Brevet FR2577052A1 — publié le 19860808

BERTIN Aff. 13 Procédé et dispositif de déplacement du point d'impact d'un faisceau laser sur une pièce. L'invention concerne un procédé et un dispositif de dé- placement du point d'impact d'un faisceau laser sur une pièce. Les applications des faisceaux laser dans l'industrie sont de plus en plus nombreuses et diverses, les fais- ceaux laser étant utilisés notamment pour la découpe, le marquage, la soudure de pièces, les traitements de surfaces, etc. Le faisceau laser est en général dirigé sur un miroir qui le renvoie sur une lentille de focalisation inter- posée entre le miroir et la pièce à traiter.Le dépla- cement du point d'impact du faisceau laser sur la pièce, selon une trajectoire prédéterminée, est obtenu soit par déplacement de l'ensemble miroir-lentille de focalisan&.,k tion par rapport à la pièce, soit par déplacement de lat pièce et de son support par rapport à l'ensemble: miroir-lentille., Dans les deux cas, les masses à déplacer sont relati- vement importantes et ont une certaine inertie, ce qui limite grandement l'accélération et la vitesse de dé- placement du faisceau laser par rapport à la pièce, sur- tout lorsque la trajectoire du point d'impact comprend des zones à faible rayon de courbure. Ce ralentisse- ment se traduit par des risques de brûlure de la pièce, et par une perte de temps qui fait que l'utilisation d'un faisceau laser n'est plus concurrentielle vis-à- vis des dispositifs classiques de découpe ou de mar- quage. - L'invention a pour objet un procédé et un dispositif de déplacement d'un faisceau laser, qui ne présentent pas ces inconvénients et qui permettent de déplacer le point d'impact d'un faisceau laser sur une pièce avec des accélérations très supérieures à celles que l'on pouvait obtenir auparavant, en particulier lorsque la trajectoire du point d'impact comprend des zones à très faible ra- yon de courbure. L'invention a également pour objet un procédé et un dis- positif permettant de déplacer un faisceau laser selon une trajectoire prédéterminée avec une précision très supérieure à ce que l'on pouvait obtenir auparavant. Le procédé selon l'invention,qui consiste à diriger le faisceau laser sur un miroir qui le renvoie sur la piè- ce, et à déplacer le support du miroir ou le support de la pièce l'un par rapport à l'autre selon un mouvement prédéterminé correspondant sensiblement à la trajectoi- re désirée du point d'impact du faisceau sur la pièce, est caractérisé en ce qu'il consiste à superposer à ce mouvement un mouvement de faible amplitude du miroir par rapport à son support. Avantageusement, l'invention prévoit de monter le mi- roir à rotation autour d'axes se croisant en son centre et de déterminer le mouvement précité par rotation du miroir autour de ces axes. De préférence, le miroir est suspendu en son centre par attraction magnétique, sans frottement au moyen d'un coussin d'air, et on commande son mouvement de rotation autour des axes précités par variation du courant cir- culant dans des bobines qui sont placées dans un champ magnétique fixe et fixées sur le miroir en des points situés sur les axes de rotation précités. L'invention propose également un dispositif de déplace- ment du point d'impact d'un faisceau laser sur une piè- ce, comprenant un miroir sur lequel est dirigé le fais- ceau laser, et des moyens pour déplacer le support du miroir ou le support de la pièce l'un par rapport à l'autre selon un mouvement correspondant sensiblement à la trajectoire désirée du point d'impact du faisceau laser sur la pièce, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour mouvoir le miroir par rapport à son support selon un mouvement de faible amplitude qui est superposé au mouvement précité du support du miroir ou du support de la pièce l'un par rapport à l'autre. L'invention prévoit donc de déterminer une trajectoire moyenne du point d'impact d'un faisceau laser sur une pièce, cette trajectoire moyenne ne comprenant pas de portion de très faible rayon de courbure, et de superpo- ser à cette trajectoire moyenne une courbe de faible amplitude du point d'impact du faisceau laser sur la pièce, pour obtenir exactement la trajectoire désirée du point d'impact du faisceau laser. Ce déplacement de faible amplitude est obtenu par rotation du miroir de rènvoi, qui a une masse très faible et un moment d'inertie également très faible par rapport à son cen- tre ou par rapport à des axes de rotation se croisant en son centre. L'accélération du point d'impact du faisceau laser sur la pièce, dans ce mouvement de fai- ble amplitude, peut être très supérieure à celle de son mouvement sur la trajectoire moyenne précitée. On obtient ainsi une trajectoire beaucoup plus précise du faisceau laser sur la pièce, tout en évitant les ris- ques de brûlure et les ralentissements constatés dans la technique antérieure. Le mouvement de faible amplitude que l'on superpose à la trajectoire moyenne précitée peut être un mouvement alternatif, permettant de réduire l'effet de nuage de plasma qui tend à diminuer la puissance de coupe du faisceau laser, ou bien permettant d'éviter le refroi- dissement brusque d'une soudure, etc. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un ensemble miroir de renvoi-lentille de focalisation faisant partie d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2 est une vue de dessous du miroir de ren- voi, associé à un dispositif de maintien sans contact; - la figure 3 est une vue en plan de ce miroir et de son dispositif de maintien; - la figure 4 représente schématiquement un circuit de commande de déplacement du miroir de renvoi; - la figure 5 est une vue semblable à la figure 1, mais pour une variante de réalisation; - la figure 6 représente schématiquement une autre va- riante de réalisation. On se réfère d'abord à la figure 1, qui est une vue schématique en coupe axiale du support d'un ensemble miroir de renvoi lentille de focalisation dans un dis- positif selon l'invention. Ce support comprend un bâti ou châssis 10 dont une pa- roi 12 présente une ouverture 14 à travers laquelle un faisceau laser 16 d'axe 18 est dirigé sur un miroir 20 incliné à 45 sur l'axe 18, qui renvoie le faisceau laser sur un dispositif optique de focalisation 22 com- prenant deux lentilles convexes 24 et 26 dont l'axe optique 28 est perpendiculaire à l'axe 18 précité. Le faisceau laser qui traverse le dispositif optique 22 est focalisé par les lentilles 24 et 26 sur une pièce quelconque, non représentée, placée sur un support si- tué sous le dispositif optique 22, sur l'axe 28 de celui-ci. Comme indiqué plus haut, une trajectoire mo- yenne du point d'impact du faisceau laser sur la pièce est obtenue soit par déplacement du support de la pièce par rapport au bâti ou chassis 10, soit par déplacement de ce bâti par rapport à la pièce à traiter. Comme la masse et le moment d'inertie de la pièce et de son sup- port ou du bâti 10 sont relativement importants, l'accé- lération maximale du point d'impact du faisceau laser sur la pièce ne peut dépasser 3 g, ce qui conduit à des vitesses de déplacement de ce point d'impact qui peu- être très faibles si la trajectoire comprend des parties de faible rayon de courbure. Pour augmenter dans une très large mesure l'accéléra- tion du point d'impact du faisceau laser sur les par- ties de faible rayon de courbure de sa trajectoire, l'invention prévoit de monter le miroir de renvoi 20 mobile en rotation autour de deux axes perpendiculai- res qui se croisent en son centre, et qui sont perpendi- culaires à un axe 30 passant par le centre du miroir perpendiculairement à la surface optique de celui-ci. Pour cela, la face arrière 32 (opposée à la face optique de réflexion) du miroir 20 est munie, en son centre, d'une rotule en acier 34, en forme de demi-sphère, dont le centre coincide avec le centre de la face optique 36 du miroir. Celui-ci comprend également quatre bras ra- diaux 38, répartis à sa périphérie à 90 les uns des autres, et s'étendant le long de deux axes perpendicu- laires 40 et 42 qui se croisent au centre du miroir et constituent les axes de rotation de celui-ci. Sur chaque bras 38 est fixée, à distance égale du centre du miroir, une bobine 44 d'axe parallèle à l'axe 30 pré- cité et qui coopère avec une armature magnétique 46 por- tée par le bâti 10 et comprenant un noyau orienté pa- rallèlement à l'axe 30 et engagé à l'intérieur de la bo- bine 44. Deux bobines 44 montées sur deux bras radiaux 38 diamétralement opposés sont reliées électriquement en opposition, de telle sorte que le même courant passe dans les deux bobines, en circulant dans U-.sens dans une bobine et dans l'autre sens dans l'autre bobine, et que les forces électromagnétiques développées sur les deux bras radiaux 38 diamétralement opposés aient des inten- sités égales et des directions opposées parallèles à l'axe 30, pour éviter l'application d'un effort tran- chant aumiroir 20. Ce dernier est suspendu dans le bâti 10 au moyen de la rotule semisphérique 34 qui est revue dans une cavité de forme correspondante formée à l'extrémité d'un mon- tant central 48 du bâti 10 qui comprend, au voisinage de cette extrémité, un aimant permanent 50 (ou une bobi- ne parcourue par un courant électrique) agissant sur la rotule 34 par attraction magnétique. Pour éviter ou au moins réduire les frottements entre la rotule 34 et son logement de l'extrémité du montant 48, un passa- ge axial 52 est formé dans le montant 48 et est relié par une extrémité à une source d'air sous pression (non représentée), son autre extrémité débouchant au centre du logement de la rotule 34, de telle sorte que le soufflage d'air dans ce logement forme un coussin d'air entre la rotule 34 et la surface interne de son loge- ment, ce qui permet de réduire dans une très large me- sure les frottements lors de la rotation du miroir 20 autour des axes 40 et 42, et également de refroidir le miroir dans le cas d'utilisation d'un faisceau laser de forte puissance. La partie supérieure du bâti 10 comprend un manchon axial 54 dans lequel est montée une colonne à billes 56 déplaçable le long de l'axe 30 dans le manchon 54. La partie inférieure de la colonne 56 est reliée par une plaque 58 à deux bras 60 dont les extrémités infé- rieures portent une couronne 62 s'étendant sous le miroir 20 parallèlement à celui-ci. La couronne 62 for- me un bouclier et évite l'impact direct du faisceau laser sur les parties sensibles du montage. De plus, le déplacement de la colonne 56 le long de l'axe 30 permet, par appui de la couronne 62 sur la périphérie du miroir , de déterminer une position de référence du miroir, qui est alors incliné exactement-à 45 sur l'axe 18 du faisceau laser 16, ainsi qu'uneposition de référence des capteurs de rotation du miroir 20 autour des axes 40 et 42. Ces capteurs peuvent être de tout type approprié: on peut par exemple envoyer sur le miroir un rayon lu- mineux qui est réfléchi sur des cellules analogiques du type à quatre quadrants. On peut également utiliser qua- tre capteurs inductifs de déplacement linéaire, qui sont associés chacun à une bobine 44 et qui comprennent une tige 64 s'étendant axialement dans la bobine 44 et fixée avec celle-ci par une extrémité sur une extrémité du bras 38 correspondant du miroir 20. A son extrémité op- posée, la tige 64 est guidée en déplacement rectiligne alternatif à l'intérieur d'un cylindre 66 qui constitue l'élément fixe du capteur, dont l'élément mobile est porté par la tige 64 à l'intérieur du cylindre 66. Les déplacements linéaires des éléments mobiles de ces cap- teurs correspondent aux rotations du miroir 20 autour de ces axes 40 et 42. Le miroir 20 est encore associé à des moyens empêchant sa rotation autour de l'axe 30. Ces moyens peuvent être constitués par exemple, comme représenté dans les figu- res 2 et 3, par une palette 68 portée par un bras 38 du miroir 20 et s'étendant entre deux trous opposés 70 de soufflage d'air, qui sont formés dans les deux bras pa- rallèles 72 d'une pièce 74 comprenant des canaux 76 d'alimentation des trous 70 en air comprimé. Les jets - d'air sortant des trous 70 viennent frapper perpendicu- lairement la plaque 68 et maintiennent celle-ci à mi- distance entre les trous 70, en empêchant ainsi la rota- tion du miroir 20 autour de l'axe 30. Le dispositif qui vient d'être décrit fonctionne de la façon suivante: La rotule 34 du miroir 20 est suspendue sur le coussin d'air par attraction magnétique dans son logement hémis- phérique de l'extrémité du montant 48 du chassis 10. Une variation du courant électrique passant dans deux bobines 44 reliées en opposition provoque une varia- tion de la force électromagnétique développée par ces bobines 44 avec les armatures associées 46 et donc une rotation du miroir 20 autour de l'axe passant par les deux autres bobines 44. Les rotations du miroir 20 autour des axes 40 et 42, qui sont de très faible amplitude (de l'ordre de quel- ques degrés au maximum) provoquent des mouvements de faible amplitude du point d'impact du faisceau laser sur la pièce à traiter, mouvements de faible amplitude qui sont superposés à la trajectoire moyenne de ce point d'impact qui est obtenue par déplacement du châs- sis 10 par rapport à la pièce ou par déplacement de la pièce et de son support par rapport au chassis 10. La masse relativement très faible du miroir, son faible moment d'inertie par rapport aux axes de rotation 40 et 42 et la suppression des frottements grâce au coussin d'air entre la rotule 34 et son logement hémisphérique, permettent de déplacer le point d'impact du faisceau avec des accélérations qui peuvent atteindre des valeurs comprises entre 10 et 30 g ou plus. Les variations des courants électriques alimentant les bobines 44 sont produites de préférence par un circuit de commande tel que celui représenté schématiquement en figure 4, qui comprend un générateur 80 de fonctions analogiques dont la sortie est reliée à l'entrée + d'un circuit sommateur 82. La sortie de ce circuit sommateur est reliée à l'entrée d'un réseau correcteur 84, qui est par exemple du type proportionnelleintégrale-dérivée dônt la sortie est reliée par un amplificateur 86 aux bobines 44. La sortie de ces bobines est reliée à l'entrée - du sommateur 82 par une impédance mécanique formée par l'inertie du miroir 20, les frottements et la raideur de sa suspension, et par un circuit 90 pre- nant en compte les signaux produits par les capteurs de rotation associés au miroir 20. Le réseau correcteur 84 permet de réduire et d'annuler le signal e représentant la différence entre le signal émis par le générateur de fonction analogique et le signal représentant le mouve- ment réel du miroir 20. De préférence, le centre de la face optique du miroir est situé sur le foyer du dispositif optique de foca- lisation, de sorte que le faisceau laser réfléchi et focalisé reste perpendiculaire à.la pièce à traiter. On se réfère maintenant à la figure 5 représentant sché- matiquement une variante de réalisation selon laquelle le bâti 10 contient des moyens d'équilibrage dynamique de l'ensemble mobile constitué par le miroir 20 et ses bobines 44. Ces moyens sont formés par un ensemble mo- bile symétrique de l'ensemble précité, comprenant un faux miroir 92, identique au miroir 20, mais dépourvu de face optique, sur la périphérie duquel sont fixées quatre bobines 94 identiques aux bobines 44 et alignées axialement avec celles-ai. Chaque bobine 94 est reliée électriquement en opposition à la bobine 44 avec laquel- le elle est alignée et coopère avec une armature 96 symétrique de l'armature 46. Des moyens 98 de rappel à ressort sont associés au faux miroir 92 et tendent à le ramener automatiquement dans sa position moyenne. Comme le miroir 20, le faux miroir 92 comprend une rotule cen- trale par laquelle il est suspendu sur coussin d'air à l'extrémité supérieure du montant 48. En fonctionnement, le faux miroir 92 subit des forces d'accélération égales et opposées à celles du miroir , ce qui permet d'annuler les effets, sur les moyens de support du miroir, des mouvements de ce dernier et d'éviter les vibrations de ces moyens de support. Le miroir 20 peut avoir une face optique plane comme représenté dans les figures 1 et 5, ou bien une face optique concave, si nécessaire. Il est même possible de supprimer les lentilles de focalisation en utilisant un montage par exemple du type Cassegrain et un faisceau laser incident annulaire, comme représenté en figure 6. Dans cette figure, le faisceau laser incident 100 est à section annulaire et est renvoyé par un miroir annu- laire plan 102 sur la face optique concave 104 d'un miroir 106 correspondant au miroir 20. Le faisceau ré- fléchi par cette face optique 104 est focalisé en 108. Revendications. 1. Procédé de déplacement du point d'impact d'un fais- ceau laser sur une pièce, consistant à diriger le fais- ceau laser sur un miroir qui le renvoie sur la pièce,et à déplacer le support du miroir ou le support de la piè- ce l'un par rapport à l'autre selon un mouvement prédé- terminé correspondant sensiblement à la trajectoire dé- sirée du point d'impact du faisceau sur la pièce, carac- térisé en ce qu'il consiste à superposer à ce mouvement un mouvement de faible amplitude du miroir (20) par rap- port à son support. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à monter le miroir (20) à rotation au- tour de deux axes (40, 42) perpendiculaires se croisant en son centre et à déterminer le mouvement précité de faible amplitude par des mouvements de rotation du mi- roir (20) autour de ces deux axes (40 et 42). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à suspendre le miroir en son centre par attraction magnétique, sans frottement au moyen d'un coussin d'air, et à commander son mouvement de rotation autour des axes précités par variation du courant élec- trique circulant dans des bobines (44) fixées sur le miroir (20) en des points situés sur ses axes de rota- tion (40, 42) et placées dans un champ magnétique fixe. 4. Dispositif de déplacement du point d'impact d'un faisceau laser sur une pièce, comprenant un miroir (20) sur lequel est dirigé le faisceau laser et des moyens- pour déplacer le support du miroir ou le support de la pièce l'un par rapport à l'autre selon un mouvement correspondant sensiblement à la trajectoire désirée du point d'impact du faisceau laser sur la pièce, caracté- risé en ce qu'il comprend des moyens (44, 80) pour mou- voir le miroir (20) par rapport à son support selon un mouvement de faible amplitude qui est superposé au mou- vement précité du support de miroir ou du support de la pièce l'un par rapport à l'autre. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le miroir (20) est monté à rotation, par rapport au support (10), autour de deux axes de rotation per- pendiculaires (40, 42) passant par son centre. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le miroir (20) est pourvu en son centre d'une rotule (34) de suspension du type à coussin d'air, qui est soumise à une attraction magnétique. 7, Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le miroir (20) est associé à des moyens (68, 74) interdisant sa rotation autour d'un axe (30) perpendi- culaire aux axes de rotation (40, 42) précités. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le miroir (20) comprend quatre bras (38) s'étendant deux à deux le long des axes de rotation (40, 42) et sur lesquels sont fixées, symétri- quement, des bobines (44) d'axes perpendiculaires aux axes de rotation, qui sont mobiles par rapport à des armatures fixes (46) portées par le support (10) du miroir. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que deux bobines (44) montées sur le même axe de rotation du miroir sont reliées ensemble,en opposition, -à un circuit de commande électrique. 10. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure des angles de rotation du miroir autour des axes (40, 42) précités. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de mesure d'angle sont des capteurs (66) de déplacement linéaire comprenant un élément mobi- le guidé le long d'un axe perpendiculaire aux deux axes de rotation du miroir et porté par une tige (64) qui s'étend axialement à travers une bobine (44) et est fixée avec celle-ci sur le miroir (20). 12. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit de commande électrique comprend un générateur de fonctions analogiques (80) associé à un réseau correcteur (84) qui est par exemple du type proportionnelle-intégrale-dérivée. 13. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'équili- brage dynamique de l'ensemble mobile formé par le mi- roir (20) et ses moyens (44) de déplacement, ces moyens d'équilibrage étant constitués par unensemble mobile (92, 94) symétrique de l'ensemble mobile (20, 44) pré- cité et comprenant des moyens de déplacement identiques à ceux du miroir (20), mais montés en opposition par rapport à ces derniers.