KR102002297B1 - Method for creating work path of work piece using laser cladding system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 클래딩 작업을 정밀하게 제어하기 위한 레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템에 관한 것이다. 레이저 클래딩 과정에서 시편 상에 생성되는 용융 풀의 높이를 측정하는 방법은, 레이저 발생 장치와 연결된 빔 집광부에 인접하게 배치되는 변위센서에 의해 상기 변위센서와 용융 풀의 단부 사이의 거리를 측정하고, 상기 변위센서와 용융 풀의 중심점 사이의 거리와, 상기 변위센서가 수직선에 대해 기울어지는 각도로부터 용융 풀의 높이를 계산하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 따르면, 작업 중에 발생되는 플라즈마 등의 영향을 받지 않으면서 정밀하게 작업을 진행할 수 있는 레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템을 제공할 수 있다. The present invention relates to a laser cladding control method and a laser cladding system for precisely controlling a laser cladding operation. A method of measuring the height of a molten pool generated on a specimen in a laser cladding process includes the steps of measuring a distance between the displacement sensor and an end of the molten pool by a displacement sensor disposed adjacent to a beam condensing unit connected to the laser generator And the height of the molten pool is calculated from the distance between the center point of the displacement sensor and the melting pool and the angle at which the displacement sensor is inclined with respect to the vertical line.
According to this configuration, it is possible to provide a laser cladding control method and a laser cladding system which can precisely work without being affected by plasma generated during operation.

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Description

레이저 클래딩 시스템을 이용한 작업 대상물의 작업경로 생성 방법 {Method for creating work path of work piece using laser cladding system}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a laser cladding system,

본 발명은 레이저 클래딩 작업을 정밀하게 제어하기 위한 레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a laser cladding control method and a laser cladding system for precisely controlling a laser cladding operation.

레이저 직접 금속 조형기술(laser-aided direct metal manufacturing)은 기능성 소재(금속, 합금 또는 세라믹 등)를 사용하여 컴퓨터에 저장된 3차원 디지털 형상정보(digital data of 3D subjects)에 따라 정밀하게 레이저로 직접 용착시키는 레이저 클래딩(laser cladding) 기술을 이용하여 3차원 형태의 제품 또는 제품 생산에 필요한 툴(tools)을 매우 빠른 시간 내에 제작할 수 있다. Laser-aided direct metal manufacturing is a process that uses precision materials such as metals, alloys, ceramics, etc., The laser cladding technique can be used to produce the tools necessary for producing a three-dimensional product or a product in a very short time.

3차원 형상정보는 3차원 CAD 데이터, 의료용 CT(Computer Tomography; 컴퓨터 단층 촬영) 및 MRI(Magnetic Resonance Imaging; 자기 공명 영상법) 데이터, 3차원 스캐너(3D Object Digitizing System)로 측정된 디지털 데이터 등을 말한다. 툴은 다이(Die)나 몰드(Molds) 등의 제품 생산에 필요한 양산 금형을 말한다.The three-dimensional shape information includes three-dimensional CAD data, medical CT (Computer Tomography) and MRI (Magnetic Resonance Imaging) data, and digital data measured by a 3D object digitizing system It says. A tool is a mass-production mold necessary for producing a die or a mold.

이러한 기술은 CNC(Computerized Numerical Control; 컴퓨터 수치제어) 및 기타 가공 기계를 이용한 절삭과 주조 등의 기존 가공 방식과는 비교할 수 없는 빠른 시간 내에 금속 시작품, 양산 금형, 복잡한 형상의 최종 제품 및 각종 툴을 제작할 수 있고, 역공학(Reverse Engineering)을 이용한 금형의 회복(Restoration), 리모델링(Remodeling) 및 수정(Repairing)에도 적용 가능하다.These technologies can be used to produce metal prototypes, mass production molds, complex final products and tools in a short period of time comparable to conventional machining methods such as cutting and casting using CNC (Computerized Numerical Control) And can also be applied to restoration, remodeling and repairing of a mold using reverse engineering.

CAD 데이터로부터 그 물리적 형상을 구현하는 기본 개념은 일반 프린터와 유사하다. 프린터가 컴퓨터에 저장되어 있는 문서 데이터 파일을 이용하여 2차원 종 이 평면 위의 정확한 위치에 잉크를 입혀 문서를 제작하듯이, 직접 금속 조형기술은 3차원 CAD 데이터를 이용하여 3차원 공간의 정확한 위치에 기능성 소재를 요구하는 양만큼 형성시킴으로써 3차원의 물리적 형상을 구현한다. 이러한 기술은 3D 프린터로 개발되고 있고, 최근 플라스틱, 세라믹, 종이, 금속 등 소재의 특징에 따라 각기 다른 방향으로 상용화되고 있다. The basic concept of implementing the physical shape from CAD data is similar to a general printer. Just as a printer produces a document with two-dimensional paper on its exact location on a plane using document data files stored on a computer, the direct metal molding technology uses three-dimensional CAD data to determine the exact location of the three- Dimensional physical shape by forming an amount of the functional material in an amount required. These technologies are being developed as 3D printers and have recently been commercialized in different directions depending on the characteristics of materials such as plastics, ceramics, paper, and metals.

레이저 직접 금속 조형기술에서 2차원의 평면은 레이저 클래딩(laser cladding)기술을 이용하여 물리적으로 구현한다.In a laser direct metal forming technology, a two-dimensional plane is implemented physically using laser cladding technology.

도 1은 일반적인 레이저 클래딩 공정을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a general laser cladding process.

레이저 클래딩은 시편 표면(11)에 레이저빔(20)을 조사하여 국부적으로 용융 풀(melt pool)(40)을 만들고, 동시에 외부에서 분말 형태의 클래딩 소재(금속, 합금, 세라믹, 종이 등)(30)를 공급하여 시편 표면(11)에 새로운 클래딩 층(45)을 형성시키는 기술이다. The laser cladding is formed by locally forming a melt pool 40 by irradiating the specimen surface 11 with a laser beam 20 and simultaneously forming a powder cladding material (metal, alloy, ceramic, paper, etc.) 30 is supplied to form a new cladding layer 45 on the surface 11 of the specimen.

레이저 직접 금속 조형기술에서는 3차원 CAD 데이터로부터 2차원의 단면 정보를 산출하고, 각 2차원 단면정보에 해당하는 형태와 두께 및/또는 높이를 갖는 클래딩 층을 순차적으로 형성시킴으로써 3차원 형상의 기능성 금속 제품 또는 툴을 쾌속으로 조형한다.In the laser direct metal forming technology, two-dimensional cross-sectional information is calculated from three-dimensional CAD data, and a cladding layer having a shape, thickness and / or height corresponding to each two-dimensional cross-sectional information is sequentially formed, Build products or tools quickly.

레이저 직접 금속 조형기술에서는 고정된 레이저빔을 중심으로 기판(10)(또는 시편)을 x, y축으로 이송하거나 또는 고정된 시편(10)을 중심으로 레이저빔을 이동시켜 클래딩 층을 형성시킨다. 그리고 레이저빔과 금속의 시편을 함께 이송시킬 수도 있으며, 가공 자유도를 높이기 위하여 3축 이상의 이송계 또는 로봇의 사용도 가능하다.In the laser direct metal forming technique, the substrate 10 (or the specimen) is transferred in the x- and y-axes around a fixed laser beam, or the laser beam is moved around the fixed specimen 10 to form a cladding layer. The laser beam and metal specimen can be transported together. In order to increase the degree of freedom of machining, it is also possible to use a robot with three or more axes.

조형과정에서 2차원 단면정보에 해당하는 클래딩 층의 형태는 단면정보로부터 산출된 공구경로와 이송계의 정밀도에 주로 의존하고, 물리적인 구현이 비교적 용이하다. 그러나, 레이저 클래딩 층의 높이는 레이저의 출력, 레이저빔의 모드, 레이저빔의 크기, 시편의 이송속도, 클래딩 분말의 특성, 분말 공급량, 분말의 낙하속도, 클래딩 비드의 중첩도, 공급되는 각종 보조 가스의 종류 및 유량 등 수많은 공정변수에 영향을 받는다. 클래딩 과정에서 열 축적에 의해 발생되는 시편 표면의 온도변화, 시편 표면 및 레이저 발진기의 상태 등의 외부적 요인들도 형성되는 클래딩 층의 높이에 영향을 준다.The shape of the cladding layer corresponding to the two-dimensional cross-sectional information in the molding process depends mainly on the accuracy of the tool path and the transfer system calculated from the cross-sectional information, and the physical implementation is relatively easy. However, the height of the laser cladding layer depends on the output of the laser, the mode of the laser beam, the size of the laser beam, the feed rate of the specimen, the characteristics of the cladding powder, the powder feed rate, the falling rate of the powder, The type and the flow rate of the gas. External factors such as the temperature of the specimen surface caused by heat accumulation during the cladding process, the surface of the specimen and the state of the laser oscillator also affect the height of the cladding layer formed.

따라서, 2차원 단면정보에 해당하는 클래딩 층의 높이를 얻기 위해서는 클래딩 층의 높이를 결정하는 용융 풀의 위치를 실시간으로 모니터링하여 클래딩 층의 높이에 영향을 주는 공정변수를 실시간으로 제어해야 하는 기술적인 어려움이 있다.Therefore, in order to obtain the height of the cladding layer corresponding to the two-dimensional cross-sectional information, the position of the melting pool for determining the height of the cladding layer is monitored in real time, There is a difficulty.

종래의 레이저 클래딩 공정에서는 작업 중에 발생되는 플라즈마 등으로 인해 용율 풀의 높이 결정에 어려움을 겪을 수 있고, 레이저 클래딩 작업 전에 준비 단계인 작업 원점의 보정 등의 사전 작업에 레이저 클래딩 시스템을 활용하기 어려운 문제점이 있었다. In the conventional laser cladding process, it is difficult to determine the height of the available pool due to the plasma generated during the operation, and it is difficult to utilize the laser cladding system in the preliminary work such as the correction of the work origin, .

대한민국 특허 제10-0341489호Korean Patent No. 10-0341489

따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 레이저 클래딩 작업 전에 작업 원점의 보정 등의 사전 작업에 이용할 수 있고, 작업 중에 발생되는 플라즈마 등의 영향을 받지 않으면서, 곡선부가 있는 금형에서도 이동이 자유로운 레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템을 제공하고자 함에 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a laser welding apparatus capable of being used for a preliminary work such as correction of a work origin before laser cladding, And an object of the present invention is to provide a free laser cladding control method and a laser cladding system.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 레이저 클래딩 과정에서 시편 상에 생성되는 용융 풀의 높이를 측정하는 방법은, 레이저 발생 장치와 연결된 빔 집광부에 인접하게 배치되는 변위센서에 의해 상기 변위센서와 용융 풀의 단부 사이의 거리를 측정하고, 상기 변위센서와 용융 풀의 중심점 사이의 거리와, 상기 변위센서가 수직선에 대해 기울어지는 각도로부터 용융 풀의 높이를 계산하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of measuring a height of a molten pool generated on a specimen in a laser cladding process, the method comprising: a displacement sensor disposed adjacent to a beam- And the height of the molten pool is calculated from the distance between the center of the displacement sensor and the center of the molten pool and the angle of inclination of the displacement sensor with respect to the vertical line, do.

또한, 상기 용융 풀의 높이 h는 다음 수식에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다. Further, the height h of the molten pool is calculated by the following equation.

h = cosθ(D-d) h = cos? (D-d)

여기서, θ는 상기 변위센서가 수직선에 대해 기울어지는 각도이고, D는 상기 변위센서와 용융 풀의 중심점 사이의 거리이고, d는 상기 변위센서와 용융 풀의 단부 사이의 거리이다.Where D is the distance between the center of gravity of the displacement sensor and the melting pool, and d is the distance between the displacement sensor and the end of the molten pool.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 레이저 클래딩의 제어 방법은, 레이저 클래딩 과정에서 시편 상에 생성되는 용융 풀의 높이를 실시간으로 측정하고, 이러한 용융 풀의 높이에 따라 레이저 출력, 분말 공급량, 레이저빔의 크기 및 모드 등의 공정변수를 제어하고, 상기 용융 풀의 높이는, 레이저빔 발생 장치와 연결된 빔 집광부에 인접하게 배치되는 변위센서에 의해 상기 변위센서와 용융 풀의 단부 사이의 거리를 측정하고, 상기 변위센서와 용융 풀의 중심점 사이의 거리와, 상기 변위센서가 수직선에 대해 기울어지는 각도로부터 계산하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling laser cladding, comprising: measuring a height of a molten pool generated on a specimen in a laser cladding process in real time; , The powder supply amount, the size and mode of the laser beam, and the height of the molten pool is controlled by a displacement sensor disposed adjacent to the beam condensing unit connected to the laser beam generator, And the distance between the center point of the displacement sensor and the center of the melting pool and the angle at which the displacement sensor is tilted with respect to the vertical line.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 레이저 클래딩 시스템은, 소정의 레이저빔 조사로 시편 표면에 용융 풀을 만들어 내기 위해 레이저 발생장치, 빔 이송부, 빔 집광부를 포함하는 레이저빔 조사부; 시편 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; 수직선으로부터 소정 각도만큼 기울어져 상기 빔 집광부에 인접하게 배치되고 물체까지의 거리를 측정하는 변위센서; 시편 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 상기 장치들을 제어하고, 상기 CAD/CAM 장비로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부; 를 포함하고, 상기 변위센서는 상기 변위센서와 용융 풀의 단부 사이의 거리를 측정하고, 상기 제어부는 상기 변위센서의 측정값과, 상기 변위센서와 용융 풀의 중심점 사이의 거리와, 상기 변위센서가 수직선에 대해 기울어지는 각도로부터 용융 풀의 높이를 계산하고, 이러한 용융 풀의 높이에 따라 레이저 출력, 분말 공급량, 레이저빔의 크기 및 모드 등의 공정변수를 제어하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a laser cladding system including a laser beam generator, a beam transfer unit, and a beam condensing unit for generating a molten pool on a surface of a specimen by irradiating a predetermined laser beam, An investigation unit; A cladding material supply device for supplying cladding material to the molten pool formed on the surface of the specimen; A displacement sensor that is inclined by a predetermined angle from a vertical line and is disposed adjacent to the beam condensing unit and measures a distance to an object; A transfer system for transferring a specimen or a laser beam to cause laser cladding to be performed; CAD / CAM equipment for generating a work path from three-dimensional CAD data and delivering it to a control unit; A controller for controlling the devices and performing laser cladding by receiving a work path from the CAD / CAM equipment; Wherein the displacement sensor measures a distance between the displacement sensor and an end of the molten pool and the control unit calculates a distance between a measured value of the displacement sensor and a center point of the displacement sensor and the molten pool, And the process variable such as the laser power, the amount of powder supplied, the size and the mode of the laser beam are controlled according to the height of the molten pool.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 리모델링이나 보수를 위한 z축 방향의 작업경로를 생성하는 방법에서, 상기 레이저 클래딩 시스템은, 소정의 레이저빔 조사로 상기 작업 대상물의 표면에 용융 풀을 만들어 내기 위해 레이저 발생장치, 빔 이송부, 빔 집광부를 포함하는 레이저빔 조사부; 상기 작업 대상물의 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; 수직선으로부터 소정 각도만큼 기울어져 상기 빔 집광부에 인접하게 배치되고 물체까지의 거리를 측정하는 변위센서; 상기 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 상기 장치들을 제어하고, 상기 CAD/CAM 장비로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부; 를 포함하고, 상기 변위센서는 상기 작업 대상물의 표면을 따라 이동하면서 상기 변위센서와 상기 작업 대상물 사이의 거리를 측정하고, 상기 제어부는 상기 변위센서의 측정값을 기초로 상기 작업 대상물의 표면으로부터 상기 빔 집광부의 단부까지의 거리를 계산하여 z축 방향의 작업경로를 생성하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of generating a work path in a z-axis direction for remodeling or repairing a workpiece using a laser cladding system, A laser beam irradiating unit including a laser generator, a beam conveying unit, and a beam collecting unit for producing a molten pool on the surface of the workpiece by beam irradiation; A cladding material supply device for supplying a cladding material to the molten pool formed on the surface of the workpiece; A displacement sensor that is inclined by a predetermined angle from a vertical line and is disposed adjacent to the beam condensing unit and measures a distance to an object; A transfer system for transferring the workpiece or laser beam to perform laser cladding; CAD / CAM equipment for generating a work path from three-dimensional CAD data and delivering it to a control unit; A controller for controlling the devices and performing laser cladding by receiving a work path from the CAD / CAM equipment; Wherein the displacement sensor measures a distance between the displacement sensor and the workpiece while moving along the surface of the workpiece, and the control unit calculates the distance from the surface of the workpiece to the workpiece based on the measured value of the displacement sensor And the distance to the end of the beam condensing part is calculated to generate a working path in the z-axis direction.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 레이저빔 조사부의 작업 높이를 자동으로 설정하는 방법에서, 상기 레이저 클래딩 시스템은, 소정의 레이저빔 조사로 상기 작업 대상물의 표면에 용융 풀을 만들어 내기 위해 레이저 발생장치, 빔 이송부, 빔 집광부를 포함하는 레이저빔 조사부; 상기 작업 대상물의 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; 수직선으로부터 소정 각도만큼 기울어져 상기 빔 집광부에 인접하게 배치되고 물체까지의 거리를 측정하는 변위센서; 상기 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 상기 장치들을 제어하고, 상기 CAD/CAM 장비로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부; 를 포함하고, 상기 변위센서를 이용하여 상기 변위센서와 상기 작업 대상물 사이의 거리를 측정하는 단계; 상기 변위센서의 측정값을 기초로 상기 작업 대상물의 표면으로부터 상기 빔 집광부의 단부까지의 실제 높이를 계산하는 단계; 상기 계산된 실제 높이가 원하는 작업 높이와 다를 경우 상기 빔 집광부를 수직으로 이송하여 상기 작업 높이와 일치하도록 실제 높이를 보정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of automatically setting a working height of a laser beam irradiating unit using a laser cladding system, the laser cladding system comprising: A laser beam irradiating unit including a laser generator, a beam conveying unit, and a beam collecting unit for producing a molten pool on the surface of the wafer; A cladding material supply device for supplying a cladding material to the molten pool formed on the surface of the workpiece; A displacement sensor that is inclined by a predetermined angle from a vertical line and is disposed adjacent to the beam condensing unit and measures a distance to an object; A transfer system for transferring the workpiece or laser beam to perform laser cladding; CAD / CAM equipment for generating a work path from three-dimensional CAD data and delivering it to a control unit; A controller for controlling the devices and performing laser cladding by receiving a work path from the CAD / CAM equipment; Measuring a distance between the displacement sensor and the workpiece using the displacement sensor; Calculating an actual height from a surface of the workpiece to an end of the beam collector based on the measured value of the displacement sensor; If the calculated actual height is different from a desired working height, vertically transferring the beam concentrator to correct the actual height to match the working height; And a control unit.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물 상에 클래딩 층을 적층하기 위한 레이저 클래딩의 제어 방법은, 상기 레이저 클래딩 시스템은, 소정의 레이저빔 조사로 상기 작업 대상물의 표면에 용융 풀을 만들어 내기 위해 레이저 발생장치, 빔 이송부, 빔 집광부를 포함하는 레이저빔 조사부; 상기 작업 대상물의 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; 수직선으로부터 소정 각도만큼 기울어져 상기 빔 집광부에 인접하게 배치되고 물체까지의 거리를 측정하는 변위센서; 상기 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 상기 장치들을 제어하고, 상기 CAD/CAM 장비로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부; 를 포함하고, 작업 대상물 상에 클래딩 층을 한 층 이상 적층하는 단계; 상기 변위센서를 이용하여 클래딩 층이 적층된 상기 작업 대상물의 표면을 따라 이동하면서 상기 변위센서와 상기 작업 대상물의 표면 사이의 거리를 측정하는 단계; 상기 제어부가 상기 변위센서의 측정값을 기초로 상기 작업 대상물의 표면으로부터 상기 빔 집광부의 단부까지의 거리를 계산하여 z축 방향의 작업경로를 생성하는 단계; 상기 z축 방향의 작업경로에 기초하여 레이저 출력, 분말 공급량, 가스량 등의 공정변수를 제어하면서 상기 작업 대상물 상에 클래딩 층을 추가로 적층하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a laser cladding for laminating a cladding layer on a work using a laser cladding system, the laser cladding system comprising: A laser beam irradiating unit including a laser generator, a beam conveying unit, and a beam collecting unit for producing a molten pool on a surface of the workpiece; A cladding material supply device for supplying a cladding material to the molten pool formed on the surface of the workpiece; A displacement sensor that is inclined by a predetermined angle from a vertical line and is disposed adjacent to the beam condensing unit and measures a distance to an object; A transfer system for transferring the workpiece or laser beam to perform laser cladding; CAD / CAM equipment for generating a work path from three-dimensional CAD data and delivering it to a control unit; A controller for controlling the devices and performing laser cladding by receiving a work path from the CAD / CAM equipment; Stacking one or more cladding layers on the workpiece; Measuring the distance between the displacement sensor and the surface of the workpiece while moving along the surface of the workpiece having the cladding layer stacked using the displacement sensor; Calculating a distance from a surface of the workpiece to an end of the beam condensing unit based on the measurement value of the displacement sensor to generate a work path in the z axis direction; Further comprising laminating a cladding layer on the workpiece while controlling process variables such as a laser output, a powder feed amount, and a gas amount based on the work path in the z-axis direction; And a control unit.

본 발명에 따르면, 레이저 클래딩 작업 전에 작업 원점의 보정 등의 사전 작업에 이용할 수 있고, 작업 중에 발생되는 플라즈마 등의 영향을 받지 않으면서, 곡선부가 있는 금형에서도 이동이 자유로운 레이저 클래딩의 제어 방법 및 레이저 클래딩 시스템을 제공할 수 있다. According to the present invention, a laser cladding control method that can be used for a preliminary work such as correction of a work origin before a laser cladding operation and is free to move even in a mold with a curved portion without being affected by plasma generated during operation, A cladding system can be provided.

도 1은 일반적인 레이저 클래딩 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 레이저 클래딩 시스템의 주요부의 구성을 상세히 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 레이저 클래딩 시스템에서 용융 풀의 높이를 측정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 리모델링이나 보수를 위한 z축 방향의 작업경로를 생성하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 정위치를 설정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 레이저빔 조사부의 작업 높이를 자동으로 설정하는 방법을 설명하는 도면이다. 1 is a view for explaining a general laser cladding process.
2 is a configuration diagram of a laser cladding system according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing in detail the configuration of main parts of the laser cladding system of the present invention.
4 is a view for explaining a method of measuring the height of the molten pool in the laser cladding system of the present invention.
FIG. 5 is a view for explaining a method of generating a work path in the z-axis direction for remodeling or repairing a workpiece using the laser cladding system of the present invention.
6A and 6B are views for explaining a method of setting a correct position of a workpiece using the laser cladding system of the present invention.
7 is a view for explaining a method of automatically setting a working height of a laser beam irradiating unit using the laser cladding system of the present invention.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like reference numerals refer to like elements throughout. The same reference numerals in the drawings denote like elements throughout the drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템의 구성도이다. 도 3은 본 발명의 레이저 클래딩 시스템의 주요부의 구성을 상세히 도시하는 도면이다. 도 4는 본 발명의 레이저 클래딩 시스템에서 용융 풀의 높이를 측정하는 방법을 설명하는 도면이다. 2 is a configuration diagram of a laser cladding system according to an embodiment of the present invention. 3 is a view showing in detail the configuration of main parts of the laser cladding system of the present invention. 4 is a view for explaining a method of measuring the height of the molten pool in the laser cladding system of the present invention.

본 발명의 레이저 클래딩 시스템(100)은 레이저빔 조사부(110, 120, 130), 클래딩 소재 공급장치(135), 변위센서(140), 이송 시스템(150), CAD/CAM 장비(160), 제어부(170)를 포함한다. The laser cladding system 100 of the present invention includes laser beam irradiators 110, 120 and 130, a cladding material supplier 135, a displacement sensor 140, a transfer system 150, a CAD / CAM equipment 160, (Not shown).

레이저 클래딩은 시편(또는 작업 대상물)(10) 상에 레이저빔을 조사하여 국부적으로 용융 풀(melt pool)(40)을 만들고, 동시에 외부에서 분말 형태의 클래딩 소재(금속, 합금, 세라믹, 종이 등)를 공급하여 시편(10) 표면에 새로운 클래딩 층을 형성시키는 기술이고, 새로운 클래딩 층을 한층 한층 적층하여 3차원의 형상을 제작할 수 있다. 레이저 클래딩 시스템(100)은 이러한 기술을 구현하는 장치이다. The laser cladding is formed by locally forming a melt pool 40 by irradiating a laser beam onto a specimen (or a workpiece) 10 and at the same time forming a powder cladding material (metal, alloy, ceramic, Is supplied to form a new cladding layer on the surface of the test piece 10, and a new cladding layer can be further stacked to form a three-dimensional shape. The laser cladding system 100 is a device implementing this technique.

레이저 클래딩 기술은 기존의 플라즈마 용사, 아크 용접 등의 기술에 비해 모재와 클래딩 층 사이의 접합이 우수하고, 모재의 용융을 최소화하고, 클래딩 층을 정밀하게 원하는 위치에 입힐 수 있어 후가공 비용을 줄일 수 있는 등 여러 가지 우수한 장점을 가지고 있다. Laser cladding technology is superior to conventional plasma spraying, arc welding, etc., and it has excellent bonding between base metal and cladding layer, minimizes melting of base metal, can precisely place cladding layer at desired position, There are many other excellent advantages.

또한, 이러한 레이저 클래딩 기술은 금형 등의 표면 개질, 금형의 보수 및 재생, 특수 소재 및 난가공성 소재의 제작, 2종 이상의 금속의 접합 등 활용 분야가 매우 다양하다. 이러한 기술은 3D 프린터에도 응용되고 있다. In addition, such laser cladding techniques are widely used for surface modification of molds, repair and regeneration of molds, fabrication of special materials and hard workable materials, and bonding of two or more kinds of metals. These technologies are also being applied to 3D printers.

레이저빔 조사부(110, 120, 130)는 시편(또는 작업 대상물)(10) 상에 레이저빔을 조사하여 용융 풀(40)을 만들기 위한 장치이다. 레이저빔 조사부(110, 120, 130)는 레이저 발생장치(110), 빔 이송부(120), 빔 집광부(130)를 포함할 수 있다. The laser beam irradiation units 110, 120, and 130 are devices for making the molten pool 40 by irradiating a laser beam onto a specimen (or a workpiece) 10. The laser beam irradiation units 110, 120, and 130 may include a laser generator 110, a beam transfer unit 120, and a beam condenser 130.

레이저 발생장치(110)는 레이저빔의 조사로 인하여 시편(10)의 표면에 용융 풀(40)을 만들 수 있는 어떠한 파장의 레이저도 사용 가능하다. The laser generating apparatus 110 can use a laser of any wavelength capable of forming the molten pool 40 on the surface of the specimen 10 due to irradiation of the laser beam.

레이저 발생장치(110)로부터 나온 레이저빔은 빔 이송부(120)를 통해 빔 집광부(130)로 전달된다. 빔 이송부(120)는 플렉시블한 소재를 사용하여 원하는 방향으로 레이저빔을 이송할 수 있다. The laser beam emitted from the laser generator 110 is transmitted to the beam condensing unit 130 through the beam transfer unit 120. The beam transfer unit 120 can transfer the laser beam in a desired direction using a flexible material.

빔 집광부(130)는 렌즈나 미러 등의 광학부품을 조합하여, 레이저 클래딩에 적합하도록 레이저빔을 집광하는 역할을 수행한다. 빔 집광부(130)에서 집광된 레이저빔은 시편(10) 상에 조사되어 용융 풀(40)을 형성할 수 있다. 레이저빔의 조사와 함께 용융 풀(40)로 클래딩 소재를 계속 공급하면서 시편(10)이 이송되면, 시편(10) 상에 얇은 두께(예를 들어, 250㎛)의 새로운 클래딩 층이 형성된다. 이러한 클래딩 층은 먼저 2차원의 평면에 형성되고, 2차원의 평면에 모두 형성되면 그 위에 다시 클래딩 층을 적층하는 방법으로 3차원의 형상을 만든다. The beam condensing unit 130 combines optical components such as a lens or a mirror to perform a function of condensing the laser beam so as to be suitable for laser cladding. The condensed laser beam in the beam condensing unit 130 may be irradiated on the specimen 10 to form the molten pool 40. [ A new cladding layer having a small thickness (for example, 250 탆) is formed on the specimen 10 when the specimen 10 is transferred while the cladding material is continuously supplied to the molten pool 40 along with the irradiation of the laser beam. The cladding layer is first formed on a two-dimensional plane, and when all of the cladding layer is formed on a two-dimensional plane, a cladding layer is laminated on the cladding layer to form a three-dimensional shape.

클래딩 소재 공급장치(135)는 빔 집광부(130)에 인접하게 배치되고, 이송 호스(136)를 통해 빔 집광부(130)의 단부 근처로 클래딩 소재를 공급할 수 있다. 클래딩 소재 공급장치(135)는 빔 집광부(130)로부터 멀리 배치되고 이송 호스(136)를 통해 빔 집광부(130)의 단부 근처로 클래딩 소재를 공급할 수 있다. The cladding material supply unit 135 is disposed adjacent to the beam condensing unit 130 and can supply the cladding material to the vicinity of the end of the beam condensing unit 130 through the transfer hose 136. [ The cladding material supply device 135 may be disposed far from the beam condensing part 130 and may supply the cladding material to the vicinity of the end of the beam condensing part 130 through the transfer hose 136.

클래딩 소재는 분말형태가 바람직하지만, 와이어(Wire) 등의 형태로도 사용할 수 있다. The cladding material is preferably in powder form, but it can also be used in the form of a wire or the like.

변위센서(140)는 레이저 발생장치(110)와 연결된 빔 집광부(130)에 인접하게 배치되어, 변위센서(140)로부터 이격된 물체와 변위센서(140) 사이의 거리를 측정한다. 변위센서(140)는 수직선에 대해 일정 각도 기울어지도록 배치되고, 측정의 정밀도를 위해 빔 집광부(130)의 양측에 하나씩 2개가 배치될 수 있다. 변위센서(140)로는 레이저 변위센서를 사용할 수 있다. 변위센서(140)는 ㎛ 단위의 측정 정밀도를 가질 수 있다. The displacement sensor 140 is disposed adjacent to the beam condensing unit 130 connected to the laser generator 110 to measure the distance between the object separated from the displacement sensor 140 and the displacement sensor 140. The displacement sensor 140 is arranged to be inclined at a certain angle with respect to the vertical line, and two of the displacement sensors 140 can be disposed on both sides of the beam condensing unit 130 for the accuracy of measurement. As the displacement sensor 140, a laser displacement sensor can be used. The displacement sensor 140 may have a measurement accuracy in the order of micrometers.

변위센서(140)는 빔 집광부(130)의 단부로부터 상부로 이격되어 있으므로 굴곡부나 홈을 갖는 기존의 작업 대상물(10)을 보수할 경우, 변위센서(140)가 작업 대상물(10)의 다른 부분과 간섭되어 작업이 제한되는 문제는 발생되지 않는다. Since the displacement sensor 140 is spaced apart from the end of the beam condensing unit 130, when the existing workpiece 10 having a curved portion or a groove is to be repaired, There is no problem that the work is limited due to interference with the part.

이송 시스템(150)은 z축 상에 빔 집광부(130)를 설치하여 조형과정에서 레이저빔의 초점거리를 항상 일정하게 유지하고, 시편(10)을 xy축 테이블에 고정한 다음에 작업경로에 따라 시편(10)을 자유로이 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 한다. 이러한 이송 시스템(150)은 빔 집광부(130)에 설치되어 시편(10)을 고정한 상태에서, 레이저빔이 작업경로에 따라 자유로이 이송되도록 할 수도 있다. 또는, 레이저빔과 시편(10)을 동시에 이송시킬 수 있는 이송 시스템을 적용할 수도 있다. The transfer system 150 is provided with a beam condensing unit 130 on the z axis to keep the focal distance of the laser beam constant during the shaping process, fix the specimen 10 on the xy axis table, Thereby transferring the test piece 10 freely so that laser cladding can be performed. The conveying system 150 may be installed in the beam collecting unit 130 to allow the laser beam to be freely transferred along the work path in a state where the test piece 10 is fixed. Alternatively, a transfer system capable of simultaneously transferring the laser beam and the specimen 10 may be applied.

CAD/CAM 장비(160)는 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부(170)에 전달한다. The CAD / CAM equipment 160 generates a work path from the three-dimensional CAD data and transmits the work path to the control unit 170.

제어부(170)는 PC 또는 NC(퍼스널 컴퓨터, 수치 제어시스템)와 각종 입출력장치로 이루어지고, 레이저 클래딩 시스템을 구성하고 있는 모든 장치를 제어하고, 실시간을 통해 각 장치의 상태를 모니터링하는 기능을 포함하고 있다. The control unit 170 includes a PC or an NC (personal computer, numerical control system) and various input / output devices, and includes a function of controlling all devices constituting the laser cladding system and monitoring the status of each device in real time .

제어부(170)는 CAD/CAM 장치(409)로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩 작업을 수행하고, 변위센서(140)의 측정값으로부터 용융 풀의 높이를 계산하여 이러한 용융 풀의 높이에 따라 클래딩 층의 높이가 목표 값에 도달하도록 공정변수를 제어한다. 또한, 제어부(170)는 레이저 클래딩에 사용되는 각종 가스를 제어하는 기능도 같이 수행할 수 있다. The control unit 170 receives a work path from the CAD / CAM apparatus 409, performs a laser cladding operation, calculates the height of the molten pool from the measured value of the displacement sensor 140, The process variable is controlled such that the height reaches the target value. In addition, the controller 170 may also perform various functions for controlling various gases used for laser cladding.

미설명 부호 101은 냉각장치로, 레이저 발생장치(110)와 연결되어 냉각을 수행할 수 있다.Reference numeral 101 denotes a cooling device, which can be connected to the laser generator 110 to perform cooling.

이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 변위센서(140)를 이용하여 시편(10) 상에 형성되는 용융 풀(40)의 높이를 측정하는 방법을 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of measuring the height of the molten pool 40 formed on the specimen 10 using the displacement sensor 140 of the present invention will be described with reference to FIG.

레이저 발생장치(110)와 연결된 빔 집광부(130)로부터 레이저빔이 시편(10) 상에 조사되면, 시편(10) 상에는 모재와 클래딩 분말이 녹아서 생기는 용융 풀(40)이 형성된다. 이러한 용융 풀(40)의 높이를 일정하게 유지하면서 시편(10)이 이동하면 작업경로를 따라 균일한 높이의 클래딩 층이 형성된다. 컴퓨터에 저장된 3차원 CAD 데이터에 따라 클래딩 층을 한층 한층 연속하여 적층하게 되면, 작업대상물은 원하는 3차원 형상을 가지게 된다. When the laser beam is irradiated from the beam condensing unit 130 connected to the laser generating apparatus 110 onto the test piece 10, a molten pool 40 is formed on the test piece 10 by melting the base material and the cladding powder. When the specimen 10 moves while keeping the height of the molten pool 40 constant, a cladding layer of a uniform height is formed along the working path. If the cladding layers are further stacked in succession according to the three-dimensional CAD data stored in the computer, the workpiece has a desired three-dimensional shape.

본 발명의 레이저 클래딩 제어 방법에서는, 먼저 변위센서(140)에 의해 시편(10)상에 생성되는 용융 풀(40)의 높이를 측정하고, 제어부(170)는 측정된 용융 풀(40)의 높이에 따라 레이저 출력, 분말 공급량, 가스 공급량, 레이저빔의 크기 및 모드 등의 공정변수를 제어하게 된다. In the laser cladding control method of the present invention, first, the height of the molten pool 40 generated on the specimen 10 is measured by the displacement sensor 140, and the controller 170 measures the height of the molten pool 40 The laser power, the powder supply amount, the gas supply amount, the size and the mode of the laser beam, and the like.

용융 풀(40)의 높이는 예를 들어, 250㎛가 되도록 제어되는데, 측정된 용융 풀(40)의 높이가 낮다면 레이저 출력을 높이거나, 분말량을 늘리거나, 가스를 약하게 하는 등의 방법으로 용융 풀(40)의 높이가 높아지도록 제어하고, 측정된 용융 풀(40)의 높이가 높다면 레이저 출력을 줄이거나, 분말량을 줄이거나, 가스를 강하게 하는 등의 방법으로 용융 풀(40)의 높이가 낮아지도록 제어한다. 이러한 이유 때문에, 레이저 클래딩 과정에서는 용융 풀(40)의 높이를 정밀하게 실시간으로 측정하는 것이 무엇보다 중요하다. The height of the molten pool 40 is controlled to be, for example, 250 μm. If the measured height of the molten pool 40 is low, the laser power is increased, the amount of the powder is increased, If the measured height of the molten pool 40 is high, the molten pool 40 may be controlled by a method such as reducing the laser output, reducing the amount of the powder, or strengthening the gas, Is controlled to be low. For this reason, in the laser cladding process, it is most important to accurately measure the height of the molten pool 40 in real time.

본 발명에서는 용융 풀(40)의 높이를 측정하기 위해 변위센서(140)를 이용한다. 변위센서(140)는 변위센서(140)로부터 이격된 물체와 변위센서(140) 사이의 거리를 측정한다. 따라서, 변위센서(140)에 의해 용융 풀(40) 높이뿐만 아니라, 변위센서(140)와 시편(10) 사이의 거리도 측정할 수 있다. In the present invention, the displacement sensor 140 is used to measure the height of the molten pool 40. The displacement sensor 140 measures the distance between the object separated from the displacement sensor 140 and the displacement sensor 140. Therefore, not only the height of the molten pool 40 by the displacement sensor 140, but also the distance between the displacement sensor 140 and the specimen 10 can be measured.

변위센서(140)의 가장 큰 장점은 레이저빔에 의해 클래딩 작업이 이루어지지 않을 때도 측정이 가능하다는 것이다. 또한, 변위센서(140)는 레이저 클래딩 작업 중에 발생하는 플라즈마나 불꽃에 의해 측정 정밀도에 전혀 영향을 받지 않는다. 또한, 변위센서(140)는 빔 집광부(130)의 단부로부터 상부로 멀리 이격되어 배치되므로, 표면에 굴곡부이나 홈 같은 형상을 갖고 있는 시편(10)의 경우 시편(10)이 이동하는 과정에서 변위센서(140)가 시편(10) 상의 부분과 간섭될 염려도 전혀 없다는 것이다. The greatest advantage of the displacement sensor 140 is that it can be measured even when the cladding operation is not performed by the laser beam. Further, the displacement sensor 140 is not affected by the measurement accuracy at all due to the plasma or flame generated during the laser cladding operation. Since the displacement sensor 140 is spaced apart from the end portion of the beam condensing unit 130, the displacement of the specimen 10 in the course of the movement of the specimen 10 in the case of the specimen 10 having a curved surface or a groove- There is no fear that the displacement sensor 140 will interfere with the portion on the specimen 10. [

도 4를 참조하면, 용융 풀(40)의 높이(h)는 수식 (1)에 의해 계산된다.Referring to Fig. 4, the height h of the molten pool 40 is calculated by equation (1).

h = cosθ(D-d) 수식 (1) h = cos? (D-d) Equation (1)

여기서, θ는 변위센서(140)가 수직선, 즉 레이저빔의 광축(a)에 대해 기울어지는 각도이다. θ는 0°에 가깝게 유지되는 것이 가장 좋고, 적어도 20° 이내로 유지되어야 한다. θ는 레이저 클래딩 시스템(100)을 설치할 때 미리 알고 있는 값이다. Here,? Is an angle at which the displacement sensor 140 is inclined with respect to the vertical line, that is, the optical axis (a) of the laser beam. It is best that θ is kept close to 0 °, and it should be maintained within at least 20 °. is a known value in advance when the laser cladding system 100 is installed.

D는 변위센서(140)와 용융 풀(40)의 중심점(s) 사이의 거리이다. 여기서, 용융 풀(40)의 중심점(s)은 레이저빔의 광축(a)과 변위센서(140)의 지향선이 시편(10) 상에서 만나는 점(s)을 말한다. D는 레이저 클래딩 시스템(100)을 설치할 때 미리 알고 있는 값이다. D is the distance between the displacement sensor 140 and the center point s of the molten pool 40. The center point s of the melting pool 40 refers to the point s at which the optical axis a of the laser beam meets on the specimen 10 with the directional line of the displacement sensor 140. D is a value that is known in advance when the laser cladding system 100 is installed.

d는 변위센서(140)와 용융 풀(40)의 단부 사이의 거리로, 변위센서(140)에 의해 실시간으로 측정된다.d is the distance between the displacement sensor 140 and the end of the molten pool 40 and is measured in real time by the displacement sensor 140.

계산된 h와 실제 h 사이에는 약간의 오차가 있지만, θ가 작으면 이러한 오차는 무시할 수 있는 정도가 된다. 변위센서(140)는 빔 집광부(130)의 양측에 하나씩 2개가 배치되어 오차의 보정에 의해 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 변위센서(140)는 3개 이상 배치될 수도 있다. There is some error between the computed h and actual h, but if θ is small, this error is negligible. Two displacement sensors 140 are disposed on both sides of the beam condensing unit 130 to improve the measurement accuracy by correcting the errors. Three or more displacement sensors 140 may be disposed.

레이저 클래딩 작업 전에 시편(10)의 표면과 빔 집광부(130)의 단부 사이의 거리(H)를 알고자 할 경우, H는 다음 수식 (2)에 의해 계산된다.When it is desired to know the distance H between the surface of the specimen 10 and the end of the beam condensing part 130 before the laser cladding operation, H is calculated by the following equation (2).

H = cosθ*D - L 수식 (2) H = cos? * D - L Equation (2)

여기서, θ는 변위센서(140)가 수직선에 대해 기울어지는 각도이고, D는 변위센서(140)와 용융 풀(40)의 중심점(s) 사이의 거리이다. L은 레이저빔이 조사되는 작업 대상물의 표면과 빔 집광부(130)의 단부를 연결한 직선과 변위센서(140)의 단부로부터 연장되는 수평선이 만나는 점(P)과 빔 집광부(130)의 단부 사이의 거리로 미리 알고 있는 값이다. Where D is the distance between the displacement sensor 140 and the center point s of the molten pool 40. In this case, the angle? Is the angle at which the displacement sensor 140 is inclined with respect to the vertical line. L is a point P where a straight line connecting the surface of the workpiece to which the laser beam is irradiated and the end of the beam condensing unit 130 meets a horizontal line extending from the end of the displacement sensor 140, The distance between the ends is a known value.

이러한 H는 레이저 클래딩 작업 전에 시편(10)의 z축방향의 작업경로를 생성할 때 이용된다. This H is used to create a work path in the z-axis direction of the specimen 10 before the laser cladding operation.

본 발명의 레이저 클래딩 시스템(100)은 변위센서(140)에 의해 실시간으로 변위센서(140)와 용융 풀(40)의 단부 사이의 거리(d)를 측정하여, 이로부터 용융 풀(40)의 높이를 계산한다. 측정된 용융 풀(40)의 높이에 따라, 제어부(170)는 공정변수를 제어하게 된다. 이러한 변위센서(140)는 레이저 클래딩 작업 중에 발생하는 플라즈마나 불꽃에 의해 측정 정밀도에 전혀 영향을 받지 않으므로, 더욱 정밀도가 높은 레이저 클래딩 시스템(100)을 제공할 수 있다. The laser cladding system 100 of the present invention measures the distance d between the displacement sensor 140 and the end of the molten pool 40 in real time by the displacement sensor 140, Calculate the height. Depending on the height of the measured molten pool 40, the controller 170 controls the process variables. Since the displacement sensor 140 is not affected at all by the measurement accuracy due to the plasma or flame generated during the laser cladding operation, the laser cladding system 100 with higher precision can be provided.

또한, 변위센서(140)는 후술하는 바와 같이 레이저 클래딩 작업이 이루어지기 전에 빔 집광부(130)의 단부와 작업 대상물(10) 사이의 거리를 측정하거나, 작업 대상물(10)의 보수시에 z축 방향의 좌표를 측정하는데에도 응용될 수 있다. The displacement sensor 140 measures the distance between the end of the beam condensing unit 130 and the workpiece 10 before the laser cladding operation is performed as described later, It can also be applied to measuring the coordinates in the axial direction.

또한, 변위센서(140)는 빔 집광부(130)의 단부로부터 상부로 멀리 이격되어 배치되므로, 표면에 굴곡부이나 홈 같은 형상을 갖고 있는 시편(10)의 경우 시편(10)이 이동하는 과정에서 변위센서(140)가 시편(10) 상의 부분과 간섭될 염려도 전혀 없어, 본 발명의 레이저 클래딩 시스템(100)으로 작업할 수 있는 작업 대상물(10)의 제한이 없다는 이점이 있다. Since the displacement sensor 140 is spaced apart from the end portion of the beam condensing unit 130, the displacement of the specimen 10 in the course of the movement of the specimen 10 in the case of the specimen 10 having a curved surface or a groove- There is no fear that the displacement sensor 140 will interfere with the portion on the specimen 10 and there is no restriction on the workpiece 10 that can work with the laser cladding system 100 of the present invention.

이하에서는, 도 5를 참조하여 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 리모델링이나 보수를 위한 z축 방향의 작업경로를 생성하는 방법에 대해 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of generating a work path in the z-axis direction for remodeling or repairing a workpiece using a laser cladding system will be described with reference to FIG.

상기 레이저 클래딩 시스템은 도 2에 도시된 레이저 클래딩 시스템(100)의 주요 구성부들을 모두 포함한다. 즉, 레이저 클래딩 시스템은 레이저 발생장치(110), 빔 이송부(120), 빔 집광부(130)를 포함하는 레이저빔 조사부, 클래딩 소재 공급장치(135), 변위센서(140), 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템(150), 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비(160), 상기 장치들을 제어하고, CAD/CAM 장비(160)로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부(170)를 포함한다. The laser cladding system includes all the major components of the laser cladding system 100 shown in FIG. That is, the laser cladding system includes a laser generating device 110, a beam conveying part 120, a laser beam irradiating part including a beam condensing part 130, a cladding material supplying device 135, a displacement sensor 140, A CAD system 150 for generating a work path from the three-dimensional CAD data and transmitting the work path to the control unit, a CAD / CAM apparatus 160 for controlling the apparatuses, 160 for performing laser cladding on the work path.

작업 대상물(예를 들어, 금형)(10)의 리모델링이나 보수는 작은 부분에 변화를 주거나 부주의나 장기간의 사용에 의해 금형이 손상된 경우 이루어진다. 이러한 경우, 금형에 용접을 하던 방식은 사람에 따라 품질이 다르고 물성이 좋지 않아 오래 사용하기 어렵고 정밀한 보수를 할 수 없었지만, 본 발명에서와 같이 자동으로 CAD 데이터를 얻어서 작업을 하게 되면 새 제품과 유사한 품질을 얻을 수 있게 된다. Remodeling or repair of the workpiece (e.g., a mold) 10 is performed when a small portion is changed or when the mold is damaged due to carelessness or long-term use. In this case, the method of welding to the mold was different from person to material and poor in physical properties, so that it was difficult to use for a long time and could not be repaired precisely. However, if the CAD data is automatically obtained as in the present invention, Quality can be obtained.

작업 대상물(10)을 보수할 경우에, 이러한 작업 대상물(10)은 처음에 제작된 상태와는 마모 등에 의해 형상의 변화가 생기므로 처음 제작된 상태의 3D CAD 데이터와는 많이 달라지게 된다. 따라서, 이 경우 작업 대상물(10)의 3D CAD 데이터는 실제 측정에 의해 생성해야 한다는 문제가 생긴다.In the case of repairing the workpiece 10, since the shape of the workpiece 10 is changed due to abrasion or the like, the workpiece 10 is greatly different from the 3D CAD data of the first manufactured state. Therefore, in this case, there arises a problem that 3D CAD data of the workpiece 10 must be generated by actual measurement.

본 발명에서, 작업 대상물(10)의 보수를 위해서는 보수하고자 하는 작업 대상물(10)을 이송 시스템 위에 올려 놓고 작업 대상물(10)을 x축, y축으로 움직여 x-y축 좌표를 얻는다. 만약, 작업 대상물(10)이 사각형이면 4개의 꼭지점을, 6각형이면 6개의 꼭지점을 입력한다. 그러면 해당 면을 지그재그로 움직이는 모든 x, y 좌표값 정보를 얻어 올 수 있다. 이와 같이, x, y 좌표값 정보를 얻는 작업은 기존의 레이저 클래딩 시스템에서도 동일하게 적용될 수 있지만, 작업 대상물(10)의 리모델링이나 보수를 위한 z축 방향의 작업경로를 생성하는 것은 기존의 레이저 클래딩 시스템에서는 어려웠다. In the present invention, in order to repair the workpiece 10, the workpiece 10 to be repaired is placed on the transfer system and the workpiece 10 is moved in the x and y axes to obtain the x-y axis coordinates. If the workpiece 10 is a rectangle, four vertexes are input, and if the workpiece 10 is hexagonal, six vertexes are input. Then you can get all the x, y coordinates information that move the face in zigzag. The task of obtaining the x and y coordinate value information can be similarly applied to the conventional laser cladding system. However, in order to generate the work path in the z-axis direction for remodeling or repairing the workpiece 10, In the system, it was difficult.

본 발명의 레이저 클래딩 시스템(100)은 작업 대상물(10)의 표면을 따라 움직이면서 변위센서(140)에 의해 작업 대상물(10)의 z축 방향의 작업경로를 생성하는 것이 가능하다. The laser cladding system 100 of the present invention is capable of generating a work path in the z-axis direction of the workpiece 10 by the displacement sensor 140 while moving along the surface of the workpiece 10. [

이를 위해, 변위센서(140)는 작업 대상물(10)의 표면(12)을 따라 이동하면서 변위센서(140)와 작업 대상물(10) 사이의 거리를 측정한다. 변위센서(140)가 작업 대상물(10)의 표면(12)을 따라 이동하는 것은 변위센서(140)가 고정되고 작업 대상물(10)이 이동하거나, 작업 대상물(10)이 고정되고 변위센서(140)가 이동함으로써 가능하다. To this end, the displacement sensor 140 measures the distance between the displacement sensor 140 and the workpiece 10 while moving along the surface 12 of the workpiece 10. The movement of the displacement sensor 140 along the surface 12 of the workpiece 10 is controlled by the displacement sensor 140 being fixed and the workpiece 10 being moved or the workpiece 10 being fixed and the displacement sensor 140 ).

도 4를 참조하면, 변위센서(140)와 작업 대상물(10)의 표면 사이의 거리는 D로 표시되고, 이러한 거리(D)는 변위센서(140)에 의해 측정될 수 있다. 4, the distance between the displacement sensor 140 and the surface of the workpiece 10 is denoted by D, and this distance D can be measured by the displacement sensor 140.

다음에, 제어부(170)는 변위센서(140)의 측정값을 기초로 작업 대상물(10)의 표면으로부터 빔 집광부(130)의 단부까지의 거리(H)를 계산한다. H는 상술한 바와 같이, H = cosθ*D - L 의 수식 (2)로부터 계산할 수 있다. Next, the control unit 170 calculates the distance H from the surface of the workpiece 10 to the end of the beam condensing unit 130 based on the measurement value of the displacement sensor 140. H can be calculated from the equation (2) of H = cos? * D - L as described above.

도 5에 도시된 바와 같이, 작업 대상물(10)의 표면(12)은 굴곡을 가지므로, z축방향의 높이가 달라지게 되고, 그에 따라 레이저 클래딩 작업을 할 때 z축방향의 작업경로는 달라져야 한다. 5, since the surface 12 of the workpiece 10 has a curvature, the height in the z-axis direction is different, and accordingly, the work path in the z-axis direction when the laser cladding operation is performed must be different do.

이와 같이, 변위센서(140)는 얻어진 x, y 좌표값 정보에 따라 작업 대상물(10)의 표면(12)을 따라 이동하면서 연속적인 z축 방향의 좌표 정보를 얻을 수 있다. Thus, the displacement sensor 140 can obtain continuous coordinate information in the z-axis direction while moving along the surface 12 of the workpiece 10 in accordance with the obtained x, y coordinate value information.

이러한 방법으로, x, y, z축 방향의 좌표 정보가 얻어지면 3차원의 작업경로를 생성할 수 있고, 이러한 작업경로에 대한 정보는 CAD/CAM 장비(160)에 저장되고, 제어부(170)는 그에 따라 레이저 클래딩 작업을 수행하게 된다. When the coordinate information in the x-, y-, and z-axis directions is obtained in this way, a three-dimensional work path can be generated. Information about the work path is stored in the CAD / CAM apparatus 160, Thereby performing the laser cladding operation.

제어부(170)는 3차원 정보를 미리 알고 클래딩 작업을 제어하므로, 클래딩 작업시에 항상 일정한 높이로 클래딩 층을 적층하는 것이 가능하게 된다. Since the controller 170 knows the three-dimensional information in advance and controls the cladding operation, the cladding layer can be always stacked at a constant height during the cladding operation.

이하에서는, 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물 상에 클래딩 층을 적층하기 위한 레이저 클래딩의 제어 방법에 대해 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of controlling laser cladding for laminating a cladding layer on a workpiece using a laser cladding system will be described.

상기 레이저 클래딩 시스템은 도 2에 도시된 레이저 클래딩 시스템(100)의 주요 구성부들을 모두 포함한다. 즉, 레이저 클래딩 시스템은 레이저 발생장치(110), 빔 이송부(120), 빔 집광부(130)를 포함하는 레이저빔 조사부, 클래딩 소재 공급장치(135), 변위센서(140), 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템(150), 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비(160), 상기 장치들을 제어하고, CAD/CAM 장비(160)로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부(170)를 포함한다. The laser cladding system includes all the major components of the laser cladding system 100 shown in FIG. That is, the laser cladding system includes a laser generating device 110, a beam conveying part 120, a laser beam irradiating part including a beam condensing part 130, a cladding material supplying device 135, a displacement sensor 140, A CAD system 150 for generating a work path from the three-dimensional CAD data and transmitting the work path to the control unit, a CAD / CAM apparatus 160 for controlling the apparatuses, 160 for performing laser cladding on the work path.

먼저, 상기 레이저 클래딩 시스템(100)을 이용하여 작업 대상물 상에 클래딩 층을 한 층 이상 적층한다. 일반적으로, 하나의 클래딩 층의 높이는 예를 들어, 250㎛가 되도록 적층할 수 있다. 그러나, 작업 대상물 상에 클래딩 층이 항상 일정한 높이로 적층되는 것이 가장 좋지만 여러 가지 변수로 인해 실제로 작업 대상물 상에 클래딩 층이 적층되는 높이는 작업 대상물의 표면을 따라 약간의 편차를 가지게 된다. 작업 대상물 상에 클래딩 층이 적층되는 높이의 편차는 클래딩 층이 여러 층 적층될수록 더욱 커지게 된다. 이러한 편차를 방지하기 위해 클래딩 작업 시에 작업 대상물 상의 용융 풀의 높이를 실시간으로 측정하고, 그에 따라 레이저 출력, 분말 공급량, 가스량 등의 공정변수를 제어하면서 클래딩 층을 적층하지만, 이와 같이 실시간으로 공정변수를 제어하면서 작업을 하는 것이 어려울 경우도 있다. First, one or more cladding layers are stacked on a workpiece using the laser cladding system 100. Generally, the height of one cladding layer can be laminated to, for example, 250 mu m. However, it is best if the cladding layer is always stacked on the workpiece at a constant height. However, due to various variables, the height at which the cladding layer is actually stacked on the workpiece has a slight variation along the surface of the workpiece. The variation in the height at which the cladding layers are stacked on the workpiece becomes larger as the cladding layers are stacked. In order to prevent such deviation, the height of the molten pool on the workpiece during the cladding operation is measured in real time, and the cladding layer is laminated while controlling the process parameters such as the laser output, the powder supply amount, and the gas amount. Sometimes it can be difficult to control variables while controlling them.

따라서, 본 실시예에서는 작업 대상물 상에 클래딩 층을 한 층 이상 적층한 후, 적층된 클래딩 층의 높이 편차를 전체적으로 측정하여 z축 방향의 작업경로를 얻고, 그에 따라 레이저 출력, 분말 공급량, 가스량 등의 공정변수를 제어하면서 작업 대상물 상에 클래딩 층을 추가로 적층하는 방법을 사용한다. Accordingly, in the present embodiment, after one or more cladding layers are stacked on the workpiece, the height deviation of the stacked cladding layers is measured as a whole to obtain a work path in the z-axis direction, and thereby the laser output, the powder supply amount, A cladding layer is further laminated on the workpiece while controlling the process parameters of the workpiece.

이를 위해, 다음에 변위센서(140)를 이용하여 클래딩 층이 적층된 작업 대상물의 표면을 따라 이동하면서 변위센서(140)와 작업 대상물의 표면 사이의 거리를 측정한다. To this end, the displacement sensor 140 is used to measure the distance between the displacement sensor 140 and the surface of the workpiece while moving along the surface of the workpiece having the cladding layer stacked thereon.

다음에, 제어부(170)가 변위센서(140)의 측정값을 기초로 작업 대상물의 표면으로부터 빔 집광부(130)의 단부까지의 거리를 계산하여 z축 방향의 작업경로를 생성한다. z축 방향의 작업경로는 작업 대상물 상에 이미 적층된 클래딩 층의 높이 정보가 된다. z축 방향의 작업경로를 생성하는 방법은 도 5를 참조하여 설명한 바와 같다. Next, the control unit 170 calculates the distance from the surface of the workpiece to the end of the beam condensing unit 130 based on the measurement value of the displacement sensor 140, thereby generating a work path in the z-axis direction. The working path in the z-axis direction is the height information of the cladding layer already laminated on the workpiece. The method of generating the work path in the z-axis direction is as described with reference to Fig.

다음에, 생성된 z축 방향의 작업경로에 기초하여 클래딩 층의 높이가 높은 곳은 낮게, 클래딩 층의 높이가 낮은 곳은 높아지도록 레이저 출력, 분말 공급량, 가스량 등의 공정변수를 제어하면서 작업 대상물 상에 클래딩 층을 적층한다. 이와 같이, 이미 적층된 클래딩 층의 높이 정보를 알고 그에 따라 레이저빔이 이동 중에 공정조건을 변경하여 클래딩 층을 적층하므로, 클래딩 작업 중에 실시간으로 용융 풀의 높이를 측정하지 않고도 클래딩 층의 높이 제어가 가능하게 된다. Next, based on the generated work path in the z-axis direction, while controlling the process parameters such as the laser output, the powder supply amount, and the gas amount so that the height of the cladding layer is low and the height of the cladding layer is low, A cladding layer is laminated on the substrate. Thus, since the cladding layers are stacked by changing the process conditions during the movement of the laser beam by knowing the height information of the cladding layers already stacked, the height control of the cladding layer can be performed without measuring the height of the melting pool in real time during the cladding operation .

상기의 과정은 레이저 클래딩 작업 중에 수차례 반복될 수 있다. The above process can be repeated several times during the laser cladding operation.

이러한 방법에 따르면, 작업 대상물 상에 클래딩 층을 형성할 때, 실시간으로 용융 풀의 높이를 측정하고 그에 따라 공정변수를 제어하는 어려움을 해소하여 레이저 클래딩의 제어 방법이 단순해지면서, 작업 대상물 상에 적층되는 클래딩 층의 품질은 일정 수준 이상으로 유지할 수 있는 장점이 있다. According to this method, when the cladding layer is formed on the workpiece, the difficulty of measuring the height of the molten pool in real time and controlling the process parameters accordingly is eliminated, and the control method of the laser cladding is simplified, The quality of the cladding layer to be laminated can be maintained at a certain level or more.

이하에서는, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물의 정위치를 설정하는 방법에 대해 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of setting the correct position of the workpiece using the laser cladding system will be described with reference to FIGS. 6A and 6B.

상기 레이저 클래딩 시스템은 도 2에 도시된 레이저 클래딩 시스템(100)의 주요 구성부들을 모두 포함한다. 즉, 레이저 클래딩 시스템은 레이저 발생장치(110), 빔 이송부(120), 빔 집광부(130)를 포함하는 레이저빔 조사부, 클래딩 소재 공급장치(135), 변위센서(140), 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템(150), 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비(160), 상기 장치들을 제어하고, CAD/CAM 장비(160)로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부(170)를 포함한다. The laser cladding system includes all the major components of the laser cladding system 100 shown in FIG. That is, the laser cladding system includes a laser generating device 110, a beam conveying part 120, a laser beam irradiating part including a beam condensing part 130, a cladding material supplying device 135, a displacement sensor 140, A CAD system 150 for generating a work path from the three-dimensional CAD data and transmitting the work path to the control unit, a CAD / CAM apparatus 160 for controlling the apparatuses, 160 for performing laser cladding on the work path.

레이저 클래딩 작업을 수행하기 위해서는 먼저, 작업이 시작되는 작업원점을 설정하게 된다. 이는 작업 대상물(10)이 놓여 있는 위치가 CAD 데이터 상의 위치와 정확하게 일치하도록 하는 작업이다. 작업 대상물(10)은 작업원점에 정확하게 위치되어야 미리 알고 있는 CAD 데이터에 따라 레이저빔이 이동하면서 작업이 제대로 이루어질 수 있다. 종래에는, 작업 대상물(10)이 작업원점에 위치되도록 하는 작업, 즉 작업 대상물(10)의 정위치를 설정하는 작업이 작업자가 육안으로 하거나 별도의 측정장비를 이용해서 진행되었다. 작업자가 육안으로 수행할 경우 오류가 많이 생기고, 별도의 측정장비를 이용할 경우 작업시간이 증가되는 요인이 되었다. In order to perform the laser cladding operation, first, the work origin at which the work is started is set. This is an operation in which the position where the workpiece 10 is placed exactly coincides with the position on the CAD data. The workpiece 10 must be accurately positioned at the work origin so that the work can be performed while the laser beam moves according to previously known CAD data. Conventionally, an operation for positioning the workpiece 10 at the work origin, that is, an operation for setting the correct position of the workpiece 10, has been performed by the operator using a naked eye or using a separate measuring instrument. When the operator performs the visual inspection, many errors occur, and when using the separate measuring equipment, the working time is increased.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 자동으로 작업 대상물의 정위치를 설정한다. In order to solve such a problem, in the present invention, a correct position of a workpiece is automatically set by using a laser cladding system.

이를 위해서는 작업 대상물(10)이 작업원점에 정확하게 위치되었는지를 확인하는 작업과, 작업 대상물(10)이 작업원점에 정확하게 위치되지 않았을 경우 작업 대상물(10)의 위치를 보정하는 작업이 이루어져야 한다. For this purpose, it is necessary to check whether the workpiece 10 is correctly positioned at the work origin and correct the position of the workpiece 10 when the workpiece 10 is not accurately positioned at the work origin.

도 6a를 참조하면, 먼저, 변위센서(140)가 작업 대상물(10)의 표면을 따라 x축 방향으로 이동하면서 변위센서(140)와 작업 대상물(10) 사이의 거리를 측정한다. 작업 대상물(10)의 x축방향 경계점(M)을 전후해서는 변위센서(140)의 측정값 사이에 급격한 변화가 발생하게 된다. 그에 따라, 변위센서(140)의 측정값이 급격한 변화가 발생되는 점을 기초로 작업 대상물(10)의 x축방향 경계점(M)의 좌표를 얻을 수 있다. 예를 들어, 측정된 x축방향 경계점(M)의 좌표가 (101, 50)이라 한다. 6A, the displacement sensor 140 measures the distance between the displacement sensor 140 and the workpiece 10 while moving along the surface of the workpiece 10 in the x-axis direction. A sudden change occurs between the measurement values of the displacement sensor 140 before and after the x-axis direction boundary point M of the workpiece 10. [ Accordingly, the coordinates of the x-axis direction boundary point M of the workpiece 10 can be obtained on the basis of the point at which the measurement value of the displacement sensor 140 is abruptly changed. For example, the coordinate of the measured x-axis directional boundary point M is (101, 50).

다음에, 얻어진 상기 x축방향 경계점의 좌표가 CAD/CAM 장비(160)에서 제공하는 작업 대상물(10)의 해당 좌표와 일치하는지를 확인한다. CAD/CAM 장비(160)에서 제공하는 x축방향 경계점(M)의 좌표가 (100, 50)이라 한다면, 측정된 x축방향 경계점(M)의 좌표와 일치하지 않는 것이 된다. Next, it is confirmed whether or not the coordinates of the obtained x-axis directional boundary point coincides with the coordinates of the workpiece 10 provided by the CAD / CAM apparatus 160. If the coordinate of the x-axis direction boundary point M provided by the CAD / CAM apparatus 160 is (100, 50), it does not coincide with the coordinate of the measured x-axis direction boundary point M.

만일, 상기 x축방향 경계점(M)의 좌표가 CAD/CAM 장비(160)에서 제공하는 작업 대상물(10)의 해당 좌표와 일치하지 않을 경우 일치하도록 작업 대상물(10)의 위치를 보정하게 된다. 이러한 작업은 작업 대상물(10)이 놓여 있는 테이블을 이송 시스템에 의해 이동시키거나, 작업자가 수작업으로 할 수 있다. If the coordinate of the x-axis directional boundary point M does not coincide with the coordinate of the workpiece 10 provided by the CAD / CAM apparatus 160, the position of the workpiece 10 is corrected. Such a work can be performed by a transfer system by a table on which the workpiece 10 is placed or by an operator manually.

다음에, 변위센서(140)가 작업 대상물(10)의 표면을 따라 y축 방향으로 이동하면서 변위센서(140)와 작업 대상물(10) 사이의 거리를 측정한다. 작업 대상물(10)의 y축방향 경계점을 전후해서는 변위센서(140)의 측정값 사이에 급격한 변화가 발생하게 된다. 그에 따라, 변위센서(140)의 측정값이 급격한 변화가 발생되는 점을 기초로 작업 대상물(10)의 y축방향 경계점(N)의 좌표를 얻을 수 있다. 예를 들어, 측정된 y축방향 경계점(N)의 좌표가 (50, 101)이라 한다. Next, the displacement sensor 140 measures the distance between the displacement sensor 140 and the workpiece 10 while moving along the surface of the workpiece 10 in the y-axis direction. A sudden change occurs between measured values of the displacement sensor 140 before and after the y-axis direction boundary point of the workpiece 10. [ Accordingly, the coordinates of the y-axis direction boundary point N of the workpiece 10 can be obtained on the basis of the point at which the measurement value of the displacement sensor 140 is abruptly changed. For example, the coordinate of the measured y-axis direction boundary point N is (50, 101).

다음에, 얻어진 상기 y축방향 경계점(N)의 좌표가 CAD/CAM 장비(160)에서 제공하는 작업 대상물(10)의 해당 좌표와 일치하는지를 확인한다. CAD/CAM 장비(160)에서 제공하는 y축방향 경계점(N)의 좌표가 (50, 100)이라 한다면, 측정된 y축방향 경계점(N)의 좌표와 일치하지 않는 것이 된다. Next, it is confirmed whether the coordinates of the obtained y-axis direction boundary point N coincide with the corresponding coordinates of the workpiece 10 provided by the CAD / CAM apparatus 160. If the coordinate of the y-axis direction boundary point N provided by the CAD / CAM apparatus 160 is (50, 100), it does not coincide with the coordinate of the measured y-axis direction boundary point N. [

만일, 상기 y축방향 경계점(N)의 좌표가 CAD/CAM 장비(160)에서 제공하는 작업 대상물(10)의 해당 좌표와 일치하지 않을 경우 일치하도록 작업 대상물(10)의 위치를 보정하게 된다. If the coordinate of the y-axis direction boundary point N does not coincide with the coordinate of the workpiece 10 provided by the CAD / CAM apparatus 160, the position of the workpiece 10 is corrected.

작업 대상물(10)의 정위치를 설정하는 작업은 작업 대상물(10)이 다각형의 형상을 갖는 경우, 작업 대상물(10)의 꼭지점을 기준으로 변위센서(140)가 x축 방향으로 이동하면서 x축 방향의 경계점을 두 개 찾아서 하나의 직선을 만들고, 변위센서(140)가 y축 방향으로 이동하면서 y축 방향의 경계점을 두 개 찾아서 다른 하나의 직선을 만든다. 이러한 두 개의 직선이 만나는 점이 꼭지점이 되므로, 이러한 꼭지점의 좌표와 CAD 데이터 상의 꼭지점의 좌표가 일치하는지를 확인하고, 일치하지 않을 경우 보정하는 방법으로도 가능하다. When the workpiece 10 has a polygonal shape, the displacement sensor 140 moves in the x-axis direction on the basis of the vertex of the workpiece 10, And the displacement sensor 140 moves in the y-axis direction to find two boundary points in the y-axis direction, thereby forming another straight line. It is also possible to check whether the coordinates of the vertexes coincide with the coordinates of the vertexes on the CAD data, and correct them if they do not match.

이하에서는, 도 7을 참조하여 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 레이저빔 조사부의 작업 높이를 자동으로 설정하는 방법에 대해 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of automatically setting the working height of the laser beam irradiating unit using the laser cladding system will be described with reference to FIG.

상기 레이저 클래딩 시스템은 도 2에 도시된 레이저 클래딩 시스템(100)의 주요 구성부들을 모두 포함한다. 즉, 레이저 클래딩 시스템은 레이저 발생장치(110), 빔 이송부(120), 빔 집광부(130)를 포함하는 레이저빔 조사부, 클래딩 소재 공급장치(135), 변위센서(140), 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템(150), 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비(160), 상기 장치들을 제어하고, CAD/CAM 장비(160)로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부(170)를 포함한다. The laser cladding system includes all the major components of the laser cladding system 100 shown in FIG. That is, the laser cladding system includes a laser generating device 110, a beam conveying part 120, a laser beam irradiating part including a beam condensing part 130, a cladding material supplying device 135, a displacement sensor 140, A CAD system 150 for generating a work path from the three-dimensional CAD data and transmitting the work path to the control unit, a CAD / CAM apparatus 160 for controlling the apparatuses, 160 for performing laser cladding on the work path.

레이저 클래딩 작업을 할 때는 레이저빔 조사부의 작업 높이가 매우 중요한 공정변수가 된다. 레이저빔 조사부의 작업 높이, 즉 작업 대상물(10)과 빔 집광부(130)의 단부 사이의 거리에 따라 레이저빔의 포커싱 위치가 달라지기 때문이다. 따라서, 레이저 클래딩 작업을 할 때는 레이저빔[또는 빔 집광부(130)의 단부]이 정확한 높이에서 작업을 시작해야 동일한 품질의 클래딩 층을 형성할 수 있다. When laser cladding is performed, the working height of the laser beam irradiation part is a very important process variable. This is because the focusing position of the laser beam varies depending on the working height of the laser beam irradiating portion, that is, the distance between the workpiece 10 and the end portion of the beam condensing portion 130. Therefore, when performing the laser cladding operation, the laser beam (or the end of the beam condenser 130) must start working at an accurate height so that a cladding layer of the same quality can be formed.

종래에는 작업자가 빔 집광부를 z축 방향으로 미세하기 움직이면서 측정도구로 빔 집광부를 위치를 맞추는 방법을 사용하고 있어서, 작업자에 따라 오차가 많이 발생되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 레이저빔 조사부의 작업 높이를 자동으로 설정하고자 한다. Conventionally, an operator has moved the beam concentrator finely in the z-axis direction to align the beam concentrator with a measuring tool, resulting in a lot of errors depending on the operator. In order to solve such a problem, in the present invention, a work height of a laser beam irradiation part is automatically set by using a laser cladding system.

이를 위해, 먼저 변위센서(140)를 이용하여 변위센서(140)와 작업 대상물(10) 사이의 거리를 측정한다. To this end, first, the distance between the displacement sensor 140 and the workpiece 10 is measured using the displacement sensor 140.

다음에, 변위센서(140)의 측정값을 기초로 작업 대상물(10)의 표면으로부터 빔 집광부(130)의 단부까지의 실제 높이(H)를 계산한다. H는 상술한 바와 같이, H = cosθ*D - L 의 수식 (2)로부터 계산할 수 있다. Next, based on the measured value of the displacement sensor 140, the actual height H from the surface of the workpiece 10 to the end of the beam condensing section 130 is calculated. H can be calculated from the equation (2) of H = cos? * D - L as described above.

다음에, 계산된 실제 높이(H)가 원하는 작업 높이와 다를 경우 빔 집광부(130)를 수직방향으로 이송하여 원하는 작업 높이와 일치하도록 실제 높이(H)를 보정한다. 일반적으로, 레이저 클래딩 시스템은 빔 집광부(130)를 수직방향으로 자동 이송할 수 있도록 구성된다. Next, when the calculated actual height H is different from the desired working height, the beam condensing unit 130 is transferred in the vertical direction to correct the actual height H to match the desired working height. Generally, the laser cladding system is configured to automatically transport the beam condensing unit 130 in the vertical direction.

본 발명에서는, 이와 같이 레이저빔 조사부의 작업 높이를 자동으로 설정하므로 작업자가 수동으로 설정하는 것과 비교하여 클래딩 작업의 정밀도나 속도가 향상될 수 있다. In the present invention, since the working height of the laser beam irradiating unit is automatically set, the accuracy and speed of the cladding operation can be improved as compared with manual setting by the operator.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention will be.

10 : 시편, 작업 대상물
100 : 레이저 클래딩 시스템
101 : 냉각장치
110 : 레이저 발생장치
120 : 빔 이송부
130 : 빔 집광부
135 : 클래딩 소재 공급장치
140 : 변위센서
150 : 이송 시스템
160 : CAD/CAM 장비
170 : 제어부10: Specimen, Workpiece
100: Laser cladding system
101: Cooling unit
110: laser generating device
120:
130: beam concentrator
135: Cladding material feeder
140: displacement sensor
150: Transfer system
160: CAD / CAM equipment
170:

Claims (3)

작업 대상물을 리모델링이나 보수하기 위해 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 클래딩 층을 적층하기 전에 작업 대상물의 z축 방향으로 변화되는 작업경로를 미리 생성하는 방법에 있어서,
상기 레이저 클래딩 시스템은, 소정의 레이저빔 조사로 작업 대상물의 표면에 용융 풀을 만들어 내기 위해 레이저 발생장치, 빔 이송부, 빔 집광부를 포함하는 레이저빔 조사부; 작업 대상물의 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; 수직선으로부터 소정 각도만큼 기울어져 상기 빔 집광부에 인접하게 배치되고 물체까지의 거리를 측정하는 변위센서; 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 상기 레이저빔 조사부, 상기 클래딩 소재 공급장치, 상기 변위센서, 상기 이송 시스템, 상기 CAD/CAM 장비를 제어하고, 상기 CAD/CAM 장비로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부; 를 포함하고,
상기 변위센서는 작업 대상물의 표면을 따라 이동하면서 레이저빔이 조사되는 작업 대상물의 표면과 상기 변위센서 사이의 거리(D)를 측정하고,
상기 제어부는 상기 변위센서의 측정값을 기초로 상기 레이저빔이 조사되는 작업 대상물의 표면으로부터 상기 빔 집광부의 단부까지의 거리(H)를 다음 수식에 의해 계산하여 z축 방향의 작업경로를 생성하는 작업 대상물을 리모델링이나 보수하기 위해 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 클래딩 층을 적층하기 전에 작업 대상물의 z축 방향으로 변화되는 작업경로를 미리 생성하는 방법.
H = cosθ*D-L
여기서, θ는 상기 변위센서가 수직선에 대해 기울어지는 각도이고, L은 상기 레이저빔이 조사되는 작업 대상물의 표면과 상기 빔 집광부의 단부를 연결한 직선과 상기 변위센서의 단부로부터 연장되는 수평선이 만나는 점(P)과 상기 빔 집광부의 단부 사이의 거리이다.A method of predetermining a work path that changes in the z-axis direction of a workpiece before laminating a cladding layer using a laser cladding system to remodel or repair a workpiece,
The laser cladding system includes a laser beam irradiating unit including a laser generator, a beam conveying unit, and a beam collecting unit for generating a molten pool on a surface of a workpiece by a predetermined laser beam irradiation; A cladding material supply device for supplying cladding material to the molten pool formed on the surface of the workpiece; A displacement sensor that is inclined by a predetermined angle from a vertical line and is disposed adjacent to the beam condensing unit and measures a distance to an object; A transfer system for transferring a workpiece or a laser beam so that laser cladding is performed; CAD / CAM equipment for generating a work path from three-dimensional CAD data and delivering it to a control unit; A controller for controlling the laser beam irradiation unit, the cladding material supply unit, the displacement sensor, the transfer system, the CAD / CAM equipment, and performing laser cladding by receiving a work path from the CAD / CAM equipment; Lt; / RTI >
Wherein the displacement sensor measures a distance (D) between the surface of the workpiece irradiated with the laser beam and the displacement sensor while moving along the surface of the workpiece,
The control unit calculates a distance H from the surface of the workpiece to which the laser beam is irradiated to the end of the beam condensing unit based on the measurement value of the displacement sensor by the following equation to generate a work path in the z- A work path changing in the z-axis direction of the workpiece before the cladding layer is stacked using the laser cladding system to remodel or repair the workpiece to be processed.
H = cos? * DL
L is an angle formed by a straight line connecting the surface of the workpiece to which the laser beam is irradiated and the end of the beam condensing unit and a horizontal line extending from the end of the displacement sensor And the distance between the point P and the end of the beam condensing portion. 삭제delete 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물 상에 클래딩 층을 적층하기 위한 레이저 클래딩의 제어 방법에 있어서,
상기 레이저 클래딩 시스템은, 소정의 레이저빔 조사로 작업 대상물의 표면에 용융 풀을 만들어 내기 위해 레이저 발생장치, 빔 이송부, 빔 집광부를 포함하는 레이저빔 조사부; 작업 대상물의 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; 수직선으로부터 소정 각도만큼 기울어져 상기 빔 집광부에 인접하게 배치되고 물체까지의 거리를 측정하는 변위센서; 작업 대상물 또는 레이저빔을 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하는 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 작업경로를 생성하여 제어부에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 상기 레이저빔 조사부, 상기 클래딩 소재 공급장치, 상기 변위센서, 상기 이송 시스템, 상기 CAD/CAM 장비를 제어하고, 상기 CAD/CAM 장비로부터 작업경로를 받아 레이저 클래딩을 수행하는 제어부; 를 포함하고,
작업 대상물 상에 클래딩 층을 한 층 이상 적층하는 단계;
상기 변위센서를 이용하여 클래딩 층이 적층된 상기 작업 대상물의 표면을 따라 이동하면서 상기 변위센서와 상기 작업 대상물의 표면 사이의 거리(D)를 측정하는 단계;
상기 제어부가 상기 변위센서의 측정값을 기초로 상기 작업 대상물의 표면으로부터 상기 빔 집광부의 단부(H)까지의 거리를 수식 H = cosθ*D-L (여기서, θ는 상기 변위센서가 수직선에 대해 기울어지는 각도이고, L은 상기 레이저빔이 조사되는 작업 대상물의 표면과 상기 빔 집광부의 단부를 연결한 직선과 상기 변위센서의 단부로부터 연장되는 수평선이 만나는 점(P)과 상기 빔 집광부의 단부 사이의 거리이다)에 의해 계산하여 z축 방향의 작업경로를 생성하는 단계;
상기 z축 방향의 작업경로에 기초하여 레이저 출력, 분말 공급량 또는 가스량의 공정변수를 제어하면서 상기 작업 대상물 상에 클래딩 층을 추가로 적층하는 단계;
를 포함하는 레이저 클래딩 시스템을 이용하여 작업 대상물 상에 클래딩 층을 적층하기 위한 레이저 클래딩의 제어 방법.A laser cladding control method for laminating a cladding layer on a workpiece using a laser cladding system,
The laser cladding system includes a laser beam irradiating unit including a laser generator, a beam conveying unit, and a beam collecting unit for generating a molten pool on a surface of a workpiece by a predetermined laser beam irradiation; A cladding material supply device for supplying cladding material to the molten pool formed on the surface of the workpiece; A displacement sensor that is inclined by a predetermined angle from a vertical line and is disposed adjacent to the beam condensing unit and measures a distance to an object; A transfer system for transferring a workpiece or a laser beam so that laser cladding is performed; CAD / CAM equipment for generating a work path from three-dimensional CAD data and delivering it to a control unit; A controller for controlling the laser beam irradiation unit, the cladding material supply unit, the displacement sensor, the transfer system, the CAD / CAM equipment, and performing laser cladding by receiving a work path from the CAD / CAM equipment; Lt; / RTI >
Stacking one or more cladding layers on the workpiece;
Measuring a distance (D) between the displacement sensor and the surface of the workpiece while moving along the surface of the workpiece having the cladding layer stacked using the displacement sensor;
The control unit calculates a distance H from the surface of the workpiece to the end portion H of the beam condensing unit based on the measured value of the displacement sensor by the following equation: H = cos? * DL where? L is a point P where a straight line connecting the surface of the workpiece to which the laser beam is irradiated and the end of the beam condensing section and a horizontal line extending from the end of the displacement sensor meet, To generate a work path in the z-axis direction;
Further comprising laminating a cladding layer on the workpiece while controlling process variables of the laser output, the powder feed amount, or the gas amount based on the work path in the z-axis direction;
Wherein the cladding layer is formed on the workpiece by using the laser cladding system.
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