KR890000461B1 - 레이저 처리기계의 촛점 위치 추적장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

레이저 처리기계의 촛점 위치 추적장치

제1도는 본 발명의 일실시예를 보여주는 레이저 처리기계의 주요부 측단면도.

제2도 및 제3도는 집광렌즈의 촛점위치를 추적하는 원리를 보여주는 설명도.

제4도는 본 발명의 제2실시예의 측단면도.

제5도는 집광렌즈와 빛 차단부재 사이의 위치변화에 따른 레이저빔의 통과량을 보여주는 설명도.

제6도는 집광렌즈와 빛 차단부재 사이의 위치변화에 따른 레이저빔 감지기의 출력을 보여주는 설명도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이저 처리기계 31 : 집광렌즈

47 : 지지부재 51,55 : 투과구멍

53 : 빛 차단부재 57 : 빔 감지기

본 발명은 레이저빔을 사용하여 판형재의 피가공물을 절삭하는 레이저 처리기계에 관한 것으로 특히, 레이저 처리기계의 정확한 촛점 추적을 통한 작업효율의 개선에 관한 것이다. 레이저 처리기계에 있어서는 레이저빔을 집광하는 집광렌즈가 피가공물의 가공부위에 정확하게 촛점을 맞추어 주느냐 하는 것이 작업의 효율 및 정확도라는 면에서 대단히 중요하다. 그러나, 레이저 처리기계, 특히 탄산가스 레이저 처리기계에서 사용되는 광선은 불가시광선이기 때문에 집광렌즈가 피가공물의 위표면에 촛점을 맞추었는지 탐지하는 것은 어려웠다. 상기 이유로 종래에는 레이저 공진기와는 별도로 보조가시광선 발진기를 장착하여 이 보조광선 발진기에서 발생한 He-Ne레이저(헬륨-네온레이저)같은 가시광선이 피가공물의 표면에 촛점을 맞추는지를 조사하여 왔다. 따라서 보조광선 발진기의 부가장착이 요구되어져 기계의 구조가 더욱 복잡하여지고 원가가 상승하게 되었다. 게다가 레이저빔이 불연속적으로 피가공물에 투사되는 단점이 있으며, 작업중 발생하는 스파크의 형태를 목시하여 탐지를 해야 하므로 피가공물의 표면에 촛점에 맞추어졌는지 정확히 판단하기가 어려웠다. 기계를 작동시키는 데에도 경험과 숙련이 요구되어졌으며 정확한 촛점위치의 탐지가 완벽하게 수행되지 못했다. 본 발명은 이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것이다.

본 발명의 제1의 목적은 가시광선이나 불가시광선에 구애받지 않고 레이저빔의 촛점위치를 쉽게 탐지할 수 있는 장치를 제공하는 것이고, 제2의 목적은 촛점위치의 추적을 통해 피가공물의 예정된 부위에 정확히 레이저빔의 촛점을 맞추어줌으로써 높은 정밀도와 효율을 지니게 되는 레이저 처리기계를 제공하는 것이다. 그 외의 상세한 목적과 장점은 도면과 연관하여 본 발명의 실시예를 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에는 레이저빔의 일부를 차단하는 조절 가능한 빛 차단부재와 레이저빔의 양에 비례하여 출력이 발생하는 빔감지기가 연속해서 배설된다.

상기 구조에서 빛 차단부재와 빔 감지기 중 최소한 하나는 렌즈를 향해 유동하며, 전술한 빔 감지기의 출력이 최소 및 최대가 될때의 위치가 탐지될 수 있도록 형설되어 정확한 촛점위치 추적이 가능하게 된다. 제1도 및 제2도에서, 레이저 처리기계(1)는 CO₂레이저 공진기와 같은 레이저 공진기(3)와 C형 구조의 본체 후레임(5)을 구비하고 있다. 레이저 공진기(3)는 일반적인 레이저 공진기를 이용할 수 있는 것이므로 세부구조에 대한 설명은 생략한다. 본체 후레임(5)은 판형의 피가공물(W)를 올려놓게 되는 테이블(7), 테이블을 지지하는 베이스(9), 베이스 윗쪽에 위치하는 오버헤드(11) 그리고 베이스(9)와 오버헤드(11)를 C자형으로 연결시켜 주는 수직지주(13)로 이루어졌다. 피가공물(W)를 부드럽게 지지하기 위해 회전가능한 강철볼을 구비하는 다수의 마찰감소장치(7a)가 테이블(7)의 윗면에 장착되어 있다. 베이스(9)의 양측면(제1도에서는 전, 후면)에는 수평으로(제1도에서 좌, 우로)연장가능한 한쌍의 Y축 가이드바(15)가 부착되어 있으며, Y축 가이드바(15)와 함께 좌, 우로 유동가능한 한쌍의 Y축 캐리지(17)가 Y축 가이드바(15)위에 각각 장착되어 있다.

한쌍의 Y축 캐리지(17)는 연결부재(19)에 의해 서로 연결되며 연결부재(19)는 테이블(7)의 윗면과 작은 틈을 유지한 채 X축방향(Y축 가이드바(15)와 수평의 수직방향)으로 연장돼 있다. 따라서 양 Y축 캐리지(17)는 함께 Y축방향(제1도의 좌, 우방향)으로 유동한다.

연결부재(19)에는 Y축 가이드바와 수직방향인 X축방향으로 연장돼 있는 X축 가이드바(21)가 장착되고, X축 가이드바(21)에는 X축 가이드바(21)와 함께 유동하는 X축 캐리지(23)가 장착되며, 테이블(7)의 윗면에 유동가능하게 지지되는 피가공물(W)의 단부를 죄어주기 위해 적절한 수의 클램프(25)가 X축 캐리지에 착설된다. 따라서 X축 가이드바(21)와 함께 X축 캐리지(23)를 적절히 유동시키면 피가공물(W)도 클램프(25)에 협지된 상태로 X축방향으로 유동하게 된다. 마찬가지 방법으로 Y축 캐리지(17)를 Y축방향으로, X축 캐리지(23)를 X축방향으로 조절하여 피가공물(W)를 원하는 위치에 놓이게 할 수 있다. 이와 같은 구조에서, 피가공물(W)의 X축 및 Y축 위치를 조절하기 위해 수치제어 장치나 컴퓨터장치(도시되지 않음)같은 조절장치로 X축 캐리지(23) 및 Y축 캐리지(17)를 자동으로 조절할 수도 있다.

오버헤드(11)의 단부에는 공진기로부터 전달된 레이저빔을 테이블(7)의 표면에 대해 수직으로 반사시켜 주는 반사체(27)가 장착되며, 반사체(27)의 아래에 촛점위치 조절기(29)가 설치되는 데 촛점위치 조절기(29)는 레이저빔이 피가공물(W)에 조사될때 극소직경의 촛점을 형성하도록 조절하게 된다. 촛점위치 조절기(29)에는 레이저빔을 집광시키는 집광렌즈(31)를 고정시켜 주는 렌즈고정 실린더(33)가 천설되어 있으며, 렌즈고정 실린더(33)는 적절한 결합장치에 의해 오버헤드(11)에 내삽되는 외부 실린더(35)와 연결되어 수직방향으로 유동조절이 가능하다. 따라서 피가공물(W)의 두께가 변화하는 경우에도 렌즈고정 실린더(33)의 위치를 상하로 적절히 조절함으로 피가공물(W)의 표면에 촛점을 맞출 수 있다. 제1도에 나타나지 않았지만 촛점위치 조절기(29)에는 피가공물의 가공부위에 보조개스를 분출시키는 노즐이 설치되어 있다. 전술한 바에서, 레이저 공진기(3)에서 발생한 레이저빔을 테이블(7)위의 피가공물(W)에 투사시키고, 노즐로부터 보조개스를 분출시키며, 피가공물을 X축 및 Y축으로 유동시킴으로써 피가공물(W)은 절절한 형태로 레이저 가공 처리가 된다.

한편, 레이저빔이 피가공물(W)의 표면에 극소직경을 가진 촛점으로 집광되는지 탐지하기가 곤란하기 때문에 본 발명에는 테이블(7)위에 촛점 위치 탐지(37)가 장착되는데 이로 인해 집광렌즈의 촛점위치가 쉽게 추적된다. 상기 촛점위치 탐지기(37)는 촛점위치 조절기(29)를 마주보는 상태로, 테이블(7)에 천설된 테이블 천공부(39)를 통해 베이스(9)에, 착탈자재하게 장착된다. 테이블 천공부(39)밑의 베이스(9)에는 베이스판(41)이 착탈자재하게 설치되었고, 베이스판(41)을 고정시켜 주는 다수의 위치고정부재(43)가 장착되었는데, 당해 위치 고정부재(43)가 베이스판(41)을 고정시켜 주는 방법은 이하 설명될 것이다. 베이스판(41)위에는 안내지주(45)가 수직으로 입설되며, 안내지주에는 브래킷(49)에 의해 지지부재(47)가 상하 유동할 수 있도록 장착된다.

지지부재(47)를 안내지주(45)에 장착시키는 결합방법을 여러가지가 있을 수 있는데 예를 들면, 브래킷(49)을 안내지주에 볼트결합이나 나사로드(도시없음)-안내지주에 수직으로, 회전자재하게 지지됨-을 사용한 나사결합 등이 사용될 수 있다. 따라서 지지부재(47)를 안내지주(45)에 조절자재하게 장착시키는 결합 방식에 대한 자세한 설명은 생략한다.

지지부재(47)의 상부에는 빛 차단부재(53)가 장착되며 빛 차단부재(53)에는 집광렌즈(31)에서 집광된 레이저빔이 통과하는 투과구멍(51)이 천설되어 있다. 투과구멍(51)의 형상은 꼭 원형일 필요는 없으며 다각형 형상이라도 좋지만 집광렌즈(31)보다 작은 직경의 원형이 바람직하다. 빛 차단부재(53)는 집광렌즈(31)와 이 집광렌즈에 의해 나타나는 촛점 사이에 설치되어 레이저빔의 투사방향으로 조절가능하게 유동할 수 있도록 배설된다. 빛 차단부재(53)를 상기방향으로 유동조절하기 위해 전술한 바와 같이 안내지주(45)를 따라, 지지부재(47)를 유동시키면서 조절하게 된다. 역으로 빛 차단부재(53)을 상하로 유동시킴으로 지지부재(47)의 위치를 조절할 수도 있다.

빛 차단부재(53)를 지지부재(47)와 연관하여 상하 유동조절하는 구성에 대해서는 예를 들어 빛 차단부재(57)를 나사로드-지지부재(47)에 의해 수직방향으로 회전자재하게 지지됨-에 유동가능하게 나사결합 하는 등 여러가지 방법이 있을 수 있다. 지지부재(47)의 하부에는 빔 감지기(57)가 장착되며 빔 감지기에는 빛 차단부재(53)의 투과구멍(51)과 같은 형태의 투과구멍(55)이 천설된다. 빔 감지기(57)는 광전자와 같은 빔 감지 소자들로 이루어졌으며, 조사된 레이저빔의 광량에 비례하여 전기적 출력을 나타낸다. 빔 감지기(57)는 촛점을 경계로 집광렌즈의 반대편에 빛 차단부재(53)와 대면하여 위치하는데 레이저빔의 투사방향으로 유동이 자유롭다. 빔 감지기(57)를 유동조절하기 위해서는 지지부재(47)를 안내지주(45)를 따라서 이동 조절함으로써 가능하다.

따라서 빔 감지기(57)는 지지부재(47)에 의해 빛 차단부재(53)와 함꼐 유동하게 되는 것이다. 빔 감지기(57)를 유동시키는 구성에 대해서는 전술한 나사로드를 통한 나사결합과 같은 여러가지 적절한 방법이 있을 수 있다. 상시 구조에서 고정부재(43)가 테이블 천공부(39) 밑에서 베이스판(41)를 베이스(9)에 고정시키게 되면 빛 차단부재(53)에 천설된 투과구멍(51)과 빔 감지기(57)에 천설된 투과구멍(55)이 레이저빔의 투사선상에서 일치하게 된다. 빛 차단부재(53), 빔 감지기(57) 및 지지부재(47)는 덮개(59)로서 덮혀 있으며 덮개(59)의 윗면에는 레이저빔이 투과하기에 충분한 크기의 구멍이 천공되어 있다. 제2도를 참조하여 빛 차단부재(53)와 빔 감지기(57)사이의 위치관계에 대해 설명한다.

빛 차단부재(53)와 빔 감지기(57)사이의 거리(L)는 투과구멍(51)과 투과구멍(55)의 비율에 따라 L₁과 L₂로 나뉜다. L₁및 L₂가 집광렌즈(31)의 촛점(F)의 위치와 함께 조절되면, 빛 차단부재(53)의 투과구멍(51)을 통과한 후 빔 감지기(57)의 투과구멍(55)을 통과하는 레이저빔은 빔 감지기(57)에 조사되지 않게 되고, 따라서 그 출력은 최소치(예를 들면 0)가 된다. 빛 차단부재(53)가 제2도의 P₂의 위치에서 O₂, P₃로 유동함에 따라 빔 감지기(57)가 지지부재(47)에 의해 빛 차단부재(53)와 함께 유동하는 경우 빔 감지기(57)에 조사되는 레이저빔의 양은 점차 증가하게 되며, 빔 감지기(57)의 출력도 레이저빔의 증가량과 비례하여 증가한다. 마찬가지 이유로, 빛 차단부재(53)나 빔 감지기(57)중 어느하나가, 예를 들어 빛 차단부재(53)만이 P₁에서 P₂, P₃로 유동하는 경우(빔 감지기(57)만 유동하는 경우도 마찬가지), 빔 감지기(57)에 조사되는 레이저빔의 양은 증가하고, 비례하여 빔 감지기 출력도 증가한다.

따라서, 빔 감지기(57)의 출력이 최소치가 되는 위치를 탐지하고 그때 형성된 빛 차단부재(53) 및 빔 감지기(57) 사이의 거리(L)를 빛 차단부재(53)의 투과구멍(51)과 빔 감지기(57)의 투과구멍(55)의 비율에 따라 L₁및 L₂로 구분하면 레이저빔이 가시광선이던 불가시광선이던 상관없이 집광렌즈(31)의 촛점(F)의 위치를 탐지할 수 있다.

즉, 촛점(F)의 위치와 테이블(7)사이의 거리를 알 수 있게 된다. 그 결과, 후술하는 방법에 의해 집광렌즈(31)의 촛점(F)을 피가공물(W)의 표면에 맞추는 것이 용이하게 된다. 첫째, 빛 차단부재(53) 및 빔 감지기(57)의 투과구멍(51),(55)들의 비율에 따라 빛 차단부재(53)와 빔 감지기(57) 사이의 거리(L)를 L₁및 L₂로 내분하고,L₁및 L₂와 연관하여 집광렌즈(31)의 촛점위치가 일치하도록 설정한다. 둘째, L₁및 L₂가 테이블(7)위에 놓이게 될 피가공물(W)의 표면과 연관하여 일치하도록 베이스판(41)을 테이블 천공부(139)내부에 고정시킨다. 마지막으로, 상하 조절가능한 촛점위치 탐지기(29)의 렌즈고정 실린더(33)를 유동시킴으로 집광렌즈(31)로 하여금 빔 탐지기(57)의 출력이 최소치가 되는 위치에 오도록 조절한다. 그러면 집광렌즈(31)의 촛점(F)은 L₁및 L₂와 연관하여 정위치에 오게 되며 테이블(7)위에 놓이게 될 피가공물(W)의 표면에 정확히 맞추어 진다.

집광렌즈(31)의 촛점(F)의 위치가 탐지되고 촛점이 테이블(7)위의 피가공물(W)표면이라는 예정된 위치에 맞추어진 후에는, 촛점위치 탐지기(37)를 테이블 천공부(39)내부에서 제거하거나 테이블(7) 아래로 내장시켜 피가공물(W)의 레이저 가공처리 작업에 방해가 되지 않도록 레이저빔 투사방향으로부터 숨겨지도록 한다. 그 후에 피가공물(W)이 클램프(25)에 고정된 채 테이블(7)에 착설되며 가공부위에 따라 X축, Y축의 방향으로 유동하게 된다. 촛점위치 탐지기(37)를 레이저빔의 투사선상에서 제거하여 적절한 장소로 이동시키는 구성에 대해서는 여러가지 방법이 가능할 것이며 여기서는 설명을 생략한다.

한편, 촛점위치 탐지기(37)가 전술한 바대로 집광렌즈(31)의 촛점(F)위치를 탐지하거나 조절할때 레이저 공진기(3)의 출력을 감소시키거나, 레이저 공진기(3)와 촛점위치 조절기(29)의 사이, 레이저빔이 통과하는 통로에 슬릿 플레이트(slit plate : 구멍이 나있는 판)나 반사경등과 같은 완화장치를 설치하여 빔 감지기(57)에 조사되는 레이저빔의 에너지를 완화시켜 주는 것이 바람직하다. 전술한 실시예에서는 촛점위치를 탐지하기 위해 빔 감지기(57)의 출력이 최소가 되는 위치가 추적되지만 후술하는 구조에서는 역으로 빔 감지기(57)의 출력이 최대가 되는 위치를 추적함으로써 촛점위치를 탐지하게 된다.

제4도에서, 레이저빔이 통과하는 작은구멍(61)(5도 참조)이 천설된 고리모양의 판형부재(63)가 베이스판(41)에 수직으로 착설된 안내지주(45)에 브래킷(65)에 의해 상하 방향(광선투사방향)으로 조절가능하게 장착된다. 그리고 상기 고리형부재(63)의 구멍을 통과하는 레이저빔의 양에 비례하여 출력을 발생시키는 빔 감지기(67)가 베이스판(41)에 설치되며 동시에, 제1도의 제1실시예에서와 같은 기능을 가진 부품들이 제1도에서와 같은 번호로 나타난다. 제4도의 제2실시예에서는 후술하는 절차로 작동하게 된다. 고리형부재(63)의 표면이 테이블(7)위에 놓이는 피가공물(W)의 표면과 일치할 때까지 고리형부재(63)를 상하로 유동시켜 조절하면 레이저빔은 촛점위치 조절기(29)에 투사되고 고리형부재(63)의 작은구멍(61)을 통과한 후 빔 감지기(67)에 조사된다. 그러면 빔 감지기(67)가 조사된 레이저빔의 양에 비례해서 출력을 발생시킬 수 있다.

상기 구조에서 촛점위치 조절기(29)에 장착된 집광렌즈(31)의 촛점위치와 고리형부재(63)의 작은구멍(61)이 일치하면(제5도의 B의 위치), 제5도에서 보는 바와 같이 집광렌즈를 통과하는 모든 레이저빔은 빔 감지기(57)에 조사된다. 반면에 집광렌즈(31)의 촛점위치와 고리형부재(63)의 구멍이 일치하지 않으면(제5도에서 A나 C의 위치), 집광렌즈(31)를 통해 과하는 레이저빔의 일부만이 빔 감지기(67)에 조사된다. 이와 연관하여, 집광렌즈(31)와 고리형부재(63)의 위치관계를 가로좌표에 설정하고, 빔 감지기(57)의 출력을 세로 좌표에 설정 했을때 빔 감지기(57)의 출력은 제6도에 나타난 도표와 같다.

그러므로 빔 감지기(67)에 연결된 사각형의 장치를 보면서 촛점위치 조절기(29)에 장착된 렌즈고정 실린더(33)를 상하로 유동시켜 빔 감지기(67)의 출력이 최대가 되도록 조절하면 피가공물(W)의 표면에 집광렌즈의 촛점을 맞출 수 있게 된다. 전술한 본 발명의 실시예 외에도 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 변형이 가능한 것이다.

Claims (4)

1. 집광렌즈와 집광렌즈의 촛점사이에 배설된 빛 차단부재와 집광렌즈의 촛점위치를 경계로 빛 차단부재와 대면하여 배설된 빔 감지기가 각각 지지부재에 장착되고, 집광렌즈에 의하여 집광되는 레이저빔이 통과하는 비슷한 형태의 투과구멍에 양자에 각각 천공됨과 동시에 빛 차단부재와 빔 감지기중 최소한 하나가 레이저빔의 투과방향으로 자유로이 유동하여 조절될 수 있도록 설치됨을 특징으로 하는 레이저 처리기계의 촛점위치 추적장치.
2. 제1항에 있어서, 빛 차단부재와 집광렌즈의 촛점위치를 경계로 빛 차단부재와 대면하는 형태로 배설되는 빔 감지기 중에서 빛 차단부재만이 레이저빔의 투과방향으로 유동하여 조절될 수 있도록 설치됨을 특징으로 하는 레이저 처리기계의 촛점위치 추적장치.
3. 제1항에 있어서, 빛 차단부재와 집광렌즈의 촛점위치를 경계로 빛 차단부재와 대면하는 형태로 배설되는 빔 감지기 중에서 빔 감지기만이 레이저빔의 투과방향으로 유동하여 조절될 수 있도록 설치됨을 특징으로 하는 레이저 처리기계의 촛점위치 추적장치.
4. 제1항에 있어서, 빛 차단부재와 집광렌즈의 촛점위치를 경계로 빛 차단부와 대면하는 형태로 배설되는 빔 감지기 모두가 레이저빔의 투과방향으로 유동하여 조절될 수 있도록 설치됨을 특징으로 하는 레이저 처리기계의 촛점위치 추적장치.

Images