KR20210042309A - 패턴 미러를 이용한 레이저 빔 포지셔닝 방법 - Google Patents

Abstract

레이저 빔 정렬 시스템은, 레이저 빔을 수신하고 반사하도록 구성된 표면 패턴을 가진 적어도 하나의 미러, 상기 미러로부터 레이저 빔의 편향된 부분을 탐지하도록 구성된 적어도 하나의 탐지기, 및 적어도 하나의 미러 및 적어도 하나의 탐지기와 통신하고 상기 레이저 빔의 편향된 부분에 기초하여 미러 위치를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함한다.

Description

패턴 미러를 이용한 레이저 빔 포지셔닝 방법

패턴 미러를 이용한 레이저 빔 포지셔닝 방법을 개시한다.

레이저 기술은 다양한 응용 분야에 사용된다. DVD 플레이어와 같은 일상 생활 제품에서 디스크, 바코드 판독, 수술, 그리고 예를 들어 리소그래피(lithography)와 같은, 마킹 또는 드릴링, 절단과 같은 제품의 제조 및 유지 관리에 사용된다.

리소그래피 및 컴퓨터 지원 제조 시스템 분야에서, 포지셔닝(positioning) 단계는 때때로 간섭계 포지셔닝에 사용된다. 예를 들어, US 제4,060,315호는 차동 스크류 액추에이터 및 만곡 커넥터(flexure connector)를 사용하는 정밀 레이저 미러 마운트를 보여준다. 그러나 이 시스템은 미러를 수동으로 정렬해야 한다.

첫 번째 일 측에 따르면, 레이저 빔을 수신하고 반사하도록 구성된 표면 패턴을 가진 적어도 하나의 미러(mirror); 상기 미러로부터 레이저 빔의 편향된 부분을 탐지하도록 구성된 적어도 하나의 탐지기; 및 적어도 하나의 미러 및 적어도 하나의 탐지기와 통신하고 상기 레이저 빔의 편향된 부분에 기초하여 미러 위치를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어기;를 포함하는, 레이저 빔 정렬 시스템이 제공된다.

유리하게는, 본 발명은 정확하고 안전한 방식으로 하나 이상의 미러들을 반사하거나 타격하는 레이저 빔의 정확한 정렬을 제공한다. 이는 이동식 또는 로봇식과 같은 애플리케이션에 특히 유용하고, 기계적 편향, 진동, 충격 하중 또는 정적으로 정렬된 시스템이 잘못 정렬될 수 있는 기타 힘을 보상하기 위해 동적 정렬이 필요하다.

본 발명은 본원 및 본원에 참고로 포함되는 미국 출원 번호에 기재된 것과 같은 대형 로봇 레이저 코팅 제거(ICR) 시스템에 적용될 수 있고, 로봇은 움직일 때 구조적 편향을 경험하게 되고, 로봇 구조는 레이저 빔 전달을 위해 미러들을 운반하기 때문에 로봇이 움직일 때 미러들을 재-정렬해야 한다.

본 출원 전반에 걸쳐, "반사(reflected)"는 미러 표면 평면에 수직인 평면에 대해 각도로 미러 표면에 부딪히고 동일한 각도를 형성하는 반사하는 빔(beam)을 지칭하기 위해 사용된다. "편향(deflected)"은 한 각도를 형성하는 미러 표면에 부딪히고 미러 상의 표면 패턴으로 인해 반사되어 다른 각도를 형성하는 빔을 가리키는데 사용된다.

일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 미러는 표면 패턴(surface pattern)을 포함하고, 적어도 하나의 탐지기는 표면 패턴 상에 기반하여 레이저 빔의 편향된 부분을 탐지하도록 구성된다. 상기 표면 패턴은 상기 탐지기로 편향되는 광의 양을 최소화하고 빔 중심 측정의 정확도를 최대화하도록 설계되었다.

상기 시스템의 일 실시예에 따르면, 상기 표면 패턴은 상기 미러 표면 상의 복수의 딤플들(dimples)에 의해 형성된 패턴이다. 예를 들어, 상기 딤플은 매우 적은 양의 레이저 에너지를 탐지기를 향해 편향시키는데 기여하는 미러 표면으로 가공된 피처(features)일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 표면 패턴은 원형 또는 X-형 패턴이다. 그러나 이것은 단지 예시일 뿐이며, 당업자는 패턴의 특정 모양이 크게 변할 수 있고 다른 적절한 표면 패턴이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 일 실시예에 따르면, 상기 표면 패턴은 충분한 수의 딤플들이 레이저 빔 내에 있도록 한다. 이를 통해 삼각 측량(triangulation)을 수행할 수 있으므로 보다 정확한 포지셔닝이 가능하다. 일 실시예에 따르면, 대칭 패턴이 사용된다. 이를 통해 정확한 포지셔닝을 위해 더 간단한 알고리즘을 사용할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 레이저 빔(laser beam)은 고출력 레이저 빔, 예를 들어 고출력 적외선 레이저 빔 또는 CO₂ 레이저 빔이다. 이는 예를 들어 항공기와 같은 대형 구조물 또는 운반수단의 코팅 제거와 같은 응용 분야에 유리하고, 많은 양의 방향성 에너지가 필요하고, 고출력 레이저를 사용하여 상기 표면을 가로질러 레이저 스포츠(laser sport)를 스캐닝 하여 유기적 코팅을 제거할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 레이저 빔은 저출력 레이저 빔, 예를 들어 적색 광선 레이저 빔이다. 이는 더 적은 양의 지향성 전력이 필요한 애플리케이션에 유리할 수 있다. 또한 예를 들어 고출력 레이저를 결합하기 전에 상기 시스템에서 미러를 정렬하기 위한 추가 단계로서, 항공기와 같은 대형 구조물 또는 운반수단에서 코팅 제거를 위한 애플리케이션에 유리할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 탐지기는 레이저 빔의 편향된 부분을 캡처하고 빔의 편향된 부분에 기초하여 미러 표면 상의 레이저 빔 위치를 탐지하기 위한 카메라를 포함한다. 상기 탐지기는 임의의 종류의 적합한 광 탐지기일 수 있다. 상기 탐지기가 카메라인 경우, 상기 카메라는 레이저 빔의 편향된 부분을 수신하거나 캡처할 수 있으며 캡처 된 이미지에 기초하여 상기 미러 표면에서 레이저 빔의 위치를 탐지할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 카메라는 적외선 카메라 및/또는 가시 파장 카메라일 수 있다. 상기 적외선 카메라는 고출력 레이저 빔의 편향 부분을 탐지하는 데 사용될 수 있고, 상기 가시 파장 카메라는 저출력 레이저 빔의 편향 부분을 탐지하는데 사용될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 탐지기는 상기 미러로부터 제1 레이저 빔의 편향된 부분을 탐지하도록 구성된 제1 탐지기, 및 저출력 레이저 빔의 위치가 제어된 후 고출력 레이저 빔의 편향된 부분을 탐지하도록 구성된 제2 탐지기를 포함한다. 상기 시스템은 2개의 탐지기로 구성될 수 있으며; 상기 레이저 빔의 초기 정렬을 수행하기 위해 적어도 하나의 미러로부터 편향된 저출력 레이저 빔의 광을 탐지하기 위해 초기에 사용되는 제1 탐지기; 및 상기 레이저 빔이 초기에 정렬되고 고출력 레이저 빔이 스위치 온(switched on)된 후에 사용되는 제2 탐지기를 포함한다. 제2 탐지기(또는 간단히, 탐지기, 또는 적어도 하나의 탐지기)는 적어도 하나의 미러로부터 고출력 레이저 빔의 편향된 부분을 탐지하기 위해 사용된다.

일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 미러는 캐스케이드(cascade) 구성으로 배치된 복수의 미러를 포함하고, 적어도 하나의 탐지기는 복수의 탐지기를 포함하며, 적어도 하나의 탐지기는 각각의 미러에 대응한다. 상기 시스템은 하나의 미러를 더 포함할 수 있으며, 레이저 빔 소스에서 직접 들어오는 광을 수신하여 엔드 툴(end tool)과 같은 레이저 빔의 최종 목적지로 반사하거나 복수의 미러를 포함할 수 있다. 후자의 시나리오에서, 제1 미러는 레이저 빔 소스로부터 오는 레이저 빔을 수신하고 레이저 빔을 제2 미러로 반사하도록 구성될 수 있다. 이 제2 미러는 상기 레이저 빔을 더 반사하도록 구성될 수 있고, 이 구성은 필요한만큼 많은 미러를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 다른 이동 가능한 섹션을 포함하고 레이저 빔이 통과해야 하는 로봇 암(robotic arm)의 구조에 적용될 수 있다.

두 번째 일 측에 따르면, 그리고 본원에서 전술 한 이점 및 효과에 따라, 다음 단계를 포함하는 레이저 빔 정렬 방법이 제공된다:

a) 미러 표면으로부터 레이저 빔의 일부를 편향시키는 단계;

b) 편향된 부분에 기초하여 미러 표면 상의 레이저 빔의 위치를 탐지하는 단계;

c) 탐지된 위치와 상기 미러 표면의 원하는 위치에 따라 레이저 빔을 제어하는 단계.

상기 레이저 빔 정렬 방법을 사용하면 하나 이상의 미러에 정확하고 안전한 방식으로 반사되는 레이저 빔을 정밀하게 정렬할 수 있다. 이 동적 자동 정렬 방법은 미러 시스템을 사용하여 레이저 빔 정렬을 위한 간단하면서도 정확한 메커니즘을 제공한다.

일 실시예에 따르면, 상기 레이저 빔은 저출력 레이저 빔이고, c) 단계를 통해 원하는 위치에 도달하면, 상기 방법은, 저출력 레이저 빔을 끄는 단계, 고출력 레이저 빔을 켜는 단계, 고출력 레이저 빔으로 단계 a) 내지 c)를 수행하는 단계;를 더 포함한다.

따라서, 일 실시예에 따른 방법은 먼저 저출력 레이저 빔의 위치를 제어하는 데 사용될 수 있으며, 원하는 위치에 도달하면 동일한 방법 단계를 사용하여 고출력 레이저 빔의 위치를 제어할 수 있다. 이는 유리하게는 상기 미러의 초기 위치가 원하는 위치에서 상당히 벗어날 수 있는 상황에서, 초기 정렬에 더 안전하고 더 적절한 저출력 레이저 빔을 사용하여 상기 시스템에서 미러 또는 미러들을 초기에 정렬할 수 있게 한다. 거울 또는 거울들이 처음에 정렬되면, 고출력 레이저 빔을 안전하게 사용할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 레이저 빔을 제어하는 것은 원하는 위치에 가깝게 이동되도록 레이저 빔을 제어하는 것을 포함한다. 예를 들어, 원하는 위치는 상기 미러 표면의 중심일 수 있다. 그러나, 상기 미러 표면의 다른 특정 위치는 원하는 위치가 될 수 있으며 정렬 중에 미리 정의되거나 결정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 미러 표면으로부터 레이저 빔의 일부를 편향시키는 단계는 미러 표면 상의 표면 패턴을 사용하여 미러 표면으로부터 레이저 빔의 일부를 편향시키는 단계를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 미러 표면 상의 레이저 빔의 위치를 탐지하는 것은 레이저 빔의 중심과 상기 미러 표면상의 원하는 위치 사이의 오프셋 값을 얻는 것을 포함한다. 이것은 방법을 수행하는 시스템이 수정될 위치를 위해 레이저 빔이 이동 및/또는 기울어 져야하는 방향과 각도의 양을 쉽고 효율적으로 결정할 수 있게 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 방법을 수행하는 시스템은 복수의 미러를 포함하고, 단계 a) 내지 c)는 각각의 미러에 대해 수행된다.

일 실시예에 따르면, 단계 c)는 이전 미러를 조정 및/또는 이동시켜 위치가 탐지된 미러 상의 반사 위치를 변경함으로써 탐지된 위치 및 미러 표면 상의 원하는 위치에 기초하여 레이저 빔을 제어하는 단계를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 단계 b)는 레이저 빔의 편향된 부분을 캡처하는 카메라에 기초하여 미러 표면 상의 레이저 빔의 위치를 탐지하는 것을 포함한다.

본 발명의 세 번째 일 측에 따르면, 레이저 빔 정렬 시스템을 위한 미러가 제공되며, 상기 미러는 프레임, 레이저 빔을 반사할 수 있는 프레임에 의해 지지되는 미러 표면, 및 레이저 빔을 편향시키기 위한 미러 표면 상의 패턴을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 상기 미러는 상기 미러를 이동시키고 미러 및/또는 프레임에 연결되는 하나 이상의 이동 시스템을 더 포함한다. 일 실시예에 따르면, 상기 미러는 미러 표면을 향하고 프레임에 연결된 하나 이상의 탐지기를 더 포함한다.

도 1은 대형 운반수단의 표면 처리에 사용되는 로봇 시스템의 사시도를 도시한다.
도 2a는 본 발명에 따른 도 1의 로봇 시스템을 통한 레이저 경로의 도면을 도시한다.
도 2b-2e는 본 발명에 따른 도 2a의 확대 부분을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 빔 정렬 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 레이저 빔 정렬 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 빔 정렬 방법을 예시한 흐름도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 레이저 빔 정렬 방법을 나타낸 다이어그램을 도시한다.
도 7a는 본 발명에 따른 레이저 정렬 시스템을 상부에서 본 사시도를 도시한다.
도 7b는 아래에서 본 도 7a의 레이저 정렬 시스템의 사시도를 도시한다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 미러의 사시도를 도시한다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미러의 사시도를 도시한다.
도면은 단지 예시 목적을 위한 것이며 청구 범위에 의해 규정된 범위 또는 보호의 제한으로 작용하지 않는다.

도 1은 대형 운반수단의 표면 처리에 사용되는 로봇 시스템(10)의 사시도를 도시한다. 시스템(10)은 항공기(12)의 표면을 가로질러 레이저를 스캔함으로써 코팅을 제거하기 위해 고출력 레이저(high-power laser)를 사용하는 페인트 제거 시스템으로 도시되고 설명되지만, 시스템(10)은 페인팅(painting), 샌딩(sanding), 직접 프린팅, 다른 코팅 또는 표면 처리 적용 또는 제거, 세척, 와이프-다운(wipe-down), 표면 스캐닝 또는 검사 및 수리와 같은 다양한 표면 처리를 제공하는데 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 시스템(10)은, 헬리콥터, 선박, 트럭, 자동차, 수중 차량, 우주선과 같은 다른 운반수단 또는 구조물; 또는 모든 표면에 도달하기 위해 넓은 영역 및/또는 복잡한 위치를 포함하는 운반수단 또는 구조물과 함께 사용될 수 있다.

시스템(10)은 전방향의 보기(16)에 연결된 이동식 베이스(14)가 있는 독립형 표면 처리 시스템이다. 베이스(base)는 4개의 보기(16)를 사용하고, 각각의 보기(16)와 연결된 두 세트의 메카넘 휠(Mecanum wheels)과 유연한 서스펜션 시스템을 사용하여 어떤 방향이든 이동할 수 있어 원활한 주행과 안정적인 주차가 가능하다. 보기에 대한 자세한 내용은 2018년 6월 21일에 출원된 전방향의 이동 시스템이라는 제목의 미국 출원 제…호에서 확인될 수 있으며, 그 내용은 본원에 참조로 포함된다.

전력, 냉각수 및 가스와 같은 필요한 유틸리티(utilities)는 베이스(14) 상의 엄빌리컬 커플링(umbilical coupling)(34)에 연결할 수 있는 테더(tether)를 통해 제공될 수 있다. 어떤 경우에는, 일부 유틸리티만 필요하거나 이들 중 어느 것도 필요하지 않기 때문에(예를 들어, 전원은 베이스 상에 있는 배터리로 제공됨), 시스템(10)은 다양한 위치에서 작동할 수 있고 많은 코드(cord)나 연결없이 쉽게 조작할 수 있다.

이동식 베이스(14)는 항공기(12)까지 스스로 "주차(park)" 할 수 있고 운영을 위한 안정된 베이스를 제공할 수 있도록 비교적 콤팩트 하면서도 안정적임으로써 다양한 항공기 및 격납고 변형을 수용할 수 있다. 전방향의 보기(16) 및 유연한 서스펜션 시스템은 이동식 베이스(14)가 시스템(10)의 큰 부하를 고르게 분배할 수 있는 동시에 수평이 아니거나 장애물이 있는 영역을 원활하게 탐색할 수 있게 한다. 보기(16)의 유연한 서스펜션 시스템은 베이스(14)가 주행 모드(도 1b 참조)에 있게 하여 베이스와 잭(38)이 지면 위로 올라가고 (장애물을 위한 충분한 간격이 있음), 그 다음 잭(38)(및 가능하면 전체 베이스(14))이 낮아져서 시스템(10) 중량이 주차 모드(도 1c 참조)를 위한 잭(38)에 놓이고 보기(16)의 휠이 작동 중에 시스템(10) 중량을 거의 또는 전혀 운반하지 않도록 한다. 이는 치료 표면에 대한 손상의 위험을 최소화하기 위해 작동 중에 암(20) 및 리스트(22)의 움직임이 지지 되도록 안정된 베이스를 보장한다.

시스템(10)은 또한 특정 표면 처리와 관련된 베이스(14)의 여러 다른 구성 요소, 이 시스템에서, 레이저 발생기(24), 레이저 전원 유닛(26), 제어 시스템 캐비닛(28), 가스 홀더(30), 여과 유닛(32), 엄빌리컬 커플링(34), 열교환기(35), 스캐너(36), 유압 시스템(37) 및 잭(38) 포함한다. 다른 시스템에는 베이스(14) 상에 표시된 구성 요소에 추가로 또는 대신에 베이스에 의해 지원되는 다른 구성 요소가 포함될 수 있다. 예를 들어 배기 필터, 배터리, 페인트 및/또는 페인트 라인 등이 여기에 포함될 수 있다.

표면 처리는 베이스(14)로부터 마스트(mast)(18), 숄더(shoulder)(19), 암(arm)(20) 및 리스트(wrist)(22)를 통해 전달되며, 이 경우 레이저 빔이 베이스(14)에서 항공기(12) 표면의 임의의 원하는 지점으로 이동할 수 있는 구조를 함께 제공한다. 마스트(18) 및 암(20)은 연장 가능하고 회전할 수 있지만(예를 들어, 선형 기어(21) 및 회전 기어(17)를 통해), 마스트(18)의 회전은 베이스(14) 이동 또는 회전을 통해 이루어질 수 있다. 숄더(19)는 마스트(18)에 대한 암(20)의 회전 및 병진을 허용한다. 일부 실시예에서, 암(20)은 병진 암 대신에 텔레스코핑 암(telescoping arm)일 수 있다. 암(20)은 또한 선형 기어(21)를 통해 마스트(18)의 길이를 통해 상하로 이동할 수 있다. 리스트(22)는 항공기(12)의 모든 표면에 도달하고 처리할 수 있는 능력을 시스템(10)에 제공하기 위해 예를 들어 3축과 같은 더 많은 유연성 축을 제공한다. 도시된 이동 시스템은 마스트(18), 숄더(19), 암(20) 및 리스트(22) 구성, 처리 표면 및/또는 기타 요구 사항에 따라 달라질 수 있다.

도 2a-3b와 관련하여 자세히 설명되어 있는 바와 같이, 상기 레이저는 마스트(18), 암(20) 및 리스트(22)의 중공 부분을 통해 베이스(14)에서 리스트(22)로 이송되고 정확한 레이저 빔 위치를 보장하기 위해 미러 제어 및 정렬 시스템이 있는 일련의 미러에 의해 안내된다. 시스템(10)은 또한 마스트(18), 암(20) 및 리스트(22)의 내부를 통해 유출물을 제거하기 위한 배기 가스 시스템; 및 항공기(12)에 대한 모든 시스템(10) 구성 요소의 위치 및 배향을 위한 시스템을 포함한다.

로봇 시스템(10)의 제어는 자동 또는 수동일 수 있다. 일반적으로, 작업을 시작할 때, 항공기(12)의 유형(또는 다른 구조)이 선택된다. 본원에 참조로 포함되는 내용인, 2018년 6월 21일에 출원된 미국 출원 제…호에 자세히 설명된 포지셔닝 시스템(positioning system)은 항공기(12)의 위치 및 방향을 결정하는데 사용된다. 이것은 일반적으로 항공기의 알려진 위치에 다수의 표적을 매달고 스캐너(36)를 사용하여 표적 위치를 알려진 항공기 치수 및 구성으로 매핑하는 것을 포함하여, 상기 로봇 시스템이 리스트(22)의 출력(23)을 정확하게 위치시켜 항공기(12)의 임의의 표면에 레이저를 그 표면과 접촉하지 않고 지향시킬 수 있도록 한다. 이는 항공기(12)의 큰 크기와 복잡한 형상, 그리고 어떤 접촉으로 인한 항공기(12) 표면 손상의 민감성 때문에 중요하다.

포지셔닝이 확인되면, 로봇 시스템을 원하는 시작 위치로 이동할 수 있다. 보기(16)는 베이스를 제1 위치(예를 들어, 항공기(12)의 전방 부분 근처 및 출력(23)이 암(20) 및 리스트(22)가 연장할 수 있는 길이를 알면서 가장 전방에 도달할 수 있는 위치 부근)로 구동할 수 있다. 베이스(14)는 주차 모드(도 1c 참조)에 놓일 수 있으며, 여기서 보기(16) 신축성 서스펜션 시스템은 베이스(14)와 잭(38)을 낮추어 베이스(14)가 적어도 주로 잭(38)(휠 대신)에 의해 지지되도록 한다. 그 다음 작업을 시작할 수 있다. 암(20)과 리스트(22)는 시작 위치에 위치된다. 레이저 정렬이 확인된 다음, 고출력 레이저 빔을 켤 수 있다. 로봇 시스템 암(20) 및 리스트(22)의 움직임은 모든 표면이 충분히 처리되도록 미리 프로그램 된 경로를 따를 수 있으며, 필요한 경우 하나 이상의 패스가 사용될 수 있다. 레이저는 특정 레이어만 제거되도록 조정할 수도 있다. 광학 센서(또는 기타 센서 수단)를 사용하여 레이저가 장애물(예를 들어, 창문)을 피하도록 할 수 있다.

상기 레이저는 항공기(12)의 크고 복잡한 표면적에도 불구하고 효율적인 표면 처리를 보장하기 위해 초당 200회와 같이 매우 빠르게 스위핑(sweeping) 할 수 있다. 또한, 카메라 또는 기타 센서를 사용하여 레이저가 원하는 레이어를 효과적으로 제거하는지 확인할 수 있다. 예를 들어, 색상 및 모양 분석을 위해 스윕(sweep) 당 한 번 이상 찍은 사진을 사용하여 이를 수행할 수 있다. 이러한 감지 및 분석을 기반으로 레이저 출력, 로봇 이동 및 속도를 지속적으로 업데이트 할 수 있다.

레이저 작동 중에, 유출물 제거 시스템은 또한 생성된 가스를 제거하기 위해 작동한다. 유출물 제거 채널은 베이스(14)에서 생성된 음압(negative pressure)을 가져서(예를 들어, 베이스(14) 상의 여과 시스템을 통해), 유출물이 리스트, 암 및 마스트를 통해 베이스(14)로 흡입되어 세척되고(예를 들어, 여과 유닛(32)의 필터를 통해) 적절하게 폐기될 수 있다(예를 들어, 필터에서 세척 후 깨끗한 가스가 방출됨). 제공되는 흡입은 레이저 제거 지점의 배기 가스와 미세 오염이 배기 가스와 함께 유출물 제거 채널로 유입되는 수준이어야 한다. 출력(23)은 모든 배기 가스의 완전한 흡입을 촉진하기 위해 레이저 채널 출력을 완전히 둘러싸는 유출물 채널 입력과 같은 특정 구성을 가질 수 있다. 그 다음 이러한 구성은 암의 도 4a에 도시된 채널(일반적으로 리스트(22)를 형성하는 채널이기도 함)로 전환될 수 있다. 여과 유닛(32)은 또한 유출물의 냉각을 위한 추가 공기 또는 다른 케이스를 제공할 수 있다. 유출물 채널은 특히 암(20)에서 수직 마스트(18)로의 이동과 같이 좁은 코너 주위를 이동할 때 가스가 올바른 방향으로 이동하도록 돕는 다양한 위치에 베인(vanes)을 포함할 수 있다.

로봇 시스템(10)이 암(20) 및 리스트(22)의 범위 내에서 모든 코팅을 제거할 때, 시스템(10)은 처리되지 않은 표면에 도달할 수 있도록 항공기(12)와 관련하여 제2 위치로 이동될 수 있다. 이동, 주차 및 작동에도 동일한 절차가 사용된다. 상기 항공기의 전체 표면이 처리되었을 때, 로봇 시스템(10)은 저장을 위해 다른 위치로 이동하거나 새로운 작업을 시작할 수 있다.

항공기 상의 페인트 제거를 위한 과거의 표면 처리 시스템은 일반적으로 솔벤트(solvent) 또는 샌딩(sanding)의 수동 애플리케이션을 포함한다. 로봇 시스템(10)은 항공기의 복잡한 표면 형상을 처리할 수 있는 효율적인 표면 처리 방법을 제공하는 동시에 항공기 손상 위험과 필요한 수작업을 최소화한다. 고출력 레이저를 사용하면 코팅을 효율적이고 효과적으로 제거할 수 있으며, 베이스(14), 마스트(18), 숄더(19), 암(20) 및 리스트(22)의 이동 시스템은 수동 개입없이 레이저가 원하는 위치에 도달할 수 있도록 한다. 상기 레이저 정렬 시스템은 다른 표면에 도달하기 위한 모든 움직임과 회전에도 불구하고 이동식 미러들을 사용하여 레이저가 올바르게 정렬되도록 보장하여 고출력 레이저 빔을 사용할 때도 안전한 시스템을 보장한다. 이동식 베이스(14)는 다양한 항공기 및 격납고 (또는 다른 처리 위치) 변화를 수용하기 위해 원하는 위치로 쉽고 유연하게 이동할 수 있게 한다.

도 2a는 본 발명에 따른 로봇 시스템(10)을 통한 레이저 경로의 도면을 도시하고, 도 2b-2e는 상기 레이저 경로의 확대 부분을 도시한다.

레이저 경로는 편향 시스템(40)이라고도 불리는 레이저 빔 정렬 시스템에 의해 안내되며, 레이저가 레이저 소스(laser source)로부터 항공기(12)의 원하는 표면 처리 지점까지 원하는 경로를 따라가기 위해 편향이 필요한 모든 지점에 위치된다. 시스템(10)에서, 레이저 빔은 베이스(14) 상의 8개의 레이저 빔 정렬 시스템(40)(도 2b-2c에 도시됨)에 의해 편향되어 원하는 위치(레이저 채널의 중심)에서 마스트(18)로 들어간다. 상기 레이저는 마스트에서 숄더(19)까지 수직으로 편향되고, 그 다음 수평으로 편향되어 암(20)으로 들어가고, 이어서 편향되어 리스트(22)쪽으로 연장된다(도 2d에 도시됨). 리스트(22)에서, 레이저는 두 개의 다른 레이저 빔 정렬 시스템에 의해 편향된 다음 리스트(22)의 출력(23)에서 하나 이상의 미러(41)에 의해 항공기(12)의 표면(또는 다른 원하는 표면)을 향해 반사된다.

도 3은 본 발명에 따른 레이저 빔 정렬 시스템(40)을 개략적으로 도시한다.

도 3의 정렬 시스템(40)은 도 1의 시스템에 도시된 바와 같이 마스트(18), 숄더(19), 암(20) 및/또는 리스트(22)에 의해 형성된 중공 구조 내부에 위치될 수 있으며, 따라서 도 2에 도시된 바와 같이 레이저 빔 정렬 시스템 중 하나에 대응할 수 있다. 정렬 시스템(40)은 구조적 편향으로부터 독립적인 레이저 빔 전송을 유지하기 위해 도 1의 시스템(또는 다른 시스템)에 통합될 수 있는 동적 레이저 빔 정렬 시스템이다. 정렬 시스템(40)은 레이저 빔(44), 제1 미러(48), 제2 미러(50), 제2 미러(50)를 위한 제1 탐지기(52a), 제2 미러(50)를 위한 제2 탐지기(52b), 및 제어기(46)를 포함한다.

레이저 빔(44)은 고출력 레이저 빔, 저출력 레이저 빔, 또는 임의의 적절한 유형의 레이저 빔일 수 있다. 상기 레이저 빔이 고출력 레이저 빔인 경우, 적외선 레이저 빔일 수 있다. 상기 고출력 레이저 빔은 예를 들어 직경이 약 9cm인 20킬로와트 CO₂ 레이저일 수 있으며, 이는 금속 및 복합 기판을 포함한 많은 표면에서 다양한 코팅을 제거하기 위해 개발될 수 있다. 상기 저출력 레이저 빔은 적색 레이저 빔 또는 적색 광선 빔과 같은 가시 광선 레이저 빔일 수 있다.

제1 미러(48)는 레이저 빔 소스로부터 나오는 레이저 빔이 먼저 제1 미러(48)에 부딪히도록 중공 구조 내의 제1 위치에 위치될 수 있다. 그 다음, 제2 미러(50)는 제1 미러(48)의 위치보다 레이저 빔 소스로부터 더 먼 중공 구조 내의 위치에 위치된다. 제1 미러(48)는 레이저 빔(44)을 수신하여 제2 미러 방향으로 반사하도록 구성되며, 제2 미러(50)는 제1 미러(48)로부터 반사된 레이저 빔을 수신하고 이를 추가 미러의 방향으로 또는 엔드 툴(end tool)의 방향 또는 시스템의 출력으로 반사하도록 구성된다.

제2 미러(50)에 대한 제1 탐지기(52a)는 제2 미러(50)의 미러 표면의 실질적으로 전방에 위치하여 미러 표면을 향하는 탐지기이다. 예를 들어, 제1 탐지기(52a)는 제2 미러(50) 바로 위에 장착될 수 있다. 제1 탐지기(52a)는 제2 미러(50)로부터 편향된 저출력 레이저 빔의 적어도 일부를 탐지하도록 구성된다. 모든 레이저 빔이 동일한 특성(에너지, 빔 폭)을 갖는 것은 아니기 때문에, 특정 탐지기를 특정 레이저 빔 유형의 에너지만 탐지하도록 조정할 수 있다. 제1 미러(48)와 제2 미러(50) 사이의 거리는 변할 수 있으며, 일 실시예에서, 도 1의 리스트(22)에 대응하는 섹션에서와 같이 최소 50cm에서 도 1의 마스트(18)에 대응하는 섹션에서와 같이 최대 15m까지 이동할 수 있다. 그러나 상기 레이저 빔이 미러 표면에 제대로 닿을 수 있는 한 거리는 더 작거나 클 수 있다.

제2 미러(50) 용 제2 탐지기(52b)는 제1 탐지기(52a)와 제2 미러(50)에 대해 유사한 위치에 위치된다. 제2 탐지기(52b)는 제2 미러(50)로부터 편향된 고출력 레이저 빔의 적어도 일부를 탐지하도록 구성된다. 상기 광 빔의 편향된 부분은 레이저 빔 총 전력의 약 0.01%를 나타낼 수 있는 약 2W에서 레이저 빔 총 전력의 약 0.1%까지 매우 작을 수 있다. 편향된 빛의 총량이 적기 때문에 고출력 탐지기가 필요하지 않다.

제1 탐지기(52a) 및 제2 탐지기(52b)는 편향된 레이저 빔의 부분에 기초하여 제2 미러(50)에 입사되는 레이저 빔의 위치를 결정하도록 구성된다. 상기 탐지기는 임의의 종류의 적합한 광 탐지기일 수 있으며, 예를 들어 레이저 빔의 편향된 부분을 수신 또는 캡처하도록 구성되고 캡처 된 이미지에 기초하여 미러 표면 상의 레이저 빔의 위치를 탐지할 수 있는 카메라이다. 상기 탐지기는 상기 미러에서 너무 많은 에너지를 수신하지 못하도록 탐지기를 보호하기 위해 차폐 또는 보호 층을 가질 수 있다.

제1 탐지기(52a) 및 제2 탐지기(52b)는 각각 인쇄 회로 기판에 통합되거나 동일한 인쇄 회로 기판에 함께 통합될 수 있으며, 상기 인쇄 회로 기판은 또한 탐지기에 의해 탐지된 위치를 처리하는 마이크로프로세서(microprocessor)를 포함할 수 있다. 상기 탐지기가 카메라인 경우, 상기 마이크로프로세서를 구성하여 이미지 처리를 수행하거나 이러한 이미지 처리를 유선 또는 무선 연결을 통해 탐지기와 통신하는 원격 위치에서 수행할 수 있다.

제어기(46)는 정렬 및 보정 동작을 제어하도록 구성된다. 레이저 빔이 상기 미러 표면에 도달하면 미러의 방향에 따라 레이저 빔이 미러 표면에서 특정 방향으로 반사된다. 상기 레이저가 따르는 방향이 정확해야 손상을 유발할 수 있는 원치 않는 표면에 도달하지 않도록 하는 것이 중요하다. 이는 예를 들어 다중 미러를 사용할 때와 같이 높은 수준의 정확도가 필요한 응용 분야에 레이저 빔을 사용할 때 특히 중요하다. 도 3의 실시예에서, 제어기(46)는 제1 탐지기(52a) 및 제2 탐지기(52b)로부터 레이저 빔이 부딪치는 제2 미러(50)의 미러 표면 상의 탐지된 위치를 수신하도록 구성된다. 따라서, 제어기(46)는 제1 탐지기(52a)로부터 저출력 레이저 빔의 탐지된 위치에 대한 정보를 수신할 수 있고, 제2 탐지기(52b)로부터 고출력 레이저 빔의 탐지된 위치에 대한 정보를 수신할 수 있다. 이 정보를 사용하여, 제어기(46)는 탐지된 위치를 미러 표면 상의 레이저 빔(44)의 원하는 위치와 비교할 수 있다.

그러면 제어기(46)는 비교 결과에 기초하여, 제1 미러(48)에 입사된 레이저 빔이 제2 미러(50)를 향해 반사되도록 제1 미러(48)가 이동 및/또는 기울여야 하는 방향 및 거리를 결정할 수 있어서, 상기 레이저 빔이 원하는 위치에서 제2 미러(50)에 닿도록 한다. 상기 제어기는 레이저 위치를 정렬하기 위해 결정된 방향 및 거리로 이동 및/또는 경사 지도록 제1 미러(48)를 제어할 수 있다.

또한, 도 3에 도시되지 않았지만, 상기 시스템은 고출력 레이저 빔이 미러를 비추고 있음을 분명히 표시하기 위해 바이너리 신호(binary signal)와 같은 신호를 제공하는 하나 이상의 추가 안전 센서를 포함할 수 있다. 상기 빔 품질의 표시로서 레이저 빔 중심 위치 및 단면 형상을 결정하기 위해 제어기(46)에 의해 알고리즘이 구현될 수 있다. 제어기(46)는 딤플(dimples)(도 7a-7b 참조)로부터 레이저 반사의 중심을 계산하여 레이저 빔의 위치 측정을 제공하는 이미지 처리 알고리즘을 포함할 수 있다. 다른 알고리즘은 빔 품질을 표시하는 레이저 반사의 형상을 계산한다. 또 다른 알고리즘을 사용하여 레이저 빔의 강도를 탐지하여 레이저 출력을 측정하고 더러운 미러와 같은 다른 이상을 탐지할 수 있다.

상기 미러 표면에서 원하는 위치는 레이저 빔이 시스템의 최적 기능을 위한 방향으로 반사되도록 하는 위치이다. 이 원하는 위치는 레이저 빔이 둘러싸인 구조(중공 구조)의 벽에 가능한 평행하게 반사되도록 하는 위치일 수 있다. 원하는 위치는 미러 표면의 중심이거나 미러 표면의 중심으로부터 특정 거리에 있는 지점일 수 있다.

도 3에는 표시되지 않았지만, 일 실시예는 또한 빔이 차단되어 제2 미러(50)에 도달하지 않았는지 여부를 결정하기 위해 카메라일 수 있는 제1 탐지기(52a) 및 제2 탐지기(52b)와 유사한 위치에 위치한 적어도 하나의 추가 탐지기를 포함할 수 있다. 이는 탐지기(52a 및/또는 52b)가 시스템의 정상적인 기능에 대응하지 않는 편향된 광의 일부를 탐지할 수 있기 때문에 시스템에 추가적인 안전 메커니즘을 제공할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 시스템의 안전성을 더욱 향상시키기 위해 하나 이상의 추가 탐지기가 사용될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 다른 레이저 빔 정렬 시스템(40)을 개략적으로 도시한다.

도 4의 시스템은 도 3의 시스템과 유사하고, 여기서, 추가적인 제3 미러(42)는, 예를 들어, 제2 미러(50)의 위치보다 레이저 빔 소스로부터 더 멀리 있는 중공 구조 내의 위치에 배치된다. 제3 미러(42)는 제2 미러(50)로부터 반사된 레이저 빔을 수신하고 이를 추가 미러 또는 시스템의 출력으로 반사하도록 구성된다. 탐지기(43a 및 43b)는 탐지기(52a 및 52b)와 유사할 수 있으며, 이들은 제3 미러(42)에 입사하는 편향된 레이저 빔의 적어도 일부를 탐지하도록 구성된다. 제어기(46)는 또한 탐지기(43a 및 43b)로부터 레이저 빔 위치를 수신하도록 구성되는 이러한 실시예에 따른다. 도 4는 제어기(46)를 두 개의 개별 요소로 나타내지만, 당업자는 제어기가 하나의 요소 또는 서로 통신하는 다중 요소에 의해 형성될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

도 4는 또한 제1 미러(48)에 대한 제1 탐지기(49a) 및 제2 탐지기(49b)를 도시한다. 제1 미러(48)에 대한 상기 탐지기는 제1 미러(48)의 표면 상의 레이저 빔의 위치를 탐지할 수 있고, 따라서 제어기(46)는 또한 탐지된 위치를 사용하여 제1 미러(48) 및/또는 레이저 빔 소스를 조정할 수 있다.

도 3과 도 4는 각각 2개와 3개의 미러가 있는 시스템을 나타내지만, 본 발명에 따른 레이저 정렬 시스템은 또한 3개 이상의 미러들을 포함할 수 있으며, 이는 도 1에 도시된 로봇의 베이스에 있는 소스로부터의 레이저 빔을 로봇 부품에 의해 형성된 중공 구조를 통해 시스템의 엔드 툴로 안내한다.

도 5는 본 발명에 따른 레이저 빔 정렬 방법(500)을 예시하는 흐름도를 포함한다. 예로서, 방법은 도 3의 시스템을 참조하여 설명될 것이며, 그러나 유사한 방법이 다른 시스템, 예를 들어 도 4의 시스템과 같은 더 많은 미러를 포함하는 시스템에 적용될 것임이 분명해야 한다.

제1 단계(501)에서, 저출력 레이저 빔을 사용하여 초기 미러 정렬이 수행된다. 이 초기 단계에서 시스템을 구성하는 미러가 잘못 정렬될 수 있다. 레이저 빔이 원하지 않는 표면에 반사되면 고출력 레이저 빔이 더 위험할 수 있기 때문에 초기 정렬을 위해, 여기서 미러의 오정렬(misalignment)은 상당할 수 있으며, 상기 고출력 레이저 빔이 꺼지고 저출력 레이저 빔이 사용된다. 이러한 저출력 레이저 빔은 심하게 정렬되지 않고 바람직하지 않은 표면을 향하더라도 손상이 거의 또는 전혀 발생하지 않는다.

제1 단계동안, 제2 미러(50)의 제1 탐지기(52a)는 레이저 빔이 부딪치는 미러 표면상의 위치를 탐지한다. 이는 제1 탐지기(52a)의 방향으로 레이저 빔의 편향된 부분을 탐지하고, 편향된 부분에 기초하여 미러 표면상의 레이저 빔의 위치를 획득함으로써 행해질 수 있다. 그 후, 제1 탐지기(52a)는 탐지된 위치를 제어기(46)로 전송하고, 상기 제어기는 미러 표면의 중심이 될 수 있는 원하는 위치에서 미러 표면에 도달하기 위해 레이저 빔이 이동해야 하는 거리 및 방향을 결정할 수 있다. 제어기(46)는 레이저 빔이 제2 미러(50)의 표면 상의 원하는 위치에 도달할 방향으로 반사되도록 하기 위해 제1 미러(48)를 이동 및/또는 경사지게 제어할 수 있다. 이 프로세스는 도 4의 제3 미러(42)에 대해 유사하게 구현될 수 있으며, 각각의 미러에 대한 탐지기가 미러 표면에 입사하는 저출력 레이저 빔이 원하는 위치에서 그렇게 한다는 것을 탐지할 때까지 단계 502에서 자동으로 동적으로 구현될 수 있다. 이것이 "원하는 위치(desired position)"로 논의되지만, 이것은 시스템, 레이저 등에 따라 허용 가능한 위치의 범위 내에 있는 미러 표면 상의 다수의 위치를 포함할 수 있다는 것을 당업자에 의해 이해될 것이다.

상기 정렬이 완료되면, 고출력 레이저 빔을 항공기와 같은 운반수단에서 코팅을 제거하는 것과 같은 필요한 애플리케에션에 사용될 수 있다. 이를 위해, 단계 503이 구현되며, 여기서 저출력 레이저 빔은 꺼지고 고출력 레이저 빔은 켜진다. 처음에는, 상기 미러가 이전 단계에서 정렬되었지만, 로봇 구조의 마스트(18)와 암(20)은 각각 리스트를 움직이고 원하는 위치로 출력하기 위해 움직일 수 있기 때문에, 이 변위는 미러를 잘못 정렬하므로, (미러 조정을 통해) 레이저 빔의 일정한 정렬 및 재조정이 자동으로 동적으로 수행되어야 한다.

그 다음 단계 504가 개시되고, 이 경우 제2 탐지기(52b)는 제2 미러(50)의 미러 표면에 입사하는 레이저 빔의 위치를 탐지할 것이다. 이 단계는 단계 501과 유사하며, 저출력 레이저 빔 대신 고출력 레이저 빔이 사용된다.

방법(500)이 저출력 레이저 빔 정렬 및 고출력 레이저 빔 정렬에 대해 유사한 방식으로 수행되지만, 상기 저출력 레이저를 사용하면 작업자가 미러를 수동으로 대략적으로 조정할 수 있다. 저출력 레이저 빔으로 시작하면 적절한 시작 정렬이 이루어지고 고출력 레이저 빔이 켜지기 전에 상기 시스템이 제대로 작동하는지 확인할 수 있다. 따라서, 이 방법은 시스템이 적절하게 정렬되고 안전하게 작동할 때까지 시스템 또는 주변 구성 요소를 손상시킬 수 있는 고출력 레이저 빔의 사용을 피하는 안전한 시스템을 제공한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 정렬 방법을 나타낸 도면이다.

보다 구체적으로, 도 6은 시스템의 탐지기, 제어기 및 미러 간의 상호 작용을 보여준다. 도 6의 다이어그램은 예로서 및 단순성 때문에 도 3의 시스템을 참조하여 설명될 것이지만, 더 많은 미러를 갖는 시스템에서 동일한 방식으로 적용될 것이다.

제2 미러(50)는 단계 601에서 저출력 레이저 빔을 수신한다. 상기 레이저 빔에서 나오는 대부분의 에너지는 다음 미러 또는 엔드 툴 또는 출력으로 반사된다. 상기 레이저 빔의 일부는 단계 602에서 제2 미러의 제1 탐지기(52a)를 향해 편향될 것이다. 이 부분은 미러 표면에 존재하는 표면 패턴으로 인해 나머지 레이저 빔과 다르게 편향된다. 상기 표면 패턴은 상기 미러 표면 상의 특정 위치에 위치된 딤플 패턴(dimples pattern)일 수 있다. 상기 딤플은 매우 적은 양의 레이저 에너지를 상기 탐지기에 정의하는 미러 표면으로 밀링 된 피처일 수 있다. 상기 고출력 레이저 빔과 상기 저출력 레이저 빔은 동일한 소스에서 시작될 수 있으며, 둘 다 초기에 예를 들어 30mm의 직경을 가질 수 있다. 상기 저출력 레이저 빔은 그 빔을 약 6cm까지 확장할 수 있는 시준기(collimator)를 통과할 수 있으므로, 약 9cm의 고출력 레이저 시스템에 가깝게 일치한다. 이 확장은 저출력 레이저 빔이 미러의 표면 패턴을 덮을 수 있고 탐지기가 표면 패턴을 기반으로 미러 표면에서 빔의 위치를 효과적으로 탐지할 수 있도록 수행된다.

제1 탐지기(52a)는 단계 603에서 표면 패턴으로 인해 편향된 레이저 빔의 부분을 탐지하고, 단계 604에서 굴절된 부분에 기초하여 미러 표면 상의 레이저 위치 및 레이저 빔의 중심을 탐지한다. 단계 605에서, 제1 탐지기(52a)는 탐지된 위치를 제어부(46)로 전송한다.

단계 606에서, 상기 제어기는 제1 탐지기(52a)로부터 수신된 레이저 빔 위치를 사용하여 레이저 빔의 중심(빔 중심선)과 미러 중심선과 같은 원하는 위치 사이의 "오프셋(offset)"을 획득한다. 상기 레이저 오프셋 위치는 레이저 빔이 측정 미러의 중심과 정렬되도록 제1 미러(48)의 각도 및/또는 위치를 변경하기 위해 단계 607에서 사용된다. 제1 미러(48)와 제2 미러(50)(알려진) 사이의 거리는 또한 필요한 각도 변화의 크기를 얻기 위해 레이저 빔 오프셋과 함께 사용된다. 그 다음, 제1 미러(48)에 대한 모션 제어 시스템(도 7a-7b와 관련하여 더 상세히 설명됨)은 위치 정보의 다음 업데이트 전에 매우 짧은 시간 프레임, 예를 들어 100ms 시간 프레임 내에 미러를 이동시킨다. 불감대(dead band) 또는 오프셋 공차 범위가 있는데, 오프셋이 감지되더라도 상기 제어기는 비효율적인 성능을 피하기 위해 제1 미러(48)에 이동 및/또는 기울임을 지시하지 않으며, 제1 미러(48)를 매우 작은 거리 및/또는 경사로 이동시키기 위해서는 너무 많은 전력이 필요하다. 따라서, 상기 오프셋의 상기 허용 범위 내에서는 어떠한 움직임도 발생하지 않으며, 탐지된 오프셋이 특정 임계 값을 초과할 때만, 상기 제어기는 제1 미러(48)에 이동 및/또는 경사를 지시한다.

도 7a는 상부 측으로부터의 레이저 정렬 시스템 또는 편향 시스템(40)의 사시도를 도시하고, 도 7b는 하부 측으로부터의 레이저 정렬 시스템(40)의 사시도를 도시한다. 레이저 정렬 시스템(40)은 프레임(42), 이동 시스템(44)(모터(46) 및 구동 트레인(48)을 가짐), 미러(50)(위에 개시된 제2 미러(50)에 대응할 수 있음) 및 카메라(52)(위에 개시된 바와 같이 탐지기(52a 및 52b)에 대응할 수 있음)를 포함한다. 미러(50)는 딤플(54), 입구(56) 및 출구(58)를 포함한다.

미러(50) 표면은 일반적으로 알루미늄 또는 구리이지만 다른 적절한 재료가 사용될 수 있다. 입구(56) 및 출구(58)는 레이저 빔을 편향시킬 때 미러(50)가 작동 중에 과열되지 않도록 하기 위해 냉각제(예를 들어, 물 또는 가스)의 순환을 위한 것이다. 딤플(54)은 임의의 세트 패턴(set pattern)일 수 있고, 카메라(52a, 52b)가 미러 표면에 부딪히는 레이저 빔 및 미러(50) 표면 상의 빔의 위치를 탐지할 수 있도록 레이저 빔의 작은 부분을 편향시키도록 작동한다. 미러(50)는 또한 예를 들어 레이저 빔이 미러(50)의 가장자리에 가까워진다는 것이 탐지되면 상기 레이저의 자동 차단을 위한 신호를 보낼 수 있는 안전 시스템을 포함할 수 있다. 이는 예를 들어 미러(50)의 가장자리 또는 코너에 열 부하를 모니터링 하는 하나 이상의 안전 센서를 포함할 수 있다.

미러(50)는 프레임(42)에 대해 미러(50)를 움직이거나 기울일 수 있는 이동 시스템(44)을 통해 프레임(42)에 연결된다. 이러한 움직임은 하나 이상의 모터(46), 구동 트레인(48) 및 프레임(42)과 미러(50) 사이를 연결하여 미러(50)를 제어 가능하게 움직이거나 기울이는 다른 구성 요소(예를 들어, 커넥터, 브라켓, 기어)를 통해 하나 이상의 방향으로 이루어질 수 있다. 미러(50)는 2개의 모터(46) 및 2개의 구동 트레인(48)을 사용하여 2개의 방향으로 기울어 질 수 있지만, 다른 레이저 빔 정렬 시스템(40)은 더 많거나 적은 이동 또는 기울임 옵션을 포함할 수 있다. 이 움직임은 이전 도면과 관련하여 설명된 바와 같이 제어기(46)에 의해 제어된다.

레이저 빔 정렬 시스템(40)이 도 2a에 도시된 레이저 경로 내에 위치되는 위치에 따라 이동 및 제어가 달라질 수 있다. 예를 들면, 레이저 소스 바로 뒤에 위치한 제1 레이저 빔 정렬 시스템(40)은 일반적으로 매우 최소한의 움직임을 포함할 수 있으며, 리스트(22)에 위치한 레이저 빔 정렬 시스템(40)은 더 큰 범위(또는 범위들)에서 이동하거나 기울여서 그 위치에서 모든 다른 움직임을 수용할 수 있다.

카메라(52a, 52b)는 일반적으로 미러(50) 상의 레이저 및 미러(50) 상의 레이저 위치를 탐지할 수 있는 적외선 카메라 또는 다른 유형의 탐지기이다. 카메라(52a, 52b)는 상부의 프레임(42)에 연결되어 미러(50) 상에 대한 적절한 탐지를 위한 충분한 거리를 허용하고 미러(50)에 대해 안정된 유지 위치를 제공한다. 하나의 카메라(52a)는 오로지 정렬에만 사용되는 저출력 빔을 검출하기 위해 사용될 수 있고, 하나의 카메라(52b)는 이전 도면과 관련하여 볼 수 있듯이 메인 또는 고출력 레이저 빔의 탐지에 사용될 수 있다. 다른 실시예는 더 많거나 더 적은 카메라, 예를 들어 빔 탐지만을 위한 추가 카메라(예를 들어, 빔이 차단되거나 다른 방식으로 손상되지 않도록 안전을 보장하기 위해)를 가질 수 있는 반면, 제1 카메라(들)는 딤플 탐지에 사용된다. 여분의 카메라는 또한 메인 카메라가 오작동하는 경우 백업 카메라를 갖기 위해 중복성 및 안전상의 이유로 사용할 수 있다. 상기 미러는 전면(41) 상에 위치된 표면 패턴을 가지며, 상기 표면 패턴은 입사 레이저 빔의 적어도 일부가 카메라를 향해 편향되도록 한다. 이 표면 패턴은 딤플 패턴일 수 있다. 예를 들어 딤플(54)과 같은 표면 패턴은 레이저 에너지의 일부가 빔 경로를 따라 반사되지 않게 하여 상기 레이저 빔이 미러 표면에서 더 잘 관찰되도록 하는데, 이는 딤플(54, 45)에 부딪히는 레이저 빔의 일부가 카메라(52a, 52b)에 의해 더 쉽게 포착될 수 있도록 다른 방식으로 반사되기 때문이다. 미러(50) 상의 딤플(54)은 카메라를 향해 빔의 작은 부분 예를 들어, 빔 총 출력의 0.01% ~ 0.1%만을 편향시키도록 구성되고 배열된다. 이러한 작은 편향은 또한 카메라(52a, 52b)를 향해 편향된 레이저 에너지가 카메라(52a, 52b)를 손상시킬 수 있는 수준에 있지 않음을 보장할 수 있다. 일부 실시예에서, 카메라(52a, 52b)는 편향된 레이저가 카메라 및 그 기능을 손상시키지 않도록 추가로 보장하기 위해 쉴드(shield)를 가질 수 있다. 카메라(52a, 52b)가 설명되는 동안, 레이저 빔 및 미러 상의 위치를 탐지할 수 있는 다른 유형의 탐지기, 예를 들어 다른 유형의 적절한 광 탐지기가 사용될 수 있다.

미러(50)는 레이저 빔이 미러 표면 평면에 수직인 평면에 대해 예를 들어 45도에서 미러 표면(41)에 부딪히는 방식으로 배향될 수 있다. 일반적으로, 모든 레이저 빔 에너지는 45도 각도로 상기 미러로부터 반사된다. 그러나, 레이저 빔 위치를 감지하기 위해, 딤플(54)은 딤플에 부딪히는 레이저 빔의 일부가 다른 방향으로 반사되도록, 즉 탐지기(카메라)(52a, 52b)를 향해 편향되도록 설계된다. 상기 탐지기가 미러 표면(41)의 반대편에 위치되면, 상기 딤플은 미러 표면에 수직인 평면과 특정 각도를 형성하는 상기 미러의 표면에 절개부로 형성되도록 설계될 수 있으며, 상기 딤플에 입사하는 빔의 일부가 탐지기(카메라)(52a, 52b)의 방향으로 편향되도록 한다.

프레임(42)은 로봇 시스템(10)의 특정 구성에 따라 베이스(14), 마스트(18), 숄더(19), 암(20) 및 리스트(22) 내의 다양한 부품에 연결될 수 있다. 상기 연결은 프레임이 안정적으로 유지되고 레이저 빔이 프레임(42)의 한쪽으로 들어가 미러(50)에 의해 편향되도록 구성되어야 하고, 그 다음 프레임(42)의 다른 측면에서, 전형적으로 후속 편향 시스템(40), 미러 또는 처리 표면을 향해 빠져나간다. 또한, 편향 시스템(40)의 개수 및 구성은 시스템(10) 크기 및 요건에 따라 달라질 수 있다.

프레임(42)에 대한 미러(50)의 이동 또는 기울임은 상대 부품의 임의의 움직임(예를 들어, 마스트(20)에 대한 암(20)의 기울임 또는 병진)에도 불구하고 레이저 빔이 다음 원하는 미러(또는 다른 시스템 또는 표면)로 편향되는 것을 보장한다. 표면 처리에 사용되고 미러에 의해 편향되는 레이저 빔은 일반적으로 매우 강력하기 때문에(예를 들어, 20kW), 레이저 빔이 로봇 시스템(10) 또는 기타 주변 시스템의 구성요소에 대한 손상을 방지하기 위해 원하는 위치에만 적절하게 향하도록 하는 것이 중요하다. 프레임(42), 카메라(52a, 52b), 표면 패턴(54), 이동 시스템(44) 및 제어 및 정렬 시스템은 미러(50) 상의 레이저 빔의 위치가 탐지될 수 있고 이전 및/또는 후속 미러(50)를 이동하거나 기울이는데 사용되는 포지셔닝 정보를 보장하여 레이저 빔이 시스템에서 하나 이상의 미러(50)와 적절한 정렬을 달성하도록 한다.

도 8a는 본 발명에 따른 미러 표면의 사시도를 도시하고, 도 8b는 본 발명에 따른 미러 표면의 다른 사시도를 도시한다.

상기 미러 상의 딤플(54)의 패턴일 수 있는 표면 패턴은 대칭일 수 있으며, 예를 들어 도 8a에 도시된 원형 패턴(54a) 또는 도 8b에 도시 된 X-형 패턴(54b)일 수 있다. 이것들은 단지 예일뿐이며, 다른 많은 패턴도 가능하다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

탐지기가 적외선 카메라인 경우, 상기 적외선 카메라는 미러 표면(41) 상의 딤플(54a, 54b)로부터 편향된 광을 보는데 사용된다. 대부분의 레이저 출력은 상기 미러에 의해 멀어지기 때문에 딤플(54a, 54b)은 적외선 카메라에 핫 스팟(hot spot)으로 나타난다. 모든 딤플이 한 번에 레이저 경로에 있는 것은 아니므로 조명의 중심을 보면 레이저 빔의 중심을 나타낼 수 있다.

본 발명에 따른 상기 미러들은 각 변의 길이가 최소 25mm인 직사각형 형상을 가질 수 있다. 상기 미러는 외부 표면 상에 금 코팅이 된 구리 또는 알루미늄 베이스와 같은 다른 재료로 만들어 질 수 있으며, 수냉식이다.

앞의 설명에서 볼 수 있듯이, 제1 포지셔닝 단계에서 상기 미러가 제1 카메라와 함께 저전력 레이저 빔에 의해 정렬되는 2단계 포지셔닝 시스템 및 방법을 사용하면 복잡한 시스템을 통해 레이저 빔을 정확하고 효율적으로 정렬하고 재정렬 할 수 있다. 상기 고출력 레이저 빔이 작동하는 제2 단계에서, 빔의 중심을 상기 미러의 중간 위치일 수 있는 원하는 위치에 유지하기 위해 카메라 시스템(제2 카메라)과 같은 탐지기 시스템으로 빔 경로에서 멀리 떨어진 레이저 광의 작은 부분을 편향하여, 상기 미러가 제자리에 유지된다. 상기 미러를 지속적으로 탐지하고 조정함으로써, 레이저 빔을 출력으로 전달하는 레이저 빔 및/또는 운반수단 또는 기타 구성요소가 받는 움직임 및/또는 축 변화의 개수에 관계없이 레이저 빔의 적절한 정렬이 달성될 수 있다. 그 결과 매우 안전하고 정확한 포지셔닝 시스템이 구현되어 정렬 불량으로 인해 주변 부품이 손상될 위험없이 고출력 레이저 빔을 사용할 수 있다. 딤플 패턴(상기 미러 표면 상의 피처)과 같은 표면 패턴을 사용하여 편향된 광의 양을 최소화하여 중심 측정의 정확도를 극대화할 수 있으며, 따라서 정확한 정렬과 정렬 및 반사 시 미러 표면 내에서 잘 유지되는 기능을 더욱 보장한다.

본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경이 이루어질 수 있고 등가물이 그 요소를 대체할 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 추가로, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적용하기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예에 제한되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구항의 범위에 속하는 모든 실시예를 포함할 것이다.

Claims (22)

1. - 레이저 빔을 수신하고 반사하도록 구성된 표면 패턴을 가진 적어도 하나의 미러;
   - 상기 미러로부터 레이저 빔의 편향된 부분을 탐지하도록 구성된 적어도 하나의 탐지기; 및
   - 적어도 하나의 미러 및 적어도 하나의 탐지기와 통신하고 상기 레이저 빔의 편향된 부분에 기초하여 상기 미러 위치를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어기;
   를 포함하는,
   레이저 빔 정렬 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 미러는 표면 패턴을 포함하고, 상기 적어도 하나의 탐지기는 상기 표면 패턴에 기초하여 레이저 빔의 편향된 부분을 탐지하도록 구성되는,
   레이저 빔 정렬 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 표면 패턴은 상기 미러 표면 상의 복수의 딤플에 의해 형성된 패턴인,
   레이저 빔 정렬 시스템.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 표면 패턴은 대칭인,
   레이저 빔 정렬 시스템.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 빔은 고출력 레이저 빔인,
   레이저 빔 정렬 시스템.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 고출력 레이저 빔은 적외선 레이저 빔인,
   레이저 빔 정렬 시스템.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 빔은 저출력 레이저 빔인,
   레이저 빔 정렬 시스템.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   적어도 하나의 탐지기는 레이저 빔의 편향된 부분을 캡처하고 상기 빔의 편향된 부분에 기초하여 상기 미러 표면 상의 레이저 빔 위치를 탐지하기 위한 카메라를 포함하는,
   레이저 빔 정렬 시스템.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 카메라는 적외선 카메라 및/또는 가시 파장 카메라인,
   레이저 빔 정렬 시스템.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 탐지기는, 상기 미러로부터 저전력 레이저 빔의 편향된 부분을 탐지하도록 구성된 제1 탐지기, 및 상기 저출력 레이저 빔의 위치가 제어된 후 상기 고출력 레이저 빔의 편향된 부분을 탐지하도록 구성된 제2 탐지기를 포함하는,
    레이저 빔 정렬 시스템.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 미러는 캐스케이드 구성으로 배치된 복수의 미러를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 탐지기는 복수의 탐지기를 포함하며,
    적어도 하나의 탐지기가 각각의 미러에 대응하는,
    레이저 빔 정렬 시스템.
    
12. a) 미러 표면으로부터 레이저 빔의 일부를 편향시키는 단계;
    b) 편향된 부분에 기초하여 상기 미러 표면 상의 레이저 빔의 위치를 탐지하는 단계;
    c) 탐지된 위치 및 상기 미러 표면의 원하는 위치 상에 기초하여 상기 레이저 빔을 제어하는 단계;
    를 포함하는,
    레이저 빔 정렬 방법.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 저출력 레이저 빔이고, 단계 c)를 통해 원하는 위치에 도달할 때,
    상기 방법은,
    상기 저출력 레이저 빔을 끄는 단계;
    고출력 레이저 빔을 켜는 단계; 및
    상기 고출력 레이저 빔과 함께 단계 a) 내지 c)를 수행하는 단계;
    를 더 포함하는,
    레이저 빔 정렬 방법.
    
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저 빔을 제어하는 단계는 상기 원하는 위치에 가깝게 이동되도록 레이저 빔을 제어하는 것을 포함하는,
    레이저 빔 정렬 방법.
    
15. 제 12 항에 있어서,
    미러 표면으로부터 레이저 빔의 일부를 편향시키는 단계는 미러 표면 상의 표면 패턴을 사용하여 미러 표면으로부터 레이저 빔의 일부를 편향시키는 것을 포함하는,
    레이저 빔 정렬 방법.
    
16. 제 12 항에 있어서,
    상기 미러 표면 상의 레이저 빔의 위치를 탐지하는 단계는 상기 레이저 빔의 중심과 상기 미러 표면 상의 원하는 위치 사이의 오프셋 값을 획득하는 것을 포함하는,
    레이저 빔 정렬 방법.
    
17. 제 12 항에 있어서,
    상기 방법을 수행하는 시스템은 복수의 미러를 포함하고, 상기 단계 a) 내지 c)는 각각의 미러에 대해 수행되는,
    레이저 빔 정렬 방법.
    
18. 제 15 항에 있어서,
    단계 c)는 이전 미러를 조정 및/또는 이동시켜 위치가 탐지된 미러 상의 반사 위치를 변경함으로써 탐지된 위치 및 미러 표면 상의 원하는 위치에 기초하여 레이저 빔을 제어하는 것을 포함하는,
    레이저 빔 정렬 방법.
    
19. 제 12 항에 있어서,
    단계 b)는 레이저 빔의 편향된 부분을 캡처하는 카메라에 기초하여 미러 표면 상의 레이저 빔의 위치를 탐지하는 것을 포함하는,
    레이저 빔 정렬 방법.
    
20. 레이저 빔 정렬 시스템 용 미러에 있어서,
    상기 미러는,
    프레임;
    레이저 빔을 반사할 수 있는 상기 프레임에 의해 지지되는 미러 표면; 및
    레이저 빔을 편향시키기 위한 상기 미러 표면 상의 패턴;
    을 포함하는,
    미러.
    
21. 제 18 항에 있어서,
    상기 미러를 이동시키고 상기 미러 및/또는 프레임에 연결되는 하나 이상의 이동 시스템을 더 포함하는,
    미러.
    
22. 제 18 항에 있어서,
    상기 미러 표면을 향하고 상기 프레임에 연결된 하나 이상의 탐지기를 더 포함하는,
    미러.

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