Brevet FR2583325A1 — publié le 19861219

La présente invention se rapporte aux dispositifs pour l'usinage de pièces et matériaux au moyen d'un rayonnement laser puissant continu , et a notamment pour objet un dispositif de balayage, dénommé dans ce qui suit, "balayeur ", pour les installations à laser technologiques destinés à commander le déplacement du rayonnement laser. L'invention trouve des applications dans la fabrication d'ensembles et de pièces de machines résistants à l'usure, dans des industries de pointe telles que: construction aéronautique, construction d'automobiles et de tracteurs, constructions mécaniques, industrie alimentaire, ainsi que dans les travaux de réparation et de remise en état, pour la trempe automatique, la soudure et le découpage, ainsi que pour le traitement thermique superficiel de pièces métalliques. Les balayeurs pour des installation à laser technologiques, malgré la masse importante de l'élément balayeur (du miroir déviateur), qui est de l'ordre de 0,5 à 2kg, et malgré son ouverture importante (5 à 10 cm), doivent être compacts, fiables, économiques et assurer une haute fréquence de balayage, une loi linéaire de déplacement de l'élément balayeur et une amplitude stable de ses oscillations. Aujourd'hui, pour traiter au laser les pièces de machines, on utilise souvent des balayeurs fonctionnnant suivant une loi harmonique du mouvement de l'élément balayeur, avec des fréquences d'oscillations (de balayage) ne dépassant pas 200 Hz. Par exemple, les balayeurs dont sont munies les installations à laser technologiques des firmes "Multic" et "A.L.L." (RFA) et "Laser technics" (France) fonctionnent suivant une loi de mouvement harmonique avec des fréquences d'oscillations allant de 19 à 200 Hz. La non linéarité et l'instabilité de l'amplitude de la loi harmonique du mouvement de l'élément balayeur fait que l'énergie de rayonnement laser appliqué aux diverses parties de la surface à traiter des pièces n'est pas la même. Par suite de ce traitement inégal, la qualité des pièces traitées se dégrade. La limitation du niveau supérieur de la fréquence d'oscillations de l'élément balayeur nécessite l'utilisation, dans les installations technologiques, de lasers plus puissants et moins économiques, donc plus coûteux, tandis que le relèvement du niveau supérieur de la fréquence de balayage permet d'utiliser d'une façon plus efficace des lasers relativement plus faibles pour l'usinage des surfaces de pièces et de réduire la durée de cet usinage. L'application, par les firmes précitées, de dispositifs correcteurs électroniques pour améliorer la linéarité de la loi de mouvement de l'élément balayeur et la stabilisation de l'amplitude de ses oscillations, entraîne l'utilisation d'un nombre accru de blocs électroniques de contrôle coûteux; de plus, cette loi diffère sensiblement de la loi de mouvement optimale, en dents de scie, de l'élément balayeur. On connaît un balayeur utilisé dans les systèmes de mesure photoélectriques, comportant un corps dans lequel est fixée en porte-à-faux une poudre élastique portant un élément balayeur et coopérant avec un moyen engendrant des oscillations de cette poudre et réalisé sous la forme d'un système électromagnétique (voir, par exemple, Mironenko A.V., "Systèmes de mesure photoélectriques", Moscou, Ed. "Energia", 1967, pp. 176-182). Ce balayeur ne peut être utilisé pour commander les faisceaux lasers des installations technologiques, car poutre élastique effectue un mouvement oscillatoire de flexion et angulaire selon une loi harmonique. L'élément balayeur effectue dans ce cas deux types de mouvements: un mouvement de va-et-vient et des oscillations angulaires, alors que pour le traitement technologique de pièces on n'a besoin que d'oscillations angulaires de l'élément balayeur. De plus, l'élément balayeur doit être suffisament massif et refroidi à l'eau pour pouvoir dissiper l'énergie thermique dégagée à sa surface, ce qui accroît notablement l'encombrement et la masse de l'élément balayeur et l'énergie nécessaire pour exciter les oscillations. On connaît un balayeur pour une installation technologique à laser, comportant un corps dans lequel est monté sur un axe un fléau portant un élément balayeur et coopérant avec le moyen d'excitation des oscillations de ce fléau (voir, par exemple, l'article de Koltsov I.M. et al., "Dispositif opto-mécanique pour la déviation d'un rayonnement lumineux", dans la revue "Pribory i tekhnika eksperimenta", NO 5, 1973, pp.243, 314). Dans ce balayeur, les oscillations de l'élément balayeur s'effectuent suivant une loi de mouvementharmonique. Le fléau portant l'élément balayeur permet de réduire l'encombrement et la masse du balayeur et la quantité d'énergie nécessaire pour engendrer les oscillations de l'élément balayeur suivant une loi de mouvement harmonique. Mais le déplacement de l'élément balayeur suivant une loi de mouvement harmonique possédant une faible linéarité entraîne un-e transformation inégale de l'hétérogénéité spatiale du faisceau laser, et donc, un usinage superficiel inégal des pièces, ce qui, en fin de compte, entraîne une dégradation de la qualité d'usinage des pièces traitées. Dans le balayeur considéré > lemoyen engendrant les oscillations du fléau se présente sous la forme d'électroaimants. En conséquence, le balayeur est sensible aux moindres modifications de l'amplitude et de la fréquence de la tension appliquée aux électro-aimants, ce qui entraîne une instabilité de l'amplitude et de la fréquence de la loi de mouvement de l'élément balayeur; il s'ensuit que l'énergie de rayonnement laser appliquée aux diverses parties de la surface à traiter de la pièce est variable. La fréquence de travail de ce balayeur est insuffisante pour-permettre son utilisation dans les installations à laser technologiques de puissance relativement faible (2-3 kW) et économiques, et son augmentation entraîne une augmentation de la masse, de l'encombrement et de la quantité d'énergie nécessaire à l'excitation des oscillations de l'éléments balayeur. La présente invention vise donc un balayeur économique pour une installation à laser technologique, dans laquelle il y aurait un moyen permettant d'améliorer la linéarité et la stabilité de l'amplitude de la loi de mouvement de l'élément balayeur, d'augmenter la fréquence de travail de balayage, de réduire la masse et l'encombrement du balayeur. Ceci est obtenu du fait que le balayeur pour installation à laser technologique, comportant un corps dans lequel est monté sur un axe un fléau portant un élément balayeur et coopérant avec un moyen excitant des oscillations dudit fléau, est caractérisé, suivant l'invention, en ce qu'il comporte un moyen monté dans ledit corps et assurant l'inversion du mouvement du fléau au cours de ses oscillations. Il est avantageux que le moyen d'inversion du mouvement du fléau au cours de ses oscillations comporte deux paires d'éléments de frappe disposées symétriquement par rapport à l'axe du fléau, et chacune desquelles se compose d'un premier élément, monté sur l'un des bras du fléau, au voisinage immédiat de son extrémité, et d'un second élément monté sur le corps précité et coopérant avec le premier élément pour créer des vibrations par chocs du fléau, et, disposés eux-aussi symétriquement par rapport à l'axe du fléau, des éléments élastiques identiques reliant ledit fléau audit corps et assurant des vibrations par chocs en résonance du fléau. Pour permettre de régler la valeur de l'amplitude des oscillations de l'élément balayeur, il est souhaitable que le second élément de chaque paire d'éléments de frappe du moyen d'inversion du mouvement du fléau au cours de ses oscillations soit monté sur ledit corps d'une manière mobile en translation suivant son propre axe. Une telle réalisation du balayeur conforme à l'invention permet d'obtenir une loi en dents de scie de mouvement de l'élément balayeur, avec une haute linéarité ainsi qu'une grande stabilité de son amplitude et de sa fréquence. Dans un tel balayeur, la fréquence de balayage de travail est notablement accrue et l'encombrement et la masse du balayeur sont réduits ainsi que l'énergie consommée pour exciter les oscillations de celui-ci. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique générale d'un balayeur conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue schématique générale d'une variante de réalisation du balayeur conforme à l'invention; - la figure 3 montre la caractéristique amplitudefréquence des vibrations par chocs du fléau portant l'élément balayeur du balayeur des figures 1 et 2;; - la figure 4 est une vue schématique générale du balayeur de la figure 1 et de la pièce à usiner (pour plus de clarté, le balayeur est représenté tourné de 900 par rapport à son axe de symétrie, à échelle réduite). Le balayeur pour installation à laser technologique, conforme à l'invention, comporte un coprs 1 (figure 1) dans lequel un fléau 2 est monté sur un axe 3 et oscille autour de cet axe. Le fléau 2 porte un élément balayeur 4 réalisé sous forme d'un miroir et coopérant avec un moyen 5 excitant des oscillations du fléau 2. Le moyen 5 consiste en deux électro-aimants 6 disposés symétriquement par rapport à l'axe 3 du fléau. Le balayeur comprend, suivant l'invention, un moyen 7 monté sur le corps 1 et assurant l'inversion du mouvement du fléau 2 au cours de ses oscillations. Le moyen 7 d'inversion du mouvement du fléau 2 au cours de ses oscillations comporte deux paires identiques d'éléments de frappe 8, disposées symétriquement par rapport à l'axe 3 du fléau 2 > et des éléments élastiques identiques 9 disposés symétriquement par rapport à l'axe 3 du fléau 2 et reliant le fléau 2 au corps 1. Chacune des paires d'éléments de frappe 8 se compose d'un premier élément 10 monté sur un bras du fléau 1, au voisinage immédiat de sa face en bout 11, et d'un second élément 12, monté sur le corps 1 est coopérant avec le premier élément 10 pour communiquer au fléau 2 des oscillations vibratoires par chocs. Les éléments élastiques 9 assurent les chocs excitant les vibrations en résonance du fléau 2. Dans le mode considéré de réalisation du balayeur conforme à l'invention, le premier élément 10 de la paire d'éléments de frappe 8 est réalise sous la forme d'un frappeur solidaire du fléau 2, le second élément 12 de cette paire est réalisé sous forme d'une butée solidaire d'un montant 13 du corps 1. les éléments élastiques 9 peuvent notamment être des ressorts. La figure 1 représente en traits tretés des faisceaux lasers 14 et 15, dont l'un (14) est un faisceau incident arrivant sur l'élément balayeur 4 dans le sens de la flèche A (faisceau laser 14), tandis que l'autre est le faisceau réfléchi par l'élément balayeur 4 dans le sens de la flèche B (faisceau laser 15). Dans la variante de réalisation illustrée sur la figure 2, le balayeur est analogue au balayeur de la figure 1, à cette différence près que le second élément 16 (figure 2) de chacune paire d'éléments de frappe 8 du moyen 7 d'inversion du mouvement du fléau 2 au cours de ses oscillations est monté sur le corps 1 d'une manière mobile en translation suivant son propre axe. Dans cette variante de réalisation du balayeur, le second élément 16 de chaque paire d'éléments de frappe 8 est réalisé sous forme d'une butée solidaire d'une vis micrométrique 17 montée sur le montant 13 du corps 1, cette butée pouvant être déplacée à l'aide de la vis 17 par rapport au premier élément 10 de manière à modifier l'intervalle entre eux. Le principe de fonctionnement du balayeur pour installation laser conforme à l'invention consiste en ce qui suit. La caractéristique amplitude-fréquence des oscillations vibratoires par chocs du fléau 2 (figures 1 et 2) avec l'élément balayeur 4 porté par celui-ci est représentée sur la figure 3 en lignes continues, sur l'axe des abscisses sont portées les valeurs d'amplitude 9 des oscillations angulaires du fléau 2, et sur l'axe des ordonnées, les valeurs de la fréquence f de la tension appliquée aux électro-aimants 6 du moyen 5 excitant les oscillations angulaires du fléau 2, tandis que l'angle yO représente l'amplitude maximale des oscillations angulaires du fléau 2 (l'angle entre le premier élément 10 et le second élément 12 ou 16 de la paire d'éléments de frappe 8 du moyen 7 d'inversion du mouvement du fléau 2 au cours de ses oscillations).La ligne tiretée montré l'aspect que prendrait la caractéristique amplitude-fréquence du balayeur en l'absence des paires d'éléments de frappe, et f r est la fréquence de résonance du balayeur. On applique une tension alternative à fréquence de résonance f aux électro-aimants 6 et on communique au r fléau 2 portant l'élément balayeur 4 des oscillations angulaires qui entrent en régime de vibrations par chocs correspondant au point C (figure 3) de la caractéristique amplitude-fréquence. Ensuite la fréquence de la tension alternative augmente et fait passer le balayeur au régime d'oscillations de travail correspondant au point D, où se réalise une loi de mouvement très stable en dents de scie t(t) de l'élément balayeur 4. L'amplitude stable des oscillations angulaires de l'élément balayeur 4 est assurée grâce à la stabilité de l'angle go entre les éléments 10 et 12, ou 16, des paires d'éléments de frappe 8. Les chocs élastiques entre les éléments 10 et 12, ou 16, des paires d'éléments de frappe 8 permettent de modifier brusquement, aux points extrêmes, le sens du mouvement du fléau 2 pour assurer avec une haute linéarité une loi en dents de scie du mouvement de l'élément balayeur 4. Les hautes fréquences de balayage sont maintenues grâce aux propriétés non linéaires de résonance du fléau 2 avec l'élément balayeur 4 et du moyen 7 d'inversion du sens de mouvement du fléau au cours de ses oscillations (voir, par exemple, V.I. Babitsky, 'Théorie des systèmes de vibration par chocs', Moscou, Ed. wNaukaw 1978). Par suite des propriétés non linéaires de résonance, on peut réduire sensiblement la puissance engendrant les oscillations et, par conséquent, la masse et l'encombrement de l'ensemble du balayeur proposé. Le balayeur conforme à l'invention peut aussi être excité directement à la fréquence du régime de travail (point D sur la figure 3) en envoyant des impulsions de tension supplémentaires aux électro-aimants 6 du moyen 5 excitant les oscillations du fléau 2. Dans le balayeur conforme à l'invention on peut réaliser le réglage de la fréquence et de l'amplitude de balayage. Le premier réglage est réalisé en modifiant la fréquence f de la tension, appliquée aux électro-aimants 6. Le second réglage s'effectue par variation des intervalles entre les premiers éléments 10 (figure 2) et les seconds éléments 16 des paires d'éléments de frappe 8 à l'aide des vis micrométriques 17. La valeur de l'amplitude des oscillations de l'élément balayeur 4 peut alors être réglée entre zéro et la valeur maximale de la ligne tiretée tracée sur la figure 3 représentant la caractéristique amplitude-fréquence. Le balayeur conforme à l'invention réalise suivant la figure 1 est monté de telle façon que le faisceau laser 14 ayant passé à travers le système de focalisation 18 (figure 4) arrive sur l'élément balayeur 4. Le faisceau laser focalisé réfléchi 15 est dirigé sur la pièce 19 se déplaçant à une vitesse V vers la zone 20 de traitement au laser. La pièce 19 est alors traitée par le faisceau laser focalisé 15, dont la tache focale (le spot) se déplace sur la pièce à traiter 19 suivant une courbe en dents de scie 21. Sur la figure 4, l'angle possède la même valeur que sur la figure 3. Ainsi, du fait de la coopération des éléments 10 et 12, ou 16, des paires d'éléments de frappe 8 au cours des oscillations en résonance sous l'effet des chocs du fléau 2, on obtient dans le balayeur conforme à l'invention une loi de mouvement en dents de scie de l'élément balayeur 4 avec une haute stabilité de l'amplitude et de la fréquence et avec une linéarité élevée dans les intervalles de temps entre les chocs des éléments 10 et 12, ou 16, des paires d'éléments de frappe. Aussi l'énergie nécessaire, la masse et l'encombrement du balayeur sont-ils notablement réduits. Le balayeur pour une installation technologique à laser selon l'invention assure des fréquences de balayage plus élevées, une haute linéarité de la loi en dents de scie du mouvement de l'élément balayeur, une haute stabilité de l'amplitude des oscillations dans une large gamme de variation des fréquences de travail. D'autre part, le balayeur conforme à l'invention est simple, économique et fiable en service, il possède une masse et un encombrement réduits assurant une haute qualité de traitement -superficiel des pièces à l'aide des lasers connus. REVENDICATIONS 1. Dispositif de balayage pour une installation technologique à laser, du type comportant un corps (1) dans lequel est monté sur un axe (3) un fléau (2) portant un élément balayeur (4) et coopérant avec un moyen (5) excitant des oscillations du fléau (2), caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (7) d'inversion du mouvement du fléau (2) au cours de ses oscillations, monté dans le corps (1). 2. Dispositif de balayage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (7) d'inversion du mouvement du fléau (2) au cours de ses oscillations comporte, disposés symétriquement par rapport à l'axe (3) du fléau (2), deux paires d'éléments de frappe identiques (8), dont chacune se compose d'un premeir élément (10) monté sur un bras du fléau (2), au voisinage immédiat de son extrémité (11), et d'un second élément (12) ou (16) monté sur le corps (1) et coopérant avec le premier élément (10) pour créer des vibrations par chocs du fléau (2), ledit dispositif comportant en outre des éléments élastiques identiques (9) disposés symétriquement par rapport à l'axe (3) du fléau (2), reliant le fléau (2) au corps (1) et assurant les vibrations par chocs en résonance du fléau (2). 3. Dispositif de balayage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le second élément (16) de chaque paire d'éléments de frappe (8) du moyen (7) d'inversion du mouvement du fléau (2) au cours de ses oscillations est monté sur le corps (1) d'une manière mobile en translation suivant son propre axe.