 별 높이를 측정한다. 가공 대상물(TA)의 영역 별 높이는 레이저 가공이 이루어지는 높이인 심도(Depth of Focus: DOF)일 수 있다.

일 예로서, 가공 대상물(TA)이 높이 측정부(30)에 대해 상대 이동되며, 높이 측정부(30)가 소정의 시간 간격으로 가공 대상물(TA)의 높이를 측정한다. 그에 따라, 가공 대상물(TA)은 소정 거리의 측정 간격마다 높이 측정부(30)에 의해 높이가 측정된다. 높이 측정부(30)는 가공 방향을 따라 레이저 조사부(20)의 하류에 배치될 수 있다. 높이 측정부(30)는 가공 대상물(TA)의 이동 방향을 따라 레이저 조사부(20)의 상류에 배치될 수 있다. 그에 따라, 레이저 조사부(20)에 의해 가곡 대상물의 일부 영역에 레이저 빔(L)이 조사되기 전에, 높이 측정부(30)에 의해 상기 가공 대상물(TA)의 일부 영역의 높이가 측정될 수 있다.

높이 측정부(30)와 레이저 조사부(20)는 소정의 간격으로 이격될 수 있다. 높이 측정부(30)와 레이저 조사부(20) 사이의 간격(G)은 70 mm 이상일 수 있다. 높이 측정부(30)와 레이저 조사부(20) 사이의 간격(G)은 1000 mm 이하일 수 있다. 여기서, 높이 측정부(30)와 레이저 조사부(20) 사이의 간격(G)은 높이 측정부(30)의 중심으로부터 레이저 조사부(20)의 중심까지의 거리일 수 있다.

높이 측정부(30)는 비접촉 방식에 의해 가공 대상물(TA)의 높이를 측정할 수 있다. 높이 측정부(30)는 비접촉 변위센서일 수 있다. 비접촉 변위센서는 레이저나 초음파를 이용하여 가공 대상물(TA)까지의 거리를 측정하여 가공 대상물(TA)의 높이를 측정할 수 있다. 여기서, 비접촉 변위센서는 일반적으로 널리 알려진 공지기술에 해당하므로 비접촉 변위센서에 대한 자세한 설명은 생략한다.

제어부(60)는 높이 측정부(30)에 의해 측정된 측정 데이터에 기초하여 승강 구동부(50)를 제어하여, 레이저 조사부(20)의 높이를 조절할 수 있다. 승강 구동부(50)는 높이 측정부(30)와 레이저 조사부(20)를 지지하는 헤드부(40)의 높이를 조절함으로써, 레이저 조사부(20)의 높이를 조절할 수 있다.

다만, 기존에는 이러한 높이 측정부(30)를 이용하여 레이저 조사부(20)의 높이를 조절하기 위하여, 높이 측정부(30)에 의해 가공 대상물(TA)의 영역 별 높이를 모두 측정한 이후에, 이러한 측정된 데이터를 기초로 레이저 조사부(20)의 높이를 조절하며 레이저 가공을 실시하는 방식을 채택하였다.

도 3a 및 도 3b는 비교예에 따른 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 도면이다.

비교예에 따르면, 도 3a와 같이, 먼저 높이 측정부(30)에 의한 가공 대상물(TA)의 영역 별 높이를 모두 측정한다. 가공 대상물(TA)의 영역 별 높이 측정이 끝난 이후에, 도 3b와 같이, 높이 측정부(30)에 의해 측정된 데이터를 기초로 헤드부(40)의 높이를 조정하며 레이저 조사부(20)에 의해 가공 대상물(TA)에 레이저 빔(L)을 조사한다.

비교예에 따른 레이저 가공 방법은 가공 대상물(TA)에 대한 가공이 이루어지기 위해서, 가공 대상물(TA)의 영역 별 높이를 측정하기 위해 가공 대상물(TA)을 1회 이상 이동시켜야 하며, 가공 대상물(TA)의 각 영역 마다 레이저 빔(L)을 조사하기 위해 가공 대상물(TA)을 1회 이동시켜야 한다. 그에 따라, 비교예에 따른 레이저 가공 방법에서는 가공 대상물(TA)을 2회 이상 이동시킬 수 밖에 없었으며, 그에 따라 레이저 가공 시간이 증가하는 문제가 있다.

이러한 점을 고려하여, 실시예에 따른 레이저 가공 시스템(100) 및 레이저 가공 방법에서는, 레이저 가공 시간을 감소시키기 위하여, 가공 대상물(TA)에 대한 높이 측정과 가공 대상물(TA)에 대한 레이저 가공이 동시에 진행되는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

이와 같이, 높이 측정과 레이저 가공을 동시에 진행함으로써, 가공 대상물(TA)의 이동 횟수를 반 이상 줄일 수 있으며, 그에 따라, 레이저 가공 시간을 줄일 수 있다.

도 4는 실시예에 따른 레이저 가공 시스템(100)의 작동을 개념적으로 나타낸 도면이며, 도 5a 내지 도 5c는 도 4의 레이저 가공 시스템(100)의 동작을 순차적으로 나타낸 도면이다. 도 4 및 도 5a 내지 도 5c에서는, 편의상 승강 구동부(50) 및 제어부(60)에 대한 도시를 생략하였다.

도 4를 참조하면, 실시예에 따른 레이저 가공 시스템(100)에서는, 가공 대상물(TA)의 이동 방향을 따라 상류에 배치된 높이 측정부(30)가 가공 대상물(TA)의 일 영역의 높이를 측정하는 동안, 가공 대상물(TA)의 이동 방향을 따라 하류에 배치된 레이저 조사부(20)는 가공 대상물(TA)의 다른 영역에 레이저 빔(L)을 조사할 수 있다.

도 5a를 참조하면, 작업 테이블(10)이 일 방향, 예를 들어, 좌측 방향으로 이동한다. 그에 따라 작업 테이블(10)에 탑재된 가공 대상물(TA)이 좌측 방향으로 이동하게 된다.

가공 대상물(TA)의 이동 방향으로 상류에 배치된 높이 측정부(30)가 먼저 가공 대상물(TA)의 제1 영역(TA1)의 높이를 측정한다. 제1 영역(TA1)은 가공 대상물(TA)의 일 단부 영역일 수 있다. 그러나, 제1 영역(TA1)은 이에 한정되지 아니하며, 가공 대상물(TA)의 양 단부가 아닌 중간 영역일 수도 있다.

이 때, 높이 측정부(30)의 높이(H1)는 변화가 없으므로, 높이 측정부(30)에서 측정된 측정 데이터(g1)에 기초하여 제1 영역(TA1)의 높이 정보(h1)를 산정할 수 있다. 일 예로서, 측정 데이터(g1)가 가공 대상물(TA)의 제1 영역(TA1)과 높이 측정부(30) 사이의 거리(g1)일 경우, 제1 영역(TA1)의 높이 정보(h1)는 높이 측정부(30)의 높이(H1)에서 상기 측정 데이터(g1)를 뺀 값일 수 있다.

도 5b를 참조하면, 가공 대상물(TA)이 레이저 조사부(20) 및 높이 측정부(30)에 대해 이동되어, 레이저 조사부(20)는 상기 제1 영역(TA1) 상에 위치하며 높이 측정부(30)는 제1 영역(TA1)에 인접한 제2 영역(TA2) 상에 위치한다. 제2 영역(TA2)은 가공 대상물(TA)의 이동 방향을 따라 제1 영역(TA1)의 상류에 위치할 수 있다.

제어부(60)는 높이 측정부(30)에 의해 측정된 제1 영역(TA1)에 대한 측정 데이터에 기초하여 승강 구동부(50)를 제어함으로써, 헤드부(40)의 높이를 조절한다. 예를 들어, 제어부(60)는 제1 영역(TA1)에 대한 높이 정보에 기초하여 승강 구동부(50)를 제어함으로써, 헤드부(40)의 높이를 조절한다. 그에 따라, 헤드부(40)에 의해 지지된 레이저 조사부(20)는, 가공 대상물(TA)의 높이 변화에도 불구하고, 가공 대상물(TA)의 제1 영역(TA1)의 소정 깊이에 레이저 빔(L)을 집광하여 조사할 수 있다.

다만, 헤드부(40)의 높이가 조절됨에 따라, 레이저 조사부(20)와 함께 높이 측정부(30)의 높이(H2)가 달라지게 된다. 높이 측정부(30)에 의해 제2 영역(TA2)에 대해 측정된 측정 데이터(g2)는 높이 측정부(30)의 높이(H2)가 달라짐에 따른 오차가 발생하게 되며, 그에 따라 제2 영역(TA2)에 대한 측정 데이터(g2)를 그대로 제2 영역(TA2)의 높이 정보(h2) 산정에 사용하기 어려워진다.

예를 들어, 도 5b와 같이 높이 측정부(30)가 소정의 높이 ΔH1만큼 상승한 상태에서 측정된 제2 영역(TA2)에 대한 측정 데이터(g2)는, 높이 측정부(30)가 상승하지 않은 상태에서 측정된 제2 영역(TA2)의 측정 데이터(g21)보다 ΔH1만큼 크게 나타난다.

이러한 높이 측정부(30)의 높이 변화에 따른 측정 데이터의 오차 또는 왜곡을 고려하여, 제어부(60)는 제2 영역(TA2)에 대한 측정 데이터에 높이 측정부(30)의 높이 변화를 반영하여 제2 영역(TA2)에 대한 높이 정보를 산정하여 저장한다. 예를 들어, 만일 높이 측정부(30)의 높이가 ΔH1 만큼 높아질 경우, 제어부(60)는 제2 영역(TA2)에 대한 측정 데이터(g2)에 높이 변화량 ΔH1을 뺀 값을 기초로, 제2 영역(TA2)에 대한 높이 정보(h2)를 산정할 수 있다. 도면과 달리, 만일 높이 측정부(30)의 높이가 ΔH1 만큼 낮아질 경우, 제어부(60)는 제2 영역(TA2)에 대한 측정 데이터에 높이 변화량 ΔH1을 더한 값을 기초로, 제2 영역(TA2)에 대한 높이 정보(h2)를 산정할 수 있다.

도 5c를 참조하면, 가공 대상물(TA)이 레이저 조사부(20) 및 높이 측정부(30)에 대해 이동되어, 레이저 조사부(20)는 제2 영역(TA2) 상에 위치하며 높이 측정부(30)는 제2 영역(TA2)에 인접한 제3 영역(TA3) 상에 위치한다. 제3 영역(TA3)은 가공 대상물(TA)의 이동 방향을 따라 제2 영역(TA2)의 상류에 위치할 수 있다.

제어부(60)는 제2 영역(TA2)에 대한 높이 정보(h2)에 기초하여, 승강 구동부(50)를 제어함으로써, 헤드부(40)의 높이를 조절한다. 그에 따라, 헤드부(40)에 지지된 레이저 조사부(20)는 가공 대상물(TA)의 높이 변화에도 불구하고 제2 영역(TA2)의 소정 깊이에 레이저 빔(L)을 집광하여 조사할 수 있다.

헤드부(40)의 높이가 조절됨에 따라, 레이저 조사부(20)와 함께 높이 측정부(30)의 높이(H3)가 달라지게 된다. 이러한 높이 측정부(30)의 높이 변화(ΔH2)에 따른 오차 또는 왜곡을 고려하여, 제어부(60)는 제3 영역(TA3)에 대한 측정 데이터(g3)에 높이 측정부(30)의 높이 변화(ΔH2)를 반영하여 제3 영역(TA3)에 대한 높이 정보(h3)를 산정할 수 있다.

이와 같이, 레이저 조사부(20)가 일 영역에 대해 레이저 빔(L)을 조사하는 동안, 높이 측정부(30)가 인접한 다른 영역의 높이를 측정하되 높이 변화량을 보상함으로써, 가공 시간을 줄이면서도 높이 측정의 오차를 최소화하여 가공 품질의 저하를 방지할 수 있다.

도 6은 도 3a 및 도 3b의 비교예에 따른 레이저 가공 시스템(100)의 레이저 가공 시간의 예를 나타낸 그래프이며, 도 7은 도 4의 실시예에 따른 레이저 가공 시스템(100)의 레이저 가공 시간의 예를 나타낸 그래프이다.

도 3a, 도 3b 및 도 6을 참조하면, 레이저 빔(L)을 조사하기 전에 먼저 가공 대상물(TA)의 영역 별 높이를 측정한다. 이 때, 영역 별 높이 측정을 위한 전체 시간 t₁이 소요된다.

영역 별 높이 측정이 완료된 후, 가공 대상물(TA)은 초기 위치로 이동시킨 후, 측정된 측정 데이터를 기초로 레이저 조사부(20)의 높이를 조절하면서 가공 대상물(TA)에 레이저 빔(L)을 조사한다. 이 때, 가공 대상물(TA)에 대해 레이저 빔(L)을 조사하기 위한 전체 시간 t₂가 소요된다.

이와 같이, 비교예에 따른 레이저 가공 시스템(100)에서는, 가공 대상물(TA)에 대한 높이 측정을 모두 완료한 이후에, 레이저 빔(L)을 조사하기 때문에, 전체 레이저 가공 시간 T1은 높이 측정을 위한 전체 시간 t₁과 레이저 빔(L) 조사를 위한 전체 시간 t₂의 합과 같거나 그보다 크게 된다.

그에 반해, 도 4 및 도 7을 참조하면, 실시예에 따른 레이저 가공 시스템(100)에서는, 가공 대상물(TA)이 소정의 방향을 따라 이동되며, 높이 측정부(30)가 가공 대상물(TA)의 영역 별 높이를 측정하기 시작한다.

가공 대상물(TA)의 각 영역에 대한 높이 측정이 모두 완료되기 전이라도, 가공 대상물(TA)이 레이저 조사부(20)의 하부를 지나칠 때부터 레이저 조사부(20)는 레이저 빔(L)을 조사하기 시작한다. 이 때, 높이 측정부(30)에 의해 가공 대상물(TA)의 영역 별 높이 측정이 모두 완료되기 전 상태이지만, 가공 대상물(TA)에서 레이저 조사부(20)의 하부를 지나가는 영역의 높이는 측정이 완료된 상태이다.

그에 따라, 실시예에 따른 레이저 가공 시스템(100)에서는 레이저 조사부(20)가 높이를 달리하며 가공 대상물(TA)에 레이저 빔(L)을 조사함과 동시에, 높이 측정부(30)가 높이 변화를 고려하여 가공 대상물(TA)의 높이를 측정할 수 있다.

이와 같이, 높이 측정 단계와 레이저 가공 단계를 분리하여 실시하지 않고 함께 실시함으로써, 전체 레이저 가공 시간을 줄일 수 있다. 실시예에 따른 레이저 가공 시스템(100)에서는 전체 레이저 가공 시간 T2는 가공 대상물(TA)에 대한 높이 측정을 위한 전체 시간 t₁과 레이저 빔(L) 조사를 위한 전체 시간t₂의 합보다 작게 된다.

한편, 높이 측정부(30)와 레이저 조사부(20)를 지지하는 헤드부(40)의 광축 방향으로 위치를 변도경하는 과정에서 승강 구동부(50)에 부하가 걸릴 수 있다. 예를 들어, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 가공 대상물(TA)이 레이저 조사부(20)의 하부에 처음으로 도달할 때, 레이저 조사부(20)가 가공 대상물(TA)의 일 단부 영역의 소정 깊이에 레이저 빔(L)을 조사하는 목표 높이(ΔH1)에 도달할 수 있도록 레이저 조사부(20)의 높이를 조절할 수 있다. 이 때, 필요한 레이저 조사부(20)의 높이 변화량(ΔH1)은, 레이저 조사부(20)를 지지하는 헤드부(40)가 기준 시간 동안 이동 가능한 단위 이동량보다 클 수 있다. 그에 따라, 헤드부(40)를 승강시키는 승강 구동부(50)에 부하가 걸릴 수 있다.

이러한 점을 고려하여, 실시예에 따른 제어부(60)는, 가공 대상물(TA)의 일 단부 영역이 높이 측정부(30)를 지난 후 레이저 조사부(20)에 도달하기 전에, 레이저 조사부(20)의 높이를 조절하기 시작하도록, 승강 구동부(50)를 제어할 수 있다.

즉, 제어부(60)는 가공 대상물(TA)의 일 단부 영역이 레이저 조사부(20)에 도달하는 짧은 순간에 레이저 조사부(20)의 높이를 조절하는 것이 아니라, 가공 대상물(TA)의 일 단부 영역이 레이저 조사부(20)에 도달하기 전부터 높이 조절을 시작하여 상대적으로 긴 시간 동안에 레이저 조사부(20)의 높이를 조절할 수 있다. 그에 따라, 제어부(60)는 레이저 조사부(20)의 높이가 목표 높이에 도달할 때까지 레이저 조사부(20)의 높이를 복수 회 변경하도록 승강 구동부(50)를 제어할 수 있다. 제어부(60)는 레이저 조사부(20)의 높이 변경이 복수 회에 걸쳐 단위 높이씩 변경하도록 승강 구동부(50)를 제어할 수 있다. 레이저 조사부(20)의 높이가 변경되는 단위 높이는 0.1 ㎛ ~ 1.0 ㎛ 일 수 있다.

제어부(60)는 레이저 조사부(20)를 지지하는 헤드부(40)의 높이 변화가 점진적 또는 계단식으로 나타나도록 승강 구동부(50)의 구동을 제어할 수 있다.

도 8은 소정 시점에 레이저 조사부(20)의 높이를 변경한 예를 나타낸 그래프이며, 도 9는 소정 시점 이전부터 레이저 조사부(20)의 높이를 변경한 예를 나타낸 그래프이다.

도 8을 참조하면, 소정 시점 T₀까지 레이저 조사부(20)의 높이 변화가 ΔH1만큼 필요할 경우, 한번에 레이저 조사부(20)를 ΔH1 만큼 상승시킬 수 있다. 그러나, 이러한 레이저 조사부(20)의 높이 변화 ΔH1이 커질 경우, 예를 들어, 레이저 조사부(20)의 높이 방향으로 단위 이동량의 10배 이상, 또는 100 배 이상 클 경우, 승강 구동부(50)에 부하가 걸릴 수 있다. 여기서 레이저 조사부(20)의 단위 이동량은 헤드부(40)의 단위 이동량과 동일할 수 있다.

그에 반해, 도 9를 참조하면, 제어부(60)가 소정 시점 T₀의 이전 시점부터 소정 시점 T₀까지 레이저 조사부(20)가 복수 회, 예를 들어, 5회에 걸쳐 상승되도록 승강 구동부(50)의 구동을 제어할 경우, 승강 구동부(50)에 부하가 걸리는 것을 방지 또는 줄일 수 있게 된다.

상술한 실시예에서는, 레이저 조사부(20)의 높이 변경 횟수로서 5회를 예시하였으나, 이에 한정되지 아니하며 다양하게 변형될 수 있다. 다만, 레이저 조사부(20)의 높이 변경 횟수는 높이 측정부(30)와 레이저 조사부(20) 사이의 거리를 높이 측정부(30)의 측정 간격으로 나눈 값보다 작을 수 있다.

높이 측정부(30)와 레이저 조사부(20) 사이의 소정 간격이 존재하기 때문에, 가공 대상물(TA)의 일 영역이 높이 측정부(30)를 지난 후부터 레이저 조사부(20)에 도달할 때까지 시간 차가 존재한다. 제어부(60)는 이러한 시간 차를 이용하여, 헤드부(40)를 계단식으로 상승 또는 하강시킬 수 있다.

높이 측정부(30)에 의해 측정된 측정 데이터는 소정의 측정 간격마다 메모리 변수에 저장되며 실시간으로 모니터링 될 수 있다. 가공 방향에 따른 위치 값을 측정 간격만큼으로 나누어 카운팅 하고 카운팅 된 값은 영역 별 측정 데이터를 저장하는 메모리 변수의 주소 값으로 이용될 수 있다.

가공 방향을 따라 소정의 측정 간격마다 측정을 실시하는 높이 측정부(30)가 실제 가공이 이루어 지는 가공 대상물(TA)의 영역으로 진입하면서 생성되는 첫 측정 데이터 값과 이러한 첫 측정 데이터 값이 저장되는 메모리 변수 주소가 저장될 수 있다. 첫 측정 데이터 값이 n, 첫 측정 데이터가 저장되는 메모리 변수 주소가 m 이고, 첫 측정 데이터 값 n이 양의 값이고, 스텝(Step) 횟수를 5단계로 하는 경우, 메모리 변수 주소 m-1, m-2, m-3, m-4 에 높이 데이터 값으로 각각 n-{(n/5)*1}, n-{(n/5)*2}, n-{(n/5)*3}, n-{(n/5)*4}값을 저장한다.

첫 데이터 값 n이 음의 값이라면, 메모리 변수 주소 m-1, m-2, m-3, m-4 에 n-{(n/5)*1}, n-{(n/5)*2}, n-{(n/5)*3}, n-{(n/5)*4}값을 저장한다.

더불어, 높이 측정부(30)에 의해 측정된 측정 데이터 값에서 노이즈를 제거하기 위하여, 제어부(60)는 이동 평균 필터를 사용할 수 있다.

일 예로서, 가공 대상물(TA)에 대한 높이 정보는 높이 측정부(30)에 의해 측정된 측정 데이터들에 대한 가중 이동 평균값에 기초하여 산정될 수 있다. 예를 들어, 가공 대상물(TA)에 대한 높이 정보는 높이 측정부(30)에 의해 현재 측정된 현재 데이터 값보다 높이 측정부(30)에 의해 과거에 측정된 과거 데이터값에 가중값을 부여하는 가중 이동 평균값에 기초하여 산정될 수 있다. 현재 측정된 현재 데이터 값이 n_t, 최근에 측정된 3개의 과거 데이터 값들이 n_t-1,n_t-2,n_t-3 일 때, 이동 평균 필터는 저장 데이터로서 (n_t-3* 10 + n_t-2* 10 + n_t-1* 10 + n_t)/31을 산정할 수 있다. 이동 평균 필터는 현재 데이터 값을 포함한 최근 4개의 데이터 값들을 사용할 경우, 최초 3번째 데이터 값에 대해서는 적용되지 않고, 4번째 데이터 값이 입력되는 시점부터 적용될 수 있다.

제어부(60)는, 이러한 이동 평균 필터를 사용함으로써, 높이 측정부(30)에 의해 측정된 측정 데이터들 중 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다.

한편, 상술한 실시예들에서는 레이저 가공 시스템(100)에서 작업 테이블(10)이 수평 이동하며, 헤드부(40)가 수직 이동한 예를 중심으로 설명하였으나, 이에 한정되지는 아니한다. 예를 들어, 작업 테이블(10)이 수직 이동하고, 헤드부(40)가 수평 이동할 수도 있음은 물론이다.

이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

10 : 작업 테이블
20 : 레이저 조사부
30 : 높이 측정부
40 : 헤드부
50 : 승강 구동부
60 : 제어부
100 : 레이저 가공 시스템

Claims

가공 방향을 따라 배열된 레이저 조사부와 높이 측정부를 이용하여, 가공 대상물에 대한 높이 측정과 레이저 가공을 동시에 진행하는 레이저 가공 방법으로서,
상기 높이 측정부에 의해 상기 가공 대상물의 제1 영역의 높이를 측정하는 단계;
상기 가공 대상물을 상기 레이저 조사부 및 상기 높이 측정부에 대해 상대 이동시켜, 상기 가공 대상물의 제1 영역 상에 상기 레이저 조사부를 위치시키고 상기 가공 대상물의 제1 영역과 다른 제2 영역 상에 상기 높이 측정부를 위치시키는 단계;
상기 레이저 조사부가 상기 제1 영역 상에 도달할 때, 상기 높이 측정부에 의해 측정된 상기 제1 영역의 높이를 기초로, 상기 레이저 조사부 및 상기 높이 측정부의 높이를 조절하는 단계; 및
상기 레이저 조사부가 상기 제1 영역에 레이저 빔을 조사하는 동안, 상기 높이 측정부는 상기 제2 영역의 높이를 측정하는 단계;를 포함하며,
상기 제2 영역의 높이를 측정하는 단계에서는,
상기 높이 측정부가 측정한 상기 제2 영역에 대한 측정 데이터에 상기 높이 측정부의 높이 변화를 반영하여 상기 제2 영역에 대한 높이 정보를 산정하는, 레이저 가공 방법.
제1항에 있어서,
상기 높이 측정부의 높이가 증가하거나 감소하였을 때, 상기 높이 측정부에 의해 측정된 상기 제2 영역에 대한 측정 데이터에 상기 높이 측정부의 변화된 높이를 빼거나 더해서 상기 제2 영역에 대한 높이 정보를 산정하는, 레이저 가공 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 영역은 상기 가공 대상물의 일 단부 영역이며,
상기 제1 영역이 상기 높이 측정부를 지난 후 상기 레이저 조사부에 도달하기 전에, 상기 레이저 조사부의 높이를 조절하기 시작하는, 레이저 가공 방법.
제3항에 있어서,
상기 레이저 조사부가 상기 제1 영역의 소정 지점에 레이저 빔을 조사하는 목표 높이에 도달할 수 있도록, 상기 레이저 조사부의 높이가 상기 목표 높이에 도달할 때까지 상기 레이저 조사부의 높이를 복수 회 변경하는, 레이저 가공 방법.
제4항에 있어서,
상기 레이저 조사부의 높이 변경은 복수 회에 걸쳐 소정의 단위 높이씩 변경하는, 레이저 가공 방법.
제4항에 있어서,
상기 높이 측정부는 소정 거리의 측정 간격마다 상기 가공 대상물의 높이를 측정하며,
상기 레이저 조사부의 높이 변경 횟수는, 상기 높이 측정부와 상기 레이저 조사부 사이의 거리를 상기 높이 측정부의 상기 측정 간격으로 나눈 값보다 작은, 레이저 가공 방법.
제1항에 있어서,
상기 가공 대상물에 대한 높이 정보는, 상기 높이 측정부에 의해 측정된 측정 데이터들에 대한 이동 평균을 이용하여 산정되는, 레이저 가공 방법.
가공 대상물이 탑재되는 작업 테이블;
상기 가공 대상물의 영역 별 높이를 측정하는 높이 측정부;
상기 가공 대상물에 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사부;
상기 레이저 조사부와 상기 높이 측정부가 가공 방향을 따라 배열되도록 지지하는 헤드부;
상기 헤드부의 높이를 조절하기 위한 승강 구동부; 및
상기 승강 구동부의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 작업 테이블 및 상기 헤드부 중 적어도 하나가 상기 레이저 빔의 광축 방향과 교차하는 방향으로 이동 가능하며,
상기 높이 측정부는 상기 헤드부의 높이 변화에 따라 높이가 달라지며,
상기 제어부는, 상기 높이 측정부에 의해 측정된 측정 데이터에 상기 높이 측정부의 높이 변화를 반영하여 상기 가공 대상물의 높이 정보를 산정하고, 상기 높이 정보에 기초하여 상기 승강 구동부를 제어하는, 레이저 가공 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 높이 측정부의 높이가 증가하거나 감소하였을 때, 상기 높이 측정부에 의해 측정된 측정 데이터에 상기 높이 측정부의 변화된 높이를 빼거나 더해서 상기 가공 대상물의 높이 정보를 산정하는 하는, 레이저 가공 시스템.
제8항에 있어서,
상기 가공 대상물은 상기 레이저 조사부에 대해 상기 레이저 빔의 광축 방향과 교차하는 방향으로 이동되며,
상기 제어부는, 상기 가공 대상물의 일 단부 영역이 상기 높이 측정부를 지난 후 상기 레이저 조사부에 도달하기 전에, 상기 레이저 조사부의 높이를 조절하기 시작하도록 상기 승강 구동부를 제어하는, 레이저 가공 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 레이저 조사부가 상기 가공 대상물의 소정 지점에 레이저 빔을 조사하는 목표 높이에 도달할 수 있도록, 상기 레이저 조사부의 높이가 상기 목표 높이에 도달할 때까지 상기 레이저 조사부의 높이를 복수 회 변경하도록, 상기 승강 구동부를 제어하는 레이저 가공 시스템.
제11항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 레이저 조사부의 높이 변경이 복수 회에 걸쳐 소정의 단위 높이씩 변경되도록, 상기 승강 구동부를 제어하는 레이저 가공 시스템.
제12항에 있어서,
상기 높이 측정부는 소정 거리의 측정 간격마다 상기 가공 대상물의 높이를 측정하며,
상기 레이저 조사부의 높이 변경 횟수는, 상기 높이 측정부와 상기 레이저 조사부 사이의 거리를 상기 높이 측정부의 상기 측정 간격으로 나눈 값보다 작은, 레이저 가공 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제어부는 상기 높이 측정부에 의해 측정된 측정 데이터들에 대한 이동 평균을 이용하여 상기 가공 대상물에 대한 높이 정보를 산정하는, 레이저 가공 시스템.