Brevet FR2674782A1 — publié le 19921009

sesa;uesuoo sed ueasae au 'aas L Lew L 4 do a Ja Luew ap saasodw L 'neaos LEJ np Jinan 6 uol e L 4 ueuaouo O senb LLJ 4 ewo,6 suo L; puoo Sî sa L '96 eu Lsn IL ap s Jnoo nenb ao e ai Lnpuoo lua Anad senb Lue D Ow he senb Lw Je Laq sa 3 uan LJUL sa Jqneip eww e aaew Lt eansaw eun suep enb axle qsaeu Jese L eoinos eunp luawae odmoo et ea Lqeqs ineaeuosai unp seo e L suep eaw N 'ZD 880 T 9 ú Pd el UO Las 'uoo Lxe A e Lqnop O ep e;jos eun Jed,a 9 Lsue 4 u Lp a Les Ja Asue J 4 uo L 4 eas ep Lkjo Jd uos ap e^ÀLew Lxoidde ssneg ep uo Lnq L Js Lp ie AÀe '4 uewenb Lq 96 Jeu O a 4 ueauoo sn Ld e 6 eu Lsnp neaos Lej un ue e 6 eu Lsnp a@e e L ed queu Lwjaq as sae Lqow Si L Oi Lw e awm;sss un suep g Ao Aua ea,p que Ae SZ 9 wio J 4 suejq quewesne 6 eque Ae qsa e Lqeqsu L inageuosg J oae e L 6 aeua aene 4 e aoinos eun jed Luinoe gea Le Lnuue e Les ae Asu EI 4 uo L 4 Zes ep Ine@os Le 4 un 'SI e 6 ed ua 8 ain 6,J '4 L ain 6 LJ quawweqou 4 ui Jase I-03; 4 L 1 u 3 emq Llis pun uep Lauqo S sep J Oi we 4 siss 6 un J Lj LME 4 e S sou Jalxe oz sana N, saue A^Lns qe OSI se 6 ed '( 066 T) Z ou 9 Lo A U Lze 6 e W M Luo Jl Ma Lotdo suep e Ldwaxa Jed a 4 uesa Jd@a A aewwo sexe slne Lsn Ld ep Jnofne a L Lqow e 6 eu Lsnp e@ 4 eun 'a 6 eu Lsnp e;sod ne o:jnos el ap 'a L 6 jeu 9 a 4 ne 4 e Jase L neaos S Leó e L jep Ln 6 e a 9 u IL 4 sap enb L;Jod S ue uo L Ionflsuoo e L ep Le Ae ue '4 auom ueamwenbaij 4 sa Lk se eao sued "Jeu Lsn P aeatd e L Jns elese L neaeos Le np e Le S Ie Asue 14 uo L 4 as ap e LÀ 4 ago 96 e L q@ sepuoip luo O j et aeuan L Cu L P,u L;sep TV P 9 Z 91 6 ú 3 d quawn Dop et J Ed e Ldwaexe Jed ad A eaop 4 Lk Ls Od S Lp un qeuuoo Uo O T Jase L neaos Leó np eo Jnos e L @Je LJ Jep ' nee$SLEJ np sinoo Jed el suep o DE Ld uo Lqe 4 depep JLOJL M un p ueaow ne at L 6 Jeue a:ne 4 e Jase L neaeos Le un a Ae saoea Ld ep e 6 eu Lsn L suep neeos Le 4 et Laoueanlcu L P Pu Lsep 4 Lk Lsods Lp un eu Jeozuoo u OL;ue Au L e 4 uesa Jd el S a L 6 Jaue aqneq Q Jese L neeos LE 4 un Oa Ae saea Ld ap e 6 eu Lsnf L suep neeas Leó el Jae Duenl Ju L E 9 u L 4 sep 4 L 4 LS Ods T- z 8 e 7 z 9 Z T D'après cette solution et dans le cas d'un miroir de déviation placé aussi près que possible de la source, une petite surface de miroir donne, même dans le cas d'une course minime de l'actionneur pour courber cette surface, un grand élargissement du faisceau sur le dispositif optique de reproduction, à l'extrémité côté sortie du système à miroirs, pour pouvoir maintenir constant le diamètre du foyer ou adapter les paramètres d'usinage de manière souple au problème d'usinage La caractéristique de déplacement du système à miroirs n'est pas influencée de manière négative par le poids du miroir de déviation d'adaptation, ni par ses branchements pour la commande électrique et pour l'arrivée et le départ d'un fluide de refroidissement. C'est ainsi que le miroir d'adaptation à un canal, pouvant être réalisé et commandé sans problèmes technologiques, permet aussi une adaptation des paramètres au problème d'usinage spécifique, du fait de la variation de la distance focale et donc de leallongement des grandeurs caractéristiques du faisceau laser focalisé Ce paramètre supplémentaire pour une conduite de processus peut être avantageusement mis à profit lors de l'usinage de matières différentes (telles que des associations de matières et des matières composites), d'épaisseurs de pièces variables et de pièces à géométrie compliquée. On obtient des relations claires en ce qui concerne la technique de commande en même temps qu'une construction simple et une grande dynamique, lorsque cette surface de miroir d'adaptation est déformée par action arrière d'un actionneur électromécanique, de préférence un organe de réglage piézoélectrique, comme décrit par exemple plus en détail dans la DE 35 02 024 A 1 (là aussi en ce qui concerne les possibilités mécaniques d'ajustage); mais dans le cas présent, contrairement à ce qui est représenté dans ce document, une construction à un canal suffit, c'est-à-dire un seul actionneur au centre, derrière une plaque métallique présentant frontalement la surface de miroir. Diverses autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description détaillée qui suit Un mode de réalisation de l'invention est représenté à titre d'exemple non limitatif sur les dessins annexés. La figure 1 représente de manière simplifiée et symbolique les données géométriques du faisceau, derrière la source laser, la figure 2 représente dans une vue de principe le parcours typique du faisceau, devant une tête d'usinage alimentée par une optique articulée pour un dispositif d'usinage à laser de haute énergie et la figure 3 est une vue en coupe longitudinale axiale du miroir d'adaptation à un canal, placé dans le parcours du faisceau selon la figure 1 ou 2, pour la commande du foyer. La source 15 de faisceau laser C 02, représentée sur les dessins, produit un faisceau 2 dont les grandeurs caractéristiques (distribution d'identité sur la section transversale du faisceau, diamètre du faisceau, front d'ondes) varient avec l'éloignement L 12 par rapport à la fenêtre de sortie du résonateur de la source 15 Le faisceau laser 12 présente en particulier, dans la pratique, dans le champ proche, devant le résonateur, une taille avec diamètre minimal, d'o il poursuit de manière divergente dans le champ éloigné Cette géométrie du faisceau est une fonction du temps d'enclenchement pour les sources 15 avec résonateur stable, car la fenêtre de sortie du résonateur est tout d'abord encore à la température ambiante, à l'allumage du laser, et ne s'échauffe qu'après à la température de fonctionnement, une partie de la puissance du laser étant absorbée à l'intérieur. Du fait de cette charge thermique, il se produit une déformation de la fenêtre qui agit sur la focalisation du faisceau 12 Ce n'est qu'après un certain temps de fonctionnement, de l'ordre de quelques secondes, que l'équilibre thermique s'établit entre l'échauffement de la fenêtre de sortie occasionné par l'absorption et l'évacuation de chaleur due au refroidissement Dans une focalisation du faisceau laser par une optique de reproduction 19 (représentée de manière schématique sur la figure 1 sous la forme d'une lentille convexe, mais dans la pratique réalisée le plus souvent sous la forme d'un miroir creux, selon la figure 2 à cause de meilleures possibilités de refroidissement), le résultat de la reproduction dépend aussi des grandeurs caractéristiques mentionnées plus haut du faisceau Par suite de la divergence du faisceau laser 12 dans le champ lointain, le rayon du faisceau r O varie avec la distance L 12 par rapport à la source 15 Le rayon r F au foyer 21 est inversement proportionnel au rayon r O du faisceau dans l'optique de focalisation 19 et, pour l'usinage, dans l'intérêt de la concentration d'énergie maximale, étroitement limitée localement, il doit être maintenu aussi petit que possible et surtout défini, ainsi que d'une manière générale, constant En effet, avec un dispositif 11 pour l'usinage de pièces au laser, il est courant, pour des raisons de techniques de manipulation et de reproductibilité précises d'opérations d'usinage déterminées, de laisser d'une part fixe la source de rayonnement 15 et d'autre part la pièce à usiner 20, tandis que le faisceau laser 12 est déplacé par rapport à la pièce 20, par des systèmes à miroirs 13 mobiles avec axes d'articulation et télescopiques de leurs optiques Les axes télescopiques permettent dans ce cas d'influencer de manière voulue la longueur du parcours L 12 utile du faisceau, entre la source 15 et l'optique de reproduction 19 de la tête d'usinage 17 et donc dans le faisceau divergent ( 12) à des conditions de focalisation variables, car comme il 2674782 a été montré, le rayon r O utile varie sur l'optique de focalisation 19 Mais ce rayon r O peut être volontairement influencé si l'on place dans le parcours du faisceau, un miroir 14 ' dont la surface 22 sphérique est de courbure variable, par exemple par commande d'un actionneur 23 placé au centre, derrière la surface de miroir 22 de paroi mince Les caractéristiques de reproduction pouvant ainsi être influencées de manière contrêlées, peuvent aussi être exploitées pour s'opposer à la variation de la divergence du faisceau laser 12, due v la charge thermique de la fenêtre de sortie de la source 15, en la corrigeant Il est ainsi garanti que les paramètres déterminants du faisceau laser 12 focalise sur et donc derrière l'optique de reproduction 19, peuvent être maintenus indépendants du temps de fonctionnement de la source et donc constants. Le dispositif d'usinage de pièces 11 selon la figure 2 comporte, pour le guidage du faisceau laser à haute énergie 12, un dispositif de guidage de faisceau avec systèmes à miroirs 13 mobiles dont les axes télescopiques peuvent influencer la constance des paramètres du faisceau laser 12 focalisé Pour simplifier, il n'a été représenté que quelques miroirs de déviation 14 L'optique articulée 13 est alimentée à partir de la source de faisceau laser 15 à haute énergie, par une construction en portique 16, fixe par rapport à celle-ci En face, le guidage du faisceau se termine dans une tête d'usinage 17 pouvant pivoter autour de plusieurs axes orthogonaux, comme représenté plus en détail en page 33 dans la documentation RKW n'1031 ( 1988) 'Lasertechnologie in mittelstândischen Unternehmen' Devant la sortie de faisceau 18 il est placé, dans la tête d'usinage 17, au lieu des miroirs de déviation 14 plans, un miroir de focalisation 19 parabolique qui focalise un faisceau laser 12 incident à l'extérieur de la tête d'usinage 17, sur ou dans la pièce 20 à usiner La section transversale du faisceau et donc l'énergie du faisceau au foyer 21 dépend, selon les lois géométriques connues des faisceaux, de la surface de section transversale du faisceau 12 tombant sur l'optique de focalisation (miroir concave) 19 Une grande section transversale fournit en particulier un petit foyer 21, car son rayon r F est inversement proportionnel à la valeur inverse du rayon r O dans l'optique de focalisation 19 Une variation de la longueur du parcours L 12 le long du guidage du faisceau 12 non parallèle, influence donc le diamètre r F du foyer et donc aussi la concentration d'énergie sur la pièce 20. Afin de faire varier ou d'optimaliser la géométrie du faisceau en amont de l'optique de focalisation 19, au sens de l'effet souhaité sur la pièce 20, ou afin de pouvoir maintenir constant l'éclairage de l'optique de reproduction 19, l'un des miroirs de déviation peut être conçu sous la forme d'un miroir 14 ' dit d'adaptation Sa surface 22 plus ou moins convexe (représentée de manière exagérée sur les dessins) donne un faisceau 12 réfléchi, légèrement élargi par rapport au faisceau incident et conduit donc à l'adaptation voulue du rayon r O agissant dans l'optique de focalisation 19. Cette variation du rayon de la surface 22 du miroir peut être réalisée au moyen d'un seul actionneur 23 placé au centre, orthogonalement par rapport au miroir à membrane pouvant être courbe, et constitué par exemple d'éléments piézo-électriques Sa course est influencée par un circuit de commande 24, tel que décrit plus en détail par exemple dans la GB 2 162 713 A (dans ce document pour une pluralité d'actionneurs à commande individuelle), au moyen d'un organe de positionnement 25, par exemple par l'intermédiaire d'un circuit de réglage fermé ou au moyen d'un circuit de commande ouvert en vue de l'adaptation de la géométrie du foyer 21 à des données technologiques imposées et en particulier pour des paramètres de foyer constants, sur la longueur de parcours L 12 utile du faisceau, jusqu'à l'optique de focalisation 19 A cet effet, une commande d'adaptation peut traiter les déplacements de réglage actuels d'éléments télescopiques placés dans le guidage du faisceau, directement en vue de maintenir constants les paramètres du foyer Mais dans le cas d'une adaptation des paramètres du faisceau au problème d'usinage concret ou en vue de corriger une divergence du faisceau due à la source, il est possible aussi de commander le miroir de correction 14 ' à un canal, en tant qu 'axe" à programmer en supplément, au cours d'une commande numérique de machine D'autre part il peut être intéressant aussi, à l'intérieur du circuit de commande 24, de préférence en coopération avec un capteur de position 26 (figure 3) destiné à mesurer la déviation momentanée effective du centre de la surface 22 du miroir par rapport à une position de référence donnée, de prévoir un circuit de réglage de position asservi, et par exemple d'enregistrer des erreurs de dérive dues à des variations conditionnées par l'interaction entre la surface de miroir 22 et l'actionneur 23, et de les compenser aussitôt au cours de la commande, par l'organe de positionnement 25 Pour les détails techniques des circuits d'un tel enregistrement de position ou d'un calibrage de surface de miroir électrique, il est fait référence à la totalité du contenu des GB 2 178 619 A ou DE 37 40 515 Ai. Le miroir de déviation 14 ' d'adaptation peut être conçu avec une surface de miroir 22 composée selon la DE 38 09 921 A 1 ou la GB 2 170 323 A, sous la forme d'une plaque mince massive ou d'un corps en matériau composite avec revêtement réfléchissant. D'une manière avantageuse, le miroir de déviation 14 ' d'adaptation est placé dans le parcours du faisceau de l'optique articulée 13, aussi loin que possible devant la tête d'usinage 17 et donc aussi près que possible derrière la fenêtre de sortie du résonateur laser (source 15) et par exemple au lieu du premier des miroirs de dérivation 14, dans ou devant le système à miroirs 13 Le comportement cinétique de la tête d'usinage 17 n'est pas aggravé par la masse supplémentaire du miroir 14 ' d'adaptation Si le miroir de déviation 14 ' d'adaptation est placé aussi loin que possible de la tête d'usinage 17, dans le parcours du faisceau, les conditions géométriques du faisceau conduisent donc, comme voulu, à une section transversale r O d'autant plus grande du faisceau 12 réfléchi dans l'optique de focalisation 19, du fait du long parcours L 12 pour une même course de l'actionneur 23, donc pour une même courbure de la surface 22 du miroir La disposition fixe du miroir de déviation 14 ' d'adaptation est optimale entre autres aussi par ce qu'il ne se pose aucun problème lié aux déplacements dans le câblage de l'actionneur 23 et qu'il s'établit des conditions particulièrement simples pour l'alimentation en réfrigérant 27, dans le cas d'un miroir 14 ' d'adaptation à refroidir à l'intérieur ou derrière D'autre part, contrairement à la représentation de principe de la figure 2, il faut rechercher dans la pratique un angle d'incidence du faisceau par rapport à la normale au centre du miroir 14 ', qui selon la figure 1 est aussi petit que possible et dans tous les cas inférieur à 45 ; s'il est vrai qu'en règle générale ceci détermine un miroir de déviation 14 ' supplémentaire pour un faisceau 12 de sortie, décalé parallèlement, ceci a pour avantage de minimaliser les effets indésirables dans la reproduction du foyer, comme en particulier l'astigmatisme et les variations de direction derrière le miroir convexe 14 ' variable Il est possible de réaliser un angle d'incidence de faisceau particulièrement petit avec un petit diamètre de 9 2674782 miroir, et celui-ci peut être réalisé avec un long parcours L 12 du faisceau entre le miroir de correction 14 ' et l'optique de reproduction 19, car dans ce cas (comme exposé ci-dessus) de petites courses de l'actionneur conduisent déjà à de grandes influences de la section transversale du faisceau, dans le plan de l'optique de focalisation 19. neeos Le 4 np a Le Lu L UOL-Oae Lp e L e L 4 u 9 we La LL Leed 'eauepkouip a Le U Jouel Lq 4 Joddei aed N 6 Lea L 6 ueun snos si 9 ae Le L a 4 uewe Le 6 e u() Uove L Aap ap i L o LW 4 14 ne un 4 ns 'Lqo BllJP 4 sa 4 e eouapko U Lp Gle WÀou es e 4 joddej ued al Bue; Lead un snos ai Le L Oa -sa uo L-eqdepe,p (,ip) ILOILW e L enb ao U 3 9 SLJ 94 oeleo 't q I SUOL'4 e O Lp Ue Ael sap enbuoo Llnb aun L uo Las ók 4 sods Ld _ o O ú neesos Lej @p a 9 ep Ln 6 ap SILOU Lt q atu e-sfs unp (N 1) UO Lqe LA^p ap JLO JLUJ Unp ae:Dld el eq n Aaid -4 sa uo L,4 e-depep p 1 ILOILW e L anb eo ua 9 s L Jauoejeo ' I o L; Ueo Lpua Aa J sap enbuoo Lenb aunàL uo Les ópsods Ld SZ (SI) Jese L neaos Le 4 @p 9 con OS el a;JL 4 Iep 4 Ua W 94 oa J Lp aoe Ld qsa uo Lqeldepep (,il) ILOILW eal anb a: ua as L 9 eq De Oeo Z UO Lq ED Lp Ua Ae@e LUOLlS Lk Ls Od Ss LQ ' Sl LOILW ap @maqs s e nea Ds Le 4 ap e 6 ep Ln 6 oz ap ój-Lsods Lp un suep '(SI) iase L neeo S Leó ap ao Jnos e L q -4 oddei jed ax Le qe ( 61) u OL es L Leooj ap enb Lqdo k L;Lsods Lp np aeu 6 Lo 19 u OLO Uemuaw L Le L ins 9 Oe Ld qsa uo Lteqdepep (,pl) ILOILW e L anb ao ua Os LJ Gqoe Jeo çT UO Lqe D Lp Ua^AJelUolas óL Lsods LQ S ( 61) uo Lqes Lleoj ap enbtqdo óLk;sods Lp uos que^ap,(Z 1) neao S Lej np eoua 6 JA^Lp e L lauen 4 uan Lup U Lje 'anb L-aqds uoqondeo un,p eai Luew e L E aeqwoq (ZZ) aquess qo Lói a 3 eocans es aae Lijap 4 aiqueo ne 9 oe Ld 'anb Lu Eogmo J 43 lel (úZ) Jnauuo L 40 01 Ze^A UO Lqeldepeip (iti) ILOILW un n A 94 d $sa lLnb oz ue 9 S La 9 D Ee Deo '(SI) dase L neeosteó np aoinos e L aea Ldeap neaos Le J np sinooied a L suep gzeld uo L 4 e 4 depe,p (,) I Lo ILW un p uafow ne '(Z;) a L 6 aue a;ne 4 q q iase L neaos Leó un aa Ae sa Da Ld @p e 6 eu sni L suep neeos Leó q ea aaouen L Cu E el u Llasap ( 11) j Lk Lsods Ld; SNOIIV 3 IGN 3 A 3 d 0 I 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisé en ce que le miroir ( 14 ') d'adaptation est équipé d'un capteur ( 26) servant de capteur de valeurs réelles d'un circuit de réglage de position. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérise en ce que l'actionneur ( 23) peut être commandé par un circuit de commande ( 24) qui traite les déplacements d'un système à miroirs ( 13), influençant la longueur du faisceau (L 12), devant le dispositif optique de focalisation ( 19). 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérise en ce que l'actionneur ( 23) peut être commandé par un circuit de commande ( 24) qui traite les informations concernant la géométrie actuelle du foyer ( 21). 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'actionneur ( 23) peut être commandé par un circuit de commande ( 24) qui traite une information supplémentaire relative aux axes d'une commande numérique de machine- outil. il