ES2305159T3 - Maquina de mecanizado por laser. - Google Patents
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Abstract
Máquina de mecanizado por láser (11) con una radiación láser, de preferencia de un láser de CO2, prevista para el mecanizado de una pieza de material con una célula de medida (2; 12) en la que puede entrar un gas de la máquina de mecanizado por láser a analizar, especialmente un gas de alimentación del láser y/o de la máquina de mecanizado por láser (11) o un gas de corte y/o un gas de trabajo, caracterizada porque está equipada con un sistema (7) para el desacoplamiento de una radiación de diagnóstico (5; 14) desde la radiación de láser y con un detector acústico para registrar el llamado efecto fotoacústico que se produce en la célula de medida (2; 12) después de la absorción de la radiación de diagnóstico (5; 14).
Description
Máquina de mecanizado por láser.
La invención se refiere a una máquina de láser
para el mecanizado de piezas según el preámbulo de la reivindicación
1. La US-A-44716150 revela una
máquina de mecanizado de este tipo.
En una máquina de mecanizado por láser con un
láser de CO_{2} se generan los rayos láser para el mecanizado de
material mediante vibraciones moleculares. La radiación lasérica
generada se conduce, normalmente, a través de una atmósfera de gas
que se mantiene libre de sustancias con medidas precisas, sustancias
que pueden absorber la radiación de láser generada.
La medición del efecto fotoacústico se conoce
por L.B. Kreutzer: Laser optoacoustic spectroscopy, A new technique
of gas analysis, (espectroscopia optoacústica de láser, una nueva
técnica de análisis de gas), Anal. Chem. 46 239A, 1974.
Por la DE 195 35 720 A1 se conoce un
procedimiento y un sistema para la prueba de estanqueidad de
carcasas en el que se ilumina un gas que escapa mediante un haz de
luz de una fuente de luz sincronizada de modo que al existir una
fuga en la carcasa se puede medir el efecto fotoacústico. Para
mejorar la medición se propone un circuito de reacción.
Para el control de la atmósfera de gas se conoce
la utilización de un filtro molecular (véase por ejemplo la EP 0
749 800) o la utilización de nitrógeno como gas de relleno para el
posicionamiento del haz (véase, por ejemplo, la WO 95/33594).
Al estado actual de la técnica pertenecen
también medidas o apantallados contra una entrada de gas desde el
exterior.
La radiación lasérica de CO_{2} es absorbida
por muchas moléculas en mayor o menor medida. La condición previa
para la absorción es que uno de los enlaces moleculares tenga la
energía de enlace adecuada. Ejemplos de tales sustancias gaseosas
que han de mantenerse alejadas de la conducción del rayo son el
SF_{6}, C_{2}H_{4}, hidrocarburos halogenados, amoniaco,
alcoholes, acetona, y CO_{2}.
El efecto nocivo de estos gases no es la
absorción en sí y, por lo tanto, el debilitamiento de la potencia
de la radiación lasérica necesaria para el mecanizado, sino el
efecto óptico que se produce a causa de la absorción sobre la
radiación lasérica que resulta en un ensanchamiento del rayo y en
una distorsión del frente de fases. La absorción relevante para la
máquina de mecanizado por láser no tiene un efecto apreciable en
cuanto al debilitamiento de la potencia. El verdadero efecto nocivo
es la influencia negativa sobre la radiación lasérica debido a un
aumento de la temperatura y la correspondiente modificación del
índice de refracción.
Los ensayos han mostrado que una contaminación
con < 100 ppb (0,1 ppm) de SF_{6} que tiene la mayor absorción
conocida con una longitud de onda de 10 \mum es suficiente como
para afectar decisivamente de modo negativo el corte de una chapa
de acero con una potencia de láser de 3 kW.
El objetivo de la invención consiste en
proporcionar dentro de una máquina de mecanizado por láser un
control de la atmósfera de gas y de todos los gases producidos en
la empresa que presentan un efecto recíproco con el mecanizado por
láser.
Este objetivo se alcanza según la invención con
una máquina de mecanizado por láser de acuerdo con la reivindicación
1.
La invención tiene las siguientes ventajas:
- -
- Con ayuda del principio de medición según la invención se pueden detectar de forma precisa las moléculas que absorben la longitud de ondas del láser de CO_{2}.
- -
- Precisamente estas moléculas perturbadoras afectan el mecanizado y pueden detectarse a tiempo.
- -
- Con el láser de mecanizado se dispone de un láser de diagnóstico y no es necesario instalarlo adicionalmente.
En la célula de medida se pueden detectar
incluso concentraciones muy pequeñas de SF_{6} ó C_{2}H_{4}
ya que se puede aprovechar una absorción fuerte de una radiación de
diagnóstico de, por ejemplo 10,6 \mum. Por el desacoplamiento de
la radiación de diagnóstico de la radiación de láser existente para
el mecanizado de material puede obviarse la utilización de un láser
de medición adicional incluido en los sistemas comerciales
normales. Se puede realizar un análisis en tiempo real de la calidad
de la atmósfera de gas en la conducción del rayo o de los gases de
trabajo del láser y de los gases de soldadura o corte.
El dispositivo para el desacoplamiento de la
radiación de diagnóstico de la radiación de láser se puede realizar
de modo sencillo con medios de difracción, reflexión o por la
utilización de espejos parcialmente translúcidos a la radiación de
láser que se pueden integrar fácilmente en un sistema óptimo de
láser de la máquina de mecanizado por láser.
Se prefiere la disposición del sistema para el
desacoplamiento de la radiación de diagnóstico en la zona de un
espejo retrovisor de la fuente de rayos láser de la máquina de
mecanizado por láser.
En un desarrollo de la invención se han previsto
medios para una radiación pulsada de diagnóstico. Esto es necesario
para la medición de un efecto fotoacústico. La generación de
radiación pulsada de láser puede realizarse de modo mecánico o
electrónico.
En un tipo de ejecución preferido de la
invención se ha previsto una unidad de regulación para la
utilización de un gas de lavado dependiendo del efecto fotoacústico
medido. Solamente se ha de recurrir a la utilización de gas de
lavado en caso necesario. Se puede reducir el consumo de N_{2}. De
preferencia, se utiliza una regulación del caudal de los gases de
la máquina de mecanizado por láser produciéndose una limpieza de la
línea de alimentación o de la conducción del rayo láser mediante la
alimentación o el barrido con gases lo más puros posibles en caso
de una contaminación de la línea de alimentación o de la conducción
del rayo láser.
Para simplificar la configuración de la máquina
de mecanizado por láser es ventajoso prever una célula de medida
común para el análisis de diferentes gases de la máquina de
mecanizado por láser, especialmente de los gases de alimentación
del láser y/o de la máquina de mecanizado por láser, de gases de
corte y/o gases de trabajo.
Es ventajoso utilizar la medición del efecto
fotoacústico para el control de la máquina de mecanizado por láser
produciendo una reducción de velocidad (funcionamiento de
emergencia) en función del efecto fotoacústico medido. Se
interrumpe a tiempo un mecanizado defectuoso.
En los dibujos se ha representado
esquemáticamente un ejemplo de ejecución preferido de la invención,
que se explica a continuación con más detalle con referencia a las
figuras adjuntas, que muestran:
La figura 1: una representación esquemática de
un conjunto para el análisis de un medio gaseoso en la zona de una
máquina de mecanizado por láser.
La figura 2: una representación esquemática de
una máquina de mecanizado por láser.
La figura 3: una representación esquemática de
la regulación.
En la figura 1 se puede ver un conjunto 1 con
una célula de medida 2 estanca al gas en la que puede entrar y de
la que puede salir una atmósfera de gas a analizar a través de una
entrada 3 y una salida 4. El gas es aspirado con ayuda de una bomba
de vacío. Debido a la limpieza necesaria han de evacuarse la línea
de medición y la célula de medida 2. Para el análisis del gas se
conduce a través de la célula de medida 2 una radiación de
diagnóstico 5 de un láser de CO_{2} no representado de la máquina
de mecanizado por láser con una longitud de onda de aproximadamente
10 \mum.
Cuando existen moléculas de gas, por ejemplo
SF_{6}, que absorben una parte de la radiación de diagnóstico 5
se libera a continuación de nuevo la energía absorbida en forma de
energía cinética y, por lo tanto, térmica. Esta liberación de
energía conduce a un cambio de presión medible que se puede detectar
con ayuda de un detector acústico -un micrófono sensible- (efecto
fotoacústico, véase también L.B. Kreutzer: Laser
opto-acoustic spectroscopy, A new technique of gas
analysis, Anal. Chem. 46 239 A, 1974). Si ahora se irradia
sistemáticamente el gas que se encuentra en la célula de medida 2
con la radiación pulsada de diagnóstico 5 y si se encuentran
moléculas de absorción en la atmósfera de gas, las mismas pueden
absorber durante la medición una parte de la radiación de
diagnóstico durante un espacio corto de tiempo de manera que se
puede registrar mediante un detector acústico un cambio de presión
generado por la absorción y evaluar con ayuda de un procedimiento de
procesamiento electrónico de señales.
Para generar la radiación de diagnóstico 5 se
desacopla una pequeña parte de la potencia del láser de CO_{2}
disponible para el mecanizado de una pieza de material con ayuda de
un espejo retrovisor 7 y una rueda de contacto vibrador. Para
generar un rayo láser pulsado para la radiación de diagnóstico 5 se
utiliza la rueda de contacto vibrador (vibrador de rayos). Como
alternativa, se puede pulsar de modo definido el láser en los
intervalos entre mecanizados, en caso dado se pueden generar de dos
a tres frecuencias selectivas de medición. Se utilizan de 10 a 20 W
de la radiación del láser de CO_{2} que impacta, de preferencia,
en el espejo retrovisor 7 de una fuente de radiación.
Aproximadamente del 0,2 al 1% de la potencia del láser se desacopla
para el análisis del gas. La radiación de diagnóstico 5 se conduce
a través de la célula de medida 2 en la que se encuentra el
detector acústico. En el extremo opuesto de la célula de medida 2
está situado un cabezal de medición de potencia 6 por detrás de una
ventana 9 para medir la potencia alimentada del rayo láser.
Para el desacoplamiento de la potencia de
diagnóstico 5 también se puede utilizar un reflector pasivo
parcialmente translúcido de la conducción del rayo láser de
CO_{2}. La radiación de diagnóstico 5 también puede hacerse salir
por reflexión o difracción desde el rayo láser de CO_{2} de
trabajo e introducirse en la célula de medida 2 a través de una
ventana 10.
El conjunto 1 puede instalarse de modo
estacionario en una máquina de mecanizado por láser conocida en sí
y, por lo tanto, no representada, por ejemplo en forma de una unidad
de diagnóstico. El conjunto también puede preverse como módulo de
diagnóstico de modificación posterior y montarse adicionalmente en
una máquina de mecanizado por láser existente. Además, es posible
conectar el conjunto 1 durante un tiempo corto con la máquina de
mecanizado por láser con el fin de realizar mediciones o análisis.
Con ayuda del conjunto 1 se puede medir cíclicamente la calidad de
una atmósfera de gas (aspirada por una bomba de vacío) dentro de la
máquina de mecanizado por láser: aire o nitrógeno en la conducción
del rayo, gas de corte, soldadura o protección para el mecanizado
del material, gases para operación de láser. Se pueden impedir
preventivamente posibles problemas durante el mecanizado del
material debidos a que la radiación de láser está afectada por gases
con impurezas.
La atmósfera de gas en la trayectoria de los
rayos puede regularse, además, en cuanto a su pureza. El gas de
lavado (nitrógeno) no ha de soplarse de modo continuo sino ya
solamente en caso de necesidad.
En una máquina de mecanizado por láser 11 según
la figura 2 se ha previsto una sola célula de medida 12 para
comprobar la composición del gas en las líneas de alimentación del
gas, de los gases de corte y de trabajo y de los gases en la
conducción del rayo. El rayo de láser 14 que sale en un espejo
retrovisor 12 es alimentado a un cabezal de medición de potencia 14
y se conduce hasta la célula de medida 12 como rayo de diagnóstico.
Con ayuda de una comunicación multiplex y válvulas 15, las células
de medida 12 reciben opcionalmente los gases a examinar. Estos
gases pueden ser gases de líneas de entrada de gases de alimentación
del láser, es decir desde una línea de entrada 16 (CO_{2}), 17
(N_{2}) y 18 (He). También se puede examinar la atmósfera de gas
en una conducción de rayo 19 en la que se conducen gases de corte y
de trabajo a través de una línea de entrada 20 (O_{2}) y una
línea de entrada 21 (N_{2}), debido que se han previsto una salida
de gas 22, una línea de entrada a la célula de medida 12 y una
válvula en la línea de entrada. La célula de medida 12 tiene
asignada una bomba de vacío 23 para la evacuación de la célula de
medida 12.
También es posible una recirculación de los
gases después de la salida del gas 22 hasta el posicionamiento del
haz 19.
La máquina de mecanizado por láser se completa
con una aspiración 24 con un filtro para los gases de la máquina de
mecanizado por láser. Si se corta material sintético y se trabaja
con un filtro de carbón activo se puede controlar el efecto del
filtro con ayuda del sistema para el análisis del gas (célula de
medida, sensor) y se puede generar una señal de alarma cuando el
carbón activo está saturado y la adsorción es insuficiente.
La figura 3 muestra una regulación de la
circulación del gas de trabajo y de corte controlándose el volumen
de gas 25 en la conducción del rayo 19 en cuanto a la absorción de
la radiación de diagnóstico. Como resultado de una comparación
entre el valor real y el teórico se incrementa el caudal medio Q del
gas de trabajo y de corte durante la absorción al sobrepasarse un
valor límite X_{w} para sustituir las moléculas perturbadoras de
gas por moléculas siguientes del gas de trabajo o de corte. El gas
de lavado (nitrógeno), por ejemplo, no ha de soplarse de modo
continuo con un elevado caudal medio sino solamente en caso de
necesidad.
- 1
- Conjunto de análisis.
- 2
- Célula de medida.
- 3
- Entrada de gas.
- 4
- Salida de gas.
- 5
- Radiación de diagnóstico.
- 6
- Cabezal medidor.
- 7
- Espejo retrovisor.
- 8
- Contacto vibrador.
- 9
- Ventana de la célula de medida.
- 10
- Ventana de la célula de medida.
- 11
- Máquina de mecanizado por láser.
- 12
- Célula de medida.
- 13
- Espejo retrovisor.
- 14
- Rayo láser.
- 15
- Válvula.
- 16
- Línea de alimentación.
- 17
- Línea de alimentación.
- 18
- Línea de alimentación.
- 19
- Conducción del rayo
- 20
- Línea de alimentación.
- 21
- Línea de alimentación.
- 22
- Salida de gas.
- 23
- Bomba de vacío.
- 24
- Aspiración.
- 25
- Volumen de gas.
Claims (11)
1. Máquina de mecanizado por láser (11) con una
radiación láser, de preferencia de un láser de CO_{2}, prevista
para el mecanizado de una pieza de material con una célula de medida
(2; 12) en la que puede entrar un gas de la máquina de mecanizado
por láser a analizar, especialmente un gas de alimentación del láser
y/o de la máquina de mecanizado por láser (11) o un gas de corte
y/o un gas de trabajo, caracterizada porque está equipada
con un sistema (7) para el desacoplamiento de una radiación de
diagnóstico (5; 14) desde la radiación de láser y con un detector
acústico para registrar el llamado efecto fotoacústico que se
produce en la célula de medida (2; 12) después de la absorción de
la radiación de diagnóstico (5; 14).
2. Máquina de mecanizado por láser según la
reivindicación 1, caracterizada porque el sistema para el
desacoplamiento de la radiación de diagnóstico (5; 14) desde la
radiación de láser comprende medios para la difracción de la
radiación de láser utilizada para la medición de potencia.
3. Máquina de mecanizado por láser según la
reivindicación 1, caracterizada porque el sistema para el
desacoplamiento de la radiación de diagnóstico (5; 14) desde la
radiación de láser comprende medios para la reflexión de la
radiación de láser utilizada para la medición de potencia.
4. Máquina de mecanizado por láser según la
reivindicación 1, caracterizada porque el sistema para el
desacoplamiento de la radiación de diagnóstico (5; 14) desde la
radiación de láser utiliza un espejo parcialmente traslúcido de la
radiación de láser utilizada para la medición de potencia.
5. Máquina de mecanizado por láser según la
reivindicación 4, caracterizada porque el espejo parcialmente
traslúcido es el espejo retrovisor (13) de una fuente de
radiación.
6. Máquina de mecanizado por láser según una de
las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque se han
previsto medios mecánicos para generar una radiación pulsada de
diagnóstico.
7. Máquina de mecanizado por láser según una de
las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque se han
previsto medios electrónicos para generar una radiación pulsada de
diagnóstico.
8. Máquina de mecanizado por láser según una de
las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque se ha
previsto una unidad de regulación para una utilización de gas de
lavado en función del efecto fotoacústico medido.
9. Máquina de mecanizado por láser según la
reivindicación 8, caracterizada porque la unidad de
regulación está diseñada para la regulación del caudal medio de uno
o varios gases de alimentación del láser y/o de la máquina de
mecanizado por láser y de gases de trabajo o de corte en función del
análisis de la atmósfera de gas en las líneas de entrada o en la
conducción del rayo láser.
10. Máquina de mecanizado por láser según una de
las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque se ha
previsto una célula de medida (12) común para el análisis de
diferentes gases de la máquina de mecanizado por láser (11)
especialmente de los gases de alimentación del láser y/o de la
máquina de mecanizado por láser (11), de gases de corte y/o de
gases de trabajo.
11. Máquina de mecanizado por láser según una de
las reivindicaciones anteriores con un filtro, particularmente un
filtro de carbón activo, caracterizada porque el sistema para
el análisis de gas (célula de medida, sensor) también puede
utilizarse para controlar el efecto del filtro.
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