KR910007154B1

KR910007154B1 - 자동화된 레이저 가공장치

Info

Publication number: KR910007154B1
Application number: KR1019830004115A
Authority: KR
Inventors: 더블유. 크리멘트 잭; 알. 파울크너 존
Original assignee: 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀; 죠오지 메크린
Priority date: 1982-09-01
Filing date: 1983-09-01
Publication date: 1991-09-18
Also published as: ES525267A0; EP0102837A2; JPS59156594A; FR2532230A1; DE3378564D1; EP0102837A3; EP0102837B1; JPH029548B2; FR2532230B1; BE897649A; US4545018A; ES8501275A1; KR840006140A

Abstract

내용 없음.

Description

자동화된 레이저 가공장치

제1도는 본 발명에 의해 제작된 다수의 그리드에 통합된 핵연료 다발 집합체와 사시도.

제2a-2e도는 각각 제1도의 집합체에 통합되고 본 발명에 따라 제작된 연료봉 그리드의 투시도, 평면도, 측단면도, 분해 사시도 및 평면도.

제3a-3l도는 제2도에 도시한 핵연료봉 그리드를 용접하는 일련의 단계의 사시도.

제4도는 단일 레이저원으로부터 방출되는 레이저 광선을 시분할식(時分割式)으로 2개의 피가공물 예를들면, 핵연료봉 그리드로 향하도록 하기 위한 정밀 레이저 용접장치에 통합되는 레이저 장치의 개략적 분해사시도.

제5a도와 제5b도는 중앙처리장치(CPU) 및 메모리에 대하여, 그리고 각각의 챔버 위치결정기구, 제2의 동종의 컴퓨터 제어장치, 레이저장치, 아르곤 공급장치, 진공배기장치, B축 회전 구동장치, 산소분석기, 수분분석기, 열전대열(thermopile)에 대하여 접속회로(interface circuit)의 관계를 도시한 레이저 용접장치용 컴퓨터 제어장치의 계통도.

제6a도 및 제6b도는 연료봉 그리드의 일련의 용접부를 고정밀도로 형성하도록 레이저 용접장치를 제어하는 제어공정의 단계들을 도시한 부분 프로그램의 하이레벨의 플로우 다이어그램.

제7a도 및 제7i도는 제6a도 및 제6b도의 부분 프로그램에 의해 부분적으로 설정된 M, S 및 T코드에 의해 명령된 적용 루우틴(routine)들로서, 특히 각각은 "CALIBRATION(보정)"부분 프로그램, "LOAD/ UNLOAD CART(부하/무부하 커트)" 적용 부루우틴, "SET LASER PULSE WIDTH(레이저 펄스폭 설정)" 적용 부루우틴, "SERVICE S CODE (서어비스 S코드)" 적용 부루우틴, "SERVICE T CODE (서어비스 T코드)" 적용 부루우틴, "SET LASER POWER LEVEL OFFSET(레이저 출력레벨 오프세트 설정)" 적용 부루우틴, "LASER CALIBRATION(레이저 보정)" 적용 부루우틴, "PERFORM LASER WELDS(레이저 용접 실행)" 적용 부루우틴, "CHECK SAFE POWER LEVEL(안전출력레벨 점검) 적용 부루우틴이고, 제7K는 레이저 펄스 형성회로망의 특정 매개변수를 제한하는 커어브.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

16 : 연료봉 그리드 30 : 코너 시임용접부

32 : 교차용접부 34 : 슬롯 및 탭용접부

40 : 노치 시임용접부 42 : 베인

170 : 레이저로드(레이저봉) 178 : 레이저 비임

186 : 여자램프(excitation lamp) 190 : 덤프셔터

204 : 레이저 집속 렌즈집합체(레이저 초점맞춤 렌즈집합체)

206 : 위치조정TV카메라

212 : 안전셔터 218 : 안전대열 (thermopile)

560 : 중앙처리장치(CPU) 592 : 레이저 제어장치

본 발명의 양호한 형태는 가공물에 대한 복수의 레이저 비임발생 단계(step)를 제어하는 것에 관한 것이며, 특히, 가공물에 대하여 일련의 가공 단계를 실행하기 위하여 레이저 비임을 사용하는 조절기에 관한 것으로서, 여기서 레이저 비임 발생에 대한 매개변수 (parameters)는 희망하는 단계와 그 모드(mode)에 관하여 자동적으로 제어된다. 더욱 특징적으로 본 발명은 바람직한 모드와 레이저 매개변수 세트에 따라서, 그리고 가공물로 직사되는 레이저 비임의 측정출력의 함수로서 발생된 레이저 비임의 출력 수준(level)을 변화시키기 위해 보정된 레이저 가공에 대한 제어에 관한 것이다.

본 발명의 설명적인 실시예에서 보정된 켬퓨터 수치제어가, 지르칼로이 (Zircaloy)로 알려진 지르코눔 합금과 같은 소멸성 금속물질로 만들어진 핵연료봉 집합체의 형태인 가공물에 대하여 일련의 용접부를 형성한다.

본 발명의 정밀 레이저 용접장치는 일반적으로 제1도에 도시된 바와 같은 핵연료 집합체(10)를 제조하는데 사용하는 것으로, 상기 핵연료 집합체(10)는 도면에 도시된 바와 같이 상, 하측 노즐 지지체(12),(14)와, 그 사이에 위치하는 핵연료봉(18)으로 구성되고, 상기 핵연료봉(18)은 다수의 연료봉 그리드(16)에 의해 행렬로 집합 배열되어 있다. 제1도에 도시되지는 않았으나 핵연료봉(18)의 배열중 선택된 위치에는 제어봉이 설치되어 있다. 노즐 지지체(12),(14)와 연료봉 그리드(16)는 함께 연료봉(18)과 제어봉을 지지하기 위한 프레임을 구성하게 된다. 핵연료 집합체(10)는 원자로내의 선택된 위치에 설치되는데, 그때 연료봉(18)간의 배치관계를 정밀하게 제어하도록 되어 있다.

본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 용접장치는 제2a도 내지 제2e도에 도시된 바와 같은 연료봉 그리드(16)를 제조하는데 사용된다. 상기 연료봉 그리드(16)는 대체로 정방형으로 되어 있고, 그 주위는 4개의 외측 그리드 스트랩(22)에 의해 형성되는데, 외측 그리드 스트랩(22)의 각각의 단부는 수직으로 위치된 외측 그리드 스트랩의 단부와 용접되어 코너시임 용접부(30)를 형성하게 된다. 또한 다수의 내측 그리드 스트랩(20)이 서로 수직을 이루는 행렬로 배열되어, 제어봉과 핵연료봉(18)을 수용할 수 있는 다수의 셀(cell)을 형성하고 있다.

또한 각각의 내측 그리드 스트랩(20)은 그에 대해 수직으로 위치될 내측 그리드 스트랩(20)을 수용할 수 있도록 각각의 교차점(24)에서 보조슬롯을 가지고 있다. 또한 상기 교차점(24)에는 교차용접부(32)가 형성되므로써, 견고한 계란상자형 구조를 형성하게 된다. 또한 각각의 내측 그리드 스트랩(20)의 각각의 단부에는 한쌍의 탭(26)이 형성되어 있는데, 상기 탭(26)은 제2a도에 도시된 바와 같이 외측 그리드 스트랩(22)에 상,하로 열을 지어 형성된 슬롯(28)에 꼭 맞게 삽입될 수 있는 크기 및 형상을 가지고 있으며, 상기 각각의 슬롯(28)을 따라서는 슬롯 및 탭 용접부(34)가 형성된다. 또한 연료봉 그리드(16)의 슬리브 측면에는 다수의 안내슬리브(36)가 설치되어 제어봉을 수납 및 안내하도록 되어 있으며, 상기 안내슬리브(36)는 일련의 노치시임 용접부(40)에 의해 내측 그리드 스트립(20)내에 형성된 노치(38)에 고착되게 된다.

본 발명의 용접장치는 특히 용접부(30), (32), (34), (40)를 형성하는 일련의 용접작업을 제어하는데 사용되는 것으로, 레이저를 발생시키게 하는 여러 매개변수, 즉 펄스폭, 각 레이저 펄스의 펄스높이, 그리고 각각의 용접부에 가해지는 펄스의 수를 제어할 뿐만 아니라 레이저 비임에 대한 연료봉 그리드(16)의 연속된 위치선정을 제어하게 된다.

하나의 용접부가 형성된 후에는 다음의 요구되는 용접부를 형성시킬 수 있도록 연료봉 그리드(16)의 위치가 재선정되거나 레이저 비임의 촛점이 변화하게 된다는 것을 주지하기 바란다.

제2b도 및 2c에 도시된 바와 같이, 내측 그리드 스트랩(20)에는 그 길이방향으로 서로 평행하게 연장되는 다수의 탄성핑거(44)가 위치되어 있으며, 각각의 탄성핑거(44)의 양측에는 한쌍의 이격핑거(46)가 위치되어, 탄성핑거(44)와 함께 서로 교차하는 내측 그리드 스트랩(20)에 의해 형성되는 셀내에 설치되는 핵연료봉(18)을 탄성파지하도록 작용하게 된다.

제2c도의 우측에 도시된 바와 같이, 탄성핑거(44a)는 이격핑거(46a)와 마주보게 위치되어, 이격핑거(46a)와의 사이에 핵연료봉(18)을 탄성지지하게 된다.

제2d도에는 내측에 그리드 스트랩(20)사이의 조립방식 및 외측 그리드 스트립(22)에 대한 내측그리드 스트랩(20)의 조립방식이 도시되어 있다.

각각의 내측 그리드 스트랩(20)은 다수의 보조슬롯(52)을 갖고 있어, 각각의 상측 그리드 스트랩(20a)은 하측으로 개구된 다수의 슬롯(52a)을 갖는 반면에 각각의 하측 그리드 스트랩(20b)은 상측으로 개구된 다수의 슬롯(52b)를 갖게되며, 상기 슬롯(52b)은 그에 대응하는 슬롯(52a)내에 수용될 수 있는 크기 및 형상으로 되어 있다.

또한 이미 상술한 바와 같이, 내측 그리드 스트랩(20)의 각각의 단부에는 외측 그리드 스트랩(22)의 슬롯(28)내에 수용되는 한쌍의 탭(26)이 형성되어 있다. 후술하는 바와 같이 내측 그리드 스트랩(20)은 돌출탭(48)과 탭부(50a), (50b)로된 교차용접부(32)에 의해 서로 용접되게 된다.

즉, 내측 그리드 스트랩(20a), (20b)를 조립하면 돌출탭(48)이 그에 대응하는 탭부(50a), (50b) 사이에 위치하게 되고, 따라서 탭(48)과 탭부(50a), (50b)에 레이저 비임을 인가하게되면, 교차용접부(32)가 오염없이 견고하게 형성되게 됨으로써 내측 그리드 스트랩(20)간의 용접이 이루어진다. 또한 외측 그리드 스트랩(22)의 각각의 단부는 코너탭(54)를 갖는다.

제2d도에 도시한 바와 같이, 외측 그리드 스트랩(22c), (22d)는 각각 상호 겹쳐져서 상호 시임용접되어 코너시임 용접부(30)를 형성하는 코너탭(54b) 및(54c)를 갖는다.

제2c도 및 제2e도에 도시한 바와 같이, 베인(42)는 연료봉 그리드(16)의 베인측으로부터 돌출되어 핵연료봉(18)을 통과하는 물의 난류상태를 촉진하게 된다.

또한, 제2c도에 특히 상세하게 도시한 바와 같이 안내 슬리브(36)들은 탄성핑거 (44) 또는 이격핑거(46) 양자 모두가 존재하지 않는 내측 그리드 스트랩(20)에 의해 형성되는 셀과 정렬되어 있어, 제어봉이 셀과 안내 슬리브(36)을 통해 자유이동을 할 수 있게 한다.

본 출원인에게 역시 양도된 Foulds 등의 미합중국 특히 제3,966,550호 및 Patterson등에 의한 미합중국 특허 제3,791,466호에는 유사한 형상의 연료봉 그리드가 기재되어 있다.

상기 각각의 특허들은 내부 및 외부 그리드 스트랩들이 인코넬과 같은 적합한 금속합금으로 이루어지고, 상기한 교차부들은 노내에서 이루어지는 경납땜에 의해 형성되는 연료봉 그리드에 대해 기술하고 있다.

그러나, 지르코늄 합금인 지르칼로이는 중성자 흡수단면적이 낮은 바람직한 특성을 갖는 것으로 알려져 있어, 이에 의해 실제의 운전에 있어서 핵연료의 보다 효율적인 사용을 가능케하고, 이러한 이유로해서 연료집합체의 교환에 따른 연료교환과 연료교환과의 사이의 경과시간을 보다 길게할 수 있게 된다.

특히, 지르칼로이로 구성되는 연료봉 그리드는 인코넬로 구성되는 스트랩보다도 그 연료봉에 의해 발생되는 중성자의 흡수율이 낮게 된다. 지르칼로이로부터 격자 스트랩을 구성하는 것은, 연료봉 그리드의 조립에 적어도 몇가지의 변경을 필요로 한다.

먼저, 내측 그리드 스트랩이 상호간에 교차하는 슬롯을 넉넉한 공차로 하는 것이 필요하다. 즉, 지르칼로이로 된 그리드 스트랩은 해머 등을 사용해 요구되는 위치에 강제로 끼울 수 없게 되어 있기 때문에, 내측 그리드 스트랩간의 교차부분에 큰 슬롯을 형성하며, 서로 교차하도록 된 그리드 스트랩을 소위 "밀어끼움"시킬 수 있게 하여야 한다.

또한 지르칼로이를 납땜합금의 용융온도까지 가열시키게되면 지르칼로이가 어니일링됨에 의해 기계적강도가 손실되기 때문에, 지르칼로이로 된 그리드 스트랩은 납땜을 하면 안된다. 특별한 용접방법을 선정하기에 앞서 지르칼로이와 같은 소멸성 물질의 다른 몇몇의 용접방법이CO₂레이저에 의한 연속용접, Nd : YAG 레이저의 펄스방출, 가스 텅스텐 아아크용접 및 전자비임 용접을 포함해서 연구되었다. 펄스 전자비임은 마이크로초와 수 밀리초 범위의 펄스폭으로 출력밀도를 10⁹watts/cm²까지 상승시킬 수 있다.

그러나 전자 비임으로 하는 용접은 전형적으로 제작비용이 많이들며 또한 요구되는 진공의 정도를 확립하는데까지 비교적 많은 시간이 걸리는 진공 환경에서 실행되기 때문에 연료봉 그리드의 제작을 지연시키게 된다.

더욱이 이것은 아주 복잡한 그리드 위치 결정 시스템을 요구하는 전자비임에 관해 3차원으로, 가공물 예를들어 연료봉 그리드의 상대적인 운동을 요구하게 된다. 연속 전자비임의 사용은 용접시간이 비교적 오래걸리고 용접침투가 아주 얕은 낮은 레벨의 출력(200W의 오더(order)의 1)을 제공한다.

또한 가스 텅스텐 아아크의 사용은, 예를들어 25개의 용접부를 형성한 후에 요구되는 정밀아크를 발생하여 다수의 명확히 한정된 용접부를 산출해내고 또한 인접 그리드 스트랩 또는 연료봉 그리드의 베인(vane)에 대한 손상을 피하기 위하여 아크전극은 예리해야 할 필요가 있다는 점에서, 일련의 용접을 하기 위해서는 받아들여질 수 없다고 간주되고 입증되었다. 보통 두 형태의 레이저가 용접에 적용된다. 즉, (1) 네오지뮴 도프처리된 이트륨(yttrium)-알루미늄-가아닛(garnet)의 크리스탈 봉을 사용하는 교체상태 Nd : YAG 레이저와, (2) 레이저 매개체로서 CO₂-N₂-He의 혼합물을 사용한 CO₂레이저이다. Nd : YAG 레이저의 고유한 이점은 그의 방사가 파장 1.06미크론의 오더(order)이고 그래스(glass)는 그의 레이저 방사에 있어서 투과성이라는 점이다.

이러한 특징은 광학적 관찰과 레이저 촛점조정(focusing)에 대해 같은 광선요소를 사용하는 동축의 현미경을 사용할 수 있게 한다. 더욱이, 펄스된 Nd : YAG 레이저는 200펄스/초 이내의 펄스 주파수의 400W의 평균 출력 그리고 7밀리초 이내에 대해서는 8000W를 초월하는 최대(peak) 출력으로 할 수 있다.

이와 같이 높은 최대 출력은 Nd : YAG 레이저로 하여금 비교적 침투가 깊은 용접부를 산출해내게 하며, 그리하여 핵연료봉 그리드의 용접된 스트랩의 구조적 견고성을 보증한다. 이와 같은 레이저는 그의 셧-터를 열어서 "냉온시동"으로 작동될 수 있고 이로인해 용접시간은 섬광등(flash lamp)에 출력이 인가되는 시간길이에 의하여 결정된다. 이와 같은 용접방법은 특히 0.8초의 오더의 각 용접에 대한 레이저봉 예열시간 때문에 일련의 비교적 고속용접에 적용할 수 없다. 더욱이 광학적 경로길이 변화는 레이저봉 안에서 열적 평형상태가 도달될 때까지 일어난다. Nd : YAG 레이저의 두번째 작동방법은, 고정된 수의 펄스를 "피크-오프(pick-off)하기 위해 셧-터를 사용하는 동안 레이저의 연속 펄스작동을 할 수 있게 해서, 레이저 예열에 의한 영향을 제거하고 이와 같은 아주 많은 용접부가 형성될지라도 그 용접부의 균일성을 보증하게 된다.

종래의 자동 레이저 용접장치의 대표적인 예로는 미합중국 특허 제3,555,239호를 들 수 있는데, 이 특허에서는 용접공정뿐만 아니라 가공물의 위치가 디지털 컴퓨터에 의해 제어되도록 되어 있다.

또한, 상기 특허에는 가공물에 대한 X축을 따른 축방향이동, Y축을 따른 수평 전후방이동, 그리고 Z축을 따른 수직방향 이동을 제어하면서 레이저 비임을 제어하는 방식에 관해 기재되어 있다. 통상적으로, 펄스피동모터는 디지털 컴퓨터에 의해 작동되어, 가공물을 선택된 축을 따라 선형으로 이동시키도록 되어 있으며, 용접은 제어된 분위기에서 특히 용접실내로 유입되는 가스의 흐름 및 압력을 디지털 컴퓨터에 의해 제어하도록 하는 상태하에서 이루어지게 된다. 또한, 펄스를 계수하도록 계수기를 사용함으로써, 가공물에 인가되는 레이저 펄스의 수를 제어할 수 있게 되어 있다.

멕케이의 미합중국 특허 제3,803,379호 명세서는 정밀 수준으로 레이저 비임의 강도를 유지하는 문제를 논의한다.

특히, 상기 특허에서는 가공물을 변화시킬 때, 새로운 가공물이 설치되는 동안 레이저를 정지시키는 것이 필요하고, 그 후 레이저 비임으로 가공를 재개하기 전에 요구된 강도의 수준으로 레이저를 되돌릴 필요가 있다는 것이 기재되어 있다.

특히, 레이저 비임의 강도변화는 가공물에서의 가공효과의 변화에 대응하는 효과를 일으킨다. 이러한 문제를 극복하기 위해서, 미합중국 특허 제 3,803,379호 명세서에는 분류가감기(diverter mechanism)가 레이저 비임의 경로를 따라 설치되어야 하고 그로인해 레이저 비임의 열싱크(heat sink)로 전환될 수 있다고 기재되어 있다. 이리하여 가공물이 대체되는 동안, 분류가감기 장치는 레이저 비임을 열싱크로 전환하여 작동 정지없이 균일한 율로 발사하도록 해서 평형상태하에서 설정된 그 온도는 가공작업을 하는 동안에 변화되지 않을 것이다. 게다가, 레이저를 과다하게 사용하면 레이저 비임의 강도는 관련된 여자램프뿐만 아니라 레이저 그 자체의 시효(aging) 때문에 시간에 따라 약해진다는 것이 실험적으로 알려져 있다. 또한, 가공물과 충돌하는 레이저 비임은 전형적으로 가공물 혹은 레이저 집속렌즈를 덮을 수 있는 가스상 물질 및 이물을 방출하여 기계가공 효율이 감소한다.

따라서, 레이저 시스템을 주기적으로 보정해서 그로인해 가공물에 가해지는 레이저 비임의 에너지 수준이 정확히 조절될 수 있도록 하는 것이 필요하다.

상기 특허에서는 또한 비교적 간단한 형태의 보정을 기재하고 있는데, 가공물에 직사된 레이저 비임의 일부분이 레이저 비임경로에 관해 45° 각도로 배치된 부분적으로 은도금된 거울에 의해 레이저 비임의 반사 부분의 출력을 지시하는 전기적 신호를 제공하는 변환기로 전향된다. 변환기는 가공물에 직사된 레이저 비임 강도의 보정이나 조절을 하기 위해 반사 비임출력의 육안으로 볼 수 있게 지시하는 지시계나 미터기에 접속된다. 레이저 가공 장치의 초기 발전에서, 레이저는 개별적으로 사용되었으며 기계가공 작업의 생산성이 저수준이었다. 기술의 발달과 함께 레이저 장치는 컴퓨터에 의해 자동적으로 조절되는 보다 높은 생산성 가공처리 작업 때문에 그 사용이 점차적으로 증진되고 있다.

상술한 바와 같이, 이와 같은 높은 생산성 시스템이 가공물의 재위치 결정에 효과적으로 작용해서, 그로인해 일련의 용접작업 또는 기타의 기계가공 작업이 신속히 수행될 수 있다. 신속적인 실시를 위한 레이저의 연속적인 여자를 행하는 경우에, 레이저 수명은 효율적인 작업과 생산비용에 관한 하나의 요인이다. 상술한 연료봉 그리드의 생산에서와 같이 반복되는 용접 작업이 요구되는 과다한 사용하에서는 레이저 수명이 고려해야할 중요한 인자가 된다는 것이 관찰된다. 사용이 많을때 레이저 헤드, 특히 여자램프의 평군수명은 며칠정도가 될 것이며, 이 수명이 지난후에는 새로운 레이저 시스템(장치)을 보정하는 것뿐만 아니라 적어도 램프를 대체시키는 것이 필요한 것이다.

후술할 본 발명은 특히 레이저 가공의 컴퓨터 제어에 관한 것이며, 그중 레이저 가공은 다수의 모드에서 선별되어 수행되고, 상기 각각의 모드는 레이저 매개변수에 관해 변화한다. 예를들어, 본 발명의 설명적인 실시예에서, 레이저원이 여자되어서 일련의 레이저 펄스를 상술한 핵연료봉 그리드(16)의 형태인 가공물에 방사한다.

연료봉 그리드(16)은 가공되는데 있어서 예를들어 코너시임 용접부(30), 교차용접부(32), 슬롯 및 탭용접부(34) 그리고 노치시임 용접부(40)을 포함하는 다수의 용접부에 대해 용접된다. 이러한 가공의 각각의 타입 또는 모드는 용접부를 형성하기 위해 가해지는 희망출력, 레이저 비임의 펄스 주파수 및 펄스폭에 있어서 별개의 매개변수 세트를 필요로 한다.

상술한 바와 같이 레이저 특히 그 여자램프의 효율은 본 발명에서 고려하는 과다듀티(duty) 사용에서 급속히 떨어질 것이다. 그와 같이 사용하는 경우 여자램프를 이틀마다 한번씩 대체시키는 것이 필요하다는 것을 경험적으로 알 수 있다. 실제로, 형성된 용접부의 완전성를 확보하기 위해서는 해당 용접부를 형성하는 레이저 비임의 출력수준을 적어도 하루에 2회씩 조절하는 것이 필요하다는 것을 알게 되었다.

예를들어, 생산일 초기에 수행되는 보정은 레이저 출력을 조절하기 위해서이고, 두 번째 보정은 그날 만들어지는 용접부의 완전성을 점검하기 위해 그날 끝무렵에 행해진다. 상세하게 후술하겠지만, 레이저 비임은 각각의 모드 즉 용접 형태에 있어서 프로그램된 출력 수준에서 방사되고, 이 출력수준은 해당모드에 대한 희망 레이저 매개변수는 물론이고 연료봉 그리드상에 지향되는 레이저 비임의 실제의 출력수준 측정치의 함수로서 조절 또는 보정된다.

따라서 본 발명의 목적은 선택된 레이저 매개변수의 세트에 따라 정밀레이저 가공을 하기 위해서 새롭고 개선된 제어를 제공하는 것이다.

본 발명은 넓은 의미에서는 적어도 일련의 제1, 제2레이저 가공단계로 가공물을 레이저 가공하는 장치에 관한 것으로, 조절가능한 출력을 갖는 레이저, 가공물에 레이저 비임을 직사시키기 위한 렌즈, 상기 레이저 비임의 출력을 측정하기 위한 레이저 출력측정장치로 이루어진 가공장치에 있어서, 제어회로는 상기 측정장치와 상기 레이저에 연결되고 측정된 출력과 제1 및 제2레이저 매개변수 세트의 함수로서 상기 제1 및 제2의 가공모드(mode)의 각각에 대해 제어신호를 제공하기 위해 직사된 레이저 비임의 측정된 출력에 응답하는 보정회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이러한 목적과 또다른 목적에 따라, 발생된 레이저 비임의 출력수준 측정의 함수로서 그의 매개변수에 따라 출력수준이 조절되는 레이저 비임을 사용하는 일련의 가공단계를 제어하기 위한 컴퓨터 제어 장치를 마련한다.

레이저장치는, 레이저 비임을 방사하기 위한 레이저원 즉 레이저봉과 가공물에 레이저 비임을 직사시키고 집속시키기 위한 레이저 렌즈장치의 설명적인 형태로서의 수단을 갖는다. 레이저원 즉 레이저봉은 이를 여자 또는 구동하는 펄스용 램프형태인 여자수단과 관련하여 일련의 레이저 펄스를 방사시키고, 레이저 펄스의 매개변수 예를 들어 펄스폭과 주파수는 선택적으로 변화, 제어된다. 레이저 비임의 출력 수준은 먼저 레이저 가공물에 직사되는 레이저 비임의 출력수준과 측정하고, 그 다음에, 레이저 출력의 측정치를 사용하여 램프 여자상태의 정도를 보정 또는 조절하므로써 보정된다.

본 발명의 특정한 실시예에서, 하나 또는 다수의 여자램프는 보정된 혹은 요구된 출력수준의 펄스 레이저 비임을 방사하기 위한 레이저원을 여자시키기 위해서 설정된 "저수전압(reservoir voltage)에 의해 에너지를 얻은 펄스형성 회로망에 연결된다. 보정을 하기 위해서 방사된 레이저 비임의 출력수준이 측정되며 이는 인가된 저수전압에 대응하는 프로그램 출력수준과 비교된다. 레이저 비임의 측정된 출력이 한계내에 있다면 저수전압을 조절할 필요가 없다.

그러나, 레이저원과 여자램프의 효율은 시효 및 사용과 더불어 감소되어 그 출력수준이 프로그램된 출력수준과 달라지기 시작할 것이며, 이리하여 저수전압의 조절을 필요로 하게 될 것이다. 이 때문에 저수전압이 조절된다. 즉 오프세트(offset)가 측정된 출력의 함수로서 최초로 프로그램된 출력수준치에 가산된다.

본 발명의 선호되는 실시예에서 오프세트는 측정된 출력수준과 프로그램된 출력수준의 차이로서 간주된다. 새로운 저수전압은 조절되고 보정된 출력의 함수로서 계산되고, 그 저수전압은 펄스형성 회로망에 인가되어 새로운 레이저 비임을 발생하는데, 그 레이저 비임의 출력수준은 측정되어 요구 또는 프로그램된 수준과 비교된다. 이러한 반복 프로세스는 분기(divergence)가 성취될 때까지 즉 측정 출력수준이 한계내에 있을 때까지 되풀이된다. 일단 분기가 성취되면, 오프세트가 컴퓨터 기억장치에 기억된다.

특히 오프세트는 각 레이저 가공모드에 대한 오프세트의 배열 혹은 테이블 (table)을 계산하는데 사용된다. 예를들면, 가공되거나 용접될 가공물은 출력수준, 주파수 및 펄스폭에 있어서 그 자신의 독특한 매개변수와 함께 각각 4가지의 다른 용접형태를 포함한다. 1세트의 계산은, 각 모드에 있어서, 오프세트 및 상기 모드의 레이저 매개변수에 대한 함수로서 펄스 형성 회로망에 인가되는 저수전압을 계산하도록 컴퓨터에 의해 실행된다. 이리하여, 가공물을 가공하는 과정에서, 컴퓨터의 조절하에 선택된 모드의 다수의 레리저 가공단계가 수행된다. 모드의 변화가 생겼을 때, 대응하는 저순전압을 판독(독출)하기 위해서 새로운 모드에 따라 기억장치내의 테이블이 제출된다. 이 저수전압은 회로망을 형성하는 펄스에 에너지를 주기 위해 인가되고, 이로인해 방사된 레이저 비임은 선택된 모드에 대해 조절되고 보정된 출력수준의 것으로 된다.

지금부터는 본 발명의 양호한 실시예를 첨부도면에 따라 상세하게 기술하고자 한다.

연료봉 그리드(16)는 제2a도 내지 2e도에 도시된 바와 같이 조립 및 용접되는 내,외측 그리드 스트랩(20), (22)으로 구성되어 있다. 각각의 그리드 스트랩(20), (22)은 슬릿재료의 연속된 롤을 펀칭하므로써 형성되며 상기 펀칭작업시에 일부표면에 오일이 묻게되는데, 그러한 오일막을 제거한 후에 스트랩을 어니일링 시키고, 그 뒤에 다시 "그리드 조립체 지지구 및 스트랩 보유와 그의 방법"이란 명칭의 계류중인 출원에 기재된 바와 같은 고정체에 조립시킨다.

그 뒤에, 그리드(16)를 본 발명의 레이저 용접장치(100)에 의해 용접하여 불활성 가스로 된 순수한 분위기에서 교차용접부(32), 코너시임 용접부(30), 슬롯 및 탭 용접부(34), 그리고 노치시임 용접부(40)를 형성시킨다.

제3a도 내지 3l도에는 본 발명에 따른 불활성 가스중에서의 용접공정이 차례로 도시되어 있다. 레이저 용접장치(100)에 관해서는 뒤에서 상세하게 설명하겠지만, 그에 대한 이해를 용이하게 하기 위해서는 가공물, 즉 연료봉 그리드(16)가 삼차원적으로 조정된다는 것을 알아두어야 한다. 도면에 도시된 바와 같이, 연료봉 그리드(16)는 일평면상의 X,Y축을 따라 점진적으로 이동하면서, 선택적으로 Y축에 대해 회전하게 된다.

이러한 연료봉 그리드(16)의 운동은 고도로 순수하게 유지되는 불활성 가스의 분위기를 갖는 가공실내에서 이루어진다는 것을 주지해야만 한다.

제1용접공정은 제3a도에 도시되어 있는데, 여기에서 연료봉 그리드(16)는 용접실에 의해 제어된 분위기내에서 그의 베인(42)이 상측으로 연장되게끔 위치된다. 용접지지구는 "연료봉 그리드용 용접판"이란 명칭의 계류중인 출원에 기재되어 있는데, 그에 기재된 바와 같이 내,외측 그리드 스트랩(20), (22)은 용접작업중에 서로에 대해 고정되게 위치된다. 베인 억제지지구는 베인(42)를 편향시켜 용접고정구내에 위치시키게 하는데 사용되는 공구로서, "연료봉 그리드용 스트랩 및 베인 위치 조정 지지구 및 그의 방법"이란 명칭의 계류중인 출원에 기재되어 있다. 요구되는 순도가 얻어질 때까지, 즉 물이 10ppm, 산소가 7ppm으로 될 때까지 용접실내로 아르곤가스를 분사하여 분위기를 정화시킨다. 그리하여, 순순한 분위기가 얻어지게되면, 연료봉 그리드(16)를 X, Y축을 따라 점진적으로 증분이동시켜, 내측 그리드 스트랩(20)간의 각각의 교차점(24)을 레이저 비임(178)과 일렬로 정렬시킨 후에, 제어된 양의 에너지를 그 교차점(24)에 공급하여 교차 용접부(32)를 형성시킨다.

후술하는 바와 같이, 레이저 비임(178)은 펄스화 Nd : YAG 레이저에 의해 공급되는데, 상기 레이저는 그리드(16)에 특정레벨의 에너지를 공급하도록 보정된 저수전압에 의해 작동하게되는 펄스 여자램프에 의해 여자 되게 된다.특히, 내측 그리드 스트랩(20)의 교차점(24)에 공급되는 펄스의 수는 제어되어, 6개의 레이저 비임이 가공물에 인가되어 교차용접부(32)를 형성하게되며, 각각의 펄스는 6.2ms의 펄스폭과 초당 20펄스 즉 20pps의 주파수와, 350와트의 평군전압과, 2,580와트의 최고전압을 갖는다. 교차용접부(32)는 연료봉 그리드(16)가 레이저비임(178)에 대해 일렬로 정렬 되었을 때 레이저 비임(178)을 인가함으로써 형성된다.

다음 공정은 제3b도에 도시되어 있는데, 여기에서는 연료봉 그리드(16)가 후술하는 바와 같은 기구에 의해 Y축에 대해 90°로 회전하게되며, 그러므로써 제1세트의 슬롯 및 탭 용접부(34)와 제1코너시임 용접부(30)가 형성되게 된다. 상기 용접부들은 이음매 용접부인 시임용접부로서, 레이저 비임(178)을 연료봉 그리드(16)에 인가하면서, 그 연료봉 그리드(16)를 X축에 따라 이동시킴으로써 형성된다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 슬롯 및 탭 용접부(34)는 펄스폭이 2.2ms, 펄스주파수가 50pps, 평균전압이 350와트인 레이저 비임(178)을 분당 30인치 즉, 30IPM의 이송률로 이동하는 연료봉 그리드(16)에 인가했을 때 형성되게 된다. 제3b도에는 각각의 슬롯 및 탭 용접부(34a)와 코너시임 용접부(30a)를 형성시키는데 요구되는 레이저 비임(178)의 상대위치가 도시되어 있다.

다음 공정은 제3c도에 도시되어 있는데, 여기에서 연료봉 그리드(16)는 시계방향으로 회전되어, 반대쪽 외측 그리드 스트랩(22b)이 레이저비임(178)에 대해 일렬로 정렬되게 되고, 따라서 제2세트의 슬롯 및 탭용접부(34b)와 제2코너시임 용접부(30b)가 형성되게 된다.

그후에는 제3d도에 도시된 바와 같이 연료봉 그리드(16)를 반시계 방향으로 90°회전시켜 연료봉 그리드(16)와 그의 용접지지구를 용접실로부터 제거시킨다.

제3e도 내지 3h도에 도시된 바와 같이, 상기한 방식과 유사한 방식의 용접공정이 또한 수행되게 된다. 즉, 상기한 제거 공정후에는 먼저, 연료봉 그리드(16)와 그의 용접지지구를 뒤집어 베인이 하측으로 향하게 하고, 그뒤에 Z축에 대해 시계방향으로 90°회전시켜, 용접되지 않은 외측 그리드 스트랩(22c)을 용접실의 문을 향하게 한다. 그리드(16) 및 그의 용접지지구는 용접실 및 레이저 비임에 대한 고착위치에 고정시킨다.

먼저, 용접실내의 공기를 아르곤 가스에 의해 허용순도까지 정화시키고, 그뒤에 제3e도에 도시된 바와 같이 연료봉 그리드(16)를 일련의 단계를 거쳐 X,Y축을 따라 증분 이동시켜 상술한 바와 같이 각각의 교차용접부(32)를 형성시킨다. 교차용접부(32)의 형성이 완료되면, 연료봉 그리드(19)를 Y축에 대해 반시계 방향으로 90℃회전시켜 그의 외측 그리드스트랩(22c)을 레이저 비임(178) 아래에 위치하게 하므로써, 제3세트의 슬롯 및 탭 용접부(34c)와 제3코너시임 용접부(30c)를 형성시키게 한다. 그뒤에는 제3g도에 도시된 바와 같이, 연료봉 그리드(16)를 Y축에 대해 180℃회전시켜 제4외측 그리드 스트랩(22d)를 레이저 비임(178)에 대해 위치시킴으로써, 제4세트의 슬롯 및 탭 용접부(34d)와, 제4코너시임 용접부(30d)를 형성시키게 한다.

다음에는 제3h도에 도시된 바와 같이, 연료봉 그리드(16)를 반시계 방향으로 90℃회전시켜 원래 위치로 복귀시키고, 그뒤에 그리드(16) 및 그의 용접지지구를 용접실로부터 제거시킨다.

제3i도 내지 3l도에는 연료봉 그리드(16)에 안내슬리브(36)를 용접시키는 공정에 관해 도시되어 있다. 먼저, 연료봉 그리드(16)를 3a도 내지 3h도의 공정에 필요하였던 용접지구로부터 분리시킨 후에, 다시 슬리브 용접지지구에 설치시킨다. 상기 슬리브 용접지지구는 "노치를 가진 그리드 스트랩에 슬리브를 용접하여서된 연료봉 그리드"란 명칭의 계류중인 출원에 기재된 것으로서, 내측 그리드 스트랩(20)에 의해 형성된 셀중 안내슬리브(36)를 수용하도록된 셀, 즉 제3j도에 도시된 바와 같이 무연부에 노치(38)를 가지고 있는 셀에 위치하게되는 다수의 지지핀을 구비하고 있다. 특히, 지지핀은 안내슬리브(36)를 그 외측이 내측 그리드 스트랩(20)의 표면과 평행하게 그의 중앙에 위치할 수 있도록 정확히 위치시켜 주도록 작용한다.

이와 같이 하여, 안내슬리브(36)를 연료봉 그리드(16)에 대해 정확히 일렬로 정렬시켜 조립시킨 후에, 그리드(16)와 그의 슬리브 용접지지구를 용접실내에 위치시켜 용접실 및 레이저 비임에 대해 위치고정시킨다. 그런연후에, 아르곤 가스로 공기를 요구되는 순도까지 배출시키고, 그뒤에 제3J도에 도시된 바와 같이 연료봉 그리드(16)를 반시계 방향으로 45^o회전시킨다. 다음에 그리드와 슬리브 용접지구를 제3j도에 도시된바와 같이 레이저 비임(178)의 경로에 대해 45^o의 위치에 고정시킨다. 그뒤에, 펄스폭이 6.2ms, 펄스주파수가 20pps, 평균전압이 255와트, 용접속도가 101PM인 용접조건하에서 일련의 노치 시임용접부(40)를 형성시킨다. 레이저 비임(178)이 인가되는 동안 연료봉 그리드(16)는 Y축을 따라 상기의 속도로 이동하게 된다. 후술하는 바와 같이, 제3j도에 도시된 바와 같이 안내슬리브(36)의 각각의 수평열에 대해서는 레이저 비임(178)의 초점을 다시 맞추는 것이 필요하다.

따라서, 일련의 노치시임 용접부(40)를 형성시키기 위해서는 먼저 연료봉 그리드(16)를 Y축을 따라 이동시켜 각각의 안내슬리브(36)를 레이저 비임(178)에 대해 위치시킨 후, 레이저 비임을 인가하여 노치시임 용접부(40)를 형성시키고, 그뒤에 연료봉 그리드(16)를 다시 이동시켜 다음 안내슬리브(36)를 레이저 비임(178)에 대해 위치시키도록 하여 상기의 공정을 반복하고, 그러한 계속된 반복공정에 의하여 제1수평열의 안내슬리브(36)에 대한 용접이 끝나게 되면, 연료봉 그리드(16)를 X축을 따라 이동시켜 다음열의 안내슬리브(36)를 레이저 비임(178)에 대해 일렬로 정렬시키게 되는데, 그런후에는 레이저 비임(178)의 초점을 노치시임 용접부(40)를 형성시킬 수 있게 다시 맞추는 것이 필요하다. 제3j도 및 제3k도에 도시된 바와 같이, 안내슬리브(36)는 4개의 노치(38)과 결합되며, 노치시임 용접부(40)는 안내슬리브(36)의 양측부에 형성된다.

안내슬리브(36)의 일측부에 대한 용접을 끝낸후에는 그리드(16)를 제3k도에 도시된 바와 같이 반시계 방향으로 90^o회전시켜 반대쪽 노치(38)를 레이저 비임 (178)에 대해 노출 시키게 하여야 한다. 이상과 같은 위치조정후에 상술한 바와 같은 방식으로 일련의 노치시임 용접부를 형성시킨다. 최종적으로, 제3l도에 도시된 바와 같이 연료봉 그리드(16)를 시계방향으로 45^o회전시켜 원래위치로 복귀시키고, 그뒤에 그리드(16)와 그의 용접지지구를 용접실로부터 제거하여 그리드(16)의 용접공정을 완료시킨다.

제4도에 도시된 바와 같은 레이저 장치(102)는 본 발명의 일실시예에 따라 예컨대 레이테온(Raytheon)에 의해 시판되는 모델 SS500과 같은 레이저 장치를 사용할 수 있을 것이다. 레이저 장치(102)는 일례로 Nd : YAG크리스탈 레이저의 형태로된 레이저 로드(170)와 고성능 레이저 헤드에 위치되는 한쌍의 선형크립톤 섬광램프를 포함한다. 레이저 헤드는 레이저 로드(170)의 양단부에 각각 위치하는 전체반사 미러(182)와 부분반사 미러(184)를 가지고 있다. 레이저 로드(170)와 전체반사 미러(182) 사이에는 셔터(188)가 위치되어 선택된 수의 레이징 펄스를 방사시키도록 선택적으로 제어되므로써, 레이저 용접을 이루게하는데 필요한 에너지가 후술하는 바와 같은 방식으로 엄밀하게 제어될 수 있게된다. 레이저 헤드는 레이저 로드(170), 여자램프(186), 그리고 미러(182),(184)를 포함하는 모든 광학요소들을 개별적으로 용이하게 교환할 수 있도록 규격화 되어있다. 여자 램프(186)는 광학적인 위치정렬에 혼란을 야기시킴이 없이 신속하게 교환할 수 있도록 되어있으며, 그의 단부접속기를 포함한 그 전길이에 걸쳐 물로 냉각된다. 또한, 공동에 동력을 제공함으로써 여자램프(186)를 평행하게 펄싱시키기 위한 램프 트리거링을 제공한다.

레이저 로드(170)는 일례로 가공물에서의 평균전압이 400와트가 되어 각각의 펄스폭이 6ms 및 2ms, 그리고 각각의 펄스주파수가 20Hz 및 50Hz인 조건에서 작동할 때 펄스헝성회로에 대한 입력이 18Kw를 초과하지 않게끔 선택한다. 덤프서터 (190)는 연료봉 그리드(16)의 형태로 된 가공물이 용접실(108)내에서 변화되는 기간중에 레이저 비임(177)을 전환경로(196)를 따라 비임흡수기(194)로 향하게하도록 제1위치에 위치할 수 있게되어 있다. 셔터(190)를 제1비임 차단위치로부터 제2위치로 이동시키기 위한 작동기구(192)가 도시되어 있는데, 그에 있어서 비임(177)은 비임확대 렌즈조립체(198)에 의해 가동비임 스위칭미러(172)와 고정미러(174)로 구성된 비임방향 결정기구에 초점이 맞춰지게된다. 반사미러(172)가 레이저 비임(177)을 차단하도록 위치하게되면, 레이저 비임(177)은 경로(178a)를 따라 수직방향 미러(176a)로 전환되어 수직으로 향하게 된다. 레이저 초점 맞춤 렌즈조립체(204a)는 레이저비임 (178a)을 차단하여, 용접실(180a)내의 연료봉 그리드(16)상에 초점을 맞추게한다. 도시된 바와 같이 그리고 후술하는 바와 같이, 레이저 초점 맞춤 렌즈조립체(204)는 렌즈(202)와, Z축 위치조정조립체(222)에 의해 직선적으로 위치되는 렌즈수용관 (200)을 포함한다. 반사미러(172)가 레이저 비임(177)을 차단시키는 위치로부터 모터(175)에 의해 회전되게되면, 레이저비임(177)읕 고정반사 미러(174)에 의해 전환되어, 수직방향 미러(176b)에 의해 용접실(108b)쪽으로 향하게되는 레이저 비임(178b)을 형성하게된다.

여자램프(186)는 일례로서 충전유도자를 통해 펄스형성회로(PFN)를 충전시키는 전압조절형 DC전원으로 구성된 전원에 의해 전력을 공급받게된다. 제5a, 5b도에 도시한 바와 같이 컴퓨터 제어시스템은 DC전원저장 캐패시테이터 뱅크(reservoir capacitator bank)로부터 펄스 형성회로를 충전시키고 그 펄스 형성회로를 여자 램프(186)로 방전시켜, 레이저로드(170)를 여자시킴으로써 일련의 레이저 펄스를 발생시키는 스위치(실리콘 제어 정류소자)를 교대로 폐쇄함으로써 레이저 방사를 제어한다. 레이저 로드(170)로부터 레이저 펄스의 방사를 제어하는 방법 및 장치는 "펄스 레이저 가공장치"(웨스팅 하우스 케이스 번호 49,222호)라 명명된 계류중인 출원에 상세하게 기술되어 있다. 여자램프(186)는 소위 "심머(simmer)"방식으로 작동하게 되어, 레이저 임계치 이하의 낮은 DC전류 레벨에 작동하게 되며, 높은 전류의 펄스는 레이저 펄스를 발생시키기 위한 심머전류에 가해지게된다. 펄스형성회로는 2ms 및 6ms의 펄스를 공급할 것이다.

레이저 비임(178)에 대한 용접실(108)의 최초위치 정렬, 특히 연료봉그리드 (16)의 최초위치 정렬에 협력하도록, 상기 그리드(16)를 관찰하기 위한, 즉 레이저 비임(178)에 대한 그리드(16)의 정확한 위치를 결정하기 위한 수단이 제공되는데, 상기 수단은 TV카메라(206)의 형태로 되어있고, 상기 TV카메라는 레이저비임(178a)의 경로와 일치하는 상의 경로(214)를 확립하도록 정렬되어 있다.

제6도에 도시된 바와 같이, 상의 경로(214)는 렌즈(210)에 의해 초점이 맞춰지며, 안전셔터(212)를 선택적으로 통과하여 부분전달미러(176)를 통해 TV카메라 (206)로 향하게된다. 렌즈(202)는 레이저 비임(178)의 초점을 연료봉 그리드(16)에 맞추게하는 외에, 렌즈(210)의 협력을 받아 그리드(16)의 상을 TV카메라(206)에 맺히게해준다. 후술하는바와 같이, 레이저 초점맞춤 렌즈조립체(204)는 또한 정렬의 목적을 위해 그리드(16)를 조명시키도록 선택적으로 전력을 공급받게되는 조명램프를 가지고 있다. 안전셔터(212)는 선택적으로 개방 및 폐쇄되어 그리드(16)를 레이저 비임(178)에 대해 정렬시키게 해주며, 그외의 기간중에는 안전을 위해 폐쇄상태로 유지된다.

제4도에 개략 도시한 레이저 렌즈조립체(204)는 "레이저 렌즈 및 빛의 조립체"웨스팅하우스 케이스 번호(50,106호)라 명명된 계류중인 출원에 상세히 기술되어 있다.

제4도에 도시된 바와 같이, 각각의 용접실(108)은 점선으로 도시된 바와 같은 제1용접위치로부터 제2배출위치까지 이동하게 될 것이며, 용접실(108)이 제2위치에 있을때는 레이저 비임(178)은 수직방향 미러(176)에 의해 차폐관(216)내에 지지된 더모파일(218)상으로 향하게된다. 차폐관(216)은 용접실(108)의 후방부에 장착되며, 제한된 개구(220)를 가지고 있어, 레이저 비임(178)은 차폐관(216)내에 효과적으로 머무르게 된다. 주기적으로 용접실(108)은 제2배출위치에 위치하게되고 그에따라 레이저 비임(178)은 더모파일(218)상으로 향하게되므로써, 연료봉 그리드(16)에 실제로 충돌하는 레이저 로드(170)의 출력을 나타낼 수 있게된다. 레이저 장치(102)의 부하가 과중하게 되면, 레이저 로드(170)와 여자램프(186)의 소모로 인해 그리고 레이저 용접중에 발생하는 매연 및 용접 부스러기로 인해 레이저의 효율이 감소하게될 것이다. 따라서, 정밀한 용접부를 얻을 수 있게하도록 여자램프(186)에 인가되는 전압은 더모파일 측정치에 따라 레이저 장치(102)의 작동기간에 걸쳐 증가되게된다.

제5a 및 5b도는 컴퓨터 제어장치(124), 특히 우측컴퓨터 수치제어기 (CNC)(126a)의 기능블록 다이아그램으로, 상기 도면을 참조함으로써 단일 블록으로만 도시된 좌측 컴퓨터 수치제어기(126b)와 상기 우측 컴퓨터 수치제어기(126a)간의 접속방식을 또한 알수 있을 것이다. 여기서, 좌측컴퓨터 수치제어기(126b)는 제5a 및 제5b도에 도시된 바와 같은 우측컴퓨터 수치제어기(126a)의 구성요소와 동일한 구성요소를 가진다는 것을 이해하기 바란다. 컴퓨터 수치제어기(CNC)(126a)는 메모리를 가진 중앙처리장치(CPU)(560)를 가지고 있다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 컴퓨터 수치제어기(126), 특히 그 중앙처리장치(560)는 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이션에서 시판하는 모델 2560과 같은 컴퓨터일수 있다.

중앙처리장치(560)는 64K의 코어 메모리를 가진 것으로 그의 구성 및 프로그램은 기계제어용으로 변경시킬 수 있게 되어 있다. 상기한 바와 같은 모델 2560의 컴퓨터 수치제어기는 본문에서 주 과업 루우프장치 또는 작동 프로그램으로 언급되는 기본 감시관리 소프트웨어를 포함하는데, 상기 소프트웨어는 감시관리 프로그램과 같이 전체장치의 작동을 감시 관리하도록 작용한다. 모델 2560의 컴퓨터 수치제어기내에서 확립되는 바와 같은 데이터구조에 있어서는, 제6a 및 제6b도에 도시된 부분 프로그램(700)이 소정의 코드를 프로그램하는데, M,S,T코드는 모델 2560의 컴퓨터 수치제어기를 용이하게 채택시킬 수 있는 특정의 작동 또는 보편적인 작동을 이루게하는데 사용된다.특히, 부분 프로그램이 본문에서 응용 부루우틴으로 언급되는 부루우틴을 호출하는 M,S,T코드로 프로그램되며, 그에따라 아르곤흐름 및 특정용 접모드의 선택을 제어하는 등의 선택된 기능이 수행되게된다. 또한, 부분 프로그램이 X,Y,Z코드로 프로그램되는데, 상기 X,Y,Z코드는 X,Y구동모터(294),(296)에 의한 각각의 용접실(108a),(108b)의 이동 및 Z구동모터(570)에 의한 레이저 초점맞춤 렌즈 조립체 (204)의 이동을 제어한다.

특히, X,Y코드는 용접공정 전후에 있어서의 가공물의 이동량 또는 그의 도착지점을 지정해준다. 유사한 방식으로, Z코드는 레이저 초점맞춤 렌즈조립체(204)의 이동량을 제어하여, 레이저 비임(178)의 초점을 그리드 상에 맞춰지게 한다.

특히, Z코드는 노치시임 용접부(40)를 형성하는데 필요한 것으로, 그에 있어서 회전지지구(242)는 레이저 비임(178)에 대해 수직인 평면으로부터 회전하게되며, 그에따라 레이저 초점맞춤 렌즈조립체(204)의 재초점맞춤조정이 필요하게 된다. 중앙처리장치(560)의 메모리는 부분 프로그램 기억부로서 알려져 있는 특수기억부를 가지고 있어, 작동장치 프로그램에 따라 감시관리용 부분 프로그램을 기억할 수 있게 되어있다. 후술하는 바와 같이, 부분 프로그램은 제어되는 불활성 가스분위기에서의 용접공정순서를 지정해주며, 특히 M,S,T코드로 프로그램되어, 용접방식 및 아르곤 유량을 효과적으로 제어할 수 있게 해준다. 부분 프로그램 기억부는 제6a 및 6b도에 관하여 후술하는 부분 프로그램과 제7a-7i도에서 설명하는 본 발명과 관련된 적용 루틴(application routine)을 기억한다. 부분 프로그램은 자기 테이프 구동기(586)에 의해 자기테이프 접속장치(590)을 통해 중앙처리장치(560)의 메모리에 전달되게 된다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 자기테이프 구동기(586)는 콴테스사에서 시판하는 모델 220과 같은 구동기일 수 있을 것이다. 상술한 바와는 다르게 부분 프로그램을 종이테이프에 기억시켜 종이테이프 판독기(584) 및 마이크로프로세서 접속장치(588)를 통해 중앙처리장치 (560)의 메모리에 전달되게 할 수도 있다. 상기 종이테이프 판독기(584)는 데시텍스사에서 시판하는 판독기일 수 있을 것이다. 또한, 중앙처리장치(560)의 메모리에는 영숫자 키이보드(131)의 조작에 의해 여러 매개변수가 접속장치(588)를 통해 전달되게 된다.

제5b도에 도시된 바와 같이, 중앙처리장치(560)는 다수의 폐쇄루프 축구동기 및 제어보드(566),(568),(570)를 통해 각각 X,Y축 구동모터(294),(296) 및 Z축 구동모터(470)와 접속되어 있다. 각각의 구동모터는 타코미터 및 리졸버와 접속되어 있어 이동률 및 이동거리를 표시할 수 있기 때문에 X,Y,Z축 위치조정대의 이동을 정확히 제어할 수 있게 된다. X,Y축 구동모터(294),(296)는 각각 용접실(108)을 배치하는 X,Y축 위치조정대(테이블)를 구동시켜, 연료봉 그리드(16)의 형태인 피가공물을 다음 레이저 용접 단계를 위해 순차적으로 재위치 결정하게 된다. 유사한 태양으로 Z축 구동모터는 레이저 렌즈조립체(204)가 장착되는 Z축 위치조정대를 구동시켜, 이로인해 레이저 비임이 연료봉그리드(16)상에 다시 초점 조정된다. X,Y,Z축 위치조정대의 구조와 이들의 구동모터들에 대한 결합은 "회전 가공물 고정구를 구비한 이동성 가공실"(웨스팅하우스 케이스번호 49,938호)이라 명명된 출원에 자세하게 기술된다. 또한, 제어보드(566)로부터 발생되는 제어출력신호는 서보증폭기(567)에 인가되어 모터속도를 나타내는 신호와 비교됨으로써, Y축 구동모터(296)를 작동시키기 위한 출력신호를 발생시키게 한다. 도식적으로 도시된 바와 같이, 각각의 모터(294),(296),(470)는 X,Y축 위치 조정대 및 Z축 위치 조정대의 구동을 각각 이루게 하는 리이드스크류 (295),(297),(471)에 연결되어 있으며, 상기 리이드 스크류(295)에는 세트로된 리미트 스위치(572)가 접속되어, 리이스 스크류(295)의 위치 및 그에 따른 X축 위치조정대 (290)의 위치를 감지하여 입,출력 접속 장치(562)를 통해 중앙처리장치(560)에 신호를 공급하게 된다. 특히 라미트 스위치(572a),(572c)는 X축 위치 조정대(290)가 전방 및 후방으로 그의 최대 이동한계점에 위치하였다는 것을 표시하는 출력신호를 발생시키며 반면에 리미트 스위치(572b)는 X축 위치조정대가 그의 본래위치 즉, 레이저 비임(178)에 대한 기준위치에 위치한 것을 표시하는 신호를 발생시킨다.

유사한 세트의 리미트 스위치가 또한 Z축 위치조정대(458)를 구동시키는 리이드스크류(471)에 접속되어 있으며, Y축 위치조정대를 구동시키는 리이드 스크류 (297)에는 4개의 리미트 스위치(574)가 접속되어 있는데, 그중 제4리미트 스위치 (574d)는 Y축 위치조정대가 그의 중앙위치, 즉 용접실(108)을 캐비넷(104)으로부터 제거시킨 위치에 위치했을때를 나타내도록 작용한다.

제5b도에 도시된 바와 같이, 중앙처리장치(560)에는 다수의 주변장치가 시각적으로 격리되어있는 접속장치(562),(564)에 의해 접속되어 그 중앙처리장치(560)에 의해 제어되게 되어있다. 특히, 좌측 컴퓨터 수치제어기(126b)는 컴퓨터 수치제어기 연계장치(558) 및 접속장치(562)를 통해 소위 "악수"신호를 중앙처리장치(560)와 교환하며, 그에 따라 각각의 컴퓨터 수치제어기(126a),(126b)는 비임 스위칭미러(172)의 제어를 시간적으로 분담하여 제어할 수 있게된다. "분담된 레이저 가공을 위한 다방식 컴퓨터 제어"(웨스팅하우스 케이스번호 50,288호)라는 명칭의 계류중인 출원에 기재되어 있는 바와 같이, 각각의 컴퓨터 수치제어기 (126a),(126b)는 레이저 비임(178)을 용접실(108)내로 향하게 하도록 비임 스위칭미러(172)의 제어를 분담하여 수행할 수 있게한다. 레이저 비임의 사용이 끝나면, 일측의 컴퓨터 수치제어기(126)는 레이저 제거신호를 발생시키며, 그에따라 타측의 컴퓨터 수치제어기(126)는 레이저를 자체용으로만 사용할 수 있도록 요청하여 고정시킬 수 있을 것이다.

본 발명의 일실시예에 있어서 레이저 용접장치(102)는 레이저데온사에서 시판하는 모델 SS500과 같은 레이저 공급장치일 수 있는 것으로, 제4도에 도시된 바와 같은 레이저 전원은 물론이고, 접속장치(562)에 의해 중앙처리장치(560)에 접속되어있는 레이저 제어장치(592)를 포함한다. 제5b도에 도시된 바와 같이, 레이저 제어장치 (592)는 레이저 용접표시판(132)과 접속되어 있다.

레이저 용접표시판(132)은 레이저 용접장치(102) 및 그의 제어장치(592)의 조건을 제어 및 표시하는 일련의 램프 및 푸시버튼을 가지고 있다. 레이저 로드(170)가 레이저 비임(177)을 방사하기전에 레이저 트리거가 작동되어야만 한다.

제5b도에 도시된 바와 같이 중앙처리장치(560)는 레이저 제어장치(592)를 작동시키도록 접속장치(562)를 통해 제어신호를 공급하는데, 특히 접속장치의 출력은 레이저 제어장치(592)에 공급되어, 전원(120)의 고전 압출력을 공급 또는 차단하게하고 레이저 램프 트리거를 작동시키게하며, 셔터(190) 및 안전셔터(212)를 각각 개방위치에 위치하게하고, 용접공정을 개시시키고, 코드(M51) 내지 (M54)중 선택된 코드에 따른 특정의 레이저 용접방식을 선택하고, T코드로부터 얻어지는 펄스주파수(REP RATE)를 설정하고, S코드로부터 얻어지는 전력레벨을 설정하고, 펄스폭을 설정하고, 비임 스위칭미러(172)를 위치조정 시키게 된다. 또한, 레이저 제어장치(592)를 통해 중앙처리장치(560)에 전달되는 레이저 상태뿐만 아니라 용접의 완료를 나타내는 신호를 발생시킨다. 비상정지 신호가 발생하게되면, 레이저 용접장치(102)의 작동 특히 레이저 제어장치(592)의 작동은 긴급하게 정지하게될 것이다. 또한 신호는 CPU(560)에 의해 발생되고, 용접실(108a),(108b)이 배치되는 캐비넷에 대한 통로를 커버하는 도어(114)세트를 개폐하는 도어 개방기구(234)를 제어하기 위해 광학적으로 차단된 접속장치(562)에 의해 전달된다. 용접실(108)을 고정 또는 해제시키기 위해 신호가 공급되며 특히 전방 및 후방 위치설정 조립체(284),(296)에 공급된다. 광학적으로 차단된 접속장치(562)로부터의 출력은 슬라이드 구동모터(266)에 공급되고, 상기 모터 (266)는 슬라이드 테이블(도시하지 않음)과 기계적으로 접속된다.슬라이드 테이블은 일련의 증분운동을 통하여 용접실(108)을 레이저 비임(178)에 대하여 재위치 결정하기 위해 X,Y축 구동모터(294),(296)를 포함하는 X-Y위치결정 시스템을 수용한다.

제4도에 도시한 바와 같이, 슬라이드 구동모터(266)는 슬라이드 테이블을 구동하므로 용접실(108)을 점선으로 도시한 제1위치와 실선으로 도시한 제2위치 사이에서 구동시키게 된다. 제1용접 위치에서 레이저 비임(178)은 용접실내에 배치되는 연료봉 그리드(16)로 직사되고, 제2위치에서 더모파일(thermopile : 열전대열)로 직사되어 이로인해 보정목적을 위한 레이저 출력의 측정이 행해진다. 전,후방 위치설정 조립체 (284),(286)는 위치결정핀을 슬라이드 테이블에 끼우기위해 작동 가능하게 되고, 이로인해 슬라이드 테이블은 제1, 제2위치의 각각에 고정 설치된다. 슬라이드 구동모터 (266) 및 그것의 슬라이드 테이블은 "회전 가공물 고정구를 구비한 이동식 가공실"(웨스팅하우스 케이스번호 49,938호)이라 명명된 계류중인 출원에 상세하게 기재되어 있다. 각각의 리미트 스위치 세트(572),(574),(564)로부터 발생되는 출력신호는 접속장치(562)에 공급되게 된다. 또한 레이저 수냉장치(620)에도 신호가 공급되게 되며, 레이저 여자램프(186) 및 미러(182),(184)에 의해 한정되는 공간은 정화되고 압력조절된 물을 요구하는 압력 및 유량으로 공급되는 폐쇄루프 수냉장치에 의해 냉각되게 된다. 도시하지는 않았지만, 레이저 수냉장치는 펌프, 수냉식 열교환기, 저장소, 탈이온기, 여과기 및 온도조절기를 구비하고 있다.

레이저 로드(170) 및 비임흡수기(194)에서 발생되는 열은 물에 흡수되어 장치로부터 축출되게 된다. 또한, 레이저 초점맞춤 렌즈 조립체(204)의 램프(428)에는 연료봉 그리드(16)를 조명시키도록 제어신호가 공급되게 되며 그에따라 X,Y구동모터 (294),(296)을 포함하는 X,Y위치조정장치는 X축이나 Y축을 따라 조정되어, 연료봉 그리드(16)의 용접개시 지점을 레이저 비임(178)에 대해 일렬로 정렬되게 한다.

용접실(108)에 위치하는 산소탐침(496)과 수분센서(410)는 용접실 분위기중의 산소 및 수분의 함량을 나타내는 아나로그 신호를 발생시킨다. 유사한 방식으로, 차폐관(216)에 위치한 더모파일(218)은 레이저 비임(178)의 전력을 나타내는 아날로그 신호를 발생시킨다. 탐침(496), 센서(410), 그리고 더모파일(218)의 출력은 디지털 전압계(578),(580),(582)에 각각 공급되는데, 상기 전압계는 입력된 아날로그 신로를 디지털 신호로 변화시켜 접속장치(564)를 통해 중앙처리장치(560)에 전달하도록 작용한다. 접속장치(564)는 각각의 디지털 전압계(578),(582)에 적당한 전압계 선택신호를 공급하여, 한번에 단지 하나의 디지털 신호를 접속장치(564)를 통해 중앙처리장치 (560)에 선택적으로 공급하게 한다. 레이저 용접장치(100)의 작동에 따라, 중앙처리장치(560)는 레이저 초점 맞춤 렌즈조립체(204), 회전지지구(242), 용접실(108)에 대한 각각의 아르곤 유량을 제어하도록 신호를 접속장치(564)를 통해 각각의 흐름 제어기(488),(484),(486)에 공급하게 된다. 유사한 방식으로 B축 구동기(388)에도 신호가 공급됨으로써, 위치조정 휘일(358) 및 회전지지구(242)가 회전될 수 있게될 것이다.

제4도에 도시한 회전고정구(242)는 이에 고정된 결합부재에 결합가능한 B축 구동모터에 의하여 도시한 바와 같이 실질적으로 수평위치로부터 화살표로 표시한 것과 같이 회전 가능하다. 회전 고정구(242)는 또한 다수의 근접스위치(402 a-d)와 결합가능한 다수의 센서스트립이 설치되는 위치결정 휘일과 접속된다. 근접스위치(402 a-d)는 회전 고정구(242)의 위치를 도시하는 2진(binary)신호를 제공한다. CPU(560)는 그 2진 신호에 응답하여 회전 고정구(242)의 위치와 그위에 설치되는 연료봉 그리드 (16)의 위치를 결정하고, 제어신호를 B축 모터로 인가하여 회전 고정구(242)에 제어된 이동을 부여한다. B축 모터 및 근접스위치(402 a-d)와 관련된 회전 고정구(242)의 작용 및 구조는 "회전가공물 고정구를 구비한 이동식 가동실"(웨스팅하우스 케이스번호 49,938)이라 명명된 계류중인 출원에 상세하게 기술된다.

제5도를 참고하면, 광학적으로 차단된 접속장치(564)를 경유하여 CPU(560)로 입력을 제공하는 기계기능판(MFP)(130)이 도시되어 있다. 기계기능판(130)의 푸시버튼 및 선택스위치에 의해 충족되는 각종의 제어기능은 "레이저 가공 시스템"(웨스팅하우스 케이스번호 49,723)이라 명명된 계류중인 출원에 상세하게 기술된다.

내측 그리드 스트랩(20)을 함께 용접하고, 이어서 그 내측 그리드 스트랩(20)을 외측 그리드 스트랩(22)에 용접하여 그리드(16)를 형성시키고, 그 그리드(16)를 안내슬리브(36)에 용접하는 공정에 대해서는 이미 제3a도 내지 3l도를 참조하여 상세하게 설명하였는데, 상기 도면에는 각각의 교차용접부(32), 코너시임 용접부(30), 슬롯 및 탭 용접부(34), 그리고 노치시임용접부(40)를 형성시킬 수 있도록 레이저 비임(178)에 대해 위치조정 시키기위한 각각의 X,Y,Z축 을 따른 연료봉 그리드(16)의 일련의 이동이 예시되어 있다. "용접봉 그리드용 스트랩 및 베인위치조정 지지구 및 위치조정 방법"과 "그리드지지 및 보유 스트랩과 그의 방법"으로 명칭된 계류중인 출원에 설명된 바와 같이, 내.외측 그리드 스트랩(20),(22)을 조립하여 연료봉 그리드(16)를 형성한다. 그 다음에, 연료봉 그리드(16)를 "용접봉 그리드용 용접판"으로 명칭된 계류중인 출원에 기재된 바와 같은 용접지지구에 설치하고, 이어서 그 용접지지구를 용접실(108)내에 회전 가능하게 위치된 회전지지구(242)에 고정된 위치 결정핀에 의해 분리 가능하게 부착시킨다. 연료봉 그리드(16)를 B축에 대해 회전시켜 레이저 비임(178)을 받을 수 있는 위치에 위치시키게 함으로써, 노치시임 용접부(40)를 형성시킬 수 있게 한다.

다음에 X,Y위치결정장치를 선택적으로 작동시켜 용접실(108)을 X,Y축을 따라 잇달아 증분 이동케하므로써, 연료봉 그리드(16)를 레이저 비임(178)에 대해 위치조정케하여 교차용접부(32)를 형성시키도록하며, 회전지지구(242)에 대한 회전을 끝낸후에는 슬롯 및 탭 용접부(34)와 코너시임 용접부(30)를 형성시키도록 한다.

이러한 공정에 대한 기계적인 제어는 컴퓨터 수치제어기(126), 특히 제6a 및 6b도를 참고해 후술하는 바와 같은 부분 프로그램(700)은 기억하는 메모리를 구비한 중앙처리장치(560)에 의해 이루어지게 된다. 그 다음에는, 상술한 바와 같이 연료봉 부분 프로그램(700)을 입력시키는 것은 단계(702)에서와 같이 조작자가 기계기능판 (130)상의 "AUTO"푸시버튼(670)을 눌러 컴퓨터 수치제어기(126)를 자동 방식으로 작동케함으로써 이루어지게 된다.다음에, 영숫자 키이보드(131)에 명령을 입력시켜, 감시관리를 위한 부분 프로그램을 요청하고, 그 다음에는 기계기능판(130)의 "CYCLE START"푸시버튼을 누른다.

그러면, 단계(708)에서와 같이 프로그램된 M81코드가 용접실내에 그리드를 수용하고 또한 그로부터 제거하는데 적용되는 "LOAD/UNLOAD CHAMBER"적용 부루우틴을 요청하여, 미끄럼 구동모터(266)를 작동시키게 함으로써, 구동 미끄럼대(262)를 용접위치로부터 배출위치로 이동시키게하고, 그에따라 조립되었으나 아직 용접되지 않은 연료봉 그리드(16) 및 그의 용접지지구를 회전지지구(242)에 설치할 수 있게 된다.

그렇게하여 회전지지구(242)상에 설치된 용접봉 그리드(16) 및 용접지지구는 고정핀에 의해 레이저비임(178)에 대해 예정된 위치에 고정시킨다. "LOAD/UNLOAD CHAMBER"부루우틴에 관해서는 제7b도를 참조해 상세히 설명하겠다. 그뒤에, 단계(710)에서와 같이 작업자가 "레이저 용접 장치용 가공물 그리핑 및 조정장치"로 명칭된 계류중인 출원에 기재된 바와 같은 수용 및 제거 조정기의 협력하에서 연료봉 그리드(16) 및 그의 용접지지구를 회전지지구(242)상에 설치한다. 단계(708)의 종기에, 단계(712)에서와 같이 작업자가 부분 프로그램의 감시 관리를 지령하도록 기계 기능판(130)의 "CYCLE START"푸시버튼을 누를때까지, 부분 프로그램(700)의 감시관리는 보류되게 된다. 다음에, 단계(714)에서와 같이, 용접실(108)을 레이저 비임(178) 아래의 용접위치에 재위치시키도록 "LOAD/UNLOAD"적용 부루우틴을 요청한다. 그와 같이 하여 용접실(108)이 일단 재배치되면, 용접실의 분위기를 체크하도록 M코드를 사용하여 "CHAMBER ENVIRONMENT CHECK"적용 부루우틴을 호출한 후, 이어서 매니폴드관(336)과 디퓨저판(330)을 통해 용접실(108)에 아르곤을 비교적 고속으로 주입하여 산소 및 물과 같은 불순물을 제거하도록 하는데, 그와 같이 주입되는 무거운 아르곤에 의해 공기는 용접실 상부 플랜지(331)와 밀폐관(158) 사이의 틈새를 통해 배출되게 된다. M코드에 의해서 특정의 아르곤 유량이 설정되고, 그에따라 유량제어기(484)가 아르곤을 용접실(108)에 큰 유량으로 공급하도록 세트되게 된다. 유사한 방식으로 회전지지구(242)와 렌즈 초점맞춤 조립체(204)에 각각 조합된 유량제어기(486),(488)도 아르곤의 유량을 크게하도록 세트되어, 용접실(108)의 정화를 촉진시켜준다. 그 다음에는, 아르곤 가스의 유량을 선택하도록 특정의 M코드는 "SELECT GAS FLOW RATE" 적용 부루우틴을 호출하고, 이어서 부분 프로그램의 단계(716)에서 회전 지지구(242)의 회전을 이루게하도록, 특히 그러한 회전을 위해 B축 구동모터(238)를 작동시키도록 M91코드를 세트시킨다. 특히, 단계(716)에서 감시관리하는 M91코드는 "ROTATE FIXTURE"적용 부루우틴을 요청한다. 다음에는, 단계(718)에서 "CHAMBER ENVIRONMENT CHECK"적용 부루우틴을 요청하여, 산소 및 물의 함량에 대한 용접실(108)내의 분위기를 탐지하므로써, 산소 및 물의 함량이 예정된 값이하로 내려갈때까지 더 이상 부분 프로그램을 감시관리하지 않게 해준다.

단계(718)에서 용접실(108)내의 분위기가 충분히 순수한 것으로 결정되면, 단계(720)에서 X,Y코드에 의해 용접실은 각각 제어 가능하게 위치결정되며, 그에따라 용접을 시행할 초기 용접부가 Z축을 따라 레이저비임(178)과 일렬로 정렬되도록 위치조정된다.

초기 용접위치는 X,Y축 구동모터(294),(296)에 적당한 제어신호를 공급하도록 해석되는 세로로된 X,Y코드에 의해 확인된다. 유사한 방식으로 Z코드도 해석되어 제어신호가 Z축 구동모터(470)에 공급되고, 그에따라 레이저 초점맞춤 렌즈조립체(204)가 레이저 비임(178)의 초점을 연료봉 그리드(16)의 초기용접부상에 맞추게하도록 위치 조정되게 된다. 이러한 단계들이 완료되면, 단계(720)에서 부분 프로그램을 정지시키게 된다. 단계(712)에서, 조작자는 기계기능판(130) 위의 "X IN"푸시버튼, "X OUT"푸시버튼, "Y LEFT"푸시버튼, "Y RIGHT"푸시버튼을 수동조작에 적절히 작동시킴으로써 용접실(108)의 위치를 정하고, 연료봉 그리드(16)의 초기 용접부를 레이저 비임(178)에 대해 정확히 정렬시킬 수 있게 된다. 이러한 목적을 위해서는 안전셔터(212)를 폐쇄시켜, TV카메라(206)를 통해 CRT(133)에 표시되는 그리드상을 볼 수 있게 한다. 카메라(206)의 렌즈는 전자렉티컬(rectical)을 가지고 있으며, 그에의해 조작자는 초기 초기용접부를 레이저 비임(178)에 대해 정확히 정렬시킬 수 있게 될 것이다. 유사한 방식으로, 조작자는 기계기능판(130)의 "Z UP"푸시버튼과 "Z DOWN"푸시버튼을 조작하여, 레이저 초점맞춤 렌즈조립체(204)의 이동을 제어함으로써, 레이저 비임(178)의 초점을 연료봉 그리드(16)에 맞추도록 레이저 렌즈(202)를 정확히 위치 조정하게 된다.

단계(724)에서 조작자가 "CYCLE START"푸시버튼을 누르게 되면, 부분 프로그램(700)의 감시관리가 다시 시작되며, 그러면 단계(726)에서 부분 프로그램은 초기 용접부 위치의 X,Y좌표와, 정렬된 위치를 단계(722)에서 위치조정된 새로운 그리드 위치의 X,Y좌표간의 차(소위 X,Y축 오프셋)를 계산한다. 유사하게, 레이저 초점맞춤 렌즈조립체(204)의 Z축을 따른 초기위치와 초점맞춤 위치간의 차에 의해서는 Z축 오프셋이 제공된다. 상기 X,Y,Z축 오프셋은 메모리의 지정영역에 기억되어, 컴퓨터 수치제어기(126)에 의해 연료봉 그리드(16)의 오프셋 위치 즉 고정된 위치를 고려하여 각각의 용접부의 정확한 위치가 계산되게 된다.

다음에는 단계(728)에서 레이저 공급장치(102)의 여러 매개변수가 설정되게 되며, 특히 가공시킬 용접부, 즉 교차용접부(32), 코너시임 용접부(30), 슬롯 및 탭 용접부(34), 노치시임 용접부(40) 형태 및 펄스폭, 펄스주파수, 전력레벨을 결정하는 S,T,M코드가 프로그램되게 된다. 특히 레이저 공급장치(102)의 전력레벨은 제7d도에 관하여 상세히 설명되겠지만 "SERVICE S CODE"적용 부루우틴을 요청하는 S코드에 의해 결정되며, 유사한 방식으로 펄스주파수는 제7e도에 관하여 상세히 설명되겠지만 "SERVICE T CODE"적용 부루우틴을 요청하는 T코드에 의해 결정되게되며, 또한 펄스폭은 제7c도에 도시된 바와 같은 "SET LASER PULSE WIDTH"적용 부루우틴을 요청하는 1 내지 6ms의 폭을 갖는 M코드(M55) 내지 (M60)중 하나에 의해 결정되게 된다.

유사한 방식으로, M코드(M51) 내지 (M54)에 대응하여 용접부의 형태가 4종류로 되게 되는데, 상기 M코드(M51) 내지 (M54)는 "SET LASER MODE"적용 부루우틴의 감시관리를 요청하게 된다. 다음에는, 단계(730)에서 M코드(M61) 내지 (M64)중 하나를 사용하여 용접작업에 요구되는 특징의 아르곤 유량을 설정하게 되며, 특히 "SELECT GAS FLOW RATE"적용 부루우틴을 요청하게 된다.

다음에는, 제7g도에 관하여 더욱 상세히 설명하겠지만 단계(732)에서 M코드 (M51) 내지 (M54)중 하나에 의해 "PERFORM LASER WELD"적용 부루우틴을 요청하게 되는데, 일반적으로 상기 "PERFORM LASER WELD"적용 부루우틴은 일차로 레이저의 사용을 위해 "GET LASER"적용 부루우틴을 요청하게 되며 그에 따라 좌측 컴퓨터 수치제어기(126b)가 그의 "레이저 요청"출력 및 "레이저 고정"출력을 시험함에 의해 체크되게 되고, 만약 상기 출력들이 존재하는 경우에는 우측 컴퓨터 수치제어기 (126a)는 좌측 컴퓨터 수치제어기(126b)로부터 "레이저 제거"출력이 발생할 때까지 대기하게되며, 상기 "레이저 제거"출력이 발생하게되면 우측 컴퓨터 수치제어기(126a)는 레이저를 요청한 후 고정시키게 된다. 레이저 공급장치(102)의 작동시에, 컴퓨터 수치제어기(126a)는 레이저 비임(178)을 용접실(108)로 향하게 하도록 비임 스위칭미러(172)를 위치 조정시키며, 그뒤에 용접실(108)이 설치되는 X,Y 위치조정대의 위치를 체크하여, 상기 위치조정대가 요구되는 위치에 위치하고 있는가를 결정하며, 그러한 위치조정 시간을 레이저 로드(70)로부터 레이저가 발사되기 전에 끝나도록 해준다.

그뒤에, 단계(732)에서 용접공정이 완료된 것을 나타내는 "LASING COMPLETE"신호가 발생되면 비임스위칭미러(172)의 고정을 해제하고 X,Y축 위치조정장치(288)에 명령을 하여 다음의 용접부를 형성시키기 위한 다음 위치로 연료봉 그리드(16)를 이동시키게 한다. 다음에는 단계(736)에서 M코드(M51) 내지 (M54)중 하나에 의해 설정된 특정형태의 용접이 완료되었는가의 여부를 결정하며, 만약 완료되지 않은 것으로 결정되면 부분 프로그램은 단계(732)로 되돌아가 다음 용접을 실시하게 하며, 그뒤에는 단계(734)에서 연료봉 그리드(16)를 다음 용접위치로 이동시키게 한다.

그런 후에, 단계(735)에서 M코드(M88)가 "WAIT FOR OTHER CNC"적용 부루우틴을 요청하도록 프로그램되어 있는지의 여부를 결정하며, 그에 따라 일련의 용접이 완료되었다는 것을 나타내는 신호가 좌측 컴퓨터 수치제어기(126b)에 전달되며, 그에 의해 그 좌측 컴퓨터 수치제어기(126b)가 응답할 때까지 부분 프로그램의 감시관리는 보류되게 된다.

특정형태의 용접이 완료되면, 부분 프로그램은 단계(738)로 진행하여 정지되게 되며, 다음 용접형태를 결정하도록 M코드(M51) 내지 (M54)가 프로그램되었는가를 결정하게 되며, 그뒤에 단계(740)에서 용접봉 그리드(16)의 적어도 일측부에 대한 용접을 완료시키는데 필요한 모든 형태의 용접이 완료되었는가를 결정하게 되며, 용접이 완료되지 않은 것으로 결정되면 부분 프로그램은 단계(716)으로 되돌아가, 단계(716)으로부터 단계(739)까지를 반복하게 된다.

제3a도 내지 3d도에 도시된 바와 같은 일련의 제1용접공정은 연료봉 그리드 (16)의 베인측부에 대해 시행하는 것으로, 그러한 공정을 시행한 후에는 연료봉 그리드(16)를 용접실(108)로 복귀시키게 된다. 단계(742)에서, 레이저 공급장치 (102)는 레이저 비임(177)을 레이저 흡수기(194)를 향하게 하도록 제4도의 실선으로 도시된 위치에 셔터(190)를 위치시키게 하는 신호를 제공함으로써 작동을 정지하게 된다.

그뒤에, 단계(744)에서 M코드(M82)를 세트시켜, "LOAD/UNLOAD CART"적용 부루우틴을 요청함으로써, 미끄럼 구동모터(266)를 작동시켜 미끄럼대를 배출위치로 이동시키게 하며, 그에 따라 연료봉 그리드(16)는 용접실(108)로부터 제거되게 될 것이다. 이때, 작업자는 수동조작에 의해 연료봉 그리드(16) 및 그의 용접지지구를 용접실(108)로부터 제거시켜, 다음에 시행할 일련의 용접공정을 준비하기 위한 수동작업을 할 수 있도록 한다.

일례로, 제3a도 내지 3d도에 도시된 바와 같은 일련의 공정을 통해 연료봉 그리드(16)의 베인측부상에 교차용접부(32)를 형성시킨 후에, 연료봉 그리드(16)를 제거하고 또한 회전시켜, 연료봉 그리드(16)의 반대쪽측부, 즉 안내 슬리브 측부에 제3e도 내지 3h도에 도시된 바와 같은 일련의 공정을 통해 교차용접부(32)를 형성시키도록 한다.

그와 같이하여 연료봉 그리드(16)의 양측부에 모두 용접부를 형성시킨 후에는 상기 그리드(16)를 제거하여 그리드(16)에 안내슬리브(36)를 삽입하고 이어서 제3i도 내지 3l도에 도시된 바와 같은 일련의 공정을 통해 노치시임 용접부(40)를 형성시킨다.

제7a도를 참고로하면, "보정" 부분 프로그램이 도시되어 있고 이에의해 조작자는 "보정" 부분 프로그램을 호출하는 명령을 영문자-수자 키이보드(131)을 경유하여 수동으로 입력할 수 있다. 단계(750)의 처음에, 조작자는 기계기능판(130)의 "AUTO"푸시버튼을 누른다. 그후에 단계(752)에서 조작자는 "보정 (CALIBRATION)" 부분 프로그램을 호출하는 명령을 영문자-수자 키이보드로 타이프치고 다음에 단계(754)에서 "사이클개시(CYCLE START)" 누름단추를 누른다. 다음에 단계(756)은 "LOAD/UNLOAD CART"적용 부루우틴을 명하고 그로인해 슬라이드 테이블과 용접실(108)이 제2의 위치인 휴지위치로 배치되어서 제4도에서 실선으로 도시한 것처럼 레이저 비임(178)이 차폐튜브(216)와 열전대열(218)로 향하게 된다.

다음에 단계(758)에서 CNC(126)는 Z축 구동모터(470)를 제어하여 레이저 렌즈집합체(204)로 하여금 레이저 비임을 열전대열(218)로 집속시키게 한다. 레이저 시스템은 제6도에 도시한 바와 같이, 단계(728)와 동일한 동작을 실행하는 단계(728)에서 준비된다. 즉, S코드에 따라 출력레벨을, T코드에 따라 펄스주파수를, M코드에 따라 펄스폭을 그리고 M코드에 따라 용접부의 형태를, 단계(759)에서 보정 작용 부루우틴을 호출하기 전에, 설정한다. 특히 단계(759)는 M코드 M98을 설정하고, 그로인해 "레이저 보정"적용 부루우틴이 명해진다.

이하에서 제7g도에 관해 상술되겠지만 "레이저 보정"예 적용 부루우틴은 열전대열(218)에 향해진 레이저비임(178)의 출력수준을 측정하고, 그로인해 레이저 시스템(102)과 특히 레이저 시스템의 여기 램프(186)의 보정이 수행된다.

특히 오프세트(S₃)는 각 모드의 용접에 대해 전개되고 제5a도에서 도시한대로 CPU(560)의 기억장치내에 RVOLBTT로 알려진 테이블에 위치한다.

상술한 대로 레이저 시스템(102)은 예를들면 코너용접부(30), 교차용접부 (32), 슬롯 및 탭용접부(34), 노치시임 용접부(40)에 부합하는 4개의 다른 용접모드로 작동한다. 각 용접모드는 레이저 비임(178)의 방사가 조절될 때의 펄스폭, 펄스주파수 및 평균전력 수준에 부합하는 선정한 매개변수의 세트에 의해 특징지어진다.

나중에 자세히 설명되겠지만, 펄스폭 프로그램은 M코드 즉 M55 내지 M59의 M코드중 선택된 하나에 의해 설정된다. 반면에 펄스주파수는 T코드에 의해 설정되고 평균출력은 S코드에 의해 설정된다. 예를 들면 교차용접부(32)는 다음의 매개변수 세트를 포함한다. 즉 6.2ms의 펄스폭, 20pps의 주파수, 350와트의 평균출력 등이다.

최초에 스텝(728)이 교차용접부(32)를 형성하도록 레이저장치(102)를 준비하여 350와트에 상당하는 출력수준의 레이저 비임(178)을 발생하도록 레이저장치 (102)를 프로그램한다.

나중에 설명되겠지만 단계(759)는 "레이저 보정"적용 부루우틴을 호출한다. 레이저 비임의 출력수준이 사용에 의하여 감소한다고 가정하면, 오프세트(S3)는 여기램프에 접속된 펄스형성 회로망에 인가되는 저수전압(reservoir voltage)을 조절하기 위해서 프로그램된 출력의 증가가 필요하다는 것을 지적하는 계산이 수행된다. 교차용접부(32)에 부합하는 제1의 용접모드에 대한 오프세트(S3)는 CPU의 기억장치의 테이블 RVOLBTT에 기억된다. 제7f도에 도시한 "레이저 출력수준 오프세트 설정 (SET LASER POWER LEVEL OFFSET)"적용 부루우틴이 조절된 출력수준에 대한 저수(reservoir)전압의 대응치를 계산하기 위해서 호출된다.

그리하여 제7h도에 도시한 "레이저 용접수행(PERFORM LASER WELDS)"적용 부루우틴에 의해 교차점 용접부(32)의 자동화를 수행할 때 요구된 출력수준 예를들면 350와트의 레이저 비임을 발생시키는데 필요한 저수전압이 얻어진다. 오프세트(S3)가 제1레이저 모드에 대해 결정된 후에 제2레이저 모드가 단계(7281')에 의해 예를들어 슬롯 및 탭용접부(34)에 대해 준비되고, 다시 보정부분 프로그램은 열전대열(218)에 의해 측정된 실제 레이저 출력을 측정하기 위한 "보정"적용 부루우틴은 호출하는 단계(759)로 이동되어, 그로인해 대응하는 오프세트(S3)가 슬롯 및 탭용접부 모드에 대해 결정될 수 있다. 같은 형태로 각각의 코너시임 용접모드와 노치시임 용접모드에 대하여 단계(7281')로 다시 들어가고 대응하는 오프세트가 계산되어 CPU(560)의 기억장치내의 테이블 RVOLBTT로 위치하게 된다.

이와 같이 각각의 가공형태에 대한 오프세트(S3)가 CPU 기억장치에 유도되어 위치한 후에, 각 오프세트(S3)에 대한 저수전압의 대응치가 소위 "보정"적용 부루우틴에 의해 CPU기억장치의 지정된 테이블에 계상되어 기억된다. 이러한 방법으로, 조작자는 레이저 로드(170)와 여자램프(186)의 효율이 레이저 용접장치(100)의 과다한 사용에 따라 저하하는 것, 즉 레이저 용접장치(100)가 레이저 로드(170)를 계속하여 여기시키고 그로인해 높은 작업듀티(duty)율과 그에따른 연료봉 그리드(16)의 고속생산을 확보하기 위한 것을 고려하고, 선택된 시간에 레이저 장치(102)의 보정을 수행할 수 있다. 레이저 여자램프(186)는 이틀에 한번꼴로 대체될 필요가 있다는 것이 관찰된다. 연속적인 사용을 하는 동안에 조작자는 레이저봉(170)의 실제 출력을 점검하고 가공물에 가해지는 에너지 수준을 열전대열(218)에 의해 측정하기를 원할 것이다. 레이저 비임의 강도를 레이저 로드(170)이나 여자램프(186)의 가공수명에 관계없이 균일한 용접이 성취될 수 있는 수준으로 유지하기 위해서 고전압 레이저원의 조절이 수행될 수 있다.

제7a도에 상술한 "보정" 부분 프로그램은, 본질적으로 조작자가 수동으로 "보정"적용 부루우틴을 선택 호출하는 오프라인 방식이며, 그로인해 레이저 비임(178)의 출력수준과 강도가 주기적으로 조절되고 보정될 수 있다.

제7g도에 관해 후술하는 바와 같이 컴퓨터 시스템이 "보정"적용 부루우틴을 자동적으로 호출한다는 것 또한 본 발명에서 고려하고 있는 것이다. 예를들면 "보정"적용 부루우틴은 용접모드의 변화를 지시하는 M51 내지 M54의 M코드중 하나의 변화에 의해 호출될 수 있다.

예를들어, 제6도에 도시한 부분 프로그램의 단계(738)에서, 새로운 레이저 가공모드에 대한 레이저 비임 출력수준의 조절을 수행하기 위한 M코드의 변화에 의해 "보정"적용 부루우틴이 호출된다.

이와 같은 실시예에서, "보정"요구 적용 부루우틴은, "레이저 출력수준 오프세트 설정"적용 부루우틴을 호출하기 전에 저수전압과 필요한 오프세트(S₃)를 계산할 것이며, 이로인해 대응 저수전압은 새로운 가공 모드를 위해 사용될 레이저 펄스형성 회로망에 인가될 것이다.

또한 서어비스 프로그램이 레이저 비임출력의 요구된 조절이나 보정을 수행하기 위해 프로그램된 간격으로 푸틴하게 "보정"적용 부루우틴을 호출한다는 것도 고려된다.

제7g도에 도시한 바와 같이 레이저 "보정"적용 부루우틴은 단계(759)에 있어서의 M코드 M98의 설정에 의해 입력되어 펄스형성 회로망(PFN)에 인가된 저수전압 RESVOLT를 계산하며 이로인해 여자램프(186)에 인가되는 출력전압은 선택된 S코드, 펄스폭, 펄스반복 속도(T코드)에 따르는 프로그램된 출력수준에 대하여 조절된다. 레이저 "보정"적용 부루우틴은 레이저 로드(70)을 점화하고 열전대열(218)의 출력을 읽어서 프로그램된 출력수준과 열전대열 출력을 비교한다. 여기서 열전대열(218)의 출력 계산치와 측정치와의 차이는 저수전압 출력을 조절하는데 사용된다. 이러한 반복과정은, 레이저 출력수준의 측정치와 프로그램치가 미리 정해진 차이 예를들어 2와트내에 들때까지 되풀이된다. 분기(divergence)에 도달할 때 저수전압의 새로운 값이 CPU(560)의 기억장치내의 특정한 위치에 기억된다.

처음에 단계(759)에 들어간 후에, 단계(1022)는 특정한 레이저 시스템, 즉 레이테온(Raytheon)사에 의해 제작된 모델번호 SS500의 펄스형성 회로망의 특별한 특징에 기인하는 저수전압(RESVOLT)치에 대한 방정식 1 및 2를 푼다.

계산은, 제7도에서 도시한 대로 반복속도 또는 REP RATE의 함수로 펄스형성 회로망인수를 특징짓는 매개변수를 마련하기 위해서 계산된 커브를 형성하는 유명한 레이테온 레이저 장치의 특정 펄스 회로망에 대하여 수행된다. 방정식 1에서 매개변수 M은 제7i도의 실험에 의해 유도된 커브의 기울기로서 정의되고 제로 반복속도(REP RATE)에서 곡선의 오프세트는 이 펄스형성 회로망에 대해 57이란 값으로 취해진다.

기울기(M)은 0.33의 값을 갖는다. 펄스형성 회로망 인수(PFNFACTR)의 값은 방정식 1에서 계산되어, 프로그램된 S코드에 따르는 레이저 비임의 요구출력, T코드에 의해 결정된 반복을, 선택된 M코드에 의해 결정된 펄스폭 등의 적당한 값과 함께 방정식 2에 대입하여 방정식 2의 항들에 따라 저수전압(RESVOLT)의 계산치를 산출해낸다.

다음에, 단계(1024)는 특정 레이테온 레이저 장치(102)의 D/A 변환회로에 대하여 RESVOLT의 계산치를 스케일한다.

다음에, RESVOLTL의 계산치는 제7i도에 관하여 상세히 설명하는 바와 같이 호출되고 수행되는 안전출력 레벨 "SAFEPWR"적용 부루우틴에 의하여 검사된다.만일 계산된 RESVOLT가 안전하다면, 단계(1028)은 펄스형성 회로망에 에너지를 주고, 단계(1030)에서 시기를 정하는데 지연이 있은 후에, 단계(1032)는 레이저 비임(178)을 용접실(108)로 향하게 하기 위해서 비임스위칭 미러(172)를 작동시킨다. 다음에 단계(1034)는 여자램프(186)가 에너지를 얻었는지를 결정하고 만약 그렇지 않다면 단계(1036)에 의해 CRT(133)로 경보 메시지가 표시된다.

만약 여자램프(186)가 커진다면 여자램프(186)에 연결된 트리거 회로는, 단계(1040)이 덤프셔터(190)를 열기전에 작동 가능하게된다. 다음에, 단계(1042)는 공진 공간내의 셔터(188)를 열어서 레이저 로드(170)로 하여금 열전대열(218)로 레이저 비임을 방출하도록 한다.

단계(1044)는 셔터(188)를 닫기전에 적합한 주기의 시간을 정하고 열전대열(218)의 출력을 액세스(access)하고, 아나로그 열전대열 출력을 대응하는 디지털 표시로 변환한다.

단계(1046)은 S코드에 따라서 프로그램치와 측정 레이저 출력수준을 비교해서, 만약 그 차이가 ±2와트내에 있다면 저수전압 RESVOLT의 대응치는 CPU(560)의 기억장치의 테이블에 기억된다. 만일 분기가 일치하지 않으면, 단계(1050)은 이것이 단계(1022) 내지 단계(1046)의 6번째 루우프인지를 검정하고 만약 그렇다면 단계 (1052)는 레이저 "보정"적용 부루우틴이 분기에 도달할 수 없다는 경보 메시지를 CRT(133)에 표시한다. 만약 6번째 루우프보다 작다면, 단계(1054)는 제7g도의 단계(1054)에 도시된 방정식에 따라서 S코드의 오프세트 즉, 수정치(S3)를 계산한다.

여기서 S1은 초기에 프로그램된 S코드이고, "MEAS POWER"는 열전대열 (218)에 의해 단계(1046)에서 측정된 레이저 비임(178)의 출력이며, S2는 이전에 계산된 오프 세트이다.

수정된 오프세트(S3)는 되돌려지고 단계(1022)에서 사용되어 제2의 방정식에 따라 RESVOLT의 새로운 값을 계산해낸다.

여기서 RESVOLT의 값은 "보정" 부분 프로그램의 단계(728')에 의해서 CPU 기억장치의 테이블 RVOLBTT에 위치하게 된다.

그 후에 단계(1024) 내지 단계(1054)는 분기가 얻어질 때까지 혹은 6개의 루우프가 완성될 때까지 반복된다. 제7g도에 도시한 바와 같이, 단계(1046)에서 결정된 분기가 얻어졌을 때 레이저장치(102)의 펄스형성 회로망에 인가된 저수전압은 기억장치의 테이블에 기억되어 그로인해 레이저 출력비임의 보상이 효과적으로 완수되고, 각 용접부에 대한 에너지 입력은 오랜시간 주기에 걸쳐 일정하게 유지되어 마침내는 용접부의 균질성을 보장하게 된다.

제7a도에 상술한 바와 같이 "보정"적용 부루우틴이 각 용접모드에 대해 호출되어 그로인해 각각의 교차 용접부(32), 슬롯 및 탭용접부(34), 코너시임 용접부(40)에 대한 오프세트(S3)가 계산되어 CPU의 기억장치에 위치하게 된다.

슬라이드 테이블(262)과 용접실(108)을 제1 및 제2의 용접위치에 배치하기 위해서 슬라이드 드라이브 모터(266)를 작동시키는 "부하/무부하 카트(LOAD/ UNLOAD CART)"적용 부루우틴은 제7b도에서 도시되어 있으며 그러한 작동시 도어(114)의 열림, 레이저 렌즈 집합체(204)의 수축, 슬라이드 테이블(262)의 이동을 허용하는 위치결정 핀(316,319)의 제거를 확실하게 하여준다. 처음에 단계(760)에서 제6도에 도시된 부분 프로그램의 단계(708)에서 설정되 M코드는, 작동 시스템 프로그램의 요구 플래그 수행사이클(Bidflag Execute Cycle)동안 수행된다.

특히, 단계(708)은 슬라이드 테이블(262)과 용접실(108)에 부하를 제거하기 위해서 M코드 M82를 설정한다. 반면에 단계(710)에서는 M코드 M81이 설정되고 그로인해 슬라이드 테이블(262)이 제2의 용접위치로 되돌아 온다.

다음에, 단계(762)는 이동시킬 용접실(108)을 그의 전방에 위치하는 안전지대(134)로 출입하게 하고 만약 자유롭다면, 단계(764)는 레이저 렌즈 집합체 (204)를 본래 위치로 이동시키기 위해 Z드라이브 모터(470)를 작동시킨다. 다음에 단계(766)은 X,Y축 구동모터(294),(296)를 작동시켜 X,Y위치결정 테이블(290), (292)을 각각 그것들의 중앙위치 및 원래위치, 즉 연장된 위치로 배치시키게 한다. 다음에 단계(768)은 X,Y위치결정 테이블(290),(292)을 정지시키도록 "피이드 홀드 (FEED HOLD)"를 설정하며 도어(114)를 열려진 위치로 배치하기 위해 도어개폐 기구(234)가 작동된다.

다음에 전부 및 후부 위치결정 조립체(284),(286)가 작동되어 위치설정핀 (316,319)을 상승시켜서 슬라이드 테이블(262)을 자유롭게 한다. 그후에 단계(772)는 슬라이드 테이블을 M코드 M82가 설정될 때 외부로, 또는 M코드 M81이 설정될 때 내부로 향하도록 하기 위해 슬라이드 구동모터(266)를 작동시킨다. 그런다음 단계 (774)는, 위치설정 핀(316,319)을 슬라이드 테이블(262)에 대한 고정위치에 이동시키기 위해 전부 및 후부 위치결정 조립체(284,286)를 작동시킨다. 다음에, 캐비넷 도어(114)는 M코드 M81에 대한 응답으로 폐쇄되고 단계(780)에서 "피이드 홀드"가 해제된다. 단계(782)에서, 용접실(108)에 부하가 결렸는지를 지시하도록 M코드 M81이 설정되었는지에 대한 결정이 수행되어서 만약에 그렇다면 "챔버환경점검 (CHAMBER ENVIRONMENT CHECK)"적용 부루우틴은, 용접실(108)내의 분위기가 용접을 하는데 충분한 순도로 되었는지를 확실히 하도록 명령된다. 그후 단계(784)는 루틴을 내보내기전에 루틴 비드플래그(Bidflag) 및 시컨스 포인터(sequence pointer)를 소거(clear)시킨다.

이제 제7c도를 보면 "레이저 펄스폭 설정(SET LASER PULSE WIDTH)"적용 부루우틴이 도시된다.

처음에 단계(910)에서 이 적용 부루우틴은, 제6b도에 도시된 부분 프로그램의 단계(728)에서 다섯 개의 레이저 펄스폭 중에서 선택된 하나에 의존하여 M55 내지 M59의 M코드 중 하나를 설정하므로써 입력되며 CPU(560)의 기억장치의 데이터 푸울(data pool)에서 선택된 M코드를 출입, 해석하는 "비드플래그 수행사이클(Bidflag Excute Cycle)단계(912) 동안 계속하여 수행된다.

단계(914)는, 제7i도에 상세히 설명되겠지만 "안전출력(SAFEPWR)"적용 부루우틴에 명령을 함으로써 선택된 펄스폭으로 계산된 레이저비임(178)의 안전출력 수준을 점검한다.

단계(916)은 계산된 출력수준이 안전한지, 즉 최대상한선보다 작은지를 결정해서 만약 그렇지않다면 단계(918)은 경보를 발생시켜서 그로인해 부분 프로그램에 즉각적인 정지가 수행된다. 만약 안전하다면, 단계(920)은 접촉영역(562)의 "펄스폭 출력선정(SELECT PULSE WIDTH OUTPUT)"을 재설정하고 단계(922)는 "선택된 펄스폭출력(SELECTED PULSE WIDTH OUTPUT)"을 설정하여 그로인해 레이저 제어시스템(592)은 레이저 비임(178)의 요구된 펄스폭을 설정한다. 이점에서, 근본 및 다른 CNC(수치제어부)(126)중 하나만이 펄스폭을 설정하고, 다른 CNC(126)는 선택된 즉 프라임(PRIME) CNC(126)에 의해 설정된다. "분배한 레이저 가공에 대한 복수 컴퓨터 제어"(웨스팅하우스 케이스번호 50,288)라 명명되어 계류중인 출원에 대하여 보다더 자세히 설명되겠지만, 두 CNC중의 하나는 "프라임 CNC"로서 불려지고 사실상 다른 CNC의 레이저 제어장치(592)의 펄스폭과 주파수를 제어한다. 그러나 각 CNC(126)는 저수전압 혹은 레이저 출력원으로부터의 출력전압을 제어하며 이로인해, 각CNC(126)와 연결된 용접실(108)에 인가되는 레이저비임(178)의 출력 수준으로 각각의 조절이 이루어진다. 각 용접실(108)은 유사한 형태의 용접을 수행하기 때문에 "프라임"으로 명명된 단일 CNC(126)는 펄스폭과 "반복속도(REP RATE)"를 선택하는 반면에, 개별적인 광학적 경로, 레이저 렌즈집합체(204), 용접실(108)의 다른상태에 대해 각 용접실(108)에 직사된 각각의 레이저 비임을 조절할 수 있도록 저수전압 즉 "RESVOLT"의 개별적인 조절이 요구된다.

이제 제7d도를 보면, "서어비스 S 코-드(SERVICE S CODE)" 적용 부루우틴이 도시되었으며, 여기서 부분 프로그램의 단계(728)에서 S 코-드의 변화는 "서어비스 S코-드" 적용 부루우틴으로 하여금 작동시스템 프로그램의 미리 조정된 출발데이타 사이클동안 수행되도록 명한다. S코-드는 레이저 작동전압 특히 여자램프(186)에 인가되는 전압을 결정한다. 단계(950)에서 명령된 후에 단계(952)는 새로운 S코-드가 한계내에 있는지를 결정하고 만약 그렇지않다면 이 적용 부루우틴은 중지하고, 경보 메시지가 단계(954)에서 CRT(133)에 표시된다.

만약 한계내에 있다면 단계(956)은 제7a도에 도시한 바와같이 "보정"부분 프로그램의 단계(958)에서 명령하기 위해서 조작자에 의해 수동으로 설정된 M₉₈플래그의 존재를 결정한다. 다음에 단계(960)은 제7f도에서 더욱 상세하게 기술되겠지만 "레이저 출력수준 오프세트 설정 SET LASER POWER LEVEL OFFSET" 적용 부루우틴을 명하거나 호출한다. 끝으로, 새로운 S코-드 값은 CPU(560)의 기억장치내의 프로그램 콘틀로 버퍼(PCB)로 전송된다.

"서어비스 T코-드(SERVICE T CODE)" 적용 부루우틴은 제6b도의 부분 프로그램(700)의 단계(728)에서 T코-드에 의해 설정된 레이저 펄스 반복 속도(REP RATE) 혹은 주파수(PRF)의 값을 계산하는데에 대하여 제7e도에 도시된다. 단계 (970)은 CPU(560) 기억장치의 "변환 데이터 버퍼(Converted Data Buffer)"(COB)를 시험함으로써 "서어비스 T코-드"적용 부루우틴을 개시한다. 변화가 관찰될 때 새로운 T코-드는 CPU 기억장치의 "프로그램 콘트롤 버퍼(Program Contro Buffer)"(PCB)로 전송되고, 새로운 T코-드 값이 받아들여질 수 있는지 없는지를 결정하기 위해 작동시스템 프로그램의 미리조정된 출발데이타 사이클동안 "서어비스 T코-드" 적용 부루우틴이 명령되고 수행된다. 단계(972)에서 T코-드의 새로운 값이 소정의 한계와 비교하여 점검되고 만약 이 한계를 벗어난다면 적용 부루우틴은 중지되고 적합한 경보 메시지가 CRT(133)에 표시된다.

만약 한계내에 있다면, 단계(974)는 레이저 제어장치(592)내에 통합된 디지털 아날로그 변환기와 관련된 PRF 영역(범위)을 결정한다. 제5b도에 도시한 바와같이 레이저 제어장치(592)는 "펄스 주파수 선택(SELECT PULSE FREQUENCY)"으로 표시된 라인에 디지털 출력을 받아들이며, 이 디지털 출력은 레이저 제어장치(592)가 디지털 출력의 정밀한 아날로그치를 발생시키도록 선택된 해당영역을 갖는다.

다음에 단계(976)은 지정된 방정식에 따라 PRF 디지털 /아날로그 출력치(PRFOUT)를 계산하며, 여기서 FSOUT는 특정한 디지털/아날로그 유니트의 풀스케일(full scale) 출력이고, T코드는 T코-드 값이며, 레인지(RANGE)는 PRF 범위의 최대치이다. PRFOUT의 계산치가 광학적으로 차단된 접속장치(562)의 "펄스 주파수 출력선정(SELECT PULSE FREQUENCY OUTPUT)"을 경유하여 레이저 제어장치(592)에 인가된다.

다음에, 단계(978)은 제7i도에서 자세히 설명되겠지만 "안전출력 수준점거 (SAFEPWR)" 적용 루틴을 명한다.

안전 출력의 계산치는 공지된 한계와 비교되어 만약 이 한계를 벗어난다면, 부분 프로그램의 수행이 일시 중지하고 경보메시지가 CRT(133)에 표시된다. 만약 안전하다면, 광학적으로 차단된 접속장치(562)에 의해 레이저 제어장치(592)로 인가된 트리거 시그날이 꺼지고, 단계(986)은 이 CNC(126)이 "프라임"인지 즉, 레이저펄스 "반복속도" 및 펄스폭이 이 CNC(126)에 의해 선택되는지를 결정해서 만약 그렇지않다면 이 적용 부루우틴으로부터 출구가 만들어진다.반면에 단계(88)은, 단계(990)이 요구된 PRF 범위와 선택한 동력수준 출력을 경유하여 레인저 제어장치(592)에 인가될 레이지시그날의 백분율로 선택한 펄스주파수 출력을 맞추기전에 선택한 펄스주파수 출력 및 저수전압 출력을 쓸모없게 한다.

제7f도에 도시한 "레이저 출력수준 오프세트 설정(SET LASER POWER LEVEL OFFSET)" 적용 부루우틴은 M코-드 M70의 프로그래밍에 위해 지시된 소정의 M코-드 변화 혹은 S코-드의 변화에 의해 명령되고 작동시스템 프로그램의 비드플래그 수행 사이클동안 실행된다. 예를들면, S코-드의 변화가 있을 때 "서어비스 S코-드" 적용 부루우틴이 수행되고, 단계(960)에서 "레이저 파워수준 오프세트 선택(SET LASER POWER LEVEL OFFSET)" 적용 루우틴이 명해진다. M코-드의 변화가 있을 때, M코-드 M70이 설정되고 그로인해 이 적용 루우틴을 명한다. 일반적으로 "레이저 출력 수준 오프세트 선택(SET LASER POWER LEVEL OFFSET)" 적용 부루우틴은 T코-드에 의해 설정된 프로그램된 펄스반복 속도(REP RATE)와 CPU 기억장치의 테이블에 기억된 프로그램된 펄스폭을 기초로한 저수전압을 획득한다.

저수전압은 펄스형성 회로망에 인가된 레이저 전원의 출력 전압이고, 그로인해 램프를 켤수 있는 전압이 발생한다. 단계(1002)에서 CPU 기억장치내의 오프셋 테이블이 출력, 주파수, 펄스폭의 레벨을 설정하는 프로그램된 S,T 및 M코-드에 대하여 탐색되어 저수전압의 지시를 얻게된다. 단계(1004)는, 단계(1006)이 시간지연을 개시하기전에 "출력레벨 선택 (SELECT POWER LEVEL OUTPUT)"단자를 가능하게 한다(제5도 참고). 다음에 단계(1008)은 레이저비임(178)을 CNC(126a)의 용접실(108)로 향하게하기 위해서 비임스위칭 미러(172)를 작동한다. 다음에, 단계(1010)은 램프 전압이 한계내에 있는지를 점검한후에 단계(1012)에서 레이저 트리거회로를 작동 가능하게 즉, 광학적으로 차단된 접속장치(562)의 트리거 출력이 커진다.

그후에, 단계(1014)는 시간지연을 개시하여 여자램프(186)로 하여금 단계(1016)에서 나가기전에 안정화에 이르게한다. 이리하여 제7h도에서 기술되겠지만 "레이저 용접수행" 적용 부루우틴이 호출될 때 레이저 비임(177)을 방사하기 위해서 레이저 로드(170)가 준비된다.

"레이저 용접수행(PERFORM LASER WELDS)" 적용 부루우틴은 제7h도에 도시되고, 부분 프로그램의 단계(728)에서 설정된 M코-드 M71 및 M72에 의해 명령되며 다음의 "비드플래그 수행사이클" 동안 수행된다. 단계(1060)에 들어가서 적용 부루우틴 "비드플래그"가 차후의 "비드플래그 수행사이클"에서 수행되기 위해 설정된다. 들어간 후에, 단계(1062)는 코-드 M51 내지 M54중의 하나에 부합하는 레이저 모드의 하나가 선택되었는지를 결정한다. 상술한 바와같이, 레이저 제어장치(592)는 네 개의 별개의 모듀율(module)을 포함한다. 이들 각각은 교차 용접부(32), 슬롯 및 탭용접부(34), 코너시임 용접부(30), 노치시임 용접부(40)중의 하나를 제어하기 위한 프로그램되고 고정 결선된 (hard wired)것이다. 만약 선택되지 않았으면, 단계(1063)은 루우틴을 빠져나가기 전에 "에러 메시지(ERROR MESSAGE)"를 표시한다. 만약 선택되었다면 단계(1064)는, "용접실 환경점검(CHAMBER ENVIRONMENT CHECK)" 적용 부루우틴에서 "고우(GO)" 플래그가 사전에 맞춰졌는지 어떤지를 결정하기 위해 점검한다.

만약 설정되지 않았다면 단계(1066)은, 용접실(108)내의 분위기가 산소와 수분의 함유량이 특정한계 미만이 되도록 정화되었는지를 결정하기 위해 상기 "용접실 환경점검" 적용 부루우틴을 재요구한다. 만약 "예스(yes)"라면 단계(1068)은 레이저 비임(178)을 CNC(126)의 용접실(108)로 향하게 하기위해 비임스위칭 미러(172)를 작동시킨다. 그후에, 덤프셔터(190)는 열려진 위치로 배치되어 그로인해 레이저비임 (177)이 선정된 용접실(108)로 향하게된다. 그후에, 단계(1072)는 M코-드 M₇₁이 설정되었는지를 결정한다. 상기에 지적한 바와같이 두 개의 M코-드 즉 M71 및 M72가 있으며, M코-드 M71은 수행될 교차 용접부(32)에 해당하는 스폿용접을 행하는 것을 지시하는 반면에 M코-드 M72는 수행될 코너시임 용접부(30), 슬롯 및 탭용접부 (34), 노치시임 용접부(40)에 해당하는 시임용접을 행하는 것을 지시한다. 시임용접은 레이저 로드(170)가 일련의 레이저 비임(178)의 펄스를 발사하는 동안 연료봉 그리드(16)가 X-Y 위치조정 시스템(288)에 의해 이동된다는 점에서 스폿용접과 다르다. 반면에 스폿용접은 연료봉 그리드(16)가 레이저비임(178)에 대해 고정 유지되어 있는채로 수행된다. 이리하여 M71 코-드가, 스폿용접이 수행될 수 있는지를 지시하는 것을 탐지한다면, 단계(1074)는 레이저봉(170)을 점화시키기전에 X-Y 위치결정 시스템(288)이 정지하는 것을 기다리기 위한 지연을 수행한다.

반면에 시임용접이 수행되는 것을 지시하는 M72코-드가 프로그램된다면, 지연이 설정되지 않아서 레이저로드(170)로 하여금 연료봉 그리드(16)의 움직임이 시작되기전에 용접을 개시할 수 있게한다. 다음에 단계(1076)은 여자램프(186)에 인가되는 전압이 프로그램되는지를 결정하기 위해 점검한다. 그후에 단계(1078)은 레이저의 상태를 점검하고 특히 램프 냉각제의 온도 및 유량이 특정 한계내에 있는지, 램프출력의 전류와 전압이 특정한계내에 있는지, 그리고 캐비넷 도어사 열려있는지를 결정한다.

그후에, 단계(1080)은 제7f도에서 도시한 "레이저 동력레벨 오프세트 설정(SET LASER POWER LEVEL OFFSET)" 적용 부루우틴의 단계(1012)에 의해 램프 트리거 회로가 트리거되는지를 결정한다. 만약 설정되지 않는다면 단계(1082)는 CRT(133)에 경보메시지 "트리거 회로불능(Trigger Circuit Not Enabled)"이란 경보 메시지를 표시한다. 만약 트리거 회로가 가능하다면 단계(1084)는 레이저 제어장치(592)의 셔터 제어모듀율을 가능하게 하도록 레이저를 작동시킨다. 즉 용접개시 신호를 레이저에 공급한다. 단계(1086)은 레이저 로드(170)가 이 사이에 레이저 조작을 종료하도록 프로그램되는 지연시간을 개시한다. 단계(1088)은 8초의 주기가 끝났는지를 결정하고 만약 끝나지 않았으면 CRT(133)에 "레이저 조작종료 타임 아우트(Lasing Completion Time out)"라는 메시지를 표시한다.

타임 아우트한 후에 단계(1092)는 스폿용접이 수행될 수 있는지, 즉 M코-드 M71이 설정되었는지를 결정하고 만약 그렇다면 부루우틴은 단계(1096)로 이동하고, CPU(560)는 레이저 로드(170)가 릴리이스되고 또한 별개의 CNC(126b)가 레이저를 요청하는 것을 지시하는 CNC 링크(558)에 광학적 접속장치(562)를 경유하여 "릴리이스 레이저 시그날(Release Laser Signal)"을 발생시킨다. 만약 시임용접부가 형성되면, 단계(1094)는 단계(1096)으로 나가기전에 덤프셔터(190)와 안전 BRH셔터를 닫는다.

"안전출력 레벨점검(CHECK SAFE POWER LEVEL)" 적용 부루우틴은 제7i도에 도시되고, M55 내지 M57의 M코-드와 T코-드에 의해 프로그램된 펄스폭 및 주어진 반복률(REP RATE)에 대해, 그리고 제7f도에 대해 상술된 "레이저 동력레벨 오프세트 설정 (SET LASER POWER LEVEL OFFSET)" 적용 부루우틴에서 결정된 레이저 램프전압에 대해 요구되는 레이저 램프 출력을 계산하기 위해 수행된다. 실시예의 레이저 장치(102) 즉 레이테온 모델번호 SS500에 있어서 최대 안전출력 레벨은 16킬로와트급이며, 만약 계산된 램프 레이저 출력이 이 수준을 초과한다면 부분 프로그램이 자동적으로 정지된다.

"안전출력 레벨점검(CHECK SAFE POWER LEVEL)" 적용 부루우틴은, 제7c도에 도시한 "레이저 펄스폭 설정" 적용 부루우틴의 단계(914), 제7e도에 도시한 "서어비스 T코-드" 적용 부루우틴의 단계(978), 혹은 제7g도의 "레이저 보정" 적용 부루우틴의 단계(1026)로부터 단계(1100)로 입력된다. 다음에 단계(1102)에서 현재의 T코-드치는 CPU기억장치의 프로그램 콘트롤 버퍼(PCB)에서 얻어지고 단계(1104)에서 사용되어 지시된 방정식에 따라 펄스형성 회로망 인수를 계산하게 된다. 여기서 "반복률"치는 T코-드치에 의해 프로그램된 펄스주파수를 지시하고, "오프세트"는 제7f도의 "레이저 출력레벨 오프세트 설정" 적용 부루우틴에 의해 입력된 오프세트 테이블로부터 얻어지며, 기울기는 제7k도의 커어브로부터 결정된 기울기이다. 다음에 단계(1106)은, M55 내지 M60의 M코-드에 의해 설정된 펄스폭과 저수전압치 (RESVOLT)의 함수로서의 중간치(VSQR)를 계산한다. VSQR이 1보다 작으면, 램프출력이 요구된 최대 한계내에 있다는 것이 결정되고 이 적용 부루우틴으로부터 출구가 형성된다.

만약 그렇지않다면 단계(1110)은, 중간치 VSQR을 사용하여, 지시된 방정식에 따라 펄스형성 회로망(VPFN)에 인가된 전압치를 계산하며 만약 VPFN이 1보다 작다면, 레이저 램프출력이 최대 안전수준 이하에 있는 것을 결정하는데 출구가 만들어진다. 만약 그렇지않다면 램프출력이 최대 안전 한계를 초과한다는 지시가 있게되고, 만약 그렇지 않다면 단계(1114)는 VPFN 및 PFN FACTR의 값에 따라 램프출력을 계산한다. 램프출력의 값이 최대 안전 한계 이하라면 출구가 형성되고 만약 그렇지 않다면 단계(1118)은 CRT(133)에 경보메시지를 표시하고 부분 프로그램은 자동적으로 정지하게 된다.

CPU(560)의 G 레지스터는 부루우틴을 호출하기 위한 복귀 인디케이터를 점검하는데 사용되어, 그로인해 "안전출력 레벨점검" 적용 부루우틴을 내보낼때 "레이저 펄스폭 설정", "서어비스 T코-드", "레이저 출력레벨 오프세트" 적용 부루우틴중 하나로 복귀된다.

이리하여 예를들면 핵연료봉 그리드인 가공물의 컴퓨터 제어에 의하여 레이저 가공장치가 개시된다. 가공물은 다수의 가공모드중 선택된 하나의 모드로 가공되고 각 모드는 출력, 진동수 및 펄스폭에 대해 별개의 레이저 매개변수를 갖는다. 더 정확히 말하면, 컴퓨터 제어되는 레이저 가공장치는, 방사되는 레이저 비임의 출력수준을 측정하고 이 측정치를 이용하여 각 가공모드에 대한 레이저원을 계산하도록 프로그램된다.

상술한 바와같이 레이저원은, 프로그램된 출력 수준으로 레이저 방출을 성취하기 위해 조절가능한 저수전압이 인가된 펄스형성 회로망에 의해 에너지를 얻는 여자램프를 포함한다. 특히 각 가공모드에 대한 오프세트가 결정되고 각 모드에 대해 부합하는 저수전압이 계산된다. 그로인해 요구된 펄스폭과 반복률로 방사되는 레이저 비임은 프로그램된 출력레벨로 된다.

본 발명을 고려함에 있어서, 본 발명의 실시예는 단지 일례일 뿐이고 본 발명의 영역은 첨부된 특허청구의 범위에 의해 결정된다고 생각하여야 한다.

Claims

적어도 제1 및 제2레이저 가공단계의 순서로 가공물의 레이저 가공하는 장치는 조절가능한 출력을 갖는 레이저, 가공물에 레이저 비임을 직사시키기 위한 렌즈 및 상기 레이저 비임의 출력을 측정하기 위한 레이저 출력측정장치를 구비하는 가공장치에 있어서, 제어회로는 상기 측정장치와 상기 레이저에 접속되고, 측정된 출력과 제1 및 제2레이저 매개변수 세트의 함수로서 상기 각 제1 및 제2가공모드에 대한 제어신호를 제공하기 위해 직사된 레이저 비임의 측정출력에 응답하는 보정회로를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제1항에 있어서, 상기 레이저는 일련의 제어된 펄스를 레이저 비임을 방사하기 위해 제어 가능하도록 여자되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각 제1 및 제2레이저 매개변수의 세트는 레이저 비임의 요구된 출력수준을 지시하는 매개변수를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제3항에 있어서, 상기 각 제1 및 제2매개변수의 세트는 제어된 레이저 펄스의 주파수 및 펄스폭을 지시하는 매개변수를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제3항에 있어서, 상기 제어회로는 직사된 레이저 비임의 측정출력과 출력수준을 지시하는 프로그램된 매개변수치를 비교해서, 그들 사이의 차이를 지시하는 신호를 제공하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1의 가공모드는 가공물의 스폿용접에 대응하고 상기 제2의 가공모드는 가공물의 시임용접에 대응하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측정장치가 레이저 비임의 출력수준을 측정하기 위해 레이저 경로를 가로지르는 제1의 위치와 레이저 비임으로부터 멀리 떨어진 제2의 위치 사이에 상기 측정장치를 배치하기 위한 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어회로가, 매개변수의 세트에 따라, 각 가공모드에 대한 저수전압을 결정하고 결정된 저수전압을 기억장치에 기억시키는 결정회로와 기억장치로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
제8항에 있어서, 상기 결정회로가, 펄스형성 회로망의 특징대로 실험적으로 결정된 함수에 따라 저수 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.