Brevet FR2717412A1 — publié le 19950922

DISPOSITIF D'USINAGE AU MOYEN D'UN FAISCEAU LASER L'invention est relative à un dispositif d'usinage au moyen d'un faisceau laser, communément appelé "Machines d'usinage laser" par les hommes de l'art. L'invention s'applique en particulier au cas d'un faisceau laser à C02 (dioxyde de carbone) et à la découpe de matériaux par un faisceau laser à C02. Les machines d'usinage laser connues comportent généralement : une source fixe de faisceau laser émettant un faisceau laser, des éléments optiques de transfert de faisceau laser comportant généralement un ensemble de miroirs plans aptes à assurer une déflexion et une réorientation du faisceau laser jusqu'à une tête d'usinage, et des éléments optiques de concentration du faisceau laser comportant généralement des miroirs courbes ou lentilles de concentration pour concentrer le rayon laser sur la piece a usiner. L'usinage laser est préférentiellement utilisé pour la mise en forme ou la découpe de produits de faible épaisseur et généralement de produits plats présentant une aire importante au regard de leur épaisseur. Dans ce cas, il est nécessaire de déplacer la tête d'usinage laser relativement à la pièce ou au produit à usiner, selon au moins deux axes de déplacement en translation sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre. I1 est également connu d'effectuer ces mouvements de déplacement relatifs entre tête d'usinage laser et pièce ou produit à usiner selon plusieurs axes de déplacement en translation ou en rotation, par exemple selon cinq ou six composantes linéaires et/ou circulaires, en particulier pour la réalisation de pièces de formes gauches. Dans les machines d'usinage laser connues, on déplace la pièce en laissant la tête d'usinage fixe, ou on déplace la tête d'usinage en immobilisant la pièce, ou enfin on déplace la pièce selon certains axes de déplacement et on déplace la tête d'usinage selon d'autres axes de déplacement. Les solutions connues présentent plusieurs inconvénients : lorsque la pièce est déplacée, la machine correspondante ne peut usiner que des pièces de faibles dimensions ou de faible masse; lorsque la tête d'usinage est déplacée, les éléments optiques de transfert de faisceau laser doivent être asservis en déplacement aux déplacements de la tête d'usinage, ce qui implique un positionnement géométrique, un réglage et un suivi de trajectoire pratiquement parfaits pour ne pas perdre trop de puissance lumineuse lors des réflexions successives sur les miroirs plans correspondants. En raison des inconvénients précités, on éprouve des difficultés à construire des machines à tête d'usinage laser mobile aptes à usiner des pièces fixes de grandes dimensions : d'une part, ces machines sont techniquement et économiquement difficiles à concevoir et à fabriquer; d'autre part, ces machines nécessitent des réglages fréquents en raison du fait que la variation continue de longueur du trajet optique du faisceau laser au cours de l'usinage et le cumul des jeux de déplacement correspondants entraînent une modification de l'efficacité du faisceau laser concentré sur la pièce à usiner. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients de la technique connue, en créant une nouvelle machine d'usinage laser, du type à pièce de préférence fixe et à tête d'usinage déplaçable, qui soit simple à fabriquer, économique à mettre en oeuvre et qui nécessite peu ou pas de réglage géométrique. L'invention a pour objet un dispositif d'usinage au moyen d'un faisceau laser, notamment d'un faisceau laser à C02, comportant des moyens de déplacement X, Y d'une tête d'usinage laser concentrant le faisceau laser en un point de focalisation sur la pièce à usiner, caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens pour déplacer la source laser à C02 selon un déplacement corrélé avec celui de la tête d'usinage laser en rendant invariante la longueur développée du trajet optique entre la sortie de la source laser et le point de focalisation F de la tête d'usinage. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - la source laser et la tête d'usinage laser sont montées solidaires d'un même support déplaçable; - le support présente une conformation en angle avec un moyen M de renvoi du faisceau laser sur la tête d'usi nage; - le support présente une conformation rectiligne et la tête d'usinage est située sur l'axe optique du faisceau laser sortant par la sortie de la source laser; - des moyens Z sont prévus pour assurer le déplacement d'ensemble de la source laser et de la tête d'usinage sensiblement parallèlement à l'axe optique de la tête d'usinage; - les moyens Z de déplacement coopèrent avec deux tables A, B porte-pièces déplaçables chacune entre une position de chargement-déchargement et une position d'usinage; - chaque table se déplace uniquement selon un mouvement de translation sensiblement parallèlement à l'autre table et la course de déplacement Z est égale ou supérieure à la distance entre les deux tables A, B de support de pièces ou différence de niveau mesurée selon la direc tion de déplacement; - la tête d'usinage comporte au moins deux ensembles mobiles montés en rotation et les axes de rotation des ensembles mobiles sont concourants au point de focalisa tion F; - le dispositif est un dispositif à commande programmable, dans lequel on programme d'une part les déplacements X, Y, Z du centre F de focalisation et d'autre part les angles d'attaque du faisceau laser incident; - les ensembles mobiles sont des ensembles tubulaires dans lesquels circule le faisceau-laser, chaque ensemble contenant un couple de miroirs réfléchissants pour ren voyer le faisceau laser sur un moyen de focalisation fo calisant le faisceau en un point F de focalisation inva riant en position relativement auxdites rotations. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé dans lequel La figure 1 représente schématiquement et partiellement une vue en coupe verticale d'un premier mode de ré alisation de dispositif selon l'invention; La figure 2 représente schématiquement et partiellement une vue en coupe verticale d'un deuxième mode de réalisation de dispositif selon l'invention; La figure 3 représente schématiquement et partiellement une vue en élévation latérale d'un troisième mode de réalisation de dispositif selon l'invention; La figure 4 représente schématiquement et partiellement une vue en coupe verticale d'un quatrième mode de réalisation de dispositif selon l'invention. En référence à la figure 1, un dispositif selon l'invention comporte des moyens de déplacement en translation selon deux directions X et Y sensiblement perpendiculaires entre elles. Ces moyens de déplacement aptes à faire suivre une trajectoire prédéterminée par une tête d'usinage sont de type connu et ne sont pas décrits en détail. Selon 1 invention, un support commun 1 présentant une conformation en angle, par exemple une conformation en équerre, est déplacé par les moyens de déplacement selon les directions X et Y selon une trajectoire imposée par le contour d'usinage sur la pièce P à usiner, de manière que la longueur développée du trajet optique du faisceau laser entre la sortie 2 de la source 3 de laser C02 et le point de focalisation F de la tête d'usinage 4 soit invariable. A cet effet, on fixe de manière permanente la source laser 3 sur un côté la du support en angle 1 et la tête d'usinage 4 sur l'autre côté lb du support en angle 1 en prévoyant à la sortie 2 de la source laser 3 un miroir M de renvoi angulaire, dans ce cas un miroir orienté à 450 par rapport au faisceau incident, pour renvoyer le faisceau laser dans la tête d'usinage 4. La tête d'usinage 4 contient un moyen de focalisation 5 tel qu'une ou plusieurs lentilles 5 de focalisation, de manière à concentrer le faisceau laser en un point F de focalisation situé de préférence au sein de l'épaisseur de la pièce à usiner. Dans l'exemple représenté, le support 1, la source 3 de laser à C02, le miroir de renvoi M et la tête d'usinage 4 comportant au moins une lentille 5 ou autre moyen de focalisation sont solidaires entre eux et se déplacent ensemble selon les composantes principales du mouvement relatif de la tête d'usinage 4 par rapport à la pièce P à usiner. La longueur développée du trajet optique du faisceau laser entre la sortie 2 de la source 3 de laser C02 et le point de focalisation F est égale à la somme des longueurs comprises respectivement entre la sortie 2 et le miroir M de renvoi, et entre le miroir de renvoi M et le point F de focalisation : en raison du montage mécanique solidarisant les éléments précités, il en résulte bien une invariance de ladite longueur optique développée et une constance de l'efficacité du faisceau laser. En référence à la figure 2, un autre dispositif selon l'invention comporte également des moyens de déplacement en translation selon deux directions X et Y, une source laser 3 à C02 comportant une sortie 2 de faisceau laser, une tête d'usinage 4 comportant une lentille ou moyen 5 de focalisation en un point F de focalisation situé sensiblement dans l'épaisseur de la pièce P à usiner. Selon 1 invention, on prévoit un support commun 10 de solidarisation de la source 3 laser à C02 et de la tête d'usinage 4, de manière à assurer une invariance de la longueur du trajet optique entre la sortie 2 de faisceau laser et le point de focalisation F. Dans cet exemple, le support 10 de solidarisation est sensiblement rectiligne ou muni de moyens propres à aligner le faisceau laser émis par la sortie avec la tête d'usinage 4 pour obtenir un trajet optique rectiligne entre la sortie 2 et le point de focalisation F. Cette configuration avantageuse pour le travail à plat permet de monter la source laser 3 et la tête d'usinage dans une même enceinte de protection de forme compacte. En référence à la figure 3, un autre dispositif selon l'invention comporte des moyens de déplacement selon une direction Z sensiblement parallèle à l'axe optique de la tête d'usinage aptes à déplacer selon un mouvement de translation linéaire un dispositif élémentaire du genre de celui décrit en référence à la figure 2. Dans l'exemple représenté, on prévoit des moyens additionnels permettant l'usinage de pièces non planes (par exemple la découpe de tôle ondulée) et permettant l'usinage de pièces planes mais à des niveaux mesurés selon la direction Z sensiblement différents. Ces moyens additionnels comportent deux tables porte-pièces A et B déplaçables transversalement par rapport à la direction Z. On utilise les tables A et B alternativement, de manière à pouvoir charger et décharger les pièces à usiner d'une table dans une zone de déchargement pendant l'usinage des pièces fixées sur l'autre table. Ainsi, dans l'é tape représentée, on usine les pièces fixées sur la table A en focalisant le faisceau laser en un point de focalisation F2 pendant que l'on retire les pièces usinées de la table B ou que l'on fixe de nouvelles pièces à usiner sur la table B dans la zone de déchargement. Ensuite, on déplace les tables A et B respectivement selon les déplacements en translation repérés par les flèches TA et TB jusqu'aux positions représentées en traits pointillés et on abaisse l'ensemble d'usinage 3, 4 et 10 grâce aux moyens de déplacement Z d'une hauteur correspondant au déplacement du point de focalisation de F1 et F2. Avantageusement, comme représenté, la zone de chargement et de déchargement des pièces à usiner est située toujours d'un même côté par rapport à la zone d'usinage ou de travail, et les deux tables A et B sont situées à des niveaux ou des hauteurs différentes, tandis que les moyens de déplacement en Z sont déterminés pour assurer une course de déplacement supérieure à la distance entre les tables A et B ou entre les plans supports de pièces correspondants. Alternativement, les moyens de déplacement en Z sont contrôlés par un dispositif à commande numérique ou par un dispositif de suivi du contour, de manière à suivre la forme de pièces de volume complexe, par exemple de pièces embouties, en maintenant constamment le point F de focalisation du faisceau laser à C02 sur la pièce à usiner au moyen de déplacements en Z continûment asservis à la forme de la pièce à usiner. Bien entendu, l'invention s'applique également à un nombre quelconque d'axes de déplacement linéaires ou rota tifs au moyen de portiques ou de dispositifs de déplacement connus dans les machines d'usinage conventionnelles. En variante, l'invention utilise un robot industriel de type connu à apprentissage ou à commande numérique pour porter l'ensemble mécanique constitué par le support, la source laser à C02 et la tête d'usinage solidaires du support et pour déplacer ledit ensemble mécanique par des mouvements combinés des axes robotisés coordonnés pour générer la trajectoire d'usinage. Grâce à l'invention, le nombre d'éléments optiques de transmission du faisceau laser est réduit au strict minimum; le réglage du point F de concentration et de focalisation par rapport à la surface de la pièce à usiner se fait automatiquement et en permanence en déplaçant l'ensemble comprenant la source et la tête d'usinage laser à C02 à l'aide de moyens de déplacement conventionnels. Ainsi, après avoir réglé préalablement la position géométrique du point F de focalisation par rapport au support commun lors de l'assemblage mécanique du dispositif, plus aucun réglage subséquent n'est nécessaire pour obtenir constamment et invariablement l'efficacité maximale du faisceau laser pour l'usinage, quelles que soient les dimensions des pièces à usiner et les courses et orientations des déplacements correspondants. En référence à la figure 4, un autre dispositif selon l'invention permet de modifier l'orientation du faisceau laser C02 et l'angle d'attaque du faisceau laser CO2 de manière à modifier la géométrie de la zone de travail ou d'usinage. Dans l'exemple représenté, la source 11 laser à CO2 et son support 12 sont déplaçables selon les trois composantes principales X, Y, Z d'un dièdre trirectangle à l'aide de moyens de commande de déplacement non représentés et on prévoit de monter à la sortie du faisceau laser à C02 des moyens générateurs de mouvements de rotation combinés, dont les axes de rotation sont concourants sensiblement au point de focalisation F du faisceau laser en sortie de la tête d'usinage. Il en résulte que l'angle d'incidence ou d'attaque du faisceau laser peut être fixé arbitrairement, la direction d'incidence pouvant être choisie à volonté selon un ensemble de directions radiales correspondant au faisceau de droites passant par le point F de concours des axes de rotation. A cet effet, un premier ensemble mobile 13 est monté à rotation sur le support 12 à l'aide de roulements 13a et 13b, à la sortie S du faisceau laser C02 sous la commande d'un moteur 14 entraînant un pignon 15 engrenant directement ou non avec une roue dentée 16, de manière que l'axe de rotation de l'ensemble rotatif 13 corresponde avec l'axe optique du faisceau laser à CO2. Un deuxième ensemble mobile 17 est monté à rotation sur l'extrémité du premier ensemble mobile 13a à l'aide de roulements 17a et 17b sous la commande d'un moteur 18 entraînant un pignon 19 engrenant directement (ou non) avec une roue dentée 20, de manière que l'axe de rotation de l'ensemble rotatif 17 soit sensiblement concourant avec l'axe de rotation de l'ensemble rotatif 13 en un point F centre de focalisation du faisceau laser C02. De préférence, le moteur 14 est un moteur électrique solidaire du support 12 déplaçable en XYZ et le moteur 18 est un moteur électrique solidaire de l'extrémité du premier ensemble mobile 13. Cette disposition réduit la masse et l'inertie des ensembles en mouvement relatif les uns par rapport aux autres de façon à maximiser les vitesses de réaction et de déplacement de la tête d'usinage comportant les deux ensembles mobiles 13 et 17. Les ensembles mobiles 13 et 17 sont de préférence creux et tubulaires et présentent un passage adapté au faisceau laser CO2. De manière à guider le faisceau laser CO2 sensiblement selon les axes de symétrie des ensembles mobiles 13 et 17, on prévoit des miroirs 21, 22, 23 et 24 de renvoi et de déviation du faisceau laser C02, l'ensemble des miroirs 21 à 24 a pour effet de guider le faisceau laser CO2 sur la lentille de focalisation 25 qui concentre le rayon laser C02 au point F de focalisation, situé au point de rencontre des axes de rotation du premier ensemble mobile 13 et du deuxième ensemble mobile 17. Le trajet du faisceau laser est ainsi le suivant : en sortie S de la source 11 laser C02, le faisceau se dirige selon l'axe de rotation du premier ensemble mobile 13 vers le miroir 21 par lequel il est réfléchi et renvoyé vers le miroir 22 (les miroirs 21 et 22 sont de préférence tous deux solidaires du premier ensemble mobile 13 et situés à une distance de longueur développée de trajet optique invariante de la sortie S de la source laser 11). Le faisceau est ensuite réfléchi et renvoyé par le miroir 22 à l'intérieur de l'ensemble mobile 17 pour frapper un troi sième miroir 23 réfléchissant le renvoi vers un quatrième miroir 24 qui réfléchit et renvoie le faisceau laser sur la lentille de focalisation 25 (les miroirs 23 et 24 et la lentille 25 de focalisation sont de préférence tous solidaires du deuxième ensemble mobile 17 et situés chacun à une distance de longueur développée de trajet optique invariante du deuxième miroir de renvoi 22). Dans le montage mécanique ainsi prédéterminé, le point F ou centre de focalisation ne change pas de position géo- métrique lorsque l'on anime les deux ensembles mobiles 13 et 17 en les faisant tourner autour de leurs axes de rotation en raison du fait que le point F se trouve à l'intersection de ces deux axes de rotation. Il en résulte que quelles que soient les orientations des rotations précitées, la position géométrique du point F est entièrement déterminée par la connaissance des trois coordonnées X, Y et Z. Par contre, la modification de l'orientation du rayon laser C02 grâce aux deux rotations précitées permet l'ajustement de l'angle d'attaque du faisceau entre une position d'usinage par attaque selon une première direction, comme représenté en traits pleins, et une position d'usinage par attaque selon une deuxième direction, comme représenté en traits pointillés. Ainsi, grâce à l'invention, les trajectoires d'usinage sont entièrement définies par les trois coordonnées cartésiennes X, Y et Z tandis que les deux rotations précitées permettent le réglage de l'orientation du faisceau laser par rapport au plan de la pièce à découper. Cet agencement est particulièrement avantageux car il entraîne une sim plification de la programmation des mouvements de la tête d'usinage et permet l'interprétation automatique dans le transformateur de coordonnées de la commande électronique du dispositif selon l'invention, afin d'assurer les corrections nécessaires et la mise au point de la concentration du faisceau laser à CO2 relativement à la surface de la pièce à usiner. Dans ce mode de réalisation ainsi que dans les autres modes de réalisation décrits en référence aux figures 1 à 3, la longueur développée du trajet optique du rayon laser à C02 entre la sortie S et le point F de focalisation reste invariante en dépit des déplacements imposés par la trajectoire. En effet, la longueur développée totale précitée est égale à la somme des segments correspondant respectivement à : la distance sur le premier axe de rotation entre la sortie S et le centre du miroir 21, la distance entre centres des miroirs 21 et 22, la distance sur le deuxième axe de rotation entre centres des miroirs 22 et 23, la distance entre centres des miroirs 23 et 24, la distance entre centres du miroir 24 et de la lentille 25 et la distance focale de la lentille 25 définissant la position du point F de focalisation. Avantageusement, on prévoit dans un, plusieurs ou tous les modes de réalisation décrits de placer une buse 26 ou un embout entre le moyen de focalisation 5 ou 25 afin d'injecter par une tubulure d'admission 27 un fluide gazeux sous pression, ce gaz étant de type connu pour assurer l'assistance à l'usinage, protéger les éléments optiques contre les projections de vapeurs métalliques ou optimiser d'une autre manière le processus d'usinage. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'usinage au moyen d'un faisceau laser, notamment d'un faisceau laser à C02, comportant des moyens de déplacement (X, Y) d'une tête d'usinage laser concentrant le faisceau laser en un point de focalisation sur la pièce à usiner, caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens (1, 10, 11) pour déplacer la source laser à C02 selon un déplacement corrélé avec celui de la tête d'usinage laser (4, 13, 17) en rendant invariante la longueur développée du trajet optique entre la sortie (2, S) de la source laser (3, 11) et le point de focalisation (F) de la tête d'usinage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source laser (2) et la tête d'usinage laser (4) sont montés solidaires d'un même support (1, 10, 12) déplaçable. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support (1) présente une conformation en angle avec un moyen (M) de renvoi du faisceau laser sur la tête d'usinage (4). 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support (10) présente une conformation rectiligne et en ce que la tête d'usinage (4) est située sur l'axe optique du faisceau laser sortant par la sortie (2) de la source (3) laser. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens (Z) sont prévus pour assurer le déplacement d'ensemble de la source laser (3) et de la tête d'usinage (4) sensiblement parallèlement à l'axe optique de la tête d'usinage (4). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens (Z) de déplacement coopèrent avec deux tables (A, B) porte-pièces déplaçables chacune entre une position de chargement-déchargement et une position d'usinage. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque table se déplace uniquement selon un mouvement de translation sensiblement parallèlement à l'autre table et en ce que la course de déplacement (Z) est égale ou supérieure à la différence de niveau des deux tables (A, B) mesurée selon la direction de déplacement (2). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête d'usinage comporte au moins deux ensembles mobiles (13, 17) montés en rotation et en ce que les axes de rotation des ensembles mobiles (13, 17) sont concourants au point de focalisation (F). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif est un dispositif à commande program mable, dans lequel on programme d'une part les déplacements (X, Y, Z) du centre (F) de focalisation et d'autre part les angles d'attaque du faisceau laser incident. 10. Dispositif selon la revendication 8 et la revendication 9, caractérisé en ce que les ensembles mobiles sont des ensembles tubulaires (13, 17) dans lesquels circule le faisceau laser, chaque ensemble (13 ou 17) contenant un couple de miroirs (21, 22 ou 23, 24) réfléchissants pour renvoyer le faisceau laser sur un moyen de focalisation (25) focalisant le faisceau en un point (F) de focalisation invariant en position relativement auxdites rotations.