Brevet FR2616555A1 — publié le 19881216

La présente invention concerne un dispositif de positionnement automatique d sun faisceau laser. Pour beaucoup d'applications des lasers et principalement dans l'industrie, la stabilité spatiale des faisceaux énergétiques est nécessaire. En effet, par exemple dans une installation industrielle le laser est placé à un endroit géographique de l'atelier et la machine qui l'exploitera est implantée dans un autre endroit. Pour arriver jusqu'à la machine, le faisceau laser se trouve réfléchi par une succession de miroirs dont les supports sont sur des potences métalliques à des altitudes différentes dans l'espace de l'atelier. Souvent il est constaté des changements involontaires de position des faisceaux dans l'espace ayant diverses causes comme - des variations climatiques dans le temps, qui occasionnent des variations de géométrie des divers éléments mécaniques (potences, sols, structures), - des vibrations. Ces instabilités se traduisent par une différence de position des axes mécaniques de la cinématique de la machine d'exploitation et l'axe suivant lequel se propage le faisceau laser ce qui est, pour un grand nombre d'applications, incompatible avec des précisions recherchées en usinage laser. Actuellement, les techniciens d'atelier sont obligés de régler manuellement et périodiquement la succession de miroirs qui se trouvent entre le laser et la machine afin de maintenir superposé l'axe du faisceau laser sur les axes de la cinématique de la machine. Cette action conduit inévitablement à une perte de temps et donc à une perte de productivité et nécessite par ailleurs, l'intervention d'un spécialiste en optique ce qui est contraire à la philosophie industrielle. L'automatisation de ce réglage est difficile à réaliser rigoureusement, car lorsqu'un faisceau laser se réfléchit sur une succession d'au moins deux miroirs dont les positions accusent quelques défauts par rapport au réglage originel, le faisceau présente à l'entrée de la machine une nouvelle position qui peut avoir plusieurs causes comme - translations pures des miroirs, --rotations pures des miroirs, - - translations et rotations des miroirs, et ceci pour les deux axes de l'espace OX et OY qui définissent le plan perpendiculaire à l'axe OZ de propagation du faisceau. Quand on sait que la rotation de deux miroirs conduit le faisceau à présenter un défaut de translation pure ou un défaut de translation et de rotation pouvant avoir chacun deux composantes, on comprend bien qu'il faut avant toute correctio4, faire une levée d'incertitude pour connaître la part concernant chaque cause indépendante (rotation 1, rotation 2, translation 1, translation 2) comme le représentent les figures 1, 2 et 3. En effet, la translation suivant les axes de l'espace peut s'exprimer ainsi - T1 = fonction des rotations R1 et R2, - T2 = fonction des translations pures des miroirs, - T résultante = T1 + T2. La position P du faisceau dans l'espace à l'entrée de la machine peut s'exprimer ainsi - P = R + T1 + T2, avec R = rotation résultant des rotations R1 + R2. Le dispositif selon l'invention permet de remédier aux inconvénients évoqués précédemment, car par la seule connaissance de P, le dispositif qui fait l'objet de l'invention permet de retrouver et d'isoler les différents paramètres vrais qui donnent la position constatée du faisceau à savoir - R, - Tl, - T2. A partir de ces données vraies, un boîtier électronique calcule les corrections à apporter au faisceau suivant R, T1, T2. L'invention propose deux dispositifs optoélectromécaniques se plaçant sur le parcours du faisceau. En liaison avec un boîtier électronique de commande, ils assurent automatiquement la stabilité du faisceau à l'entrée de la machine. L'invention a pour objet un dispositif de positionnement automatique d'un faisceau laser dans l'espace. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de dessins représentant seulement un mode d'exécution. La figure 1 montre, pour la compréhension de ce qui a été dit, un faisceau lumineux qui se réfléchit sur deux miroirs. La figure 2 montre la modification de position du faisceau lorsque le premier miroir tourne d'un angle. La figure 3 met en évidence que} par la rotation du deuxième miroir: le faisceau peut être réorienté parallèlement à la position d'origine vue à la figure 1. On peut observer que l'écartement entre le faisceau d'entrée et celui de sortie n'est plus le même que celui d'origine montré à la figure 1. On voit donc l'importance de connaître et d'isoler chaque paramètre de position avant d'apporter une quelconque correction. La figure 4 présente en plan le premier dispositif optoélectromécanique dont le rôle est de connaître et d'isoler R, T1, T2. Ce dispositif est fixé à la machine et à l'endroit où entre le faisceau laser. Les figures 5 et 6 donnent quelques précisions du fonctionnement d'une partie du dispositif présenté à la figure 4. La figure 7 présente le deuxième dispositif optoélectromécanique qui se place sur le parcours du faisceau en général près du laser. Son rôle est d'apporter au faisceau les corrections de position, à partir de l'analyse faite par le dispositif de la figure 4 et commandé par une électronique. Les figures 8 et 9 apportent une variante de quelques parties discrètes du dispositif représenté à la figure 4. Le dispositif représenté à la figure 4 comporte un support général (1) qui se fixe sur la machine à l'endroit où arrive le faisceau Sur ce support (1) sont montés rigidement, une lame à faces parallèles qui est semi transparente (2), une autre lame à faces parallèles semi transparente (3), un condenseur annulaire de lumière (4), un atténuateur de luminosité (5), une cellule de détection de type quatre quadrants ou de type centroide (6), une lame à faces parallèles (7), un objectif de focalisation (8), un condenseur annulaire de lumière (9), un atténuateur de luminosité (10), une cellule de détection de type quatre quadrants ou de type centroide (11) fixée sur une glissière de déplacement rectiligne (12). Le dispositif de la figure 4 fonctionne ainsi - le faisceau laser qui arrive de B traverse la lame (2) pour ensuite entrer dans la machine. La partie réfléchie par la lame (3) se dirige vers la cellule de détection (6). La partie transmise par la lame (3) se dirige vers la cellule (11). Lorsque le faisceau qui arrive de B a un défaut de position, la cellule (6) enregistre de, façon continue la somme des défauts d'orientation et de translation. La cellule (11) enregistre seulement les défauts d'orientation. En effet, le dessin de la figure 5 explique ce qui se passe Lorsqu'un faisceau est incident à un objectif convergent, toute translation parallèlement à lui-même trouve une invariance de position du point de focalisation. Le faisceau qui passe des positions C, D à E focalise toujours au même point. On observe que si la cellule (11) se trouvait aux positions P1 ou P2, lorsque le faisceau passe de la position C à E elle enregistrerait également les défauts de translation pour une part plus ou moins importante selon la distance entre la position idéale de la cellule PO et par exemple la position P1. La figure 6 montre comment la position idéale PO de la cellule est déterminée. Le boîtier électronique de commande envoie un signal alternatif à un moteur qui fait osciller la lame à faces parallèles (7). Durant l'oscillation de la lame (7) le faisceau qui l'a traversée, selon les lois de l'optique se translate parallèlement à lui-même. I1 suffit alors d'avancer ou de reculer la cellule (11) jusqu'au moment ou la valeur qu'elle enregistre ne varie plus. Cette position de la cellule correspond au plan PO. Ensuite la lame (7) est rendue à nouveau immobile. Quand le faisceau est trop décalé afin que les cellules recueillent toujours une information, le condenseur (4) reçoit le faisceau et le ramène dans la cellule (6). I1 en est de même pour le condenseur (9) et la cellule (11). Le dispositif optoélectromécanique présenté à la figure 7 comprend un support général (13) sur lequel sont fixés rigidement, une glissière motorisée (14) qui a un support de miroir (15) dont un des axes de rotation est motorisé, une glissière motorisée (16) qui a une monture de miroir -(17) dont un des axes de rotation du miroir est motorisé. Les deux miroirs en position moyenne sont placés orthogonalement et les axes de déplacement des glisssières sont positionnés perpendiculairement à la face réfléchissante du miroir qu'elle supporte. Le dispositif de la figure 7 est placé à la sortie du laser et le faisceau qui lui est incident arrive en A, se réfléchit sur le premier miroir puis. sur le second, pour ensuite arriver en B dans le dispositif de la figure 4. Les informations lumineuses que reçoivent les cellules sont converties en signaux électriques qui sont dirigés vers le boîtier électronique possédant un microprocesseur qui prend les décisions et, envoie au dispositif optoélectromécanique représenté à la figure 7,quatre tensions électriques distinctes. Les deux premières tensions électriques commandent respectivement le déplacement dans un sens ou l'autre des deux glissières, faisant avancer ou reculer le plan de réflexion des miroirs. Les deux autres tensions commandent la rotation du plan de réflexion de chaque miroir. La procédure automatique de positionnement du faisceau est la suivante Le faisceau qui arrive en B figure 4, génère une information à chaque#cellule (6) et (11). La première information exploitée est celle de la cellule (11). En fonction de cette information le boîtier de commande électronique envoie des tensions électriques au moteur de chaque support de miroir qui règle l'orientation des plans de réflexion jusqu'à retrouver l'orientation originelle du faisceau. Si à la suite de ce réglage la cellule (6) donne l'information correspondant à la position originelle du faisceau, cela signifie qu'il y avait uniquement un déréglage en orientation. Si à la suite du premier réglage la cellule (6) donne une information qui n'est pas celle qui correspond à la position originelle, le boîtier électronique envoie des tensions électriques au moteur de chaque glissière (14) et (16) pour effectuer la translation du faisceau. La figure 8 montre une variante de la lame de prélèvement (2). Dans certaines applications s'il n'est pas possible de prélever par une lame semi réfléchissante une partie du faisceau, on peut utiliser un miroir escamotable (18). La figure 9 présente un dispositif optique (19) qui réduit le diamètre du faisceau, si ce dernier est plus grand que l'ouverture utile des cellules. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'alignement automatique d'un faisceau laser caractérisé en ce qu'il comprend un premier module équipé d'un support général (1), d'une lame semi réfléchissante (2), d'une autre lame semi réfléchissante (3), d'une cellule quatre quadrants (6), d'un objectif de focalisation (8), d'une cellule quatre quadrants (11). 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une lame à faces parallèles oscillante (7). 3 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend deux condenseurs de lumière (4) et (9). 4 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que la cellule (11) est déplacée par une glissière (12). 5 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé en ce que les cellules (6) et (11) sont de type centrolde. 6 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 et 5 caractérisé en ce qu'il comprend deux atténuateurs de lumière (5) et (10). 7 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6 caractérisé en ce que la lame (2) est remplacée par un miroir mobile (18) 8 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7 caractérisé en ce qu'il comprend un réducteur de diamètre de faisceau (19). 9 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8 caractérisé en ce qu'il est associé à un second module qui comprend un support général (13) sur lequel sont fixés, une glissière motorisée (14) qui a un support de miroir (15) dont un des axes de rotation est motorisé, une glissière motorisée (16) qui a une monture de miroir (17 > dont un des axes de rotation du miroir est motorisé. Les deux miroirs en position moyenne sont placés orthogonalement et les axes de déplacement des glissières sont positionnés perpendiculairement à la face réfléchissante du miroir qu'elle supporte. 10 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9 caractérisé en ce que l'ensemble est commandé électroniquement.