KR20220129660A

KR20220129660A - 기계 공구를 위한 레이저 절단 헤드

Info

Publication number: KR20220129660A
Application number: KR1020227030783A
Authority: KR
Inventors: 브루노 삼비; 가브리엘 안졸린
Original assignee: 살바그니니 이탈리아 에스.피.에이.
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-09-23
Also published as: WO2021156788A1; EP4100200B1; EP4100200A1; JP7478829B2; BR112022014475A2; JP2023513683A; CN115066310A; US20230057548A1

Abstract

기계 공구에 연관 가능한 레이저 절단 헤드(1)는 레이저 방출 장치에서 나오는 레이저 빔(L)을 시준하는 시준 그룹(2), 초점(F)에 시준되는 레이저 빔(L)을 집중시키는 초점 그룹(5), 집중되는 상기 레이저 빔(L)을 수신하고 그 집중된 제1 부분(L1)을 반사하는 광학 요소(8; 38), 및 레이저 빔(L)의 상기 집중된 제1 부분(L1)을 수신하고, 상기 집중된 제1 부분(L1)의 파면의 위상 측정을 수행하고, 위상 측정에 근거하여 재구성된 파면을 획득하고 재구성된 파면을 전자 프로세서(12)에 송신하는 파면 센서(9)를 포함하며; 전자 프로세서는 재구성된 파면 및 참조 파면을 비교하고, 레이저 빔(L)이 받는 하나 이상의 광학 수차를 결정하고, 그러한 광학 수차들을 감소시키고 상기 초점(F)을 변경한다.

Description

기계 공구를 위한 레이저 절단 헤드

본 발명은 절단 기계 공구들을 위한 레이저 절단 디바이스들에 관한 것으로 특히 금속 시트들을 위한 절단 기계 또는 조합된 절단/펀칭 기계 내의 광섬유 레이저 절단 시스템에 사용하기 위한 레이저 절단 헤드에 관한 것이다.

워크피스들을 절단, 인각 및 용접하기 위한 레이저 시스템들의 사용은 공지되어 있고 금속 시트들 및 플레이트들을 처리하기 위한 기계 공구 섹터에서 광범위하다.

공지된 바와 같이, 레이저는 유도 방출 프로세스에 의해 단색 광을 즉 단일 파장으로 방출할 수 있는 디바이스이며, 이는 공간에서 결맞음이고 매우 높은 광도(밝기)를 갖는 빔에 집중된다. 매우 작은 영역에 큰 양의 에너지를 집중시키는 능력은 레이저 디바이스들이 금속들을 절단, 인각, 및 용접하는 것을 허용한다. 금속 재료들의 절단은 전형적으로 기화에 의해, 그리고, 특히 용융에 의해 발생한다. 후자 경우에, 레이저 빔은 워크피스의 작은 영역을 용융시키고 용융된 금속(슬래그)은 가스의 블로우 또는 제트에 의해 제거된다.

레이저 방출 장치들 내에서, 상이한 유형들의 소스들은 금속들을 절단하는 데 적절한 레이저 빔을 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 가스 레이저들(이산화물, 일산화 탄소 C02) 및 고체 상태 레이저들(도핑된 유리 레이저 다이오드들 및 섬유 레이저들)이 일반적으로 사용된다.

심지어 큰 두께의 시트 금속을 절단하는 데 필요한 고에너지로 인해, 레이저 방출 디바이스들의 치수들 및 중량은 예컨대 기계 공구들 바로 위에 그들의 위치결정을 방지하는 것이다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 레이저 절단 헤드 또는 더 간단히 절단 또는 초점 헤드는 기계 공구 상에 위치되고 광학 체인(C02 레이저) 또는 전송 섬유(예를 들어 YAG 레이저 다이오드들 내의 광섬유)를 통해 레이저 방출 장치에 연결될 수 있어 방출 장치에 의해 발생되는 레이저 빔을 방출하고 워크피스들 상에 그것을 집중시킨다. 그 작은 크기 및 낮은 중량에 의해, 절단 헤드는 실제로 제품의 절단을 수행하기 위해 정밀도 및 속도로 기계 공구에 의해 이동될 수 있다.

확산기 프리즘을 갖는 광섬유 케이블이 레이저 빔을 절단 헤드로 가져오기 위해 사용되는 소위 섬유 레이저 절단 시스템들에서, 후자는 전형적으로 광섬유를 빠져나가는 광 빔을 워크피스 상에 레이저 빔을 집중시킬 수 있는, 즉 워크피스의 표면 상의 설정점 내에 또는 그러한 표면 바로 아래에 또는 바로 위에 그 초점 또는 포커스를 위치시킬 수 있는 초점 그룹에 투과시키는 시준 그룹을 포함한다.

집중된 레이저 빔은 금속의 용융에 의해 발생되는 슬래그를 제거하고 슬래그가 초점 그룹에 도달할 수 있을 확률을 감소시키기 위해 사용되는 가스의 블로우 또는 제트를 집중시키는 노즐을 통해 절단 헤드를 빠져나간다. 이러한 목적을 위해, 투명 요소 또는 보호 윈도우 또는 유리는 또한 노즐에 제공되며, 이는 외부 환경으로부터 절단 헤드의 내부를 분리하고 초점 그룹을 빠져나가는 레이저 빔의 통과를 허용한다.

레이저 빔의 모든 파워가 집중되는 초점의 정확한 위치결정은 재료의 정확한 절단을 수행하는 데 필수적이다.

그러나, 레이저 절단 헤드들, 특히 고파워를 갖는 레이저 절단 헤드들은 "열 초점 시프트"로 통상 공지된 현상을 받으며, 이는 아래에 더 잘 설명되는 바와 같이, 원하는 최적 지점에 대해(피스의 표면 상에 또는 표면 바로 아래에 또는 바로 위에) 디포커스 또는 블러링의 광학 수차, 즉 포커스의 시프트를 야기한다.

공지된 바와 같이, 시준 및 초점 광학 그룹들의 렌즈들을 통과하는 레이저 빔의 에너지의 작은 부분은 주로 광학 요소들(코팅 또는 기판)의 비절대적 투명도로 인해, 흡수되고 열로 변환된다. 추가 열 흡수는 또한 일반적으로 렌즈 표면들 상에 제공된 표면 층의 오염 및/또는 손상에 의해 야기될 수 있다.

따라서, 특히 극히 높은 레이저 파워들을 갖는 기계 공구의 연장된 사용은 상당한 열 흡수 및 전체 절단 헤드의 온도의 결과적 증가를 야기한다. 이러한 온도 증가는 절단 헤드를 형성하는 모든 광학 요소들, 즉 전송 섬유의 확산 프리즘, 시준 그룹, 초점 그룹 및 분리 유리에 영향을 미치고(특히 후자의 2개는 워크피스에 매우 가깝거나 매우 높은 온도들이 집중되는 그 용융 영역에 매우 가까움) 렌즈들의 굴절 지수 및 그들의 형상 둘 다의 변화를 야기한다. 온도의 증가에 의해 야기되는 굴절 지수 및 렌즈 형상의 변화는 초점이 시프트되게 한다.

"열 초점 시프트" 현상을 보상하기 위해, 초점의 위치는 초점 그룹의 렌즈를 적절히 이동시킴으로써 조정될 수 있으며, 초점 그룹은 레이저 빔의 초점 조정을 허용하기 위해 레이저 빔의 방향에 평행한 조정 방향을 따라 선형으로 이동 가능한 각각의 트레이 또는 렌즈 운반 슬라이드 상에 장착된다. 대안적으로, 초점 그룹의 렌즈(들)가 고정 유지되는 것이 적절하거나 필요하면, 워크피스 상의 초점의 정확한 위치결정은 시준 그룹의 렌즈를 적절히 이동시킴으로써 달성되며, 시준 그룹은 각각의 선형으로 이동 가능한 트레이 또는 슬라이드 상에 장착된다.

초점 또는 시준 그룹의 이동은 워크피스 상에 투사되는 레이저 빔의 시각적 검사를 통해 조작자에 의해 수동으로, 또는 초점의 시프트의 자동 측정에 근거하여 수치 제어에 의해 제어될 수 있다. 그러나, 시각적 검사 및 수동 제어가 절단의 정확도 및 반복도를 조작자의 능력들에 제약하고 고품질 처리를 거의 초래하지 않지만, 다른 한편, 초점 시프트의 측정들은 많은 시간 및 고가 장비를 필요로 하고 기계 공구 비용들의 증가를 시사한다.

게다가, 열 흡수는 또한 구면, 코마 및 비점 수차들과 같은 일련의 추가 수차들을 야기하며, 이는 또한 레이저 빔의 파면, 특히 레이저 빔 내의 전자기 세기의 분포에 영향을 미쳐서, 절단 특징들의 붕괴 또는 절단의 수행 불가능에 기여한다.

본 발명의 목적은 금속 시트들을 위한 절단 또는 조합된 절단/펀칭 기계 공구들에서 사용하기 위한 공지된 레이저 절단 헤드들, 특히 광섬유 레이저 절단 헤드들을 개선하는 것이다.

다른 목적은 특히 극히 높은 레이저 파워들로 그리고 또한 레이저 절단 헤드거 장착되는 기계 공구의 강렬하고 연장된 사용의 경우에, 절단 정밀도 및 반복도를 보장할 수 있는 레이저 절단 헤드를 획득하는 것이다.

추가 목적은 절단 헤드를 빠져나가는 레이저 빔의 파면에 영향을 미치는 복수의 광학 수차가 간단하고 효과적인 방식으로 측정되고 감소되는 것을 허용하는 레이저 절단 헤드를 획득하는 것이다.

다른 목적은 소형 형상 및 특히 제한된 치수들을 갖고 경제적이고 제조하기 용이한 레이저 절단 헤드를 획득하는 것이다.

이들 및 다른 목적들은 아래에 제시되는 청구항들에 따른 레이저 절단 헤드에 의해 달성된다.

본 발명은 그 예시적이고 비제한적인 실시예들을 도시하는 첨부 도면들을 참조하여 더 잘 이해되고 구현될 수 있다.
- 도 1은 제1 실시예에 따른 본 발명의 레이저 절단 헤드의 간략화된 단면이다.
- 도 2는 도 1의 레이저 절단 헤드의 변형의 간략화된 단면이다.
- 도 3은 상이한 실시예에 따른 본 발명의 레이저 절단 헤드의 간략화된 단면이다.

- 도 1은 본 발명에 따른 레이저 절단 헤드(1)의 제1 실시예를 도시하며, 레이저 절단 헤드는 절단을 위한 절단 또는 조합된 절단/펀칭 기계 공구 및 예를 들어 시트 금속의 기계 피스(100)와 연관 가능하다.

레이저 절단 헤드(1)는 광학 체인 또는 전송 섬유와 같은 광 송신 수단(4)을 통해, 도시되지 않은 레이저 방출 장치에 의해 전력 공급 가능하다. 특히, 방출 장치는 예를 들어 고파워를 갖는 고체 상태 섬유 레이저 유도 방출 장치이고, 광 송신 수단(4)은 방출 장치에 의해 발생되는 레이저 빔(L)을 레이저 절단 헤드(1)에 수송하기 위한 광섬유 케이블을 포함하며, 후자는 레이저 빔(L)을 방출하고 그것을 레이저 절단 헤드(1)를 향하는 피스(100)의 표면(101) 상에 또는 상기 표면(101) 바로 아래에 또는 바로 위에 배치된 초점(F)에 레이저 빔을 집중시킬 수 있다.

레이저 절단 헤드(1)는 레이저 방출 장치에서 나오는 레이저 빔(L)을 시준하기 위한 적어도 하나의 시준 렌즈(3)를 포함하는 시준 그룹(2), 및 초점(F)에 시준 그룹(2)으로부터 시준되어 빠져나오는 레이저 빔(L)을 집중시키기 위한 적어도 하나의 초점 렌즈(6)를 포함하는 초점 그룹(5)을 포함한다.

지지 및 이동 수단(7)은 레이저 빔(L)의 초점(F)을 변경하기 위해, 조정 방향(X)을 따라 시준 그룹(2)과 초점 그룹(5) 사이에서 적어도 하나, 예를 들어 도 1에 도시된 실시예의 후자만을 지지하고 이동시킨다. 지지 및 이동 수단(7)은 조정 방향(X)을 따라 초점 그룹(5)을 슬라이딩 가능하게 지지하고 안내하기 위한 선형 안내 수단(71)을 포함하여, 레이저 빔(L)의 초점(F)의 시프트 및/또는 피스(100) 상의 동일한 초점(F)의 크기 및/또는 형상의 수정을 야기하는 조정 방향(X)으로 가로지르는 시프트들 및/또는 진동들을 방지한다.

레이저 절단 헤드(1)는 초점 그룹(5)으로부터 집중되어 빠져나가는 레이저 빔(L)을 수신하고, 주어진 반사 각도, 예를 들어 약 10°내지 약 100°로, 수신된 레이저 빔(L)의 집중된 제1 부분(L1)을 반사하고 초점(F)에 동일한 수신된 레이저 빔(L)의 집중된 제2 부분(L2)을 투과시키기 위한 적어도 하나의 광학 요소(8)를 더 포함한다. 광학 요소(8)는 예를 들어 빔 분리기이며, 특히 큐빅 빔 스플리터(CBS), 광학 프리즘 및 반투명 미러 중에 선택된다. 레이저 절단 헤드(1)의 케이싱 수단(15)은 적어도 시준 그룹(2), 초점 그룹(5), 지지 및 이동 수단(7) 및 광학 요소(8)를 포함하도록 적응된 내부 공간(20)을 형성한다.

내부 공간(20)는 레이저 절단 헤드(1)가 위치되는 외부 환경으로부터 폐쇄되고 기밀하게 밀봉되며, 즉 기밀하다. 다시 말해, 케이싱 수단(15)은 시준 렌즈들(3), 초점 렌즈들(5) 및 광학 요소(8)를 더럽히거나 지지 및 이동 수단(7)의 동작을 저해할 수 있는 오염물들 및 이물질 요소들, 특히 레이저 절단에 의해 발생되는 슬래그 및 고체 및 기체 잔여물들의 내부 공간(20)으로의 진입을 방지한다.

이 때문에, 실질적으로 원통형 형상, 평행 육면체 형상 또는 복잡한 기하학적 형상을 가질 수 있는 케이싱 수단(15)은 방출 장치에 의해 발생되는 레이저 빔(L)의 내부 공간(20)으로의 진입을 허용하는, 광 송신 수단(4)에 결합된 입구 개구부(51), 외부 환경을 향해 레이저 빔(L)의 집중된 제1 부분(L1)의 투과를 위해 투명 광학 요소(11)에 의해 기밀하게 폐쇄된 측면 개구부(53), 및 절단 노즐(30)에 위치되고 분리 유리(32)에 의해 기밀하게 폐쇄된 출구 개구부(52)를 갖는다. 후자는 외부 환경으로부터 레이저 절단 헤드(1)의 내부 공간(20)을 분리하도록 적응되는 것에 더하여, 레이저 절단 헤드(1)로부터 외부 환경을 향해, 특히 집중된 제2 부분(L2)의, 시준되고 집중된 레이저 빔(L)의 투과를 허용한다.

절단 노즐(30)은 워크피스(100)를 용융함으로써 발생되는 슬래그를 제거하도록 의도된 가스의 블로우 또는 제트를 집중시키고 동시에 결과들이 위에 예시된 상태로 상기 슬래그가 레이저 절단 헤드(1)의 내부에 도달할 수 있을 확률을 감소시키는 것에 기여한다.

선형 안내 수단(71) 및 추가 회전방지 수단은 또한 케이싱 수단(15) 내부에 수용되며, 특히 그 내부 벽에 고정된다. 공지된 유형이고 도면들에 상세히 도시되지 않은 회전방지 수단은 지지 및 이동 수단(7)이 시준 그룹(2) 및 초점 그룹(5)의 이동 동안 조정 방향(X)에 평행한 축을 중심으로 회전하는 것을 방지하도록 배치된다. 렌즈들, 특히 시준 렌즈들(3)의 회전은 실제로 레이저 빔(L)의 초점(F)의 시프트 및 피스(100) 상의 그러한 초점(F)의 크기 및/또는 형상의 변화를 야기할 수 있다. 레이저 절단 헤드(1)는 또한 공지된 유형이고 상세히 더 설명되지 않은 파면 센서(9), 예를 들어 샤크-하트만 파면 센서, 및 파면 센서(9) 및 지지 및 이동 수단(7), 특히 선형 안내 수단(71) 둘 다에 연결된 전자 프로세서(12)를 포함한다.

도시된 실시예에서, 케이싱 수단(15) 외부에 위치되는 파면 센서(9)는 케이싱 수단(15)의 측면 개구부(53)을 폐쇄하는 투명 광학 요소(11)를 통과하는, 레이저 빔(L)의 집중된 제1 부분(L1)을 수신하고, 집중된 제1 부분(L1)의 파면의 위상 측정을 수행하며, 후자가 집중된 제1 부분(L1)의 전파 방향(PI)에 관하여 파면 센서(9)의 상류에 위치된 각각의 시준 광학 시스템(19)에 의해 특히 시준되고, 그 다음 상기 위상 측정에 근거하여 재구성된 파면을 획득하고 재구성된 파면을 전자 프로세서(12)에 송신하도록 적응된다.

그 다음, 전자 프로세서(12)는 파면 센서(9)에 의해 획득되는 재구성된 파면과 참조 파면 사이의 비교를 수행하고, 따라서, 그러한 비교에 근거하여 레이저 빔(L)의 집중된 제1 부분(L1)이 받는 하나 이상의 광학 수차를 결정하도록 구성된다.

피스(100)에 부딪치고 피스를 처리하는 레이저 빔(L)의 집중된 제2 부분(L2)에 대해, 집중된 제1 부분(L1)은 측면 개구부(53)를 폐쇄하고 상기 집중된 제1 부분(L1)이 파면 센서(9)에 도달하기 위해 통과하는 투명 광학 요소(11)로 인해 추가 광학 수차들을 받는다는 점이 주목되어야 한다. 시스템 정확도를 개선하기 위해, 상기 추가 광학 수차들은 유리하게는 예를 들어 레이저 절단 헤드(1)의 초기 또는 주기적 교정에 의해 전자 프로세서(12)에 알려져 있다.

재구성된 파면이 비교되는 참조 파면은 예를 들어 피스(100)의 고정밀도 처리가 필요한 경우에, 광학 수차들이 없는 이상적인 파면, 또는 예를 들어 피스(100)의 처리가 덜 엄격한 정밀도 요건들을 충족해야 하는 경우에, 미리 정의된 광학 수차들에 영향을 받는 미리 결정된 파면일 수 있다.

그 다음, 전자 프로세서(12)는 집중된 제1 부분(L1)만이 받는 추가 수차들을 고려하여, 레이저 빔(L), 특히 집중된 제2 부분(L2)의 광학 수차들을 감소시키고, 초점(F)을 변경하기 위해, 조정 방향(X)을 따라 시준 그룹(2) 및/또는 초점 그룹(5), 특히 도 1에 도시된 실시예의 초점 그룹만을 이동시키는 지지 및 이동 수단(7)을 동작시킬 수 있다.

더 상세하게 그리고 이미 강조되었던 것을 참조하여, 고정밀도 처리의 경우에, 즉 광학 수차들이 없는 이상적인 참조 파면에서, 전자 프로세서(12)는 지지 및 이동 수단(7)을 동작시키도록 구성되어, 레이저 빔(L)의 광학 수차들은 최소화되고 특히 제로화되고 초점(F)을 그에 따라 변경하며 반면, 덜 엄격한 정밀도 요건들을 갖는 처리의 경우에, 즉 미리 정의된 광학 수차들에 영향을 받는 미리 결정된 참조 파면의 경우에, 전자 프로세서(12)는 지지 및 이동 수단(7)을 동작시키도록 구성되어 레이저 빔(L)의 광학 수차들은 그러한 미리 정의된 광학 수차들 이하이며, 이는 초점(F)을 그에 따라 변경한다. 유리하게는, 전자 프로세서(12)는 공지된 유형이고 도면들에 도시되지 않은 알람 디바이스, 예를 들어 시각 및/또는 음향 알람 디바이스를 제어할 수 있다. 전자 프로세서(12)는 레이저 빔(L)이 받는 광학 수차들이 예를 들어 사용자에 의해 선험적으로 설정된 미리 결정된 임계 값을 초과하는 것을 검출하면, 시각 및/또는 사운드 에러 신호를 발생시키는 알람 디바이스에 활성화 신호를 송신한다. 이에 따라, 사용자는 피스가 정확한 초점(F)에 집중되지 않으므로, 임계치를 초과하는 수차들을 받고 따라서 피스(100)에 유해한, 레이저 빔(L)에 의해 피스가 불가역적으로 손상되기 전에 피스(100)의 처리를 정지할 수 있다. 기계 공구와 연관되고 사용될 때, 레이저 절단 헤드(1)는 피스(100)의 레이저 절단을 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법을 수행할 수 있다. 그러한 방법은,

- 기계 공구에 연관된 레이저 절단 헤드(1)에 의해 피스(100)의 레이저 절단을 수행하는 단계;

- 레이저 방출 장치에서 나오는 레이저 빔(L)으로 레이저 절단 헤드(1)에 에너지를 공급하는 단계;

- 레이저 빔(L)을, 시준 그룹(2)에 의해 시준하고 초점(F)에 초점 그룹(5)에 의해 집중시키는 단계;

- 광학 요소(8)를 통해 적어도 초점 그룹(5)으로부터 집중되어 빠져나오는 레이저 빔(L)의 집중된 제1 부분(L1)을 반사하는 단계;

- 파면 센서(9)를 통해 상기 집중된 제1 부분(L1)의 파면의 위상 측정을 수행하는 단계;

- 동일한 파면 센서(9)를 통해 위상 측정에 근거하여 재구성된 파면을 획득하는 단계;

- 전자 프로세서(12)에 의해 재구성된 파면과 참조 파면 사이의 비교를 수행하는 단계;

- 동일한 전자 프로세서(12)에 의해 그리고 상기 비교에 근거하여 레이저 빔(L)이 받는 하나 이상의 광학 수차를 결정하는 단계;

- 초점(F)의 변경하기 위해 특히 다시 전자 프로세서(12)에 의해, 레이저 빔(L)이 받는 광학 수차들을 감소시키는 단계를 포함한다.

지금까지 보였던 것에 따라, 고정밀도 처리가 필요하면, 즉 참조 파면이 광학 수차들이 없는 이상적인 파면이면, 감소 단계는 상술한 하나 이상의 광학 수차를 최소화하는 단계, 특히 제로화하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 덜 엄격한 정밀도 요건들을 갖는 처리가 필요하고 따라서 참조 파면이 미리 정의된 광학 수차들에 영향을 받는 미리 결정된 파면이면, 본 발명에 따른 방법은 광학 수차들이 미리 정의된 광학 수차들 이하이도록 광학 수차들을 감소시키는 단계를 포함한다. 유리하게는, 광학 수차들이 사용자에 의해 선험적으로 설정되는 미리 결정된 임계 값을 초과할 때, 본 발명에 따른 방법은 전자 프로세서(12)에 의해 제어되는 알람 디바이스를 통해 에러 신호를 방출하는 단계를 포함한다.

여전히 유리하게는, 본 발명에 따른 방법은 기계 공구가 일단 예를 들어 스위칭 온될 때 또는 주기적으로 피스(100)의 처리 동안, 레이저 절단 헤드(1)를 교정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 집중된 제1 부분(L1)이 받는, 투명 광학 요소(11)에 의해 도입된 추가 광학 수차들을 특히 검출하는 것이 가능하다.

따라서, 본 발명의 레이저 절단 헤드(1)는 심지어 극히 높은 레이저 파워들로 그리고 레이저 절단 헤드(1)가 장착되는 기계 공구의 강렬하고 연장된 사용의 맥락에서, 절단 정밀도 및 반복도를 보장할 수 있다.

전자 프로세서(12)에 연결된 파면 센서(9) 때문에, 실제로 예를 들어, "열 초점 시프트"로 인한 초점의 시프트, 구면 수차, 코마 및 비점수차를 포함하여, 절단 헤드를 빠져나가는 레이저 빔(L)에 영향을 미치고, 특히 기계 공구가 오랫동안 사용되고 극히 높은 레이저 파워들을 가질 때, 모든 광학 요소들의 온도의 증가를 야기하고 렌즈들의 굴절 지수 및 그들의 형상 둘 다의 변화를 초점(F)의 결과적 시프트로 야기하는, 복수의 광학 수차를 측정하는 것이 가능하다. 그 다음, 파면의 측정에 근거하여, 전자 프로세서(12)는 특히 시준(2) 및/또는 초점(5) 광학 그룹들의 지지 및 이동 수단(7)을 동작시킴으로써, 광학 시스템의 구조를 수정할 수 있어, 레이저 빔(L)이 받는 광학 수차들을 용이하게 그리고 효과적으로 감소시키고 따라서 초점(F)을 변경하여 초점은 피스(100)의 표면(101) 상의 원하는 지점 또는 그러한 표면(101) 바로 아래 또는 위에 위치되고 집중된다.

도 2에 도시된, 본 발명에 따른 레이저 절단 헤드(1)의 제1 실시예의 변형에서, 절단 노즐(30)에 위치되는 출력 개구부(52)는 초점 그룹(5)으로부터 집중되어 빠져나가는 레이저 빔(L)을 수신하고, 예를 들어 약 10°내지 약 100°의 반사 각도로, 수신된 레이저 빔(L)의 집중된 제1 부분(L1)을 반사하고 초점(F)에 동일한 수신된 레이저 빔(L)의 집중된 제2 부분(L2)을 투과시킬 수 있는 광학 요소(38)에 의해 기밀하게 폐쇄된다. 광학 요소(38)는 예를 들어 빔 분리기이며, 특히 큐빅 빔 스플리터(CBS), 광학 프리즘 및 반투명 미러 중에서 선택된다.

광학 요소(38)는 외부 환경으로부터 레이저 절단 헤드(1)의 내부 공간(20)을 분리하도록 적응된 분리 유리로서 위치된다. 이에 따라, 레이저 절단 헤드(1)는 더 적은 광학 구성요소들을 필요로 하고 소형 형상, 특히 제한된 치수들 및 감소된 중량을 가지며, 따라서 엄격한 치수들 및 취급 요건들을 갖는 기계 공구와 특히 연관되도록 적응된다. 이러한 변형은 또한 경제적이고 제조하기 용이하다.

도 3은 본 발명에 따른 레이저 절단 헤드(1)의 제2 실시예를 도시하며, 레이저 절단 헤드는 또한 기계 피스(100), 예를 들어 시트 금속을 각각 절단 및/또는 펀칭하기 위한 절단 및/또는 펀칭 기계 공구에 연관 가능하다.

이러한 제2 실시예에서, 레이저 절단 헤드(1)는 위에 설명되고 동일한 참조 번호들로 표시된 구성요소들과 유사한 구성요소들, 즉, 레이저 방출 장치로부터 레이저 빔(L)을 시준하기 위한 시준 그룹(2), 초점(F)에 시준 그룹(2)으로부터 시준되어 빠져나오는 레이저 빔(L)을 집중시키기 위한 초점 그룹(5), 초점 그룹(5)으로부터 집중되어 빠져나오는 레이저 빔(L)을 수신하고 집중된 제1 부분(L1)을 반사하기 위한 적어도 하나의 광학 요소(8), 및 전자 프로세서(12)를 포함한다. 시준 그룹(2), 초점 그룹(5) 및 광학 요소(8)는 케이싱 수단(15)의 내부 공간(20)에 포함된다. 특히, 고정 수단(70)은 시준 그룹(2) 및 초점 그룹(5)을 지지하고 그들을 케이싱 수단(15)에 대한 고정 위치에 유지한다.

도시되지 않은 변형에서, 집중된 레이저 빔(L)을 수신하고, 집중된 제1 부분(L1)을 반사하고 집중된 제2 부분(L2)을 투과시키는 광학 요소는 또한 레이저 절단 헤드(1)의 소형 형상, 특히 제한된 치수들, 감소된 중량 및 낮은 비용들의 상술한 장점들을 가지고, 외부 환경으로부터 레이저 절단 헤드(1)의 내부 공간(20)을 분리하도록 의도된 분리 유리로서의 역할을 한다.

이러한 제2 실시예에서의 레이저 절단 헤드(1)는 조정 가능한 형상을 갖는 적어도 하나의 적응 광학 디바이스(10)를 포함한다.

공지된 바와 같이, 적응 광학 디바이스(10)는 예컨대 그 변형성을 허용하는 두께를 갖는 적응 광학 요소(16) 및 적응 광학 요소(16) 및 적응 광학 요소(16)의 적어도 하나의 변형 가능한 표면(17)의 형상을 모델링하는 전자 프로세서(12)에 연결된, 도면에 보이지 않는, 압전 또는 전자기 또는 전기기계 액추에이터들로 구성되는 적절한 지지체를 포함한다. 따라서, 전자 프로세서(12)는 적응 광학 요소(16)를 지지하는 압전 또는 전자기 액추에이터들을 제어함으로써 적응 광학 디바이스(10)의 형상을 조정할 수 있다.

적응 광학 디바이스(10)는 시준 그룹(2)에서 초점 그룹(5)까지 가는 레이저 빔(L)의 전파 방향(P)에 관하여 초점 그룹(5)의 상류에 위치되며, 바람직하게는 시준 그룹(2)의 하류에 위치된다. 구체적으로, 도 3과 관련하여, 방출 장치에 의해 발생되고 광 송신 수단(4)에 의해 레이저 절단 헤드로 수송되는 레이저 빔(L)은 시준 그룹(2)으로부터 시준되어 빠져나가고, 적응 광학 요소(16)의 변형 가능한 표면(17)과 부딪치고 전파 방향(P)을 따라 초점 그룹(5)을 향해 후자에 의해 반사된다. 이러한 제2 실시예에 따른 레이저 절단 헤드(1)는 또한 레이저 빔(L)의 집중된 제1 부분(L1)을 수신하고, 집중된 제1 부분(L1)의 파면의 위상 측정을 수행하고, 이러한 위상 측정에 근거하여 재구성된 파면을 획득하고 재구성된 파면을 전자 프로세서(12)에 송신하도록 적응된 적어도 하나의 파면 센서(9)를 포함한다.

전자 프로세서(12)는 재구성된 파면과 참조 파면 사이의 비교를 수행하고, 그러한 비교에 근거하여 제1 집중된 부분(L1)만이 받는 추가 광학 수차들을 배제하면서 레이저 빔(L)이 받는 하나 이상의 광학 수차를 결정하여, 압전 또는 전자기 액추에이터들을 제어하여 적응 광학 디바이스(10)의 형상을 조정하고, 상술한 광학 수차들을 감소시키고 초점(F)을 변경하도록 구성된다.

이미 보였던 것과 유사하게, 고정밀도 처리의 경우에, 참조 파면은 광학 수차들이 없는 이상적인 파면이고 전자 프로세서(12)는 레이저 빔(L)의 광학 수차들이 최소화되고 특히 제로화되고 이에 따라 초점(F)을 변경하도록 적응 광학 디바이스(10)의 형상을 조정하게 구성된다. 덜 엄격한 정밀도 요건들을 갖는 처리의 경우에, 참조 파면은 미리 정의된 광학 수차들에 영향을 받는 미리 결정된 파면이고 전자 프로세서(12)는 레이저 빔(L)의 광학 수차들이 그러한 미리 정의된 광학 수차들 이하이고 초점(F)을 변경하도록 적응 광학 디바이스(10)의 형상을 조정하게 구성된다.

도시되지 않은 상이한 실시예에서, 본 발명에 따른 레이저 절단 헤드(1)는 조정 방향(X)을 따라 시준 그룹(2)과 초점 그룹(5) 사이에서 적어도 하나를 지지하고 이동시키는 지지 및 이동 수단(7), 및 적응 광학 디바이스(10) 둘 다를 포함할 수 있으며, 이 구성요소들은 내부 공간(20)에 포함된다. 이러한 경우에, 지지 및 이동 수단(7) 및 적응 광학 디바이스(10)의 액추에이터들은 전자 프로세서(12)에 연결된다. 전자 프로세서는 레이저 빔(L)의 광학 수차들을 감소시키고 초점(F)을 변경하기 위해, 동시에 또는 대안적으로, 광학 그룹들의 지지 및 이동 수단(7)을 동작시키는 것 및 적응 광학 디바이스(10)의 압전 또는 전자기 액추에이터들을 제어하는 것 둘 다를 할 수 있다.

도면들에 도시된 것에 대안으로, 파면 센서(9)는 케이싱 수단(15)의 측면 개구부(53)에 위치되고 이를 기밀하게 밀봉하거나 레이저 절단 헤드(1)의 내부 공간(20) 내부에 위치될 수 있으며, 이러한 제2 경우에 측면 개구부(53) 및 상기 측면 개구부를 기밀하게 폐쇄한 투명 광학 요소(11)는 필요하지 않다.

설명되는 추가 실시예들 및 변형들 중 어느 하나에 따른 또는 그 가능한 조합에 따른 레이저 절단 헤드(1)는 기계 공구와 연관되어 사용될 때, 또한 이미 도시되었던 것에 따라, 피스(100)의 레이저 절단을 제어하기 위한 본 발명의 방법의 단계들을 구현할 수 있다.

유리하게는, 본 발명의 레이저 절단 헤드(1)는 또한 케이싱 수단(15)의 각각의 벽에 외부 고정되는 냉각 유닛, 및 지지 및 이동 수단(7) 또는 고정 수단(70)을 케이싱 수단(15)의 상기 벽에 연결하는 열전도성 수단을 포함할 수 있어, 열 전도에 의해 지지 및 이동 수단(7) 또는 고정 수단(70)으로부터 그리고 시준(2) 및 초점(5) 광학 그룹들로부터, 그들이 레이저 빔(L)에 의해 교차될 때 후자 광학 그룹에서 발생되는 열을 추출한다. 이러한 목적을 위해, 지지 및 이동 수단(7), 고정 수단(70) 및 적어도 케이싱 수단(15)의 각각의 벽은 높은 열 전도율을 갖는 재료로 제조된다.

도면들에 도시되지 않은 본 발명의 레이저 절단 헤드(1)의 버전에서, 시준 렌즈들(3) 및 초점 렌즈들(6)은 렌즈들을 래핑(lapping)하고 따라서 냉각하기 위해 레이저 절단 헤드(1) 내부에 제어된 온도로 가스(전형적으로 질소)의 도입을 포함하는 공지된 유형의 냉각 시스템에 의해 냉각된다.

Claims

기계 공구에 연관 가능한 레이저 절단 헤드(1)로서,
- 레이저 방출 장치에서 나오는 레이저 빔(L)을 시준하는 시준 그룹(2);
- 초점(F)에 상기 시준 그룹(2)으로부터 시준되어 빠져나오는 상기 레이저 빔(L)을 집중시키는 초점 그룹(5);
- 조정 방향(X)을 따라 상기 시준 그룹(2)과 상기 초점 그룹(5) 사이에서 적어도 하나를 지지하고 이동시키는 지지 및 이동 수단(7);
- 상기 초점 그룹(5)으로부터 집중되어 빠져나오는 상기 레이저 빔(L)을 수신하고 상기 수신된 레이저 빔(L)의 집중된 제1 부분(L1)을 반사하는 적어도 하나의 광학 요소(8; 38);
- 상기 조정 방향(X)을 따라 상기 시준 그룹(2)과 상기 초점 그룹(5) 사이에서 적어도 하나를 이동시키기 위해 상기 지지 및 이동 수단(7)을 동작시키도록 적응된 전자 프로세서(12)를 포함하며;
상기 레이저 절단 헤드는 상기 레이저 빔(L)의 상기 집중된 제1 부분(L1)을 수신하고, 상기 집중된 제1 부분(L1)의 파면의 위상 측정을 수행하고, 상기 위상 측정에 근거하여 재구성된 파면을 획득하고 상기 재구성된 파면을 상기 전자 프로세서(12)에 송신하도록 적응된 적어도 하나의 파면 센서(9)를 포함하고, 상기 전자 프로세서는 상기 재구성된 파면과 참조 파면 사이의 비교를 수행하고, 상기 비교에 근거하여 상기 레이저 빔(L)이 받는 하나 이상의 광학 수차를 결정하고 상기 지지 및 이동 수단(7)을 동작시켜 상기 하나 이상의 광학 수차를 감소시키고 상기 초점(F)을 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 절단 헤드(1).
제1항에 있어서, 상기 참조 파면은 광학 수차들이 없는 이상적인 파면 또는 미리 정의된 광학 수차들에 영향을 받는 미리 결정된 파면이며, 상기 전자 프로세서(12)는 상기 하나 이상의 광학 수차가 각각 최소화되고 특히 제로화되거나 다른 광학 수차가 상기 미리 정의된 광학 수차들 이하이도록 상기 지지 및 이동 수단(7)을 동작시키게 구성되는, 레이저 절단 헤드(1).
기계 공구에 연관 가능한 레이저 절단 헤드(1)로서,
- 레이저 방출 장치에서 나오는 레이저 빔(L)을 시준하는 시준 그룹(2);
- 초점(F)에 상기 시준 그룹(2)으로부터 시준되어 빠져나가는 상기 레이저 빔(L)을 집중시키는 초점 그룹(5);
- 조정 가능한 형상을 갖는 적어도 하나의 적응 광학 디바이스(10);
- 상기 초점 그룹(5)으로부터 집중되어 빠져나가는 상기 레이저 빔(L)을 수신하고 상기 수신된 레이저 빔(L)의 집중된 제1 부분(L1)을 반사하는 적어도 하나의 광학 요소(8; 38);
- 상기 적응 광학 디바이스(10)의 형상을 조정하도록 적응된 전자 프로세서(12)를 포함하며;
상기 레이저 절단 헤드는 상기 레이저 빔(L)의 상기 집중된 제1 부분(L1)을 수신하고, 상기 집중된 제1 부분(L1)의 파면의 위상 측정을 수행하고, 상기 위상 측정에 근거하여 재구성된 파면을 획득하고 상기 재구성된 파면을 상기 전자 프로세서(12)에 송신하도록 적응된 적어도 하나의 파면 센서(9)를 포함하고, 상기 전자 프로세서는 상기 재구성된 파면과 참조 파면 사이의 비교를 수행하고, 상기 비교에 근거하여 상기 레이저 빔(L)이 받는 하나 이상의 광학 수차를 결정하고 상기 적응 광학 디바이스(10)의 형상을 조정하여 상기 하나 이상의 광학 수차를 감소시키고 상기 초점(F)을 변경하는 것을 특징으로 하는, 레이저 절단 헤드(1).
제3항에 있어서, 상기 참조 파면은 광학 수차들이 없는 이상적인 파면 또는 미리 정의된 광학 수차들에 영향을 받는 미리 결정된 파면이며, 상기 전자 프로세서(12)는 상기 하나 이상의 광학 수차가 각각 최소화되고 특히 제로화되거나 다른 광학 수차가 상기 미리 정의된 광학 수차들 이하이도록 상기 적응 광학 디바이스(10)의 형상을 조정하게 구성되는, 레이저 절단 헤드(1).
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 적응 광학 디바이스(10)는 상기 레이저 빔(L)의 전파 방향(P)에 관하여 상기 초점 그룹(5)의 상류에 위치되는, 레이저 절단 헤드(1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 파면 센서(9)는 샤크-하트만 유형을 가지는, 레이저 절단 헤드(1).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 요소(8; 38)는 빔 스플리터이며, 특히 큐빅 빔 스플리터, 광학 프리즘 및 반투명 유리 중에 선택되는, 레이저 절단 헤드(1).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 시준 그룹(2), 초점 그룹(5), 지지 및 이동 수단(7) 및 적어도 하나의 광학 요소(8)을 포함하도록 적응된 내부 공간(20)을 형성하는 케이싱 수단(15)을 포함하는, 레이저 절단 헤드(1).
제8항에 있어서, 상기 광학 요소(38)는 외부 환경으로부터 상기 레이저 절단 헤드(1)의 상기 내부 공간(20)을 분리하도록 적응되는, 레이저 절단 헤드(1).
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 케이싱 수단(15)은 상기 외부 환경을 향해 상기 레이저 빔(L)의 상기 집중된 제1 부분(L1)의 투과를 위해 투명 광학 요소(11)에 의해 기밀 폐쇄되는 측방 개구부(53)를 가지며, 상기 파면 센서(9)는 상기 케이싱 수단(15) 외부에 있는, 레이저 절단 헤드(1).
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 방출 장치는 섬유 레이저, 특히 고 에너지 섬유 레이저인, 레이저 절단 헤드(1).
워크피스(100)의 레이저 절단을 제어하기 위한 방법으로서,
- 기계 공구에 연관된 레이저 절단 헤드(1)에 의해 상기 워크피스(100)의 레이저 절단을 수행하는 단계;
- 레이저 빔(L)으로 상기 레이저 절단 헤드(1)에 에너지를 공급하는 단계;
- 초점(F)에 상기 레이저 빔(L)을 시준하고 집중시키는 단계;
- 상기 집중된 레이저 빔(L)의 적어도 하나의 집중된 제1 부분(L1)을 반사하는 단계;
- 상기 적어도 하나의 집중된 제1 부분(L1)의 파면의 위상 측정을 수행하는 단계;
- 상기 위상 측정에 근거하여 재구성된 파면을 획득하는 단계;
- 상기 재구성된 파면과 참조 파면 사이의 비교를 수행하는 단계;
- 상기 비교에 근거하여 상기 레이저 빔(L)이 받는 하나 이상의 광학 수차를 결정하는 단계;
- 상기 레이저 빔(L)의 상기 초점(F)을 변경하기 위해 상기 레이저 빔(L)이 받는 상기 하나 이상의 광학 수차를 감소시키는 단계를 포함하는 , 방법.
제12항에 있어서, 상기 참조 파면은 광학 수차들이 없는 이상적인 파면이고 상기 감소 단계는 상기 하나 이상의 광학 수차를 최소화하는 단계, 특히 제로화하는 단계를 포함하거나, 상기 참조 파면은 미리 정의된 광학 수차들에 영향을 받는 타깃 파면이고 상기 방법은 상기 하나 이상의 광학 수차가 상기 미리 정의된 광학 수차들 이하이도록 상기 광학 수차들을 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
제12항 또는 제13항에 있어서, 위상 측정을 수행하는 단계 및 재구성된 파면을 획득하는 단계는 파면 센서(9)에 구현되는, 방법.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 수차들이 사전 설정된 임계 값을 초과할 때 에러 신호를 방출하는 단계를 더 포함하는, 방법.