Brevet FR2112545A1 — publié le 19720616

La présente invention concerne un dispositif optique d'observation d'une pièce usinée par un faisceau d'énergie, et plus précisément un tel dispositif permettant une observation depuis 11 extérieur d'une chambre sous vide lors de l'usinage 3 par bombarder; ont électronique de divers..*s matières. Bien qu'on puisse mettre en oeuvre l'invention avec n'importe quel faisceau d'énergie provoquant l'émission par la pièce de vapeurc Kutklliques, elle cenvier-t particulièrement à l'usinage , la découpe et le soudage par bombardement électronique, 10 et autres telles opérations effectuées sur une pièce métallique, et, pour simplifier la description, on se réfère essentiellement dans le présent mémoire aux faisceaux d'électrons. On réalise l'usinage par bombardement électronique dans une chambre étanche sous vide poussé. Ainsi, une fois la cham- 15 bre fermée ot le fonctionnement commencé, on doit pouvoir utili-un v , ser/ dispositif quelconque d'observation de la piece. -En général, de tels dispositifs doivent aussi permettre d'aligner avec précision le raccord à travailler sur le faisceau à1 electrcr.3.Si le raccord n'est pas aligné sur l'un des axes de déplacement 20 lorsque la chambre est ouverte, on ne peut jamais facilement le réaligner lorsque la chambre est sous vide et en conséquence hors d'atteinte de l'opérateur. On connaît plusieurs dispositifs optiques d'alignement et d'observation d'une pièce. Cependant, tous ceux-ci présen-25 tent un inconvénient essentiel. Dans chaque cas, ces dispositifs comprennent une surface métallique réfléchissante très polit destinée à réfléchir l'image de la pièce vers un tc-lesecpe disposé en dehors de la chambre. Le plus, dans chacun ces cas, il faut prendre grand 5oin et utiliser des dispositifs élaborés 30 pour que ces miroirs métalliques très polis ne puissent recevoir les vapeurs métalliques ou venir à leur contact, lorsque la pièce est en traitement. Hivers dispositifs comprennent ainsi des miroirs très polis et comportant des orifices, montés- en faisant environ 43 e avec le faiscc, u électronique, drr.s le eu non 35 à électrons lui-même, ou ils comprennent un carter protecteur comprenant un obturateur empêchant que les vapeurs n'atteignent le miroir. bad OBISIHAL 71 39930 2112545 Evidemment, tous ces dispositifs ajoutent des mécanismes coûteux et/ou compliqués à. la machine créant le faisceau d'électrons . Les mornes vapeurs métalliques créées lors de l'usinage et affectant le système optique, recouvrent aussi toutes les surfaces exposées et provoquent éventuellement la transformation des éléments tran?parents en éléments d'abord translucides, puis finalement opaques. Parmi les deux types de systèmes d'éclaire-ment actuellement utilisés dans les dispositifs optiques, l'un projette la lumière à travers les lentilles utilisées pour l'observation optique et l'autre utilise une source qui éclaire directement la surface de la pièce. Comme les vapeurs fournies par la pièce suivent les trajets d'observation, les lampes ou lentilles exposées de la source dirigée directement sur la pièce se recouvrent rapidement de vapeurs métalliques, et la lumière disponible pour l'éclai-rement diminue lorsque la lentille devient translucide et disparaît presque complètement lorsque la densité du revêtement augmente. Comme le revêtement est réfléchissant du coté de la lentille ou de l'ampoule tournée vers la source, la lumière revient vers la source au lieu d'etre transmise vers la pièce. Les mêmes phénomènes se produisent lorsqu'on dirige la lumière par une lentille d 'observatioryfet un verre protecteur. Alors que la vapeur améliore le pouvoir réflecteur d'une surface, la même quantité de vapeur diminue de façon très importante la transmission. Comme l'observation dépend de la lumière réfléchie revenant de la surface par les lentilles vers l'oeil de l'observateur, la brillance de l'image observée dépend de 1'éclairement initial de la surface.Toutes vapeurs qui Te déposent sur le verre protecteur ou sur les lentilles et qui réduisent la transmission de la lumière d'éclairement réduisent obligatoirement la lumière réfléchie suivant le trajet d:observation. Un dispositif optique d'observation du type utilisé universellement dans le procédé de soudage par bombardement électronique correspond tout à fait à l'expression de projecteur opaque. Cela signifie que lorsqu'une surface opa- yDartiellernent , , . . , , que mais au moins/reflecnissante/ est cclairee par une source lumineuse, une certaine quantité de la lumière est diffusée ; cependant, un petit pourcentage de la lumière se réfléchit dans lo *0 original] i 71 39930 2112545 dispositif d'observation. En conséquence, la brillance de source l'image observée est toujours très inférieure à celle de la/d'é-clairement. La réflexion déjà très faible par la surface peut • encore être réduite par d'autres pertes dans la colonne optique, 5 par exemple par réflexion sur les surfaces des lentilles ou diminution de la transmission du fait des couches de vapeur métallique sur un verre protecteur ou les surfaces des lentilles dans le trajet optique. L'invention concerne un dispositif optique d'observation 10 simple et peu coûteux assurant simultanément 1'éclairement et destiné aux machines de bombardement électronique ; il fournit une image de brillance maximale pendant une période notable. Le miroir réfléchissant est disposé au voisinage de la pièce et il est revêtu de vapeurs métalliques fournies par celle-ci. Des ou-15 vertures du canon ne réduisent pas le faisceau optique. Il comprend un dispositif d'éclairement séparé de la colonne, d'observation, si bien qu'il n'y a pas de reflet interne, mais il est disposé de manière que l'intensité lumineuse reste à une valeur convenable quel que soit le dépôt de vapeurs. 20 Comme on l'a vu précédemment, tous les dispositifs connus comprennent un miroir faisant un angle de 452 avec l'axe central du canon à électrons et monté à l'intérieur de celui-ci. Le miroir réfléchit la lumière provenant de la surface de la pièce suivant un trajet aboutissant à un oculaire grossissant disposé 25 en dehors de la chambre. Ces dispositifs permettent seulement l'observation au cours du soudage pendant quelques secondes, suivant la quantité de vapeurs créée. Habituellement, le miroir est protégé contre les vapeurs métalliques et les autres matières contaminantes provenant de la surface de la pièce au cours 30 du soudage par un verre protecteur placé à une certaine distance au-dessous du miroir et perpendiculaire à l'axe de vision. Comme les vapeurs métalliques qui s'échappent de la soudure revêtent la surface du verre très rapidement, le pourcentage de la lumière transmise diminue très vite. Une fois que le verre est 35 devenu opaque, on peut le déplacer d'une petite quantité pour exposer une nouvelle surface transparente. Ces nouvelles surfaces peuvent^ à leur tourne rester transparentes que quelques secondes. ' BAD ORIGINAL, 71 39930 " 2112545 Les vapeurs métalliques provenant de l'opération et affectant le système optique agissent aussi comme revêtement de toutes les surfaces exposées et peuvent aussi rendre translucides, puis finalement opaquesy toutes les surfaces exposées. Parmi 5 les deux types de dispositifs d'éclairement connus, un type pro-. jette la lumière par les mêmes lentilles utilisées pour l'observation et l'autre utilise une source séparée dirigée directement à la surface de la pièce. L'invention concerne un ensemble optique qui, pour la 10 première fois, a un dispositif & miroir sous le canon et non dans celui-ci, et supprime les limites des dispositifs antérieurs, en mettant en oeuvre une bande de 15 cm de verre ou de métal plane, mince, revêtue ou transparente, utilisé comme miroir, sans verre proteetèur. . •. Il faut noter que le même disposi-15 tif peut aussi fonctionner lorsqu'il est placé dans le canon, mais cette disposition est relativement peu souhaitable. Le verre ou le métal est revêtu par la vapeur métallique lorsque com-,et mence le soudage/il se forme alors un miroir tout a fait convenable sur la face -avant. La même épaisseur de revêtement de va-20 peur qui rend un verre opaque à la lumière transmise, selon les dispositifs antérieurs, améliore en réalité la réflexion de la lumière par la surface plane de la lame de verre.Les possibilités de réflexion du miroir peuvent durer pendant plusieurs minutes ou même des heures au cours du soudage de l'aluminium, et 25 parfois moins lors du soudage du titane, de l'acier et d'autres matières. Si les surfaces du miroir se dégradent, on le déplace latéralement par un dispositif mécanique de quelques millimètres de manière Exposer une surface propre qui est revêtue et agit comme un nouveau miroir. Comme il n'y a pas de verre protecteur 30 qui est caché, la durée du miroir n'est limitée que par l'épaisseur excessive de la couche formée par les vapeurs qui, dans le cas de l'acier ou matières analogues, provoque un écaillage après environ 10 secondes d'opération. Ensuite, le verre ou le métal est déplacé si bien qu'il présente une surface 35 propre. La durée de l'exposition permise dépend de la matière et de la quantité de vapeur libérée par la matière fondue. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention rassortiront mieux de la description qui va suivre, faite en 71 39930 5 2112545 référence au dessin annexé sur lequel : la figure 1 est un scliéma des divers éléments de l'appareil selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est un schéma du dispositif optique, illus— 5 trant les sources d ' écl ai renient montées dans le dispositif ; la figure 3 est une élévation latérale schématique du dispositif d1éclairement et de son miroir qui se renouvelle lui-même ; et la figure 4 est une élévation latérale schématique du 10 dispositif optique montrant le viseur optique. La figure 1 représente l'ensemble 10 à miroir monté à l'extrémité inférieure du canon 12 à électrons dont il dépasse. L'ensemble 10 est monté à pivotement, si bien qu'on peut faire varier l'angle d'environ 40 à environ 50S, dans un but qu'on 15 expliquera plus loin. Le reste du dispositif comprend un objectif 14 associé à un dispositif 16 de réglage manuel ou-automatique assurant la focalisation de l'image virtuelle du miroir sur le plan du réticule 18. Celui-ci peut être fixe ou mobile. Un collimateur 20 voit les traits du réticule 18 et donne un fais-20 ceau collimaté de rayons parallèles. Du fait de l'absence de foyer, l'image projetée peut être observée en un point quelconque de son trajet sous forme d'une image nette et complète. Ces éléments peuvent être disposés en ligne droite ou, comme représenté sur la figure 1, les miroirs 22 et 24 peuvent dévier le 25 trajet des rayons lumineux en réduisant la place occupée. Hors de la chambre C,ou à l'intérieur de celle-ci le cas échéant, et dans l'alignement des rayons parallèles fournis par le collimateur 20, un dispositif grossissant 26 monoculaire ou binoculaire, habituellement un télescope, transmet l'image pro-30 jetée par le dispositif optique interne à travers une fenêtre F. On peut faire varier le grossissement du dispositif à l'aide d'oculaires interchangeables. Un viseur optique 28 monté dans la colonne du dispositif voit le même champ que le télescope externe 2b. Le viseur 28 35 comprend un prisme rectangulaire (ou un miroir) et un oculaire grossissant. L'ensemble est monté dans un tube avec un oculaire à une extrémité et un prisme à l'autre. Le prisme est inséré dans la colonne au-dessus du réticule, si bien que le viseur 5AD 71 39930 2112545 voit l'image do ]a surface, projetée sur le plan du réticule par l'objectif de la même manière que décrit pour le collimateur. L'observateur peut alors régler le foyer de l'objectif, choisir le champ voulu de vision et aligner le réticule sur la 5 cible. Au cours du fonctionnement, lorsque l'opérateur ouvre la chambre C, il peut voir l'image 30 par le viseur 28 pendant qu'il règle l'emplacement de la pièce, car il peut alors facilement atteindre la pièce dans la chambre. Le viseur permet /in opérateur unique de régler initialement le dispositif en ali-10 gnant le réticule sur la pièce, en focalisant l'objectif, en choisissant le champ de vision et en réglant 11éclairement et la position de l'image. Sur la figure 2, un dispositif d'éclairement comprend deux sources 32 placées de part et d'autre et permettant un 15 réglage de l'ombre et 1'éclairement de la surface à observer. Les faisceaux lumineux provenant des deux sources formées de projecteurs destinés à être focalisés, sont dirigés sur le miroir 10 qui se revêt lui-même et qui forme un ^ngle approprié. Les sources lumineuses sont elles-mêmes montées de manière qu'on 20 puisse les régler angulairement ou linéairement, de sorte que la lumière réfléchie est convenablement dirigée sur la surface de travail. On peut aussi projeter la lumière sur la surface comme décrit sur la figure 3. La figure 3 représente schématiquement la disposition 25 de la source .lumineuse et d'un miroir associé se renouvelant. Lors de l'utilisation, un verre protecteur transparent 41 recouvre le miroir 40. Initialement, la lumière de l'ampoule 44 passe par la lentille 45 et le verre 41set est réfléchie à 90S par rapport à son trajet d'origine, vers la surface de tra-30 vail. Le dispositif 43 de montage du miroir peut tourner par rapport au boîtier, si bien que la lumière fournie peut être dirigée en tout point de la surface de travail. Lorsque le travail avance, les vapeurs revêtent la surface du verre 41 et protègent le miroir 40 en formant une surface réfléchissante, 35 qui prend le relais de l'ensemble à miroir. Comme cette surface assure une simple réflexion de la lumière et non une formation d'image précise, on peut laisser le revêtement s'accumuler oana le changer et sans qu'il ne perde son rôle. BAD ORIGINAL 71 39930 7 2112545 D'autre part, si on dirige l'ensemble à ampoule 44 et lentille 45 vers la source de vapeurs ces éléments sont très rapidement recouverts. Selon l'invention, le miroir 10 se trouve soit directe-5 ment sur la ligne de vision de l'opérateur, soit sur l'axe optique de vision après le collimateur 20, le miroir 24, le réticule 28, le miroir 22 et l'objectif 14. Si l'opérateur observe à l'oeil nu l'image réfléchie de la surface de travail, l'image est toujours focalisée. Ceci est dû à la focalisation automati-10 que assurée par l'oeil humain qui suit un objet mobile (accommodation) . Lorsqu'il faut grossir l'image, ce qui est habituellement le cas, l'opérateur utilise un dispositif grossissant, par exemple un télescope, pour observer l'image par le miroir. Un té-15 lescope a une distance focale bien déterminée et or^oit le régler de manière qu'il soit focalisé pour des objets prdches ou lointains. En conséquence, quoique le télescope assure un grossissement, il supprime l'aptitude de l'oeil à continuer à accommoder. La profondeur de champ de la plupart des instruments op-20 tiques augmente lorsque la distance augmente et diminue lorsqu'elle diminue. En conséquence, le réglage de la focalisation aux distances proches est très délicat. Les distances d'observation sont faibles pour les chambres de bombardement électronique de dimensions modérées (15 cm 25 à 1,5 mètre par exemple). Dans le cas d'un dispositif optique à miroir utilisé avec un canon mobile, la distance du miroir au télescope (distance X) peut varier de façon continue au cours du soudage effectué à l'aide du canon. Il faut aussi noter que^ de façon accessoire, la distance du miroir à la pièce (distance 30 Z) peut aussi éventuellement varier en fonction des variations de la distance de travail du canon. Pour que le dispositif optique fonctionne automatiquement comme l'oeil nu (accommodation), il est souhaitable qu'il assure une focalisation continue pour tous les déplacements suivant 35 l'axe X pour une distance donnée Z. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le.télescope 26 est focalisé à l'infini, si bien que la lumière provenant du collimateur 20 reste toujours focalisée même lorsque la distance 71 39930 2112545 X du miroir 10 au télescope varie. La distance Z du miroir à la surface de travail peut être mise au point optiquement k la main k l'aide de l'objectif 14. Celui-ci est destiné à focaliser sur la plage habituelle de sou-5 dage de 7,5 à 45 cm, si bien qu'on peut très bién mettre au point manuellement sur la surface de travail dans cette plage, bien qu'on puisse utiliser des distances supérieures ou inférieures. L'objectif est monté de manière à pouvoir se déplacer vers l'avant ou vers l'arrière dans le tube optique. 10 On règle la position de l'objectif 14 en fonction de la distance de l'objet, de manière que l'image se trouve dans le plan du réticule 18. Ainsi, le réticule et l'imagée combinent dans le plan du réticule (40 sur la figure 1) si bien que le réticule apparaît en un certain point sur l'image virtuelle du 15 miroir. En conséquence, le réticule apparaît k l'observateur en un certain point de l'objet. Comme le miroir, l'objectif et le réticule se déplacent comme un tout sur le canon à. électrons, oh peut décider que l'emplacement du réticule^ une fois réglé/représente/de façon invaria-20 ble/l'axe du canon à 'électrons pour une distance donnée du canon à la pièce. L'ensemble 10 à miroir est variable, dans deux buts. Un angle fixe de miroir ne permet pas la couverture du champ nécessaire de vision sur la surface de travail pour la variation pré-25 vue des distances miroir-pièce. La plage prévue de réglage du miroir pour couvrir toutes ces distances va d'environ 20 à environ 702. Si cet angle varie de façon continue, la position apparente du réticule par rapport à l'image peut être réglée de façon très précise de manière qu'elle vienne au centre du champ 30 d'observation et coïncide avec l'axe du canon k électrons, ou de manière qu'un point décalé du centre soit observé j on peut utiliser une combinaison de déplacements linéaires et angulaires pour obtenir ce réglage. Comme le montre la description qui précède, l'invention 35 permet à une personne seule d'observer la position du réticule en même temp^qu' ellc^eut manipuler commodément la pièce en repérant sa position à l'aide d'un viseur optique monté dans le dispositif placé dans la chambre. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et 40 représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. 71 39930 s 2112545 skvk.vdications 1. Dispositif optique destiné à l'observation d'une pièce placée dans un appareil de traitement de métal, comprenant un canon créant un faisceau d'énergie et comprenant une 5 lentille électromagnétique, l'appareil étant destiné à travailler des métaux qui libèrent des vapeurs métalliques et comprenant une chambre de travail sous vide dans laquelle est monté le canon destiné à être réglé en directions verticale et horizontale et une table de travail placée dans ladite chambre et 10 destinée à supporter des pièces métalliques destinées à être déplacées horizontalement, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble à miroir non protégé monté à l'extrémité inférieure dudit canon dont il dépasse et comprenant un miroir destiné à réfléchir les rayons lumineux provenant de la 15 surface du métal k travailler, le miroir étant revêtu par les vapeurs métalliques de la pièce lorsque le fonctionneront du faisceau conserve temporairement une surface convenable au miroir, un dispositif d'avance de l'ensemble a miroir, destiné à exposer une nouvelle surface de miroir lorsque la surface expo-20 sée est détériorée, et un télescope disposé à l'extérieur de la chambre de manière à observer l'image réfléchie par ledit miroir. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble k miroir est monté k pivotement sur le canon. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en 25 ce qu'il comprend un objectif, un réticule placé sur le trajet des rayons lumineux formant l'image et traversant l'objectif, de manière que l'image et le réticule se superposent, et un collimateur qui dirige les rayons lumineux formant l'image et provenant du réticule vers ledit télescope. 30 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un viseur optique placé entre l'objectif et le collimateur et destiné k observer l'image et le réticule superposés, si bien qu'un opérateur peut effectuer les réglages de l'objectif en observant les images superposées par le viseur. 35 5. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des sources d'éclairement montées au voisinage de l'objectif de manière que les rayons lumineux soient projetés sur l'ensemble à miroir et réfléchis vers la pièce. 'BAD ORIGINAL1 71 39930 10 2112545 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une source d'éclairement comportant un boîtier, une ampoule montée dans ledit boîtier et un miroir placé dans celui-ci et faisant un angle avec l'axe optique du boîtier de manière à réfléchir la lumière de l'ampoule par un orifice du boîtier, ledit miroir étant libre de tourner par rapport au boîtier de manière à diriger la lumière réfléchie en un point voulu. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif réfléchissant placé entre l'ensemble à miroir et le télescope, en ce qu'il comprend un objectif, une première surface destinée à réfléchir les rayons formant l'image à 45- environ, après leur passage dans l'objectif, un réticule placé sur le trajet des rayons formant l'image de manière à superposer l'image et le réticule, une seconde surface réfléchissant la lumière de l'image du réticule à environ 45s, et un collimateur dirigeant les rayons de l'image et du réticule vers le télescope. 8. Dispositif optique destiné à l'observation d'une pièce dans un appareil de travail de métal comprenant un canon créant un faisceau d'énergie et comportant une lentille électromagnétique destinée au travail"de métaux fournissant des vapeurs métalliques et une chambre de travail sous vide dans laquelle sont montés le canon mobile en directions verticale et horizontale et une table de travail destinée à supporter les pièces métalliques destinées à être déplacées horizontalement, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble à miroir non protégé monté à l'extrémité inféiieure du canon dont il dépasse et comprenant une lame en verre transparent transformée en surface de miroir lorsque les vapeurs métalliques sont recueillies sur la lame et qui réfléchit la lumière provenant du métal travaillé, un dispositif d'avance de l'ensemble à miroir, destiné à exposer une nouvelle surface de la lame lorsque la surface exposée est détériorée, et un télescope disposé a l'extérieur de la chambre de manière à présenter l'image réfléchie par la surface de miroir. BAD ORIGINAL