BR102020020205A2 - Método para detectar a condição de operação de um elemento óptico disposto ao longo de um caminho de propagação de um feixe de laser de uma máquina para processar um material, sistema para executar o referido método, e uma máquina de processamento a laser provida com o mencionado sistema - Google Patents

Abstract

método para detectar a condição de operação de um elemento óptico disposto ao longo de um caminho de propagação de um feixe de laser de uma máquina para processar um material, sistema para executar o referido método, e uma máquina de processamento a laser provida com o mencionado sistema. são descritos um método e um sistema para detecção da condição de operação de pelo menos um elemento óptico (16) disposto ao longo de um caminho de propagação óptica de um feixe de laser de potência (b), em um cabeçote de processamento (14) de uma máquina para processamento de laser de um material, com base nas etapas de: a) adquirir, a montante do elemento óptico (16), um sinal indicativo de uma radiação óptica que se propaga de volta coaxialmente ao caminho óptico, no comprimento de onda do feixe de laser (b); b) adquirir, a montante do elemento óptico (16), um sinal indicativo de uma radiação óptica que se propaga de volta coaxialmente ao caminho óptico, tendo um comprimento de onda próximo do infravermelho; c) adquirir um sinal indicativo de uma radiação óptica emitida pelo elemento óptico (16) na faixa do infravermelho, em uma região de volume (r2) próxima da superfície do elemento óptico (16); d) adquirir um sinal ou dados em função do tempo de propagação de uma onda acústica lançada através do volume do elemento óptico (16); e) calcular um sinal normalizado de radiação óptica na faixa do infravermelho, em função do sinal indicativo da radiação óptica na faixa do infravermelho emitida pelo elemento óptico (16), do sinal indicativo da radiação óptica que se propaga de volta em um comprimento de onda na faixa próxima do infravermelho, e do sinal indicativo da radiação óptica que se propaga de volta no comprimento de onda do feixe de laser (b); f) calcular um sinal de radiação óptica infravermelha real como uma função do sinal de radiação óptica normalizado e do sinal em função do tempo de propagação da onda acústica através do volume do elemento óptico (16); e g) calcular um sinal indicativo da condição de operação do elemento óptico (16) em função do sinal de radiação óptica real na faixa do infravermelho, do sinal indicativo da radiação óptica que se propaga de volta em um comprimento de onda próximo do infravermelho, e do sinal indicativo da radiação óptica que se propaga de volta no comprimento de onda do feixe de laser (b).

Description

MÉTODO PARA DETECTAR A CONDIÇÃO DE OPERAÇÃO DE UM ELEMENTO ÓPTICO DISPOSTO AO LONGO DE UM CAMINHO DE PROPAGAÇÃO DE UM FEIXE DE LASER DE UMA MÁQUINA PARA PROCESSAR UM MATERIAL, SISTEMA PARA EXECUTAR O REFERIDO MÉTODO, E UMA MÁQUINA DE PROCESSAMENTO A LASER PROVIDA COM O MENCIONADO SISTEMA

[001] A presente invenção se refere ao processamento a laser de um material, de preferência um material metálico, e se refere especificamente a aperfeiçoamentos em uma máquina para o processamento a laser de um material, em particular para corte, perfuração ou soldagem a laser do mencionado material.

[002] Mais especificamente, a invenção se refere a um método e um sistema para detectar a condição de operação de um elemento óptico disposto ao longo de um caminho de propagação de um feixe de laser em uma máquina para processamento de um material, em particular para corte, perfuração ou soldagem a laser do citado material, conforme especificado no preâmbulo das reivindicações 1 e 15, respectivamente.

[003] De acordo com outro aspecto, a presente invenção se refere a uma máquina para processamento a laser de um material, compreendendo um sistema para detectar a condição de operação de pelo menos um elemento óptico de um caminho óptico para conformar o feixe de laser.

[004] Na seguinte descrição e nas reivindicações, o termo "material", e, na forma de incorporação preferencial, "material metálico", é usado para identificar qualquer artigo fabricado, tal como uma chapa ou um perfil alongado, tendo, sem distinção, uma seção transversal fechada - por exemplo oca e circular, retangular ou quadrada - ou uma seção transversal aberta - por exemplo, uma seção plana ou uma seção em formato de "L", "C", "U", etc..

[005] No processamento industrial de materiais, em particular de chapas e perfis metálicos, o laser é utilizado como uma ferramenta térmica para uma grande variedade de aplicações que dependem dos parâmetros de interação do feixe de laser com o material a ser processado, especificamente no que se refere à densidade de energia por volume de incidência do feixe de laser no material e ao intervalo de tempo de interação.

[006] Por exemplo, direcionando-se uma baixa densidade de energia (da ordem de dezenas de W por mm2 de superfície) durante um tempo prolongado (da ordem de segundos) em um material metálico, um processo de endurecimento é realizado, enquanto que direcionando-se uma alta densidade de energia (da ordem de dezenas de MW por mm2 de superfície) durante um tempo da ordem de femtossegundos ou picossegundos no mesmo material metálico, um processo de foto-ablação é realizado. Na faixa intermediária de aumento da densidade de energia e diminuição do tempo de processamento, o controle desses parâmetros permite que processos de soldagem, corte, perfuração, gravação e marcação sejam realizados.

[007] Em muitos processos, incluindo processos de perfuração e corte, é necessário prover um fluxo de um gás auxiliar na região de processamento onde ocorre a interação entre o feixe de laser e o material, o qual possui funções mecânicas de propulsão da fusão, ou funções químicas para auxiliar a combustão, ou funções tecnológicas de proteção do ambiente que circunda a região de processamento.

[008] No campo do processamento de materiais a laser, o corte, a perfuração e a soldagem a laser são processos que podem ser realizados pela mesma máquina, que está adaptada para gerar um feixe de laser focado de alta potência tendo uma predeterminada distribuição transversal de potência em pelo menos um plano de trabalho do material, tipicamente um feixe de laser tendo uma densidade de potência entre 1 e 10.000 kW/mm2, e adaptada para controlar a direção e a posição de incidência do feixe ao longo do material. A diferença entre os diferentes tipos de processamento que podem ser realizados em um material é substancialmente atribuível à potência do feixe de laser usado e ao tempo de interação entre o feixe de laser e o material sendo processado.

[009] Máquinas de processamento a laser de acordo com o estado da técnica anterior são mostradas nas figuras 1 e 2 e descritas, por exemplo, no documento EP 3.272.453 do mesmo Requerente.

[010] A figura 1 mostra esquematicamente uma máquina para processamento de laser de CO2 industrial tendo o caminho óptico do feixe de laser no ar, incluindo uma fonte de emissão 10, tal como um dispositivo gerador de laser de CO2, adaptada para emitir um feixe de laser B monomodo ou multimodo, e uma pluralidade de espelhos refletores 12a, 12b e 12c adaptados para conduzirem o feixe de laser emitido pela fonte de emissão ao longo de um caminho óptico, para transportar o feixe em direção a um cabeçote de processamento indicado como um todo pelo numeral de referência 14, disposto na proximidade de um material WP. O cabeçote de processamento 14 compreende um sistema de focagem óptica 16 para o feixe de laser, geralmente consistindo de uma lente de focagem adaptada para focar o feixe de laser ao longo de um eixo de propagação óptica incidente no material metálico. Um bico 18 está disposto a jusante da lente de focagem, sendo atravessado pelo feixe de laser direcionado para uma área de um plano de trabalho do material. O bico está adaptado para direcionar um feixe de um gás auxiliar injetado por um dispositivo correspondente (não mostrado) em direção à área de processamento no material. O gás auxiliar é usado para controlar a execução de um processo (perfuração ou corte), bem como a qualidade de processamento alcançável. Por exemplo, o gás auxiliar pode incluir oxigênio, que promove uma reação exotérmica com um metal - tal como a oxidação de ferro - que gera vários tipos de óxidos de ferro por meio de uma reação exo-energética, liberando energia dentro do material e contribuindo, juntamente com a energia liberada pelo feixe de laser, para manter um equilíbrio dinâmico do processo - permitindo que a velocidade de corte aumente, ou pode incluir um gás inerte, como o nitrogênio, que não contribui para a fusão do material mas desempenha uma função propulsora do próprio material fundido, protegendo o material (metálico) contra oxidação indesejada nas bordas do perfil de processamento, e protegendo o cabeçote de processamento contra quaisquer respingos de material fundido, podendo também ser usado para resfriar os lados da ranhura produzida no material, confinando a extensão da zona termicamente alterada.

[011] A figura 2 mostra esquematicamente uma máquina para processamento industrial tendo um feixe de laser lançado em fibra óptica. A máquina compreende uma fonte de emissão 10, tal como um dispositivo gerador de laser capaz de lançar um feixe de laser em uma fibra de transporte, como por exemplo um laser de fibra dopado com itérbio, ou um laser de diodo direto, adaptado para emitir um feixe de laser monomodo ou multimodo, e um cabo de fibra óptica 12d adaptado para conduzir o feixe de laser emitido pela fonte de emissão em direção ao cabeçote de processamento 14 disposto na proximidade do material WP. No cabeçote de processamento, o feixe de laser que emerge da fibra com sua própria divergência controlada é colimado por um sistema dióptrico de colimação 20, e refletido por um sistema catóptrico 22 antes de ser focado através de um sistema de focagem óptica 16, geralmente consistindo de uma lente de focagem, ao longo um eixo de propagação óptica incidente no material WP passando através do bico de emissão 18.

[012] A figura 3 exemplifica um cabeçote de processamento 14 de acordo com uma forma de incorporação do estado da técnica anterior. O numeral de referência 30 indica um canal tubular tendo seções cilíndricas ou cônicas dentro das quais o feixe de laser é transmitido, indicado por B. O feixe de laser B gerado pela fonte de emissão 10 é transportado para o cabeçote de processamento através de um caminho óptico no ar com múltiplas reflexões ou em fibra óptica, colimado em um elemento defletor refletivo 32 que deflete o seu eixo de propagação óptica em uma direção de incidência no material sendo processado. O sistema de focagem óptica 16 fica interposto entre o elemento defletor refletivo 32 e um vidro protetor 34 disposto a jusante, adaptado para proteger o sistema de focagem contra quaisquer respingos de material fundido, e compreende uma unidade de suporte de lente 36 à qual mecanismos de ajuste mecânico 38 estão acoplados, para calibrarem o posicionamento da lente transversalmente à direção de propagação do feixe (eixos X-Y) e na direção de propagação do feixe (eixo Z).

[013] Como uma primeira aproximação, um feixe de laser ideal, que é um feixe de laser colimado idealmente em feixes paralelos, é concentrado a jusante do sistema de focagem óptica em um ponto de focagem de tamanho finito em sua "cintura". Geralmente, em usos de processamento industrial, as condições de processo ideais são alcançadas com uma posição do plano transversal correspondente à "cintura" do feixe sendo definida com precisão, mesmo em décimos de milímetro, em relação à parede do material incidente do feixe e a parede do material de saída do feixe.

[014] A distribuição de densidade de potência de um feixe de laser normalmente colimado apresenta tipicamente um formato Gaussiano, com simetria rotacional no caso de um feixe monomodo, isto é, com a potência concentrada em torno do eixo longitudinal do feixe (eixo Z) e diminuindo gradualmente ao longo de uma "saia" periférica, ou a distribuição pode ser descrita como o envelope de perfis Gaussianos tendo simetria rotacional, no caso de um feixe multimodo.

[015] O uso de feixes de radiação laser monomodo ou multimodo, que podem ser descritos em uma primeira aproximação como Gaussianos, no campo de aplicações de laser de alta potência, responde às necessidades de controle tecnológico. Na verdade, um feixe Gaussiano é facilmente descrito por poucos parâmetros, e é facilmente controlável em sua propagação ao longo de um caminho de transporte óptico a partir de uma fonte de emissão até o cabeçote de uma máquina de processamento, pois apresenta a característica de se propagar sem modificar a distribuição de energia; portanto, o feixe pode ser descrito através de um valor de raio e um valor de divergência em condições de propagação de campo distante (nesse caso, uma aproximação óptica geométrica pode ser usada). Em condições de propagação de campo próximo do feixe focado, ao longo de uma trajetória de processamento onde a aproximação óptica geométrica não é mais válida, o feixe ainda mantém o formato Gaussiano da distribuição de potência em cada uma de suas seções transversais.

[016] Contrariamente, um feixe de laser compreendendo modos transversais de ordem superior apresenta uma distribuição de potência não Gaussiana. Normalmente, essas condições são obtidas através do uso de sistemas dióptricos (sistemas ópticos do tipo transmissivo, ou seja, lentes) ou catóptricos (sistemas ópticos do tipo refletivo, ou seja, espelhos) que modificam o formato do feixe a partir de uma distribuição Gaussiana.

[017] A distribuição transversal de potência do feixe pode ser controlada, mesmo em tempo real, por exemplo, de acordo com uma distribuição de potência mais ampla em relação à distribuição Gaussiana, para operações de corte em grandes espessuras de material (onde "grande espessura" significa, para lasers tendo um comprimento de onda próximo do infravermelho, uma espessura entre cerca de 4 mm e aproximadamente 25 mm), de acordo com uma distribuição de energia estreita em comparação com a distribuição Gaussiana, para operações de corte rápido em espessuras finas (onde "espessura fina" significa uma espessura igual a ou menor que 4 mm), ou de acordo com outros formatos selecionáveis da distribuição de energia com simetria não rotacional.

[018] O controle da direção de propagação ou das formas de distribuição transversal de potência do feixe de laser diferente da forma Gaussiana, e possivelmente com simetria diferente da rotacional na área de processamento do material, por exemplo, em relação à distribuição controlada de um gás auxiliar ou dependendo do caminho de processamento a ser seguido e do tipo de processo a ser realizado, traz vantagens ao processo. Por exemplo, um desequilíbrio da posição do eixo óptico do feixe de laser em relação ao eixo de simetria do fluxo de gás auxiliar na direção de avanço de um processo de corte permite um melhor desempenho em termos de velocidade do processo, garantindo um menor consumo de gás. O controle da distribuição de potência de um feixe de laser, possivelmente com quebra da simetria rotacional do feixe, pode permitir que a distribuição de potência seja localizada ou expandida onde necessário em relação à trajetória de processamento, e uma parte da potência do laser disponível pode ser explorada para operações auxiliares do processo principal.

[019] É claro que o controle da direção de propagação do feixe de laser ou das formas de distribuição transversal de potência do feixe de laser devem ser as mais precisas e repetíveis possíveis, para que sejam obtidas as vantagens indicadas. Por este motivo, é necessário que os elementos ópticos dispostos ao longo do caminho de propagação do feixe de laser, em particular, mas não exclusivamente, os elementos de conformação óptica do feixe de laser dispostos no cabeçote de processamento da máquina, tenham integridade estrutural e sejam isentos de impurezas superficiais. De fato, esses elementos estão sujeitos a danos ou simples desgaste devido à exposição a condições ambientais e operacionais físicas adversas, em particular nas áreas de aplicação de processamento a laser de materiais com alta potência, ou seja, com potências de feixe de laser iguais ou superiores a 700 W. Por exemplo, a lente de colimação do feixe que entra no cabeçote de processamento, quaisquer espelhos defletores do feixe, e a lente de focagem, podem ficar expostos a altas temperaturas de operação, determinadas pela incidência do feixe de laser de processamento, que podem causar rachaduras ou deformações estruturais dentro do volume do elemento óptico. Por outro lado, o elemento de proteção óptico, provido na saída do feixe de laser a partir do caminho óptico e voltado para um bico de fornecimento do gás auxiliar, além de ficar exposto a altas temperaturas de operação, determinadas pela incidência do feixe de laser do processamento, fica exposto a altas pressões ambientais presentes na câmara do bico, que é a região de volume para a qual o elemento óptico está voltado, ou, mais ainda, fica exposto a altas diferenças de pressão entre a região a montante do elemento óptico - idealmente na pressão ambiente - e uma região a jusante do elemento óptico - na pressão do gás auxiliar (tipicamente, de 1 a 25 bar, ou 1,02 a 25,5 kgf/cm2) - no volume do cabeçote no qual o elemento óptico está imerso. A superfície do elemento de proteção óptico voltada para o material sendo processado também fica exposta a jatos de material fundido durante o processamento, que fazem com que fique suja com a consequente opacificação da mesma.

[020] Um estado ou condição de operação alterada de um elemento óptico disposto ao longo do caminho de propagação do feixe de laser, de natureza estrutural e / ou superficial, ou seja, um estado de defeito estrutural (não integridade) e com impurezas da superfície do elemento, comprometeria a funcionalidade ótica do dito elemento e, portanto, as características geométricas e óticas do feixe de laser de processamento que passa através dele, e, em geral, o funcionamento da máquina. Por exemplo, isto afetaria diretamente o grau e a posição do foco, de modo que o sistema óptico da máquina não focalizaria mais o feixe de laser de uma maneira conhecida e consistente ao longo do tempo.

[021] Por essas razões, no campo do processamento a laser é desejável ter a capacidade de determinar o estado ou condição de operação de um elemento óptico o mais rápido possível, enquanto os resultados do processamento ainda não excedem as tolerâncias permitidas, em vez de perceber um estado de operação inaceitável e a necessidade de substituir o elemento através da simples inspeção visual (quando possível) do próprio elemento ou do resultado (comprometido) de um processo, para assim ser possível restaurar as condições de operação para que fiquem mais próximas das condições ideais de elementos ópticos limpos e intactos para os quais o feixe de processamento é precisamente controlado, sem alterações espúrias de sua distribuição de potência ou da mancha de incidência no material sendo processado.

[022] A patente U.S. 2016 / 377548 descreve um sistema e um método para detectar e classificar defeitos em uma amostra de material semicondutor, por meio de uma análise óptica.

[023] A patente JP S 59220294 descreve a detecção de ondas acústicas, geradas por uma peça de trabalho submetida a processamento a laser, para o controle das operações de processamento.

[024] A presente invenção visa prover um método para detectar a condição operacional de pelo menos um elemento óptico disposto ao longo de um caminho de propagação óptica de um feixe de laser em uma máquina para processamento a laser de um material, e em particular para detectar a condição operacional de pelo menos um elemento óptico de maneira rápida e objetiva, a fim de obter resultados de processamento precisos em todas as condições de operação.

[025] Um outro objetivo da presente invenção é prover um método para detectar a condição operacional de pelo menos um elemento óptico disposto ao longo de um caminho de propagação óptica de um feixe de laser, em tempo real e continuamente durante o processamento a laser de um material, sem necessidade de parar a máquina e fazer uma inspeção visual ou laboratorial das características ópticas do cabeçote de processamento.

[026] De acordo com a presente invenção, esses objetivos são alcançados por um método para detectar a condição de operação de pelo menos um elemento óptico tendo as características referidas na reivindicação 1.

[027] Formas de incorporação particulares constituem a matéria das reivindicações dependentes, cujo conteúdo deve ser entendido como parte integrante da presente descrição.

[028] Um outro objetivo da invenção é um sistema para detectar a condição operacional de pelo menos um elemento óptico e de uma máquina para o processamento a laser de um material, conforme reivindicado.

[029] Em resumo, a presente invenção resulta da consideração de que as condições de volume e o estado da superfície de um elemento óptico, seja do tipo transmissivo ou refletivo, incluindo, a título de exemplo, o estresse mecânico ao qual o volume do elemento é submetido (deformações transversais ao eixo de propagação do feixe de laser de processamento), a tensão superficial mecânica nas superfícies expostas do elemento (deformações na direção axial na direção do eixo de propagação do feixe de laser de processamento), as condições de temperatura operacional do elemento e a opacidade do elemento, podem ser deduzidos a partir da retro-reflexão ou difusão do feixe de laser de processamento causados pelo elemento, de emissão térmica causados pelo elemento em uma região espacial que o circunda, e de propagação de uma onda acústica no volume do elemento.

[030] De acordo com a invenção, a aplicação das considerações acima a uma máquina para o processamento a laser de um material, especialmente para corte, perfuração ou soldagem a laser, e em particular aos elementos ópticos que conformam o feixe de laser de processamento dispostos ao longo da direção de propagação do feixe no cabeçote de processamento da máquina, é conseguida através da disposição de meios sensores a montante da seção de propagação do feixe de laser através do cabeçote de processamento, e de meios sensores em pelo menos um elemento óptico a ser monitorado, e de preferência da disposição de todos os elementos ópticos dispostos no caminho de propagação do feixe de laser no cabeçote de processamento, os quais incluem - de montante a jusante - um sistema de colimação óptica, um possível sistema óptico para refletir e conformar o feixe, um sistema de focagem óptica, e um sistema óptico para proteção a partir do ambiente externo na saída do feixe de laser no caminho óptico, como por exemplo um elemento óptico para proteger um ambiente do caminho óptico, destinado a não modificar a distribuição transversal de potência do feixe incidente quando sua condição estrutural e de superfície for uma condição ótima inicial.

[031] A medição de grandezas físicas indicativas da retro-reflexão ou difusão do feixe de laser de processamento, da emissão térmica causada pelo elemento em uma região espacial que o circunda, e da propagação de um volume de onda acústica associado com um, ou cada, elemento óptico, adequadamente processados, permite adquirir uma assinatura das condições do caminho óptico do feixe de laser de processamento, através do elemento óptico considerado e possivelmente a montante dele, dependendo da localização dos meios sensores ao longo do caminho de propagação.

[032] A presente invenção está portanto baseada no princípio da detecção de sinais de inspeção de uma natureza diferente em diferentes posições do caminho óptico, indicativos das condições de operação de um ou mais elementos ópticos interpostos ao longo do caminho, e na aquisição de informações de processo relacionadas à natureza do material sendo processado, sobrepostas às informações relativas aos elementos ópticos, com continuidade ou periodicidade predeterminada e em tempo real, com o processamento dessas informações, combinando-as em tempo real e separando as informações derivadas do processo das informações sobre os elementos ópticos, para gerar dados sintéticos em níveis que informam sobre o estado de desgaste e limpeza de um conjunto de elementos ópticos que fazem parte do trajeto monitorado.

[033] Os níveis acima mencionados podem estar diretamente associados a sinais aos quais a máquina ou um operador devem reagir, indicativos, a título de exemplo, das condições de operação, tais como: "elemento não está colocado corretamente", "elemento colocado no lugar e em perfeitas condições", "elemento em condição de desgaste ou de sujidade remediável", "elemento em condição de desgaste ou de sujidade que não pode ser remediada", "condição de pré-ruptura crítica que requer uma intervenção direta e imediata".

[034] De preferência, a aquisição dos sinais de inspeção e o consequente processamento dos dados sintéticos indicativos das condições de operação ocorre com uma periodicidade compatível com a taxa de produção, por exemplo, a cada carregamento de um novo perfil ou de uma nova chapa, ou no final do processamento de uma peça de trabalho, ou conforme uma geometria em uma peça de trabalho.

[035] Vantajosamente, o controle automático implementado pelo processo em questão da invenção pode ser implementado em tempo real com frequências de operação variando desde 10 Hz, no caso de sinais lentos, isto é, diretamente relacionados a processos térmicos dentro dos elementos ópticos, até 10 kHz, no caso de sinais rápidos, isto é, relacionados a emissões ópticas tais como a difusão do feixe de laser ao passar através dos elementos ópticos, por exemplo, fazendo-se a amostragem dos sinais a cada 25 μs e seu processamento cumulativo a cada 500 μs.

[036] Um sistema de controle adaptado para executar o processo em questão da invenção difere vantajosamente dos sistemas do estado da técnica anterior porque pode ser integrado em um cabeçote de processamento.

[037] Outras características e vantagens do invento serão explicadas em mais detalhes na seguinte descrição detalhada de uma forma de incorporação da invenção, dada a título de exemplo não limitativo, com referência aos desenhos anexos, onde:

• - As figuras 1 e 2 são exemplos de máquinas de processamento a laser de acordo com o estado da técnica anterior;
• - A figura 3 mostra um exemplo de estrutura de um cabeçote de processamento de uma máquina a laser de acordo com o estado da técnica anterior;
• - A figura 4 mostra esquematicamente um sistema para detectar a condição de operação de uma pluralidade de elementos ópticos de um cabeçote de processamento de uma máquina a laser, em uma forma de incorporação preferida da invenção;
• - A figura 5 mostra esquematicamente a disposição de sensores associados a um elemento óptico para execução do processo em questão da invenção;
• - As figuras 6 e 7 são representações esquemáticas das relações entre as quantidades medidas ou calculadas, na execução do método em questão da invenção; e
• - A figura 8 é um fluxograma das operações realizadas para estabelecer um banco de dados de referência das condições operacionais de um sistema óptico de um cabeçote de processamento de uma máquina a laser, de acordo com o método da invenção.

[038] As figuras 1 a 3 foram anteriormente descritas com referência ao estado da técnica anterior, e seus conteúdos se destinam a serem aqui referidos por serem comuns à implementação de uma máquina de processamento controlada para executar um processo de acordo com os ensinamentos da presente invenção.

[039] Um sistema para detectar a condição operacional de uma pluralidade de elementos ópticos em um cabeçote de processamento de uma máquina a laser é mostrado, a título de exemplo, de acordo com uma forma de incorporação preferida da invenção, esquematizada na figura 4. Na figura, elementos ou componentes idênticos ou funcionalmente equivalentes àqueles ilustrados nas figuras 1 a 3 foram indicados com os mesmos numerais de referência já utilizados na descrição das referidas figuras anteriores.

[040] O sistema da figura 4 mostra uma fonte de emissão de laser 10, adaptada para emitir um feixe de laser em um meio de transporte, como por exemplo uma fibra óptica 12d, adaptado para conduzir o feixe de laser emitido pela fonte até o cabeçote de processamento 14 disposto próximo do material WP.

[041] Acoplados à fonte 10 estão um primeiro sensor de retro-reflexão de laser coaxial, indicado com o numeral de referência 50 na figura, e um segundo sensor de retro-emissão térmica coaxial, indicado com o número de referência 52 na figura, associado, por exemplo, com um dispositivo combinador óptico da fonte, concebido para combinar e lançar uma pluralidade de feixes de laser na fibra de transporte 12d e ao longo da mesma direção de propagação através do cabeçote de processamento, tais sensores estando dispostos no final de um respectivo caminho óptico que converge na fibra de transporte 12d. Como uma alternativa ao acoplamento com um dispositivo combinador óptico, esses sensores podem estar dispostos na parte de trás de um espelho dicróico atravessado pelo feixe de laser de processamento, ou dispostos através de qualquer método de modo a coletarem o sinal emitido de volta do caminho óptico, usando um dispositivo de coleta de tal sinal posicionado na extremidade da fibra de transporte, localizado no interior da fonte, ou, no caso de várias fibras conectadas em série, localizado em um elemento de conexão.

[042] No cabeçote de processamento 14, em associação com pelo menos um elemento ou sistema óptico a ser monitorado pertencente ao conjunto de elementos ópticos, compreendendo a lente de colimação 20, o espelho de reflexão e conformação do feixe 22, a lente de focagem 16 e o elemento de proteção óptico 34, estão dispostos respectivos arranjos de sensores, esquematicamente indicados com o numeral de referência 531,..., 53n, incluindo um sensor de radiação infravermelha 54, um sensor piezoelétrico 56, e pelo menos um sensor de pressão 58. De preferência, os sensores acima mencionados ficam dispostos em associação com todos os elementos ópticos do cabeçote de processamento 14, para permitir um monitoramento completo.

[043] A figura 5 mostra em mais detalhes a disposição dos sensores 54, 56, 58 em associação com um elemento óptico para focalizar o feixe de laser, tal como a lente de focagem 16. O sensor de radiação infravermelha 54 está disposto em uma região de volume R2 nas proximidades da superfície a montante do elemento óptico 16 conforme a direção de propagação do feixe de laser, de acordo com uma orientação inclinada em relação ao plano de localização do elemento (isto é, em relação à superfície do mesmo, se for plana), sem estar em contato e a uma distância suficiente, dependendo do volume que o recebe, de modo a poder interceptar uma radiação difusa na região de volume para a qual o elemento óptico está voltado e, preferivelmente, embora não necessariamente, também uma radiação das paredes internas do canal que recebe o caminho óptico. Em uma forma de incorporação equivalente, uma pluralidade de sensores de radiação infravermelha 54 podem estar localizados na região, de modo a detectarem de uma maneira combinada a radiação infravermelha emitida pelas superfícies globais e pelo volume da região. O sensor piezoelétrico 56 está disposto em contato com uma borda do próprio elemento óptico, de modo a ser capaz de detectar um impulso acústico, em particular ultrassônico, transmitido dentro do volume do elemento óptico, emitido por exemplo por meios transdutores nele integrados, retro-refletido pela borda e pelas superfícies de base do elemento de acordo com uma trajetória de propagação diametral ou periférica. O sensor de pressão 58 está disposto em uma região de volume R1 para a qual o elemento óptico está voltado, na presente forma de incorporação, porém, não exclusivamente, a jusante do elemento óptico. Possivelmente, o sensor de pressão 58 pode não estar presente se for conhecido que a pressão na região na qual ele estaria disposto é a pressão atmosférica, ou uma pressão pré-ajustada e controlada. Alternativamente, um par de sensores de pressão podem estar dispostos em uma região R2 a montante do elemento óptico e na região R1 a jusante do elemento óptico, respectivamente, em um volume no qual o elemento óptico está imerso.

[044] Com referência à figura 4, o cabeçote de processamento 14 também está associado com meios para a coleta dos sinais emitidos pelos arranjos de sensores 531,..., 53n, na forma de uma unidade de endereçamento de sinal indicada como um todo pelo numeral de referência 60.

[045] Os primeiro e segundo sensores coaxiais 50 e 52, bem como a unidade de endereçamento de sinal 60, estão voltados para um barramento de campo 62, que também fica voltado para meios de controle de trabalho e processamento 64 concebidos para controlarem a aplicação do feixe de laser de processamento ao longo de uma trajetória de processamento predefinida. O controle da aplicação do feixe de laser de processamento ao longo do caminho de processamento predeterminado inclui controlar a distribuição de um fluxo de gás auxiliar (em aplicações de corte), e controlar a irradiação de uma distribuição de energia predeterminada do feixe de laser em direção a uma área de trabalho predeterminada, com referência a um modelo ou programa de trabalho, ou seja, de acordo com as informações de trajetória de trabalho e parâmetros de trabalho adquiridos na forma de instruções de movimento para o cabeçote de processamento e/ou do material sendo processado, e parâmetros de processamento físico indicativos da distribuição de energia do feixe óptico, da intensidade de potência do feixe, e dos tempos de ativação do feixe de laser, em função da trajetória de processamento. Os meios de processamento 64 podem ser integrados em uma única unidade de processamento a bordo da máquina, ou ser implementados de forma distribuída, compreendendo portanto módulos de processamento localizados em diferentes partes da máquina, incluindo, por exemplo, o cabeçote de processamento.

[046] O barramento de campo 62 fica voltado, na leitura, para meios de processamento 66, como por exemplo um computador industrial, acoplados a uma memória de registro de dados DB, concebida para processar os sinais emitidos pelos sensores e pelos meios de controle de trabalho e processamento 64, e para calcular os sinais ou dados indicativos da condição de operação dos elementos ópticos monitorados.

[047] Mais especificamente, e para propósitos de discussão mais detalhada do procedimento para determinar a condição operacional de pelo menos um elemento óptico, a natureza dos sinais emitidos pelos sensores e as informações que eles fornecem são descritas abaixo.

[048] O sensor de retro-reflexão de laser coaxial 50 está adaptado para adquirir, a montante do caminho de propagação óptica do feixe de laser, e portanto a montante de um ou mais elementos ópticos monitorados, um sinal ou dados, LSc, indicativos de uma radiação óptica que se propaga coaxialmente ao caminho óptico em uma direção oposta à direção de propagação do feixe de laser, tendo um comprimento de onda correspondente ao comprimento de onda do feixe de laser. É uma radiação que é retro-refletida, durante um processo de manufatura, pelos elementos ópticos interpostos ao longo do eixo de propagação do feixe de laser, apenas idealmente completamente transparentes, como por exemplo a radiação produzida no volume interno de um elemento óptico por centros de difusão ou micro-absorção, tais como fissuras.

[049] O sensor de retro-emissão térmica coaxial 52 está adaptado para adquirir, a montante do caminho de propagação óptica do feixe de laser, e por conseguinte a montante de um ou mais elementos ópticos monitorados, um sinal ou dados, TSc, indicativos de uma radiação óptica que se propaga coaxialmente ao caminho óptico em uma direção oposta à direção de propagação do feixe de laser, tendo um comprimento de onda na faixa próxima do infravermelho, e, de preferência, maior do que 1,2 μm. É uma radiação emitida, durante um processo de manufatura, pelas superfícies dos elementos ópticos interpostos ao longo do eixo de propagação do feixe de laser, na chamada "banda térmica" ou banda infravermelha térmica, devido à energia do feixe de laser de processamento que as atravessa.

[050] Os meios sensores de radiação infravermelha 54 estão adaptados para adquirirem um sinal ou dados de volume, IRv, indicativos de uma radiação óptica de proximidade emitida pelo elemento óptico ao qual estão associados, fora do eixo de propagação do feixe de laser, em um comprimento de onda compreendido na faixa espectral do infravermelho, na região de volume R2 nas proximidades da superfície do elemento óptico voltado para montante em relação ao caminho óptico do feixe de laser de processamento. Essa radiação óptica é, por exemplo, a radiação devido a efeitos térmicos, emitida pelo elemento óptico e difundida na região de volume R2 pelas paredes de volume. Essa radiação não é emitida apenas em consequência da aplicação do feixe de laser, transmitindo informações sobre o grau de limpeza do elemento óptico, mas também quando o feixe de laser é desligado, transmitindo substancialmente uma "indicação de temperatura ambiente" do elemento óptico.

[051] O sensor piezoelétrico 56 está adaptado para adquirir um sinal ou dados, PS, que são uma função do tempo de propagação de uma onda acústica, em particular ultrassônica, lançada através do volume do elemento óptico, com o dito tempo de propagação dependendo do estado de integridade do volume do elemento óptico e da temperatura do elemento, que por sua vez dependem da distribuição de energia do feixe de laser de processamento incidente através do elemento óptico e das impurezas (sujeira, escurecimento da superfície) do elemento. Especificamente, o sensor piezoelétrico 56 está adaptado para detectar a velocidade da onda acústica ultrassônica.

[052] O sensor de pressão 58 está adaptado para adquirir um sinal ou dados indicativos da pressão, p, do gás que permeia o volume da região para a qual pelo menos uma superfície do elemento óptico está voltada, como por exemplo uma pressão gasosa da região a jusante de um elemento de proteção óptico que atua como uma vedação de uma câmara de um bico de gás auxiliar em um processo de corte. O sinal ou dados indicativos de pressão também podem ser um sinal ou dados diferenciais, indicativos da diferença de pressão entre a região a montante e a região a jusante do elemento, se a pressão na região vizinha, sem sensor, for conhecida ou predeterminada. Na forma de incorporação alternativa em que um par de sensores de pressão são providos, na região R2 a montante do elemento óptico e na região R1 a jusante do elemento óptico, respectivamente, em um volume do cabeçote de processamento em que o elemento óptico está imerso, a unidade de endereçamento de sinal 60 ou os meios de processamento 66 estão adaptados para calcularem a diferença de pressão entre a região a montante e a região a jusante do elemento.

[053] Os meios de controle de trabalho e processamento 64 estão dispostos de modo a fornecerem sinais ou dados em tempo real indicativos de parâmetros do processo de trabalho em andamento, que pelo menos incluem, necessariamente, e com referência a um único elemento óptico:

• - A potência óptica, P, controlada pelo feixe de laser de processamento;
• - A pressão nominal do gás fornecido em uma região para a qual o elemento óptico está voltado, ou na região na qual o elemento óptico está imerso, como por exemplo o gás auxiliar controlado por uma válvula proporcional para regular a pressão acima mencionada, indicada abaixo por pnom (no caso em que o elemento óptico está imerso na pressão atmosférica, a pressão nominal pode ser assumida como conhecida, e não é medida);
• - Um código, IDtool, adaptado para identificar exclusivamente a ferramenta de processamento usada e, portanto, um conjunto de parâmetros de trabalho controlados no processo, tais como a distância de afastamento do bico de corte a partir do material sendo processado, quando isto for importante, a posição axial do ponto de focagem do feixe de laser, o ângulo de incidência do feixe de laser em relação à perpendicular à superfície do material na área de processamento atual; e
• - A velocidade de movimento relativa da posição mútua entre o cabeçote de processamento e o material em uma condição de trabalho operacional, indicada por vfeed.

[054] Os meios de controle de trabalho e processamento 64 estão ainda dispostos de modo a fornecerem sinais ou dados em tempo real, indicativos da produção em andamento e da peça de material sendo processada, que pelo menos incluem, necessariamente, e com referência a um único elemento óptico:

• - Um código, IDmat, que identifica o material sendo processado e o estado da sua superfície, em particular a rugosidade da superfície;
• - A espessura do material sendo processado, indicada com Th; e
• - A etapa de processamento, indicada com Ph(n), que representa uma especificação da fase de tempo da ferramenta identificada por IDtool; por exemplo, no caso de corte, a distinção entre perfuração passante, segmento de aproximação de corte, corte em trajetória retilínea e superfície localmente plana, corte em uma superfície não plana, corte não ortogonal à superfície; no caso de perfuração passante, uma das sub-etapas em que a mesma perfuração pode ser dividida, modificando-se por exemplo a altura de afastamento, ou a posição do foco, ou a potência; ou, no caso de corte em uma trajetória retilínea e superfície localmente plana, as sub-etapas de início de aceleração e de andamento em velocidade constante.

[055] Com referência às figuras 6, 7 e 8, é descrito o processo para detectar a condição operacional de pelo menos um elemento óptico, implementado pelos meios de processamento 66 de acordo com uma forma de incorporação atualmente preferida da presente invenção. As figuras 6 e 7 são representações esquemáticas das relações entre as quantidades medidas ou calculadas na realização do processo em questão da invenção, em termos de dependência de sinal e fluxo de processamento de sinal, respectivamente, onde as quantidades indicadas nas caixas ovais são as quantidades medidas, as quantidades indicadas nas caixas retangulares são as quantidades de tabela, e as quantidades indicadas nas caixas em formato de paralelogramo são as quantidades calculadas. A figura 6 mostra as relações entre as quantidades medidas ou calculadas relativas a um elemento óptico genérico, enquanto que a figura 7 expressa claramente que as relações acima mencionadas são repetidas para uma pluralidade de elementos ópticos, representados por planos paralelos nos quais as relações lógicas / matemáticas são desenvolvidas. O fluxograma da figura 8 é uma apresentação sintética de alto nível das operações realizadas para o estabelecimento de um banco de dados de referência das condições de operação do sistema óptico de um cabeçote de processamento, usado como termo de comparação com as atuais condições de operação do sistema óptico. De preferência, o banco de dados de referência é obtido aplicando-se o processo a um conjunto de amostras especialmente concebidas de materiais conhecidos.

[056] Em geral, o processo inclui duas etapas. Em uma primeira etapa, a resposta dos sensores é adquirida e processada em uma condição de operação "sem carga", na qual a fonte de laser está ativa e a potência do feixe de laser se propaga através do caminho óptico no cabeçote de processamento da máquina, na ausência do material a ser processado. Em uma segunda etapa, a resposta dos sensores é adquirida e processada em uma condição de trabalho operacional, na qual a potência do referido feixe de laser afeta uma área de processamento do material. Para garantir o controle em tempo real durante a confecção de uma peça de trabalho, ou seja, durante a condição de trabalho operacional, as duas etapas devem ser realizadas na ordem indicada, ou seja, primeiro em uma condição de operação sem carga, e em seguida em uma condição de trabalho operacional, quando então os dados adquiridos na condição de operação sem carga estão disponíveis em forma de tabela.

[057] No caso de um processo de trabalho de corte, a emissão de um fluxo de gás auxiliar é habilitada tanto na condição de operação sem carga quanto na condição de trabalho operacional, com tal fluxo na condição de trabalho operacional sendo direcionado para a área de processamento do material,.

[058] O sinal ou dados indicativos da condição de operação de pelo menos um elemento óptico, que constitui um parâmetro sintético indicativo da qualidade do elemento óptico durante um processo de manufatura, são obtidos a partir dos valores de processamento das respostas do sensor durante o processamento do material, e a partir dos valores de processamento das respostas do sensor na condição de operação sem carga.

[059] As respostas do sensor podem ser registradas e armazenadas para processamento posterior, ou processadas em tempo real.

[060] De preferência, uma etapa de calibração inicial é realizada na instalação de um caminho óptico (por exemplo, na instalação de um novo cabeçote de processamento da máquina ou na substituição de um elemento óptico dela), em que o sinal ou dados indicativos das condições de operação de um elemento óptico são representativos de uma condição ideal do elemento óptico, e um ciclo de verificação agendado é executado em uma condição de operação sem carga, por exemplo, com regularidade agendada quando a produção feita pela máquina é interrompida, e em uma operação de trabalho operacional, na qual o sinal ou dados indicativos das condições de operação do elemento óptico são representativos de uma condição atual do elemento óptico durante o processamento do material.

[061] Convenientemente, o ciclo de verificação é regulado pela taxa de produção, e oferecido a um operador como uma escolha livre, por exemplo, a cada mudança de geometria, ou entre uma peça de trabalho a ser produzida e outra, ou na alteração da matéria prima, seja ela um tubo ou chapa de metal, ou outra, ou na mudança de um lote de produção. Também pode ser previsto um intervalo de tempo, e nesse a máquina escolhe o primeiro dentre os diferentes prazos de verificação.

[062] Em termos ainda mais específicos, na condição de operação sem carga, as seguintes operações são realizadas, na sequência descrita ou em outras sequências possíveis, em relação aos sinais ou dados dos sensores coaxiais 50, 52 representativos do caminho óptico completo, e em relação aos sinais ou dados dos sensores de radiação do volume 54, piezoelétrico 56 e de pressão 58, representativos dos componentes ópticos individuais. Nas fórmulas abaixo, a notação "0" em subscrito indica a condição operacional sem carga.

[063] Uma curva de correlação é calibrada entre a potência do feixe de laser, P, que os meios de controle de trabalho e processamento requerem da fonte de emissão de laser, e o sinal de LSc detectado pelo sensor de retro-reflexão de laser50. A curva de correlação é obtida controlando-se a potência do feixe de laser, P, entre um mínimo e um máximo predeterminados de acordo com uma rampa de potência. A curva de correlação é definida como:
LSc(P)0 = f(P) (1)

[064] E é armazenada na memória DB dos meios de processamento 66.

[065] Por comparação, se medições subsequentes, em condições de operação sem carga ou em condições de trabalho, fornecerem uma leitura diferente, normalmente superior, elas indicam que há maior retro-reflexão ou difusão pelo caminho óptico, sinalizando um estado de desgaste geral do próprio caminho. Uma comparação de limites permite que o sinal detectado seja associado a um indicador geral do estado da cadeia óptica. No entanto, se um problema de desgaste for relatado, é importante saber qual elemento óptico ou grupo de elementos ópticos são afetados.

[066] Do mesmo modo, uma curva de correlação é calibrada entre a potência do feixe de laser, P, que os meios de controle de trabalho e processamento requerem da fonte de emissão de laser, e o sinal TSc detectado pelo sensor de retro-emissão térmica 52. A curva de correlação é obtida controlando-se a potência do feixe de laser, P, entre um mínimo e um máximo predeterminados de acordo com uma rampa de potência. A curva de correlação é definida como:
TSc(P)0 = f(P) (2)

[067] E é armazenada na memória DB dos meios de processamento 66.

[068] Estando em uma condição de operação "sem carga", assume-se que toda a radiação térmica coletada é produzida pelo próprio sistema óptico, devido ao aquecimento dos elementos ópticos. Mesmo o sinal TSc, por sua natureza, só pode dar informações gerais porque a radiação térmica emitida pelos elementos ópticos está integrada ao longo do caminho óptico inteiro a jusante do sensor, que, no caso em que ele está integrado a um dispositivo combinador óptico, ou a um elemento de conexão equivalente de diversas fibras conectadas em série, ou a um dispositivo de coleta posicionado na extremidade da fibra de transporte dentro da fonte, disposto a montante do caminho do feixe de laser, o caminho óptico inteiro está no cabeçote de processamento.

[069] Os sinais de retro-reflexão e de retro-emissão térmica do laser são armazenados para servirem como base de comparação para medições subseqüentes sem carga.

[070] Um outro sinal que é analisado é o sinal ou dados de volume, IRv, indicativos de uma radiação óptica de proximidade emitida pelo elemento óptico, com o qual está associado um comprimento de onda dentro da faixa espectral do infravermelho, na região de volume nas proximidades da superfície do elemento óptico voltada para montante em relação ao caminho óptico do feixe de laser de processamento.

[071] Essa radiação de proximidade informa sobre o elemento óptico para o qual o sensor está apontando, em particular para sua superfície, e informa sobre os elementos ópticos nas suas proximidades imediatas, através da coleta de sinais que chegam ao sensor através de reflexões múltiplas. Também neste caso, uma curva de correlação é calibrada entre a potência do feixe de laser, P, que os meios de controle de trabalho e processamento requerem da fonte de emissão de laser, e o sinal IRv detectado pelo sensor de radiação infravermelha 54. A curva de correlação é obtida controlando-se a potência do feixe de laser, P, entre um mínimo e um máximo predeterminados de acordo com uma rampa de potência. A curva de correlação é definida como:
IRv(P)0 = f(P) (3)

[072] E é armazenada na memória DB dos meios de processamento 66.

[073] Esta curva sofre de imprecisões resultantes do fato do sensor "enxergar" muitas informações sobrepostas. Para superar o limite de sobreposição de informações, e obter informações exclusivas referentes apenas ao elemento óptico observado diretamente pelo sensor 54, o sinal IRv é normalizado subtraindo-se os valores redimensionados de TSc e dividindo-se o resultado por valores redimensionados de LSc de acordo com a relação:
IRv_norm(P)0 = (IRv(P)0 - k x TSc(P)0) / (h X LSc(P)0) (4)

[074] Com k e h apropriados.

[075] Os valores de TSc e LSc são redimensionados para propósitos de normalização, com a finalidade de levar em consideração possíveis escalas de detecção diferentes dos sinais TSc, LSc e IRv, variações no acoplamento óptico da radiação retro-refletida, ou componentes de sinal espúrios de outras fibras ópticas. Vantajosamente, os valores de k e h são selecionados de modo a que, durante uma etapa de caracterização inicial "de fábrica" do caminho óptico, a curva de correlação acima mencionada seja única e universal para a mesma configuração do "modelo de cabeçote", independentemente das variações de sinal dos espécimes individuais, partindo de uma condição de limpeza dos elementos ópticos considerada como a máxima padronizável em uma sala limpa.

[076] Dessa maneira, é obtido um sinal que está muito mais correlacionado ao estado de desgaste e limpeza do elemento óptico mais próximo, uma vez que as informações relativas ao restante do caminho óptico foram medidas de forma independente e minimizadas.

[077] O sinal assim obtido, entretanto, não é totalmente informativo, pois ele é gerado principalmente pela emissão da superfície do elemento óptico sob análise.

[078] Uma medição independente adicional é desejável, a qual informa diretamente sobre o estado de estresse mecânico e de tensão superficial do elemento óptico. Essa medição pode ser obtida através do sinal do transdutor piezoelétrico 56.

[079] A partir da análise do sinal PS, que é função do tempo de propagação de uma onda acústica através do volume do elemento óptico, é possível obter informações que derivam da soma dos efeitos da temperatura e do estresse mecânico no volume do elemento, e da tensão superficial do próprio elemento.

[080] Vantajosamente, a influência da voltagem gerada pela pressão do gás na superfície do elemento óptico é cancelada, na etapa "sem carga", por meio da coleta da curva que correlaciona o tempo de propagação do sinal PS do sensor piezoelétrico com a pressão, variando-a, com uma fonte de laser desligada. O valor da pressão é aquele lido pelo sensor de pressão 58, que está imerso no mesmo volume de interesse para a medição, portanto essa é uma medição direta que é comparada com a pressão realmente regulada pela válvula proporcional. Então, novamente na etapa "sem carga", é coletada uma matriz de valores de dependência do sinal de tempo de propagação PS, na potência P do laser incidente e na pressão p.

[081] Fórmulas:
p(pnom)0 = f(pnom)
PSref(p)0 = f(p) (5)
PSm(p, P)0 = PSref(p)0 + f (P)0 (6)
PS(P)o = PSm(p, P)o - PSref(p)0 (7)

[082] Onde o sinal ou dados PS(P) em função do tempo de propagação de uma onda acústica através do volume do referido elemento óptico é um sinal ou dados indicativos da contribuição da potência do feixe de laser no tempo de propagação da mencionada onda acústica, e é calculado pela diferença entre (i) um sinal ou dados mensuráveis de tempo de propagação, PSm(p, P), que é indicativo da contribuição conjunta, para o tempo de propagação da referida onda acústica, feita pela potência do feixe de laser e pela pressão de um gás presente em uma região de volume predefinida para a qual o elemento óptico está voltado, ou da diferença de pressão entre uma região a montante do elemento óptico e uma região a jusante do elemento óptico, em um volume no qual o elemento óptico está imerso, e (ii) um sinal ou dados de tempo de propagação de referência, PSref(p), indicativo da contribuição, para o tempo de propagação da citada onda acústica, feita pela pressão do gás presente na região de volume para a qual o elemento óptico está voltado, ou da diferença de pressão entre uma região a montante do elemento óptico e uma região a jusante do elemento óptico, em um volume no qual o elemento óptico está imerso, tal sinal ou dados de tempo de propagação de referência, PSref(p), sendo predeterminado a partir da aquisição de um sinal ou dados indicativos da pressão atual p do gás presente na região de volume para a qual o elemento óptico está voltado, ou da diferença de pressão entre uma região a montante do elemento óptico e uma região a jusante do elemento óptico, em um volume no qual o elemento óptico está imerso, com base em um modelo de relação entre a pressão do gás e o tempo de propagação da onda acústica através do volume do elemento óptico, em uma etapa de calibração preliminar realizada na ausência do feixe de Laser.

[083] A aquisição de um sinal ou dados indicativos da pressão atual P do gás presente na região de volume para a qual o elemento óptico está voltado pode ocorrer através do sensor de pressão 58, ou por efeito da comunicação dos meios de controle de trabalho e processamento 64 para os meios de processamento 66 de um valor de pressão predefinido e controlado. A aquisição de um sinal ou dados indicativos da diferença de pressão entre uma região a montante do elemento óptico e uma região a jusante do elemento óptico, em um volume no qual o elemento óptico está imerso, ocorre de maneira semelhante através de um par de sensores de pressão 58, por efeito da comunicação dos meios de controle de trabalho e processamento 64 para os meios de processamento 66 de valores de pressão controlados ou predefinidos, ou através de uma combinação dos dois métodos, se apenas um sensor for provido em uma região e a pressão na outra região for conhecida, uma vez que ela é predefinida e controlada.

[084] A curva de correlação é definida como:
PS(P)0 = PSm(p, P)0 - PSref(p)0

[085] E é armazenada na memória DB dos meios de processamento 66.

[086] A tarefa do sensor piezoelétrico, portanto, não é adquirir indiretamente informações de temperatura, mas adquirir um sinal convoluto de temperatura e de estresse de superfície induzida pela pressão aplicada a apenas uma face do elemento óptico sob controle, e o sinal PS não tem propósitos informativos do processo, mas propósitos corretivos, em particular propósitos corretivos das informações transportadas pelo sinal IRV_norm. Com a medição direta da pressão através do sensor de pressão na condição sem carga, o efeito da pressão é parametrizado, e a medição indireta da temperatura e da pressão obtida pelo sensor piezoelétrico é utilizada como parâmetro corretivo do sinal detectado pelo sensor de radiação infravermelha associado ao elemento óptico sob controle.

[087] Levando em consideração as fórmulas anteriores, é possível ter informações locais sobre o desgaste e o estresse interno do elemento óptico específico, isoladas dos efeitos devidos à pressão do gás, permitindo obter, a partir das informações gerais, em cascata, as informações coletivas sobre os demais elementos ópticos, de acordo com as fórmulas:
IRV_real(P)0 = m x IRV_norm(P)0 - n x PS(P)0 (8)

[088] Com m e n apropriados; e
SS(P)0 = t x (TSc(P)0 / LSc(P)0) + s x IRV_real(P)0 (9)

[089] Com t e s apropriados, onde SS0 representa a condição operacional do elemento óptico em uma condição operacional sem carga.

[090] Os valores de m, n, t e s são selecionados de modo a que, durante uma etapa de caracterização inicial "de fábrica" do caminho óptico, as curvas de correlação acima mencionadas sejam únicas e universais para a mesma configuração do "modelo de cabeçote", independentemente das variações do sinal dos espécimes individuais, partindo de uma condição de limpeza dos elementos ópticos considerada como a máxima padronizável em uma sala limpa.

[091] O que foi exposto acima permite adquirir e armazenar nove curvas de sinal ou dados de referência, relativos ao estado contingente específico do caminho óptico e relativos ao estado contingente específico do elemento sujeito à medição individual, ou seja, referidos a um cabeçote de processamento específico sujeito a calibração "de fábrica" com elementos óticos limpos. Vantajosamente, um banco de dados de sinais ou dados de referência é construído, obtido com o feixe de laser e o gás auxiliar presentes, mas sem interação com o material.

[092] O fluxograma da figura 8 é uma apresentação sintética de alto nível das operações realizadas para o estabelecimento de um banco de dados de referência das condições operacionais do sistema óptico de um cabeçote de processamento, armazenado na memória DB dos meios de processamento 66, de acordo com a descrição acima, que é vantajosamente realizado para uma pluralidade de diferentes contextos de processo específicos, identificados com base nos parâmetros do processo de manufatura e dos parâmetros indicativos da produção e da peça de material sendo processada, em uma condição de operação sem carga e em uma condição de trabalho e processamento de amostras de material.

[093] Especificamente, o numeral 100 indica uma etapa de definir a potência do feixe de laser de processamento em zero, 110 indica uma etapa de definir a pressão na região para a qual o elemento óptico está voltado ou na região na qual o elemento óptico está imerso, e 120 indica uma etapa de aquisição do sinal PS do sensor piezoelétrico em função da pressão definida. A pressão definida é variada em uma predeterminada faixa de pressões, a partir do valor de 1 bar (1,02 kgf/cm2) até o valor de 25 bar (25,5 kgf/cm2) nominais em etapas discretas, verificando-se, na etapa 130, se a definição da pressão final da faixa predeterminada de pressões foi atingida, e neste caso o processo se move para a próxima etapa 140 para definir a pressão, na região para a qual o elemento óptico está voltado ou na região na qual o elemento óptico está imerso, em um valor nominal constante predeterminado, intermediário à faixa de pressões possíveis, como por exemplo um valor de 5 bar (5,1 kgf/cm2). Subsequentemente, na etapa 200, a potência do feixe de laser de processamento é definida, e 210 indica uma etapa de aquisição dos sinais LSc, TSc, PS, IRv em função da potência óptica definida. A potência óptica definida é variada em uma faixa predeterminada de potências ópticas, começando em zero até a potência nominal da fonte de laser, normalmente de 1 a 20 kW, em etapas discretas, verificando-se, na etapa 220, se a definição da potência óptica final da faixa predeterminada de potências foi atingida, e neste caso o processo se move para a etapa subsequente 230 para armazenar os valores medidos de LSc, TSc, PS, IRv no banco de dados armazenado na memória DB dos meios de processamento 66.

[094] Na condição de trabalho operacional, as seguintes operações são realizadas, na sequência descrita ou em outras sequências possíveis, em relação aos sinais ou dados dos sensores coaxiais 50, 52 representativos do caminho óptico completo e em relação aos sinais ou dados de radiação do volume 54, sensores piezoelétricos 56 e pressão 58, representativos dos componentes ópticos individuais.

[095] Em particular, os mesmos sinais detectados na etapa sem carga são detectados, mas neste caso eles são uma função da produção em andamento e da peça de material sendo processada, bem como dos parâmetros do processo de trabalho em andamento, listados acima, ou seja, são uma função da ferramenta de processamento usada, da pressão nominal do gás auxiliar controlado por uma válvula de controle proporcional, da velocidade de movimento relativo da posição mútua entre o cabeçote de processamento e o material, do material sendo processado e sua espessura, e da etapa de processamento.

[096] As condições de operação de pelo menos um elemento óptico, ou seja, a "quantidade" de desgaste e de estresse em um elemento específico é representada, portanto, pela fórmula:
IRv_real(P, vfeed, ID mat) = a x IRv_ norm (P, vfeed, IDmat) - b x PS(P) (10)

[097] Com a e b apropriados, referindo-se a uma condição de teste correspondente do processo realizado preliminarmente para coletar dados de referência, representando uma variante da fórmula (8) na condição de trabalho operacional, onde:

[098] Com k e h representando funções lineares da velocidade de movimento relativa da posição mútua entre o cabeçote de processamento e o material e da espessura do material, dependendo do material de acordo com uma escala de refletividade; e
PS(P) = PSm(p, P) - PSref(p) (10b)

[099] Considerando apenas a contribuição de estresse volumétrico induzida pelo componente térmico (expansões térmicas não lineares) e não a contribuição da tensão de superfície induzida pela pressão do gás.

[0100] De forma semelhante àquela calculada na condição de operação sem carga, os meios de processamento 66 calculam a condição de operação do elemento óptico SS durante o processo de acordo com a fórmula:
SS(P) = t X [TSc(P) / LSc(P)] + s X IRV_real(P) (11)

[0101] Os meios de processamento 66 comparam os sinais ou dados detectados ou calculados em condições de trabalho operacionais, ou os sinais ou dados adquiridos ou calculados em condições de operação sem carga, geralmente referidos como sinais ou dados indicativos da condição de operação do citado elemento óptico em uma condição atual, com os sinais ou dados de referência adquiridos ou calculados para um contexto de processo semelhante, e emitem um sinal de anomalia quando um sinal ou dados indicativos da condição de operação atual do elemento óptico, SS, diferem do sinal ou dados indicativos da condição operacional do dito elemento óptico, em uma condição de referência (ou ideal), por um valor superior a um limite predeterminado.

[0102] Alternativamente, ou em adição ao que foi exposto acima, os meios de processamento 66 comparam os sinais ou dados detectados ou calculados em condições de trabalho operacionais com os sinais ou dados adquiridos ou calculados em condições de operação sem carga (por exemplo, a condição de operação sem carga mais recente), para um contexto processo semelhante, e emitem um sinal de anomalia quando um sinal ou dados indicativos da condição de operação do elemento óptico, SS, em uma condição de trabalho operacional, diferem do sinal ou dados indicativos da condição de operação do referido elemento óptico em uma condição de operação sem carga, por um valor superior a um segundo limite predeterminado.

[0103] Ainda alternativamente, ou em adição ao que foi exposto acima, os meios de processamento 66 comparam os sinais ou dados detectados ou calculados em condições de trabalho operacionais, ou os sinais ou dados adquiridos ou calculados em condições de operação sem carga, em um ciclo de verificação n, indicados geralmente como sinais ou dados indicativos da condição de operação do mencionado elemento óptico em um ciclo de verificação atual, com os sinais ou dados detectados ou calculados em condições de trabalho operacionais, respectivamente os sinais ou dados adquiridos ou calculados em condições de operação sem carga, para um ciclo de verificação n-1 ou em qualquer caso precedente - genericamente indicados como sinais ou dados indicativos da condição de operação do citado elemento óptico em um ciclo de verificação prévio - para um contexto de processo semelhante, e emitem um sinal de anomalia quando um sinal ou dados indicativos do estado de operação atual do elemento óptico, SS, diferem do sinal ou dados indicativos da condição de operação prévia do mencionado elemento óptico, por um valor superior a um terceiro limite predeterminado.

[0104] O contexto de processo análogo é determinado com base nos parâmetros do processo de trabalho em andamento e nos parâmetros indicativos da produção em andamento e da peça de material sendo processada, providos pelos meios de controle de trabalho e processamento 64. Vantajosamente, o mencionado limite é predeterminado em função das informações de contexto do processo, incluindo os parâmetros do processo de trabalho em andamento e os parâmetros indicativos da produção em andamento e da peça de material sendo processada.

[0105] Essa comparação pode ser realizada separadamente para cada sinal ou dados parciais LSc, TSc, IRv, IRV_norm, IRV_real, embora para alguns deles, em particular os sinais ou dados de retro-reflexão, LSc, e os sinais ou dados de retro-emissão, TSc, é preferível aplicar um controle de limite indicativo de uma condição de operação inesperada ou não ótima, em comparação com os valores calibrados de casos padronizados.

[0106] Em particular, os parâmetros sintéticos IRV_real e SS permitem obter informações sobre o estado do caminho óptico inteiro, e de um componente específico, uma vez que o arranjo de sensores específico acima descrito tenha sido associado a eles, tanto em uma etapa de operação sem carga, na ausência de material, como em uma etapa de trabalho operacional, durante um processo de corte, perfuração ou soldagem a laser do material.

[0107] Vantajosamente, durante o processo, quando o limite de alarme de um parâmetro sintético é atingido, isto causa uma parada da máquina e uma subsequente verificação sem carga. Desta forma, é possível adquirir informações sobre anomalias durante o processamento e informações sobre a tendência de desgaste dos elementos ópticos.

[0108] Vantajosamente, o método em questão da invenção permite adquirir informações sobre o estado de uma pluralidade de elementos ópticos agrupados em um volume estreito, tipicamente como um cabeçote de processamento móvel de uma máquina para processar materiais usando feixes de laser de alta potência (superior a 700 W), cujas retro-emissões e retro-reflexões de radiação óptica interferem umas com as outras, e separar as contribuições dos diferentes elementos ópticos que, de outra forma, estão sobrepostos ao longo do caminho de propagação óptica do feixe de laser. Isto é feito identificando-se separadamente as condições de operação dos elementos ópticos em uma condição de trabalho operacional, com respeito às condições de operação dos elementos ópticos em uma condição de operação sem carga, o que permite isolar as contribuições para as condições de operação persistentes, determinadas por impurezas ou desgaste, a partir de contribuições para condições de operação temporárias, causadas pela propagação do feixe de laser de alta potência.

[0109] Ainda mais vantajosamente, o arranjo do método em questão da invenção permite separar as contribuições de meras retro-reflexões do feixe de laser de processamento, a partir das contribuições provenientes de difusão do feixe de laser causada por impurezas da superfície não desejadas dos elementos ópticos, ou de fissuras dos elementos ópticos derivadas de estresse / deformações, causadas por exemplo por condições de operação intoleráveis de temperatura ou pressão, e permite ainda separar as contribuições de natureza térmica daquelas derivadas de estresses de pressão.

[0110] Deve ser notado que a forma de incorporação proposta para o presente invento na discussão acima foi provida puramente a título de exemplo não limitativo desta invenção. Uma pessoa versada na técnica será facilmente capaz de implementar a presente invenção em diferentes formas de incorporação que, no entanto, não se afastam dos princípios aqui estabelecidos e, assim, são abrangidas pela presente patente.

[0111] Isto é particularmente verdadeiro com respeito à possibilidade de implementar o método por meio de uma rede neural treinada a partir dos sinais conhecidos ou dados descritos.

[0112] Naturalmente, sem prejuízo para o princípio da invenção, as formas de incorporação e os detalhes de construção podem ser amplamente variados em relação ao que foi aqui descrito e ilustrado puramente por meio de exemplos não limitativos, sem portanto fugir do escopo de proteção da invenção definida pelas reivindicações anexas.

Claims (21)

1. MÉTODO PARA DETECTAR A CONDIÇÃO DE OPERAÇÃO DE PELO MENOS UM ELEMENTO ÓPTICO (16), disposto ao longo de um caminho de propagação óptica de um feixe de laser de potência (B) em um cabeçote de processamento (14) de uma máquina para processamento a laser de um material (WP), em particular para corte, perfuração ou soldagem a laser do referido material, em que:
   o mencionado feixe de laser de potência (B) apresenta uma predeterminada distribuição transversal de potência em um comprimento de onda operacional predeterminado; e
   o citado caminho óptico do feixe de laser (B) dentro do referido cabeçote de processamento (14) inclui uma pluralidade de elementos ópticos em cascata (20, 22, 16, 34);
   caracterizado por o método compreender as etapas de:

   • a) Adquirir, a montante do dito elemento óptico (16), um primeiro sinal ou dados, LSc, indicativos de uma primeira radiação óptica que se propaga coaxialmente ao caminho óptico em uma direção oposta à direção de propagação do feixe de laser (B), tendo um comprimento de onda correspondente ao comprimento de onda do feixe de laser (B);
   • b) Adquirir, a montante do citado elemento óptico (16), um segundo sinal ou dados, TSc, indicativos de uma segunda radiação óptica que se propaga coaxialmente ao caminho óptico em uma direção oposta à direção de propagação do feixe de laser (B), tendo um comprimento de onda na faixa próxima do infravermelho;
   • c) Adquirir um terceiro sinal ou dados, IRv, indicativos de uma radiação óptica de proximidade emitida pelo citado elemento óptico (16) em um comprimento de onda na faixa do infravermelho, em uma predefinida região de volume (R2) próxima da superfície a montante do elemento óptico (16) em relação ao referido caminho óptico;
   • d) Adquirir um quarto sinal ou dados, PS, em função do tempo de propagação de uma onda acústica lançada através do volume do mencionado elemento óptico (16);
   • e) Calcular um sinal ou dados normalizados de radiação óptica de proximidade, IRV_norm, para o dito elemento óptico (16), em função do sinal ou dados indicativos da radiação óptica de proximidade emitida pelo referido elemento óptico (16), IRv, do sinal ou dados indicativos da segunda radiação óptica, TSc, e do sinal ou dados indicativos da primeira radiação óptica, LSc;
   • f) Calcular um sinal ou dados de radiação óptica de proximidade real, IRV_real, para o citado elemento óptico (16), como uma função do sinal ou dados normalizados de radiação óptica de proximidade, IRV_norm, e do sinal ou dados em função do tempo de propagação da onda acústica através do volume do referido elemento óptico (16), PS; e
   • g) Calcular um sinal ou dados indicativos da condição de operação do dito elemento óptico (16), SS, em função do sinal ou dados de radiação óptica de proximidade real, IRV_real, do sinal ou dados indicativos da segunda radiação óptica, TSc, e do sinal ou dados indicativos da primeira radiação óptica, LSc.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o cálculo de um sinal ou dados normalizados de radiação óptica de proximidade, IRV_norm, para o citado elemento óptico (16), compreender o cálculo de uma proporção entre a diferença entre o sinal ou dados indicativos da radiação óptica de proximidade emitida pelo referido elemento óptico (16), IRv, e um sinal ou dados proporcionais ao sinal ou dados indicativos da segunda radiação óptica, TSC, e um sinal ou dados proporcionais ao sinal ou dados indicativos da primeira radiação óptica, LSc, de acordo com a expressão:
   IRv_ norm = (IRv - k x TSc) / (h x LSc)
3. MÉTODO, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por o cálculo de um sinal ou dados de radiação óptica de proximidade real, IRv_real, para o referido elemento óptico (16), compreender o cálculo de uma diferença entre um sinal ou dados proporcionais ao sinal ou dados normalizados de radiação óptica de proximidade, IRv_norm, e um sinal ou dados proporcionais ao sinal ou dados em função do tempo de propagação da onda acústica através do volume do mencionado elemento óptico (16), PS, de acordo com a expressão:
   IRv_real = m x IRv_norm - n x PS
4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o cálculo de um sinal ou dados indicativos da condição de operação do mencionado elemento óptico (16) incluir o cálculo da soma de um sinal ou dados proporcionais ao sinal ou dados de radiação óptica de proximidade real, IRv_real, e um sinal ou dados proporcionais à proporção entre o sinal ou dados indicativos da segunda radiação óptica, TSc, e o sinal ou dados indicativos da primeira radiação óptica, LSc, de acordo com a expressão:
   SS = t x (TSc / LSc) + s x IRV_real
5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o sinal ou dados em função do tempo de propagação de uma onda acústica através do volume do referido elemento óptico (16), PS(P), serem um sinal ou dados indicativos da contribuição da potência do feixe de laser (B) no tempo de propagação da citada onda acústica, sendo calculados pela diferença entre:
   um sinal ou dados de um tempo de propagação mensurável, PSm(p, P), que é indicativo da contribuição conjunta, no tempo de propagação da referida onda acústica, da potência do feixe de laser (B) e da pressão de um gás presente em uma predeterminada região de volume (R1) para a qual o elemento óptico (16) está voltado, ou da diferença de pressão entre uma região (R2) a montante do elemento óptico (16) e uma região (R1) a jusante do elemento óptico (16), em um volume no qual o elemento óptico está imerso; e
   um sinal ou dados de tempo de propagação de referência, PSref(p), indicativo da contribuição, no tempo de propagação da mencionada onda acústica, da pressão do gás presente na região de volume (R1) para a qual o sistema óptico elemento (16) está voltado, ou da diferença de pressão entre uma região (R2) a montante do elemento óptico (16) e uma região (R1) a jusante do elemento óptico (16), em um volume no qual o elemento óptico está imerso;
   com o referido sinal ou dados de tempo de propagação de referência, PSref(p), sendo predeterminado a partir da aquisição de um sinal ou dados indicativos da pressão atual do gás presente na região de volume (R1) para a qual o elemento óptico (16) está voltado, ou da diferença de pressão entre uma região (R2) a montante do elemento óptico (16) e uma região (R1) a jusante do elemento óptico (16), em um volume no qual o elemento óptico está imerso, com base em um modelo de relação entre a pressão do gás e o tempo de propagação da onda acústica através do volume do elemento óptico (16), em uma fase de calibração preliminar realizada na ausência do feixe de laser (B).
6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender a realização das referidas etapas (a) a (g) em uma condição de operação sem carga, com o citado feixe de laser de potência (B) sendo emitido na ausência do material (WP) a ser processado, e em uma condição de trabalho operacional, na qual o dito feixe de laser de potência (B) colide com uma área de processamento do material (WP), com a presença de um fluxo de gás auxiliar distribuído em direção à mencionada área de trabalho do material (WP).
7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a citada condição operacional sem carga compreender o fornecimento de um fluxo de gás auxiliar.
8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por os ditos primeiro, segundo, terceiro e quarto sinais ou dados serem dependentes da potência do feixe de laser (B) em uma condição operacional sem carga, sendo, além disso, dependentes do material (WP) e da velocidade do movimento relativo da posição mútua entre o cabeçote de processamento (14) e o mencionado material (WP) em uma condição de trabalho operacional.
9. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender a realização de uma etapa de calibração inicial na instalação do referido caminho óptico, em que o citado sinal ou dados indicativos da condição de operação do mencionado elemento óptico (16) são representativos de uma condição ideal do elemento óptico (16), e a realização um ciclo de teste programado em uma condição de operação sem carga e em uma condição de trabalho operacional, com o dito sinal ou dados indicativos da condição de operação do citado elemento óptico (16) sendo representativos de uma condição atual do elemento óptico (16).
10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender a emissão de um sinal de anomalia quando o sinal ou dados indicativos da condição de operação do referido elemento óptico (16), em uma condição atual, diferirem do sinal ou dados indicativos da condição de operação do mencionado elemento óptico (16) em uma condição de referência, por um valor maior do que um limite predeterminado.
11. MÉTODO, de acordo com as reivindicações 9 ou 10, caracterizado por compreender a emissão de um sinal de anomalia quando o sinal ou dados indicativos da condição de operação do dito elemento óptico (16), em uma condição de trabalho operacional, diferirem do sinal ou dados indicativos da condição de operação do referido elemento óptico (16) em uma condição de operação sem carga, por um valor maior do que um segundo limite predeterminado.
12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado por compreender a emissão de um sinal de anomalia quando o sinal ou dados indicativos da condição de operação do citado elemento óptico (16), em um ciclo de teste atual, diferirem do sinal ou dados indicativos do condição de operação do referido elemento óptico (16) em um ciclo de teste prévio, por um valor maior do que um terceiro limite predeterminado.
13. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por pelo menos um dito elemento óptico compreender um elemento óptico de refração (20; 16) para colimar ou focar o feixe de laser (B), adaptado para modificar uma predeterminada distribuição transversal de potência do feixe de laser incidente (B).
14. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por pelo menos um referido elemento óptico compreender um elemento óptico refletivo (22) para defletir o feixe de laser (B).
15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o citado elemento óptico refletivo (22) compreender um elemento óptico refletivo adaptado para modificar uma predeterminada distribuição transversal de potência do feixe incidente.
16. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por pelo menos um citado elemento óptico compreender um elemento de proteção óptico (34) de um espaço do caminho óptico, destinado a não modificar a distribuição transversal de potência do feixe de laser incidente (B).
17. SISTEMA PARA DETECTAR A CONDIÇÃO DE OPERAÇÃO DE PELO MENOS UM ELEMENTO ÓPTICO (16), disposto ao longo de um caminho de propagação óptica de um feixe de laser de potência (B) em um cabeçote de processamento (14) de uma máquina para o processamento a laser de um material (WP), em particular para corte, perfuração ou soldagem a laser do referido material, em que:
    o mencionado feixe de laser de potência (B) apresenta uma predeterminada distribuição transversal de potência em um comprimento de onda operacional predeterminado; e
    o citado caminho óptico do feixe de laser (B) dentro do referido cabeçote de processamento (14) inclui uma pluralidade de elementos ópticos em cascata (20, 22, 16, 34);
    caracterizado por incluir:
    primeiros meios sensores (50), adaptados para ficarem dispostos a montante do mencionado elemento óptico (16) e para detectarem uma primeira radiação óptica, que se propaga coaxialmente ao caminho óptico em uma direção oposta à direção de propagação do feixe de laser (B), tendo um comprimento de onda correspondente ao comprimento de onda do feixe de laser (B);
    segundos meios sensores (52), adaptados para ficarem dispostos a montante do referido elemento óptico (16) e para detectarem uma segunda radiação óptica, que se propaga coaxialmente ao caminho óptico em uma direção oposta à direção de propagação do feixe de laser (B), tendo um comprimento de onda na faixa próxima do infravermelho;
    terceiros meios sensores (54), adaptados para serem associados ao mencionado elemento óptico (16) e para detectarem uma radiação óptica de proximidade emitida pelo citado elemento óptico (16) em um comprimento de onda compreendido na faixa do infravermelho, em uma região de volume predefinido (R2) próxima da superfície a montante do elemento óptico (16) em relação ao referido caminho óptico;
    meios para emissão de uma onda acústica, adaptados para emitirem a dita onda acústica dentro do volume do mencionado elemento óptico (16);
    quartos meios sensores (56), adaptados para serem associados ao referido elemento óptico (16) e para detectarem o tempo de propagação da citada onda acústica através do volume do mencionado elemento óptico (16); e
    meios de controle e processamento eletrônicos (66), dispostos de modo a executarem um método para detectar a condição de operação de pelo menos um dito elemento óptico (16), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16.
18. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por os referidos meios de controle e processamento eletrônicos (66) estarem dispostos de modo a adquirirem um sinal ou dados de pressão indicativos da pressão atual do gás presente em uma região de volume (R1) para a qual o elemento óptico (16) está voltado, ou uma diferença de pressão entre uma região (R2) a montante do elemento óptico (16) e uma região (R1) a jusante do elemento óptico (16), em um volume no qual o elemento óptico (16) está imerso.
19. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por compreender quintos meios sensores (58) associados ao referido elemento óptico (16) e adaptados para proverem os mencionados sinal ou dados de pressão.
20. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por os ditos meios de controle e processamento eletrônicos (66) estarem dispostos de modo a adquirirem sinais ou dados indicativos de parâmetros do processo de trabalho atual, e sinais ou dados indicativos da produção em andamento e da peça de trabalho sendo processada, a partir dos meios de controle de trabalho e processamento (64) da mencionada máquina.
21. MÁQUINA PARA PROCESSAMENTO A LASER DE UM MATERIAL (WP), em particular para corte, perfuração ou soldagem a laser do referido material, por meio de um feixe de laser (B) tendo uma predeterminada distribuição transversal de potência em pelo menos um plano de trabalho do material (WP), compreendendo:
    uma fonte (10) para a emissão do feixe de laser (B);
    meios (12a, 12b, 12c; 12d) para conduzir o feixe de laser (B) emitido pela citada fonte de emissão (10) ao longo de um caminho óptico, para transportar o feixe (B) para um cabeçote de processamento (14) disposto nas proximidades do dito material (WP);
    um caminho óptico para conformar o feixe de laser (B) ao longo de uma direção de propagação dentro do cabeçote de processamento (14) em direção a uma saída de feixe, com o mencionado caminho óptico incluindo uma pluralidade de elementos ópticos em cascata (20, 22, 16, 34); e
    meios de controle (64) da posição mútua entre o referido cabeçote de processamento (14) e o citado material (WP), adaptados para conduzirem o dito feixe de laser (B) focado ao longo de um caminho de processamento no material (WP);
    com a mencionada pluralidade de elementos ópticos em cascata (20, 22, 16, 34) compreendendo:
    pelo menos um elemento óptico refrativo (20) para colimar o feixe de laser (B) ao longo de um eixo óptico de propagação incidente no material (WP);
    possivelmente pelo menos um elemento óptico refletivo (22) para defletir o feixe de laser (B), adaptado para refletir o dito feixe de laser (B) colimado em direção a uma direção de incidência no referido material (WP), e possivelmente adaptado para modificar uma predeterminada distribuição transversal de potência do feixe incidente (B);
    pelo menos um elemento óptico refrativo (16) para focar o feixe de laser (B) colimado em uma área de um plano de trabalho do citado material (WP); e
    pelo menos um elemento de proteção óptico (34) de um espaço do caminho óptico, destinado a não modificar a distribuição transversal de potência do feixe incidente (B);
    caracterizado por compreender um sistema para detectar a condição de operação de pelo menos um elemento óptico (16) do caminho óptico para conformar o feixe de laser(B), de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 20.

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