Brevet FR2690641A1 — publié le 19931105

DISPOSITIF DE SECURITE POUR MACHINES UTILISANT UN FAISCEAU LASER ET PROCEDE DE MISE EN OEUVRE. La présente invention concerne un dispositif de sécurité spécialement adapté aux machines automatiques utilisant un faisceau laser de longueur d'onde infrarouge de faible à très forte puissance, comme outil de découpe, de soudage, de perçage, de traitement thermique, d'enlèvement de matière, etc... La présente invention concerne également un procédé de mise en oeuvre du dispositif précédent pour la détection des déviations d'un faisceau laser. En général, les machines automatiques multi-axes existantes sur le marché comprennent un générateur de faisceau laser ou source laser et un trajet ou chemin optique constitué de miroirs de renvoi du faisceau laser de façon à l'acheminer au niveau de la partie utile de l'outil tel qu'une tête de coupe ou de soudage. Cette tête est fixe ou mobile, soit au bout d'un bras robot, soit selon le principe des traceurs XY, soit sur un portique mobile à plus de deux axes. Un des principaux problèmes de ce type de machines réside dans la nécessité d'assurer la sécurité du personnel et de la machine. En effet, compte tenu de la technologie employée (acheminement du faisceau par miroirs de renvoi) il se peut que le rayon laser soit dévié de sa trajectoire initiale et constitue alors un danger pour la sécurité des hommes et du matériel. Une des techniques utilisées dans le cadre de la sécurité des machines laser consiste à protéger l'accès au chemin optique du faisceau par des capots, des soufflets et des diaphragmes passifs (tubes métalliques traversés par le laser). Cette technique a pour inconvénient de ne pas permettre la détection d'une éventuelle déviation de la trajectoire du faisceau, car elle ne fait qu'absorber dans les diaphragmes passifs tout ou partie de l'énergie du faisceau en fonction de la puissance du laser. Cette méthode présente donc toujours un risque pour le matériel et le personnel. Il existe d'autres techniques qui ont pour objet de contrôler en continu l'alignement du faisceau laser. Pour cela, des capteurs thermiques (thermocouples, fils chauds, ....) sont disposés à la périphérie d'une section traversée par le faisceau. Le déséquilibre de l'échauffement d'un des capteurs par rapport aux autres fournit des renseignements (sens, importance, ....) concernant la déviation du faisceau laser par rapport à la trajectoire normale. Cette information est traitée électroniquement par un calculateur afin de corriger automatiquement l'orientation des miroirs de renvoi pour réaligner le faisceau sur sa trajectoire théorique. Cette méthode très coûteuse n'est utilisée que sur des systèmes nécessitant un contrôle permanent de l'alignement du faisceau laser et présente de plus l'inconvénient de gérer la sécurité par informatique. Or, pour être réellement efficace et fiable, une sécurité doit agir directement sur le circuit de commande du faisceau laser, sans nécessiter de traitement informatique. De plus, si la puissance du laser est trop élevée les capteurs thermiques peuvent être détériorés et deviennent alors inutilisables. L'invention a pour but de résoudre les problèmes techniques précédents de manière satisfaisante. Ce but est atteint conformément à l'invention au moyen d'un dispositif de sécurité pour l'utilisation d'un faisceau laser à partir d'une source suivant un trajet optique déterminé comportant, éventuellement, des miroirs, associée à un réseau d'exploitation d'un signal de contrôle du faisceau, caractérisé en ce que ledit réseau d'exploitation comprend au moins un élément amovible interrupteur du signal, disposé sur le trajet optique et qui est constitué au moins partiellement d'un conducteur dudit signal entourant ledit faisceau en étant susceptible d'interagir avec lui en cas de déviation pour provoquer instantanément la coupure du signal et l'interruption du faisceau. Selon un premier mode de réalisation, ledit élément interrupteur est entièrement conducteur. Selon un autre mode de réalisation, ledit conducteur du signal est porté par un cadre dont l'axe central coïncide avec la direction normale du faisceau et qui est solidaire d'un organe de support pourvu de moyens de connexion dudit conducteur avec le réseau d'exploitation. Selon une caractéristique, ledit élément interrupteur est annulaire et ledit conducteur forme une boucle autour du faisceau. Selon une autre caractéristique, ledit conducteur du signal est destructible par l'énergie du faisceau. Selon une première variante de réalisation, ledit conducteur est constitué d'au moins une piste de circuit imprimé couplée au circuit électrique du réseau d'exploitation. Selon une autre variante, ledit conducteur est constitué d'au moins une fibre optique reliée à un émetteur-récepteur couplé au réseau d'exploitation. Selon encore une autre variante, ledit conducteur est constitué d'un conduit pneumatique relié à un convertisseur électro-pneumatique couplé au réseau d'exploitation. Un autre objet de l'invention est un procédé de détection des déviations d'un faisceau laser émis à partir d'une source et suivant un trajet optique déterminé comportant des miroirs associée à un réseau d'exploitation d'un signal de contrôle dudit faisceau, caractérisé en ce qu'on insère dans le réseau d'exploitation, le long du trajet optique, autour du faisceau et de préférence à l'entrée et à la sortie des miroirs, des éléments amovibles interrupteurs du signal, constitués au moins partiellement d'un conducteur dudit signal susceptible d'interagir avec le faisceau pour provoquer instantanément la coupure du signal et l'interruption du faisceau. Le dispositif et le procédé de l'invention permettent d'assurer une grande sécurité de façon simple et économique. Le dispositif de l'invention est conforme aux normes en vigueur et est adapté aux machines utilisant un faisceau laser de longueur d'onde infrarouge dont la puissance peut varier de quelques watts à plusieurs kilowatts. L'invention peut être mise en oeuvre en disposant plusieurs éléments interrupteurs amovibles le long du trajet optique parcouru par le faisceau laser par exemple à l'entrée et à la sortie de chaque miroir de renvoi. Celui qui est placé en entrée peut agir vis-à-vis des faibles déviations du faisceau tandis que celui qui est placé en sortie prend en compte les fortes déviations. L'accès au trajet optique peut être protégé de façon complémentaire par des moyens traditionnels tels que capots, soufflets et diaphragmes passifs. Les éléments interrupteurs sont traversés par le faisceau laser, sans pour autant être en contact avec ce dernier. Un des modes de réalisations possibles consiste donc à donner auxdits éléments une forme annulaire d'un diamètre légèrement supérieur à celui du faisceau afin d'autoriser un léger décalage ou réglage de sa trajectoire. Les éléments constituent alors une boucle conductrice destructible, (par exemple fusible) d'un signal (électrique, pneumatique, lumineuse, ...) et sont alors montés en série sur le réseau d'exploitation du signal de contrôle assurant la sécurité de la machine. Le faisceau en déviant rencontre 11 élément interrupteur portant le conducteur destructible. Comme il s'agit d'un laser de longueur d'onde infrarouge et que le matériau conducteur est également absorbant, la quantité d'énergie reçue par un des conducteurs lors de la déviation du faisceau provoque sa fusion et il se comporte comme un fusible en coupant le signal de contrôle. Le circuit conducteur du signal (électrique, pneumatique, lumineux,...) étant ouvert, le réseau d'exploitation du signal met automatiquement la machine en sécurité. Cette sécurité est dite active et positive car elle ne nécessite aucune gestion informatique et commande directement la mise en sécurité du système, même dans le cas d'une défaillance du réseau d'exploitation. Les éléments interrupteurs sont d'un faible coût car ils sont détruits par contact avec le faisceau laser et sont remplacés. Les éléments interrupteurs sont donc amovibles et sont munis d'organes de support mécaniques, qui permettent de les remplacer et de les repositionner facilement par rapport à l'alignement théorique du faisceau laser. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, accompagnée des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue d'ensemble du chemin optique sur une machine outil fonctionnant en coordonnées XY; - la figure 2 représente une fraction de trajet optique équipé des éléments interrupteurs amovibles du dispositif de sécurité de l'invention; - la figure 3 est un schéma du cablâge (électrique, pneumatique, lumineux, ...) du réseau d'exploitation du signal du dispositif de l'invention; - les figures 4a à 4d représentent des modes de réalisations des éléments interrupteurs amovibles du dispositif de l'invention; - les figures 5a et 5b représentent un mode de réalisation des organes de support et de connexion des éléments interrupteurs en vue de face et de côté ; et - la figure 6 est une représentation schématique d'un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention. La figure 1 représente une machine de coupe laser 3 fonctionnant selon le principe des traceurs XY. Elle comprend une source laser 1, une poutre transversale et deux chariots moteurs constituant l'ensemble mobile 2 sur lequel se déplace une tête de coupe 4. Le faisceau laser 5 est acheminé depuis la source laser jusqu'à la tête de coupe 4 le long d'un trajet comprenant cinq miroirs de renvoi (mol, M2, M3, M4 , M5). L'accès au trajet ou chemin optique et donc au faisceau laser 5 est protégé par la mise en place de capots 6, de diaphragmes passifs 7 et de soufflets de protection 8, qui sont des moyens traditionnels. La figure 2 est un agrandissement de la zone du chemin optique comprenant les miroirs de renvoi M3 et M4 fixés sur le support 9 situé sur l'ensemble mobile 2. Dans ce mode de réalisation, les éléments interrupteurs sont localisés. Le sens de référence étant celui de la diffusion du faisceau laser, les éléments 10 sont à l'entrée des miroirs. A cet endroit, compte-tenu de l'éloignement du miroir précédent (M2 ou M3) qui est à l'origine d'une éventuelle déviation du faisceau, la moindre variation angulaire du faisceau est prise en compte à l'entrée du miroir suivant respectivement M3 ou M4. Des éléments interrupteurs 10' sont également disposés en sortie de miroir afin de pouvoir tenir compte des grandes déviations angulaires. En effet, une grande variation angulaire pouvant avoir lieu très rapidement, elle ne couperait l'élément d'entrée 10 du miroir suivant que de manière fugitive, le matériau conducteur du signal sur l'élément n'aurait donc pas forcément le temps de fondre. Après avoir traversé l'élément 10, la déviation se stabilise et est prise en compte par l'élément de sortie 10' qui est le plus proche du miroir d'origine de la déviation. La figure 3 représente le réseau d'exploitation du signal de contrôle (électrique, pneumatique, lumineux ) du faisceau. Ce réseau est directement couplé au circuit électrique d'alimentation de la source laser par l'intermédiaire du relais ou contacteur de puissance 11. Dans certains cas (élément interrupteur à conducteur électrique), il peut même être confondu avec lui. Tous les éléments interrupteurs 10 et 10' du réseau dtexploitation du signal de contrôle sont câblés en série avec les boutons d'arrêt d'urgence, ou les contacteurs de puissance, de la machine et commandent directement le contacteur de mise en sécurité de la machine qui arrête le faisceau laser par obturation de la sortie laser, ou extinction de la source laser 1. Dès que l'un des éléments interrupteurs 10 ou 10' est détérioré, ou qu'un des boutons d'arrêt d'urgence 12 est actionné, la sécurité est activée. La remise en route de la machine peut être effectuée après ré-alignement du faisceau laser et remplacement de l'élément interrupteur détruit. D'autre part, si, pour une raison ou pour une autre, le réseau d'exploitation du signal de contrôle est ouvert (faux contact, erreur de branchement, ...) la sécurité est activée. Il s'agit donc d'une sécurité active et positive qui assure une protection fiable et efficace du matériel et du personnel. Les figures 4a à 4d représentent divers modes de réalisation d'un élément interrupteur 10 ou 10'. Cet élément supporte un conducteur 16, 18, 19 du signal de contrôle réalisé en un matériau absorbant l'énergie du faisceau laser 5 de longueur d'onde infrarouge (par exemple : plomb, cuivre, étain, tube plastique, fibre optique....), de telle façon qu'il entoure au moins partiellement et sans contact le faisceau 5 en formant une boucle comprise dans un plan traversé par le faisceau laser. Selon un autre mode de réalisation (non représenté) l'élément interrupteur est constitué entièrement d'un matériau rigide conducteur du signal. Le conducteur peut aussi être porté par un cadre 17, 20 ou intégré dans celuici. Le cadre est alors solidaire d'un organe de support 15 servant au positionnement et au maintien par rapport à la trajectoire théorique du faisceau laser 5. Selon un premier mode de réalisation (figure 4a), le conducteur est électrique et est constitué d'au moins une piste de circuit imprimé 16 en forme d'anneau ouvert de diamètre légèrement supérieur à celui du faisceau laser 5. Les deux extrémités de la piste se prolongeant sous la forme d'une patte 15 servant à maintenir et à positionner l'élément 10 ou 10' ainsi réalisé, ladite patte 15 permettant également de relier la piste 16 au circuit électrique du réseau d'exploitation. Le mode de réalisation des figures 4b et 4c se situe encore dans la technologie du circuit imprimé. En divisant le matériau fusible en une série de pistes parallèles concentriques de surfaces ou sections plus faibles 18, globalement ayant les mêmes caractéristiques électriques que la piste 16 du mode de réalisation précédent, mais toutes regroupées en deux extrémités de piste dans la patte 15, on diminue le temps de fusion du matériau conducteur et on améliore ainsi le temps de réponse du dispositif de sécurité. Afin de diminuer également le temps de fusion du matériau conducteur, il est intéressant d'augmenter ses capacités d'absorption de l'énergie transportée par le faisceau laser en l'assombrissant par un traitement de surface, par exemple traitement thermique, peinture, etc... La figure 4d représente encore un autre mode de réalisation de l'élément interrupteur utilisant une fibre optique 19 comme conducteur lumineux. La fibre optique 19 est maintenue en place par un support 20. Cette fibre optique est reliée à un émetteur-récepteur 22 qui convertit le signal lumineux en signal électrique. Cet appareil 22 est branché en série sur le circuit électrique du réseau d'exploitation ou relié à la commande numérique de la machine laser, par l'intermédiaire des fils 23. Lors de la déviation du faisceau laser, la fibre optique 19 est sectionnée, le signal lumineux est donc coupé et l'émetteurrécepteur 22 réagit comme un interrupteur, c'est-à-dire qu'il ouvre le circuit électrique. Dans ce mode de réalisation, seul l'ensemble fibre optique 19 et support 20 est remplacé. La connection avec l'émetteur-récepteur 22 est réalisée par l'intermédiaire des broches 21. De façon similaire, on pourrait utiliser, par exemple, un conduit pneumatique souple (non représenté) au lieu de la fibre optique 19. Un convertisseur électropneumatique remplacerait alors l'émetteur-récepteur (22). Les figures 5a et 5b représentent un mode de réalisation de l'organe de support de l'élément interrupteur 10 ou 10' des figures 4a à 4c. Le montage de l'élément 10 ou 10' est réalisé par l'emboîtement ajusté de la patte 15 du conducteur (circuit imprimé) dans une fente du support 13 fixé sur la machine. Le maintien est assuré par le pincement de la patte 15 de l'élément 10 ou 10' dans la fente pourvue de contacts électriques 14 qui sont reliés aux extrémités des pistes 16 ou 18. La figure 6 illustre de façon schématique un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention. La position p0 du miroir M2 correspond à la trajectoire normale F0 du faisceau. Lors d'une modification de l'orientation du miroir M2 (position pl), la faible variation angulaire 131 correspondante est prise en compte par l'élément interrupteur 10 situé à l'entrée du miroir M3. Cette disposition est utile car la faible amplitude de la variation n'amène pas le faisceau laser F1 à détruire le conducteur de l'élément interrupteur 10' positionné en sortie du miroir M2. Par contre, compte tenu de l'éloignement de l'élément 10 du point O origine de la déviation angulaire 131, le faisceau laser interagit avec cet élément interrupteur du dispositif de sécurité. En conséquence, plus l'élément 10 situé à l'entrée d'un miroir est positionné loin du miroir précédent qui est origine de la déviation, plus la sensibilité du dispositif aux faibles variations est accrue. Si le miroir M2 passe de la position normale p0 à p2 de façon rapide, la déviation 132 du faisceau laser peut ne pas être prise en compte par l'élément 10. En effet, la durée de l'interaction entre le faisceau F2 et le conducteur de l'élément 10 étant trop courte, le conducteur pourrait ne pas être complètement détruit. Une déviation de ce type est détectée de manière plus fiable par l'élément interrupteur 10'. Plus l'élément interrupteur 10' situé à la sortie d'un miroir est positionné près de ce miroir (origine de la déviation angulaire), plus il pourra détecter de fortes variations angulaires. REVENDICATIONS 1. Dispositif de sécurité pour l'utilisation d'un faisceau laser (5) à partir d'une source (1) suivant un trajet optique déterminé comportant, éventuellement, des miroirs (M1-M5), associée à un réseau d'exploitation d'un signal de contrôle du faisceau, caractérisé en ce que ledit réseau d'exploitation comprend au moins un élément amovible interrupteur (10,10') du signal, disposé sur le trajet optique et qui est constitué au moins partiellement d'un conducteur (16,18,19) dudit signal entourant ledit faisceau (5) en étant susceptible d'interagir avec lui en cas de déviation pour provoquer instantanément la coupure du signal et l'interruption du faisceau (5). 2. Dispositif de sécurité selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément interrupteur est entièrement conducteur. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit conducteur du signal est porté par un cadre (17) dont l'axe central coïncide avec la direction normale du faisceau et qui est solidaire d'un organe de support (15) pourvu de moyens de connection (14,21) dudit conducteur avec le réseau d'exploitation . 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément interrupteur (10,10') est annulaire et ledit conducteur (16,18,19) forme une boucle autour du faisceau (5). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit conducteur (16,18,19) du signal est destructible par l'énergie du faisceau (5). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit conducteur (16,18) est constitué d'au moins une piste de circuit imprimé couplée au circuit électrique du réseau d'exploitation. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit conducteur (16,18) est constitué d'une série de pistes concentriques de faible section. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit conducteur est constitué d'au moins une fibre optique (19) reliée à un émetteurrécepteur (22) couplé au réseau d'exploitation. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit conducteur est constitué d'un conduit pneumatique relié à un convertisseur électro-pneumatique couplé au réseau d'exploitation. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments interrupteurs (10,10') sont montés en série sur le réseau d'exploitation qui est relié au circuit électrique d'alimentation de la source laser (1). 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit conducteur (16,18,19) est réalisé en un matériau absorbant l'énergie du faisceau (5). 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits éléments interrupteurs (10,10') sont placés à l'entrée et/ou à la sortie des miroirs (M1-M5). 13. Procédé de détection des déviations (131, ss2) d'un faisceau laser (5, F1, F2), émis à partir d'une source (1) et suivant un trajet optique déterminé comportant des miroirs (M1-M5) associée à un réseau d'exploitation d'un signal de contrôle dudit faisceau, caractérisé en ce qu'on insère dans le réseau d'exploitation, le long du trajet optique, autour du faisceau et de préférence à l'entrée et à la sortie des miroirs, des éléments amovibles interrupteurs (10, 10') du signal, constitués au moins partiellement d'un conducteur (16, 18, 19) dudit signal susceptible d'interagir avec le faisceau pour provoquer instantanément la coupure du signal et l'interruption du faisceau.