ES2949650T3 - Sistema óptico combinado para mediciones dimensionales y térmicas, y procedimiento de funcionamiento del mismo - Google Patents

Sistema óptico combinado para mediciones dimensionales y térmicas, y procedimiento de funcionamiento del mismo Download PDF

Info

Publication number
ES2949650T3
ES2949650T3 ES21166137T ES21166137T ES2949650T3 ES 2949650 T3 ES2949650 T3 ES 2949650T3 ES 21166137 T ES21166137 T ES 21166137T ES 21166137 T ES21166137 T ES 21166137T ES 2949650 T3 ES2949650 T3 ES 2949650T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
optical
radiation
optical probe
scattered
probe radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES21166137T
Other languages
English (en)
Inventor
Simone Donadello
Barbara Previtali
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Adige SpA
Original Assignee
Adige SpA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Adige SpA filed Critical Adige SpA
Application granted granted Critical
Publication of ES2949650T3 publication Critical patent/ES2949650T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/0275—Control or determination of height or distance or angle information for sensors or receivers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/034—Observing the temperature of the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046—Automatically focusing the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046—Automatically focusing the laser beam
    • B23K26/048—Automatically focusing the laser beam by controlling the distance between laser head and workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0801—Means for wavelength selection or discrimination
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0896—Optical arrangements using a light source, e.g. for illuminating a surface
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/80—Calibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0003—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiant heat transfer of samples, e.g. emittance meter
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0806—Focusing or collimating elements, e.g. lenses or concave mirrors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0846—Optical arrangements having multiple detectors for performing different types of detection, e.g. using radiometry and reflectometry channels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/60—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Se describe un sistema óptico combinado para determinar la temperatura de la superficie de un objeto o material y su distancia con respecto a un punto de referencia predeterminado asociado con el sistema, que comprende una fuente de radiación óptica adaptada para emitir al menos una radiación de sonda óptica a una longitud de onda predeterminada o en un rango de longitud de onda predeterminado, una unidad de control de fuente dispuesta para controlar alternativamente la conmutación de la fuente desde una condición operativa, en la que emite una radiación de sonda óptica, a una condición inoperativa, en la que no emite la sonda óptica radiación, detectores ópticos adaptados para adquirir al menos una radiación óptica dispersa y una radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie del objeto o material,y una unidad de procesamiento sincronizada con la unidad de control y dispuesta para determinar la distancia de la superficie del objeto o del material en base a la radiación de la sonda óptica dispersada desde la superficie del objeto o material y recibida por los detectores cuando la fuente está operativa y para determinar la temperatura local de la superficie del objeto o material en base a la radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie del objeto o material recibida por los detectores cuando la fuente está inoperativa. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema óptico combinado para mediciones dimensionales y térmicas, y procedimiento de funcionamiento del mismo
La presente invención se refiere, en general, a mediciones ópticas y, en particular, a mediciones ópticas de objetos o materiales sometidos a procedimientos de fabricación industrial. Más específicamente, la invención se refiere a un sistema óptico combinado y a un procedimiento para determinar la temperatura de la superficie de un objeto o material y su distancia, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y de la reivindicación 18, respectivamente.
De acuerdo con otro aspecto, la presente invención se refiere a una máquina para el procesamiento por láser de una pieza de trabajo o material, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 19.
En la siguiente descripción y reivindicaciones, el término "objeto" significa un producto acabado que se mide o una pieza de trabajo que se procesa. En la aplicación a las máquinas herramienta y, en particular, a máquinas de procesamiento por láser, se usa "pieza de trabajo" y, en el modo de realización preferente, "pieza de trabajo de metal", para identificar cualquier artículo fabricado, tal como una lámina o un perfil alargado que tenga, sin distinción, una sección transversal cerrada, por ejemplo, circular, rectangular o cuadrada hueca, o una sección transversal abierta, por ejemplo, una sección plana o una sección conformada en L, C o U, etc. El término "material" o "material precursor", en la fabricación aditiva, identifica la materia prima, en general, en forma pulverulenta, sometida a fusión o sinterización localizada por medio del haz de láser.
En los procedimientos industriales es común que una herramienta de procesamiento se acerque a un objeto, sin entrar en contacto con él, o a un material, para procesar dicho objeto o material a distancia, por ejemplo, al emitir radiación o fluidos de trabajo. También se sabe que un instrumento de medición se acerca a una pieza de trabajo o a un material que se procesa durante el procedimiento de fabricación de un producto, o incluso al producto acabado, para detectar algunos rasgos característicos geométricas o propiedades físicas durante la suspensión, el transcurso o el final de un procedimiento de fabricación.
Puramente a modo de ejemplo de un procedimiento de fabricación industrial, en el procesamiento por láser de materiales, y de perfiles y láminas metálicas, en particular, se usa radiación láser como herramienta térmica para una amplia variedad de aplicaciones que dependen de los parámetros de interacción del haz de láser con la pieza de trabajo, específicamente la densidad de energía por volumen de incidencia del haz de láser en la pieza de trabajo, y el intervalo de tiempo de interacción.
La diferencia entre los diferentes tipos de procesamiento que se pueden llevar a cabo en un material es atribuible sustancialmente a la potencia del haz de láser usado y al tiempo de interacción entre el haz de láser y el material que se procesa. Por ejemplo, al dirigir una baja densidad de energía (del orden de decenas de W por mm2 de superficie) durante un tiempo prolongado (del orden de segundos) sobre un material metálico, se lleva a cabo un procedimiento de endurecimiento, mientras que al dirigir una alta densidad de energía (del orden de decenas de MW por mm2 de superficie) durante un tiempo del orden de femtosegundos o picosegundos sobre el mismo material metálico, se lleva a cabo un procedimiento de fotoablación. En el intervalo intermedio de densidad de energía creciente y tiempo de procesamiento decreciente, el control de estos parámetros permite llevar a cabo procedimientos de soldadura, corte, perforación, grabado y marcado. Estos procedimientos tienen lugar al emitir el haz de láser desde un cabezal de trabajo que funciona lejos de la pieza de trabajo sometida al procedimiento.
En los procedimientos aditivos, el material se puede introducir, por ejemplo, en forma de filamento, en forma de polvo emitido desde una boquilla, o, de forma alternativa, puede estar presente en forma de lecho pulverulento. A continuación, el material se funde por radiación láser, obteniendo una impresión tridimensional tras la resolidificación de dicho material.
En el campo del procesamiento por láser de materiales, una herramienta de procesamiento transportada por una máquina está adaptada para generar un haz de láser enfocado de alta potencia que tiene una distribución de potencia transversal preestablecida en al menos un plano de procesamiento del material y para controlar la dirección y la posición de incidencia del haz a lo largo del material, así como para controlar, cuando sea necesario, la dirección de un flujo de gas de asistencia que tiene funciones de propulsión mecánica sobre el material fundido, o funciones químicas para asistir a la combustión, o incluso funciones tecnológicas para proteger la región de procesamiento del entorno circundante.
En los procedimientos industriales en los que una herramienta de procesamiento se acerca a un objeto o material, los resultados del procesamiento dependen de la distancia correcta entre la herramienta de procesamiento y el objeto o el material y de la potencia del haz de láser de procesamiento. Por ejemplo, en el procesamiento por láser de un material, y específicamente en el control del procesamiento por láser de un material metálico para el corte, taladrado o soldadura por láser de dicho material, o la fabricación aditiva de estructuras predeterminadas comenzando a partir de un material precursor en polvo, es importante para que la herramienta de procesamiento se mantenga a una distancia controlada desde la pieza de trabajo o material y para que la potencia del haz de láser enfocado en la superficie de trabajo se controle en el intervalo de energía adecuado para obtener el tipo de procesamiento deseado.
La distancia de la herramienta de procesamiento del material de procesamiento se puede medir por medio de sondas o sensores de medición, por ejemplo, escáneres láser de tiempo de vuelo, trianguladores láser, interferómetros.
La potencia del haz de láser de procesamiento que incide sobre la superficie de la pieza de trabajo o material calienta dicha pieza de trabajo o material y, en consecuencia, provoca la emisión de radiación óptica en la banda térmica (infrarroja o visible) debida a la temperatura de procesamiento alcanzada por la pieza de trabajo o material en estado fundido, que también se mantiene durante un determinado tiempo (típicamente entre una décima de segundo y unos pocos segundos) cuando se apaga el haz de láser de procesamiento. Por lo tanto, es posible adquirir información sobre la temperatura de la pieza de trabajo o material que se procesa, e indirectamente sobre la potencia del haz de láser de procesamiento, a través de la radiación óptica emitida térmicamente por la superficie de la pieza de trabajo o material, por ejemplo, por medio de pirómetros (termómetros de radiación), o mejor, pirómetros bicolores que permiten determinar la temperatura de un cuerpo sólido o fundido sin conocer su emisividad.
De forma ventajosa, realizar estas mediciones, ambas esenciales para controlar el procedimiento industrial, implica el uso de dos dispositivos diferentes, pudiendo no ser compatibles sus dimensiones con los espacios disponibles en una herramienta de procesamiento o en la proximidad de la misma, por ejemplo, para la integración con un cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento por láser de una pieza de trabajo o material. Esto conlleva además un alto coste y complejidad para el sistema que incluye diferentes dispositivos.
El documento US2020/038954A1 divulga un sistema óptico combinado y procedimiento para determinar la temperatura de la superficie de un objeto o material y su distancia desde un punto de referencia predeterminado asociado con dicho sistema. Otra técnica anterior pertinente está representada por los documentos BE1025565A1, XP055452091, EP2388573A2 y XP085500749.
El objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema óptico para determinar la temperatura y distancia de una superficie de dispersión, tal como la superficie de un objeto o material, con respecto a un punto de referencia predeterminado asociado con el sistema, que se puede fabricar con un número reducido de componentes y, por lo tanto, se puede integrar fácilmente en una herramienta de procesamiento de una máquina de fabricación industrial, tal como, por ejemplo, una máquina para el procesamiento por láser de una pieza de trabajo o material, sin comprometer la exactitud de la medición.
Otro objetivo de la invención es proporcionar un sistema óptico de este tipo para la determinación sustancialmente simultánea de la temperatura y distancia de la superficie de un objeto o material.
Otro objetivo de la invención es llevar a cabo una medición térmica sin añadir complejidad a un aparato de medición de distancia.
Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema óptico de este tipo para determinar la temperatura de la superficie de un objeto o material y su distancia, que se pueda instalar fácilmente en una máquina de fabricación industrial preexistente.
Todavía otro objetivo de la invención es proporcionar un sistema de medición óptico combinado adaptado para instalarse en un cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento por láser de una pieza de trabajo o material en alineación con el haz de láser de procesamiento para permitir la ejecución de una medición coaxial de la distancia que separa el cabezal de trabajo y la superficie de la pieza de trabajo o material y la temperatura del material fundido localmente en el área que se procesa actualmente por el haz de láser.
De acuerdo con la presente invención, estos objetivos se logran por un sistema óptico combinado que tiene los rasgos característicos reivindicados en la reivindicación 1.
Modos de realización particulares forman la materia objeto de las reivindicaciones dependientes, debiéndose entender su contenido como parte integrante de esta descripción.
La invención también se refiere a un procedimiento para determinar la temperatura de la superficie de un objeto o material y su distancia con respecto a un punto de referencia predeterminado asociado a dicho sistema óptico combinado, que tiene los rasgos característicos reivindicados en la reivindicación 18.
Otra materia objeto de la invención es una máquina para el procesamiento por láser de una pieza de trabajo o material que comprende dicho sistema óptico combinado, como se reivindica.
En resumen, la presente invención se basa en la construcción de un sistema óptico combinado, en el que la medición de distancia de un objeto o material, obtenida detectando una radiación de sonda dispersada por la superficie del objeto o material, y la medición de la temperatura de su superficie, obtenida detectando una radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie del objeto o material, se producen en tiempos alternos correlacionados con la activación o desactivación, respectivamente, de una fuente de una radiación de sonda. La detección de la radiación de sonda dispersada por la superficie del objeto o material y de la radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie del objeto o material se produce en dispositivos de detección especializados o, de forma más ventajosa, en una forma integrada, en un dispositivo de detección común.
Más específicamente, el sistema óptico combinado objeto de la invención comprende medios fuente de radiación óptica adaptados para emitir al menos una radiación de sonda óptica a una longitud de onda predeterminada o en un intervalo de longitudes de onda predeterminadas. Los medios fuente de radiación óptica pueden ser una única fuente, por ejemplo, un diodo emisor de luz, tal como un diodo láser o un diodo superluminiscente, o un par de fuentes distintas adaptadas para emitir haces respectivos de radiación óptica a diferentes longitudes de onda o a intervalos alternos, aunque también es posible emitir haces de radiación óptica a diferentes longitudes de onda o a intervalos alternos a través de una única fuente, por ejemplo, al variar la corriente de excitación o la temperatura de la fuente en el primer caso, o al usar una fuente en la que la el haz se divida a lo largo de dos recorridos ópticos diferentes, alternando entre un recorrido y otro, por ejemplo, por medio de dispositivos tales como cristales líquidos u obturadores mecánicos que bloquean o permiten que el haz pase de forma alterna en un recorrido u otro.
Los medios para controlar los medios fuente de radiación óptica, por ejemplo, medios de control electrónico, tales como un procesador o similares, están dispuestos para controlar selectivamente la conmutación de dichos medios fuente desde una condición operativa, en la que emiten al menos una radiación de sonda óptica, a una condición inoperativa, en la que no emiten ninguna radiación óptica. De forma ventajosa, los medios de control están dispuestos para controlar de forma alterna la conmutación de los medios fuente de radiación óptica desde la condición operativa a la condición inoperativa de acuerdo con una frecuencia de conmutación predeterminada. En un modo de realización en el que los medios fuente de radiación óptica comprenden un diodo emisor de luz que tiene una región activa que puede emitir fotones a frecuencias ópticas tras la recombinación radiativa de los portadores de carga confinados allí como resultado de una condición de inversión de población, los medios de control están dispuestos para controlar selectivamente la activación y desactivación de la corriente de excitación de dicho diodo emisor de luz, adaptado para alterar el equilibrio termodinámico de las poblaciones de los portadores de carga. En condiciones de alta frecuencia de conmutación (del orden de 1-100 kHz) y en aplicación a un procedimiento industrial en el que la tasa de avance sea menor, las dos mediciones se pueden considerar sustancialmente simultáneas, y el sistema se puede definir como un sistema de medición híbrido continuo.
Los medios detectores ópticos que comprenden al menos un fotodetector o una matriz lineal o bidimensional de fotodetectores o sensores ópticos similares pueden detectar al menos una radiación óptica dispersada y una radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de dicho objeto o material (típicamente en el espectro infrarrojo a temperatura ambiente, pero en un intervalo de longitudes de onda típicamente detectables en el espectro infrarrojo cercano y en el espectro visible en el caso del metal fundido).
El sistema comprende además medios de procesamiento electrónico, tales como un procesador, que están dispuestos para determinar la distancia de la superficie del objeto o material desde un punto de referencia de un sistema de referencia del sistema óptico o en asociación permanente con el mismo sobre la base de la radiación de sonda óptica dispersada por la superficie de dicho objeto o material y recibida por los medios detectores, por ejemplo, en función de la posición de incidencia (que es una función de la dirección de incidencia), la intensidad, o la fase incidente sobre el fotodetector o en la matriz de fotodetectores lineal o bidimensional o en un conjunto de sensor óptico similar. Los medios de procesamiento electrónico también están dispuestos para determinar una temperatura local de la superficie del objeto o material, sobre la base de la radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de dicho objeto o material, recibida por dichos medios detectores, por ejemplo, en función de la intensidad de emisión en un rango espectral predeterminado o la distribución de longitud de onda espectral de la radiación óptica emitida térmicamente. "Temperatura local" significa la temperatura de la superficie de la pieza de trabajo en el área sobre la que se dirige la radiación de sonda, en la aplicación a un procedimiento industrial sustancialmente en el área que se procesa actualmente.
Los medios de procesamiento electrónico están sincronizados con los medios de control de los medios fuente de modo que se determine la distancia del objeto o material sobre la base de la radiación de sonda óptica dispersada recibida por los medios detectores cuando los medios fuente de radiación óptica están operativos, y se determine una temperatura local de la superficie del objeto o material sobre la base de la radiación óptica emitida térmicamente recibida por los medios detectores cuando los medios fuente de radiación óptica están inoperativos.
En un modo de realización compacto, los medios detectores ópticos incluyen medios fotodetectores que tienen un intervalo de detección espectral que comprende la longitud de onda predeterminada (o el intervalo de longitudes de onda predeterminadas) de la radiación de sonda óptica dispersada desde la superficie del objeto o del material y al menos una longitud de onda del radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de dicho objeto o material.
Los medios fotodetectores mencionados anteriormente se pueden disponer por separado de los medios fuente.
De forma ventajosa, en un modo de realización integrado, los medios detectores ópticos incluyen al menos un dispositivo fotodetector de supervisión normalmente acoplado a una fuente de radiación óptica, tal como un diodo láser o un diodo superluminiscente, típicamente integrado en el embalaje relativo, adaptado para detectar una radiación óptica secundaria o parcial emitida por dicha fuente, representativa de la radiación óptica primaria. Por ejemplo, en el caso en que los medios fuente de radiación óptica comprendan un diodo emisor de luz que tiene un área de emisión de radiación primaria y un área de emisión de radiación secundaria, el dispositivo fotodetector de supervisión se orienta hacia el área de emisión de radiación secundaria, en general, la cara posterior del diodo emisor de luz, que se opone a la cara de radiación luminosa.
De acuerdo con esta configuración, la radiación de sonda óptica primaria dispersada coaxialmente desde la superficie de dicho objeto o material se obtiene al menos parcialmente por el área de emisión primaria del diodo emisor de luz (la parte recibida dentro de su apertura numérica) y desde allí se retropropaga dentro de la región activa del diodo al dispositivo fotodetector de supervisión. De esta manera, la radiación de sonda óptica primaria dispersada desde la superficie de dicho objeto o material se superpone al menos parcialmente en la radiación óptica secundaria o parcial emitida por el diodo en una región de incidencia común del dispositivo fotodetector de supervisión. El dispositivo fotodetector de supervisión está adaptado para detectar un patrón de franjas de interferencia entre la radiación óptica secundaria o parcial y la radiación de sonda óptica primaria, y los medios de procesamiento están dispuestos para determinar la distancia de la superficie de dicho objeto o material con respecto a los medios fuente de radiación óptica sobre la base del patrón de franjas de interferencia, de acuerdo con una técnica conocida como "interferometría de automezcla".
En un aspecto diferente de la invención, los medios detectores ópticos incluyen primeros medios fotodetectores adaptados para interceptar al menos parte de la radiación de sonda óptica dispersada por la superficie del objeto o material y segundos medios fotodetectores adaptados para interceptar al menos parte de la radiación óptica emitida térmicamente de la superficie de dicho objeto o material. Los primeros medios fotodetectores comprenden una matriz de fotodetectores extendida a lo largo de al menos una dirección espacial, es decir, una matriz de fotodetectores lineal o bidimensional, y a dichos medios fotodetectores se acoplan medios de filtración de longitudes de onda, adaptados para transmitir la longitud de onda predeterminada o el intervalo de longitudes de onda predeterminadas de la radiación de sonda óptica dispersada desde la superficie de dicho objeto o material y para bloquear longitudes de onda de la radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de dicho objeto o material u otras longitudes de onda de radiación ambiental no esencial. Opcionalmente, también se pueden colocar medios de filtración de longitudes de onda en frente de los segundos medios fotodetectores para seleccionar una porción predeterminada del espectro de longitudes de onda de la emisión térmica.
En este caso, los medios fuente y los primeros medios fotodetectores adoptan diferentes modos de realización dependiendo de las técnicas aplicadas para analizar la radiación dispersada.
Las técnicas preferentes para analizar la radiación dispersada para determinar la distancia son técnicas de triangulación e interferométrica óptica (luz coherente, baja coherencia en el dominio del tiempo, de la frecuencia o del espacio, "interferometría de automezcla").
En una técnica de triangulación, una matriz de fotodetectores se dispone de modo que reciba la radiación de sonda óptica dispersada por la superficie del objeto o material de acuerdo con una dirección de observación a un ángulo distinto de cero con respecto a la dirección de emisión de la radiación de sonda óptica, y los medios de procesamiento están dispuestos para determinar la distancia de la superficie del objeto o material con respecto a los medios fuente sobre la base de la posición de incidencia de la radiación de sonda óptica dispersada a lo largo de al menos una dirección de extensión de la matriz de fotodetectores.
De forma alternativa, los medios fuente de radiación óptica están acoplados a medios de conformación de haz corriente abajo adaptados para conformar la radiación de sonda óptica en un haz que tiene una distribución de potencia transversal predeterminada variable a lo largo del eje de propagación. Los medios de procesamiento están dispuestos para determinar la distancia de la superficie del objeto o material con respecto a los medios fuente sobre la base de la distribución de potencia transversal de la radiación de sonda óptica dispersada detectada por la matriz de fotodetectores.
De forma alternativa, los medios fuente de radiación óptica están adaptados para emitir primer y segundo haces coaxiales de radiación de sonda óptica que tienen diferentes distribuciones de potencia transversales, y los medios de procesamiento están dispuestos para determinar la distancia de la superficie del objeto o el material con respecto a los medios fuente sobre la base de la comparación diferencial entre la distribución de potencia transversal del primer haz de radiación de sonda óptica dispersado y la distribución de potencia transversal del segundo haz de radiación de sonda óptica dispersado, como se detecta por la matriz de fotodetectores.
Los primer y segundo haces de radiación de sonda óptica tienen polarizaciones diferentes, preferentemente polarizaciones ortogonales, o longitudes de onda diferentes, o se emiten a intervalos alternos. De forma ventajosa, para poder emitir un primer y un segundo haz de radiación de sonda óptica a diferentes longitudes de onda o a intervalos alternos, los medios fuente de radiación óptica comprenden un par de fuentes de radiación óptica distintas.
De acuerdo con otra alternativa en la que el procedimiento de triangulación es omnidireccional, los medios fuente de radiación óptica están adaptados para emitir una radiación de sonda óptica que comprende una pluralidad de haces colimados o enfocados dispuestos simétricamente con respecto a un eje de propagación, y los medios de procesamiento están dispuestos para determinar la distancia de la superficie del objeto o material con respecto a los medios fuente sobre la base de la comparación entre la posición de incidencia mutua de dicha pluralidad de haces de la radiación de sonda óptica dispersada sobre la matriz de fotodetectores.
En una técnica interferométrica, los medios fuente de radiación óptica están adaptados para emitir un primer haz de radiación de sonda óptica y un segundo haz de dicha radiación óptica como referencia. El primer haz de radiación de sonda óptica se conduce hacia la superficie del objeto o material y el haz reflejado o dispersado desde la superficie del objeto o material se conduce hacia medios sensores ópticos interferométricos, a través de un recorrido de medición óptico. El segundo haz de radiación óptica de referencia se conduce hacia dichos medios sensores ópticos interferométricos a través de un recorrido óptico de referencia de longitud óptica predeterminada, preferentemente equivalente dentro de la longitud de coherencia de la radiación a la longitud óptica del recorrido de medición óptico en una condición operativa nominal, en el que la posición de la superficie del objeto o material es una posición nominal predeterminada con respecto a un sistema de referencia predeterminado. El primer y segundo haz se superponen en una región de incidencia común de los medios sensores ópticos interferométricos formando un patrón de franjas de interferencia, y los medios de procesamiento están dispuestos para determinar la distancia de la superficie del objeto o material con respecto a los medios fuente sobre la base del patrón de franjas de interferencia.
Convenientemente, en la determinación de la temperatura, los medios de procesamiento están dispuestos para normalizar la radiación óptica emitida térmicamente interceptada por los medios fotodetectores en función de la distancia determinada desde la superficie del objeto o material. Esto permite obtener una estimación correcta de la temperatura en el caso de iluminación del objeto o material por medio de haces enfocados, con lo que varía el área iluminada sobre la pieza de trabajo a lo largo del eje de propagación, así como compensando la morfología del objeto.
El sensor óptico combinado objeto de la invención y el procedimiento de medición híbrido o combinado que usa dicho sensor se pueden usar de forma ventajosa en el control en bucle cerrado avanzado de procedimientos de fabricación industriales, tales como el procesamiento por láser de piezas de trabajo o material, por ejemplo, para corte, soldadura, o fabricación aditiva, donde es necesario tomar mediciones de distancia y temperatura. La adquisición de la temperatura de trabajo se puede usar para estabilizar procedimientos térmicos en curso, mientras que la adquisición de la distancia se puede usar para verificar o mejorar la exactitud dimensional y la precisión de posicionamiento del procesamiento en curso. El sistema objeto de la invención subsana la desventaja de tener instrumentos de medida separados, tales como pirómetros y sensores de distancia, a favor de una solución más compacta, posiblemente integrada con la misma fuente de emisión que la radiación de sonda, que permite la detección de la radiación térmica emitida por la superficie que se mide en un área correspondiente al área de superficie cuya distancia se mide.
Otros rasgos característicos y ventajas de la invención se presentarán con mayor detalle en la siguiente descripción detallada de un modo de realización de la misma, dada a modo de ejemplo no limitante, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la fig. 1 es una representación esquemática de una condición de incidencia de un haz de radiación de sonda óptica en un área de medición de una pieza de trabajo o material que se procesa, con retrodispersión relativa de un haz de radiación de sonda y emisión de un haz de radiación térmica;
la fig. 2 es un diagrama de bloques de un sistema óptico combinado de la invención;
la fig. 3 muestra diagramas que representan la tendencia temporal de la radiación de sonda óptica, la radiación de sonda óptica dispersada y la radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de un objeto o material que se mide;
la fig. 4a y 4b muestran respectivamente un conjunto de una fuente de radiación óptica, tal como un diodo láser de acuerdo con la técnica anterior y un diagrama de recorrido óptico de un conjunto de este tipo;
la fig. 5 muestra el diagrama de bloques del sistema óptico combinado de la invención en una condición operativa para medir la distancia;
la fig. 6 muestra el diagrama de bloques del sistema óptico combinado de la invención en una condición operativa para medir la temperatura;
la fig. 7 es un diagrama de la medición de distancia por triangulación con fuente de radiación de sonda y detector de radiación de sonda dispersada fuera del eje, de acuerdo con la técnica anterior;
la fig. 8 es un diagrama de la medición de distancia por triangulación coaxial con haces de radiación de sonda óptica que tienen diferentes conformaciones;
la fig. 9 muestra el diagrama de la medición de distancia por triangulación coaxial de la fig. 8 aplicada a un procedimiento de corte por láser;
la fig. 10 es un diagrama de la medición de distancia por triangulación coaxial con múltiples haces de radiación de sonda óptica dispuestos simétricamente al eje de propagación;
la fig. 11a y 11b muestran un diagrama de la medición de distancia por triangulación aplicada a un procedimiento de fabricación por láser;
la fig. 12 es un diagrama de la medición de distancia por interferometría de baja coherencia aplicada a un procedimiento de fabricación por láser; y
la fig. 13 es un diagrama de bloques de un sistema de control electrónico de una máquina para el procesamiento por láser de una pieza de trabajo o un material.
La siguiente descripción se refiere, en general, a las configuraciones y funcionamiento de un sistema óptico combinado de acuerdo con la invención para determinar la temperatura de un objeto o material y su distancia con respecto a un punto predeterminado de un sistema de referencia asociado al sistema óptico combinado. Más en particular, el sistema óptico combinado de la invención está adaptado para determinar la temperatura y la distancia de la superficie de dicho objeto o material. En un ejemplo aplicado, el sistema de la invención se describe acoplado a una máquina para el procesamiento por láser de una pieza de trabajo o material, y el sistema de referencia asociado con el sistema óptico combinado también está asociado permanentemente con el sistema de referencia de un cabezal de trabajo de la máquina de procesamiento por láser, con lo que se puede trazar la determinación de la distancia de la superficie de un objeto o material con respecto a un punto del sistema óptico combinado que lleva a cabo la medición, usando simples transformaciones de rototraslación, con respecto a la determinación de la distancia de la superficie de dicho objeto o material con respecto al cabezal de trabajo de la máquina de procesamiento por láser.
La fig. 1 muestra una representación esquemática de una condición para medir la distancia y temperatura de un área de la superficie de un objeto o material, con particular referencia al procesamiento por láser de una pieza de trabajo o material WP. La referencia A indica un área que se procesa actualmente, sobre la que incide un haz de láser de procesamiento B usado para cortar, soldar o sinterizar de acuerdo con una dirección de propagación Z predeterminada como resultado de lo que la temperatura del área aumenta con respecto al entorno. Se omiten las representaciones de cualquier material de relleno o gas auxiliar, que un experto en la técnica puede considerar fácilmente en función del procesamiento contemplado, ya que no son significativos para el propósito de esta descripción.
En un modo de realización preferente, coaxialmente al haz de láser de procesamiento B, una radiación de sonda óptica P incide sobre el área A y se refleja desde allí, emergiendo como radiación de sonda óptica dispersada D. Al mismo tiempo, la superficie de la pieza de trabajo WP en el área A que se procesa actualmente también emite radiación térmica T.
Más en general, y desde un punto de vista geométrico, la radiación de sonda óptica puede ser un único haz o una envolvente de múltiples haces, por ejemplo, un único haz colimado, que se puede aproximar a un único haz óptico, coaxial o inclinado con respecto al eje de propagación del haz de láser de procesamiento, incidiendo una pluralidad de haces sobre la superficie de la pieza de trabajo en diferentes posiciones o con diferentes ángulos de inclinación con respecto al eje de propagación del haz de láser de procesamiento, uno o más haces conformados, por ejemplo, haces enfocados o haces con su distribución de potencia transversal controlada de acuerdo con una conformación predeterminada (por ejemplo, anular), por ejemplo, una conformación predeterminada que es variable a lo largo del eje de propagación.
En general, dependiendo de las propiedades de la superficie de la pieza de trabajo o del material que se procesa, la retrodispersión del haz de radiación de sonda P da como resultado un haz de radiación de sonda retropropagado D dispersado de acuerdo con un ángulo de dispersión mayor que la distribución transversal del haz incidente. El haz de la radiación emitida térmicamente T se dispersa, a su vez, a un ángulo incluso más amplio.
La fig. 2 muestra un diagrama de bloques de un sistema óptico combinado de la invención.
Un conjunto de una fuente de radiación de sonda óptica se indica con 10, que incluye, en este modo de realización, una fuente de radiación de sonda óptica en forma de un diodo emisor de luz 12, tal como un LED, un láser o diodo superluminiscente, que comprende una región semiconductora activa que puede de emitir fotones a frecuencias ópticas después de la recombinación radiativa de los portadores de carga confinados allí como resultado de una excitación o una condición de inversión de población. El diodo emisor de luz 12 tiene un área de emisión primaria de una radiación de sonda óptica primaria P, por ejemplo, una cara frontal de la región activa, y un área de emisión secundaria de una radiación óptica secundaria P' correlacionada con dicha radiación de sonda óptica primaria, por ejemplo, una cara trasera de la región activa opuesta a la cara frontal.
La referencia 14 indica un dispositivo fotodetector de supervisión normalmente acoplado al diodo emisor de luz, que se orienta hacia el área de emisión de radiación secundaria del diodo para detectar la intensidad de la radiación secundaria indicativa de la intensidad de emisión real del diodo 12.
Una unidad electrónica para controlar la activación y desactivación del diodo emisor de luz 12 se indica con 16, y está dispuesta para controlar de forma alterna (iterativamente) la conmutación del diodo emisor de luz 12 desde una condición operativa a una condición inoperativa de acuerdo con una frecuencia predeterminada a través de una señal de accionamiento Sp.
Un dispositivo 18 para dividir/recombinar el haz se interpone a lo largo del recorrido de propagación de la radiación de sonda P (que puede estar en el espacio libre o guiarse al menos parcialmente) de modo que se atraviese por la radiación de sonda P que llega de la fuente 12 sin pérdida apreciable o para extraer un haz de referencia de la radiación de sonda para mediciones de distancia en base a técnicas interferométricas.
De acuerdo con la representación en la fig. 1, la pieza de trabajo está marcada con WP. Como resultado de la incidencia de la radiación de sonda P, dicha pieza de trabajo retrodispersa una radiación de sonda dispersada D y, como resultado de la incidencia de un haz de láser de procesamiento (no mostrado), dicha pieza de trabajo dispersa una radiación óptica emitida térmicamente T. Tanto la radiación de sonda dispersada D como la radiación emitida térmicamente T se propagan a través del dispositivo para dividir/recombinar el haz 18 desde el que se dirigen hacia el conjunto fuente 10 en el que se localiza el dispositivo fotodetector 14 y hacia los medios 20 para detectar la radiación de sonda dispersada, externa al conjunto fuente 10. En el caso de haces polarizados (obtenibles al interponer elementos ópticos en el recorrido de propagación para manipular la polarización del haz, tal como un polarizador o placas de retardo de cuarto de onda), el enrutamiento del haz de radiación de sonda óptica y el haz de radiación de sonda óptica dispersdo se pueden obtener convenientemente separando las dos radiaciones usando un criterio de selección de polarización.
Corriente arriba de los medios detectores 20, se puede disponer un filtro óptico 22, que esté adaptado para transmitir la longitud de onda o intervalo de longitudes de onda de la radiación de sonda óptica dispersada desde la superficie de la pieza de trabajo WP y para bloquear las longitudes de onda de la radiación óptica emitida térmicamente que llega de la superficie de dicha pieza de trabajo WP.
Una unidad de procesamiento electrónico 30 está acoplada al conjunto fuente 10 y a los medios detectores 20 y está dispuesta para recibir una señal Sd indicativa de la radiación de sonda dispersada D detectada por los medios detectores 20 y una señal St indicativa de la radiación térmica T detectada por el dispositivo fotodetector 14. La unidad de procesamiento 30 está dispuesta (i) para aplicar un algoritmo o modelo de cálculo predeterminado en base al análisis de las propiedades de la radiación dispersada, tal como fase, posición, dirección, distribución de potencia transversal, para determinar la distancia de la superficie de la pieza de trabajo WP con respecto a un punto de referencia predeterminado del sistema, por ejemplo, la posición de la fuente de la radiación de sonda 12 en un sistema de referencia predeterminado, que se asocia permanentemente con la máquina de procesamiento por láser, sobre la base de la señal indicativa de la radiación de sonda óptica dispersada D, y (ii) para aplicar un algoritmo o modelo de cálculo predeterminado para determinar la temperatura local de la superficie de la pieza de trabajo WP sobre la base de la señal indicativa de la radiación emitida térmicamente T.
La unidad de procesamiento 30 está acoplada además a la unidad de control electrónico 16 para funcionar en sincronismo con la activación y desactivación del diodo emisor de luz 12, para determinar la distancia de la superficie de la pieza de trabajo WP cuando el diodo emisor de luz está activado y para determinar la temperatura local de la superficie de dicha pieza de trabajo WP cuando el diodo emisor de luz está desactivado.
El funcionamiento del sistema y de la unidad de control 16, en particular, se describe mejor con referencia a los diagramas de la fig. 3, que representan la tendencia temporal de la radiación de sonda óptica emitida por el diodo 12, la radiación de sonda óptica dispersada por la superficie de la pieza de trabajo WP y la radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de la pieza de trabajo WP.
El primer diagrama muestra la tendencia temporal de una señal de accionamiento Sp del diodo emisor de luz 12 y, por lo tanto, representa la tendencia temporal nominal de la radiación de sonda óptica. La señal de accionamiento Sp oscila de forma alterna entre los periodos de activación de la emisión de la radiación de sonda, indicados con ON, y los periodos de desactivación de la emisión de la radiación de sonda, indicados con OFF. La forma de onda de la señal de onda cuadrada es puramente indicativa de una forma de onda de control periódico. Se pueden contemplar otras formas de onda, por ejemplo, sinusoidal.
El segundo diagrama muestra la tendencia de la señal Sd indicativa de la radiación de sonda dispersada D detectada por los medios detectores 20 y 14 y de la señal St indicativa de la radiación térmica T detectada por el dispositivo fotodetector 14. Los instantes de tiempo tr y to indican respectivamente los instantes de muestreo de la radiación térmica T para determinar la temperatura y los instantes de muestreo de la radiación de sonda dispersada D para determinar la distancia de la pieza de trabajo.
El procedimiento para determinar la temperatura local de la superficie de la pieza de trabajo WP y su distancia se basa en el control selectivo iterativo al cambiar la fuente de radiación de sonda óptica entre una condición operativa, en la que se emite la radiación de sonda óptica, y una condición inoperativa, en la que la radiación de sonda óptica no se emite, respectivamente, y en la adquisición de las señales indicativas de la radiación de sonda óptica dispersada por la superficie de la pieza de trabajo WP cuando la fuente de radiación de sonda óptica está operativa, es decir, cuando se establece dicha radiación de sonda dispersada, y en la adquisición de señales indicativas de la radiación emitida térmicamente desde la superficie de la pieza de trabajo WP cuando la fuente de radiación de sonda óptica no está operativa, es decir, cuando dicha radiación térmicamente emitida sea la única radiación presente (excepto por la radiación láser del procedimiento de fabricación y cualquier radiación ambiental no esencial).
En la práctica, cuando el diodo emisor de luz 12 (la fuente de radiación de sonda óptica) está activo, es decir, en los intervalos indicados con ON en la fig. 3, la radiación de sonda óptica dispersada se apunta a los medios detectores 20 para la medición de distancia. Los medios detectores 20 pueden coincidir con el dispositivo fotodetector 14 del conjunto fuente de la radiación de sonda óptica cuando se aplica una técnica de "interferometría de automezcla". Cuando el diodo emisor de luz 12 (la fuente de radiación de sonda) no está activo, es decir, en los intervalos indicados con OFF en la fig. 3, el dispositivo fotodetector 14 del conjunto fuente detecta la emisión térmica en un rango espectral predeterminado para estimar la temperatura.
De esta manera, se obtiene eficazmente una combinación de las dos mediciones.
Los autores de la invención consideran que una frecuencia de conmutación repetitiva de la emisión de la radiación de sonda óptica, en el intervalo de 1 a 100 kHz, es lo suficientemente alta como para poder aproximar las mediciones como simultáneas y continuas en el curso de un procedimiento de fabricación por láser. De forma ventajosa, esta configuración híbrida permite una medición óptica remota y rápida de la temperatura y distancia de una pieza de trabajo caliente a través de un único sistema óptico. De forma igualmente ventajosa, el sistema óptico combinado, y, en particular, el conjunto fuente de la radiación de sonda óptica, se pueden alinear coaxialmente con el haz de láser de procedimiento, y la temperatura del material fundido se puede determinar fácilmente a través de un enfoque pirométrico. De esta manera, los parámetros de un procedimiento de fabricación por láser, por ejemplo, de corte, soldadura, fabricación aditiva, se pueden controlar eficazmente en tiempo real, mejorándose, por tanto, el control del procedimiento.
Además, puesto que en el caso de un haz de sonda no colimado la radiación emitida térmicamente recibida por el dispositivo fotodetector 14 varía con la distancia, es posible normalizar la lectura de la intensidad de la radiación emitida térmicamente a partir de la determinación de la distancia que se produce en el periodo de muestreo previo, por ejemplo, al compensar la variabilidad de la apertura numérica de obtención, correspondiente a la variabilidad de la apertura numérica del recorrido óptico del haz de medición.
Cabe destacar que la sincronización de la unidad de procesamiento electrónico 30 con la unidad de control electrónico 16 hace posible reconocer y separar las lecturas de la radiación de sonda dispersada y la radiación emitida térmicamente a través de técnicas de desmodulación similares a las usadas en amplificadores de tipo sincrónico, o por discriminación digital por el sistema de adquisición, si la frecuencia de muestreo es mucho mayor que la frecuencia de conmutación.
En configuraciones compactas, también se pueden usar medios fotodetectores que tengan un amplio intervalo de detección espectral y, por lo tanto, estén adaptados para adquirir radiación óptica en un amplio espectro de longitudes de onda, que incluya la longitud de onda o el intervalo de longitudes de onda de la radiación de sonda, así como el intervalo de interés de las longitudes de onda de emisión térmica para el procedimiento en curso.
La función de los medios detectores 20 descrita anteriormente para dar generalidad al análisis se puede realizar por el dispositivo fotodetector 14 en una configuración integrada del sistema en la que el dispositivo fotodetector 14 también sea responsable de la detección de la radiación de sonda dispersada D además de la radiación emitida térmicamente T. Esto es posible, por ejemplo, si se usa un conjunto de radiación óptica fuente del tipo mostrado en la fig. 4a.
En la fig. 4a, la referencia 50 indica, en general, un conjunto de una fuente de radiación óptica en un embalaje TO­ CAN de acuerdo con el estado de la técnica, que incluye un diodo láser 52 dispuesto sobre un soporte disipador de calor 54 y rodeado por una carcasa protectora 56, dispuesta sobre una base 58 que porta las conexiones eléctricas 60 para accionar el diodo. En la ampliación, se muestra el diodo láser 52, y se identifican un área de emisión de radiación primaria 62, que se orienta hacia una ventana de salida de radiación 64, y un área de emisión de radiación secundaria 66, que se orienta hacia la parte trasera del diodo láser 52 con respecto a la ventana de salida de radiación 64. Orientado hacia el área de emisión de radiación secundaria 66, detrás del diodo láser 52, está dispuesto un dispositivo fotodetector de supervisión 68.
En la fig. 4b se muestra un diagrama de recorrido óptico de un conjunto fuente 50. El haz de radiación de sonda óptica primaria P emitido por el área de emisión de radiación primaria 62 del diodo láser 52 pasa a través de diversos elementos ópticos para colimar y enfocar dicho haz e incide sobre una superficie de dispersión de una pieza de trabajo WP que se va a analizar en el área de procesamiento actual A, posiblemente coaxial al sistema de propagación óptico del haz de procesamiento por láser (no mostrado). Al mismo tiempo, el haz de radiación óptica secundaria P' representativo de la radiación de sonda óptica primaria se emite en la dirección opuesta hacia el dispositivo fotodetector de supervisión 68. Considerando la reversibilidad del recorrido óptico, la radiación óptica D reflejada o dispersada por la superficie de la pieza de trabajo WP está acoplada al menos parcialmente en dirección opuesta a lo largo de la misma dirección de propagación en la medida en que dicha radiación se encuentra dentro de la apertura numérica del recorrido óptico y vuelve a trazar el recorrido hasta que cruza el diodo láser 52 e incide sobre el dispositivo fotodetector de supervisión 68, donde interfiere con el haz de radiación óptica secundaria P', formando un patrón de franjas de interferencia que hace posible aplicar la técnica de análisis interferométrico conocida como "interferometría de automezcla". Esta técnica se usa en una amplia gama de aplicaciones, desde la medición de vibraciones hasta la medición de profundidad, por ejemplo, en procedimientos de ablación con láser.
Las fig. 5 y 6 muestran las configuraciones para detectar la radiación óptica dispersada y la radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de la pieza de trabajo WP con referencia al diagrama de bloques del sistema óptico combinado de la invención representado en la fig. 2.
Específicamente, la fig. 5 muestra una configuración en una condición operativa para medir la distancia de la pieza de trabajo WP, en la que la unidad de control 16 aplica una señal de accionamiento Sp al diodo emisor de luz en el intervalo de tiempo ON, y la unidad de procesamiento 30 adquiere una señal Sd indicativa de la radiación de sonda dispersada D detectada por los medios detectores 20, mientras que la fig. 6 muestra una configuración en una condición operativa para medir la temperatura de la pieza de trabajo WP, en que la unidad de control 16 no aplica ninguna señal de accionamiento Sp al diodo emisor de luz en el intervalo de tiempo OFF, y la unidad de procesamiento 30 adquiere una señal St indicativa de la radiación térmica T detectada por el dispositivo fotodetector 14.
Las fig. 7 a 11 muestran algunas configuraciones de la radiación de sonda y del sistema óptico combinado de la invención usado en la aplicación de técnicas de triangulación para determinar la distancia de la pieza de trabajo WP desde la fuente de la radiación de sonda.
El principio de triangulación se puede usar para determinar la distancia de la pieza de trabajo a partir de consideraciones geométricas. Por ejemplo, en una configuración de triangulación clásica mostrada en la fig. 7 con la fuente de radiación 12 y los medios detectores 20 de radiación dispersada fuera del eje, si Z indica el eje a lo largo del que se mide la distancia, la posición del área de incidencia de radiación de sonda proyectada en el plano X-Y depende de la distancia de la pieza de trabajo si el haz de radiación de sonda tiene un ángulo de inclinación distinto de cero con respecto a la dirección de observación. Por lo tanto, la medición se puede realizar detectando la radiación de sonda dispersada por la pieza de trabajo en una matriz de fotodetectores PD lineal o bidimensional. Tanto en el caso de un único haz de radiación de sonda como en el caso de múltiples haces de radiación de sonda, si están inclinados con respecto al eje de observación, su posición aparente en la matriz de fotodetectores PD depende linealmente de la distancia. En estos casos, es preferente usar un único haz colimado como radiación de sonda, aunque esta configuración puede introducir fenómenos anisotrópicos si a lo largo de la dirección de propagación se obstruye el recorrido óptico del haz, o si la reflectividad varía de acuerdo con la inclinación de la superficie bajo examen, o si el haz de medición abandona dicha área de medición a media que la distancia varía.
En el caso más general de uso de un haz de radiación de sonda con conformación controlada, en el que el haz tiene una conformación variable a lo largo del eje de propagación Z (por ejemplo, con una variación en el diámetro del haz enfocado), la distancia de la pieza de trabajo a lo largo de la rotación el eje Z se puede determinar observando la conformación del haz de la radiación de sonda dispersada proyectada en la matriz de fotodetectores PD, posiblemente en combinación con el conocimiento de la posición del área de incidencia. En dichos casos, la distancia se puede determinar si se conoce la conformación del haz de la radiación de sonda, por ejemplo, tras una calibración preliminar.
Con referencia a la fig. 8, es posible usar simultáneamente dos haces de radiación de sonda que tengan conformaciones diferentes, por ejemplo, haces colimados de forma diferente. Los dos haces se pueden alinear o preferentemente superponer coaxialmente para incidir sobre la misma área de la superficie de la pieza de trabajo. Uno de los dos haces (preferentemente un haz colimado) se puede considerar como el haz de referencia de modo que se obtenga una medición de distancia absoluta a partir de la comparación entre las conformaciones de los dos puntos de incidencia de los haces en la matriz de fotodetectores PD. Esta medición diferencial no requiere ninguna calibración absoluta y, por lo tanto, proporciona resultados más fiables. La fig. 8 muestra un primer haz de sonda P1 y un segundo haz de sonda P2 coaxial, en el que el primer haz P1 tiene una tendencia de distribución de potencia transversal variable a lo largo del eje de propagación Z, mientras que el segundo haz P2 tiene una tendencia de distribución de potencia transversal constante. La fig. 8 muestra la comparación entre las dimensiones transversales de los dos haces a dos distancias de propagación diferentes.
La fig. 9 muestra un área de incidencia de un par de haces de radiación de sonda coaxiales en una superficie de una pieza de trabajo en un área de procesamiento de la pieza de trabajo sobre la que incide un haz de láser de procesamiento, indicado con B, generando un corte K en la pieza de trabajo. De forma ventajosa, la simetría del par de haces hace posible remediar la presencia del corte K. Una técnica similar también se aplica de forma ventajosa en el caso de haces de láser para soldadura o perforación.
Se pueden considerar diversos procedimientos para distinguir entre los dos haces en una técnica de medición diferencial como se describe anteriormente. Por ejemplo, los dos haces pueden tener polarizaciones diferentes y se pueden distinguir usando dos sensores adaptados para detectar polarizaciones ortogonales separadas por medio de un dispositivo divisor de haz de acuerdo con la polarización. De acuerdo con otros ejemplos, los dos haces pueden tener diferentes longitudes de onda y, por lo tanto, distinguirse usando dos sensores adaptados para detectar diferentes regiones espectrales por medio de espejos dicroicos o filtros de espectro. De acuerdo con aún otro ejemplo, se pueden usar dos haces pulsados, es decir, dos haces que se activan selectivamente y de forma alterna de modo que se puedan leer por un único sensor, correlacionando en el dominio del tiempo la lectura de los mismos con una señal de comando de la fuente.
Con referencia a la fig. 10, se muestra una pluralidad de haces de radiación de sonda P1-P8 enfocados, dispuestos simétricamente inclinados con respecto al eje de propagación común Z, respectivamente de acuerdo con una vista lateral en la figura superior y en sección transversal en la figura inferior. El uso de múltiples haces dispuestos simétricamente alrededor del eje de propagación a lo largo del que tiene lugar la medición, o simétricamente con respecto a este eje, es, en particular, ventajoso, puesto que permite una medición de la distancia isotrópica independiente de la dirección de medición. Una configuración de haz isotrópico es conveniente en aplicaciones en máquinas de procesamiento por láser en las que la radiación de sonda se puede usar coaxialmente al eje de propagación del haz de láser de procesamiento, obteniendo una medición de distancia que no depende de direcciones preferenciales y está libre de áreas ciegas. Finalmente, con referencia a las fig. 11a y 11b, se muestra una configuración de triangulación casi coaxial. Los elementos comunes a la fig. 2 se indican con las mismas referencias numéricas. La fig. 11a muestra una vista del sistema de triangulación en la que la radiación de sonda se enfoca en la pieza de trabajo, mientras que en la fig. 11b se muestra un diagrama simplificado en el que la pieza de trabajo está retrasada con respecto al plano de enfoque. Los medios detectores 20 se muestran en forma de una cámara de video en frente de la que está dispuesta una lente de enfoque 20a, corriente abajo de un filtro de paso de banda 20b adaptado para transmitir la longitud de onda o el intervalo de longitudes de onda de la radiación de sonda dispersada. El recorrido de la radiación de sonda P y la radiación de sonda dispersada D se alinea con el recorrido del haz de láser de procesamiento B a través de un espejo dicroico M, y se dispone una lente de enfoque L para enfocar los haces en la pieza de trabajo WP.
La fig. 11 b muestra el haz de radiación de sonda P, que, tras enfocarse a través de la lente L, incide sobre la pieza de trabajo WP a un ángulo a. Si la distancia de la pieza de trabajo WP desde el plano de enfoque F no es cero, el haz inclinado incide sobre la pieza de trabajo WP en una posición y1 con respecto al eje, que es una función de la distancia z de la pieza de trabajo a lo largo del eje Z, de acuerdo con la relación y1 = f(z). La radiación de sonda dispersada D pertinente capturada por la lente de enfoque L se conduce a los medios detectores 20 a través de otra lente de enfoque 20a e incide sobre dichos medios detectores a una distancia y2 con respecto al eje, que, a su vez, se correlaciona con la distancia z de la pieza de trabajo a lo largo del eje Z, de acuerdo con la relación y2 = f(z). Por tanto, es posible determinar la distancia z invirtiendo la relación, es decir, z = f-1 (y2).
La fig. 12 muestra una configuración del sistema óptico combinado de la invención usado en la aplicación de técnicas interferométricas para determinar la distancia de la pieza de trabajo WP desde la fuente de radiación de sonda. Los elementos comunes a la fig. 2 se indican con las mismas referencias numéricas.
Una configuración interferométrica hace uso del fenómeno de interferencia que se produce entre haces de radiación coherentes o parcialmente coherentes para medir una distancia o, en general, una diferencia entre recorridos ópticos. Una configuración interferométrica típica comprende dos brazos, respectivamente un brazo de medición y un brazo de referencia, a lo largo de los que se dirige una radiación óptica común. El haz de radiación óptica que se desplaza un recorrido óptico del brazo de medición, y se retrodispersa por la pieza de trabajo WP interpuesta a lo largo del brazo de medición, y el haz de radiación óptica que se desplaza un recorrido óptico del brazo de referencia, y se refleja por un espejo fijo, se recombinan en una región de incidencia común de medios sensores interferométricos, donde se superponen, dando lugar a un fenómeno de interferencia que genera un patrón de franjas debido a la interferencia constructiva o destructiva, respectivamente, en función de la diferencia de recorrido óptico entre los dos brazos. Los medios sensores interferométricos pueden ser un fotodetector o una matriz de fotodetectores, tal como una matriz de fotodetectores lineal o una matriz de fotodetectores bidimensional, posiblemente en combinación con un espectrómetro u otros elementos ópticos de acuerdo con la técnica interferométrica específica, que puede ser una técnica interferométrica en el dominio del tiempo, en el dominio de la frecuencia o en el dominio del espacio. Los medios sensores interferométricos pueden detectar el patrón de interferencia en función de las variaciones (en el dominio del espacio, en el dominio de la frecuencia o en el dominio del tiempo) de la longitud geométrica o índice de refracción del recorrido óptico a lo largo del brazo de medición, mientras que típicamente el recorrido óptico del brazo de referencia es constante y se refiere a las condiciones operativas nominales.
La fig. 12 muestra una configuración interferométrica de Michelson adaptada a una técnica interferométrica óptica de baja coherencia en el dominio de la frecuencia, en la que la información sobre la comparación entre la longitud del recorrido de medición óptico y el recorrido óptico de referencia está codificada en el espacio de las longitudes de onda. Específicamente, la técnica interferométrica óptica en el dominio de la frecuencia se basa en la relación de la transformada de Fourier entre la función de densidad espectral y la correlación cruzada de los haces de medición y referencia, por medio de la que es posible extraer la medición diferencial de distancias en espacio real a partir del perfil espectral de las longitudes de onda de los dos haces de interferencia. Es posible una adquisición espectral única de los haces de medición y de referencia superpuestos usando una red de difracción y una lente de enfoque corriente abajo de dicha red para proyectar la distribución espectral de los haces de interferencia en un dispositivo sensor lineal, por ejemplo, una cámara de video. El espectro de los dos haces de interferencia muestra una modulación periódica, y la periodicidad (frecuencia) de esta modulación en el espacio de longitudes de onda varía a medida que varía la diferencia entre las longitudes ópticas del recorrido de medición y el recorrido de referencia. Se aplica un algoritmo de cálculo de transformada de Fourier, por ejemplo, un algoritmo FFT, para extraer la medición del pico de intensidad de señal en relación con la diferencia entre los recorridos ópticos en el espacio real. En la figura, P indica la radiación de sonda que se desplaza a lo largo del recorrido de medición óptico, en el que la pieza de trabajo WP se interpone, y Pr indica la radiación de sonda que se desplaza a lo largo del recorrido óptico de referencia, interponiéndose un espejo de reflexión RM, tras la división a través de un espejo dicroico o dispositivo divisor/combinador de haz BSC similar. La radiación de sonda D dispersada por la pieza de trabajo WP y la radiación de sonda de referencia Pr se recombinan en el dispositivo divisor/combinador de haz BSC y se dirigen desde allí al conjunto de medios sensores interferométricos, genéricamente indicados con SENS.
De forma ventajosa, el sistema óptico combinado descrito está asociado a una máquina para el procesamiento por láser de una pieza de trabajo o material, por ejemplo, acoplada permanentemente a un cabezal de trabajo de la máquina de procesamiento por láser, para determinar la distancia de la superficie de una pieza de trabajo con respecto al cabezal y la temperatura de la pieza de trabajo durante el procesamiento y, sobre la base de estos parámetros, realizar un control del procedimiento. De forma ventajosa, la radiación de sonda óptica se puede alinear con el haz de láser de procesamiento para realizar mediciones coaxiales en el área de procesamiento, para determinar la distancia de separación real de la superficie de una pieza de trabajo desde el cabezal de trabajo y la temperatura de la porción de material fundido en la pieza de trabajo que se procesa.
La fig. 13 muestra un diagrama de bloques de un sistema de control electrónico de una máquina para el procesamiento por láser de una pieza de trabajo o material.
El sistema comprende medios de procesamiento y control electrónico indicados en la figura, en conjunto, con ECU, que se pueden integrar en una única unidad de procesamiento a bordo de la máquina o implementar de forma distribuida, con lo que dichos medios de procesamiento y control comprenden módulos de procesamiento localizados en diferentes partes de la máquina, incluyendo, por ejemplo, el cabezal de trabajo.
Los medios de memoria M asociados con los medios de procesamiento y control electrónico ECU almacenan un modelo o programa de procesamiento predeterminado, que comprende, por ejemplo, una trayectoria de procesamiento predeterminada en forma de instrucciones para mover el cabezal de trabajo y/o la pieza de trabajo, y parámetros de procesamiento físicos indicativos de la distribución de potencia del haz óptico, intensidad de potencia del haz y tiempos de activación del haz de láser en función de la trayectoria de procesamiento.
Los medios de procesamiento y control electrónico ECU están dispuestos para acceder a los medios de memoria M para adquirir una trayectoria de procesamiento y controlar la aplicación del haz de láser de procesamiento a lo largo de dicha trayectoria. Controlar la aplicación del haz de láser de procesamiento a lo largo de la trayectoria de procesamiento predeterminada incluye controlar la irradiación de una distribución de potencia predeterminada del haz de láser hacia un área de procesamiento predeterminada por referencia al patrón o programa de procesamiento predeterminado, es decir, de acuerdo con la información de la trayectoria de procesamiento y procesar parámetros adquiridos por los medios de memoria y, en algunas aplicaciones, controlar el suministro de un flujo de gas auxiliar.
Un sistema óptico combinado S de la invención como se describe anteriormente está dispuesto a bordo de la máquina para detectar en tiempo real la distancia entre el cabezal de trabajo y la pieza de trabajo, así como la evolución a lo largo del tiempo de esta distancia, adquiriendo la radiación de sonda dispersada D, y la temperatura de la superficie de la pieza de trabajo en el área de procesamiento al adquirir la radiación emitida térmicamente T.
Los medios de procesamiento y control electrónico ECU están dispuestos para recibir del sistema óptico combinado S de la invención una señal indicativa de la distancia, es decir, de la posición recíproca, entre el cabezal de trabajo y la pieza de trabajo a lo largo del tiempo, y una señal en relación con la temperatura local en la superficie de la pieza de trabajo en el área de procesamiento.
Los medios de procesamiento y control electrónico ECU comprenden un primer módulo de control CM1 para controlar los parámetros mecánicos del procesamiento, disponiéndose para emitir primeras señales de comando CMD1 hacia un conjunto conocido de medios accionadores, comprendiendo medios accionadores para mover el cabezal de trabajo a lo largo de los grados de libertad permitidos por el modo de realización específico de la máquina y medios accionadores para mover el material que se procesa con respecto a la posición del cabezal de trabajo, adaptándose para cooperar con los medios accionadores para mover el cabezal de trabajo para presentar una trayectoria de procesamiento programada en el material que se procesa a la salida del haz de láser del cabezal de trabajo, en función de la distancia determinada, es decir, la posición mutua, entre el cabezal de trabajo y la pieza de trabajo. Estos medios accionadores no se describen en detalle porque son conocidos en la técnica.
Los medios de procesamiento y control electrónico ECU comprenden un segundo módulo de control CM2 para controlar los parámetros físicos del procesamiento, disponiéndose para emitir segundas señales de control CMD2 hacia los medios para controlar la generación y transmisión del haz de láser, por ejemplo, para controlar la intensidad y la distribución de potencia transversal del haz de láser, en función de las condiciones de procesamiento instantáneo, es decir, la temperatura local de la superficie de la pieza de trabajo en el área que se procesa actualmente.
De forma ventajosa, el control en bucle cerrado de la posición del cabezal de trabajo y de los parámetros físicos del procesamiento permite un incremento de la precisión del enfoque del haz de láser de procesamiento en los procedimientos de corte y soldadura, la precisión en la altura del depósito de material en procedimientos de fabricación aditiva, la frecuencia o el ciclo de trabajo de activación de un haz de láser de procesamiento pulsado, la presión de un gas auxiliar, la velocidad de traslación del cabezal a lo largo de una trayectoria de procesamiento (corte o soldadura) y el caudal de materiales en polvo en procedimientos de fabricación aditiva.
Además, se puede usar el control de temperatura en bucle cerrado, en particular, para la estabilización térmica y, por tanto, para la estabilización del procedimiento.
Cabe destacar que el modo de realización propuesto de la presente invención en el análisis anterior es meramente de naturaleza ejemplar y no limitante de la presente invención. Un experto en la técnica podrá implementar fácilmente la presente invención en diferentes modos de realización que, sin embargo, no se apartan de los principios expuestos en el presente documento y, por lo tanto, se engloban en esta patente.
Esto es, en particular, cierto con respecto a la posibilidad de usar medios detectores para la radiación de sonda óptica dispersada y para la radiación emitida térmicamente que son diferentes de los dispositivos fotodetectores, por ejemplo, cámaras de vídeo o espectrómetros.
Naturalmente, sin perjuicio del principio de la invención, los modos de realización y los detalles de ejecución pueden variar ampliamente con respecto a lo que se ha descrito e ilustrado puramente a modo de ejemplo no limitante, sin, de este modo, apartarse del alcance de protección de la invención definida por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema óptico combinado para determinar la temperatura de la superficie de un objeto o material y su distancia desde un punto de referencia predeterminado asociado con dicho sistema, caracterizado por que comprende:
- medios fuente de radiación óptica (10) adaptados para emitir al menos una radiación de sonda óptica a una longitud de onda predeterminada o en un intervalo de longitudes de onda predeterminadas;
- medios (16) para controlar los medios fuente de radiación óptica, dispuestos para controlar de forma alterna la conmutación de dichos medios fuente de radiación óptica entre una condición operativa, en la que emiten dicha al menos una radiación de sonda óptica, y una condición inoperativa, en la que no emiten ninguna radiación de sonda óptica, de acuerdo con una frecuencia predeterminada;
- medios de detectores (20) ópticos adaptados para detectar al menos una radiación óptica dispersada y una radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de dicho objeto o material;
- medios de procesamiento (30) sincronizados con dichos medios de control y dispuestos para
determinar la distancia de la superficie de dicho objeto o material desde dicho punto de referencia sobre la base de la radiación de sonda óptica dispersada desde la superficie de dicho objeto o material y recibida por dichos medios detectores cuando los medios fuente de radiación óptica están operativos; y
determinar la temperatura local de la superficie de dicho objeto o material sobre la base de la radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de dicho objeto o material y recibida por dichos medios detectores cuando los medios fuente de radiación óptica están inoperativos.
2 . El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los medios fuente de radiación óptica están dispuestos para emitir una radiación de sonda óptica primaria y una radiación óptica secundaria o parcial representativa de dicha radiación de sonda óptica primaria, y dichos medios detectores ópticos incluyen al menos un dispositivo fotodetector de supervisión normalmente acoplado a dichos medios fuente de radiación óptica para detectar dicha radiación óptica secundaria o parcial.
3 . El sistema de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la radiación de sonda óptica primaria dispersada desde la superficie de dicho objeto o material se superpone al menos parcialmente en dicha radiación óptica secundaria o parcial en una región de incidencia común de dicho dispositivo fotodetector de supervisión,
en el que dicho dispositivo fotodetector de supervisión está adaptado para detectar un patrón de franjas de interferencia entre la radiación óptica secundaria o parcial y la radiación de sonda óptica primaria dispersada por la superficie de dicho objeto o material, y
en el que los medios de procesamiento están dispuestos para determinar la distancia de la superficie de dicho objeto o material desde dichos medios fuente de radiación óptica sobre la base de dicho patrón de franjas de interferencia.
4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, en el que dichos medios fuente de radiación óptica comprenden un diodo emisor de luz que tiene un área de emisión de radiación primaria y un área de emisión de radiación secundaria, y dicho dispositivo fotodetector de supervisión está orientado hacia dicha área de emisión de radiación secundaria, y la radiación de sonda óptica primaria dispersada por la superficie de dicho objeto o material se obtiene al menos parcialmente por dicha área de emisión primaria.
5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 4, en el que dichos medios de control están dispuestos para controlar selectivamente la activación y desactivación de la corriente de excitación de dicho diodo emisor de luz, que está adaptado para alterar el equilibrio termodinámico de las poblaciones de los portadores de carga.
6. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos medios detectores ópticos incluyen medios fotodetectores que tienen un intervalo de detección espectral que comprende dicha longitud de onda predeterminada de la radiación de sonda óptica dispersada por la superficie de dicho objeto o material y al menos una longitud de onda de la radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de dicho objeto o material.
7. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos medios detectores ópticos incluyen primeros medios fotodetectores adaptados para interceptar al menos parte de la radiación de sonda óptica dispersada por la superficie de dicho objeto o material y segundos medios fotodetectores adaptados para interceptar al menos parte de la radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de dicho objeto o material.
8. El sistema de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dichos primeros medios fotodetectores comprenden una disposición de fotodetectores que se extiende a lo largo de al menos una dirección espacial y disponiéndose para recibir dicha radiación de sonda óptica dispersada por la superficie de dicho objeto o material desde una dirección de observación a un ángulo distinto de cero con respecto a la dirección de emisión de la radiación de sonda óptica, y los medios de procesamiento están dispuestos para determinar la distancia de la superficie de dicho objeto o material con respecto a dichos medios fuente de radiación óptica sobre la base de la posición de incidencia de la radiación de sonda óptica dispersada desde la superficie de dicho objeto o material a lo largo de dicha al menos una dirección de extensión de la disposición de fotodetectores.
9. El sistema de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dichos primeros medios fotodetectores comprenden una disposición de fotodetectores que se extiende a lo largo de al menos una dirección espacial, dichos medios fuente de radiación óptica están acoplados a medios de conformación de haz corriente abajo adaptados para conformar dicha al menos una radiación de sonda óptica en un haz que tiene una distribución de potencia transversal predeterminada variable a lo largo del eje de propagación, y los medios de procesamiento están dispuestos para determinar la distancia de la superficie de dicho objeto o material con respecto a dichos medios fuente de radiación óptica sobre la base de la distribución de potencia transversal de la radiación de sonda óptica dispersada por la superficie de dicho objeto o material y detectada por la disposición de fotodetectores.
10. El sistema de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dichos primeros medios fotodetectores comprenden una disposición de fotodetectores que se extiende a lo largo de al menos una dirección espacial, dichos medios fuente de radiación óptica están adaptados para emitir un primer y un segundo haz de radiación de sonda óptica coaxial con diferentes distribuciones de potencia transversales, y los medios de procesamiento están dispuestos para determinar la distancia de la superficie de dicho objeto o material con respecto a dichos medios fuente de radiación óptica sobre la base de la comparación diferencial entre la distribución de potencia transversal del primer haz de radiación de sonda óptica dispersado desde la superficie de dicho objeto o material y la distribución de potencia transversal del segundo haz de radiación de sonda óptica dispersado desde la superficie de dicho objeto o material, detectado por la disposición de fotodetectores.
11. El sistema de acuerdo con la reivindicación 10, en el que dichos primer y segundo haces de radiación de sonda óptica tienen polarizaciones diferentes, preferentemente polarizaciones ortogonales.
12. El sistema de acuerdo con la reivindicación 10, en el que dichos primer y segundo haces de radiación de sonda óptica tienen diferentes longitudes de onda.
13. El sistema de acuerdo con la reivindicación 10, en el que dichos primer y segundo haces de radiación de sonda óptica se emiten a intervalos alternos.
14. El sistema de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dichos primeros medios fotodetectores comprenden una matriz de fotodetectores, dichos medios fuente de radiación óptica están adaptados para emitir una radiación de sonda óptica que comprende una pluralidad de haces dispuestos simétricamente con respecto a un eje de propagación, y los medios de procesamiento están dispuestos para determinar la distancia de la superficie de dicho objeto o material con respecto a dichos medios fuente de radiación óptica sobre la base de la comparación entre la posición de incidencia mutua de dicha pluralidad de haces de la radiación de sonda óptica dispersada desde la superficie de dicho objeto o material en la disposición de fotodetectores.
15. El sistema de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dichos medios fuente de radiación óptica están adaptados para emitir un primer haz de radiación de sonda óptica y un segundo haz de referencia de dicha radiación óptica,
incluyendo el sistema medios de propagación de dicho primer haz de radiación de sonda óptica que están adaptados para conducir dicho haz de sonda hacia la superficie de dicho objeto o material y para conducir el haz reflejado o dispersado desde la superficie de dicho objeto o material hacia medios sensores ópticos interferométricos, a través de un recorrido óptico de medición,
incluyendo el sistema medios de propagación de dicho segundo haz de radiación óptica de referencia adaptados para conducir dicho haz de referencia hacia dichos medios sensores ópticos interferométricos a través de un recorrido óptico de referencia de longitud óptica predeterminada, preferentemente equivalente a la longitud óptica del recorrido óptico de medición en una condición operativa nominal en que la posición de la superficie de dicho objeto o material es una posición nominal predeterminada con respecto al punto de referencia predeterminado asociado con el sistema; en el que los medios de propagación de los primer y segundo haces están dispuestos para superponer dichos primer y segundo haces en una región de incidencia común de dichos medios sensores ópticos interferométricos,
en el que dichos primeros medios detectores comprenden medios sensores ópticos interferométricos que incluyen una disposición de fotodetectores que se extiende a lo largo de al menos una dirección espacial, adaptada para detectar un patrón de franjas de interferencia entre el haz de medición y el haz de referencia en dicha región de incidencia común, y
en el que los medios de procesamiento están dispuestos para determinar la distancia de la superficie de dicho objeto o material desde dichos medios fuente de radiación óptica sobre la base de dicho patrón de franjas de interferencia.
16. El sistema de acuerdo con la reivindicación 7, en el que los medios de filtración de longitudes de onda están acoplados a una entrada de dichos primeros medios detectores, estando adaptados dichos medios de filtración para transmitir dicha longitud de onda predeterminada o dicho intervalo de longitudes de onda predeterminadas de la radiación de sonda óptica dispersada por la superficie de dicho objeto o material, y para bloquear longitudes de onda de la radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de dicho objeto o material.
17. El sistema de acuerdo con la reivindicación 6 o 7, en el que dichos medios de procesamiento también están dispuestos para normalizar la radiación óptica emitida térmicamente interceptada por dichos medios fotodetectores en función de la distancia determinada de la superficie de dicho objeto o material.
18. Un procedimiento para determinar la temperatura de la superficie de un objeto o material y su distancia desde un punto de referencia predeterminado asociado con un sistema óptico combinado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado por que comprende las etapas de:
- proporcionar medios fuente de radiación óptica (10) adaptados para emitir al menos una radiación de sonda óptica a una longitud de onda predeterminada o en un intervalo de longitudes de onda predeterminadas;
- controlar de forma alterna la conmutación de dichos medios fuente de radiación óptica entre una condición operativa, en la que emiten dicha al menos una radiación de sonda óptica, a una condición inoperativa, en la que no emiten ninguna radiación de sonda óptica de acuerdo con una frecuencia predeterminada;
- detectar al menos una radiación óptica dispersada y una radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de dicho objeto o material;
- determinar la distancia de la superficie de dicho objeto o material desde dicho punto de referencia sobre la base de la radiación de sonda óptica dispersada por la superficie de dicho objeto o material, detectada cuando los medios fuente de radiación óptica están operativos; y
- determinar una temperatura de la superficie de dicho objeto o material sobre la base de la radiación óptica emitida térmicamente desde la superficie de dicho objeto o material, detectada cuando los medios fuente de radiación óptica están inoperativos.
19. Una máquina para el procesamiento por láser de una pieza de trabajo o material, que funciona por medio de un haz de láser de procesamiento emitido por un cabezal de trabajo y conducido a lo largo de una trayectoria de trabajo en la pieza de trabajo o material que comprende una sucesión de áreas de procesamiento, y que incluye medios para controlar parámetros de procesamiento, caracterizada por que comprende un sistema óptico combinado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, que se acopla permanentemente a dicho cabezal de trabajo para determinar la temperatura de la superficie de dicha pieza de trabajo o material y su distancia desde el cabezal de trabajo, actuando dichos medios para controlar parámetros de procesamiento sobre la base de un diseño de procesamiento predeterminado, la temperatura determinada de la superficie de dicha pieza de trabajo o material, y la distancia determinada de la superficie de dicha pieza de trabajo o material con respecto al cabezal de trabajo.
20. La máquina de acuerdo con la reivindicación 19, en la que dichos parámetros de procesamiento incluyen al menos uno entre la intensidad y la distribución de potencia transversal del haz de láser de procesamiento, la posición relativa entre dicho cabezal de trabajo y dicha pieza de trabajo o material, la altura de depósito de material en un procedimiento de fabricación aditiva, la frecuencia o el ciclo de trabajo de activación de un haz de láser de procesamiento pulsado, la presión de un gas auxiliar, la velocidad de traslación del cabezal de trabajo a lo largo de una trayectoria de trabajo, el caudal de materiales en polvo en procedimientos de fabricación aditiva.
ES21166137T 2020-04-01 2021-03-31 Sistema óptico combinado para mediciones dimensionales y térmicas, y procedimiento de funcionamiento del mismo Active ES2949650T3 (es)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102020000006880A IT202000006880A1 (it) 2020-04-01 2020-04-01 Sistema ottico combinato per misure dimensionali e termiche, e relativo procedimento di funzionamento

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2949650T3 true ES2949650T3 (es) 2023-10-02

Family

ID=71094692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES21166137T Active ES2949650T3 (es) 2020-04-01 2021-03-31 Sistema óptico combinado para mediciones dimensionales y térmicas, y procedimiento de funcionamiento del mismo

Country Status (12)

Country Link
US (1) US12226851B2 (es)
EP (1) EP3889539B1 (es)
JP (1) JP7786884B2 (es)
KR (1) KR20210123219A (es)
CN (1) CN113494887B (es)
BR (1) BR102021006214A2 (es)
CA (1) CA3113438A1 (es)
ES (1) ES2949650T3 (es)
IT (1) IT202000006880A1 (es)
MX (1) MX2021003881A (es)
PL (1) PL3889539T3 (es)
TW (1) TW202208094A (es)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12397368B2 (en) 2010-09-25 2025-08-26 Ipg Photonics Corporation Methods and systems for coherent imaging and feedback control for modification of materials using dynamic optical path switch in the reference arms
CA2905616C (en) 2013-03-13 2021-08-24 Queen's University At Kingston Methods and systems for characterizing laser machining properties by measuring keyhole dynamics using interferometry
CN115397603B (zh) * 2020-04-16 2025-08-19 Ipg光子公司 校准系统和用于校准相干成像测量系统的方法
FI3933790T3 (fi) * 2020-06-29 2023-09-26 Haltian Oy Kohteiden laskemiseen tarkoitettu laite
CN115014569B (zh) * 2022-03-02 2024-09-20 武汉大学 一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置及方法
CN114966724B (zh) * 2022-07-27 2022-12-02 深圳市深视智能科技有限公司 测距装置及测距方法
WO2024023972A1 (ja) * 2022-07-27 2024-02-01 三菱電機株式会社 付加製造装置
US12492890B2 (en) 2022-10-27 2025-12-09 Applied Materials, Inc. In-situ reflectometry for real-time process control
DE102023111344A1 (de) * 2023-05-03 2024-11-07 Trumpf Photonic Components Gmbh Verfahren zum Messen einer Topographie eines Schweißbereichs in einem Schweißprozess sowie Schweißsystem
US20250251280A1 (en) * 2024-02-06 2025-08-07 Applied Materials, Inc. In-situ reflectometry for real-time selectivity monitoring
JP2025160067A (ja) * 2024-04-09 2025-10-22 浜松ホトニクス株式会社 レーザ加工装置及びレーザ加工方法
CN120685720B (zh) * 2025-07-17 2025-12-09 东华大学 一种纤维增强复合材料表面发射率自动测试装置及方法

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5354323A (en) * 1992-10-20 1994-10-11 Premier Laser Systems, Inc. Optical heating system
JP3117856B2 (ja) * 1993-10-25 2000-12-18 株式会社セルテックシステムズ 形鋼の熱間寸法測定装置
US5545896A (en) * 1994-06-28 1996-08-13 Santa Barbara Research Center Optically immersed semiconductor photodetectors
AU2002360461A1 (en) 2001-12-03 2003-06-17 Zygo Corporation Compensating for effects of non-isotropics gas mixtures in interferometers
DE10256365A1 (de) * 2001-12-04 2003-07-17 Ccs Inc Lichtabstrahlungsvorrichtung, Lichtquellenvorrichtung, Beleuchtungseinheit und Lichtverbindungsmechanismus
US7072051B1 (en) * 2002-05-09 2006-07-04 Powerscope Incorporated Laser diffraction process and apparatus for width measurement of elongated objects
JP2005300210A (ja) * 2004-04-07 2005-10-27 Ryoei Engineering Kk 高熱対象物形状測定装置および高熱対象物距離測定装置
JP4842551B2 (ja) * 2004-06-15 2011-12-21 住友金属工業株式会社 高温体の距離測定装置、形状測定装置、耐火構造物の健全性評価装置及び耐火構造物の健全性評価方法
DE102008024731B4 (de) * 2008-05-19 2020-08-20 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Verfahren und Vorrichtung zur Sinterung eines Objektes unter Bestimmung des geometrischen Oberflächenprofils des Objekts
US20110284508A1 (en) * 2010-05-21 2011-11-24 Kabushiki Kaisha Toshiba Welding system and welding method
JP5681416B2 (ja) 2010-09-06 2015-03-11 シャープ株式会社 距離測定装置、非接触式脈拍測定装置および電子機器
ITTO20110352A1 (it) * 2011-04-21 2012-10-22 Adige Spa Metodo per il controllo di un processo di taglio laser e sistema di taglio laser implementante tale metodo
JP2012251828A (ja) 2011-06-01 2012-12-20 Canon Inc 波長走査干渉計
JP5861190B2 (ja) 2012-12-12 2016-02-16 トヨタ自動車株式会社 非接触温度計測方法、及び、非接触温度計測装置
US9322716B2 (en) 2014-01-07 2016-04-26 Panasonic Intellectual Property Corporation Of America Component measuring apparatus and moving body
US9533375B2 (en) * 2014-10-02 2017-01-03 Industrial Technology Research Institute Temperature sensing apparatus, laser processing system, and temperature measuring method
WO2017165436A1 (en) * 2016-03-21 2017-09-28 Sigma Labs, Inc. Layer-based defect detection using normalized sensor data
IT201600070352A1 (it) 2016-07-06 2018-01-06 Adige Spa Procedimento di lavorazione laser di un materiale metallico con controllo della distribuzione di potenza trasversale del fascio laser in un piano di lavorazione, nonché macchina e programma per elaboratore per l'attuazione di un tale procedimento.
TW201811542A (zh) * 2016-07-28 2018-04-01 應用材料股份有限公司 控制用於積層製造的能量束之強度分佈
JP2018044863A (ja) 2016-09-14 2018-03-22 キヤノン株式会社 計測装置、計測方法、システム及び物品の製造方法
US11691215B2 (en) * 2017-03-31 2023-07-04 Siemens Aktiengesellschaft Apparatus and method for additive manufacturing
US10471542B1 (en) * 2017-06-27 2019-11-12 United States Of America As Represented By The Administrator Of Nasa Cladding and freeform deposition for coolant channel closeout
BE1025565B1 (fr) * 2017-09-20 2019-04-16 Optrion Sa Dispositif et methode pour controle non destructif de structures
US10942116B2 (en) * 2017-10-09 2021-03-09 Photothermal Spectroscopy Corp. Method and apparatus for enhanced photo-thermal imaging and spectroscopy
DE112019000521B4 (de) * 2018-02-21 2022-02-03 Sigma Labs, Inc. Additives Fertigungssystem und additives Fertigungsverfahren
DE102018110294A1 (de) * 2018-04-27 2019-10-31 Eos Gmbh Electro Optical Systems Verfahren und Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung
EP3650204B1 (en) * 2018-11-06 2023-03-29 Concept Laser GmbH Apparatus for additively manufacturing three-dimensional objects
US12409512B2 (en) * 2020-06-18 2025-09-09 Divergent Technologies, Inc. Determination and control of cooling rate in an additive manufacturing system

Also Published As

Publication number Publication date
TW202208094A (zh) 2022-03-01
EP3889539A1 (en) 2021-10-06
JP7786884B2 (ja) 2025-12-16
JP2021179422A (ja) 2021-11-18
PL3889539T3 (pl) 2023-08-07
CN113494887B (zh) 2026-01-09
BR102021006214A2 (pt) 2022-03-03
EP3889539B1 (en) 2023-04-26
CN113494887A (zh) 2021-10-12
CA3113438A1 (en) 2021-10-01
MX2021003881A (es) 2021-10-04
IT202000006880A1 (it) 2021-10-01
US20210308792A1 (en) 2021-10-07
KR20210123219A (ko) 2021-10-13
US12226851B2 (en) 2025-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2949650T3 (es) Sistema óptico combinado para mediciones dimensionales y térmicas, y procedimiento de funcionamiento del mismo
TWI618915B (zh) 用於檢測物件的三維結構的設備
ES2958405T3 (es) Procedimiento y sistema para determinar la distancia de separación entre un cuerpo y la superficie de un objeto por medio de técnicas de interferometría óptica de baja coherencia bajo distorsión debido a submuestreo
JP6360051B2 (ja) 光学距離測定システムを備えるマイクロリソグラフィー用の投影露光装置
JP5330749B2 (ja) 測定装置
ES2994573T3 (en) Method and system for determining and controlling the separation distance between a working head of a laser processing machine and the surface of an object being processed by means of low coherence optical interferometry techniques
ES3051935T3 (en) Method of determining the local position of at least one optical element in a machine for laser processing of a material, using low-coherence optical interferometry techniques
KR102039200B1 (ko) 레이저 회절을 통해 3ｄ 반도체 구조물의 온도를 측정하는 장치 및 방법
CN104303275B (zh) 在脉冲激光退火中使用红外干涉技术的熔化深度测定
HK40059291A (en) Combined optical system for dimensional and thermal measurements, and operating method thereof
US12298131B2 (en) Method and system for determining the position of an element of an optical system in an assembly for processing or measuring an object, as well as the position of said object relative to said assembly, by parallel interferometric measurements
TW202348960A (zh) 用以校準工件平整度之三維準直系統
Langlois et al. Simultaneous Laser Beam Profiling and Scaling Using Diffraction Edge Waves (DEW)
KR101588859B1 (ko) 레이저 장치가 부착된 망원경
Florian et al. Measurement methods of laser beam parameters