Optimet 제품의 비접촉 레이저 변위 측정 센서 사용 

기존의 레이저 마킹, 용접, 드릴링 및 절단 시스템은 종종 물체의 표면에 정확하게 레이저의 초점을 맞추는 것에 어려움을 겪어왔다(사진 1 참조). 

▲ 사진 1. 이전에 사용되어온 레이저 마킹 시스템

이를 ㈜디쌤에서는 해외 파트너 회사중 하나인 비접촉 변위센서 전문 기업 Optimet의 제품을 통해서 업계의 어려움을 해결해줄 오토 포커싱 기능이 필요한 레이저 시스템에 Optimet 센서를 적용하는 새로운 레이저 측정 방법을 제안했다. Optimet 센서의 적용은 레이저 시스템의 속도 및 수율 부분 성능을 업그레이드 시켜주며, 사용자가 레이저 시스템을 보다 원활하게 제어할 수 있도록 도움을 준다.

레이저 변위 측정 센서의 필요성 

보다 빠르고 정확한 제조 공정에 대한 수요가 증가함에 따라 레이저 시스템의 레이저 초점을 제어하는 것에 대한 필요성이 중요하게 여겨지고 있다. 

물체 형상면에 대한 Z축 위치와 렌즈 초점 위치는 복잡한 세팅과 레이저 시스템 사용자의 전문성과 숙련도를 통해 반드시 정확하게 제어되어야 한다. 

이전에 사용되어온 측정 원리는 다음과 같다.   

업계에서 거리를 측정하는 방식으로 두 가지 표준 방법을 사용하고 있다. 

첫 번째는, 보다 보편적인 방법으로 샘플의 CAD (computer-aided design or drawing) 도면을 사용하여 각 위치의 거리를 파악하고, 이에 대한 레이저의 3D 모션 구동 방법을 세팅하는 것이다. 이 방법은 CAD 파일을 정확히 파악한 다음 세 축(X, Y, Z)에서의 레이저 시스템의 동작에 대해 충분히 이해할 수 있는 전문가가 필요하다. 

두 번째 방법은 예를 들어 용접 수리 과정과 같이 캐드 모델이나 도면을 사용할 수 없는 경우 종종 사용되는 방법인데, 광삼각 변위 센서 또는 카메라 등을 기구 가공축 옆으로 부착하는 방법이다. 이 센서는 절삭 레이저가 객체에 투사되기 전에 대상물까지의 거리를 측정한 후, Z 차이를 계산한다. 만일 물체의 형상이 곡면으로 되어 있는 경우에는 레이저 시스템의 세 개의 조정 축(X, Y, Z)을 제어하여 포커스를 맞추어야 하는데, 이 방법은 물체 표면의 모양과 각도에 따라 정확도에 한계가 있다(그림 1 참조). 

▲ 그림 1. 기구 가공축 옆에 부착된 광삼각 변위 센서

이렇게 세팅하는 구조로 사용하기 위한 유일한 구조는 스캐닝 센서가 레이저 시스템보다 앞서 이동할 수 있는 구조로 설치될 때만 사용이 가능하다. 게다가, 뜨거운 온도 환경의 장비 구조에서 센서는 최대한 멀리 배치하는 것이 좋다. 그러나 이렇게 배치하는 경우 측정 측면으로는 더 낮은 정확도를 생산하는 제품에 적합한데, 이는 기본적으로 센서와 목표물 사이의 거리가 증가할수록, 측정 정밀도는 감소하기 때문이다. 

 

Optimet 센서를 사용한 새로운 측정 원리 

Optimet 센서는 레이저 시스템의 오토 포커싱 파트에 대한 고유의 솔루션을 제공한다. 레이저 시스템에 Optimet의 비접촉식 변위 측정 센서를 통합시키면, 레이저 시스템의 세팅을 용이하게 하고 CAD 파일이 없는 경우에도 측정을 간단하게 하여 오토 포커스 기능을 사용할 수 있도록 한다. 

Optimet 센서는 자체 개발한 co-linear Conoscopic Holography 기술을 사용하여 거리를 측정하며, 이는 레이저 시스템의 광 경로에 같이 적용할 수 있다. 게다가 센서의 조명 디자인이 설계된 이후로, 렌즈는 센서로부터 멀리 위치할 수 있는데, 위치와 관계없이 레이저 시스템 자체에서 대물렌즈를 통해 거리를 측정할 수 있다. Optimet 센서 적용 고객 중 일부는 레이저의 대물렌즈에서 최대 2m까지 떨어진 위치에 센서를 설치한 뒤 성공적으로 통합하여 사용하는 경우도 있다(그림 2 참조). 

▲ 그림 2. 오토 포커스 레이저 시스템에 통합된 Optimet 센서

기존 시스템의 한계 

작업 진행 중에 물체는 평평해지거나 휘어질 수 있으며, 마킹, 절단, 또는 용접 되는 경우가 있다. 따라서 레이저 마킹, 용접, 드릴링 및 절단 시스템은 시스템의 세 개의 축(X, Y, Z) 모두 이동을 필요로 한다. 이것 또한 대상 물체의 CAD를 읽고 레이저 시스템으로 프로그래밍 하는 방법을 잘 아는 작업자가 있어야 하는데, 숙련된 작업자는 이런 시스템에 대한 지식이 있거나 많은 경험이 있어야 한다.

• 올바른 작동 거리 (정확한 초점 거리)에서 개체를 설정

• 객체가 평면이 아닌 경우 또는 절개선이 단순하지 않고, 도면이 필요하다면, 올바르게 도면을 판독하는 방법을 아는 작업자가 필요하다. 

• 제품 가공을 잘 하기 위해서는 세 축의 동작 설정을 잘 해야 하고, 이는 매우 어려운 세팅 조건을 의미한다. 이런 어려운 조건을 이해하고 맞추기 위해서는 다시 한 번 강조하지만 숙련된 작업자가 필요하다. 

• 가공 진행 중에 레이저의 초점이 맞지 않는 경우, 보정이 필요로 할 때, 어떠한 실시간 피드백도 없기 때문에 실시간 보정이 불가능하다. 

• 가공 과정 중에 초점의 유지가 어렵기 때문에 가공 속도를 올릴 수 없다. 

• 일반적인 거리 측정 센서 및 카메라는 레이저의 초점 위치에서 떨어져 축 외에 장착되며, 소프트웨어 정렬 및 사전 교정을 필요로 한다. 

• 샘플에 날카로운 각 또는 깊은 구멍이 있다면 음영이 발생할 수 있으며, 이에 대한 레이저 시스템을 보정하는 거리 측정 센서로부터의 실시간 피드백을 받을 수 없다. 

• 가공 진행 시 드릴링 및 마킹의 깊이가 중요한 때에 거리 센서는 그 정확한 깊이 위치에 대한 피드백이 실시간으로 필요하다. 

상기 모든 문제들이 기존 시스템의 작동을 부정확하고 비효율적으로 만들기 때문에 전문적인 작업자가 필요한 것이다. 

측정 과제 # 1: 동일한 원리 지점에서 스캐닝 하기 

레이저 마킹 용접, 천공 또는 절단 시스템에서의 레이저와 동일한 원리 지점(레이저 시스템이 표면에 투사되는 위치)에서 물체까지의 거리를 측정하기 위해서는 표면에서 센서로 다시 반사되는, 마치 신호처럼 출사되는 레이저 광이 동일한 광학 축선을 공유하는 collinear 기술이 가장 정확한 방법이라고 할 수 있다. 

이것은 Optimet의 특허인 conoscopic holography 기술이 가능하게 할 수 있는데, 동일한 위치 지점에서 거리 측정을 가능하게 하고 좁은 구멍 내부나 최대 ±85°의 가파른 표면까지 측정할 수 있는 다양하고 독자적인 기술의 센서 특성을 가지고 있다. 

측정 과제 # 2: 원격 렌즈 스캐닝 

원격 렌즈(기계적으로 센서에 연결되지 않은 렌즈)의 사용 및 역할은 레이저 시스템 산업에서 독특한 기술이다. 모든 레이저 시스템은 다른 매개 변수와 특정 광학 설계를 가진 고유의 렌즈를 사용한다. 거리 센서는 대물렌즈 또는 광학적 차이에 의한 영향을 받지 않고 거리 정보를 수집할 수 있어야 한다. 

그리고 F-세타 렌즈 같은 레이저 시스템의 대물렌즈 자체로 작동할 수 있어야 한다. 이것은 레이저 거리 센서에서 나오는 레이저와 표면에서 다시 반사되어 나오는 신호가 평행할 때 적용할 수 있다. 그래서 모든 광선이 평행하고 거리에 초점을 두지 않는다. 이 측정은 다른 종류의 대물렌즈 사용에 의해 측정값이 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다. Optimet의 기술은 센서로 부터 최대 2m 거리까지 떨어져 있는 원격 렌즈를 통해서도 거리를 정확하게 측정할 수 있는 기능을 제공한다. 

Optimet 센서는 마킹, 용접, 드릴링 또는 레이저 절단 시스템에 사용되는 동일한 유형의 대물렌즈 사용이 가능하다. 또한 마치 레이저 시스템 자체에 위치한 것처럼 동일한 조정 파라미터를 유지하면서, 렌즈로부터 센서까지 동일한 거리에 있는 것처럼 보정이 가능하다. 오직 Optimet 센서와 기술만이 두 가지 고유한 문제를 해결할 수 있다. 

 

Optimet 센서 사용의 장점 

• 0.05㎳의 시간으로 대상물 상부 면의 연속적인 거리 데이터를 시스템에 전달함으로써 표면의 모양과 관계없이 항상 초점을 유지할 수 있게 한다. 

• 센서의 측정 및 전송 속도는 레이저의 모션 시스템보다 몇 배 더 빠르기 때문에, 장비 내에서 다른 시스템 구성에 비해 빠른 실행을 가능하게 하고, 정확한 측정 결과를 제공한다. 

• 실시간으로 조절 가능한 초점을 사용하여 레이저 마킹 시스템의 가공 면의 정확한 위치 정보를 제공한다. 

• Optimet 센서의 자동 노출 기능은 자동으로 센서의 레이저 세기를 조정하여 낮은 반사율 (0.3%)의 검은색 표면에서 높은 반사율(90%)의 흰색 표면으로 이동하는 경우에도 정확한 측정을 할 수 있다. 

▲ 사진 2. 레이저 마킹 시스템으로 마킹된 표면이 굴곡진 물체

▲ 그림 3. 삼각 변위 센서 또는 카메라를 사용해 굴곡진 객체를 측정했을

때 나타나는 음영 효과

 

▲ 그림 4. 하나의 광로를 사용한 절단 시스템에 통합된 Optimet 센서

요약 

오토포커스 레이저 시스템의 기능은 점점 필수가 되고 있다. Optimet 센서는 가공 위치와 같은 지점에서 쉽게 피드백을 받을 수 있도록 만들어졌다. 

레이저 마킹, 용접, 드릴링, 절단 시스템 그리고, 이미지 오토포커스 모듈에까지 ㈜디쌤에서 제공하는 Optimet 센서를 적용하는 것은 전문 작업자에 의존하지 않고, 정확하고 더 빠르게 시스템 작업을 할 수 있는 검증된 솔루션이다.

/(주)디쌤