ES2202904T3

ES2202904T3 - Dispositivo optico para la perforacion por medio de rayo laser.

Info

Publication number: ES2202904T3
Application number: ES98954138T
Authority: ES
Inventors: Goetz Kuehnle; Norbert Streibl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2018-09-07
Also published as: US6355907B1; DE59808837D1; JP4399107B2; EP1015166B1; JP2001516648A; EP1015166A1; WO1999014010A1; DE19741029A1

Abstract

Dispositivo óptico para la perforación por medio de rayo láser (5) con una disposición óptica, dispuesta en la trayectoria de los rayos, acoplada con un accionamiento y que presenta un rotador de la imagen (4), para la conducción del rayo láser (5) sobre una trayectoria de corte circular de acuerdo con parámetros ajustables y con una óptica de enfoque (6) dispuesta detrás de la disposición, que enfoca el rayo láser (5) sobre una pieza de trabajo (7), caracterizado porque el rotador de la imagen (4) está acoplado con el accionamiento de una manera giratoria separada y de esta manera lleva a cabo la conducción del rayo sobre la trayectoria de corte, siendo ajustables los parámetros fuera del rotador de la imagen giratorio (4)

Description

Dispositivo óptico para la perforación por medio de rayo láser.

Estado de la técnica

La invención se refiere a un dispositivo óptico para la perforación por medio de rayo láser con una disposición óptica, dispuesta en la trayectoria de los rayos, para la conducción del rayo láser sobre una trayectoria de corte circular y con una óptica de enfoque dispuesta detrás de la disposición, que enfoca el rayo láser sobre una pieza de trabajo.

En un dispositivo óptico de este tipo conocido, por ejemplo para la perforación de taladros de inyección en toberas de inyección se conduce un rayo láser sobre una trayectoria circular con un radio deseado, el radio de trepanación, que corresponde esencialmente al radio del taladro perforado deseado. A través de la modificación de la dirección del rayo principal se puede variar el ángulo de entrada de la herramienta de rayo y, por lo tanto, la conicidad del taladro

\hbox{perforado.}

Se han propuesto diferentes dispositivos para ajustar el radio de trepanación deseado y el ángulo de entrada. En un dispositivo conocido está prevista una lente de enfoque que gira de forma excéntrica. En este caso, el ángulo de entrada no es variable de forma separada. También provocan dificultades el desequilibrio mecánico así como el ajuste de los parámetros en el sistema giratorio.

Además, se conoce un dispositivo con una lente de enfoque que gira de forma excéntrica y con una placa basculante paralela al plano, donde el ángulo de entrada puede ser influenciado adicionalmente a través del basculamiento. La mecánica utilizada al mismo tiempo que es necesaria en este caso es costosa, y son difíciles de evitar los errores de reproducción.

Otro dispositivo de este tipo presenta una placa giratoria, basculada paralela al plano así como una placa de cuña ajustable aguas arriba de una lente de enfoque estacionaria o giratoria. También en este caso deben ajustarse los parámetros en el sistema giratorio, y la instalación mecánica es costosa así como está afectada con un desequilibrio.

De acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, la invención parte de un dispositivo óptico para la perforación por medio de rayo láser, como se indica en la publicación JP 06320296 (publicación D2). En este dispositivo óptico conocido se giran varios grupos estructurales de la disposición óptica, a saber, un prisma Dove 241, una cabeza de rotación 270 así como el rayo láser propiamente dicho por medio de accionamientos, donde las rotaciones del prisma y de la cabeza de rotación son provocadas de forma sincronizada por el mismo motor. En una estructura de este tipo, no es fácil realizar el ajuste para la regulación de los parámetros de corte deseados y también la estructura es costosa debido a los diferentes elementos que deben ser girados.

Se muestra en el documento WO 80/01419 (publicación D1) otro dispositivo para la conducción de un rayo láser. Este dispositivo sirve para transmitir temporalmente una distribución de la intensidad de la radiación sobre una pieza de trabajo, con el fin de provocar, por ejemplo, un tratamiento térmico del material. Está claro que no se desea una fundición de la superficie del material, como se deduce a partir de la página 1, líneas 14 y 15 de esta publicación. Por lo que se refiere a la estructura, en este dispositivo

\hbox{óptico}

está prevista una carcasa totalmente giratoria con un accionamiento, en la que están dispuestos elementos ópticos regulables. No se indica un enfoque del rayo y, en general, tampoco es necesario para el objeto previsto allí de un tratamiento superficial de una
superficie grande.

Por lo que se refiere al ajuste, se plantean las mismas dificultades que en el objeto según la publicación D2, puesto que también en este caso los elementos a ajustar están colocados dentro de la disposición óptica girada.

La invención tiene el cometido de preparar un dispositivo óptico del tipo indicado al principio, que ofrece posibilidades de ajuste sencillas y muy exactas, donde también la estructura es sencilla.

Este cometido se soluciona con las características de la nueva reivindicación 1.

Según la invención, en este caso, está previsto que el rotador de la imagen esté acoplado de forma giratoria con el accionamiento, separado de la disposición óptica restante y a través de esta rotación del rotador de la imagen se lleve a cabo la conducción del rayo sobre la trayectoria de corte. En cambio, los parámetros de corte se pueden ajustar fuera del rotador giratorio de la imagen. Con estas medidas se consigue una estructura relativamente sencilla, puesto que solamente el rotador de la imagen está montado de forma giratoria y se puede acoplar con el accionamiento. El ajuste de los parámetros es especialmente sencillo, puesto que éste se lleva a cabo fuera del rotador giratorio de la imagen. Las medidas según la invención proporcionan ventajas importantes.

En una estructura ventajosa del dispositivo, está previsto que el dispositivo óptico presente un desplazador y/o un basculador y que el rotador de la imagen esté configurado como dispositivo de prisma, de espejo o anamorfótico. Con el desplazador y el basculador se pueden ajustar fácilmente el ángulo de entrada y el radio de trepanación, respectivamente. En este caso, la estructura puede estar realizada de manera sencilla porque el desplazador está configurado como placa basculante paralela al plano, porque el basculador está configurado como placa de cuña ajustable, espejo basculante o lente regulable y porque el rotador de la imagen está configurado como prisma Dove o como prisma Abbe-Köning.

Se puede conseguir un punto de enfoque lo más pequeño posible porque aguas arriba de la óptica de enfoque está conectado un telescopio para la expansión del rayo.

Además, se favorece la estructura porque en la dirección del rayo están dispuestos el desplazador, el basculador y el rotador de la imagen unos detrás de otros.

Se consigue un ajuste automático del enfoque con una estructura sencilla porque está previsto una instalación de enfoque automático, en la que el rotador de la imagen en un rayo retro-reflejado es utilizado como rotador inverso de la imagen y se neutralizan el desplazamiento y el basculamiento a través del desplazador y el basculador, respectivamente.

Otra ventaja esencial de las medidas según la invención es una redondez mejorada de los taladros perforados. En efecto, con frecuencia el rayo de corte generado por el láser no presenta un a simetría de rotación perfecta en su distribución de la intensidad, por ejemplo en virtud de aberraciones ópticas o debido a la estimulación de oscilaciones de varios modos de láser. En el caso de ópticas de trepanación sin rotador de la imagen, durante la trepanación se modifica la orientación de la asimetría del foco con respecto a la dirección de corte. Esto puede conducir a errores de redondez en el resultado de la perforación. A través del rotador de la imagen, en cambio, el foco asimétrico es girado al mismo tiempo durante el corte, con lo que se mejora la redondez.

A continuación se explica en detalle la invención con la ayuda de ejemplos de realización con referencia al dibujo. En este caso:

La figura 1 muestra un dispositivo óptico para la perforación por medio de rayo láser de forma esquemática en vista lateral, y

La figura 2 muestra otro ejemplo de realización del dispositivo óptico en vista lateral, estando previsto un telescopio para la expansión del rayo.

Según el dispositivo mostrado en la figura 1 para la perforación por medio de rayo láser, en la región de un eje de giro 1 incide un rayo láser 5 colimado, emitido por un láser no mostrado, sobre un desplazador 2 en forma de una placa paralela al plano. La placa 2 paralela al plano, por ejemplo de forma cilíndrica, está basculada con respecto al rayo láser 5 incidente, de manera que éste incide desplazado en paralelo sobre un basculador 3 siguiente, que está constituido por dos placas de cuña giratorias entre sí alrededor del eje óptico o eje de giro 1. A través de la rotación de una de las placas de cuña con respecto a la otra placa de cuña se puede inclinar el rayo láser 5, como se deduce a partir de la figura 1, con respecto al eje principal y a continuación incide sobre el lado de incidencia inclinado de un rotador de la imagen en forma de un prisma Dove 4, que está recibido en un soporte de alojamiento no mostrado y que está montado de forma giratoria alrededor del eje de giro 1. El rayo láser 5 basculado, que sale desde el rotador de la imagen 4, incide sobre una óptica de enfoque 6 en forma de una o varias lentes y es enfocado por éstas sobre una pieza de trabajo 7 en el borde del taladro a cortar en forma de taladro de trepanación 8.

En el ejemplo de realización según la figura 2, la lógica de enfoque 6' está realizada como un sistema óptico de varios elementos. Como característica ventajosa de este sistema está previsto en este caso un dispositivo para la expansión del rayo láser 5 en forma de un telescopio 9, con lo que se puede mejorar el enfoque del rayo láser 5 sobre la pieza de trabajo 7, así como se posibilita una adaptación del diámetro del rayo sobre la lente 6. Por lo demás, la estructura corresponde a la mostrada en la figura 1.

Con la estructura mostrada se pueden ajustar por separado las funciones del enfoque del rayo, de la conducción del rayo sobre una trayectoria de corte de forma circular, del desplazamiento del rayo para el ajuste del ángulo de entrada así como del basculamiento del rayo para el ajuste del radio de trepanación, siendo conseguidas las funciones a través de grupos estructurales ópticos únicos. Los parámetros deseados se pueden ajustar fuera del sistema giratorio, de manera que se simplifica la manipulación y se posibilita un ajuste exacto. Especialmente se lleva a cabo la conducción del rayo láser para el movimiento de trepanación solamente a través del rotador de la imagen 4, de manera que se simplifica también la estructura mecánica con el accionamiento.

Con la lente de enfoque 6 de la distancia focal f, el rayo láser 5 colimado incidente enfoca rayos parciales en un punto del plano de combustión, que se encuentra sobre o en la proximidad de la superficie de la pieza de trabajo 7. Si el rayo láser 5 colimado incidente está basculado en un ángulo pequeño con respecto al eje óptico, entonces el punto focal dentro del plano focal está desplazado con respecto al eje óptico en un trayecto que corresponde al radio de trepanación, Si el rayo láser 5 que incide sobre la lente de enfoque está desplazado en un trayecto paralelamente al eje óptico, entonces el ángulo de entrada en la pieza de trabajo se desvía con respecto a la perpendicular. Por lo tanto, un desplazamiento del rayo láser 5 aguas arriba de la lente de enfoque 6 conduce al basculamiento del rayo láser 5 aguas debajo de la lente de enfoque 6 y posibilita una modificación del ángulo de entrada. A tal fin, la apertura de la lente de enfoque 6 debe dimensionarse suficientemente grande. Un basculamiento del rayo láser 5 aguas arriba de la lente de enfoque 6 conduce a un desplazamiento del punto de enfoque y posibilita la modificación del radio de trepanación. A tal fin, hay que dimensionar de un tamaño suficiente el campo, dentro del cual está corregida en una medida suficiente la lente de enfoque 6. De esta manera a través del desplazamiento ajustable y el basculamiento del rayo láser 5 aguas arriba de la lente de enfoque 6 se pueden variar por separado la posición de enfoque (radio de trepanación) y el basculamiento del rayo láser 5 (ángulo de entrada) aguas debajo de la lente. Un rayo láser colimado 5 aguas arriba de la lente de enfoque 6 (por ejemplo, colocación de la pieza de trabajo en el plano de enfoque de la lente de enfoque 8) es ventajoso porque entonces los sistemas de prismas aguas arriba de la lente de enfoque 6 no requieren medidas de corrección para errores de reproducción. Naturalmente, son concebibles otras disposiciones (no colimadas).

En el rotador de la imagen 4 se lleva a cabo una reflexión del rayo láser 5 incidente en un plano imaginario en el prisma, que contiene el eje de giro 1 y que está orientado paralelamente a la superficie de base. Durante el giro del prisma 4 y con un rayo láser 5 incidente estacionario, se gira un punto de salida del rayo láser 5 en la superficie de salida del prisma 4 con la velocidad de giro duplicada alrededor del eje de

\hbox{giro
1.}

Si se transmite un rayo láser 5 colimado desplazado o bien basculado con respecto al eje de giro 1 a través del prisma Dove 4, entonces el desplazamiento y el ángulo de basculamiento giran al mismo tiempo en la superficie de salida. A través de la disposición del rotador de la imagen en forma del prisma Dove 4 aguas arriba de la lente de enfoque 6 se consigue, por lo tanto, una conducción del rayo láser 5 sobre el radio de trepanación con ángulo de entrada que gira al mismo tiempo de forma adecuada. Un sistema de prismas en el rayo láser colimado no introduce errores de reproducción adicionales.

Como una forma de realización alternativa del rotador de la imagen 4 se contempla una combinación pura de espejos con número impar de reflexiones, sistemas de prismas más complejos, con preferencia en realización de visión recta (por ejemplo, con tres reflexiones), sistemas de reproducción / telescopios anamorfóticos (realización de una reflexión a través de escalas de reproducción con signo opuesto, por ejemplo +1 y -1, respectivamente, en dirección

\hbox{x e y).}

Para el ajuste del ángulo de entrada se lleva a cabo aguas arriba de la lente de enfoque 5 y del rotador de la imagen 4 el desplazamiento paralelo del rayo láser 5 colimado por medio del desplazador 2, que está configurado en el caso más sencillo como placa paralela al plano. En el caso de incidencia normal de la luz sobre la placa 2 no se produce ningún desplazamiento del rayo. Para ángulos de basculamiento pequeños de la placa, el desplazamiento es proporcional al ángulo y al espesor de la placa. En el caso de ángulos grandes, resulta una relación trigonométrica más complicada. Con un diseño adecuado se puede conseguir una "multiplicación óptica", con lo que es posible un ajuste muy exacto del desplazamiento a través de una modificación comparativamente grande del ángulo. Como una alterativa a una placa paralela al plano, también son posibles espejos que se pueden bascular de forma sincronizada, un telescopio con lentes móviles relativamente entre sí y similares.

El basculamiento del rayo para el ajuste del radio de trepanación se puede realizar de forma sencilla con el basculador 3 por medio de rotación relativa de las placas de cuña. De esta manera, se puede conseguir una multiplicación óptica. Como configuración alternativa del basculador 3 se contempla, por ejemplo, un espejo basculante.

Para el ajuste automático del foco se puede prever una instalación de enfoque automático, que requiere una observación del foco del dispositivo, a cuyo fin se puede seleccionar otra longitud de onda para evitar las pérdidas por desacoplamiento. La luz reflejada por la pieza de trabajo 7 es desacoplada después de la neutralización de la rotación de la imagen, del desplazamiento y del basculamiento a través de la inversión de la trayectoria de los rayos. Los procedimientos para la detección de la calidad del foco se conocen en el estado de la técnica. El rotador de la imagen 4 es utilizado como rotador opuesto de la imagen.

Con las medidas descritas se consigue especialmente un desacoplamiento del movimiento de trepanación respecto de otros parámetros de ajuste, con lo que se mejoran las posibilidades de ajuste y se simplifica la estructura.

Claims

1. Dispositivo óptico para la perforación por medio de rayo láser (5) con una disposición óptica, dispuesta en la trayectoria de los rayos, acoplada con un accionamiento y que presenta un rotador de la imagen (4), para la conducción del rayo láser (5) sobre una trayectoria de corte circular de acuerdo con parámetros ajustables y con una óptica de enfoque (6) dispuesta detrás de la disposición, que enfoca el rayo láser (5) sobre una pieza de trabajo (7), caracterizado porque el rotador de la imagen (4) está acoplado con el accionamiento de una manera giratoria separada y de esta manera lleva a cabo la conducción del rayo sobre la trayectoria de corte, siendo ajustables los parámetros fuera del rotador de la imagen giratorio (4).

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la disposición óptica presenta un desplazador (2) y/o un basculador (3) y porque el rotador de la imagen (4) está configurado como dispositivo prismático, de espejo o anamorfótico.

3. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque el desplazador (2) está configurado como placa basculante paralela al plano, porque el basculador (3) está configurada como placa en cuña ajustable, espejo basculante o lente ajustable, y porque el rotador de la imagen (4) está configurado como prisma Dove o como prisma Abbe-König.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la óptica de enfoque (6) está conecta aguas arriba de un telescopio (9) para la expansión del haz.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque el desplazador (2), el basculador (3) y el rotador de la imagen (4) están dispuestos unos detrás de los otros en la dirección de los rayos.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está prevista una instalación de enfoque automático, en la que el rotador de la imagen (4) es utilizado en un haz retro-reflejado como rotador inverso de la imagen y se neutralizan el desplazamiento y el basculamiento a través del desplazador (2) y el basculador (3), respectivamente.