ES2921849B2

ES2921849B2 - Method for single pulse micro-drilling process with a laser head, laser head and micro-drilling machine

Info

Publication number: ES2921849B2
Application number: ES202130138A
Authority: ES
Inventors: Reyes Carlos Soriano; Perez Roberto Ocana; Gurruchaga Asier Arizaga; De Gorostiza Lopez De Vinaspre Erlantz Fernandez; Garcia Francisco Javier Lopez; Murillo Ander Ordono
Original assignee: Fundacion Tekniker
Current assignee: Fundacion Tekniker
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2023-09-25
Anticipated expiration: 2041-02-19
Also published as: WO2022175582A1; ES2921849A1

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

MÉTODO PARA EL PROCESO DE MICROPERFORACIÓN DE PULSO ÚNICO CON UNMETHOD FOR THE SINGLE PULSE MICROPERFORATION PROCESS WITH A

CABEZAL LÁSER, CABEZAL LÁSER Y MÁQUINA DELASER HEAD, LASER HEAD AND MACHINE

MICROPERFORACIÓNMICROPERFORATION

CAMPO TÉCNICOTECHNICAL FIELD

La presente invención se refiere al campo técnico de los dispositivos láser. Más particularmente, la presente invención se refiere a dispositivos y métodos para la supervisión y control de procesos de microperforación con láser de pulso único y máquinas de microperforación capaces de efectuar microperforación en piezas de trabajo con supervisión de las mismas.The present invention relates to the technical field of laser devices. More particularly, the present invention relates to devices and methods for the supervision and control of microdrilling processes with single pulse laser and microdrilling machines capable of microdrilling workpieces with supervision thereof.

ESTADO DE LA TÉCNICASTATE OF THE TECHNIQUE

Microperforar una pieza de trabajo, es decir, formar orificios u orificios pasantes en una pieza de trabajo cuando el diámetro de los orificios es inferior a 1,0 mm, por ejemplo, entre 40 ^m y 200 ^m, también denominado en la presente divulgación como microorificios, puede ser una tarea compleja porque, por lo general, los orificios deben perforarse con mucha precisión. Esto significa que los orificios formados deben tener un diámetro igual o muy cercano al diámetro nominal, y que los orificios se forman en toda la parte o en la totalidad de la superficie procesada de la pieza de trabajo en las ubicaciones correctas, es decir, se forman en coordenadas nominales de modo que la colocación de los mismos y la separación con respecto a otros orificios cumplen la disposición de microorificios prevista. Dependiendo de la aplicación, es posible que sea necesario realizar una gran cantidad de orificios en una sola pieza de trabajo, incluso del orden de 105, 106 y/o 107 orificios; se puede apreciar que la formación de muchos orificios con buena precisión tanto en el posicionamiento como en la geometría de los orificios es compleja.Micro-drilling a workpiece, that is, forming holes or through holes in a workpiece when the diameter of the holes is less than 1.0 mm, for example, between 40 ^m and 200 ^m, also referred to in the present disclosure such as micro-holes, it can be a complex task because the holes usually have to be drilled very precisely. This means that the holes formed must have a diameter equal to or very close to the nominal diameter, and that the holes are formed on all or all of the processed surface of the workpiece in the correct locations, that is, they are They are formed in nominal coordinates so that their placement and separation with respect to other holes comply with the planned micro-hole arrangement. Depending on the application, a large number of holes may need to be made in a single workpiece, even on the order of 105, 106 and/or 107 holes; It can be seen that the formation of many holes with good precision in both the positioning and geometry of the holes is complex.

Una forma de microperforar piezas de trabajo es mediante radiación láser con pulsos únicos. Un cabezal láser emite un pulso de rayo láser de una energía determinada que incide en la pieza que se va a procesar, formando así un orificio. Las características del orificio en términos de diámetro, profundidad, forma, relación de aspecto, circularidad, etc. dependen de la óptica de guía de láser, los parámetros del láser como la calidad del rayo, longitud del pulso, nivel de potencia, etc. y los parámetros del gas de procesamiento y protección, entre otros. Uno de los parámetros más importantes que influyen en el proceso es la distancia desde el extremo de salida del cabezal láser hasta la superficie de la pieza de trabajo. Las variaciones de distancia en el orden de unidades o decenas de micrómetros cambian las características de los orificios formados, en cuyo caso puede ocurrir que una pieza de trabajo haya sido procesada incorrectamente.One way to microdrill workpieces is by laser radiation with single pulses. A laser head emits a laser beam pulse of a certain energy that hits the part to be processed, thus forming a hole. The characteristics of the hole in terms of diameter, depth, shape, aspect ratio, circularity, etc. Depend on the laser guiding optics, laser parameters such as beam quality, pulse length, power level, etc. and the parameters of the processing and protection gas, among others. One of The most important parameters influencing the process is the distance from the output end of the laser head to the surface of the workpiece. Distance variations on the order of units or tens of micrometers change the characteristics of the holes formed, in which case it may occur that a workpiece has been processed incorrectly.

En algunas aplicaciones, el cumplimiento de las características de los orificios formados en la pieza es fundamental, por ejemplo, en la industria aeronáutica, industria espacial, industria naval, etc. Además, cuando se forman orificios pasantes, el diámetro del orificio en el lado en el que el láser no ha incidido es también importante y debe cumplir también con ciertas características. Para cumplir con los requisitos, se controlará la microperforación para detectar posibles procesamientos erróneos, y uno de los parámetros que se controlará es la distancia entre el cabezal láser y la pieza de trabajo.In some applications, compliance with the characteristics of the holes formed in the part is essential, for example, in the aeronautical industry, space industry, naval industry, etc. Furthermore, when through holes are formed, the diameter of the hole on the side that the laser has not hit is also important and must also meet certain characteristics. To meet the requirements, micro-drilling will be monitored for possible erroneous processing, and one of the parameters that will be monitored is the distance between the laser head and the workpiece.

La tecnología láser para microperforaciones ha mejorado en las últimas décadas. Una forma de maximizar el número de orificios formados y piezas procesadas por unidad de tiempo es mediante la microperforación de las piezas mientras el cabezal láser está en movimiento, es decir, procesamiento sobre la marcha. El control de la distancia es aún más complejo cuando el cabezal láser se mueve mientras emite pulsos de láser para formar los orificios.Laser technology for microperforations has improved in recent decades. One way to maximize the number of holes formed and parts processed per unit of time is by micro-drilling the parts while the laser head is moving, i.e. on-the-fly processing. Distance control is even more complex when the laser head moves while emitting laser pulses to form the holes.

Existe interés en proporcionar un método para medir la distancia entre un cabezal láser y una pieza de trabajo que se va a microperforar por medio de una técnica de perforación con láser de pulso único y, preferentemente, para ajustar el cabezal láser de acuerdo con la distancia medida o detenerlo si la microperforación se considera incorrecta. También hay interés en proporcionar un cabezal láser capaz de realizar tal medición y una máquina de microperforación capaz de controlar el cabezal láser basándose en las mediciones.There is interest in providing a method for measuring the distance between a laser head and a workpiece to be microdrilled by means of a single pulse laser drilling technique and, preferably, for adjusting the laser head according to the distance. measure or stop it if the microperforation is considered incorrect. There is also interest in providing a laser head capable of making such a measurement and a microdrilling machine capable of controlling the laser head based on the measurements.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION

Un primer aspecto de la invención se refiere a un método para el proceso de microperforación de pulso único con un cabezal láser, que comprende: colocar un sensor de corrientes de Foucault en una boquilla del cabezal láser, siendo la boquilla para emitir un rayo láser a través de un primer extremo de una abertura de la boquilla, siendo el primer extremo tanto un extremo de salida de láser como opuesto a un segundo extremo, siendo el segundo extremo un extremo de entrada de láser, a través del que una fuente de láser proporciona la radiación láser; microperforar una pieza de trabajo emitiendo el rayo láser de forma intermitente mientras se mueve el cabezal láser y mientras la boquilla está separada de la pieza de trabajo por la distancia D; medir una distancia D entre el cabezal láser y la pieza de trabajo con el sensor de corrientes de Foucault mientras se mueve el cabezal láser; y el sensor de corrientes de Foucault comprende: una bobina eléctricamente conductora a una distancia del eje central de la abertura mayor o igual a 4,0 mm, y menor o igual a 10,0 mm; un miembro separador dispuesto de tal forma que un primer lado del mismo esté frente a la bobina eléctricamente conductora y un segundo lado del mismo esté frente a la pieza de trabajo cuya distancia con respecto al sensor de corrientes de Foucault se desea medir, estando el segundo lado opuesto al primer lado; y un diámetro 0 de un cable que forma la bobina eléctricamente conductora es: 0,30 mm ≤ 0 ≤ 0,45 mm; y estando el sensor de corrientes de Foucault a ras del primer extremo de la boquilla.A first aspect of the invention relates to a method for the single pulse microdrilling process with a laser head, comprising: placing an eddy current sensor in a nozzle of the laser head, the nozzle being for emitting a laser beam at through a first end of a nozzle opening, the first end being both a laser output end and opposite a second end, the second end being a laser input end, through which a laser source provides laser radiation; microdrill a workpiece by emitting the laser beam intermittently while the laser head is moving and while the nozzle is separated from the workpiece by the distance D; measuring a distance D between the laser head and the workpiece with the eddy current sensor while moving the laser head; and the eddy current sensor comprises: an electrically conductive coil at a distance from the central axis of the aperture greater than or equal to 4.0 mm, and less than or equal to 10.0 mm; a spacer member arranged in such a way that a first side thereof faces the electrically conductive coil and a second side thereof faces the workpiece whose distance with respect to the eddy current sensor is to be measured, the second being opposite side to the first side; and a diameter 0 of a wire that forms the electrically conductive coil is: 0.30 mm ≤ 0 ≤ 0.45 mm; and the eddy current sensor being flush with the first end of the nozzle.

El presente método hace posible microperforar una pieza de trabajo con pulsos únicos de forma precisa puesto que la distancia D -es decir, la distancia entre el extremo de la abertura de la boquilla por donde sale el rayo láser y la porción de la superficie de la pieza de trabajo en la que el rayo láser incide por primera vez- se puede supervisar. A este respecto, se observa que tan pronto como el rayo láser incide en la superficie de la pieza de trabajo, el rayo láser forma un orificio aumentando así progresivamente la distancia entre el extremo de salida de la boquilla y la superficie en la que incide el rayo láser; la distancia D se refiere a la distancia previa a la formación progresiva del orificio. La distancia D es un parámetro clave en la formación de los orificios puesto que cualquier variación de la misma da como resultado la formación de orificios de diferente diámetro cuando no se modifican los parámetros del láser, en concreto, cuando el rayo láser presenta las mismas características.The present method makes it possible to microdrill a workpiece with single pulses precisely since the distance D - that is, the distance between the end of the nozzle opening from which the laser beam exits and the portion of the surface of the nozzle workpiece that the laser beam first hits - can be monitored. In this regard, it is observed that as soon as the laser beam hits the surface of the workpiece, the laser beam forms a hole thus progressively increasing the distance between the exit end of the nozzle and the surface on which the beam hits. laser beam; Distance D refers to the distance prior to the progressive formation of the hole. The distance D is a key parameter in the formation of the holes since any variation of it results in the formation of holes of different diameters when the laser parameters are not modified, specifically, when the laser beam has the same characteristics. .

El sensor de corrientes de Foucault supervisa la distancia D. Para este fin, una fuente de energía suministra una corriente alterna a la bobina eléctricamente conductora para que se puedan inducir corrientes en la superficie de la pieza de trabajo. Las corrientes inducidas producen un campo magnético que modifica el flujo dentro de la bobina y, así, su valor de inductancia. En el presente caso, al medir la variación en la fase de la impedancia, se puede establecer la distancia D.The eddy current sensor monitors the distance D. For this purpose, a power source supplies an alternating current to the electrically conductive coil so that currents can be induced in the surface of the workpiece. The induced currents produce a magnetic field that modifies the flux inside the coil and, thus, its inductance value. In the present case, by measuring the variation in the phase of the impedance, the distance D can be established.

La disposición del sensor de corrientes de Foucault en la boquilla permite medir la distancia D con respecto a una porción de la pieza de trabajo que está cerca de donde el rayo láser incide o incidirá en una microperforación posterior, es decir, en uno de los siguientes orificios que formará el cabezal láser en el proceso de microperforación que está destinado a formar una pluralidad de orificios a lo largo de una porción o la totalidad de la pieza de trabajo. Este posicionamiento del sensor de corrientes de Foucault cerca de la abertura es importante porque la pieza de trabajo tiene por lo general irregularidades o está ligeramente flexionada, sobresaliendo así hacia el cabezal láser o alejándose del cabezal láser varios micrómetros; de hecho, son habituales variaciones de hasta 100 y/o 200 ^m -y/o incluso más- entre dos posiciones diferentes de la pieza. Cuando los orificios que se van a formar tienen diámetros del orden de decenas o cientos de micrómetros, incluso cambios leves en la distancia D de unidades o decenas de micrómetros alteran el diámetro de los orificios que se van a formar. Por lo tanto, un sensor de corrientes de Foucault colocado a una distancia de la abertura a través de la que se emite el rayo láser no proporciona mediciones de la distancia entre la boquilla y la pieza de trabajo en una porción de esta última que se está microperforando o se microperforará en breve después, por ejemplo, en 100 milisegundos o menos, y/o en 20 milisegundos o menos, y/o en 1 milisegundo o menos.The arrangement of the eddy current sensor in the nozzle allows the distance D to be measured with respect to a portion of the workpiece that is close to where the laser beam hits or will hit a subsequent microperforation, that is, one of the following holes that will be formed by the laser head in the microdrilling process that is intended to form a plurality of holes along a portion or the entirety of the workpiece. This Positioning the eddy current sensor near the aperture is important because the workpiece usually has irregularities or is slightly flexed, thus protruding toward the laser head or away from the laser head by several micrometers; In fact, variations of up to 100 and/or 200 ^m - and/or even more - are common between two different positions of the piece. When the holes to be formed have diameters on the order of tens or hundreds of micrometers, even slight changes in the distance D of units or tens of micrometers alter the diameter of the holes to be formed. Therefore, an eddy current sensor placed at a distance from the aperture through which the laser beam is emitted does not provide measurements of the distance between the nozzle and the workpiece in a portion of the latter that is being processed. microdrilling or will be microdrilled shortly thereafter, for example, in 100 milliseconds or less, and/or in 20 milliseconds or less, and/or in 1 millisecond or less.

El sensor de corrientes de Foucault está dispuesto en el propio cabezal láser y está dispuesto concéntricamente con la abertura; el sensor de corrientes de Foucault está dispuesto en forma anular. En este sentido, la bobina eléctricamente conductora del sensor puede estar a una distancia de la abertura no mayor de 5,0 mm; esto significa que al menos una porción de la bobina eléctricamente conductora está a una distancia de la abertura no mayor de 5,0 mm. Un diámetro interno de la bobina es dos veces dicha distancia.The eddy current sensor is arranged in the laser head itself and is arranged concentrically with the aperture; The eddy current sensor is arranged in an annular shape. In this sense, the electrically conductive coil of the sensor can be at a distance from the opening no greater than 5.0 mm; This means that at least a portion of the electrically conductive coil is at a distance from the opening no greater than 5.0 mm. An internal diameter of the coil is twice that distance.

El miembro separador puede estar, por ejemplo, fabricado o comprender un material no conductor de electricidad como, pero sin limitarse a, cerámicas, Teflón, etc., y el cable de la bobina puede estar, por ejemplo, pero sin limitación, compuesto o comprender cobre, entre otros materiales. Preferentemente, el material no conductor de electricidad del miembro separador es un material resistente a altas temperaturas.The spacer member may be, for example, made of or comprise a non-electrically conductive material such as, but not limited to, ceramics, Teflon, etc., and the coil wire may be, for example, but not limited to, composed of or understand copper, among other materials. Preferably, the non-electrically conductive material of the spacer member is a high temperature resistant material.

En algunas realizaciones, la bobina eléctricamente conductora tiene un número de vueltas mayor o igual a 50 y menor o igual a 100.In some embodiments, the electrically conductive coil has a number of turns greater than or equal to 50 and less than or equal to 100.

En algunas realizaciones, la distancia D entre la boquilla y la pieza de trabajo es menor o igual a 5,0 mm, preferentemente, menor o igual a 2,0 mm, o incluso menor o igual a 1,5 mm.In some embodiments, the distance D between the nozzle and the workpiece is less than or equal to 5.0 mm, preferably less than or equal to 2.0 mm, or even less than or equal to 1.5 mm.

En este sentido, el sensor de corrientes de Foucault está adaptado para medir la distancia D que es menor o igual a 5,0 mm -o 2,0 mm, o 1,5 mm.- El proceso de microperforación es tal que la boquilla emite el rayo láser hacia la pieza de trabajo cuando está a una distancia D de la superficie de la pieza de trabajo no mayor a 5,0 mm -o 2,0 mm, o 1,5 mm.In this sense, the eddy current sensor is adapted to measure the distance D that is less than or equal to 5.0 mm - or 2.0 mm, or 1.5 mm. - The microperforation process is such that the nozzle emits the laser beam towards the workpiece when it is at a distance D from the surface of the workpiece no more than 5.0 mm -or 2.0 mm, or 1.5 mm.

En algunas realizaciones, la distancia D entre la boquilla y la pieza de trabajo es mayor o igual a 0,1 mm, o incluso mayor o igual a 0,5 mm.In some embodiments, the distance D between the nozzle and the workpiece is greater than or equal to 0.1 mm, or even greater than or equal to 0.5 mm.

En algunas realizaciones, el método comprende, además: proporcionar la distancia D medida a un dispositivo de control de una máquina de microperforación que comprende el cabezal láser; y ajustar una posición del cabezal láser durante el procesamiento, con el dispositivo de control, de la distancia D medida de modo que la distancia entre el cabezal láser y la pieza de trabajo sea un valor de distancia predeterminado.In some embodiments, the method further comprises: providing the measured distance D to a control device of a microdrilling machine comprising the laser head; and adjusting a position of the laser head during processing, with the control device, of the measured distance D so that the distance between the laser head and the workpiece is a predetermined distance value.

El dispositivo de control ordena el movimiento del cabezal láser para que el cabezal láser se acerque o aleje de la pieza de trabajo, de acuerdo tanto con las mediciones del sensor de corrientes de Foucault como con una posición con respecto a un eje lineal -por ejemplo, un eje Z - a lo largo del que se mide la distancia D, de modo que la distancia entre la boquilla y la pieza de trabajo sea igual o sustancialmente igual al valor de distancia predeterminado. Puede existir una diferencia de ± 20 micrómetros o menos, pero en algunos casos hasta ± 40 micrómetros o menos, entre la distancia real y el valor de distancia predeterminado, es decir, la diferencia suele ser igual o inferior al 2,0 % -o igual o inferior al 4,0 % cuando es de ± 40 micrómetros o menos- para, por ejemplo, un valor de distancia predeterminado de 1,0 mm. El valor de distancia predeterminado es el valor de distancia configurado para el proceso de microperforación de modo que todos los orificios deben formarse con la boquilla a tal distancia de la pieza de trabajo, logrando así orificios de diámetros iguales o similares.The control device commands the movement of the laser head so that the laser head moves toward or away from the workpiece, according to both measurements from the eddy current sensor and a position with respect to a linear axis - e.g. , a Z axis - along which the distance D is measured, so that the distance between the nozzle and the workpiece is equal to or substantially equal to the predetermined distance value. There may be a difference of ±20 micrometers or less, but in some cases up to ±40 micrometers or less, between the actual distance and the predetermined distance value, that is, the difference is usually equal to or less than 2.0% -o equal to or less than 4.0% when ± 40 micrometers or less - for, for example, a predetermined distance value of 1.0 mm. The default distance value is the distance value configured for the micro-drilling process so that all holes should be formed with the nozzle at such a distance from the workpiece, thus achieving holes of equal or similar diameters.

Por consiguiente, la diferencia en el tamaño de diámetro entre cualquier par de orificios formados no es mayor a 10 micrómetros, y es preferentemente de 5 micrómetros o menos. En este sentido, la diferencia de diámetro con el diámetro real y el diámetro previsto es de 10 micrómetros o menos.Accordingly, the difference in diameter size between any pair of holes formed is no more than 10 micrometers, and is preferably 5 micrometers or less. In this sense, the diameter difference between the actual diameter and the planned diameter is 10 micrometers or less.

Cuando la pieza de trabajo está dispuesta horizontalmente, el cabezal láser está por encima de la pieza de trabajo durante el proceso de microperforación, por lo tanto, los ajustes de posición se realizan a lo largo de una dirección vertical, lo que da como resultado un movimiento vertical del cabezal láser. Es evidente que cuando hay una disposición diferente tanto de la pieza de trabajo como del cabezal láser, los ajustes de posición y el movimiento no se realizan en dirección vertical sino en una dirección diferente, de modo que el cabezal láser se acerca o aleja de la superficie de la pieza de trabajo. When the workpiece is arranged horizontally, the laser head is above the workpiece during the micro-drilling process, therefore, position adjustments are made along a vertical direction, resulting in a vertical movement of the laser head. It is evident that when there is a different arrangement of both the workpiece and the laser head, the position adjustments and movement are not made in the vertical direction but in a different direction, so that the laser head moves towards or away from the workpiece. surface of the workpiece.

Igualmente, en algunas otras realizaciones, el dispositivo de control puede ordenar el ajuste de la posición de la pieza de trabajo con respecto al cabezal láser de modo que la distancia entre ambos sea el valor de distancia predeterminado; esto, no obstante, es menos preferido puesto que mover la pieza de trabajo es normalmente más complejo dependiendo de las dimensiones y/o la masa de la misma.Likewise, in some other embodiments, the control device may command the adjustment of the position of the workpiece with respect to the laser head so that the distance between the two is the predetermined distance value; This, however, is less preferred since moving the workpiece is usually more complex depending on the dimensions and/or mass of the workpiece.

En algunas realizaciones, la pieza de trabajo comprende o es de titanio. Por ejemplo, pero sin limitación, un panel o panel exterior de un avión tal como, por ejemplo, un borde de ataque de un estabilizador vertical, un estabilizador horizontal, un ala, etc.In some embodiments, the workpiece comprises or is titanium. For example, but not limited to, an exterior panel or panel of an aircraft such as, for example, a leading edge of a vertical stabilizer, a horizontal stabilizer, a wing, etc.

En algunas realizaciones, un rectángulo imaginario con lados tangentes a una sección transversal de la bobina eléctricamente conductora tiene una longitud L perpendicular a una dirección de la abertura, y una altura H paralela a la dirección de la abertura; la longitud L es: 4,0 mm ≤ L ≤ 7,5 mm; y la altura H es: 1,75 mm ≤ H ≤ 3,25 mm. En algunas realizaciones, un espesor T entre el primer y el segundo lados del miembro separador es: 0,25 mm ≤ T ≤ 1,25 mm. En algunas realizaciones, una distancia d entre un eje central de la abertura y la bobina eléctricamente conductora es: 3,0 mm ≤ d ≤ 4,25 mm.In some embodiments, an imaginary rectangle with sides tangent to a cross section of the electrically conductive coil has a length L perpendicular to a direction of the opening, and a height H parallel to the direction of the opening; length L is: 4.0mm ≤ L ≤ 7.5mm; and the height H is: 1.75 mm ≤ H ≤ 3.25 mm. In some embodiments, a thickness T between the first and second sides of the spacer member is: 0.25 mm ≤ T ≤ 1.25 mm. In some embodiments, a distance d between a central axis of the aperture and the electrically conductive coil is: 3.0 mm ≤ d ≤ 4.25 mm.

Las bobinas eléctricamente conductoras de estas características, cuando el diámetro 0 de su alambre esté comprendido entre 0,30 mm y 0,45 mm, permiten medir el cambio de fase de la impedancia para establecer la distancia D con una precisión suficiente para la formación de microorificios que no superan una desviación de, por ejemplo, 10 micrómetros entre sus diámetros de cualquier par de orificios, y/o los orificios se forman en posiciones que no se alejan de las posiciones previstas en más de, por ejemplo, 20 micrómetros -preferentemente menos, por ejemplo, 10 micrómetros, 5 micrómetros o menos.- Para lograrlo, el cabezal láser se moverá de acuerdo con las mediciones de modo que la distancia D pueda mantenerse o mantenerse sustancialmente.Electrically conductive coils of these characteristics, when the diameter 0 of their wire is between 0.30 mm and 0.45 mm, allow the phase change of the impedance to be measured to establish the distance D with sufficient precision for the formation of microholes that do not exceed a deviation of, for example, 10 micrometers between their diameters of any pair of holes, and/or the holes are formed in positions that do not deviate from the intended positions by more than, for example, 20 micrometers - preferably less, for example, 10 micrometers, 5 micrometers or less.- To achieve this, the laser head will move according to the measurements so that the distance D can be substantially maintained or maintained.

En algunas de estas realizaciones, L, H, T y d son los siguientes: 6,5 mm ≤ L ≤ 7,5 mm; 1,75 mm ≤ H ≤ 2,25 mm; 0,75 mm ≤ T ≤ 1,25 mm; y 3,75 mm ≤ d ≤ 4,25 mm. En algunas otras realizaciones, L, H, T y d son los siguientes: 4,0 mm ≤ L ≤ 5,0 mm; 2,75 mm ≤ H ≤ 3,25 mm; 0,25 mm ≤ T ≤ 0,75 mm; y 3,125 mm ≤ d ≤ 3,50 mm.In some of these embodiments, L, H, T and d are as follows: 6.5 mm ≤ L ≤ 7.5 mm; 1.75mm ≤ H ≤ 2.25mm; 0.75mm ≤ T ≤ 1.25mm; and 3.75 mm ≤ d ≤ 4.25 mm. In some other embodiments, L, H, T and d are as follows: 4.0 mm ≤ L ≤ 5.0 mm; 2.75mm ≤ H ≤ 3.25mm; 0.25mm ≤ T ≤ 0.75mm; and 3.125 mm ≤ d ≤ 3.50 mm.

Las bobinas eléctricamente conductoras de estas características, cuando el diámetro 0 de su alambre esté comprendido entre 0,30 mm y 0,45 mm, permiten medir el cambio de la fase de la impedancia para establecer la distancia D con una precisión suficiente para la formación de microorificios que no superan una desviación de 5 micrómetros entre sus diámetros de cualquier par de orificios, y/o los orificios se forman en posiciones que no se alejan de las posiciones previstas en más de, por ejemplo, 15 micrómetros -preferentemente menos, por ejemplo, 10 micrómetros o menos.- Para lograrlo, el cabezal láser se moverá de acuerdo con las mediciones de modo que la distancia D pueda mantenerse o mantenerse sustancialmente.Electrically conductive coils of these characteristics, when the diameter 0 of their wire is between 0.30 mm and 0.45 mm, allow measuring the change in the phase of the impedance to establish the distance D with sufficient precision for the formation of microholes that do not exceed a deviation of 5 micrometers between their diameters of any pair of holes, and/or the holes are formed in positions that do not deviate from the intended positions by more than, for example, 15 micrometers - preferably less, for example , 10 micrometers or less.- To achieve this, the laser head will move according to the measurements so that the distance D can be substantially maintained or maintained.

En algunas realizaciones, el método comprende, además: proporcionar mediciones de codificadores del cabezal láser a un dispositivo de control de la máquina de microperforación, siendo las mediciones indicativas de un movimiento del cabezal láser; y ordenando la salida intermitente del rayo láser, con el dispositivo de control, basándose en las mediciones.In some embodiments, the method further comprises: providing encoder measurements of the laser head to a control device of the microdrilling machine, the measurements being indicative of a movement of the laser head; and commanding the intermittent output of the laser beam, with the control device, based on the measurements.

La microperforación se realiza preferentemente mientras el cabezal láser se está moviendo para reducir el tiempo de procesamiento por pieza de trabajo y, como consecuencia, aumentar la eficacia de la microperforación. Es necesario formar una pluralidad de microorificios en cada pieza de trabajo, y dicha pluralidad puede ser del orden de, por ejemplo, 103 orificios, 105 orificios, 106 orificios, 107 orificios, etc., y la separación entre cada par de microorificios está entre, por ejemplo, 0,1 mm y 1,5 mm, un cabezal láser que se mueve a una velocidad de entre, por ejemplo, 10 mm por minuto y 50 mm por minuto, y una formación de orificios de entre 1 y 500 orificios por segundo, requiere una señal de tiempo muy precisa para formar orificios con una separación constante entre los orificios vecinos.Micro-drilling is preferably performed while the laser head is moving to reduce the processing time per workpiece and consequently increase the efficiency of micro-drilling. It is necessary to form a plurality of micro-holes in each workpiece, and said plurality may be of the order of, for example, 103 holes, 105 holes, 106 holes, 107 holes, etc., and the spacing between each pair of micro-holes is between , for example, 0.1 mm and 1.5 mm, a laser head moving at a speed of between, for example, 10 mm per minute and 50 mm per minute, and a hole formation of between 1 and 500 holes per second, requires a very precise timing signal to form holes with a constant spacing between neighboring holes.

Al utilizar los datos proporcionados por los codificadores, se puede ordenar al cabezal láser que proporcione el rayo láser hacia la pieza de trabajo basándose en la posición del cabezal láser en lugar de basarse o basarse únicamente en una señal de tiempo. La provisión y no provisión del rayo láser se puede ajustar mediante un mecanismo de bloqueo que permite que el rayo láser se emita o no. El rayo láser puede emitirse con una mayor precisión en la separación entre los diferentes orificios.By using the data provided by the encoders, the laser head can be commanded to provide the laser beam toward the workpiece based on the position of the laser head rather than based on or solely based on a timing signal. The provision and non-provision of the laser beam can be adjusted by a locking mechanism that allows the laser beam to be emitted or not. The laser beam can be emitted with greater precision in the separation between the different holes.

Un segundo aspecto de la presente invención se refiere a un cabezal láser, que comprende: una boquilla para emitir un rayo láser a través de un primer extremo de una abertura de la boquilla, siendo el primer extremo un extremo de salida de láser y estando opuesto a un segundo extremo, siendo el segundo extremo un extremo de entrada láser; y un sensor de corrientes de Foucault dispuesto en la boquilla; el sensor de corrientes de Foucault comprende: una bobina eléctricamente conductora a una distancia del eje central de la abertura mayor o igual a 4,0 mm; un miembro separador dispuesto de modo que un primer lado del mismo esté frente a la bobina eléctricamente conductora y un segundo lado del mismo esté frente a una pieza de trabajo cuya distancia con respecto al sensor de corrientes de Foucault se desea medir, estando el segundo lado opuesto al primer lado; y un diámetro 0 de un cable que forma la bobina eléctricamente conductora es: 0,30 mm ≤ 0 ≤ 0,45 mm; y estando el sensor de corrientes de Foucault a ras del primer extremo de la boquilla.A second aspect of the present invention relates to a laser head, comprising: a nozzle for emitting a laser beam through a first end of an opening of the nozzle, the first end being a laser exit end and being opposite to a second end, the second end being a laser input end; and an eddy current sensor disposed in the nozzle; The eddy current sensor comprises: an electrically conductive coil at a distance from the central axis of the aperture greater than or equal to 4.0 mm; a spacer member arranged so that a first side thereof faces the electrically conductive coil and a second side thereof faces the electrically conductive coil is facing a workpiece whose distance from the eddy current sensor is to be measured, the second side being opposite the first side; and a diameter 0 of a wire that forms the electrically conductive coil is: 0.30 mm ≤ 0 ≤ 0.45 mm; and the eddy current sensor being flush with the first end of the nozzle.

El cabezal láser puede ser parte de, por ejemplo, una máquina de microperforación para la formación de orificios, incluyendo orificios pasantes, en la pieza de trabajo. Los orificios se forman con radiación láser que se proporciona de forma intermitente a lo largo de parte o de toda la superficie de la pieza de trabajo, y tienen diámetros inferiores a 1,0 mm. Por consiguiente, la microperforación implica la perforación con láser de pulso único.The laser head may be part of, for example, a microdrilling machine for forming holes, including through holes, in the workpiece. The holes are formed with laser radiation that is provided intermittently along part or all of the surface of the workpiece, and have diameters less than 1.0 mm. Therefore, microdrilling involves single-pulse laser drilling.

El sensor de corrientes de Foucault mide la distancia entre la boquilla y la pieza de trabajo de modo que se pueda determinar si los diámetros de los orificios formados son iguales o sustancialmente iguales para un conjunto dado de parámetros del láser. Las variaciones en esta distancia provocan la modificación en el orificio formado, por ejemplo, su diámetro puede ser mayor o menor. Una fuente de energía que puede ser parte del cabezal láser o de una máquina de microperforación que incluye el cabezal láser proporciona una corriente alterna a la bobina eléctricamente conductora para que la distancia se pueda determinar basándose en las corrientes inducidas en la pieza de trabajo.The eddy current sensor measures the distance between the nozzle and the workpiece so that it can be determined whether the diameters of the holes formed are equal or substantially equal for a given set of laser parameters. Variations in this distance cause modification in the hole formed, for example, its diameter may be larger or smaller. A power source that may be part of the laser head or a microdrilling machine that includes the laser head provides an alternating current to the electrically conductive coil so that the distance can be determined based on currents induced in the workpiece.

Las mediciones se pueden proporcionar a un dispositivo de control de la máquina de microperforación para ajustar una posición del cabezal láser con respecto a la pieza de trabajo, siendo así posible aumentar o reducir la distancia entre los dos, preferentemente para mantener un valor de distancia predeterminado.The measurements can be provided to a control device of the microdrilling machine to adjust a position of the laser head with respect to the workpiece, thus making it possible to increase or reduce the distance between the two, preferably to maintain a predetermined distance value. .

En algunas realizaciones, el sensor de corrientes de Foucault está adaptado para medir una distancia D entre la boquilla y la pieza de trabajo, siendo la distancia D menor o igual a 5,0 mm, y preferentemente menor o igual a 2,5 mm y/o 1,5 mm.In some embodiments, the eddy current sensor is adapted to measure a distance D between the nozzle and the workpiece, the distance D being less than or equal to 5.0 mm, and preferably less than or equal to 2.5 mm and /or 1.5 mm.

En algunas realizaciones, L, H, T y d son los siguientes: 6,5 mm ≤ L ≤ 7,5 mm; 1,75 mm ≤ H ≤ 2,25 mm; 0,75 mm ≤ T ≤ 1,25 mm; y 3,75 mm ≤ d ≤ 4,25 mm. En algunas otras realizaciones, L, H, T y d son los siguientes: 4,0 mm ≤ L ≤ 5,0 mm; 2,75 mm ≤ H ≤ 3,25 mm; 0,25 mm ≤ T ≤ 0,75 mm; y 3,125 mm ≤ d ≤ 3,5 mm.In some embodiments, L, H, T and d are as follows: 6.5 mm ≤ L ≤ 7.5 mm; 1.75mm ≤ H ≤ 2.25mm; 0.75mm ≤ T ≤ 1.25mm; and 3.75 mm ≤ d ≤ 4.25 mm. In some other embodiments, L, H, T and d are as follows: 4.0 mm ≤ L ≤ 5.0 mm; 2.75mm ≤ H ≤ 3.25mm; 0.25mm ≤ T ≤ 0.75mm; and 3.125 mm ≤ d ≤ 3.5 mm.

Ventajas similares a las descritas con referencia al primer aspecto de la invención pueden también ser aplicables al segundo aspecto de la invención.Advantages similar to those described with reference to the first aspect of the invention may also be applicable to the second aspect of the invention.

Un tercer aspecto de la invención se refiere a una máquina de microperforación, que comprende: un cabezal láser de acuerdo con el primer aspecto de la invención; y un dispositivo de control configurado para recibir datos o una señal, desde el sensor de corrientes de Foucault, indicativos de la distancia D medida, y configurado además para ordenar al cabezal láser que se mueva en una dirección paralela a un eje central de la abertura.A third aspect of the invention relates to a microdrilling machine, comprising: a laser head according to the first aspect of the invention; and a control device configured to receive data or a signal, from the eddy current sensor, indicative of the measured distance D, and further configured to command the laser head to move in a direction parallel to a central axis of the aperture .

El dispositivo de control usa las mediciones del sensor de corrientes de Foucault indicativas de la distancia D medida. Las mediciones se pueden proporcionar ya sea en forma de una señal eléctrica a ser procesada digitalmente por el dispositivo de control, o como datos digitales. El dispositivo de control utiliza la información sobre la distancia D para mover el cabezal láser hacia la pieza de trabajo o alejarlo de la pieza de trabajo en la dirección paralela al eje central, que puede ser en la dirección vertical cuando el cabezal láser no está, por ejemplo, desplazado angularmente y la pieza de trabajo debe estar dispuesta debajo del cabezal láser.The control device uses measurements from the eddy current sensor indicative of the measured distance D. Measurements can be provided either in the form of an electrical signal to be digitally processed by the control device, or as digital data. The control device uses the information about the distance D to move the laser head towards the workpiece or away from the workpiece in the direction parallel to the central axis, which can be in the vertical direction when the laser head is not, for example, angularly offset and the workpiece must be arranged below the laser head.

Adicionalmente, el dispositivo de control ordena el movimiento del cabezal láser en otras direcciones que son perpendiculares al eje central de la abertura. Por medio de estos movimientos adicionales, el cabezal láser puede procesar diferentes porciones de la pieza de trabajo sin tener que mover la pieza de trabajo. En algunos casos, tanto el cabezal láser como la pieza de trabajo se mueven uno con respecto al otro de modo que diferentes partes de esta última se pueden microperforar.Additionally, the control device commands the movement of the laser head in other directions that are perpendicular to the central axis of the aperture. Through these additional movements, the laser head can process different portions of the workpiece without having to move the workpiece. In some cases, both the laser head and the workpiece move relative to each other so that different parts of the latter can be microdrilled.

En algunas realizaciones, el cabezal láser comprende, además codificadores indicativos de un movimiento del cabezal láser; y estando el dispositivo de control configurado, además, para ordenar al cabezal láser que emita intermitentemente el rayo láser basándose en las mediciones.In some embodiments, the laser head further comprises encoders indicative of a movement of the laser head; and the control device being further configured to command the laser head to intermittently emit the laser beam based on the measurements.

Ventajas similares a las descritas con referencia al primer y segundo aspectos de la invención pueden también ser aplicables al tercer aspecto de la invención.Advantages similar to those described with reference to the first and second aspects of the invention may also be applicable to the third aspect of the invention.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman parte integral de la descripción e ilustran realizaciones de la invención, lo cual no debería interpretarse como una restricción del alcance de la invención, sino tan solo como ejemplos de cómo puede llevarse a cabo la invención. Los dibujos comprenden las siguientes Figuras:To complete the description and in order to provide a better understanding of the invention, a set of drawings is provided. Said drawings form an integral part of the description and illustrate embodiments of the invention, which should not be construed as a restriction of the scope of the invention, but only as examples of how the invention can be carried out. The drawings include the following Figures:

Las Figuras 1A y 1B muestran un cabezal láser de acuerdo con realizaciones.Figures 1A and 1B show a laser head according to embodiments.

La Figura 2 muestra un gráfico que muestra una relación entre el tiempo de perforación, la posición de la lente y el diámetro del orificio formado.Figure 2 shows a graph showing a relationship between the drilling time, the position of the lens and the diameter of the hole formed.

La Figura 3 muestra esquemáticamente cómo se puede controlar la distancia entre un cabezal láser y una pieza de trabajo en las realizaciones.Figure 3 schematically shows how the distance between a laser head and a workpiece can be controlled in embodiments.

La Figura 4 muestra un gráfico con mediciones de distancia entre un cabezal láser y una pieza de trabajo mientras se tiene control de distancia.Figure 4 shows a graph with distance measurements between a laser head and a workpiece while having distance control.

La Figura 5 muestra un gráfico que compara la distancia entre un cabezal láser y una pieza de trabajo con y sin control de distancia.Figure 5 shows a graph comparing the distance between a laser head and a workpiece with and without distance control.

Las Figuras 6A a 6D, 7A a 7D y 8A a 8D muestran secciones transversales de sensores de corrientes de Foucault de realizaciones junto con gráficos de resistencia, inductancia y fase de las mismas.Figures 6A to 6D, 7A to 7D and 8A to 8D show cross sections of eddy current sensors of embodiments along with resistance, inductance and phase graphs thereof.

DESCRIPCIÓN DE FORMAS DE LLEVAR A CABO LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION

Las Figuras 1A y 1B muestran un cabezal láser 10 para una máquina de microperforación de acuerdo con realizaciones. En la Figura 1A se muestra arriba una sección transversal del cabezal láser 10 -de acuerdo con el eje Z representado- una pieza de trabajo 5 que se va a procesar, y en la Figura 1B se muestra una perspectiva del cabezal láser 10.Figures 1A and 1B show a laser head 10 for a microdrilling machine according to embodiments. A cross section of the laser head 10 - according to the Z axis represented - a workpiece 5 to be processed, and in Figure 1B a perspective of the laser head 10 is shown.

El cabezal láser 10 comprende una boquilla 20 adecuada para la salida de un rayo láser 28 por medio de una abertura 21 del mismo. El rayo láser 28 sale a través de un primer extremo 22 tanto de la boquilla 20 como de la abertura 21, y está acoplado desde una fuente láser a la abertura 21 a través de un segundo extremo 23 de la misma. La boquilla 20 tiene preferentemente una forma adecuada para la salida del rayo láser 28, por ejemplo, una forma troncocónica. La abertura 21 tiene un eje central 25, que se muestra con una línea discontinua solo con fines ilustrativos.The laser head 10 comprises a nozzle 20 suitable for the exit of a laser beam 28 through an opening 21 thereof. The laser beam 28 exits through a first end 22 of both the nozzle 20 and the opening 21, and is coupled from a laser source to the opening 21 through a second end 23 thereof. The nozzle 20 preferably has a shape suitable for the exit of the laser beam 28, for example, a truncated conical shape. The opening 21 has a central axis 25, which is shown with a dashed line for illustrative purposes only.

El cabezal láser 10 comprende también un sensor de corrientes de Foucault 30 dispuesto concéntricamente en la boquilla 20 por medio de un dispositivo de soporte 39. El sensor de corrientes de Foucault 30 mide la distancia D entre el cabezal láser 10 y la pieza de trabajo 5, en este caso dicha distancia D es a lo largo del eje Z representado, pero en su lugar podrían representarse diferentes ejes o el cabezal láser 10 y la pieza de trabajo 5 podrían disponerse de forma diferente, por ejemplo, no verticalmente uno encima del otro, sin embargo, la distancia D es la separación entre el primer extremo 22 y el punto de una superficie de la pieza de trabajo 5 en el que incide el rayo láser 28.The laser head 10 also comprises an eddy current sensor 30 arranged concentrically in the nozzle 20 by means of a support device 39. The eddy current sensor 30 measures the distance D between the laser head 10 and the workpiece 5. , in this case said distance D is along the represented Z axis, but instead different axes could be represented or the laser head 10 and the workpiece 5 could be arranged differently, for example, not vertically on top of each other However, the distance D is the separation between the first end 22 and the point on a surface of the workpiece 5 on which the laser beam 28 falls.

El cabezal láser 10 o una máquina de microperforación que incorpora el mismo se puede mover a lo largo del eje Z representado para colocar el cabezal láser 10 a una distancia de la pieza de trabajo 5, y a lo largo de uno o ambos ejes X e Y representados a fin de procesar diferentes partes de la pieza de trabajo 5. Al emitir intermitentemente el rayo láser 28 mientras se mueve el cabezal láser 10 y/o la máquina a lo largo de los ejes X y/o Y, se puede formar una pluralidad de orificios en la pieza de trabajo 5.The laser head 10 or a microdrilling machine incorporating the same can be moved along the Z axis shown to position the laser head 10 at a distance from the workpiece 5, and along one or both of the X and Y axes. represented in order to process different parts of the workpiece 5. By intermittently emitting the laser beam 28 while moving the laser head 10 and/or the machine along the X and/or Y axes, a plurality can be formed of holes in the workpiece 5.

En algunos casos, la pieza de trabajo 5 se puede mover también en uno o ambos de los ejes X e Y de modo que el desplazamiento relativo entre la pieza de trabajo 5 y el cabezal láser 10 se puede usar para formar los orificios sobre parte o la totalidad de la pieza de trabajo 5; además, en algunos casos, la pieza de trabajo 5 también se puede mover a lo largo del eje Z. Para este fin, la superficie sobre la que descansa la pieza de trabajo 5 puede ser una cinta transportadora o una plataforma móvil capaz de moverse de esta forma.In some cases, the workpiece 5 can also be moved in one or both of the X and Y axes so that the relative displacement between the workpiece 5 and the laser head 10 can be used to form the holes on part or the entire workpiece 5; Furthermore, in some cases, the workpiece 5 can also be moved along the Z axis. For this purpose, the surface on which the workpiece 5 rests may be a conveyor belt or a moving platform capable of moving from this form.

Debido a la disposición del sensor de corrientes de Foucault 30 en la boquilla 20 -y, por tanto, en el cabezal láser 10,- esto es, concéntrico, el sensor de corrientes de Foucault 30 es capaz de medir la distancia D a una porción de la pieza de trabajo 5 en la que es posible que el rayo láser 28 no haya formado orificios todavía independientemente de la dirección de avance del cabezal láser 10. Esto significa que la distancia D se puede medir antes de la formación del orificio en la porción en la que se mide la distancia D.Due to the arrangement of the eddy current sensor 30 in the nozzle 20 - and therefore in the laser head 10 - that is, concentric, the eddy current sensor 30 is capable of measuring the distance D to a portion of the workpiece 5 in which the laser beam 28 may not have formed holes yet regardless of the direction of travel of the laser head 10. This means that the distance D can be measured before of the formation of the hole in the portion in which the distance D is measured.

La Figura 2 muestra un gráfico que muestra una relación entre el tiempo de perforación, la posición de la lente y el diámetro del orificio formado. El diámetro del orificio medido (mostrado con círculos blancos) corresponde al diámetro medio medido para una pluralidad de orificios formados con la posición de lente dada, por ejemplo, el diámetro medio de cincuenta o más orificios formados en esas condiciones. Igualmente, el tiempo de perforación medido (mostrado con círculos negros) corresponde al tiempo de perforación promedio medido para una pluralidad de orificios formados con la posición dada de la lente.Figure 2 shows a graph showing a relationship between the drilling time, the position of the lens and the diameter of the hole formed. The measured hole diameter (shown with white circles) corresponds to the average diameter measured for a plurality of holes formed with the given lens position, for example, the average diameter of fifty or more holes formed under those conditions. Likewise, the measured drilling time (shown with black circles) corresponds to the average drilling time measured for a plurality of holes formed with the given position of the lens.

La Figura 3 muestra esquemáticamente cómo se puede controlar la distancia entre un cabezal láser 10 y una pieza de trabajo en las realizaciones.Figure 3 schematically shows how the distance between a laser head 10 and a workpiece can be controlled in embodiments.

El cabezal láser 10 tiene codificadores mediante los que se puede establecer una posición del mismo. De uno de los codificadores, las mediciones de posición 15 del cabezal láser 10 a lo largo de una dimensión definen una distancia D (por ejemplo, la dimensión a lo largo del eje Z como se ilustra en, por ejemplo, las Figuras 6A, 7A y 8A). El sensor de corrientes de Foucault 30 proporciona mediciones 35 de la distancia D entre el cabezal láser 10 y la pieza de trabajo midiendo la variación en la fase de la impedancia.The laser head 10 has encoders by which a position thereof can be established. From one of the encoders, position measurements 15 of the laser head 10 along a dimension define a distance D (e.g., the dimension along the Z axis as illustrated in, for example, Figures 6A, 7A and 8A). The eddy current sensor 30 provides measurements 35 of the distance D between the laser head 10 and the workpiece by measuring the variation in the phase of the impedance.

Tanto las mediciones de posición 15 como las mediciones 35 se proporcionan a un dispositivo de control 70 del cabezal láser 10 o a la máquina de microperforación que incluye el cabezal láser 10, en particular, a un programa informático 71 para controlar la distancia entre el cabezal láser 10 y la pieza de trabajo. Basándose en las mediciones 35 y las mediciones de posición 15, el programa informático 71 determina digitalmente si es necesaria alguna corrección 72 en la posición del cabezal láser 10 de modo que la distancia entre el cabezal láser 10 y la pieza de trabajo sea igual o sustancialmente igual a un valor de distancia predeterminado -por ejemplo, el valor mostrado en la Figura 4.- El dispositivo de control 70 ordena la corrección 72 de los ejes del cabezal láser 10 o de la máquina de microperforación para moverlo, haciendo así que el cabezal láser 10 esté al valor de distancia predeterminado con respeto a la pieza de trabajo. La corrección 72 está destinada a mover el cabezal láser 10 de modo que las mediciones de posición posteriores 15 sean iguales o sustancialmente iguales a dicho valor de distancia predeterminado, y la corrección 72 se puede calcular como sigue:Both the position measurements 15 and the measurements 35 are provided to a control device 70 of the laser head 10 or to the microdrilling machine including the laser head 10, in particular, to a computer program 71 for controlling the distance between the laser head 10 and the workpiece. Based on the measurements 35 and the position measurements 15, the computer program 71 digitally determines whether any correction 72 is necessary in the position of the laser head 10 so that the distance between the laser head 10 and the workpiece is equal or substantially equal. equal to a predetermined distance value - for example, the value shown in Figure 4. - The control device 70 commands the correction 72 of the axes of the laser head 10 or the microdrilling machine to move it, thus making the head laser 10 is at the predetermined distance value from the workpiece. The correction 72 is intended to move the laser head 10 so that subsequent position measurements 15 are equal or substantially equal to said predetermined distance value, and the correction 72 can be calculated as go on:

Donde habs es la altura absoluta del cabezal láser 10, heddy es la distancia D medida por el sensor de corrientes de Foucault 30, en concreto, las mediciones 35, Ahy es la diferencia entre las mediciones de posición 15 y las mediciones de posición 15 al comienzo del proceso de láser -porque los codificadores proporcionan valores de posición absolutos,- h*offset Es la corrección 72 necesaria para mover el cabezal láser 10 de modo que la distancia del mismo con respecto a la pieza de trabajo sea igual a hsetpoint -es decir, valor de distancia predeterminado.- Aunque este ejemplo se refiere a las alturas correspondientes a una realización como la de las Figuras 1A y 1B, en la que el cabezal láser 10 está por encima de la pieza de trabajo 5 en una dirección vertical, es evidente que con otras disposiciones de cabezales láser 10 y piezas de trabajo o con definiciones de ejes alternativas, se pueden hacer los mismos cálculos con otros valores de distancia.Where habs is the absolute height of the laser head 10, heddy is the distance D measured by the eddy current sensor 30, specifically, measurements 35, Ahy is the difference between position measurements 15 and position measurements 15 at beginning of the laser process -because the encoders provide absolute position values,- h*offset is the correction 72 necessary to move the laser head 10 so that the distance thereof with respect to the workpiece is equal to hsetpoint -es that is, predetermined distance value.- Although this example refers to the heights corresponding to an embodiment such as that of Figures 1A and 1B, in which the laser head 10 is above the workpiece 5 in a vertical direction, It is evident that with other arrangements of laser heads 10 and workpieces or with alternative axis definitions, the same calculations can be made with other distance values.

Las mediciones 35 se pueden proporcionar al dispositivo de control 70 de forma analógica, y el dispositivo de control 70 las digitaliza y determina digitalmente la distancia procesando la variación de fase de la impedancia medida, o el sensor de corrientes de Foucault 30 puede incluir un convertidor digital para proporcionar las mediciones en forma digital, o incluso el sensor 30 puede incluir una unidad de procesamiento configurada para determinar la distancia indicada y proporcionar datos de dicha distancia al dispositivo de control 70.The measurements 35 may be provided to the control device 70 in analog form, and the control device 70 digitizes them and digitally determines the distance by processing the phase variation of the measured impedance, or the eddy current sensor 30 may include a converter. digital to provide the measurements in digital form, or even the sensor 30 may include a processing unit configured to determine the indicated distance and provide data of said distance to the control device 70.

Tal y como se ha descrito con referencia a la figura 3, un cabezal láser se puede mover en función de las mediciones del sensor de corrientes de Foucault, más particularmente, moverse de acuerdo con correcciones calculadas de acuerdo con dichas mediciones. En este ejemplo, un valor de distancia predeterminado se establece en 1000 ^m (mostrado con una línea discontinua). Al controlar la distancia entre el cabezal láser y la pieza de trabajo teniendo en cuenta las mediciones del sensor de corrientes de Foucault, la distancia entre los dos (mostrada con una línea continua) no va más allá de ±25 ^m -como se representa en el eje Y - cuando hay un movimiento relativo entre el cabezal láser y la pieza de trabajo -e l cabezal láser y/o la máquina de microperforación se ha movido una cierta distancia para procesar diferentes partes de la pieza de trabajo, o la pieza de trabajo se ha movido una cierta distancia para procesar diferentes partes de la misma. La construcción del cabezal láser y de la máquina de microperforación establecerá la distancia máxima alcanzable en dicho movimiento relativo entre el cabezal láser y la pieza de trabajo, por ejemplo, una distancia máxima de 2000 mm.-As described with reference to Figure 3, a laser head can be moved based on measurements from the eddy current sensor, more particularly, moved in accordance with corrections calculated in accordance with said measurements. In this example, a default distance value is set to 1000 ^m (shown with a dashed line). By controlling the distance between the laser head and the workpiece taking into account measurements from the eddy current sensor, the distance between the two (shown with a solid line) does not go beyond ±25 ^m - as depicted in the Y axis - when there is a relative movement between the laser head and the workpiece - the laser head and/or the microdrilling machine has moved a certain distance to process different parts of the workpiece, or the workpiece has moved a certain distance to process different parts of it. The construction of the laser head and the microdrilling machine will establish the maximum distance achievable in said relative movement between the laser head and the workpiece, for example, a maximum distance of 2000 mm.-

En la Figura 5 se muestra un gráfico que compara la distancia entre un cabezal láser y una pieza de trabajo con y sin control de distancia. Cuando se realizan correcciones para el control de la distancia (se muestra con una línea continua), la distancia entre el cabezal láser y la pieza de trabajo no supera los ±20 ^m con respecto a un valor de distancia predeterminado de 1000 ^m. Sin dicho control de distancia (mostrado con una línea discontinua), debido a las tolerancias de la pieza de trabajo y la posible flexión a lo largo de la superficie de la misma, habrá una diferencia de más de 150 ^m entre dos partes diferentes de la pieza de trabajo separadas 120 mm.A graph comparing the distance between a laser head and a workpiece with and without distance control is shown in Figure 5. When corrections are made for distance control (shown as a solid line), the distance between the laser head and the workpiece does not exceed ±20 ^m with respect to a default distance value of 1000 ^m. Without such distance control (shown with a dashed line), due to workpiece tolerances and possible bending along the surface of the workpiece, there will be a difference of more than 150 ^m between two different parts of the workpiece. the workpiece separated 120 mm.

La Figura 6A muestra una sección transversal de un sensor de corrientes de Foucault 30a de las realizaciones. Las figuras 6B, 6C y 6D son gráficos que representan respectivamente una resistencia, una inductancia y una fase de una impedancia del sensor 30a a 1 MHz frente a la distancia D.Figure 6A shows a cross section of an eddy current sensor 30a of the embodiments. Figures 6B, 6C and 6D are graphs respectively representing a resistance, an inductance and a phase of a sensor impedance 30a at 1 MHz versus distance D.

El sensor 30a está dispuesto en una parte exterior de una boquilla 20 y está montado a ras del primer extremo 22 y es concéntrico a la boquilla 20, más particularmente, concéntrico al eje central 25. El sensor 30a incluye un alambre eléctricamente conductor que forma una bobina eléctricamente conductora 31, y un miembro separador 32 dispuesto de forma que un primer lado 33 del mismo esté frente a la bobina 31 y un segundo lado 34 del mismo esté frente a la pieza de trabajo 5 cuya distancia D con respecto al sensor de corrientes de Foucault se desea medir. Por consiguiente, una porción del miembro separador 32 está interpuesta entre la bobina 31 y la pieza de trabajo 5, y el segundo lado 34 del miembro separador 32 está a ras del primer extremo 22. Dicha porción tiene un espesor T de 0,5 mm. Otra porción del miembro separador 32 separa la bobina 31 de la boquilla 20, y es tal que hay una distancia d que varía entre 3,10 mm y 3,30 mm entre el eje central 25 de la boquilla 20 y la bobina 31.The sensor 30a is disposed on an outer portion of a nozzle 20 and is mounted flush with the first end 22 and is concentric to the nozzle 20, more particularly, concentric to the central axis 25. The sensor 30a includes an electrically conductive wire that forms a electrically conductive coil 31, and a separator member 32 arranged so that a first side 33 thereof faces the coil 31 and a second side 34 thereof faces the workpiece 5 whose distance D with respect to the current sensor of Foucault you want to measure. Accordingly, a portion of the spacer member 32 is interposed between the coil 31 and the workpiece 5, and the second side 34 of the spacer member 32 is flush with the first end 22. Said portion has a thickness T of 0.5 mm. . Another portion of the spacer member 32 separates the coil 31 from the nozzle 20, and is such that there is a distance d varying between 3.10 mm and 3.30 mm between the central axis 25 of the nozzle 20 and the coil 31.

El alambre eléctricamente conductor de la bobina 31 tiene un diámetro 0 de 0,35 mm y tiene 79 vueltas. Se puede proporcionar virtualmente un rectángulo imaginario para la caracterización tanto de la bobina 31 como del sensor de corrientes de Foucault 30a. Dicho rectángulo circunscribe la bobina 31 con lados tangentes a la bobina, siendo de ese modo el rectángulo mínimo que abarca la bobina 31 de acuerdo con la sección transversal respectiva. The electrically conductive wire of coil 31 has a diameter of 0.35 mm and has 79 turns. An imaginary rectangle can be provided virtually for the characterization of both the coil 31 and the eddy current sensor 30a. Said rectangle circumscribes the coil 31 with sides tangent to the coil, thus being the minimum rectangle that encompasses the coil 31 according to the respective cross section.

Para la provisión del rectángulo imaginario, la sección transversal de la bobina 31 es tal que su plano contiene completamente el eje central 25 de la boquilla 20; también, el rectángulo imaginario para la caracterización de la bobina 31 es preferentemente el rectángulo previsto para la sección transversal de la bobina 31, lo que da como resultado el rectángulo más grande de todas las posibles secciones transversales de la bobina 31 -las secciones transversales cumplen el requisito del plano que contiene el eje central 25,- por tanto, la sección transversal más grande de la bobina 31 con respecto a cualquier ángulo de 360°. El rectángulo tiene una longitud L de 4,2 mm y una altura H de 3,0 mm como se ilustra. La distancia d antes mencionada se mide con respecto al borde del rectángulo más cercano al eje central 25.For the provision of the imaginary rectangle, the cross section of the coil 31 is such that its plane completely contains the central axis 25 of the nozzle 20; Also, the imaginary rectangle for the characterization of the coil 31 is preferably the rectangle provided for the cross section of the coil 31, which results in the largest rectangle of all possible cross sections of the coil 31 - the cross sections meet the requirement of the plane containing the central axis 25, - therefore, the largest cross section of the coil 31 with respect to any 360° angle. The rectangle has a length L of 4.2 mm and a height H of 3.0 mm as illustrated. The aforementioned distance d is measured with respect to the edge of the rectangle closest to the central axis 25.

Como se puede apreciar en la Figura y debido a la disposición concéntrica del sensor, Un diámetro interno de la bobina eléctricamente conductora 31 es dos veces la distancia d y un diámetro externo de las bobinas es dos veces la suma de la distancia d y la longitud L.As can be seen in the Figure and due to the concentric arrangement of the sensor, An internal diameter of the electrically conductive coil 31 is twice the distance d and an external diameter of the coils is twice the sum of the distance d and the length L.

El sensor 30a es capaz de medir la distancia D de hasta 2,0 mm cuando una corriente alterna fluye a través del alambre -y, por tanto, a través de la bobina 31- de modo que se induzcan corrientes en la pieza de trabajo 5. La fase de la impedancia, tal y como se muestra en la Figura 6D, es sustancialmente lineal y aumenta a medida que aumenta la distancia D.The sensor 30a is capable of measuring the distance D of up to 2.0 mm when an alternating current flows through the wire - and therefore through the coil 31 - so that currents are induced in the workpiece 5 The phase of the impedance, as shown in Figure 6D, is substantially linear and increases as the distance D increases.

La Figura 7A muestra una sección transversal de un sensor de corrientes de Foucault 30b de las realizaciones, y las Figuras 7B a 7D son gráficos como los de las Figuras 6B a 6D, pero para el sensor 30b.Figure 7A shows a cross section of an eddy current sensor 30b of the embodiments, and Figures 7B to 7D are graphs like those of Figures 6B to 6D, but for the sensor 30b.

El sensor 30b está dispuesto en la boquilla 20 de la misma forma que el sensor 30a de la Figura 6A.Sensor 30b is arranged in nozzle 20 in the same manner as sensor 30a of Figure 6A.

En estas realizaciones, la longitud L del rectángulo es de 4,4 mm, la altura H del rectángulo es 3,0 mm, y el número de vueltas de la bobina 31 es 82, cuyo diámetro 0 es 0,35 mm. El espesor T es de 0,5 mm. La distancia d está entre 3,10 mm y 3,30 mm. El sensor 30b es capaz de medir la distancia D de hasta 2,0 mm.In these embodiments, the length L of the rectangle is 4.4 mm, the height H of the rectangle is 3.0 mm, and the number of turns of the coil 31 is 82, whose diameter 0 is 0.35 mm. The thickness T is 0.5 mm. The distance d is between 3.10 mm and 3.30 mm. The 30b sensor is capable of measuring distance D up to 2.0 mm.

La Figura 8A muestra una sección transversal de un sensor de corrientes de Foucault 30c de las realizaciones, y las Figuras 8B a 8D son gráficos como los de las Figuras 6B a 6D, pero para el sensor 30c. Figure 8A shows a cross section of an eddy current sensor 30c of the embodiments, and Figures 8B to 8D are graphs like those of Figures 6B to 6D, but for the sensor 30c.

El sensor 30c está dispuesto en la boquilla 20 de la misma forma que los sensores 30a y 30b de las Figuras 6A y 7A, respectivamente.Sensor 30c is arranged in nozzle 20 in the same manner as sensors 30a and 30b of Figures 6A and 7A, respectively.

En estas realizaciones, el sensor 30c tiene un rectángulo separado del eje central 25 a una distancia d de 4,0 mm. La longitud L y la altura H del rectángulo son 7,0 mm y 2,0 mm, respectivamente. El espesor T entre el primer y segundo lados 33, 34 del miembro separador 32 es de 1,0 mm. El alambre de la bobina 31 tiene un diámetro 0 de 0,4 mm y la bobina 31 tiene 67 vueltas. El sensor 30b es capaz de medir la distancia D de hasta 2,0 mm.In these embodiments, the sensor 30c has a rectangle spaced from the central axis 25 at a distance d of 4.0 mm. The length L and height H of the rectangle are 7.0 mm and 2.0 mm, respectively. The thickness T between the first and second sides 33, 34 of the spacer member 32 is 1.0 mm. The wire in coil 31 has a diameter of 0.4 mm and coil 31 has 67 turns. The 30b sensor is capable of measuring distance D up to 2.0 mm.

La fase de la impedancia a 1 MHz es, una vez más, sustancialmente lineal, haciendo así posible medir la distancia D con mayor precisión que muchos sensores de corrientes de Foucault de la técnica anterior.The phase of the impedance at 1 MHz is, again, substantially linear, thus making it possible to measure the distance D more accurately than many prior art eddy current sensors.

En el presente texto, los términos primer, segundo, tercer, etc. se han utilizado en el presente documento para describir varios dispositivos, elementos o parámetros, se entenderá que los dispositivos, elementos o parámetros no deben estar limitados por estos términos, ya que los términos solo se usan para distinguir un dispositivo, elemento o parámetro de otro. Por ejemplo, el primer lado también podría llamarse segundo lado, y el segundo lado podría llamarse primer lado sin desviarse del alcance de esta divulgación.In this text, the terms first, second, third, etc. have been used herein to describe various devices, elements or parameters, it will be understood that the devices, elements or parameters should not be limited by these terms, as the terms are only used to distinguish one device, element or parameter from another . For example, the first side could also be called the second side, and the second side could be called the first side without departing from the scope of this disclosure.

En el presente texto, el término "comprende" y sus derivados (como "que comprende", etc.) no deberían entenderse en un sentido excluyente, es decir, no deberían interpretarse estos términos como que excluyen la posibilidad de que lo descrito y definido pueda incluir elementos, etapas adicionales, etc.In this text, the term "comprises" and its derivatives (such as "comprising", etc.) should not be understood in an exclusive sense, that is, these terms should not be interpreted as excluding the possibility that what is described and defined may include elements, additional stages, etc.

Por otro lado, la presente invención, obviamente, no se limita a la realización o realizaciones específicas descritas en el presente documento, sino que también abarca cualquier variación que cualquier experto en la materia pueda considerar (por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro del alcance general de la invención, como se define en las reivindicaciones. On the other hand, the present invention is obviously not limited to the specific embodiment or embodiments described herein, but also encompasses any variations that any person skilled in the art may consider (for example, regarding the choice of materials , dimensions, components, configuration, etc.), within the general scope of the invention, as defined in the claims.

Claims

1. A method for the single pulse microdrilling process with a laser head (10), comprising: arranging an eddy current sensor (30) in a nozzle (20) of the laser head (10), the nozzle being ( 20) to emit a laser beam (28) through a first end (22) of an opening (21) of the nozzle (20), the first end (22) being both a laser exit end and opposite to a second end (23), the second end (23) being a laser input end; microdrilling a workpiece (5) by intermittently emitting the laser beam (28) while the laser head (10) moves and while the nozzle (20) is separated from the workpiece (5) at a distance D; characterized by: measuring the distance D between the laser head (10) and the workpiece (5) with the eddy current sensor (30) while moving the laser head (10); the eddy current sensor (30) comprising: an electrically conductive coil (31) at a distance from the central axis (25) of the opening (21) greater than or equal to 4.0 mm, and less than or equal to 10.0 mm; a spacer member (32) arranged in such a way that a first side (33) thereof is facing the electrically conductive coil (31) and a second side (34) thereof is facing the workpiece (5) whose distance with respect to the eddy current sensor (30) it is to be measured, the second side (34) being opposite to the first side (33); and a diameter 0 of a wire that forms the electrically conductive coil (31) is: 0.30 mm ≤ 0 ≤ 0.45 mm; the eddy current sensor (30) being flush with the first end (22) of the nozzle (20); and the eddy current sensor (30) being arranged concentric to the nozzle (20).

2. The method of claim 1, wherein the distance D between the nozzle (20) and the workpiece (5) is less than or equal to 5.0 mm.

3. The method of any one of the preceding claims, wherein the electrically conductive coil (31) has a number of turns greater than or equal to 50 and less than or equal to 100.

4. The method of any one of the preceding claims, further comprising: providing the measured distance D to a control device (70) of a microdrilling machine comprising the laser head (10); and adjusting a position of the laser head (10) during processing, with the control device (70), the measured distance D so that the distance between the laser head (10) and the workpiece (5) is a value of default distance.

5. The method of any one of the preceding claims, further comprising: providing encoder measurements of the laser head (10) to a control device (70) of a microdrilling machine comprising the laser head (10), being measurements indicative of a movement of the laser head (10); and command the intermittent output of the laser beam (28), with the control device (70), based on the measurements.

6. A laser head (10), comprising: a nozzle (20) for emitting a laser beam (28) through a first end (22) of an opening (21) of the nozzle (20), the first being end (22) a laser output end and being opposite a second end (23), the second end (23) being a laser input end; and an eddy current sensor (30) arranged in the nozzle (20); characterized in that the eddy current sensor (30) comprises: an electrically conductive coil (31) at a distance from the central axis (25) of the opening (21) greater than or equal to 4.0 mm; a separator member (32) arranged in such a way that a first side (33) thereof is facing the electrically conductive coil (31) and a second side (34) thereof is facing a workpiece (5) whose distance with respect to the eddy current sensor (30) it is to be measured, the second side (34) being opposite to the first side (33); and a diameter 0 of a wire that forms the electrically conductive coil (31) is: 0.30 mm ≤ 0 ≤ 0.45 mm; the eddy current sensor (30) being flush with the first end (22) of the nozzle (20); and the eddy current sensor (30) being arranged concentric to the nozzle (20).

7. The laser head (10) of claim 6, wherein the electrically conductive coil (31) has a number of turns greater than or equal to 50 and less than or equal to 100.

8. A microdrilling machine, comprising: a laser head (10) according to any one of claims 6-7; and a control device (70) configured to receive data or a signal, from the eddy current sensor (30), indicative of the measured distance D, and further configured to command the laser head (10) to move in a direction parallel to a central axis (25) of the opening (21).

9. The microdrilling machine of claim 8, wherein the laser head (10) further comprises encoders indicative of a movement of the laser head (10); and the control device (70) being further configured to command the laser head to intermittently emit the laser beam (28) based on the measurements.