Brevet FR2528187A1 — publié le 19831209

La présente invention a pour objet un dispo- sitif pour la transmission d'un faisceau énergétique, et plus particulièrement d'un faisceau laser, qui per- mette d'amener celui-ci non seulement en tout point d'une pièce sur laquelle on travaille mais aussi dans tous les points d'une cellule à l'intérieur de laquel- le est placé ce dispositif, et de lui donner, si on le désire, une inclinaison quelconque par rapport à la pièce à travailler. De façon plus précise, l'invention permet d'amener un faisceau laser en tout point situé dans une zone sphérique de rayon égal à la longueur du dis- positif. Il existe à ce jour différents types d'appa- reils permettant de transmettre un faisceau laser en plusieurs points Par exemple, certains dispositifs permettent d'amener et de focaliser un faisceau fixe sur une table animée de deux mouvements horizontaux dans des directions perpendiculaires, la table ou l'appareil permettant de focaliser le faisceau étant animé d'un, mouvement vertical. D'autres dispositifs combinent des mouve- ments de rotation, par exemple rotation d'un miroir réfléchissant le faisceau et rotation de la pièce sur laquelle on travaille: ce dernier dispositif s'appli- que surtout à la' soudure de pièces circulaires. D'autres systèmes utilisent des bras cylin- driques creux réunis par des articulations comportant des miroirs pouvant dévier le faisceau Un tel système est décrit dans le brevet britannique 1 215 714 qui a pour objet un dispositif permettant de dévier un fais- ceau laser grâce à un ou plusieurs miroirs et de le focaliser sur la pièce à travailler L'une des varian- tes utilise une articulation permettant le raccorde- B 7480-3 JR ment de deux tubes dans lesquels se propage le fais- ceau L'extrémité de chacun des tubes est courbée à angle droit et comporte un miroir incliné à 450 par rapport à l'axe optique du faisceau A la jonction des deux tubes se trouve un système de roulements à billes permettant à l'un de ceux-ci d'effectuer un mouvement de rotation par rapport à l'autre, l'axe de rotation étant confondu avec l'axe optique de la partie du faisceau laser se trouvant entre les deux miroirs. Si tous ces systèmes permettent de dévier un faisceau laser, ils présentent néanmoins certains in- convénients Tout d'abord, leurs possibilités de mou- vements sont limitées et ils ne permettraient pas d'atteindre tous les points du volume contenu dans une sphère à l'intérieur de laquelle serait placé le dis- positif De plus, dans l'exemple du brevet britannique 1 215 714, la disposition de l'articulation entre les deux tubes risque d'entraîner un porte-à-faux qui pourrait provoquer des déformations de l'un des tubes et l'axe optique du faisceau laser ne sera plus con- fondu avec l'axe géométrique du tube. La présente invention a justement pour but d'éliminer ces inconvénients en proposant un disposi- tif qui permette, à partir d'un faisceau laser fixe, de dévier celui-ci en ayant la possibilité d'atteindre tous les points du volume contenu dans une sphère à l'intérieur de laquelle est placé le dispositif et en évitant d'éventuels porte-à-faux aux articulations. Ce dispositif ayant par lui-même cinq à six degrés de liberté, la pièce de travail peut être de toute géométrie, plane, cylindrique, rectangulaire ou sphérique et rester fixe dans la cellule; il est inutile de prévoir un mouvement de cette pièce selon un ou deux degrés de liberté. Selon la principale caractéristique du dis- positif objet de l'invention, celui-ci, du type com- B 7480-3 JR prenant au moins deux bras réunis par une articulation équipée d'au moins deux miroirs pour dévier le fais- ceau, chacun des bras comportant au moins un tube creux à l'intérieur duquel le faisceau se propage, se caractérise en ce que ladite articulation a une forme telle qu'elle permette à un tube appartenant à l'un des bras d'effectuer deux mouvements de rotation res- pectivement autour de son axe et d'un deuxième axe perpendiculaire à son axe. Selon une autre caractéristique du disposi- tif objet de l'invention, l'un au moins des bras com- porte deux tubes parallèles disposés symétriquement par rapport à un plan contenant l'axe optique dudit faisceau laser fixe afin d'éviter des porte-à-faux. Dans ce cas, un seul de ces tubes est emprunté par le faisceau laser. Ainsi, le point d'application du faisceau laser sur la pièce de travail demeure constamment dans un tel plan. Suivant un mode de réalisation préféré, la- dite articulation comprend: une pièce intermédiaire creuse liée à un tube appar- tenant à l'un des bras et contenant un premier mi- roir plan faisant un angle de 450 avec la direction du faisceau se propageant dans le tube, une pièce de liaison mobile en rotation par rapport à ladite pièce intermédiaire autour d'un axe confon- du avec l'axe optique du faisceau réfléchi par le premier miroir, et un deuxième miroir plan monté à l'intérieur de la pièce de liaison et faisant un angle de 450 avec le faisceau réfléchi par le premier miroir. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, un tube appartenant à l'autre bras est relié à la pièce de liaison de manière à être mobile en B 7480-3 JR rotation autour de son axe longitudinal, ce dernier étant confondu avec l'axe optique du faisceau réfléchi par le deuxième miroir plan. Selon une autre caractéristique du disposi- tif objet de l'invention, chacun des miroirs est rè- glable en position grâce à des vis débouchant à l'ex- térieur des pièces contenant ces miroirs. Selon une autre caractéristique du disposi- tif objet de l'invention, tous les miroirs possèdent un réglage trois points accessible sur les pièces portant lesdits miroirs On peut ainsi régler le pa- rallélisme des deux miroirs d'une articulation par rapport à l'axe optique général et à leur axe de rota- tion. Avantageusement, l'un au moins des miroirs peut être constitué par: une première pièce dont une partie a la forme d'un disque présentant une surface réfléchissante plane, une conduite ménagée à l'intérieur de la première pièce et permettant à un gaz de refroidissement de déboucher sur la paroi latérale du disque, et un déflecteur, dans lequel est montée la première pièce, le déflecteur ayant une forme telle que le gaz débouchant de la conduite soit rabattu sur la surface réfléchissante. Enfin, la conduite précitée peut avantageu- sement être reliée à une arrivée de gaz située à l'ex- térieur de la pièce dans laquelle se trouve le miroir. Cette conduite peut, dans une variante être intégrée au tube creux non emprunté par le faisceau laser. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la descripion qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en réfé- rence aux dessins annexés dans lesquels: B 7480-3 JR la figure 1 est une vue schématique en perspective de l'ensemble du dispositif objet de l'invention, la figure 2 est une vue de dessus du dispositif de la figure 1, illustrant l'ensemble des mouvements permis par la configuration de celui-ci, et la figure 3 est une vue schématique en coupe, mon- trant plus en détail l'une des articulations de ce dispositif. Sur la figure 1, on voit l'ensemble du dis- positif, portant la référence générale 1, qui est posé sur un support 2 par l'intermédiaire d'une plaque 4. La plaque 4 est munie de réglagessuivant les axes x, y, z A la base du dispositif se trouve une chambre 6, de forme sensiblement cubique et o arrive le faisceau laser à transmettre Ce dernier a son axe optique ho- rizontal et rencontre un miroir plan en cuivre, situé à l'intérieur de la chambre 6 et incliné à 450 par rapport à la direction du faisceau de manière à ren- voyer celui-ci verticalement La position du miroir est telle que l'axe optique du faisceau réfléchi soit confondu avec l'axe d'un tube cylindrique vertical 8 qui surmonte la chambre 6 et tourne sur l'axe mécani- que de cette chambre. A la partie supérieure du tube 8, qui cons- titue le premier bras du dispositif, un autre miroir plan en cuivre, toujours incliné à 450 par rapport au faisceau, renvoie celui-ci horizontalement dans une pièce intermédiaire 10 qui relie le tube 8 à un deuxième tube 11 faisant partie du deuxième bras du dispositif, ce deuxième bras portant la référence gé- nérale 9 La pièce intermédiaire contient un troisième miroir plan qui renvoie le faisceau laser le long du tube 11 et suivant l'axe de celui-ci. Le bras 9 se compose de deux tubes cylindri- ques parallèles 11 et 12 disposés symétriquement par B 7480-3 JR rapport au premier tube 8 L'agencement de l'articula- tion 13 entre le tube 8 et le bras 9 est telle que ce dernier peut effectuer deux mouvements de rotation: tout d'abord, le tube 8 est mobile autour de son axe et l'ensemble constitué par le tube 8 et le bras 9 est mobile en rotation autour de cet axe D'autre part, les tubes 11 et 12 ainsi que les pièces intermédiaires et 14 qui les relient au tube 8 peuvent pivoter autour d'un axe horizontal qui rencontre l'axe verti- cal du tube 8 Le fait d'utiliser, pour le bras 9, deux tubes parallèles et placés symétriquement par rapport au tube 8 permet d'éviter les porteà-faux qui se produiraient dans le cas o il n'y aurait que le seul tube 11, par exemple: ceci permet, bien que l'axe optique soit décalé par rapport à l'axe mécani- que du dispositif, d'obtenir que le point de travail soit constamment dans un plan passant par l'axe du faisceau laser d'entrée confondu avec l'axe du tube 8. La présence des deux tubes 11 et 12 permet de compen- ser cette tendance et de maintenir le bras 9 constam- ment en position correcte par rapport au tube 8 Bien entendu, dans cette configuration, on n'utilise qu'un seul des deux tubes pour la transmission du faisceau, l'autre étant utilisé pour le passage de câbles par exemple, ou pour véhiculer un fluide de refroidisse- ment des miroirs ou les gaz nécessaires à l'usinage. L'équilibrage du bras 9 est obtenu par un contrepoids tel que 7, ce dernier pouvant éventuellement être rem- placé par un moteur jouant le rôle d'un contrepoids: cette disposition a l'avantage de demander moins d'ef- forts aux moteurs de commande A l'autre extrémité de chacun des tubes 11 et 12 se trouve une autre articu- lation 15 permettant de relier le bras 9 à un tube cylindrique 20 qui constitue le troisième bras du dis- positif. Une variante utilise à l'extrémité du tube une combinaison mécanique identique à la configura- tion des pièces 8, 11 et 12, de telle façon que le bottier 24 soit dans l'axe du dispositif. L'articulation 15 comporte tout d'abord une pièce intermédiaire 16 montée sur le tube 11 et conte- nant un miroir plan incliné à 450 par rapport à l'axe du faisceau, ce qui permet de dévier celui-ci sur un deuxième miroir également plan et incliné à 450 par rapport à l'axe du faisceau réfléchi par le premier miroir Ce deuxième miroir est placé à l'intérieur d'une pièce de liaison 18 et le tube 20 est relié à cette dernière de sorte qu'il puisse tourner autour de son axe De plus, l'ensemble constitué par le tube 20 et la pièce 18 est mobile autour d'un axe horizontal qui reste perpendiculaire à l'axe des tubes 11 et 12 quelle que soit la position de ces derniers Enfin, à l'extrémité inférieure du tube 20 se trouve une pièce intermédiaire 22, identique à la pièce intermédiaire 16, qui permet de renvoyer le faisceau sur un dernier miroir se trouvant dans un bottier 24 Ce dernier est mobile en rotation autour d'un axe confondu avec l'axe optique du faisceau réfléchi par le miroir se trouvant dans la pièce intermédiaire 22 Le faisceau sort par une buse 26 montée sur le boîtier 24, ce qui permet d'effectuer des travaux d'usinage ou de soudage sur une pièce, par exemple une plaque métallique 28 posée sur une table 30. Le bottier 24 et la buse 26 sont en porte-à- faux mais ce défaut est tolérable sur ces pièces de masse réduite. Le bottier 24 contient le système de focali- sation ici représenté par un miroir, qui peut être sphérique, parabolique, cylindrique ou autre Il peut utiliser une ou plusieurs lentilles de focalisation. B 7480-3 JR Avantageusement, on peut équiper le dispo- sitif d'une lentille servant à focaliser le faisceau laser: si cette lentille est placée à l'entrée du dispositif, dans la chambre 6 par exemple, sa distance focale doit être égale au trajet parcouru par le fais- ceau le long des différents bras de l'appareil pour que le point focal se trouve sur la pièce à usiner 26. Cette disposition diminue le poids des organes situés à l'extrémité du bras, elle permet de plus de diminuer le diamètre des bras de la chambre 6 à la buse 26 et donc encore le poids des organes à mesure que l'on va vers l'extrémité du bras Enfin, une conduite de gaz , représentée schématiquement en traits mixtes sur la figure 1, permet d'amener le gaz nécessaire pour re- froidir les miroirs et plus particulièrement les mi- roirs se trouvant dans les pièces intermédiaires 10, 16 et 22. La vue de dessus de la figure 2 montre les différents mouvements de rotation permis par le dispo- sitif On voit tout d'abord le premier tube 8, l'en- semble constitué par ce tube et le bras 9 étant mobile autour de l'axe vertical du tube 8 (flèche Fl) D'au- tre part, le bras 9 peut tourner autour d'un axe hori- zontal rencontrant l'axe vertical du tube 8 (flèche F 2) L'articulation 15 entre le bras 9 et le tube 20 permet encore deux mouvements de rotation: la pièce intermédiaire 16 est fixe par rapport au tube 11 mais l'ensemble constitué par le tube 20 et la pièce de liaison 18 est mobile autour d'un axe confondu avec l'axe optique du faisceau réfléchi par le miroir con- tenu dans la pièce intermédiaire 16 (flèche F 3) En- fin, le tube 20 est mobile en rotation autour de son axe (flèche F 4), celui-ci étant confondu avec l'axe optique du faisceau réfléchi par le miroir contenu dans la pièce intermédiaire 18 Enfin la pièce inter-. B 7480-3 JR médiaire 22, située à l'extrémité opposée du tube 20 par rapport à la pièce de liaison 18, est fixe par rapport à ce tube mais le bottier 24 est mobile en rotation autour d'un axe confondu avec l'axe du fais- ceau réfléchi par le miroir placé à l'intérieur de la pièce 22 (flèche F 5) La pièce de liaison 18 est re- liée aux pièces intermédiaires 16, 16 a par des roule- ments 36, 38 comme montré en figure 3 ou, dans une variante motorisée, par un système d'engrenages occu- pant la même position Ainsi le dispositif selon l'in- vention présente 5 degrés de liberté et, en combinant tous ces mouvements de rotation, on peut atteindre n'importe quel point d'une enceinte à l'intérieur de laquelle ce dispositif serait placé, si naturellement la longueur cumulée des bras est égale aux dimensions de l'enceinte. La figure 3 montre plus en détail la confi- guration de l'articulation 15 Cette figure est une vue de dessus en coupe correspondant au cas o les tubes 11 et 12 d'une part, le tube 20, d'autre part, ont leurs axes situés dans un même plan Sur la figu- re, on voit le tube 11 dans lequel se propage le fais- ceau laser indiqué en 31 et la pièce intermédiaire 16 qui est fixée au tube 11 A l'intérieur de la pièce 16, se trouve un miroir 32 en cuivre présentant une face plane 33 inclinée à 450 par rapport à l'axe du faisceau 31 de manière à renvoyer celui-ci sur un deuxième miroir 34 placé à l'intérieur de la pièce de liaison 18 Ce dernier est encore placé à 450 par rap- port à l'axe du faisceau réfléchi par le premier mi- roir 32 et renvoie le faisceau à angle droit à l'inté- rieur du tube 20 On voit encore sur la figure 3 le deuxième tube 12 du bras 9 relié à la pièce de liaison 18 par une pièce intermédiaire 16 a identique à la piè- ce 16 La pièce de liaison 18 est reliée aux pièces B 7480-3 JR intermédiaires 16 et 16 a par des roulements 36 et 38 respectivement, ce qui permet à l'ensemble constitué par la pièce de liaison 18 et le tube 20 de pivoter autour d'un axe de rotation confondu avec l'axe de la partie du faisceau 31 situé entre les deux miroirs 32 et 34 D'autre part, le tube 20 est relié à la pièce de liaison 18 par un autre roulement 40, ce qui permet au tube 20 de tourner autour de son axe, qui est confondu avec l'axe optique du faisceau réfléchi par le miroir 34 Ainsi, la buse 26 peut être amenée en tout point de l'espace contenu à l'intérieur d'une sphère dont le rayon est la somme des longueurs des bras 9 et 20 et centré sur l'articulation 13, de plus, on peut donner à la buse 26 toute orientation désirée dans l'espace. La figure 3 montre encore comment est cons- titué le miroir 32 équipant la pièce intermédiaire 16. Ce miroir comprend d'abord une première pièce 42 dont une première partie 43 a la forme d'un cylindre percé axialement d'un conduit 45 et une deuxième partie 46 a la forme d'un disque présentant une surface plane cir- culaire 33, le plan de cette surface étant perpendicu- laire à l'axe de la partie cylindrique 43 Le conduit est prolongé, à l'intérieur du disque 46, par plu- sieurs conduits 47 qui lui sont perpendiculaires et débouchent sur la surface latérale du disque 46 Un déflecteur 48 est vissé sur le disque 46 et il présen- te un bord rabattu 49 permettant de rabattre le gaz sortant du conduit 47 sur la surface plane 33 du dis- que 46 Le gaz de refroidissement circulant dans le tuyau 5 est introduit dans le conduit 45 grâce au rac- cord 50 en forme de T Le rôle du déflecteur 48 est de rabattre le courant gazeux arrivant par les conduits et 47 sur la surface du disque 46, non seulement pour refroidir celui-ci, mais pour en éliminer toutes les poussières qui pourraient s'y déposer On voit sur B 7480-3 JR il la figure que la partie cylindrique 43 du miroir 32 débouche à l'extérieur de la pièce intermédiaire 16, l'arrivée de gaz 5 étant située à l'extérieur des dif- férentes pièces du dispositif Le miroir 32 est main- tenu en position grâce à une rotule 52 maintenue par un empilement de pièces élastiques 54 La position du miroir 32 est réglable par des vis telles que 56 dé- bouchant également à l'extérieur de la pièce intermé- diaire 16 Il y a pour tous les miroirs tels que 32 ou 34 trois vis 56, ce qui permet de régler la position de chaque miroir depuis l'extérieur de l'appareil. Dans le cas du miroir 34 on utilise un dis- positif de maintien et de refroidissement analogue à celui du miroir 32 mais adapté pour être fixé à la pièce de liaison 18. Dans une variante, le circuit de refroidis- sement du miroir 34 emprunte le tube 12 non utilisé pour la propagation du faisceau laser. Le dispositif selon l'invention, présente de nombreux avantages dont le principal est de pou- voir, à partir d'un faisceau' laser fixe, amener l'ex- trémité de celui-ci dans tous les points d'un volume donné grâce aux nombreuses rotations permises par les articulations reliant les bras de l'appareil De plus, le fait d'avoir pour le deuxième bras 9 une structure présentant deux tubes parallèles 11 et 12, disposés symétriquement par rapport au tube vertical 8, évite les porte-à-faux et contribue à maintenir l'axe opti- que du faisceau laser confondu avec l'axe géométrique des tubes ou avec les axes de rotation de diverses articulations. L'équilibre des différents bras peut être assuré par des contre-poids comme le contre- poids 7, visible à la figure 1; dans un mode de réalisation motorisé o les rotations relatives de chacun des bras B 7480-3 JR sont obtenues à l'aide de moteurs, on peut prévoir de placer des moteurs de commande à la place de ces con- tre-poids. Quant aux applications, elles couvrent tous les domaines o l'on a besoin de déplacer un faisceau énergétique en différents points d'un volume donné et, notamment le soudage et l'usinage par faisceau laser dans une cellule radio-active. B 7480-3 JR REVENDICATIONS 1 Dispositif pour la transmission d'un faisceau énergétique fixe, du type comprenant au moins deux bras ( 9, 20) réunis par une articulation ( 15) équipée d'au moins un miroir ( 32) pour dévier le fais- ceau, chacun des bras ( 9) comportant au moins un tube creux ( 11) à l'intérieur duquel le faisceau se propa- ge, caractérisé en ce que ladite articulation ( 15) a une forme telle qu'elle permette à un tube ( 20) appar- tenant à l'un des bras d'effectuer deux mouvements de rotation autour de son axe et d'un deuxième axe per- pendiculaire à son axe. 2 Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que l'un au moins des bras ( 9) compor- te deux tubes parallèles ( 11, 12), disposés symétri- quement par rapport à un plan contenant l'axe optique afin d'éviter des porte-à-faux. 3 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite ar- ticulation ( 15) comprend: une pièce intermédiaire creuse ( 16), liée à un tube ( 11) appartenant à l'un des bras ( 9) et contenant un premier miroir plan ( 32) faisant un angle de 450 avec la direction du faisceau se propageant dans le tube ( 11), une pièce de liaison ( 18) mobile en rotation par rapport à ladite pièce intermédiaire ( 16) autour d'un axe confondu avec l'axe optique du faisceau ré- fléchi par le premier miroir ( 32), et un deuxième miroir plan ( 34) monté à l'intérieur de la pièce de liaison ( 18) et faisant un angle de 45 avec le faisceau réfléchi par le premier mi- roir ( 32). 4 Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que le tube ( 20) appartenant à l'autre B 7480-3 JR bras est relié à la pièce de liaison ( 18), de manière à être mobile en rotation autour de son axe longitudi- nal, ce dernier étant confondu avec l'axe optique du faisceau réfléchi par le deuxième miroir plan ( 34). 5 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque mi- roir ( 32, 34) est réglable en position grâce à des vis ( 56) débouchant à l'extérieur des pièces contenant ces miroirs. 6 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'un au moins des miroirs comprend: une première pièce ( 42) dont une partie a la forme d'un disque ( 46) présentant une surface réfléchis- sante plane ( 33), au moins une conduite ( 47) ménagée à l'intérieur de la première pièce ( 42) et permettant à un gaz de refroidissement de déboucher sur la paroi latérale du disque ( 46), et un déflecteur ( 48) dans lequel est montée la premiè- re pièce ( 42), le déflecteur ( 48) ayant une forme telle que le gaz débouchant des conduites ( 47) soit rabattu sur la surface réfléchissante ( 33). 7 Dispositif selon la revendication 6, ca- ractérisé en ce que la conduite ( 47) est reliée à une arrivée de gaz située à l'extérieur de la pièce dans laquelle se trouve le miroir ( 32). 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