임베디드 공정 제어를 통해 레이저 시스템 생산성 향상

레이저 기반 생산 공정은 다양한 상황에서 다른 제조 기술에 비해 속도, 품질 및 비용상의 이점을 제공합니다. 그러나 레이저 공정의 이점을 완전히 구현하려면 공정을 수행하기 전, 수행 도중 및 수행 후에 신중한 모니터링과 제어가 필요합니다. 이 문서에서는 이러한 유형의 공정 제어를 구현하는 데 사용할 수 있는 방법과 특정 도구를 검토합니다.

모든 유형의 제조 공정은 변동될 수 있으므로 때때로 만족스럽지 못한 결과를 낳을 수 있습니다. 레이저 공정의 경우 광학 장치 및 빔 전달 시스템의 정렬, 손상 또는 오염 문제, 부품 취급 및 위치 지정 오류 등으로 인해 레이저 소스 자체에 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 레이저 공정 결과는 부품 재료 구성이나 치수에 불일치가 있거나 주변 작동 환경에 중요한 변화가 있는 경우에도 달라질 수 있습니다. 물론 작업자 오류도 항상 존재합니다.

공정 제어의 목표는 최대한 빨리 이러한 문제를 식별하고 해결하는 것입니다. 불량 부품이 만들어지기 전이나 적어도 불량 부품이 많이 생산되기 전에 문제를 식별하고 해결하는 것이 이상적입니다. 그리고 항상, 규격에 맞지 않는 제품이 고객에게 배송되기 전에 이를 수행해야 합니다.

공정 제어는 품질 향상을 위해 사용되는 것이 분명하지만 스크랩 및 재작업을 줄이고 재료 낭비를 최소화하여 비용을 절감할 수도 있습니다. 겉으로 확연히 드러나지는 않지만, 효과적인 공정 제어를 통해 비용을 절감할 수 있는 다른 방법들도 있습니다. 

그중 하나는 공정 제어 계측기에서 수집한 데이터를 사용하여 기계 활용도를 분석하는 것입니다. 그런 다음 이 정보를 적용하여 전반적인 생산 효율성을 개선하고 레이저 시스템 자체에 대한 투자 수익률을 더 빠르게 달성할 수 있습니다. 또 다른 이점은 불량 제품이 최종 사용자에게 도달할 경우 발생할 수 있는 책임 또는 리콜 비용과 관련된 비용 절감입니다.

마지막으로, 공정 제어 및 여기에서 파생된 데이터는 현재 많은 산업에 존재하는 규정 준수 요구사항을 충족하는 데 필수적인 요소가 될 수 있습니다. 점점 더 많은 규정 준수 표준을 충족하려면 생산 배치 또는 모든 개별 부품에 대한 레이저 및 기타 시스템 매개변수를 기록해야 합니다.

공정 제어를 구현해야 하는 때

포괄적으로 구현된 공정 제어 방식은 레이저 공정의 모든 단계에서 검사 및 데이터 수집을 포함합니다. 이것은 크게 네 가지 영역으로 나눌 수 있습니다. 

• 공정 전 제어
• 공정 중 모니터링 및 제어
• 공정 후 제어 
• 주기적인 시스템 제어

이러한 각 단계에서는 일반적으로 공정 제어 계측 및 구현 세부사항 측면에서 다양한 옵션을 사용할 수 있습니다. 사용자는 필요하거나 유용한 측정값과 품질 및 처리량에 어느 정도까지 영향을 미칠지를 결정해야 합니다. 물론 이것은 각각의 비용과 비교해서 평가해야 합니다. 이러한 각 단계를 개별적으로 검토하여 사용 가능한 도구와 잠재적인 이점을 검토할 필요가 있습니다.

공정 전 제어

목공들에게는 "두 번 측정하고 한 번에 자른다"라는 옛말이 있습니다. 이 말은 오류가 발생하지 않도록 방지하는 것이 나중에 수정하는 것보다 낫다는 생각을 표현합니다. 그리고 생산 중에 문제를 조기에 확인할수록 더 좋습니다. 따라서 사전 공정 측정은 오류, 스크랩 및 재작업을 줄이는 데 특히 효과적입니다.

레이저 공정의 경우 일반적으로 공정 전 측정을 먼저 사용하여 올바른 부품이 로딩되었는지 확인합니다. 이 작업은 부품 크기/모양을 검사하거나 부품에 있는 바코드 또는 기타 식별 표시를 판독하여 수행할 수 있습니다. 또한 부품 치수 및 방향을 측정할 수 있으며 가공을 위한 정확한 위치를 찾을 수 있습니다. 레이저 마킹의 경우 이 단계에서 시스템이 다른 제조 시스템으로부터 가변 입력 데이터(일련 번호, 로트 번호 및 기타 식별 정보)를 수신하는 것도 매우 일반적입니다.

이러한 종류의 측정에 사용되는 가장 일반적인 계측기는 카메라 기반 비전 및 패턴 인식 시스템입니다. 여기에는 특수 조명 액세서리가 함께 제공될 수 있습니다. 

일반적으로 비전 시스템은 에지 감지를 사용하여 부품의 존재를 확인하고 정확한 위치를 결정합니다. 또한 부품의 특정 기능이나 구조도 식별할 수 있습니다. 용접 공정의 경우 용접 갭을 감지하고 측정하여 부품 맞춤을 결정할 수 있습니다. 레이저가 작업 표면에 적절하게 초점을 맞추는지 확인하기 위해 초점 위치 검사를 수행할 수도 있습니다.

3D 형상(단순한 평면이 아님)으로 부품을 처리하려면 x축과 z축의 모션과 함께 라인 스캔 카메라를 사용하여 형상 감지를 수행할 수 있습니다. 이는 일부 시스템이 최종 윤곽 표면에서 올바르게 보이도록 레이저 마크를 "사전 왜곡"할 수 있기 때문에 마킹 작업에 특히 유용합니다. 그러나 이러한 유형의 시스템을 성공적으로 작동하려면 마킹할 부품의 모양과 방향을 정확하게 측정해야 합니다.

공정 중 모니터링 및 제어

공정 중 모니터링은 많은 작업에 사용되지만 용접 응용 분야에서 가장 중요할 수 있습니다. 그 이유는 용접 품질이 레이저 작동 매개변수에 상당히 민감하기 때문입니다. 또한 용접 부위의 간격이나 결합력이 약한 부분은 일반적으로 부품의 전체 실패를 나타내므로 실수할 여지가 거의 없습니다.

용접하는 동안 몇 가지 사항을 측정해야 합니다. 여기에는 출력 전력과 같은 레이저 작동 매개변수 및 용접 간격과 적절한 초점에 대한 빔 위치가 포함됩니다. 금속 용접에서는 침투 깊이, 스패터 및 공극 등과 같은 다양한 용접 매개변수도 감지할 수 있습니다. 특히 폴리머 용접의 경우 용접 심 전체의 온도와 상부의 붕괴 높이를 측정하는 것이 일반적입니다.

이러한 모든 측정을 수행하기 위해 다양한 계측기가 개발되었습니다. 고속 카메라와 광학 컴퓨터 단층 촬영(OCT)을 통한 측정은 아마도 가장 널리 사용되는 기술일 것입니다. 역반사 레이저 광의 측정과 용접 공정 자체에 의해 방출되는 빛 또한 매우 유용한 프로브입니다. 또한 음향 모니터링은 재료 내에서 용접 공정의 상태를 감지하는 민감한 방법이 될 수 있습니다. 고온계 기반 레이저 전력 제어 및 열화상 이미징도 자주 사용됩니다.

공정 후 제어

일반적으로 공정 후 제어 작업에는 두 가지 기본 목표가 있습니다. 첫 번째는 공정이 올바르게 수행되었는지, 부품이 규격 내에 있는지 확인하는 것입니다. 두 번째는 ISO 및 기타 표준에 따라 결과를 기록하는 것입니다. 여기에는 완성된 부품의 측정뿐만 아니라 레이저 및 기타 시스템 매개변수의 기록이 포함될 수 있습니다.

금속 용접의 경우, 특히 균열의 형성을 감지하기 위해 냉각 단계에서 가공 중에 사용되는 것과 동일한 일련의 기술을 사용할 수 있습니다. 다시 말하지만, 여기에는 다른 방법 중에서도 열화상 및 음향 감지가 포함될 수 있습니다. 비전을 사용하여 전체 용접 형상 및 정렬을 평가할 수 있습니다. 인공지능(AI) 및 기타 머신 러닝은 부품 품질 및 외관을 평가하는 비전 시스템과 함께 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이를 통해 공정을 더욱 완전하게 자동화할 수 있으며 작업자 의존성과 주관성을 줄일 수 있습니다.  

주기적인 시스템 제어

주기적인 시스템 제어는 시스템이 사용 중인 시간 사이에 수행되는 작업을 의미합니다. 이러한 작업의 목적은 특정 작업과 관계없이 시스템의 상태를 측정하고 필요한 조정을 수행하는 것입니다. 또한 이것은 전체 장비 효율성(OEE)과 관련된 데이터를 수집할 수 있는 지점이기도 합니다.

레이저 시스템의 경우 여러 빔 관련 매개변수를 주기적으로 평가해야 합니다. 여기에는 전력, 빔 품질(M² 및 모든 핫스팟 또는 작은 스케일의 강도 변화 식별), 빔 정렬 및 초점 위치가 포함됩니다. 빔 경로 내의 모든 광학 장치의 광학 정렬 및 오염도 이 지점에서 식별할 수 있습니다. 이러한 유형의 측정은 시스템의 적절한 작동과 시스템 간 변동 최소화(생산 일관성 향상)에도 중요합니다.

통합 소프트웨어를 통한 공정 제어 간소화

과거에는 사용자가 레이저 시스템에 타사 공정 제어 계측기를 추가하는 경우가 많았습니다. 이것은 이러한 액세서리의 광학, 기계, 전자 및 소프트웨어 통합을 복잡하게 만들었습니다. 그리고 시스템이 제대로 작동하지 않을 때 공급업체들 사이에서 종종 "비난"이 발생했습니다. 그러나 이제 레이저 시스템 제공업체가 이 모든 기능을 통합하여 단일 턴키 시스템으로 제공하는 것이 점점 더 보편화되고 있습니다.

예를 들어 Coherent는 많은 레이저 용접, 절단 및 마킹 기계에서 방금 설명한 모든 기능에 대한 공정 제어 계측기를 제공합니다. Coherent Laser FrameWork는 이러한 모든 도구의 사용을 통합하고 단순화하는 통합 소프트웨어 플랫폼 및 기계 인터페이스를 제공합니다. 비전을 사용한 공정 전 검사, 용접 공정 중 모니터링, 공정 후 빔 진단 등의 다양한 공정 제어 작업을 작업 설정 중에 레이저 매개변수 및 부품 처리 작업과 함께 지정할 수 있습니다. 이 그래픽은 Laser FrameWork에서 간단한 드래그 앤 드롭 기능을 사용하여 공정 레시피에 이러한 요소를 추가하는 방법을 보여줍니다.

다음 그래픽은 이 기능을 특정 작업(이 경우 금속 용접 공정)에 사용하는 방법을 보여줍니다. 먼저 PartVision(카메라 기반 액세서리)이 부품 바코드를 판독하여 올바른 부품이 제공되었는지 확인하고 적절한 공정 레시피를 기계에 로딩합니다. 다음으로, 비전 시스템은 용접이 발생할 부품의 특징을 식별합니다. 

용접 공정 자체는 SmartSense+를 사용하여 모니터링됩니다. 이 시스템은 광학 검출기와 음향 센서를 통합하여 역반사된 레이저 빛과 공정 자체에서 방출되는 빛을 포착합니다. 용접 공정 상태를 지속적으로 평가하여 문제나 결함을 즉시 파악합니다.

PartVision은 공정 후에 부품 검사를 위해 사용됩니다. 그런 다음 모든 공정 매개변수 및 기타 관련 정보가 시스템에 의해 저장됩니다.

마지막으로, 작업 간에 빔 검사를 사용하여 레이저 빔의 상태를 평가합니다. 빔 검사는 공정 결과에 영향을 미치는 모든 빔 매개변수의 정밀도, 자동화된 측정 및 계산을 수행하는 통합 레이저 빔 진단 도구입니다.