KR20220149027A - 레이저 파워를 모니터링하는 레이저 가공 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가공물에 조사하는 레이저 빔의 파워를 모니터링하여 각 부위의 이상 상태 및 레이저 빔의 정상 출력 여부를 감시하며 레이저 가공할 수 있는 레이저 파워를 모니터링하는 레이저 가공 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 레이저 발진기(1), 광섬유(2) 및 가공 헤드(3)로 구성되는 레이저 가공 장치에서 출사하려는 레이저 빔의 일부를 파워 측정하는 파워 검출부(4)와, 측정한 파워로 연산한 레이저 빔 파워, 레이저 빔을 전송하는 중의 파워 변화량 및 레이저 빔의 패턴에 따라 레이저 빔의 출력 정상여부 및 광경로의 이상 여부를 판정하는 모니터링부(7)를 장착하여 구성된다.

Description

레이저 파워를 모니터링하는 레이저 가공 장치{LASER MACHINING APPARATUS HAVING LASER POWER MONITORING DEVICE}

본 발명은 가공물에 조사하는 레이저 빔의 파워를 모니터링하여 각 부위의 이상 상태 및 레이저 빔의 정상 출력 여부를 감시하며 레이저 가공할 수 있는 레이저 파워를 모니터링하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

레이저 가공 장치는 용접, 절단 또는 표면 처리 등의 가공업 분야에서 널리 사용되는 장치로서, 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 발진기, 레이저 빔을 가공물에 출사하는 가공 헤드, 레이저 발진기에서 생성한 레이저 빔을 가공 헤드에 전송하기 위한 광섬유를 포함한다.

여기서, 레이저 발진기는 등록특허 제10-1259638호에 개시된 바와 같이 출력하는 레이저 빔의 파워, 파형, 파장 등을 검출하여 출력 검출부의 측정 값이 가공 목적에 따라 설정한 출력 값을 유지하도록 출력을 조정하게 구성함으로써, 레이저 가공 품질을 보장할 수 있다.

그런데, 레이저 발진기에서 출력하는 레이저 빔은 광섬유 및 가공 헤드를 경유하여 출사되므로, 광섬유 및 가공 헤드가 오염되거나 손상 또는 열화되면, 레이저 가공 품질이 저하된다. 즉, 레이저 가공 품질은 가공 헤드를 통해 출사하는 레이저 빔에 의해 좌우된다.

이에 따라, 등록특허 제10-1138454호에 개시된 바와 같이 가공 헤드에서 출사하기 직전의 레이저 빔의 파워를 측정하여 레이저 발진기의 출력과 비교함으로써, 광섬유 및 가공 헤드에서의 오염, 손상, 열화 등을 감시할 수 있고, 레이저 발진기의 출력을 조정하는 데 이용할 수도 있다.

하지만, 레이저 발진기 자체에서 이상 여부 또는 레이저 발진기에서의 출력 제어 적합성에 따라 레이저 가공의 품질을 결정되므로, 출사하는 레이저 빔 파워의 모니터링하는 것만으로는 레이저 가공 장치에서 발생하는 이상 여부 전반을 감시하기 어렵고, 레이저 가공의 품질에 영향을 주는 다양한 요인에 대해서도 전반적으로 감시하기 어렵다.

KR 10-1259638 B1 2013.04.24. KR 10-1138454 B1 2012.04.13.

따라서, 본 발명은 가공물에 조사하는 레이저 빔의 파워를 모니터링하여 각 부위의 이상 여부를 전반적으로 판정할 수 있고, 가공물에 조사되는 레이저 빔을 실시간 감시하며 레이저 빔의 파워를 조절함으로써 레이저 가공의 품질을 보장할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하는 데 목적을 둔다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 레이저 발진기(1)에서 발진하여 출력한 레이저 빔을 광섬유(2)를 통해 가공 헤드(3)에 전송하고, 가공 헤드(3)에서 레이저 빔을 시준을 위한 콜리메이션 렌즈(31), 반사시켜 방향 전환하는 벤트 미러(32) 및 가공물(W)을 향해 집광하여 출사하는 레이저 출사부(33)에 순차적으로 경유시켜 가공물(W)을 향해 조사하는 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 레이저 출사부(33)에서 출사하려는 레이저 빔 중에 상기 벤트 미러(32)에서 반사되지 않고 투과하는 레이저 빔을 수광하여 파워를 측정하는 파워 검출부(4); 상기 레이저 출사부(33)를 통해 출사하는 레이저 빔 파워를 상기 파워 검출부(4)로 측정한 파워로부터 연산하고, 레이저 빔 파워, 레이저 빔 파워와 상기 레이저 발진기(1)에 출력하는 레이저 빔 파워의 차이로 나타나는 전송 중 파워 변화량, 및 레이저 빔 파워의 패턴에 대해 모니터링하며 레이저 빔 출사의 적합성 여부와 레이저 발진기(1)부터 상기 벤트 미러(32)까지의 이상 여부를 판정하는 모니터링부(7);를 더욱 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 모니터링부(7)는 레이저 빔 파워, 전송 중 파워 변화량 및 레이저 빔 파워의 패턴 중에 적어도 어느 하나에 따라 상기 레이저 발진기(1)의 출력을 조절하게 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 모니터링부(7)은 레이저 빔 파워의 패턴에 따라 리플(ripple) 성분을 추출하여, 리플 성분의 크기에 따라 레이저 빔 출사의 적합성 여부를 판정한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 모니터링부(7)는 레이저 빔 파워의 패턴에 따라 상기 레이저 발진기(1)의 출력 적합성을 판정한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 모니터링부(7)는 상기 레이저 발진기(1)에서 출력 제어하는 데 적용되는 제어 파라메타를 레이저 빔 파워의 패턴에 따라 조절한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 레이저 빔을 가공물(W)에 조사함에 따라 발생하여 상기 레이저 출사부(33)로 유입된 후 상기 벤트 미러(32)를 투과하는 반사광을 검출하여 파워를 측정하되, 반사광의 유입 경로를 따라 유입되는 가시광 또는 적외선의 투과를 허용하는 반사광 검출부(5); 및 상기 반사광 검출부(5)를 투과한 가시광 또는 적외선을 검출하여 가공물(W) 영상 또는 가공물(W) 온도를 얻는 가공점 검출부(6);를 더욱 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 모니터링부(7)는 레이저 빔이 가공물(W)에 반사되어 발생하는 반사광의 파워를 상기 반사광 검출부(5)에서 측정한 파워에 따라 연산하고, 반사광 파워, 레이저 빔 파워와 반사광 파워의 차이에 따라 나타나는 출사 중 파워 변화량, 가공물 영상 또는 온도에 대해 모니터링하여 레이저 빔 출사의 적합성 여부와 상기 레이저 출사부(33)의 이상 여부를 판정한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 모니터링부(7)는 출사 중 파워 변화량, 가공물 영상 또는 온도에 따라 상기 레이저 발진기(1)의 출력을 조절한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 가공물을 향해 조사하는 레이저 빔의 파워 뿐만 아니라 레이저 빔의 패턴을 분석하고, 광경로 상의 파워 변화량을 분석하여, 레이저 발진기 및 레이저 빔 출사를 위한 광경로 전반에 대해 모니터링하며, 가공물에 실질적으로 조사되는 레이저 빔의 출력 정상여부도 모니터링하여, 레이저 가공의 품질을 보장할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 가공 장치의 구성도.
도 2는 모니터링부(7)의 블록 구성도.
도 3은 파워 검출부(4)로 측정한 레이저 빔 파워의 파형도(a)와, 모니터링부(7)에서 노이즈 억제한 레이저 빔 파워의 파형도(b).

이하, 본 발명의 실시 예들에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구체적이고 다양한 예시들을 보여주며 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이나 수정을 통해 실시될 수 있음도 분명하므로, 설명하는 실시 예들에 한정되지는 않는다. 그리고, 본 발명의 실시예들은 잘 알려진 부품, 회로, 기능, 방법, 전형적인 상세한 내용에 대해서는 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 추가하여 실시할 수 있으므로, 자세히 기술하지 않기로 한다.

도 1에 도시한 구성도를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 가공을 위한 레이저 발진기(1), 광섬유(2) 및 가공 헤드(3)에 더하여 가공 헤드(3)에서 가공물(W)에 조사하기 위해 출사하는 레이저 빔의 파워를 검출하기 위한 파워 검출부(4)와 검출한 레이저 빔의 파워를 모니터링하는 모니터링부(7)를 더욱 포함하고, 부가적으로 가공물(W)에 반사된 레이저 빔을 검출하기 위한 반사광 검출부(5) 및 레이저 빔이 조사된 가공물(W)의 가공 상태를 검출하기 위한 가공물 상태 검출부(6)도 포함할 수 있다.

상기 레이저 발진기(1), 광섬유(2) 및 가공 헤드(3)는 레이저 가공 장치에 관련된 기술분야에서 공지의 구성요소이고, 용접, 절단, 표면 처리 등을 예로 들수 있는 가공법에 따라 변형할 수 있는 구성요소라는 점도 잘 알려져 있으므로, 먼저 간략하게 설명한다.

상기 레이저 발진기(1)는 가공법에 따라 미리 설정된 파워의 레이저 빔을 생성하는 발진부(11)와, 생성하는 레이저 빔의 파워를 검출하는 검출부(13)와, 생성하는 레이저 빔의 파워를 검출부(13)로 검출한 파워에 따라 조절하여 설정 파워의 레이저 빔을 출력하도록 제어하는 컨트롤러(12)를 포함한다.

예를 들어, 컨트롤러(12)는 검출부(13)에서 검출한 파워와 설정 파워 사이의 오차에 따라 발진부(11)를 PID(Proportional-Integral-Differential) 제어하여 설정 파워의 레이저 빔을 출력하게 할 수 있다. PID 제어는 오차 신호에 비례 파라메터를 곱하는 비례항, 오차 신호를 적분하여 얻는 신호에 적분 파라메타를 곱하는 적분항 및 오차 신호를 미분하여 얻는 신호에 미분 파라메타를 곱하는 미분항을 조합하여 제어값을 연산하며, 제어 파라메터을 적절하게 적용함으로써, 하여, 제어값에 따라 제어하는 출력의 정상상태(steady-state) 오차와 오버슛(overshoot)을 줄일 수 있다.

또한, 검출부(13)는 생성하는 레이저 빔의 파형 또는 파장을 검출하게 구성하고, 컨트롤러(12)는 미리 설정하여 둔 파형 또는 파장의 레이저 빔을 생성하여 출력하도록 제어하게 구성할 수도 있다.

상기 광섬유(2)는 상기 레이저 발진기(1)에서 생성하여 발진 출력하는 레이저 빔을 상기 가공 헤드(3)에 전송하기 위한 광경로를 형성한다.

상기 가공 헤드(3)는 상기 광섬유(2)의 단부에서 방사상으로 출사하는 레이저 빔을 평행광으로 변환하여 시준하는 콜리메이션 렌즈(31)와, 콜리메이션 렌즈(31)에 의해 평행광으로 변환된 레이저 빔을 90°편향된 방향으로 방향 전환시켜 레이저 출사부(33)를 향해 유도하는 벤트 미러(32)와, 벤트 미러(32)에 반사된 레이저 빔을 가공물(W)을 향해 출사하여 가공물(W)을 가공하는 레이저 출사부(33)를 포함한다. 이에 따라, 광섬유(2)에서 출사되는 레이저 빔은 콜리메이션 렌즈(31), 벤트 미러(32) 및 레이저 출사부(33)를 순차적으로 경유하여 가공물(W)에 조사된다.

예시적으로 상기 레이저 출사부(33)는 가공물(W)을 스캔하며 레이저 빔을 조사하도록 갈바노미터 스캐너(Galvanometer scanner)로 구성한 실시 예를 보여주었다. 즉, 상기 레이저 출사부(33)는 레이저 빔을 가공물(W)의 가공점(WP)을 향해 집광하기 위해 가공물(332)과 마주하게 한 포커스 렌즈(332)와, 포커스 렌즈(332)와 가공물(332) 사이에 배치하여 포커스 렌즈(332)를 보호하는 보호 렌즈(333)와, 상기 벤트 미러(32)와 대향하게 배치하며 상기 벤트 미러(32)에서 반사된 레이저 빔을 반사시켜 포커스 렌즈(332)를 향하게 하되 적어도 직교하는 2개 회전축으로 회동 가능하여 레이저 빔의 출력 방향을 가변할 수 있게 한 전반사 미러(331)를 포함한다. 도면에는 하나의 전반사 미러(331)만 도시하였으나, 복수의 전반사 미러 중에 적어도 어느 하나를 회동 가능하게 하여 복수의 전반사 미러에 순차적으로 반사되게 하여 포커스 렌즈(332)를 향하게 구성할 수 있음은 공지의 기술이므로 더 이상의 상세 설명은 생략한다.

다만, 본 발명의 실시 예에서는 상기 벤트 미러(32)에서 레이저 빔을 부분 투과시키게 구성한다. 예를 들어, 상기 벤트 미러(32)에서 반사되지 아니하고 투과하는 레이저 빔의 투과율을 대략 1%으로 되게 구성할 수 있다. 하지만 예시한 투과율 값으로 한정하는 것은 아니며, 예를 들어 반사광 파워 대비 투과광 파워의 비율이 상대적으로 매우 작은 빔 스플리터로 구성할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 후술하는 바와 같이, 상기 벤트 미러(32)가 적외선 또는 가시광을 투과시켜 가공물(W)의 가공점(WP) 온도 또는 영상을 얻으므로, 적외선 또는 가시광의 투과율이 높게 구성되는 것이 좋다.

이하, 본 발명의 특징적 구성요소인 파워 검출부(4), 반사광 검출부(5), 가공점 검출부(6) 및 모니터링부(7)에 대해 설명한다.

상기 파워 검출부(4)는 상기 콜리메이션 렌즈(31)를 통과하여 평행광으로 된 레이저 빔 중에 상기 벤트 미러(32)에 입사되어 반사되지 아니하고 투과하는 일부 레이저 빔을 수광하여 광전 변환함으로써, 투과한 레이저 빔의 파워를 전기적 신호로 출력한다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 벤트 미러(32)의 레이저 빔 투과율에 따라 적은 파워의 레이저 빔이 상기 벤트 미러(32)를 투과한다.

구체적인 실시 예에 따르면, 상기 파워 검출부(4)는 상기 벤트 미러(32)를 투과한 레이저 빔을 파워 감쇄하며 통과시키는 광감쇄 수단(41)과, 광감쇄 수단(41)에 의해 감쇄된 레이저 빔을 반사시켜 90°반향 전환하는 벤트 미러(42)와, 벤트 미러(42)에 의해 반사된 레이저 빔을 광전 변환하여서, 레이저 빔의 파워를 전기적 신호로 출력하는 광전 변환부(43)로 구성된다.

상기 광감쇄 수단(41)은 예를 들어, 광 확산판 아니면 ND(Neutral Density) 필터로 구성할 수 있고, 벤트 미러(42)의 반사면을 표면처리하여 반사율을 낮추는 방식으로 구현할 수도 있다. 이러한 광감쇄 수단(41)은 상기 벤트 미러(32)에 의해 투과된 레이저 빔을 광전 변환부(43)로 수광하기에 적절한 파워로 좀더 감쇄시킨다.

상기 광전 변환부(43)는 레이저 빔을 수광하여 전기신호로 변환하는 포토 다이오드(photodiode)와, 전기신호를 증폭하는 증폭기를 구비하게 구성하여, 레이저 빔의 파워를 전기신호로 측정하게 하고, 측정한 레이저 빔의 파워를 상기 모니터링부(4)에 전달하게 한다. 여기서, 포토 다이오드로 레이저 빔의 파워를 얻음으로, 레이저 빔의 파워가 순시적으로 가변하더라도 순시적으로 변화하는 레이저 빔의 파워를 정확하게 검출할 수 있다.

상기 반사광 검출부(5)는 상기 벤트 미러(32)에 반사되어 상기 레이저 출사부(33)로 출사한 레이저 빔이 가공물(W)에 반사되어 형성되는 레이저 반사광을 수광하여 파워 측정하는 구성요소로서, 반사광 중에 상기 레이저 출사부(33)로 입사되어서 출사한 레이저 빔의 경로를 따라 역방향으로 진행한 후 상기 벤트 미러(32)를 투과하는 반사광을 수광하도록 배치된다. 여기서도, 상기에서 설명한 바와 같이 상기 벤트 미러(32)에 입사된 레이저 반사빔 중에 일부만 투과하여 수광된다.

구체적인 실시 예에 따르면 상기 반사광 검출부(5)는 상기 벤트 미러(32)를 투과한 반사광의 진행방향을 90°전환시키도록 반사시키는 벤트 미러(51), 벤트 미러(51)에 반사된 반사광의 파워를 감쇄시키며 투과시키는 광감쇄 수단(52) 및 광감쇄 수단(52)에 의해 파워 감쇄된 반사광을 수광하여 전기적 신호로 출력하는 광전 변환부(53)으로 구성된다.

여기서, 상기 반사광 검출부(5)의 광감쇄 수단(51) 및 광전 변환부(53)는 상기 파워 검출부(4)의 광감쇄 수단(41) 및 광전 변환부(43)와 동일하게 구성할 수 있다. 다만, 상기 반사광 검출부(5)의 광감쇄 수단(51)과 상기 파워 검출부(4)의 광감쇄 수단(41)은 입사하는 빔의 파워에 따라 감쇄율을 달리할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 상기 반사광 검출부(5)의 벤트 미러(51)도 상기 벤트 미러(32)와 마찬가지로 가시광 및 적외선광을 투과율을 높게 구성하여서, 반사광의 유입 경로를 따라 유입되는 가시광 및 적외선광이 하기의 가공점 검출부(6)로 전송되게 한다.

상기 가공점 검출부(6)는 가공물(W) 중에 상기 레이저 출사부(33)에서 레이저 빔을 조사한 부위를 촬영하기 위한 카메라 아니면 해당 부위의 가공 상태를 검출하기 위한 적외선 센서로 구성되거나, 카메라 및 적외선 센서를 모두 포함하게 구성될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 상기 가공점 검출부(6)가 카메라 및 적외선 센서를 모두 포함하게 구성하는 것으로 설명한다.

가공물(W) 중에 레이저 빔을 조사한 부위에서 발생하는 적외선 복사광 및 해당 부위의 가시영역 영상을 보여주는 가시광은 가공물(W)에 조사하는 레이저 빔의 광 경로, 즉, 레이저 반사광과 동일한 루트를 따라 상기 벤트 미러(32)에 입사되므로, 상기 벤트 미러(32)에 입사한 광이 상기 벤트 미러(32) 및 상기 반사광 검출부(5)의 벤트 미리(51)를 순차적으로 투과한 후 상기 가공점 검출부(6)에 의해 검출되게 할 수 있다. 다시 말해서, 상기 벤트 미러(32) 및 상기 반사광 검출부(5)의 벤트 미리(51)는 적외선 복사광 및 가시광의 투과율이 높은 미러를 사용함으로서, 상기 반사광 검출부(5)의 벤트 미리(52)의 배후에 상기 가공점 검출부(6)를 배치하여 적외선 복사광 및 가시광을 검출하게 할 수 있다.

구체적인 실시 예에 따르면, 상기 가공점 검출부(6)는 상기 반사광 검출부(5)의 벤트 미리(51)를 투과한 광 중에 레이저 빔은 차단하고 적외선 복사광 및 가시광은 투과시키는 필터(61)와, 필터(61)에 의해 필터링된 광을 반사시켜 광 경로를 90°전환시키는 벤트 미러(62)와, 벤트 미러(62)에 의해 반사된 광을 수광하는 센서부(63)를 포함한다. 물론, 센서부(63)는 카메라와 적외선 센서를 포함하여서, 가공물(W) 중에 레이저 빔이 조사된 부분의 영상과 온도를 얻는다.

상기 모니터링부(7)는 상기 파워 검출부(4)에서 측정한 레이저 빔 파워와, 상기 반사광 검출부(5)에서 측정한 레이저 반사광 파워와, 상기 가공점 검출부(6)에서는 얻는 영상 및 온도와, 상기 레이저 발진기(1)의 검출부(13)에서 측정한 발진 레이저 빔 파워를 전달받아서, 모니터(미도시)로 출력한다.

도 2에 도시한 블록 구성도를 참조하면, 상기 모니터링부(7)는 전달받는 레이저 빔 파워, 레이저 반사광 파워 및 온도에 대해 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부(71)와, 레이저 빔 파워를 기설정 환산 비율에 따라 상기 레이저 출사부(33)로 출사되는 레이저 빔 파워로 환산하는 레이저 파워 환산부(72)와, 레이저 반사광 파워를 기설정 환산 비율에 따라 가공물(W)에서의 반사광 파워로 환산하는 반사광 파워 환산부(73)와, 레이저 파워 환산부(72)에서 환산한 레이저 빔 파워와 상기 레이저 발진기(1)에서 발진하는 레이저 빔 파워를 비교하여 검증하는 출력 검증부(74)와, 레이저 파워 환산부(72)에서 환산한 레이저 빔 파워와 상기 반사광 파워 환산부(73)에서 환산한 반사광 파워에 따라 가공물(W)에 흡수된 레이저 빔 파워를 연산하여 검증하는 흡수 검증부(75)와, 영상 및 온도에 다라 가공물(W)의 레이저 가공 상태를 검증하는 가공 상태 검증부(76)를 포함하며, 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3(a)에 예시한 바와 같이 상기 노이즈 제거부(71)에 의해 노이즈를 제거하기 전의 레이저 빔 파워는 노이즈가 섞여 있다. 이러한 노이즈는 광전 변환부(43)의 포토 다이오이드, 포토 다이오드에 도달하기까지의 광 경로 등에 의해 발생할 수 있다. 그렇지만, 예를 들어 고주파를 제거하는 필터로 필터링하여 노이즈를 억제한 레이저 빔 파워는 도 3(b)와 같은 파형을 보여준다. 도면으로 보여주지는 아니하였지만, 레이저 반사광 파워 및 온도에 대해서도 노이즈를 적절한 필터링에 의해 억제할 수 있다.

상기 레이저 파워 환산부(72)에서 적용하는 기설정 환산 비율은 예를 들어 상기 레이저 출사부(33)에서 출사되는 레이저 빔 파워를 측정하는 실험을 수행하여, 상기 파워 검출부(4)로 측정한 레이저 빔 파워와의 상대적 비율에 따라 얻을 수 있다.

상기 반사광 파워 환산부(73)에서 적용하는 기설정 환산 비율은 예를 들어 가공물(W)에서 반사되어 발생하는 반사광 중에 상기 레이저 출사부(33)로 입사되는 광의 비율을 가공물(W)과 레이저 출사부(33)의 상대적 위치 및 레이저 출사부(33)의 출사구 크기 등에 따라 추정하고, 상기 벤트 미러(32)의 투과율을 추가 반영하여 얻을 수 있다. 아니면, 가공물(W)에서 반사되는 반사광을 측정하는 실험을 수행하여 상기 반사광 검출부(5)에서 측정되는 파워와의 상대적 비율에 따라 얻을 수 있다.

상기 출력 검증부(74)는 레이저 빔 파워와 발진 레이저 빔 파워의 차이에 따라 레이저 빔 파워의 크기 적합성을 검증하는 파워 검증부(741)와, 레이저 빔 파워의 패턴에 따라 레이저 빔 파워의 패턴 적합성을 검증하는 패턴 검증부(742)를 포함한다.

상기 레이저 발진기(1)에서 발진하여 출력하는 발진 레이저 빔은 상기 광섬유(2), 콜리메이션 렌즈(31) 및 벤트 미러(32)를 경유하며 감쇄되어 상기 파워 검출부(4)에 의해 검출되므로, 상기 광섬유(2), 콜리메이션 렌즈(31) 및 벤트 미러(32)의 오염, 손상 및 열화가 발생하진 않을 시의 파워 감쇄량을 실험에 의해 측정하여 허용할 수 있는 파워 감쇄 비율의 범위를 적절하게 미리 설정하여 둘 수 있다.

상기 파워 검증부(741)는 상기 파워 검출부(4)를 통해 측정한 레이저 빔 파워와 상기 레이저 발진기(1)를 통해 측정하는 발진 레이저 빔 파워의 차이로 얻는 파워 감쇄 비율이 설정 범위 내에 있으면 적합으로 판정하고, 설정 범위를 벗어나면 부적합으로 판정하게 할 수 있다. 여기서, 부적합 판정은 상기 광섬유(2), 콜리메이션 렌즈(31) 및 벤트 미러(32) 중에 적어도 어느 하나가 오염되거나 손상 또는 열화될 시에 내려진다고 볼 수 있다.

또한, 상기 파워 검출부(4)를 통해 측정한 레이저 빔 파워는 상기 레이저 출사부(33)를 통해 가공물(W)에 조사되는 레이저 빔 파워로 환산한 파워이므로, 상기 파워 검증부(741)는 가공물(W)에 조사되는 레이저 빔 파워의 적합성을 판정할 수 있다.

가공물(W)에 조사되는 레이저 빔 파워로 환산한 레이저 빔 파워는 레이저 출사부(33)의 오염, 손상 또는 열화에 의해서 실제로 가공물(W)에 조사되는 레이저 빔 파워와 차이날 수 있으나, 오염, 손상 또는 열화를 후술하는 바와 같이 흡수 검증부(75) 또는 가공 상태 검증부(76)에 의해서 간접적으로 판정할 수 있다.

상기 패턴 검증부(742)는 시간 경과에 따라 나타나는 레이저 빔 파워의 변화를 검증하며, 구체적으로서 레이저 빔 파워의 리플(ripple) 성분 크기에 따라 적합성을 판정하게 할 수 있다.

상기 도 3(b)에 도시한 바와 같이 상기 레이저 발진기(1)에서 발진하여 출사할 레이저 빔을 일정하게 유지하도록 제어하더라도, 상기 파워 검출부(4)를 통해 측정되는 레이저 빔 파워는 일정하지 아니하고 리플 성분이 나타난다.

이러한 리플 성분은 예를 들어, 상기 레이저 발진기(1)에서 PID 제어에 따라 출력을 조절할 시에 비례항, 적분항 및 미분항에 적용되는 제어 파라메터에 따라 그 크기가 달라질 수 있으므로, 상기 레이저 발진기(1)의 출력을 검증하는 데 사용할 수 있다. 또한, 상기 레이저 발진기(1)에 의해 발생하는 리플 성분은 레이저 빔의 광 경로 중에 광섬유(2)의 영향을 받아 발생할 수도 있다

이에, 본 발명의 실시 예에서 상기 패턴 검증부(742)는 측정한 레이저 빔 파워의 리플 성분의 크기에 대해 적합성 판단의 기준이 되는 값을 미리 설정하여 두어서, 패턴 분석에 의해 얻는 리플 성분을 설정한 리플 성분 크기와 비교한 결과에 따라 레이저 출력의 적합성을 판단하게 구성하였다.

상기 흡수 검증부(75)는 상기 레이저 파워 환산부(72)에서 환산하여 얻은 레이저 빔 파워와 상기 반사광 파원 환산부(73)에서 환산하여 얻은 레이저 반사광 파워의 차이로 가공물(W)에 흡수된 레이저 파워를 연산하며, 그 차이의 변동에 따라 상기 레이저 출사부(33)의 오염, 파손 또는 열화에 따라 발행하는 이상 상태의 발생 여부를 판정한다. 물론, 레이저 빔 파워와 레이저 반사광 파워를 각각 시간 경과에 따라 적분하여 에너지를 연산하고, 연산한 에너지의 차이에 따라 가공물(W)에 흡수된 에너지를 연산할 수 있고, 그 에너지 차이의 변동에 따라 상기 레이저 출사부(33)의 이상 상태가 발생하였는지를 판정할 수도 있다.

상기 가공 상태 검증부(76)는 가공물(W)의 가공 부위 영상에 따라 가공 상태의 적합성에 대해 판정할 수 있고, 또한, 가공 부위 온도에 따라 가공 상태의 적합성에 대해 판정할 수 있다. 가공 부위 온도는 예를 들어 용접, 절단, 표면처리 등으로 분류하는 가공법 또는 가공물(W)의 재질, 두께 등으로 할 수 있는 가공물 특성에 따라 적절하게 조절되게 하는 것으로 알려져 있으므로, 가공법 또는 가공물 특성에 따라 적합한 값을 설정하여 둠으로써, 측정한 가공 부위 온도와 비교하여 적합성을 판정하게 할 수 있다.

이상에서 설명한 레이저 빔 파워와, 레이저 반사광 파워와, 가공 부위 영상과, 가공 부위 온도와, 가공 부위에 흡수된 파워는 실시간으로 얻어 상호 비교할 수 있도록 모니터에 출력함은 물론이고, 상기 출력 검증부(74), 흡수 검증부(75) 및 가공 상태 검증부(76)에서 판정한 적합성 여부를 모니터를 통해 출력하게 할 수 있다.

아울러, 상기 모니터링부(7)는 레이저 빔 파워, 레이저 반사광 파워 및 가공 부위 흡수 파워에 따라 상기 레이저 발진기(1)의 출력을 조절하게 할 수 있고, 레이저 빔 파워의 리플 성분에 따라 레이저 발진기(1)의 제어 파라메터를 조절하게 할 수도 있다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

W : 가공물 WP : 가공점
1 : 레이저 발진기
11 : 발진부 12 : 컨트롤러 13 : 검출부
2 : 광섬유
3 : 가공 헤드
31 : 콜리메이션 렌즈
32 : 벤트 미러
33 : 레이저 출사부 331 : 전반사 미러 332 : 포커스 렌즈
333 : 보호 렌즈
4 : 파워 검출부
41 : 광감쇄 수단 42 : 벤트 미러 43 : 광전 변환부
5 : 반사광 검출부
51 : 벤트 미러 52 : 광감쇄 수단 53 : 광전 변환부
6 : 가공점 검출부
61 : 필터 62 : 벤트 미러 63 : 센서부
7 : 모니터링부
71 : 노이즈 제거부
72 : 레이저 파워 환산부
73 : 반사광 파워 환산부
74 : 출력 검증부 741 : 파워 검증부 742 : 패턴 검증부
75 : 흡수 검증부
76 : 가공 상태 검증부

Claims (7)

1. 레이저 발진기(1)에서 발진하여 출력한 레이저 빔을 광섬유(2)를 통해 가공 헤드(3)에 전송하고, 가공 헤드(3)에서 레이저 빔을 시준을 위한 콜리메이션 렌즈(31), 반사시켜 방향 전환하는 벤트 미러(32) 및 가공물(W)을 향해 집광하여 출사하는 레이저 출사부(33)에 순차적으로 경유시켜 가공물(W)을 향해 조사하는 레이저 가공 장치에 있어서,
   상기 레이저 출사부(33)에서 출사하려는 레이저 빔 중에 상기 벤트 미러(32)에서 반사되지 않고 투과하는 레이저 빔을 수광하여 파워를 측정하는 파워 검출부(4);
   상기 레이저 출사부(33)를 통해 출사하는 레이저 빔 파워를 상기 파워 검출부(4)로 측정한 파워로부터 연산하고, 레이저 빔 파워, 레이저 빔 파워와 상기 레이저 발진기(1)에 출력하는 레이저 빔 파워의 차이로 나타나는 전송 중 파워 변화량, 및 레이저 빔 파워의 패턴에 대해 모니터링하며 레이저 빔 출사의 적합성 여부와 레이저 발진기(1)부터 상기 벤트 미러(32)까지의 이상 여부를 판정하는 모니터링부(7);
   를 포함하는 레이저 파워를 모니터링하는 레이저 가공 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 모니터링부(7)는
   레이저 빔 파워, 전송 중 파워 변화량 및 레이저 빔 파워의 패턴 중에 적어도 어느 하나에 따라 상기 레이저 발진기(1)의 출력을 조절하게 하는
   레이저 파워를 모니터링하는 레이저 가공 장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 모니터링부(7)은
   레이저 빔 파워의 패턴에 따라 리플(ripple) 성분을 추출하여, 리플 성분의 크기에 따라 레이저 빔 출사의 적합성 여부를 판정하는
   레이저 파워를 모니터링하는 레이저 가공 장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 모니터링부(7)는
   레이저 빔 파워의 패턴에 따라 상기 레이저 발진기(1)의 출력 적합성을 판정하는
   레이저 파워를 모니터링하는 레이저 가공 장치.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 모니터링부(7)는
   상기 레이저 발진기(1)에서 출력 제어하는 데 적용되는 제어 파라메타를 레이저 빔 파워의 패턴에 따라 조절하는
   레이저 파워를 모니터링하는 레이저 가공 장치.
6. 제 1항에 있어서,
   레이저 빔을 가공물(W)에 조사함에 따라 발생하여 상기 레이저 출사부(33)로 유입된 후 상기 벤트 미러(32)를 투과하는 반사광을 검출하여 파워를 측정하되, 반사광의 유입 경로를 따라 유입되는 가시광 또는 적외선의 투과를 허용하는 반사광 검출부(5); 및
   상기 반사광 검출부(5)를 투과한 가시광 또는 적외선을 검출하여 가공물(W) 영상 또는 가공물(W) 온도를 얻는 가공점 검출부(6);
   를 더욱 포함하고,
   상기 모니터링부(7)는
   레이저 빔이 가공물(W)에 반사되어 발생하는 반사광의 파워를 상기 반사광 검출부(5)에서 측정한 파워에 따라 연산하고, 반사광 파워, 레이저 빔 파워와 반사광 파워의 차이에 따라 나타나는 출사 중 파워 변화량, 가공물 영상 또는 온도에 대해 모니터링하여 레이저 빔 출사의 적합성 여부와 상기 레이저 출사부(33)의 이상 여부를 판정하는
   레이저 파워를 모니터링하는 레이저 가공 장치.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 모니터링부(7)는
   출사 중 파워 변화량, 가공물 영상 또는 온도에 따라 상기 레이저 발진기(1)의 출력을 조절하는
   레이저 파워를 모니터링하는 레이저 가공 장치.

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