[논문]3차원 부품 레이저 용접용 스캐너 광학 최적설계

최해운

doi:10.14775/ksmpe.2020.19.06.096

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we present the results of our research to perform 3D laser scanning functions by adding a focusing lens to a conventional 2D laser scanner. For the optical design, the ray-tracing technique was used along with a total of four lenses as the variable incident focusing lens, the collimat...

In this paper, we present the results of our research to perform 3D laser scanning functions by adding a focusing lens to a conventional 2D laser scanner. For the optical design, the ray-tracing technique was used along with a total of four lenses as the variable incident focusing lens, the collimating lens, and the F-Theta lens. As design variables, the curvature of the incident focusing lens (Lens #1) was assumed to be us, l mm and sumed mm, and the incident angles were set at 0cidenus, l. In addition, the distance between the focusing lens and the collimating lens was set to vary from 5 mm to 15 mm. When the incident focal length was varied from 5 mm to 15 mm, the exit focal length was calculated to vary from 67.5 mm to 56.8 mm for the lens with R = 100 mm and from 108.5 mm to 99.0 mm for the lens with R = 150 mm. When the incident angle was 0°, the focal aberration was only slightly observable at 10㎛ in both the x- and y-direction. At 7.5° was the focal aberration of approximately 20~50㎛ was measured at 20㎛. To investigate the chromatic aberration of the designed optical device, the distortion of the focus was observed when the 550 nm beam was simulated on lens designed for a 980 nm wavelength.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 2차원 레이저 스캐너에 추가적으로 초점렌즈(Focusing Lens)를 장착하여, 3차원 레이저 스캐너에 준하는 기능을 수행 할 수 있도록 레이저 스캐너 광학부품을 최적화하는 기술에 대 한 연구결과를 보고한다.

제안 방법

본 논문에서는 2차원 레이저 스캐너에 초점렌즈를 추가하여, 3차원 레이저 스캐너 기능을 수행하도록 광학부품을 설계하였다. 광학설계에는 광선추적기법을 사용하였고, 총 4매의 렌즈를 사용하여, 입사 초점렌즈, 콜리메이팅 렌즈 및 F-Theta 렌즈 기능을 수행하도록 설계 하였다.
본 논문에서는 2차원 레이저 스캐너에 초점렌즈를 추가하여, 3차원 레이저 스캐너 기능을 수행하도록 광학부품을 설계하였다. 광학설계에는 광선추적기법을 사용하였고, 총 4매의 렌즈를 사용하여, 입사 초점렌즈, 콜리메이팅 렌즈 및 F-Theta 렌즈 기능을 수행하도록 설계 하였다.

대상 데이터

4매의 렌즈는 각각 다음과 같이 구성되었다. Lens #1 은 가변렌즈로서 입사 초점렌즈이며, Lens #2 는 콜리메이팅렌즈이며, Lens #3 ~ #4는 표준 F-Theta렌즈로 구성 되었다.
에 도시 되었다.에 Fig. 3a나타난 바와 같이 렌즈는 총 4매로 최소 설계 되었으며, ZEMAX DB에서 ZBASE (P-002)를 기반으로 최적화 모델을 수정하여 설계하였다^[6] .
Table 1에 기술된 바와 같이. 렌즈설계 데이터로 Face(좌, 우면), Curvature(곡률), Distance(렌즈가 거리), Material(재질)가 주 입력변수로 사용되었다. 렌즈의 곡률이 양수(positive)인 것은 볼록렌즈(Convex)를 의미하고 음수(negative)인 것은 오목렌즈(Concave)를 의미한다.

데이터처리

3차원 수용도를 보기 위해서 렌즈 #1과 #2의 거리 변화에 따른 초점거리를 계산하였다. ;Fig. 5에서 나타난 바와 같이 초점렌즈(Lens #1) 거리를 5 ~ 15mm 범위에서 가변하였을 때 초점거리(Lens #4와 초점위치)가 연동되어 가변 되는 것을 알 수 있었다.
이때, 최적의 초점으로 계산되는 거리 즉 초점거리를 추적 관찰하였으며, 초점위치에서의 초점수차를 계산하였다. 초점수차 계산을 위해서 각 입사각 별 초점왜곡도(abberation or erorr) 값을 비교하였고, 파장별 왜곡도도 비교분석 하였다.

이론/모형

또한, Modular Transfer Function (MTF)를 이용하여 렌즈의 광학특성을 분석 하였다. MTF는 렌즈의 성능을 평가하는 척도의 하나로 초점에서의 선명도를 계산하여, 초점 위치에서의 이미지 재현도를 객관적으로 나타낼 수 있는 척도이다.
초기 변수 값을 설정 후, ZEMAX 최적화 (Optimization) 기능을 거쳐서 최적 초점거리 즉, 렌즈 #4와 초점위치 거리를 추적관찰 하였으며, ZEMAX의 최적화 과정은 변수설정에 따른 무한 단순반복(Iteration) 방법이며, Third aberration theory와 local 및 global 최적화 알고리즘을 사용하여 계산을 하였다^[6],[8] .

성능/효과

5° 조건에서 입사 초점 렌즈와 콜리메이팅 렌즈 사이의 간격을 5 ~ 15mm로 가변 하도록 설정하였다. 결과적으로, 입사 초점렌즈 거리를 5 ~ 15mm로 가변하였을 때, 출사 초점거리는 R=100mm인 경우 67.5 ~ 56.8mm, R=150mm의 경우 108.5 ~ 99.0mm 범위에서 계산되었다.
5°의 경우에는 10㎛ 벗어난 범위에서 25 ~ 50㎛ 범위의 초점수 차가 계산이 되었다. 설계된 광학장치의 색수차를 알아보기 위해서 980nm 파장으로 설계된 렌즈에 550nm의 빔을 가정하여 시뮬레이션 하였을 때 초점의 왜곡이 심하게 발생되었다.
입사각이 0°의 경우 x 방향과 y 방향 모두 20㎛ 에서는 초점수차가 거의 없었고, 7.5°의 경우에는 10㎛ 벗어난 범위에서 25 ~ 50㎛ 범위의 초점수 차가 계산이 되었다. 설계된 광학장치의 색수차를 알아보기 위해서 980nm 파장으로 설계된 렌즈에 550nm의 빔을 가정하여 시뮬레이션 하였을 때 초점의 왜곡이 심하게 발생되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자빔 용접이 가지는 문제는 무엇인가?	레이저 빔은 국소영역에 높은 집속도로 에너지를 소입하기 때문에 열영향 영역을 최소화 할 수 있고 깊은 용입으로 인해서 용접부의 신뢰성을 기할 수 있다 고밀도 집속으로 레이저 용접공정은 용접성에 미치는 소재의 영향도가 낮고, 용접부 강도가 우수하여 자동차 부품 및 조립용접에 널리 사용되고 있다[1-4] . 비슷한 이유로 전자빔 용접도 많이 사용되고 있지만 진공환경 구축 및 , 자기장 영향에 따른 높은 소재 관리의 문제로 인 해 레이저 용접으로의 생산기술이 전향되고 있다.
	레이저 빔의 특징은 무엇인가?	고밀도 에너지 열원으로 레이저가 산업계 전반에서 광범위하게 사용이 되고 있다 특히 자동차 부품에서는 높은 신뢰성과 더불어 원가절감의 이유로 기존 전기저항용접 및 아크용접 (ERW) (MIG 및 에서 레이저 용접으로 빠르게 대체 되고 TIG) 있다[1-2] . 레이저 빔은 국소영역에 높은 집속도로 에너지를 소입하기 때문에 열영향 영역을 최소화 할 수 있고 깊은 용입으로 인해서 용접부의 신뢰성을 기할 수 있다 고밀도 집속으로 레이저 용접공정은 용접성에 미치는 소재의 영향도가 낮고, 용접부 강도가 우수하여 자동차 부품 및 조립용접에 널리 사용되고 있다[1-4] . 비슷한 이유로 전자빔 용접도 많이 사용되고 있지만 진공환경 구축 및 , 자기장 영향에 따른 높은 소재 관리의 문제로 인 해 레이저 용접으로의 생산기술이 전향되고 있다.
	2차원 레이저 스캐너에 추가적으로 초점렌즈(Focusing Lens)를 장착하는 이유는 무엇인가?	Fig. 2와 같은 3차원 부품의 용접에 있어서는 기존 차원 스캐너로서는 초점을 보정 할 수가 없어서 XY 방향뿐만 아니라 Z 방향(Focal depth)으로의 제어도 요구된다. 이러한 기능수행을 위해서 2 차원 F-Theta렌즈를 초점거리에 따라 다르게 교체해주어야 하지만, F-Theta렌즈는 매우 고가이며 작업 시 실시간으로 교체하는 것은 사실상 불가능하다.

참고문헌 (9)

Kessler, F., “Fiber Laser Welding in the Car Body Shop,” Journal of Welding and Joining, Vol. 31, No. 4, pp. 17-22, 2013.
Wang, P., Chen, X., Pan, Q., Madigan, B. and Long, J., "Laser welding dissimilar materials of aluminum to steel: an overview," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 87, pp. 3081-3091, 2016.

상세보기
Mohammadpour, M., Yazdian, N., Yang, G., Wang, H., Carlson, B. and Kovacevic, R., "Effect of dual laser beam on dissimilar welding-brazing of aluminum to galvanized steel," Optics and Laser Technology, 98, pp. 214-228, 2018.

상세보기
Lee, S. T., Park, S. G., and Choi, H W., "CFRP Laser Joining Computer Simulation in a Parallel Kinematic Machine," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 16, No. 1, pp.77-82, 2017.

원문보기 상세보기
Park, J. U., Lee, J. B., An, G. B., Kim, S. M. and Seo, H. W., “Characteristic of Welding Rotational Deformation in Laser Welding of Thin Steel Sheet,” Journal of Welding and Joining, Vol. 36, No. 6, pp. 1-7, 2018.

상세보기
ZEMAX-EE, Web information, zemax.com, May. 2015.
II-VI laser company web site, https://www.ii-vi.com/laserenterprise-careers/
Choi, H. W., “Analysis of Optical Characteristics of Oil Immersion Lens in Aqueous Environment,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 18, No. 11, pp. 18-23, 2019.

원문보기 상세보기
Park, J. D., Kim, S. Y., Han, M. S. and Jeon, E. C., “Application of Automatic Design Program for Aspheric Lens Design,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 6, No. 3, pp. 3-8, 2007.

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