ES2994573T3

ES2994573T3 - 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

Info

Publication number: ES2994573T3
Application number: ES20835875T
Authority: ES
Inventors: Simone Donadello; Barbara Previtali; Daniele Colombo
Original assignee: Adige SpA
Current assignee: Adige SpA
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2025-01-27
Anticipated expiration: 2040-12-07
Also published as: CN115053110A; TW202142830A; CN115053110B; KR20220110254A; BR112022011030A2; IT201900023181A1; EP4070038A1; PL4070038T3; WO2021111423A1; JP7655912B2; ZA202207266B; JP2023505772A; EP4070038B1; CA3160503A1; MX2022006849A; US20230013723A1

Abstract

Se describe un método y un sistema para determinar y controlar la distancia de separación entre un cabezal de procesamiento de una máquina herramienta y la superficie de un material, que comprende: - generar un haz de radiación óptica de baja coherencia de medición, conducir el haz de medición hacia el material y conducir el haz de medición reflejado o difundido desde la superficie del material hacia una disposición de sensor interferométrico óptico en una primera dirección de incidencia, - generar un haz de radiación óptica de baja coherencia de referencia, y conducir el haz de referencia hacia la disposición de sensor interferométrico óptico en una segunda dirección de incidencia en un ángulo de incidencia predeterminado con respecto a la primera dirección de incidencia del haz de medición; - superponer el haz de medición y el haz de referencia en una región de incidencia común de la disposición de sensor; - detectar la posición de un patrón de franjas de interferencia entre el haz de medición y el haz de referencia en la región de incidencia; y - determinar una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia sobre la base de la posición del patrón de franjas de interferencia a lo largo de un eje de iluminación de la región de incidencia, que es indicativa de una diferencia entre (a) la distancia de separación actual entre el cabezal de trabajo y la superficie del material y (b) una distancia de separación nominal predeterminada. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método y sistema para determinar y controlar la distancia de separación entre un cabezal de trabajo de una máquina de procesamiento por láser y la superficie de un objeto que se está procesando por medio de técnicas de interferometría óptica de baja coherencia

Esta invención se refiere al procesamiento por láser de un material, preferiblemente un material metálico, y específicamente a la mejora del control del procesamiento por láser de un material, por ejemplo para el corte, taladrado o soldadura por láser de dicho material, o a la fabricación aditiva de estructuras predeterminadas de dicho material.

Más específicamente, la invención se refiere a un método y a un sistema para determinar la distancia de separación entre un cabezal de trabajo en una máquina para el procesamiento por láser de un material y la superficie del material, como se especifica en el preámbulo de la reivindicación 1 y de la reivindicación 14.

De acuerdo con otro aspecto, esta invención se refiere a una máquina para el procesamiento por láser de un material, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 15, que comprende un sistema para determinar la distancia de separación entre dicho cabezal de trabajo y la superficie del material, sistema que se proporciona para llevar a cabo el método anteriormente mencionado.

En la descripción y en las siguientes reivindicaciones, el término "material", y "material metálico" en la realización preferida, se utiliza para identificar cualquier producto, tal como una placa o un perfil alargado que tiene ya sea una sección transversal cerrada (por ejemplo, una forma circular, rectangular o cuadrada hueca) o una sección transversal abierta (por ejemplo, una sección transversal plana o una sección con forma de L, C o U, etc.). En la fabricación aditiva, el término "material" identifica la materia prima, generalmente un polvo, que es sometida a fusión o sinterización localizadas por medio del haz láser.

En procesos industriales para procesar materiales, placas y perfiles metálicos, en particular, el láser se utiliza como herramienta térmica para una amplia diversidad de aplicaciones que son dependientes de los parámetros en relación con la interacción entre el haz láser y el material que se está procesando, en particular de la densidad de energía por volumen de incidencia del haz láser sobre el material, y sobre el tiempo de interacción.

Por ejemplo, al dirigir una baja densidad de energía (del orden de decenas de W por mm<2>de superficie) durante una cantidad de tiempo prolongada (en el intervalo de los segundos) sobre una pieza metálica, ocurre un proceso de endurecimiento, mientras que al dirigir una alta densidad de energía (del orden de decenas de MW por mm<2>de superficie) durante un tiempo de femtosegundos o picosegundos sobre la misma pieza metálica, ocurre un proceso de fotoablación. En el intervalo intermedio del incremento de la densidad de energía y de la disminución del tiempo de procesamiento, el control de estos parámetros hace posible implementar procesos de soldadura, corte, taladrado, grabado y marcaje.

En varios procesos, incluyendo procesos de taladrado y corte, es necesario generar un flujo de un gas de asistencia en la región de procesamiento, en donde el haz láser interactúa con el material, que tiene funciones mecánicas de conducción de la masa fundida, o funciones químicas de ayuda a la combustión, o incluso funciones tecnológicas de blindaje contra entorno que rodea la región de procesamiento.

En procesos aditivos, el material puede encontrarse, por ejemplo, en forma de filamento o en forma de polvo emitido desde una boquilla a causa del flujo de un gas de asistencia, o incluso alternativamente puede estar presente en forma de lecho de polvo. El material, por lo tanto, se funde por radiación láser, obteniendo de este modo un molde tridimensional después de la resolidificación de dicho material.

En el campo del procesamiento por láser de los materiales, el corte, taladrado y soldadura por láser son procesos que pueden llevarse a cabo con la misma máquina, que es capaz de generar un haz láser enfocado de alta potencia que tiene una distribución de potencia transversal prestablecida en al menos un plano de trabajo del material, típicamente un haz láser que tiene una densidad de potencia de entre 1 y 10000 kW/mm<2>, y de controlar la dirección y la posición de incidencia del haz a lo largo del material. La diferencia entre los diversos tipos de procesamiento que pueden realizarse sobre un material es atribuible sustancialmente a la potencia del haz láser utilizado, y al tiempo de interacción entre el haz láser y el material sometido a procesamiento.

En la figura 1 y 2 se muestran máquinas de procesamiento por láser de acuerdo con la técnica anterior.

La figura 1 muestra esquemáticamente una máquina para procesos industriales al utilizar un láser de CO<2>que tiene una trayectoria óptica del haz láser en el aire, donde la máquina comprende una fuente de emisión 10, tal como un generador de láser de CO<2>que se adapta para emitir un haz láser monomodal o multimodal B, y una pluralidad de espejos reflectantes 12a, 12b y 12c que se adaptan para conducir el haz láser, emitido por la fuente de emisión, a lo largo de una trayectoria óptica para transportar el haz hacia un cabezal de trabajo, indicado en su conjunto con 14, que se dispone cerca de un material WP. El cabezal de trabajo 14 comprende un sistema óptico 16 para enfocar el haz láser, que consiste por lo general en una lente de enfoque, que se adapta para enfocar el haz láser a lo largo de un eje óptico de propagación que incide en el material metálico. Una boquilla 18 se dispone aguas abajo de la lente de enfoque, donde a través de la boquilla pasa el haz láser dirigido hacia una región de un plano de trabajo del material. La boquilla se adapta para dirigir un haz de un gas de asistencia, inyectado por una correspondiente planta (no mostrada) hacia la región de procesamiento en el material. El gas de asistencia se utiliza para controlar la ejecución de un proceso de procesamiento (taladrado o corte), así como la calidad del proceso que es obtenible. Por ejemplo, el gas de asistencia puede comprender oxígeno que facilita una reacción exotérmica con un metal, tal como la oxidación del hierro, lo cual genera diversos tipos de óxidos de hierro por medio de una reacción exoenergética, lo que en consecuencia libera energía hacia el material que contribuye, en conjunto con la energía liberada del haz láser, al mantenimiento de un equilibrio dinámico del proceso, lo que hace posible incrementar las velocidades de corte, o un gas inerte tal como el nitrógeno, que no contribuye a la fusión del material, sino que lleva a cabo una función de propulsión del propio material fundido, protege el material (metal) de la oxidación indeseable en los bordes del perfil de procesamiento, protege el cabezal de trabajo de posibles salpicaduras de la masa fundida y también puede utilizarse también para enfriar los lados de la ranura producida en el material, confinando en consecuencia la extensión de la zona afectada por calor.

La figura 2 muestra esquemáticamente una máquina de procesamiento industrial que comprende un haz láser lanzado en una fibra óptica. Esta máquina comprende una fuente de emisión 10, tal como un generador láser que puede lanzar un haz láser en una fibra de transporte, por ejemplo un láser de fibra dopada con iterbio o un láser de diodo directo, que se adapta para emitir un haz láser monomodal o multimodal, y una guía de fibra óptica 12d que se adapta para conducir el haz láser emitido por la fuente de emisión hacia el cabezal de trabajo 14 dispuesto cerca del material WP. En el cabezal de trabajo, el haz láser que emerge de la fibra con su divergencia controlada se colima por un sistema dióptrico de colimación 20 y se refleja por un sistema catóptrico 22 antes de enfocarse por medio de un sistema de enfoque óptico 16, que consiste por lo general en una lente de enfoque, a lo largo de un eje óptico de propagación que incide en el material WP que pasa a través de la boquilla de emisión 18.

Como primera aproximación, un haz láser ideal, que es un haz láser idealmente colimado en rayos paralelos, aguas abajo del sistema de enfoque óptico se concentra en un punto de enfoque que tiene dimensiones finitas en la cintura del mismo. En general, en los usos de procesamiento industrial, la condición óptima de procesos se logra cuando una posición transversal del plano corresponde a la cintura del haz definida con precisión, incluso a una décima de milímetro, con respecto a la pared del material en el que incide el haz y a la pared del material de donde sale el haz.

La distribución de la densidad de potencia de un haz láser normalmente colimado es típicamente de forma gaussiana con simetría rotacional en el caso de un haz unimodal, es decir, con potencia concentrada alrededor del eje longitudinal del haz (eje Z) y gradualmente decreciente a lo largo de una cubierta periférica, o puede describirse como la envolvente de perfiles gaussianos que tienen una simetría rotacional en el caso de un haz multimodal.

El uso de haces de radiación láser unimodal o multimodal, que pueden describirse en una primera aproximación como gaussianos, en el campo de las aplicaciones de alta potencia de los láseres, responde a las necesidades de control tecnológico. De hecho, un haz gaussiano se describe fácilmente por pequeños parámetros, y puede controlarse fácilmente en lo que respecta a su propagación a lo largo de una trayectoria óptica de transporte por una fuente de emisión en el cabezal de una máquina de procesamiento, puesto que se beneficia de la característica de propagación sin modificar la distribución de potencia y, por lo tanto, puede describirse por medio de un valor de rayo y un valor de divergencia en condiciones de propagación en el campo lejano (en cuyo caso es posible utilizar una aproximación de óptica geométrica). En condiciones de propagación en el campo cercano del haz enfocado, a lo largo de un trayecto de trabajo donde la aproximación de óptica geométrica no tiene importancia, el haz mantiene sin embargo la forma gaussiana de la distribución de potencia en cada sección transversal del mismo.

Un haz láser que comprende modos transversales de orden superior tiene, en contraste, una distribución de potencia no gaussiana. Estas condiciones típicamente se obtienen al utilizar sistemas dióptricos (sistemas ópticos de transmisión, es decir, lentes) o catóptricos (sistemas ópticos reflectantes, es decir, espejos), que modifican la forma del haz a partir de una distribución gaussiana.

El control de la dirección de propagación o de las formas de distribución de la potencia transversal del haz láser, que difieren de la forma gaussiana y que posiblemente tienen una simetría diferente a la simetría rotacional en la región de procesamiento del material, por ejemplo en relación con la distribución controlada de un gas de asistencia, o como resultado de la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y el material, del trayecto de trabajo a recorrer y del tipo de proceso a realizar, es favorable para el proceso de procesamiento. Por ejemplo, el control de la distribución de potencia de un haz láser, posiblemente al romper la simetría rotacional del haz, puede hacer posible identificar o expandir la distribución de potencia, cuando sea necesario, en relación con la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y el material y con el trayecto de trabajo.

Es evidente que el control de la dirección de propagación del haz láser, o de la forma de distribución de la potencia transversal del haz láser, tiene que ser lo más preciso y repetible posible, de modo que puedan lograrse las ventajas indicadas. Por esta razón, es necesario que el movimiento del cabezal de trabajo y la posición del extremo proximal del mismo con respecto al material, es decir, la posición de la salida de haz láser (y de la boquilla para la salida del gas de asistencia durante los procesos que lo requieren) con respecto al material, y en particular con respecto al punto donde el haz láser incide en el material, se controlen con extrema precisión y en tiempo real en base a la condición de procesamiento actual y a la posición actual a lo largo del trayecto de trabajo. En contraste, existe el riesgo de enfocar la potencia del láser en un plano de trabajo indeseable en el grosor del material, así como de utilizar una presión del gas de asistencia que, en la superficie del material, sea excesiva o insuficiente.

Por estas razones, en el campo del procesamiento por láser, es deseable tener la capacidad de determinar con exactitud la distancia de separación entre el cabezal de trabajo, es decir, el extremo proximal del cabezal de trabajo con respecto al material, y la superficie de dicho material.

En la realización de procesos en materiales metálicos, se conoce el uso de sensores capacitivos provistos para detectar el cambio en la capacitancia eléctrica entre el extremo metálico del cabezal de trabajo, por ejemplo la abertura en la boquilla, y la superficie del material.

Tal solución se da en la figura 3 como ejemplo. La figura muestra un cabezal de trabajo 14, de acuerdo con una realización de la técnica anterior, que se dispone a una distancia de separación d del material WP que se está procesando, y una unidad electrónica asociada ECU para controlar el proceso. El haz láser generado por la fuente de emisión, transportado hasta el cabezal de trabajo 14 por medio de una trayectoria óptica en el aire que tiene múltiples reflexiones o en una fibra óptica, se colima hacia el sistema de enfoque óptico a lo largo del eje óptico de propagación en una dirección de incidencia sobre el material que se está procesando, y emerge de una salida de haz 32, preferiblemente en o aguas abajo de un vidrio protector (no mostrado) que se adapta para proteger el sistema de enfoque de posibles salpicaduras de la masa fundida.

La expresión "salida de haz", en la siguiente descripción, indica la porción del cabezal de trabajo desde la cual el haz láser de procesamiento emerge hacia el aire libre, es decir, se propaga fuera del volumen del cabezal hacia el material que se está procesando, y puede ser la porción de extremo del sistema de enfoque óptico o una estructura protectora del mismo, o el extremo ahusado de una boquilla para suministrar un flujo de gas de asistencia para aplicaciones que requieren el suministro de gas al proceso. Esta porción puede considerarse como la porción distal del cabezal de trabajo, teniendo como referencia toda la máquina, o como el extremo proximal al material que se está procesando, y estos términos se utilizarán por igual en la descripción.

Los medios activadores de movimiento 40 se acoplan al cabezal de trabajo 14 y se controlan por la unidad ECU para controlar el proceso por medio de los servomotores 42, con el fin de controlar los parámetros mecánicos del proceso, por ejemplo para controlar el movimiento del cabezal de trabajo a lo largo de los grados de libertad otorgados al mismo por la realización específica de la máquina, con el fin de seguir un trayecto de trabajo programado T en el material que se está procesando, en particular para el movimiento a lo largo del eje Z hacia y lejos del material en base a su perfil o al perfil de procesamiento. También se proporcionan medios (no mostrados) para ajustar mecánicamente el sistema de enfoque óptico, con el fin de calibrar la posición del sistema transversalmente a la dirección de propagación de haz (eje X-Y) y en la dirección de propagación de haz (eje Z).

Un sensor capacitivo asociado con el cabezal de trabajo 10 se indica con 44 y se configura para detectar la variación en la capacitancia eléctrica entre el extremo 32 del cabezal de trabajo que es proximal al material, aquí la abertura en la boquilla que coincide con la salida de haz láser, y la superficie del material WP, colocada a un potencial de referencia. La señal de capacitancia eléctrica detectada por el sensor 44 se procesa por un módulo de ordenador 22 asociado programado para determinar la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y el material en base al valor de la capacitancia eléctrica adquirida, teniendo conocimiento de los parámetros de la máquina y del proceso, y se reenvía desde ahí a la unidad ECU para controlar el proceso con el fin de controlar el movimiento del cabezal de trabajo al utilizar retroalimentación.

Esta técnica, de manera desfavorable, no es aplicable cuando se procesan materiales que no son metálicos.

Esto también carece de exactitud, puesto que el efecto capacitivo no sólo se produce localmente entre la salida de haz láser y el correspondiente punto de incidencia en el material, sino también como resultado de las grandes superficies del cabezal de trabajo y del material cerca de la salida de haz láser y del punto de incidencia. En caso de que se produzcan curvas significativas (positivas o negativas) en la superficie del material cerca de los bordes, o en el caso de que el cabezal de trabajo se aproxime al material en direcciones que no son ortogonales a la superficie local, es necesario ejecutar algoritmos de cálculo para compensar las mediciones, algoritmos que son bastante onerosos en términos computacionales y que, en cualquier caso, no son capaces de compensar completamente la complejidad de las configuraciones que pueden encontrarse en la realidad.

El documento WO2010/092533 A1 divulga un método y un aparato para la medición topológica o de forma de objetos mediante el uso de una técnica interferométrica que comprende una fuente óptica con coherencia seleccionable.

El documento US2016/059350 A1 divulga un método para medir la distancia entre una pieza de trabajo y un cabezal de mecanizado de un aparato de mecanizado por láser, basado en un haz de objeto dirigido sobre la pieza de trabajo mediante una fuente de luz de un tomógrafo de coherencia óptica y un haz de medición usado para compensar falsificaciones de la distancia medida que son causadas por fluctuaciones de presión en el interior del cabezal de mecanizado.

El documento US2019299327 A1 divulga un método, un aparato y un sistema para monitorizar y caracterizar la dinámica de una región de cambio de fase creada durante soldadura por láser y otros procesos de modificación de material, usando interferometría de baja coherencia.

El artículo de P. de Groot y L. Deck, "Three-dimensional imaging by sub-Nyquist sampling of white-light interferograms", OPTICS LETTERS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, EE.UU., vol. 18, n° 17, 1993, páginas 1462 - 1464 (XP000388166), demuestra una manera sencilla de incrementar la velocidad de procesamiento y adquisición de datos en un interferómetro de luz blanca de escaneo para la medición topográfica superficial, mediante el submuestreo de datos de interferencia y el procesamiento de los resultantes interferogramas en el dominio frecuencia para crear imágenes tridimensionales completas.

El artículo de P. Girshovitz et al., "Doubling the field of view in off-axis low-coherence interferometric imaging", LIGHT: SCIENCE & APPLICATIONS, vol. 3, n° 3, 2014, página e151 (XP055164585), presenta una nueva estrategia interferométrica y holográfica, llamada interferometría con área de formación de imagen duplicada, con el que es posible duplicar el campo de visión de cámara a la vez que se realiza una creación de imágenes interferométrica fuera de eje, sin cambiar los parámetros de creación de imágenes, tales como el aumento y la resolución.

Esta invención tiene como finalidad proporcionar un método para determinar la distancia de separación entre el cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento por láser de un material y la superficie de dicho material, método que es exacto y robusto, que no se ve afectado por efectos vinculados a la forma del material sobre el que funciona la máquina o a las condiciones de procesamiento, por ejemplo la velocidad relativa y la dirección de traslación del cabezal de trabajo con respecto al material.

Un objeto adicional de esta invención es proporcionar un método para determinar la distancia de separación entre el cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento por láser de un material y la superficie de dicho material en un amplio intervalo de distancias medibles sin poner en peligro la exactitud de medición.

De acuerdo con esta invención, estos objetos se logran a causa de un método para determinar la distancia de separación entre un cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento por láser de un material y la superficie de dicho material, método que tiene los rasgos mencionados en la reivindicación 1.

Realizaciones específicas forman la materia objeto de las reivindicaciones dependientes, y se entenderá que su contenido es parte integral de la presente descripción.

Esta invención también se refiere a un sistema para determinar la distancia de separación entre un cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento por láser de un material y la superficie de dicho material, sistema que tiene los rasgos mencionados en la reivindicación 14.

La invención también se refiere a una máquina para el procesamiento por láser de un material, la cual comprende un sistema para determinar la distancia de separación entre dicho cabezal de trabajo y la superficie del material, sistema que se configura para llevar a cabo el método anteriormente mencionado.

En resumen, esta invención se basa en la aplicación de los principios de la interferometría óptica.

El término "interferometría óptica" indica una pluralidad de técnicas que hacen uso del fenómeno de la interferencia entre un haz óptico de medición y un haz óptico de referencia, donde los haces se superponen y generan franjas de interferencia. La teoría de la interferometría óptica en luz coherente es ampliamente conocida y se utiliza para la comparación relativa entre distancias sin ser capaz, sin embargo, de ofrecer información de medición absoluta unívoca para dichas distancias, por ejemplo en caso de una interrupción temporal de la señal óptica.

Esta invención se inspira en la consideración de que puede llevarse a cabo una medición de distancia absoluta en el dominio óptico al utilizar una técnica de interferometría de baja coherencia. La interferometría de baja coherencia es una técnica simple para medir distancias entre una sonda y un objetivo con alta precisión, y se basa en la comparación entre la distancia recorrida por un haz óptico de medición que se propaga desde una fuente hasta un montaje de detector y que, en esta trayectoria, se emite por la sonda y se retrorrefleja por el objetivo, y la distancia recorrida por un haz óptico de referencia que se propaga desde la fuente hasta el montaje de detector a través de una trayectoria de referencia sintonizada con la trayectoria de medición en una condición de distancia nominal conocida entre la sonda y el objetivo.

En la interferometría de baja coherencia, los haces ópticos de medición y de referencia se generan por fuentes de baja coherencia, por ejemplo LED o diodos superluminiscentes, y las franjas de interferencia entre los haces anteriormente mencionados sólo aparecen cuando las respectivas trayectorias ópticas (o longitudes de trayectorias ópticas) se corresponden, donde la trayectoria óptica se define como la suma de los productos entre las longitudes geométricas y los respectivos índices de refracción dentro de cada porción a lo largo de toda la trayectoria óptica recorrida (es decir, cuando la longitud de la trayectoria de medición corresponde a la longitud de la trayectoria de referencia dentro del intervalo de longitudes de coherencia). Al asumir que se conoce la longitud de la trayectoria de referencia, es posible derivar la longitud de la trayectoria de medición al detectar la presencia de la envolvente de las franjas de interferencia con una resolución del orden de la longitud de coherencia que típicamente se encuentra en el intervalo de los micrómetros (de 5 um a 100 um).

Esta técnica es particularmente robusta en lo que respecta al ruido óptico, puesto que la luz que viene de otras fuentes o de dicho proceso de procesamiento por láser, se suma de manera incoherente a la señal interferométrica sin alterar el patrón de las franjas de interferencia. La medición se aplica localmente en el punto al cual se dirige el haz óptico de medición, y es independiente de la morfología del entorno. Esto también hace posible las mediciones absolutas precisas de la distancia, en una distribución que es sustancialmente coaxial con el proceso por láser.

Ventajosamente, la técnica de interferometría de baja coherencia, con la detección del patrón de franjas de interferencia en el dominio espacial, es la más prometedora y más eficiente en lo que respecta a la flexibilidad operativa para los objetos de esta invención, en comparación con la detección en el dominio tiempo o del dominio frecuencia.

De hecho, en la interferometría de baja coherencia con la detección en el dominio tiempo, el patrón de franjas de interferencia se detecta por un fotodiodo o por una matriz de fotodiodos, o por un tamiz de adquisición similar, al adaptar la longitud de la trayectoria de referencia con el fin de alcanzar una condición donde las longitudes de la trayectoria de referencia y de la trayectoria de medición se correspondan, excepto por una tolerancia del orden de la longitud de coherencia. En este caso, la limitación en el intervalo de mediciones disponibles se asocia a la adaptación de la longitud de la trayectoria de referencia que, por ejemplo, se lleva a cabo por medio de la traslación de un elemento de retrorreflexión que se dispone a lo largo de la trayectoria anteriormente mencionada, siendo posible que el intervalo espacial de traslación, del elemento de retrorreflexión de la trayectoria de referencia, esté comprendido entre unas cuantas micras hasta varios milímetros, donde el tamaño del intervalo de traslación está en detrimento de la velocidad de accionamiento o de la complejidad operacional.

Aunque la técnica de detección en el dominio tiempo es bastante simple de llevar a cabo y hace posible lograr fácilmente la correspondencia entre las longitudes ópticas absolutas de la trayectoria de medición y de la trayectoria de referencia, es inadecuada, sin embargo, para su implementación en aplicaciones en las que se mide el curso de un proceso industrial en tiempo real. De hecho, para una medición dinámica, la longitud de la trayectoria de referencia debe modularse continuamente para encontrar la condición en la cual corresponde con la longitud de la trayectoria de medición actual, donde la condición ocasiona la aparición del patrón de franjas de interferencia. Esto puede obtenerse por medio de diversos tipos de dispositivos de control, incluyendo moduladores de índices de refracción o activadores mecánicos de acción rápida, por ejemplo activadores piezoeléctricos; sin embargo, estos tipos de dispositivos son bastante caros y muy delicados puesto que tienen que funcionar a una velocidad de accionamiento mucho más rápida que la tasa de muestreo para medir la distancia, que está típicamente por encima de los kHz, una condición que a menudo no puede obtenerse fácilmente, en especial en el intervalo de los desplazamientos grandes.

Una técnica de detección diferente se basa en la relación de transformadas de Fourier entre la función de densidad espectral y la correlación cruzada de los haces de medición y de referencia, por medio de lo cual es posible extraer la medición diferencial de distancias en el espacio real, a partir del perfil espectral de las longitudes de onda de los dos haces de interferencia. De esta manera, no se requieren activadores mecánicos para alinear la longitud de la trayectoria de referencia con la longitud de la trayectoria de medición. Una adquisición espectral individual, de los haces de medición y de referencia superpuestos, es posible al utilizar una rejilla de difracción y una lente de enfoque aguas abajo de la misma, para proyectar la distribución espectral de los haces interferentes en un dispositivo de 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 con la diferencia entre las longitudes ópticas de la trayectoria de medición y de la trayectoria de referencia. Un algoritmo para calcular la transformada de Fourier, por ejemplo un algoritmo de FFT, se aplica con el fin de extraer la medición del pico de intensidad de señal en relación con la diferencia entre las trayectorias ópticas en el espacio real.

Esta técnica también requiere elementos ópticos de alta calidad, que tienen que alinearse con extrema precisión, y sensores rápidos para adquirir las señales. Aún más, las señales de retrorreflexión pueden determinar artefactos en la medición, y la sensibilidad de la adquisición puede reducirse por la presencia de señales de autocorrelación, en particular en el caso de superficies altamente reflectantes. Con el fin de calcular las distancias absolutas, es necesario procesar rápidamente las señales en base a la ejecución de algoritmos de FFT, los cuales requieren instrumentos computacionales específicos.

A diferencia de las técnicas de interferometría de baja coherencia en el dominio tiempo, en el cual se distribuye temporalmente un escaneo de las longitudes de la trayectoria de referencia, y en el dominio frecuencia, en el cual la información de comparaciones, entre la longitud de la trayectoria de medición y la trayectoria de referencia, se codifica en el espacio de longitudes de onda, la técnica de interferometría de baja coherencia, con la detección en el dominio espacial, combina las dos técnicas previas y permite visualizar directamente el resultado de la medición en el espacio real, lo que hace posible una adquisición rápida del mismo por medio de un dispositivo económico, tal como un sensor de imágenes, por ejemplo un sensor lineal.

En el diseño típico de un sistema interferométrico de baja coherencia, con la detección en el dominio espacial, los haces de medición y de referencia inciden, superpuestos, en la superficie de medios de sensor desde diferentes direcciones, y la superficie de los medios de sensor se adapta directamente para detectar el patrón de franjas de interferencia que surge de esta superposición. En esta configuración, una variación espacial, en la trayectoria óptica de medición con respecto a la trayectoria óptica de referencia, se muestra directamente en los medios de sensor como resultado del ángulo mutuo de inclinación de los dos haces. Por lo tanto, la medición de la diferencia entre la longitud de la trayectoria óptica de medición, y la longitud de la trayectoria óptica de referencia, puede extraerse simplemente al detectar la posición del patrón de las franjas de interferencia en los medios de sensor, donde la extensión del patrón de las franjas de interferencia, en la dimensión lineal de los medios de sensor, es del orden de la longitud de coherencia de la radiación óptica de los haces.

En la técnica de interferometría de baja coherencia con la detección en el dominio espacial, la longitud de la trayectoria óptica de cada haz, que incide oblicuamente en la región común de incidencia de los medios de sensor, varía linealmente con la posición a lo largo del eje de iluminación de los medios de sensor, por lo que la diferencia entre las trayectorias ópticas de medición y de referencia también varía linealmente. El patrón de franjas de interferencia aparece en un intervalo lineal específico de la imagen adquirida por los medios de sensor, lo que corresponde a la condición en la cual las longitudes ópticas de la trayectoria de medición y de la trayectoria de referencia son iguales dentro de la longitud de coherencia de la radiación óptica, mientras que, en las otras regiones de los medios de sensor, los haces están incoherentemente superpuestos. Al detectar la posición de la envolvente del patrón de franjas de interferencia, a lo largo de la extensión lineal de los medios de sensor, es posible extraer la longitud particular de la trayectoria de medición.

Esta medida sólo se limita por las condiciones en las cuales la envolvente del patrón de franjas de interferencia se forma dentro de la región de iluminación de los medios de sensor, es decir, dentro de la región sensible de los dispositivos fotodetectores que forman los medios de sensor. El intervalo de mediciones se determina por la inclinación de los haces en la región de incidencia, o mejor aún, por el ángulo de incidencia entre los mismos, y (con la misma inclinación de los haces) a partir del mínimo del número de fotodetectores o regiones de fotodetección (también referidos como píxeles de los medios de sensor), que se iluminan por los haces superpuestos y el número global de fotodetectores de la disposición de sensor, o a partir del número mínimo de regiones (píxeles) que tienen que iluminarse con el fin de desmodular el patrón de las franjas de interferencia con respecto al número global de regiones (píxeles) disponibles en los medios de sensor. Bajo condiciones comunes que comprenden una disposición de sensor que tiene varios miles de fotodetectores, puede obtenerse un intervalo de mediciones de varias décimas de milímetro antes de la aparición de un efecto de solapamiento de las franjas de interferencia. Sin embargo, los inventores han demostrado que la presencia del efecto de solapamiento, del patrón de franjas de interferencia, no limita la medición sino que, de hecho, puede utilizarse para incrementar el intervalo de distancias medibles, como se describirá con mayor detalle a continuación. De hecho, este sistema de submuestreo se traduce en una desmodulación efectiva del patrón de franjas a frecuencias espaciales más bajas, obteniéndose la desmodulación de una manera análoga directamente a nivel de los fotodetectores de la disposición de sensor interferométrica, sin necesidad de interponer elementos adicionales.

Ventajosamente, la adopción de una técnica de interferometría, con la detección en el dominio espacial, hace posible realizar mediciones de distancia exactas utilizando un sistema estático de trayectorias ópticas de medición y de referencia, y para cada adquisición o muestreo individual de la distribución espacial de la radiación óptica de los haces de medición y de referencia superpuestos, que inciden en los medios de sensor. Con el fin de proporcionar un sistema de esta clase, son exclusivamente necesarios elementos ópticos estándar, y las señales emitidas por los medios de sensor se procesan en base a simples algoritmos de cálculo, lo cual por lo tanto no es computacionalmente oneroso. Con esta técnica también se superan los inconvenientes de la técnica de detección en el dominio frecuencia, es decir, la presencia de componentes de señales de autocorrelación, los artefactos en frecuencias negativas, y la reducción en la sensibilidad en valores altos para las distancias medibles.

De acuerdo con la invención, la aplicación de las consideraciones expuestas anteriormente a una máquina para el procesamiento por láser de un material, en particular para corte, taladrado o soldadura por láser o la fabricación aditiva, se logra por medio de la disposición de un sistema interferométrico que comprende una trayectoria óptica de medición que se integra, al menos en parte, en el cabezal de trabajo, y una trayectoria óptica de referencia asociada a la trayectoria óptica de medición, que también puede integrarse en el cabezal de trabajo o fuera del mismo, en donde la trayectoria óptica de medición emerge del cabezal de medición en la región de la salida del haz o, más generalmente, en el extremo del cabezal que es proximal a la superficie del material que se está procesando.

Se presentarán rasgos y ventajas adicionales de la invención con mayor detalle en la siguiente descripción detallada de una realización de la misma, dada a modo de ejemplo no limitante, con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:

las figuras 1 y 2 son ejemplos de máquinas de procesamiento por láser, de acuerdo con la técnica anterior; la figura 3 muestra un ejemplo esquemático de un cabezal de trabajo de una máquina láser, cerca de un material que se está procesando, y medios de control relacionados, de acuerdo con la técnica anterior;

la figura 4 es una vista esquemática de la configuración de un sistema interferométrico de baja coherencia lineal con detección espacial;

la figura 4b es una vista esquemática de la variación en las longitudes de las trayectorias ópticas de medición y de referencia con respecto al punto de incidencia relativo, en un eje de iluminación de una disposición de sensor, del patrón de franjas de interferencia;

la figura 4c es una vista esquemática (gráfica superior) de la variación en la diferencia entre las longitudes de las trayectorias ópticas de medición y de referencia con respecto al punto de incidencia relativo, en un eje de iluminación de una disposición de sensor, del patrón de franjas de interferencia, y la identificación de un patrón de franjas de interferencia en el eje de iluminación de la disposición de sensor en una condición en la cual las longitudes ópticas de las trayectorias de medición y de referencia son iguales (gráfica inferior);

la figura 5 es un diagrama simplificado de un sistema para determinar la distancia de separación entre un cabezal de trabajo, de una máquina para el procesamiento por láser de un material, y la superficie del material, que es la materia objeto de la invención;

la figura 6 muestra esquemáticamente la trayectoria del haz láser de procesamiento y del haz óptico de medición de baja coherencia en un cabezal de trabajo, de acuerdo con una realización simplificada del cabezal de trabajo; la figura 7 es un detalle de la posición relativa del haz láser de procesamiento y del haz óptico de baja coherencia de medición en la salida del cabezal de trabajo, en una región de corte o de taladrado del material;

la figura 8 es una gráfica que muestra la tendencia del valor de contraste o de visibilidad para el patrón simulado de franjas de interferencia, en función de la relación proporcional entre la frecuencia espacial de dicho patrón de franjas de interferencia y la frecuencia espacial de los fotodetectores, en una disposición lineal de fotodetectores a lo largo del eje de iluminación de la disposición de sensor del patrón de franjas de interferencia;

la figura 9a es una gráfica que muestra una relación de dependencia entre el resultado de la lectura de interferometría, expresado en términos de diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia, y la presión de un gas de asistencia utilizado, por ejemplo, en un proceso de corte con láser, que se forma a lo largo de una porción de la trayectoria óptica de medición, por una distancia de separación predeterminada entre el cabezal de trabajo y la superficie del material;

la figura 9b es una gráfica que muestra una relación de dependencia entre el resultado de la lectura de interferometría, expresado en términos de cambio en la posición local de una superficie de un elemento óptico, para proteger o delimitar la cámara del gas de asistencia a lo largo del haz de medición, y la tendencia (incremento, disminución) de la presión del gas de asistencia;

la figura 10a es un diagrama que muestra una señal principal indicativa de la identificación del patrón de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación de la disposición de sensor, en función de la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y el material, y correspondientes señales multiplexadas adicionales indicativas de la identificación de respectivos patrones adicionales de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación de la disposición de sensor, que resultan de una trayectoria óptica de medición o de referencia adicional a lo largo de la cual se está viajando, que tiene una longitud geométrica que difiere de la longitud geométrica de la trayectoria óptica de medición o de referencia principal, que incluye al menos una retrorreflexión parcial en la superficie de un elemento óptico interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser de procesamiento;

la figura 10b es una curva de calibración ejemplar que representa la tendencia del pico de la señal indicativa de un patrón principal de franjas de interferencia, en función de la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y el material; y

la figura 10c muestra una serie de gráficas que representan una medición tomada durante un proceso de corte. Las figuras 1 a 3 se han descrito previamente con referencia a la técnica anterior, y al contenido de las mismas se hace referencia aquí siempre y cuando sea común a la producción controlada de una máquina de procesamiento, con el fin de llevar a cabo un método de acuerdo con la enseñanza de esta invención.

La figura 4a es una vista esquemática de la configuración de un sistema interferométrico de baja coherencia con detección espacial lineal. Un haz colimado de radiación óptica de medición, indicado por M, y un haz colimado de referencia de la misma radiación óptica, indicado por R, inciden como para superponerse en una región común de incidencia C de una disposición de sensor S, en un ángulo de incidencia predeterminado a, donde forman un patrón de franjas de interferencia F, cuya extensión en la región común de incidencia es del orden de la longitud de coherencia de la radiación óptica. La anchura del haz colimado de medición de radiación óptica y la anchura del haz colimado de referencia de radiación óptica son preferiblemente de un tamaño tal como para iluminar sustancialmente toda la disposición de sensor. Con el fin de incrementar la intensidad y el contraste de la señal detectada, los haces pueden concentrarse en el sensor en la dirección que es perpendicular al eje de iluminación, por ejemplo por medio de una lente de enfoque cilíndrica.

La disposición de sensor S comprende, por ejemplo, una disposición de fotodetectores a lo largo de al menos un eje de iluminación de la región de incidencia (eje de las abscisas en la figura). La disposición de fotodetectores es una disposición lineal o bidimensional de fotodetectores, preferiblemente una disposición lineal. El eje de iluminación de la región de incidencia se determina por la intersección entre el plano definido por el ángulo de incidencia del haz de medición M y del haz de referencia R y la superficie de sensor de dicha disposición de sensor.

En la figura 4b, la gráfica muestra esquemáticamente la variación en las longitudes p de las trayectorias ópticas de medición y de referencia, en alusión al frente de onda incidente inicial de los respectivos haces de medición y de referencia en la región común de incidencia de la disposición de sensor S, en la configuración típica en la cual los dos haces incidentes son simétricos en la disposición de sensor. El eje de las abscisas indica la posición o coordenada x a lo largo del eje de iluminación de la disposición de fotodetectores. El número de referencia p1 indica la longitud adicional de una primera trayectoria óptica, por ejemplo la trayectoria óptica de medición del haz de radiación óptica de medición M, con respecto al punto de incidencia inicial del frente de onda del haz de medición M en un primer extremo de la región común de incidencia C, xi, que es el origen del eje de medición. El número de referencia p2 indica la longitud adicional de una segunda trayectoria óptica, por ejemplo la trayectoria óptica de referencia del haz de radiación óptica de referencia R, con respecto al punto de incidencia inicial del frente de onda del haz de referencia R en un segundo extremo de la región común de incidencia, x<2>, que es opuesto al primero. El número de referencia Ap indica la diferencia entre las longitudes adicionales de las dos trayectorias, p1 - p2, que es cero en la coordenada intermedia de la disposición de sensor, y varía de un valor Apxi, en el extremo xi de la región común de incidencia, a un valor Apx<2>en el extremo x<2>de la región común de incidencia.

En la figura 4c, la gráfica superior muestra la curva Ap que corresponde a la gráfica en la figura 4b, y la gráfica inferior muestra la identificación de un patrón de franjas de interferencia F en el eje de iluminación (x) de la disposición de sensor S, que tiene lugar cuando las longitudes ópticas de las trayectorias de medición y de referencia son iguales. La envolvente del patrón de franjas de interferencia F se indica con un rayado, y la diferencia particular App, entre las longitudes adicionales de las trayectorias de los haces ópticos de medición y de referencia, se asocia con la coordenada del pico de envolvente, xp, mediante la gráfica superior.

P<m>y P<r>indican las trayectorias de medición y de referencia, cuyas longitudes globales pueden expresarse como P<m>= P1 p1 y P<r>= P2 p2, donde P1 es la longitud óptica de la trayectoria óptica de medición desde la fuente de radiación óptica de baja coherencia hasta el primer frente de onda incidente en la disposición de sensor, y P2 es la longitud óptica de la trayectoria óptica de referencia desde la misma fuente de radiación óptica de baja coherencia hasta el primer frente de onda incidente en la disposición de sensor, y preferiblemente es constante. Es posible considerar que P1 se compone de Phead Dstandoff, donde Phead es la longitud de la trayectoria óptica aguas arriba y dentro del cabezal de trabajo, incluyendo una primera porción entre la fuente de radiación óptica de baja coherencia y el extremo del cabezal de trabajo que se encuentra proximal al material WP que se está procesando (por ejemplo, la salida de haz láser 32), y una segunda porción entre el extremo proximal anteriormente mencionado del cabezal de trabajo (por ejemplo, la salida de haz láser 32) y la disposición de sensor S, cuyas porciones tienen una particular longitud geométrica predeterminado e invariante, y Dstandoff es la distancia de separación al aire libre entre el extremo del cabezal de trabajo que se encuentra proximal al material WP que se está procesando y la superficie de dicho material. P2 es la longitud óptica de la trayectoria óptica de referencia, que es equivalente a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medición en una condición de funcionamiento nominal, indicada en lo siguiente como P1nom, en donde la distancia entre el extremo proximal del cabezal de trabajo (por ejemplo, la salida de haz láser 32), y la superficie del material WP, corresponde a una distancia de separación nominal predeterminada Dstandoff_nom.

La diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia se representa matemáticamente como:

P<m>- P<r>

y las franjas de interferencia aparecen en la condición en la cual esto es cero, es decir:

P<m>- P<r>- 0

una relación que puede descomponerse como:

P1 p1 - (P2 p2) - 0

que puede escribirse nuevamente como:

Phead Dstandoff p1 - P2 - p2 — 0

a partir de lo cual se deduce lo siguiente:

Phead Dstandoff - P2 Ap — 0

Phead Dstandoff - P1 nom Ap — 0

Phead Dstandoff - Phead - Dstandoff_ nom Ap — 0

Ap — Dstandoff_nom - Dstandoff

es decir, la diferencia entre (a) la distancia de separación actual entre el cabezal de trabajo y la superficie del material en la región de procesamiento, Dstandoff, y (b) la distancia de separación nominal, Dstandoff_nom, es igual a la diferencia entre las longitudes adicionales de la trayectoria óptica de medición y de la trayectoria óptica de referencia.

Por lo tanto, una distancia de separación actual entre el cabezal de trabajo 14 y la superficie del material WP, que es diferente a la distancia de separación nominal, determinada por una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia, es atribuible a una diferencia entre las longitudes adicionales de la trayectoria óptica de medición y de la trayectoria óptica de referencia, por lo tanto a un movimiento del patrón de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación x de la disposición de sensor S con respecto a una posición nominal, por ejemplo el plano medial de dicha disposición de sensor S. Se hace notar que, en una aplicación de corte o taladrado por láser que involucra un flujo de gas de asistencia, el extremo del cabezal de trabajo que se encuentra proximal al material que se está procesando es generalmente la porción de extremo de la boquilla de gas de asistencia, mientras que en una aplicación de soldadura o fabricación aditiva, en la cual no se suministra gas, el extremo del cabezal de trabajo que se encuentra proximal al material que se está procesando generalmente es la salida de haz láser de procesamiento.

En la aplicación que forma la materia objeto de la invención, la longitud de la trayectoria óptica de referencia se ajusta como para corresponder a la longitud de la trayectoria óptica de medición a una distancia de separación nominal prestablecida entre el cabezal de trabajo y la superficie del material en la región de procesamiento, y la diferencia entre (a) la distancia de separación actual entre el cabezal de trabajo y la superficie del material en la región de procesamiento, y (b) la distancia de separación nominal predeterminada resulta de la diferencia en la longitud entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia, que se puede identificar en base a la posición del patrón de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación de la región de incidencia de la disposición de sensor S. Ventajosamente, una posición intermedia del patrón de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación corresponde a dicha distancia de separación nominal prestablecida. Alternativamente, una posición de extremo del patrón de franjas de interferencia, a lo largo del eje de iluminación, puede corresponder a una distancia de separación nominal nula entre una boquilla y el material que se está procesando, lo cual es equivalente al contacto entre la boquilla que constituye el extremo proximal del cabezal y el material, lo que en consecuencia permite que la distancia de separación entre los mismos sólo se incremente y, por lo tanto, el patrón de franjas de interferencia se mueve exclusivamente hacia el extremo opuesto del eje de iluminación.

Con referencia a la gráfica inferior en la figura 4c, la posición Xp del patrón de franjas de interferencia, a lo largo del eje de iluminación, es la posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica de dicho patrón de franjas de interferencia, y esta posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica de dicho patrón de franjas de interferencia es, por ejemplo, la posición de la intensidad pico o máxima de la envolvente de la radiación óptica, o la posición intermedia de los fotodetectores ponderada con la intensidad óptica de la envolvente de franja.

La detección de la envolvente de franja puede llevarse a cabo por medio de técnicas de desmodulación de perfiles de intensidad óptica, por ejemplo al aplicar un filtro espacial paso banda, o filtros paso alto y paso bajo en una secuencia, como para revelar los únicos componentes de señales que corresponden a la frecuencia espacial de las franjas de interferencia. Por ejemplo, en una primera etapa de procesamiento de los datos de intensidad óptica, la intensidad óptica detectada por una matriz de sensores se integra en la dirección que es perpendicular a la dirección de desarrollo de la franja de interferencia, por ejemplo para las columnas de una matriz de sensores orientados como para recibir un patrón de franjas de interferencia alineadas verticalmente (esta operación no se requiere si la disposición de sensor es una disposición lineal de fotodetectores en los cuales se enfocan los haces por medio de una lente cilíndrica). Posteriormente, la señal generada por los fotodetectores se normaliza con respecto a una señal de fondo, por ejemplo extraída de una imagen desprovista de franjas de interferencia. Por lo tanto, se aplica un filtro espacial paso alto, por ejemplo a 1/5 de la frecuencia espacial de fotodetectores, con el fin de retirar la referencia basal y mantener el patrón de franjas de interferencia. Puesto que, de esta manera, se obtiene una señal que oscila alrededor de cero, el valor absoluto de la señal se extrae y, por lo tanto, se aplica un filtro espacial paso bajo, por ejemplo a 1/25 de la frecuencia espacial de fotodetectores, con el fin de extraer la envolvente del patrón de franjas de interferencia. La posición del patrón de las franjas de interferencia se obtiene por último al detectar la posición de la envolvente del patrón de franjas al buscar la máxima de las mismas, o al comparar la envolvente con una función de modelos predeterminada (por ejemplo, una función gaussiana) y extraer el pico de la función de modelos.

La figura 5 muestra un diagrama ejemplar de un sistema para determinar la distancia de separación entre un cabezal de trabajo 14 de una máquina para el procesamiento por láser de un material WP y la superficie de dicho material, lo cual forma la materia objeto de la invención, en concordancia con una realización que se prefiere actualmente.

En la figura, 100 indica una fuente de radiación óptica de baja coherencia que tiene adecuadamente una polarización lineal, tal como un LED o un diodo superluminiscente, que funciona por ejemplo en el intervalo de longitud de onda visible o del infrarrojo cercano. La radiación óptica emitida por la fuente 100, aguas abajo de un aislador óptico 120 adecuado, se inyecta en una guía óptica de ondas, por ejemplo una fibra óptica 140, y se lleva a un divisor de haz 160 que se adapta para generar un haz de radiación óptica de medición M, el cual se encamina en una trayectoria óptica de medición P<m>, y un haz de radiación óptica de referencia R que se encamina en una trayectoria óptica de referencia P<r>.

La trayectoria óptica de medición P<m>y la trayectoria óptica de referencia P<r>son trayectorias guiadas e incluyen guías ópticas (por ejemplo, fibras ópticas) que se adaptan para mantener la misma polarización del haz a lo largo de toda la trayectoria.

La trayectoria óptica de medición P<m>se conduce al cabezal de trabajo 14 de una máquina para el procesamiento por láser de un material como se describe anteriormente, y emerge de ahí hacia el material WP que se está procesando, sobre el cual incide. La región donde sale el haz de medición M corresponde a la región del cabezal de medición, estando prevista para la distancia de dicho cabezal de medición desde el material anteriormente mencionado a medir, por ejemplo la abertura en la boquilla para suministrar el flujo de gas de asistencia o la salida de haz láser.

La trayectoria óptica de referencia P<r>en cambio se conduce a un elemento de retorno reflectante 180, preferiblemente al interponer un filtro de densidad óptica 200, un elemento de compensación de dispersión óptica 220, una placa X/4240 y una lente de enfoque 260. El elemento reflectante óptico 180 se dispone a lo largo de la trayectoria óptica de referencia, en un modo tal en que la longitud óptica de esta trayectoria, del divisor de haz 160 al elemento reflectante óptico 180, corresponde a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medición desde el divisor de haz 160 a la superficie (reflectante) del material WP que se está procesando, en un estado de funcionamiento en el cual dicha superficie se encuentra a la distancia de separación nominal prestablecida Dstandoff_nom desde el cabezal de trabajo, es decir, desde el extremo del cabezal de trabajo que se encuentra proximal al material, tal como la abertura en la boquilla para el gas de asistencia o la salida de haz.

Las trayectorias ópticas de medición y de referencia P<m>, P<r>se forman de una manera tal que la radiación óptica viaja a lo largo de estas trayectorias en ambas direcciones, dirigiéndose de regreso al divisor de haz 160 después de reflejarse en la superficie del material WP que se está procesando y en el elemento óptico reflectante 180, respectivamente. En la trayectoria óptica de referencia P<r>, la pasada duplicada del haz de referencia R, a través de la placaX/4240, conlleva una rotación de 90° de la polarización lineal del haz, que en consecuencia asume una polarización lineal que es ortogonal a la polarización lineal del haz de medición M. El divisor de haz 160 por lo tanto realiza una recombinación del haz óptico de medición y del haz óptico de referencia y los dirige, superpuestos, a lo largo de una trayectoria óptica de detección PD (común a una porción de la trayectoria óptica de medición y a una porción de la trayectoria óptica de referencia) hacia la disposición de sensor S.

Los haces ópticos tanto de medición como de referencia se conducen a través de una lente de enfoque cilíndrica 280, que se adapta para enfocar el haz colimado justo en una dirección, en particular la dirección ortogonal al eje de iluminación de la disposición de sensor, con la finalidad de concentrar la señal a lo largo de este eje, lo que en consecuencia optimiza la iluminación de los fotodetectores, y llegar a un divisor de haz de polarización 300 que realiza la separación del haz óptico de medición M del haz óptico de referencia R en base a su polarización, dirigiendo al primero de los mismos hacia un primer elemento reflectante M1 y al segundo de los mismos hacia un segundo elemento reflectante M2 y, en este último caso, al interponer una placa X/2320 que se adapta para restaurar la polarización original. A causa de esta configuración, el primer y el segundo elemento reflectante M1, M2 dirigen el haz óptico de medición y el haz óptico de referencia hacia la disposición de sensor S, respectivamente y, con mayor precisión, hacia la región común de incidencia de la disposición de sensor, a un ángulo de incidencia a. El ángulo de incidenciaaventajosamente puede controlarse dentro de un intervalo de valores prestablecido cuando el sistema se forma en un modo tal en que los elementos reflectantes M1 y M2 son respectivamente movibles en traslación a lo largo del eje de propagación del haz óptico relativo y en rotación alrededor de un eje que es normal con respecto al plano de incidencia (posición discontinua en la figura).

Como se describe anteriormente, la disposición de sensor S comprende un pluralidad de dispositivos fotodetectores, cada uno de los cuales se adapta para emitir una señal particular representativa de la intensidad óptica incidente sobre el mismo, y estas señales se transmiten, en su conjunto, a los medios de procesamiento 350 configurados para identificar un patrón de franjas de interferencia F que se forma en la región común de incidencia C de la disposición de sensor, al adquirir la potencia óptica incidente global del haz óptico de medición y haz óptico de referencia superpuestos.

Preferiblemente, la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia comprenden correspondientes elementos ópticos y, en particular, la trayectoria óptica de referencia comprende un elemento de retorno reflectante, cuyas propiedades de difusión reflectante y óptica corresponden a las propiedades de difusión reflectante y óptica de la superficie del material interpuesto en la trayectoria óptica de medición tanto como sea posible. De ser necesario, pueden proporcionarse medios de atenuador ópticos y/o medios de dispersión óptica, los cuales se adaptan para equilibrar la intensidad y la dispersión cromática de la radiación óptica de referencia reflejada por dicho elemento de retorno reflectante en lo que respecta a la intensidad de la radiación óptica de medición reflejada por el material que se está procesando.

Por medio del sistema en la figura 5, o sistemas equivalentes, se lleva a cabo un método para determinar la distancia de separación entre el cabezal de trabajo 14 de una máquina para el procesamiento por láser de un material y la superficie del material WP en las regiones de procesamiento definidas a lo largo de un trayecto de trabajo predeterminado T, seguido por el haz láser de procesamiento emitido por el cabezal.

El método comprende generar un haz de medición de radiación óptica de baja coherencia M que se conduce hacia una región de procesamiento a través del cabezal de trabajo 14 y, reflejado o difundido por la superficie del material WP en la región de procesamiento, se conduce a través del cabezal de trabajo 14 hacia la disposición de sensor S en una primera dirección de incidencia.

Cuando se procesan materiales metálicos, es posible asumir que el haz óptico de medición se refleja o difunde en la primera superficie del material. En ciertos casos, por ejemplo en procesos de soldadura o fabricación aditiva, en lugar de la superficie del sólido a soldar (o del sustrato), es necesario medir la distancia de la superficie del combinado fundido, que representa la primera superficie del metal fundido. Las capas subsuperficiales internas del material generan señales en materiales no metálicos y semitransparentes (cerámica, plásticos, tejidos biológicos, etc.), o en metales pintados.

El haz de radiación óptica de medición M en particular viaja a lo largo de una trayectoria óptica de medición desde la fuente 100 hasta la disposición de sensor S, que incluye dos porciones que tienen una particular longitud geométrica predeterminada e invariante, respectivamente una primera porción entre la fuente 100 y el extremo del cabezal de trabajo 14 que se encuentra proximal al material WP, y una segunda porción entre el extremo del cabezal de trabajo 14 que es proximal al material WP y la disposición de sensor S.

Un haz de referencia R de dicha radiación óptica de baja coherencia se genera por la misma fuente 100, haz que se conduce hacia la disposición de sensor S en una segunda dirección de incidencia, en un ángulo de incidencia predeterminado con respecto a la primera dirección de incidencia del haz de medición M. El haz de referencia R viaja a lo largo de una trayectoria óptica de referencia P<r>, que tiene una longitud óptica que es equivalente a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medición P<m>en el estado nominal de funcionamiento, en donde la distancia entre el cabezal de trabajo 14 y el material WP corresponde a la distancia de separación nominal predeterminada D<standoff_ nom>.

El haz de medición M y el haz de referencia R se superponen en la región común de incidencia C de la disposición de sensor S, a lo largo de un eje de iluminación prestablecido. La posición de un patrón de franjas de interferencia F, entre el haz de medición M y el haz de referencia R a lo largo del eje de iluminación en la región común de incidencia C, se detecta por los medios de procesamiento 350, y hace posible, como se describe anteriormente, determinar la diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición P<m>y la trayectoria óptica de referencia P<r>, lo cual es indicativo de la diferencia entre (a) la distancia de separación actual entre el cabezal de trabajo 14 y la superficie del material WP en la región de procesamiento, y (b) la distancia de separación nominal prestablecida.

El método puede llevarse a cabo en tiempo real durante un proceso, con el fin de determinar la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y las regiones de procesamiento actuales en el material, pero también antes o después del proceso, por ejemplo para calificar una pieza a procesar o un proceso que se ha llevado a cabo.

Con referencia a las figuras 6 y 7, se muestra esquemáticamente una realización ejemplar de la trayectoria del haz láser de procesamiento B y del haz óptico de medición M dentro del cabezal de trabajo, y la posición relativa del haz láser de procesamiento B y del haz óptico de medición M en una porción de corte o de taladrado del material WP.

La figura 6 muestra un elemento reflectante que desvía el haz láser, tal como un espejo dicroico, indicado por DM, que desvía el eje óptico de propagación del haz láser de procesamiento B de una dirección de entrada a cabezal a una dirección de incidencia en el material WP que se está procesando. Esta es una configuración que se adopta en una realización del cabezal de trabajo que comprende una entrada lateral de haz láser. En esta realización, el haz de radiación óptica de medición M se dirige hacia la región de medición del material (que pasa a través del espejo dicroico DM sin desviación sustancial) por medio de un sistema de escaneo óptico reflectante SM, o espejo de plegamiento, cuya inclinación se controla, por ejemplo, de manera piezoeléctrica, en base al valor absoluto y a la dirección de la tasa de avance del cabezal de trabajo a lo largo del trayecto de trabajo, con el fin de controlar la posición en la cual el punto de medición intercepta la superficie. Aguas abajo del sistema de escaneo óptico reflectante SM se dispone una lente de enfoque FL y, por lo tanto, es posible controlar la posición H en la cual el punto de medición intercepta la superficie del material. Como puede observarse en la figura, la dirección de propagación del haz de medición puede controlarse por la inclinación del sistema de escaneo óptico reflectante SM, como para no superponerse de manera coaxial en el haz láser de procesamiento B, sino de ser diferente al mismo. Un experto en la materia comprenderá que también es posible una configuración "dual" u "opuesta", en la cual se proporciona un espejo dicroico, el cual es transparente para el haz láser de procesamiento pero refleja el haz de medición que viene de una entrada lateral.

Ventajosamente, en una máquina para corte, taladrado o soldadura por láser de un material, o para la fabricación aditiva de estructuras tridimensionales por medio de un láser, en donde la máquina comprende un cabezal de trabajo que contiene una boquilla para suministrar un flujo de un gas de asistencia dispuesto cerca del material, el haz de radiación óptica de medición se conduce a través de la boquilla y se dirige hacia una región de medición del material que es coaxial con la región de procesamiento actual o se encuentra en las inmediaciones de la región de procesamiento actual, preferiblemente delante de ella, en concordancia con el trayecto de trabajo.

Ventajosamente, en una máquina para soldadura por láser de un material o para la fabricación aditiva de estructuras tridimensionales por medio de un láser, en donde la máquina comprende un cabezal de trabajo que contiene una salida para el haz láser de procesamiento de alta potencia, aguas abajo de un sistema óptico para enfocar el haz láser, sistema que se dispone cerca del material, el haz de radiación óptica de medición se conduce a través de la salida de haz anteriormente mencionada y se dirige hacia una región de medición del material que es coaxial con la región de procesamiento actual o se encuentra en las inmediaciones de dicha región de procesamiento actual, preferiblemente detrás de ella, en concordancia con el trayecto de trabajo.

La incidencia del haz de medición M, de manera coaxial con el haz láser de procesamiento B, se utiliza adecuadamente, por ejemplo para valorar la profundidad de taladrado, la altura y/o profundidad de soldadura, y la altura del material estructurado durante la fabricación aditiva. La incidencia del haz de medición M, en una posición de retroceso con respecto a la región de procesamiento, se utiliza para verificar la calidad de soldadura o las deposiciones aditivas. La incidencia del haz de medición M, en una posición de avance con respecto a la región de procesamiento, se utiliza para la medición temprana de la distancia de separación del cabezal del material durante el corte y soldadura, o para identificar la morfología de la superficie del material después del escaneo espacial, por ejemplo con el fin de rastrear la junta de soldadura a lo largo del trayecto de trabajo. La última configuración se muestra a modo de ejemplo en la figura 7, donde N indica la boquilla para suministrar el gas de asistencia, B indica el haz láser de procesamiento incidente en una región de procesamiento actual del material WP, donde una operación de corte se encuentra en progreso de acuerdo con un trayecto indicado por la flecha, lo cual forma una ranura G, y M indica el haz de medición. En una operación de corte, la disposición del haz de medición M, de manera coaxial con el haz de procesamiento B, podría volver a la medición extremadamente incierta, puesto que se tomaría en el borde cortante, donde la pared de la ranura en el material tiene un perfil que puede no controlarse, lo cual depende de numerosos parámetros de procesamiento.

En la presente descripción que viene a continuación se describirán mejoras para la invención.

Ventajosamente, en la configuración en la cual los haces de medición y de referencia inciden en la región común de incidencia de la disposición de sensor S, el ángulo de incidencia a se controla y se extiende hasta un punto en que la frecuencia espacial del patrón de franjas de interferencia es mayor que la frecuencia espacial de los fotodetectores, con el fin de incrementar el intervalo de distancias medibles.

Es conocido en la técnica que, al asumir que los haces de medición y de referencia se propagan como ondas planas, la intensidad luminosa total, en función de la coordenada x a lo largo del eje de iluminación de la disposición de sensor S, que se encuentra en el plano del ángulo de incidencia, puede aproximarse como:

donde h e I<2>son las intensidades de los respectivos haces, y kf es el número de onda o frecuencia espacial del patrón de franjas de interferencia. Con los ángulos de incidencia del haz de medición y del haz de referencia, con respecto a la normal a la disposición de sensor indicada como a1 y a2, el espaciamiento entre las franjas de interferencia se da por

2ttAo

k fsin(cti) sin fc^)

y, por lo tanto, un mayor ángulo de inclinación conlleva una mayor frecuencia del patrón de franjas de interferencia y, por lo tanto, una mayor densidad de franjas de interferencia en la disposición de sensor.

De acuerdo con la técnica anterior, con el fin de respetar el criterio de muestreo de Nyquist y para evitar el fenómeno de solapamiento o submuestreo, la frecuencia espacial de los fotodetectores, que corresponde a la frecuencia espacial de píxeles de muestro en la disposición de sensor, indicada por k, tiene que ser al menos dos veces mayor que la frecuencia del patrón de franjas de interferencia k<f>, es decir, la relación proporcional k<f>/ ktendría que ser menor a 0,5.

La información en relación con la diferencia en las trayectorias ópticas puede extraerse directamente de la posición de la envolvente del patrón de franjas de interferencia, en el perfil de intensidad de la radiación óptica incidente en la disposición de sensor. Np indica el número de dispositivos fotodetectores de la disposición de sensor que se iluminan por el haz de medición y el haz de referencia superpuestos; la máxima diferencia de trayectoria que puede medirse por lo tanto es

por lo cual el intervalo de medición es directamente proporcional al número de fotodetectores iluminados de los haces superpuestos, que es una consecuencia de la resolución de la disposición de sensor y de las dimensiones de los haces. El incremento en el intervalo de diferencias entre las trayectorias medibles por lo tanto es obtenible al incrementar el número de dispositivos fotodetectores, lo que podría introducir mayores costes al formar la disposición de sensor y mayores gastos al procesar las señales que se originan de los mismos. El intervalo anteriormente mencionado de diferencias medibles también es directamente proporcional a la relación proporcional k<f>/ k, entre la frecuencia del patrón de franjas de interferencia y la frecuencia espacial de los fotodetectores. La relación proporcional k<f>/ kes dependiente del ángulo de incidencia entre los haces de medición y de referencia, y de las dimensiones espaciales de los fotodetectores; por lo tanto es necesario lograr un equilibrio entre la inclinación de los haces y el número de fotodetectores iluminados.

Los inventores han notado que, dependiendo de la longitud de onda y de la longitud de coherencia de la radiación óptica de baja coherencia utilizada, varias decenas de franjas de interferencia típicamente son visibles en un patrón de franjas de interferencia que se forma en la región común de incidencia de la disposición de sensor. La adquisición de un alto número de franjas de interferencia en un amplio intervalo de medición, respetando el criterio de Nyquist, requiere un gran número de fotodetectores, lo que conlleva una excesiva adquisición de información, puesto que sólo la posición de la envolvente del patrón de franjas de interferencia es relevante para determinar la diferencia entre las trayectorias de medición y de referencia. Como resultado, los inventores han explorado la posibilidad de desmodular los patrones de franjas de interferencia a frecuencias espaciales cada vez más pequeñas, que son obtenibles con ángulos de incidencia cada vez mayores entre el haz de medición y el haz de referencia, de manera que la frecuencia del patrón de franjas de interferencia se hace mayor que la frecuencia espacial de los fotodetectores (una condición que conlleva la aparición del fenómeno de solapamiento).

Al tener en consideración un número constante de fotodetectores, esta estrategia hace posible incrementar el intervalo de mediciones sin perder información, simplemente a costa de un contraste reducido de las franjas de interferencia, puesto que una pluralidad de franjas se detecta por un solo fotodetector.

A partir de la técnica anterior puede probarse que el contraste v de las franjas de interferencia depende del factor de solapamiento k<f>/ k, de acuerdo con la relación:

V ~ |sinc(fe//&p)|

y es cero en múltiplos enteros de la frecuencia espacial de los fotodetectores k, como se muestra en la figura 8. Ventajosamente, con el fin de tener un contraste localmente máximo, la frecuencia espacial del patrón de franjas de interferencia tiene que ser mayor que la frecuencia espacial de los fotodetectores y diferente a los múltiplos de la frecuencia espacial de los fotodetectores, preferiblemente cerca de un múltiplo medio entero de dicha frecuencia espacial de los fotodetectores.

De hecho, tal como se desprende de la gráfica en la figura 8, la cual muestra la tendencia, como línea continua, del contraste v entre franjas de interferencia, donde la tendencia se calcula en función de la relación proporcional k<f>/ k, los máximos locales se encuentran cerca de los múltiplos de medios enteros de la frecuencia espacial de los fotodetectores, pero con una rápida declinación en el contraste máximo (indicado cualitativamente en la figura por la línea no continua).

Ventajosamente, es posible seleccionar ángulos de incidencia entre el haz de medición y el haz de referencia, como para obtener una relación proporcional k<f>/ kque es igual a aproximadamente 1,5 (o aproximadamente 2,5, aproximadamente 3,5, etc.).

La invención descrita anteriormente también puede mejorarse como se describe en lo siguiente.

En general, las características de propagación del haz de radiación óptica de medición se ven influenciadas por los parámetros físicos (temperatura, presión, deformación mecánica) de los medios de transmisión en los cuales se propaga dicho haz, esencialmente puesto que el índice de refracción de los medios de transmisión puede variar dependiendo de estos parámetros.

En una máquina para corte, taladrado o soldadura por láser de un material, o para la fabricación aditiva de estructuras tridimensionales por medio de un láser, que comprende un cabezal de trabajo que lleva una boquilla para suministrar un flujo de gas de asistencia, que desea determinar la distancia entre la boquilla y el material que se está procesando, el haz de radiación óptica de medición se hace propagar a través de la boquilla. Por lo tanto, las características de propagación del haz de medición se ven influenciadas por la presión del gas de asistencia.

La figura 9a muestra una relación de dependencia entre el resultado de la lectura de interferometría, expresado en términos de diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición P<m>y la trayectoria óptica de referencia P<r>, y la presión de un gas de asistencia, que se forma a lo largo de una porción de la trayectoria óptica de medición (típicamente en la cámara de la boquilla para suministrar el gas de asistencia), para una distancia de separación predeterminada entre (la boquilla de) el cabezal de trabajo y la superficie del material, de 1 mm. Como puede observarse a partir de los valores experimentales tomados en dos mediciones y de la curva de interpolación que es discontinua en porciones, la dependencia es virtualmente lineal.

Con el fin de mejorar la exactitud del método de la invención, la determinación de la diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia se puede basar preferiblemente por lo tanto en una longitud óptica normalizada de la trayectoria óptica de medición, cuya longitud se calcula a partir de la longitud geométrica y a partir de un índice de refracción normalizado de la porción de dicha trayectoria óptica de medición que pasa a través de la cámara del gas de asistencia, o de la boquilla. El índice de refracción normalizado se calcula en función de la presión del gas de asistencia en dicha cámara, de acuerdo con una relación de dependencia nominal predeterminada entre el índice de refracción del gas de asistencia y la presión de dicho gas.

Por estas razones, la presión del gas de asistencia, en la cámara de gas de asistencia de la boquilla, puede detectarse directamente por sensores de presión orientados hacia dicha cámara, o esto puede derivarse indirectamente a partir de una medición del cambio en la posición local de una superficie de un elemento óptico, para proteger o delimitar la cámara del gas de asistencia a lo largo del eje del haz de medición, de acuerdo con una relación nominal predeterminada entre la posición de la superficie de dicho elemento óptico respecto a una posición nominal predeterminada particular y a la presión del gas de asistencia.

La medición del cambio en la posición local de dicha superficie del elemento óptico se determina, por ejemplo, en función de la diferencia en la longitud entre (a) una trayectoria óptica de medición complementaria en referencia a dicho elemento óptico, incluyendo al menos una de (i) una primera porción entre la fuente del haz de medición y el elemento óptico en una primera superficie en la cual incide dicho haz de medición con retrorreflexión parcial, y (ii) una segunda porción entre la superficie del material que se está procesando y el elemento óptico en una segunda superficie en la cual incide dicho haz de medición con retrorreflexión parcial, y (b) una particular trayectoria óptica de referencia complementaria que tiene una longitud óptica que es igual a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medición complementaria de dicho elemento óptico en un estado nominal de funcionamiento que incluye la retrorreflexión parcial del haz de medición en dichas primera o segunda superficies de dicho elemento óptico cuando este se encuentra en una posición nominal predeterminada a lo largo del eje del haz láser de procesamiento, para un valor de presión de referencia predeterminado para el gas de asistencia en la cámara de gas de asistencia de la boquilla.

La figura 9b muestra una relación de dependencia entre el resultado de la lectura interferométrica, expresado en términos de cambio en la posición local de una superficie de un elemento óptico, para proteger o delimitar la cámara del gas de asistencia a lo largo del eje del haz de medición, y la tendencia (incremento, disminución) para la presión del gas de asistencia en la cámara anteriormente mencionada. La curva A representa el cambio en la posición local de una superficie del elemento óptico, para proteger o delimitar la cámara del gas de asistencia a medida que la presión dentro de la cámara se incrementa. La curva B representa el cambio en la posición local de una superficie del elemento óptico, para proteger o delimitar la cámara del gas de asistencia a medida que la presión dentro de la cámara disminuye.

En términos más generales, la determinación de la diferencia en la longitud óptica, entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia, se puede basar en una longitud óptica normalizada de la trayectoria óptica de medición, que se calcula a partir de la longitud geométrica y a partir de un índice de refracción normalizado de los medios de transmisión de dicha trayectoria óptica de medición, o de un medio de transmisión de una porción de dicha trayectoria óptica de medición, cuyo índice de refracción se calcula en base a la temperatura de dicha porción de la trayectoria óptica, de acuerdo con una relación nominal predeterminada.

Alternativamente, o en combinación con lo anterior, la determinación de la diferencia en la longitud óptica, entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia, se puede basar en una longitud óptica normalizada de la trayectoria óptica de medición, que se calcula a partir de la longitud geométrica normalizada y a partir de un índice de refracción de un medio de transmisión de material de una porción de dicha trayectoria óptica de medición, en la que la longitud geométrica normalizada se calcula en base a la deformación mecánica de dicho medio de transmisión de material, de acuerdo con una relación nominal predeterminada.

Incluso más ventajosamente, la técnica que forma la materia objeto de la invención hace posible determinar una perturbación en la longitud óptica actual de al menos una porción de la trayectoria óptica de medición con respecto a la longitud óptica actual de una correspondiente porción de la trayectoria óptica de referencia, y corregir el valor determinado para la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y la superficie del material en base a dicha perturbación, por ejemplo al restar la medición de perturbación de la medición de la distancia de procesamiento (posiblemente después de aplicar un factor de corrección). La perturbación se forma, por ejemplo, como resultado del cambio en al menos un parámetro físico de los medios de transmisión, dentro de los cuales se extiende la trayectoria óptica de medición.

Por estas razones, el haz de medición que incide en la disposición de sensor S comprende al menos un haz de calibración de medición que resulta de una trayectoria óptica de calibración de medición a lo largo de la cual se está viajando, en donde el haz de medición se refleja o difunde por al menos una superficie de retrorreflexión de un elemento óptico estático interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica de medición, y en donde el haz de referencia que incide en la disposición de sensor S comprende un haz de calibración de referencia particular que resulta de una trayectoria óptica de calibración de referencia a lo largo de la cual se está viajando, que tiene una longitud óptica que es equivalente a la longitud óptica de la trayectoria óptica de calibración de medición, en un estado nominal de funcionamiento de calibración en el cual la longitud geométrica y el índice de refracción, de los medios de transmisión de la trayectoria óptica de calibración de medición, son iguales a la longitud geométrica y al índice de refracción de los medios de transmisión de la trayectoria óptica de calibración de referencia dentro de un intervalo de tolerancias predeterminado. El elemento óptico estático puede ser, por ejemplo, el sistema de enfoque óptico 16 del haz láser.

La determinación de la perturbación en la longitud óptica actual, de al menos una porción de la trayectoria óptica de medición, incluye las siguientes etapas:

- Superponer el haz de calibración de medición y el haz de calibración de referencia en una región común de incidencia de la disposición de sensor S a lo largo del eje de iluminación;

- Detectar la posición de un patrón de franjas de interferencia entre el haz de calibración de medición y el haz de calibración de referencia a lo largo del eje de iluminación en la región común de incidencia; y

- Determinar una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de calibración de medición y la trayectoria óptica de calibración de referencia (indicativa de una diferencia entre (a) la longitud geométrica de la trayectoria óptica de calibración de medición y la longitud geométrica de la trayectoria óptica de calibración de referencia, y/o (b) el índice de refracción de la trayectoria óptica de calibración de medición y el índice de refracción de la trayectoria óptica de calibración de referencia), respectivamente en base a la posición del patrón de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación de la región de incidencia. La diferencia en la longitud óptica, entre la trayectoria óptica de calibración de medición y la trayectoria óptica de calibración de referencia, es indicativa de la perturbación anteriormente mencionada en la longitud óptica actual de al menos una porción de la longitud óptica de medición.

En caso de que se detecte la posición del patrón de franjas de interferencia, una posición de referencia predeterminada del patrón de franjas de interferencia (que corresponde a la condición en la cual la longitud óptica de las trayectorias ópticas de calibración de medición y de referencia son iguales) puede ser, puramente a modo de ejemplo no limitante, una posición intermedia o una posición de extremo a lo largo del eje de iluminación de los fotodetectores.

Otra solución para incrementar el intervalo de diferencias medibles entre las longitudes de las trayectorias de medición y de referencia, por medio de la técnica que forma la materia objeto de la invención, es hacer uso de retrorreflexiones parciales en las superficies de al menos un elemento óptico interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser de procesamiento y del haz de radiación óptica de medición, o hacer uso de trayectorias ópticas de referencia que tienen longitudes predeterminadas que difieren de la longitud de la trayectoria óptica de referencia principal.

En una realización, el haz de medición que incide en la disposición de sensor S comprende un haz de medición principal que resulta de una trayectoria óptica de medición principal a lo largo de la cual se está viajando, con reflexión desde la superficie del material en la región de procesamiento, y transmisión a través de cada elemento óptico interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser de procesamiento de alta potencia, y al menos un haz de medición multiplexado adicional que resulta de una trayectoria óptica de medición adicional a lo largo de la cual se está viajando, con reflexión desde la superficie del material que se está procesando y que tiene una longitud geométrica mayor que la longitud geométrica de la trayectoria óptica de medición principal, por ejemplo puesto que incluye al menos una retrorreflexión parcial en la superficie de un elemento óptico interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser de procesamiento de alta potencia y del haz de radiación óptica de medición.

En esta realización, el método de la invención se basa en la detección de la posición de un patrón adicional de franjas de interferencia en la región común de incidencia C de la disposición de sensor S, determinada por la interferencia entre el haz de medición adicional y el haz de referencia. El patrón adicional de franjas de interferencia comprende, por ejemplo, (i) un pico o intensidad máxima de la envolvente de la radiación óptica que es diferente, por ejemplo menor, que el pico o intensidad máxima de la envolvente de la radiación óptica del patrón principal de franjas de interferencia entre el haz de medición principal y el haz de referencia, o (ii) una posición intrínseca de la envolvente de intensidad de la radiación óptica que es diferente a la posición intrínseca de la envolvente de intensidad de la radiación óptica del patrón principal de franjas de interferencia, en el caso en el cual aparece al mismo tiempo que el patrón principal de franjas de interferencia.

La figura 10a es una gráfica que muestra las señales emitidas por los fotodetectores a lo largo del eje de iluminación de la disposición de sensor S (eje vertical), donde las señales son indicativas de la intensidad de la envolvente del patrón de franjas de interferencia que se forma en la región común de incidencia. En particular, la figura muestra las señales interferométricas y, por lo tanto, la posición espacial del patrón de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación (eje vertical), en función de la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y el material orientados hacia él (eje horizontal). Por ejemplo, esta gráfica puede generarse en una etapa de calibración, al proporcionar una longitud fija de la trayectoria óptica de referencia y variar continuamente la posición relativa entre el cabezal de trabajo y la superficie del material (es decir, la distancia de separación del cabezal de trabajo de la superficie del material) a lo largo del eje z, y al adquirir lecturas de señales interferométricas en función de valores discretos predeterminados para la distancia de separación. La figura muestra la adquisición de una fuerte señal interferométrica en el estado de solapamiento y la traslación de la envolvente del patrón de franjas de interferencia en un intervalo de aproximadamente 2 mm (que corresponde a aproximadamente 1500 píxeles), de acuerdo con una tendencia aproximadamente lineal del pico de la señal indicativa del patrón de franjas de interferencia, mostrado en la figura 10b. La sensibilidad puede definirse como la distancia de separación que corresponde a las dimensiones de un fotodetector o píxel de la región de incidencia, en este caso 1,5 um/píxel. La traslación de la envolvente del patrón de franjas de interferencia, por todo el eje de iluminación de la disposición de sensor, hace posible determinar una distancia de separación entre el cabezal de trabajo y la superficie del material de aproximadamente 0,25 mm a aproximadamente 2 mm.

En las regiones en círculos, se marcan correspondientes señales multiplexadas adicionales que son indicativas de la identificación de respectivos patrones adicionales de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación de la disposición de sensor, que resultan de una trayectoria óptica de medición o de referencia adicional a lo largo de la cual se está viajando, que tiene una longitud geométrica que es mayor que la longitud geométrica de la trayectoria óptica de medición o de referencia principal, que incluye al menos una retrorreflexión parcial en la superficie de un elemento óptico interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser de procesamiento.

En el caso en el cual varios intervalos de funcionamiento separados no están orientados hacia ni superpuestos en la disposición de sensor, sino que están separados en un grado suficiente con el fin de mostrar alternativamente las respectivas franjas de interferencia, la selección del patrón de franjas de interferencia es automática, como resultado de alcanzar una distancia de separación entre el cabezal de trabajo y el material a la cual sólo uno del haz de medición principal y el haz de medición adicional interfiere con el haz de referencia como para producir un patrón de franjas de interferencia que cae en la superficie de la disposición de sensor S. En la condición previa, se determina por lo tanto una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición adicional y la trayectoria óptica de referencia, que es indicativa de una diferencia entre (i) la distancia de separación actual entre el cabezal de trabajo y la superficie del material en la región de procesamiento, y (ii) la distancia de separación nominal predeterminada en función de la posición del patrón adicional de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación de la región de incidencia.

En una realización diferente, el haz de referencia que incide en la disposición de sensor S comprende un haz de referencia principal que resulta de una trayectoria óptica de referencia principal a lo largo de la cual se está viajando y al menos un haz de referencia multiplexado adicional que resulta de una trayectoria óptica de referencia adicional a lo largo de la cual se está viajando, que tiene una longitud geométrica diferente a la longitud geométrica de la trayectoria óptica de referencia principal.

En esta realización, el método de la invención se basa en la detección de la posición de un patrón adicional de franjas de interferencia en la región común de incidencia de la disposición de sensor S, determinada a partir de la interferencia entre el haz de medición y el haz de referencia adicional.

En este caso también, el patrón adicional de franjas de interferencia comprende, por ejemplo, (i) un pico o intensidad máxima de la envolvente de la radiación óptica que es diferente, por ejemplo menor, que el pico o intensidad máxima de la envolvente de la radiación óptica del patrón principal de franjas de interferencia entre el haz de medición principal y el haz de referencia, o (ii) una posición intrínseca de la envolvente de intensidad de la radiación óptica que es diferente a la posición intrínseca de la envolvente de intensidad de la radiación óptica del patrón principal de franjas de interferencia, en caso de que aparezca al mismo tiempo que el patrón principal de franjas de interferencia.

En caso de que varios intervalos de funcionamiento separados no estén orientados hacia ni superpuestos en la disposición de sensor, sino que estén separados en un grado suficiente con el fin de mostrar alternativamente las respectivas franjas de interferencia, el patrón de franjas de interferencia se selecciona con el fin de seleccionar la trayectoria de referencia adicional.

En la condición anterior, se determina por lo tanto una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia adicional, que es indicativa de una diferencia entre (i) la distancia de separación actual entre el cabezal de trabajo y la superficie del material en la región de procesamiento, y (ii) la distancia de separación nominal predeterminada en función de la posición del patrón adicional de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación de la región de incidencia.

Como se puede entender a partir de la figura 10a, una disposición de sensor S, que tiene un eje de iluminación que tiene una extensión más pequeña, por ejemplo la mitad la extensión adoptada para las mediciones en cuestión, podría permitir sin embargo la detección de la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y la superficie del material en el mismo intervalo de valores, 0,25 a 2 mm, basándose en la lectura de señales que es indicativa del patrón principal de franjas de interferencia en un primer intervalo, y de la lectura de señales que es indicativa del patrón adicional de franjas de interferencia en un segundo intervalo.

La figura 10c muestra una serie de gráficas que representan una medición llevada a cabo durante un proceso de corte, en el ejemplo un proceso de corte de una incisión cuadrada que tiene una anchura de 40 mm en una placa plana elaborada de acero dulce que tiene un grosor de 3 mm, que funciona con el cabezal de trabajo a una distancia nominal desde la placa que puede variar entre 1,3 y 1,2 mm durante el proceso.

La gráfica superior muestra la tendencia a lo largo del tiempo de una serie de parámetros de procesos. En particular, las curvas indicadas como Vx y Vy representan la velocidad de traslación del cabezal cortante en las direcciones ortogonales x e y en el plano de corte, donde la curva indicada como P<l>representa la intensidad óptica del haz láser de procesamiento, y la curva Pr representa la presión del gas de asistencia. La gráfica intermedia muestra la tendencia medida para la distancia de separación real entre el cabezal de trabajo y la pieza. La gráfica inferior muestra la tendencia a lo largo del tiempo de las franjas de interferencia obtenidas por medio de la técnica de detección en el dominio espacial.

La determinación exacta de la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y la superficie del material en una región de procesamiento, ya sea una región de procesamiento actual o una región de procesamiento de calibración, permite adecuadamente a la unidad ECU controlar el proceso de la máquina de procesamiento por láser para utilizar también retroalimentación para la corrección o el control de la distancia de procesamiento u otros parámetros de procesamiento, por ejemplo actuando sobre los medios activadores de movimiento 40 con el fin de controlar el movimiento del cabezal de trabajo, por ejemplo a lo largo del eje Z hacia o lejos del material, en función del resultado de la medición interferométrica, por ejemplo para conservar la distancia entre el cabezal de trabajo y el material alrededor de un valor predeterminado en función de un proyecto de procesamiento predeterminado. Esto es particularmente útil para mejorar la eficiencia de un proceso de corte, por ejemplo. Alternativamente o además, la determinación de la distancia de separación, entre el cabezal de trabajo y la superficie del material, permite a la unidad ECU controlar el proceso para utilizar retroalimentación para controlar el movimiento del cabezal de trabajo a lo largo de los ejes alternativos al eje Z, al actuar sobre los medios activadores de movimiento 40, después del escaneo espacial, por ejemplo con el fin de mantener el trayecto del cabezal de trabajo a lo largo de una trayectoria predeterminada adaptada a la morfología de la superficie que se procesa, también por lo tanto con el movimiento en la traslación o una inclinación con respecto a la superficie. Esto es particularmente útil para optimizar un proceso de soldadura, por ejemplo como resultado del rastreo de una junta de soldadura.

Se hace notar que el diseño propuesto en la exposición anterior para esta invención es de naturaleza puramente ejemplar y no limita esta invención. Un experto en el campo será capaz de implementar fácilmente esta invención en diversas realizaciones, que no se salen de los principios aquí planteados y, por lo tanto, entran en el ámbito de la presente patente que está definida por las reivindicaciones.

Esto es particularmente aplicable en lo que respecta a la posibilidad de utilizar longitudes de onda de radiación óptica de baja coherencia diferentes a las citadas, o trayectorias ópticas de medición y de referencia que tienen elementos ópticos interpuestos que son diferentes a los ilustrados en la figura 5, puramente a modo de ejemplo no limitante.

Por supuesto, sin perjuicio del principio de la invención, las realizaciones y los detalles de implementación pueden modificarse en gran medida con respecto a lo que se ha descrito e ilustrado puramente a modo de ejemplo no limitante, sin por ello salir del alcance de protección de la invención definida por las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Método para determinar la distancia de separación entre un cabezal de trabajo en una máquina para el procesamiento por láser de un material, que funciona por medio de un haz láser de procesamiento de alta potencia emitido por dicho cabezal y conducido a lo largo de un trayecto de trabajo en el material que comprende una sucesión de áreas de trabajo, y la superficie del material en dichas áreas de trabajo, que comprende las etapas de:

- generar un haz de radiación óptica de baja coherencia de medición, conducir dicho haz de medición hacia un área de trabajo a través de dicho cabezal de trabajo, y conducir el haz de medición reflejado o difundido desde la superficie del material en dicha área de trabajo a través de dicho cabezal y hacia medios de sensor interferométricos ópticos a lo largo de una primera dirección de incidencia, en los que el haz de medición recorre una trayectoria óptica de medición desde una respectiva fuente a dichos medios de sensor interferométricos ópticos, incluyendo una primera sección comprendida entre dicha fuente y el cabezal de trabajo y una segunda sección comprendida entre dicho cabezal de trabajo y los medios de sensor interferométricos, que tienen una respectiva longitud geométrica predeterminada e invariante;

- generar un haz de referencia de dicha radiación óptica de baja coherencia, y conducir dicho haz de referencia hacia dichos medios de sensor interferométricos ópticos a lo largo de una segunda dirección de incidencia, en un ángulo de incidencia predeterminado con respecto a la primera dirección de incidencia de dicho haz de medición, en donde el haz de referencia recorre una trayectoria óptica de referencia cuya longitud óptica es equivalente a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medición en una condición nominal de funcionamiento, en la cual la distancia entre el cabezal de trabajo y la superficie del material corresponde a una distancia de separación nominal predeterminada;

- superponer el haz de medición y el haz de referencia en una región común de incidencia de dichos medios de sensor interferométricos ópticos, a lo largo de un eje de iluminación predeterminado;

- detectar la posición de un patrón de franjas de interferencia entre el haz de medición y el haz de referencia a lo largo de dicho eje de iluminación en dicha región común de incidencia, en donde la extensión de dicho patrón de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación corresponde a la longitud de coherencia de dicha radiación óptica de baja coherencia; y

- determinar una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia, indicativa de una diferencia entre la distancia de separación actual entre el cabezal de trabajo y la superficie del material en el área de trabajo, y una distancia de separación nominal predeterminada, en función de la posición de dicho patrón de franjas de interferencia a lo largo de dicho eje de iluminación de dicha región de incidencia.

2. El método de la reivindicación 1, en el que la posición del patrón de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación es la posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica de dicho patrón de franjas de interferencia, siendo la posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica de dicho patrón de franjas de interferencia la posición del pico o máximo de la envolvente de intensidad de dicha radiación óptica.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que dichos medios de sensor interferométricos ópticos comprenden una disposición de fotodetectores a lo largo de dicho eje de iluminación, y el ángulo de incidencia se controla de una manera tal que la frecuencia espacial de dicho patrón de franjas de interferencia es mayor que la frecuencia espacial de los fotodetectores y diferente a los múltiplos de la frecuencia espacial de los fotodetectores, preferiblemente cerca de un múltiplo de medio entero de dicha frecuencia espacial de los fotodetectores.

4. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en una máquina para el corte, taladrado o soldadura por láser de un material o para la fabricación aditiva de estructuras tridimensionales por láser, en el que dicha máquina comprende un cabezal de trabajo que tiene una boquilla para dispensar un flujo de un gas de asistencia, dispuesta próxima a dicho material, y el haz de radiación óptica de medición se conduce a través de dicha boquilla y se dirige hacia una región de medición del material que es coaxial a dicha área de trabajo actual o adyacente a dicha área de trabajo actual, preferiblemente delante de ella a lo largo del trayecto de trabajo.

5. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en una máquina para la soldadura por láser de un material o la fabricación aditiva de estructuras tridimensionales por láser, en el que dicha máquina comprende un cabezal de trabajo que tiene una salida del haz láser de procesamiento dispuesta en las proximidades de dicho material, y el haz de radiación óptica de medición se conduce a través de dicha salida del haz de procesamiento y se dirige hacia una región de medición del material que es coaxial a dicha área de trabajo actual o adyacente a dicha área de trabajo actual, preferiblemente detrás de ella a lo largo del trayecto de trabajo.

6. El método de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, en el que el haz de radiación óptica de medición se dirige hacia dicha región de medición de material por medio de un sistema de escaneo óptico cuya inclinación se controla de acuerdo con el valor absoluto y la dirección de la velocidad de avance del cabezal de trabajo a lo largo de la trayectoria de trabajo.

7. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia incluyen correspondientes elementos ópticos, incluyendo la trayectoria óptica de referencia un elemento de retorno reflectante que corresponde a la superficie del material interpuesto en la trayectoria óptica de medición, y medios de atenuador ópticos adaptados para equilibrar la intensidad de la radiación óptica de referencia reflejada por dicho elemento de retorno reflectante, con respecto a la intensidad de la radiación óptica de medición reflejada por el material que se está procesando, y en el que dicha trayectoria óptica de medición y dicha trayectoria óptica de referencia se originan de una fuente común, se separan por medio de medios de división de haz, se conducen por separado a la superficie del material que se está procesando y a dicho elemento de retorno reflectante, respectivamente, y se acumulan en una trayectoria óptica de detección, separándose en la trayectoria óptica de detección el haz de medición del haz de referencia, siendo dirigidos dichos haces con orientación controlable hacia dicha región común de incidencia de los medios de sensor interferométricos ópticos, determinando la orientación controlable el ángulo de incidencia entre el haz de medición y el haz de referencia.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que, en una máquina para el corte, taladrado o soldadura por láser de un material, o para la fabricación aditiva de estructuras tridimensionales por láser, que comprende un cabezal de trabajo que tiene una boquilla para dispensar un flujo de un gas de asistencia en el que el haz de radiación óptica de medición se conduce a través de dicha boquilla, la determinación de la diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia se basa en una longitud óptica normalizada de la trayectoria óptica de medición que se calcula a partir de la longitud geométrica y de un índice de refracción normalizado de una porción de dicha trayectoria óptica de medición que pasa a través de una cámara del gas de asistencia de la boquilla, que se calcula en función de la presión del gas de asistencia en dicha cámara, de acuerdo con una relación nominal predeterminada de dependencia del índice de refracción del gas de asistencia con la presión de dicho gas.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la determinación de la diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia se basa en una longitud óptica normalizada de la trayectoria óptica de medición que se calcula a partir de la longitud geométrica y de un índice de refracción normalizado de un medio de transmisión de una porción de dicha trayectoria óptica de medición, que se calcula en función de la temperatura, presión u otro parámetro físico de dicha al menos una porción de la trayectoria óptica de acuerdo con una relación nominal predeterminada de dependencia del índice de refracción con la temperatura, presión u otro parámetro físico del medio de transmisión del haz de radiación óptica de medición, o

en el que la determinación de la diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia se basa en una longitud óptica normalizada de la trayectoria óptica de medición que se calcula a partir de la longitud geométrica normalizada y de un índice de refracción de un medio de transmisión de material de una porción de dicha trayectoria óptica de medición, en el que la longitud geométrica normalizada se calcula en función de la deformación mecánica de dicho medio de transmisión de material de acuerdo con una relación nominal predeterminada de dependencia de la longitud geométrica con la deformación mecánica del medio de transmisión de material del haz de radiación óptica de medición.

10. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende determinar una perturbación de la longitud óptica actual de al menos una porción de la trayectoria óptica de medición con respecto a la longitud óptica actual de una correspondiente porción de la trayectoria óptica de referencia, y corregir el valor determinado de la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y la superficie del material en base a dicha perturbación,

en el que el haz de medición incidente en dichos medios de sensor interferométricos ópticos comprende al menos un haz de medición de calibración que resulta del recorrido de una trayectoria óptica de medición de calibración, en el que dicho haz de medición se refleja o difunde por al menos una superficie retrorreflectante de un elemento óptico estático interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica de medición, y en el que el haz de referencia incidente en dichos medios de sensor interferométricos ópticos comprende un respectivo haz de referencia de calibración que resulta del recorrido de una trayectoria óptica de referencia de calibración que tiene una longitud óptica equivalente a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medición de calibración en una condición nominal de funcionamiento de calibración en la cual la longitud geométrica y el índice de refracción del medio de transmisión de la trayectoria óptica de medición de calibración son iguales a la longitud geométrica y el índice de refracción del medio de transmisión de la trayectoria óptica de referencia de calibración dentro de un intervalo de tolerancias predeterminado, y

en el que la determinación de la perturbación de la longitud óptica actual de al menos una porción de la trayectoria óptica de medición incluye:

- superponer el haz de medición de calibración y el haz de referencia de calibración en una región común de incidencia de dichos medios de sensor interferométricos ópticos, a lo largo de un eje de iluminación predeterminado;

- detectar la posición de un patrón de franjas de interferencia entre el haz de medición de calibración y el haz de referencia de calibración a lo largo de dicho eje de iluminación en dicha región común de incidencia; y

- determinar una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición de calibración y la trayectoria óptica de referencia de calibración -indicativa de una diferencia entre la longitud geométrica de la trayectoria óptica de medición de calibración y la longitud geométrica de la trayectoria óptica de referencia de calibración, y/o el índice de refracción de la trayectoria óptica de medición de calibración y el índice de refracción de la trayectoria óptica de referencia de calibración- dependiendo respectivamente de la posición de dicho patrón de franjas de interferencia a lo largo de dicho eje de iluminación de dicha región de incidencia,

siendo dicha diferencia de longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición de calibración y la trayectoria óptica de referencia de calibración indicativa de la antedicha perturbación en la longitud óptica actual de al menos una porción de la trayectoria óptica de medición.

11. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la presión del gas de asistencia en la cámara de gas de asistencia de la boquilla se detecta directamente por medio de sensores de presión que están orientados hacia dicha cámara, o

en el que la presión del gas de asistencia en la cámara de gas de asistencia de la boquilla se deriva indirectamente de una medida de la variación en la posición local de una superficie de un elemento óptico de protección o delimitación de la cámara de gas de asistencia a lo largo del eje del haz de medición de acuerdo con una relación nominal predeterminada entre la posición de la superficie de dicho elemento óptico de protección o delimitación de la cámara de gas de asistencia con respecto a una respectiva posición nominal predeterminada y la presión del gas de asistencia, determinándose la medición de la variación de la posición local de dicha superficie del elemento óptico de protección o delimitación de la cámara de gas de asistencia en función de la diferencia en la longitud entre una trayectoria óptica de medición adicional para medir dicho elemento óptico de protección o delimitación que incluye al menos una de entre una primera sección entre una fuente del haz de medición y el elemento óptico de protección o delimitación en una primera superficie del cual dicho haz de medición incide con retrorreflexión parcial y una segunda sección entre la superficie del material que se está procesando y el elemento óptico de protección o delimitación en una segunda superficie del cual dicho haz de medición incide con retrorreflexión parcial, y una respectiva trayectoria óptica de referencia adicional que tiene una longitud óptica igual a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medición adicional de dicho elemento óptico de protección o delimitación en una condición nominal de funcionamiento que incluye una retrorreflexión parcial del haz de medición a dichas primera o segunda superficies de dicho elemento óptico de protección o delimitación cuando está en dicha posición nominal predeterminada a lo largo del eje del haz láser de procesamiento para un valor de presión de referencia predeterminado del gas de asistencia en la cámara de gas de asistencia de la boquilla.

12. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el haz de medición incidente en dichos medios de sensor interferométricos ópticos comprende un haz de medición principal que resulta del recorrido de una trayectoria óptica de medición principal con reflexión desde la superficie del material en el área de trabajo y con transmisión a través de cada elemento óptico interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser de procesamiento de alta potencia, y al menos un haz de medición multiplexado adicional que resulta del recorrido de una trayectoria óptica de medición adicional, con reflexión desde la superficie del material que se está procesando y que tiene una longitud geométrica mayor que la longitud geométrica de dicha trayectoria óptica de medición principal, que incluye al menos una retrorreflexión parcial en la superficie de un elemento óptico interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser de procesamiento de alta potencia, comprendiendo el método las etapas de:

- detectar, en dicha región común de incidencia, la posición de un patrón adicional de franjas de interferencia que tiene un pico o máximo de intensidad de la radiación óptica diferente al pico o máximo de intensidad de la radiación óptica del patrón principal de franjas de interferencia entre el haz de medición principal y el haz de referencia, o una posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica descentrada de la posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica del patrón principal de franjas de interferencia; y

- determinar una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición adicional y la trayectoria óptica de referencia -indicativa de una diferencia entre la distancia de separación actual entre el cabezal de trabajo y la superficie del material en el área de trabajo y la distancia de separación nominal predeterminada- en función de la posición de dicho patrón adicional de franjas de interferencia a lo largo de dicho eje de iluminación de dicha región de incidencia,

o

en el que el haz de referencia incidente en dichos medios de sensor interferométricos ópticos comprende un haz de referencia principal que resulta del recorrido de una trayectoria óptica de referencia principal y al menos un haz de referencia multiplexado adicional que resulta del recorrido de una trayectoria óptica de referencia adicional que tiene una longitud geométrica diferente a la longitud geométrica de dicha trayectoria óptica de referencia principal,

comprendiendo el método las etapas de:

- detectar en dicha región común de incidencia la posición de un patrón adicional de franjas de interferencia que tiene un pico o máximo de intensidad de la radiación óptica diferente al pico o máximo de intensidad de la radiación óptica del patrón principal de franjas de interferencia entre el haz de medición y el haz de referencia principal, o una posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica descentrada de la posición intrínseca de la envolvente de intensidad de la radiación óptica del patrón principal de franjas de interferencia; y

- determinar una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia adicional -indicativa de una diferencia entre la distancia de separación actual entre el cabezal de trabajo y la superficie del material en el área de trabajo y la distancia de separación nominal predeterminada- en función de la posición de dicho patrón adicional de franjas de interferencia a lo largo de dicho eje de iluminación de dicha región de incidencia.

13. Un método para controlar la posición relativa entre un cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento por láser de un material, que funciona por medio de un haz láser de procesamiento de alta potencia emitido por dicho cabezal y conducido a lo largo de una trayectoria de trabajo en el material que comprende una sucesión de áreas de trabajo, y el material en dichas áreas de trabajo, caracterizado porque incluye llevar a cabo un método para determinar la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y la superficie del material de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, y mover el cabezal de trabajo acercándolo o alejándolo del material o en traslación o inclinación respecto a la superficie en función de un diseño de trabajo predeterminado y de la distancia de separación determinada entre el cabezal de trabajo y la superficie del material.

14. Un sistema para determinar la distancia de separación (d) entre un cabezal de trabajo (14) en una máquina para el procesamiento por láser de un material (WP), que funciona por medio de un haz láser de procesamiento de alta potencia (B) emitido por dicho cabezal (14) y conducido a lo largo de un trayecto de trabajo (T) en el material (WP) que comprende una sucesión de áreas de trabajo, y la superficie del material (WP) en dichas áreas de trabajo, que comprende:

- medios (100) para generar un haz de medición (M) de radiación óptica de baja coherencia;

- medios para la propagación de dicho haz de medición (M) adaptados para conducir dicho haz de medición (M) hacia un área de trabajo a través de dicho cabezal de trabajo (14), y para conducir el haz de medición (M) reflejado o difundido por la superficie del material (WP) en dicha área de trabajo a través de dicho cabezal (14) y hacia medios de sensor interferométricos ópticos (S) a lo largo de una primera dirección de incidencia, en el que el haz de medición (M) recorre una trayectoria óptica de medición (P<m>) desde una respectiva fuente (100) a dichos medios de sensor interferométricos ópticos (S) que incluye una primera sección entre dicha fuente (100) y el cabezal de trabajo (14) y una segunda sección entre dicho cabezal de trabajo (14) y los medios de sensor interferométricos (S), que tienen una respectiva longitud geométrica predeterminada e invariante;

- medios (100) para generar un haz de referencia (R) de dicha radiación óptica de baja coherencia;

- medios para la propagación de dicho haz de referencia (R), adaptados para conducir dicho haz de referencia (R) hacia dichos medios de sensor interferométricos ópticos (S) a lo largo de una segunda dirección de incidencia, en un ángulo de incidencia predeterminado con respecto a la primera incidencia de dirección de dicho haz de medición (M), en donde el haz de referencia (R) recorre una trayectoria óptica de referencia (P<r>) de longitud óptica equivalente a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medición (P<m>) en una condición nominal de funcionamiento en la cual la distancia (d) entre el cabezal de trabajo (14) y la superficie del material (WP) corresponde a una distancia de separación nominal predeterminada;

en el que los medios para la propagación del haz de medición (M) y los medios para la propagación del haz de referencia (R) se disponen para superponer el haz de medición (M) y el haz de referencia (R) en una región común de incidencia (C) de dichos medios de sensor interferométricos ópticos (S), a lo largo de un eje de iluminación predeterminado (x);

- medios para detectar la posición de un patrón de franjas de interferencia (F) entre el haz de medición (M) y el haz de referencia (R) a lo largo de dicho eje de iluminación (x) en dicha región común de incidencia (C), en donde la extensión de dicho patrón de franjas de interferencia (F) a lo largo del eje de iluminación (x) corresponde a la longitud de coherencia de dicha radiación óptica de baja coherencia; y

- medios de procesamiento (350) dispuestos para determinar una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición (P<m>) y la trayectoria óptica de referencia (P<r>) -indicativa de una diferencia entre (a) la distancia de separación (d) actual entre el cabezal de trabajo (14) y la superficie del material (WP) en el área de trabajo y (b) una distancia de separación nominal predeterminada- en función de la posición de dicho patrón de franjas de interferencia (F) a lo largo de dicho eje de iluminación (x) de dicha región de incidencia (C).

15. Máquina para el procesamiento por láser de un material, que funciona por medio de un haz láser de procesamiento de alta potencia (B) emitido por un cabezal de trabajo (14) y conducido a lo largo de un trayecto de trabajo (T) en el material (WP) que comprende una sucesión de áreas de trabajo, y que incluye medios para controlar la posición relativa entre dicho cabezal de trabajo (14) y dicho material (WP), caracterizada porque comprende un sistema para determinar la distancia de separación (d) entre dicho cabezal de trabajo (14) y la superficie del material (WP) en dichas áreas de trabajo de acuerdo con la reivindicación 14, dispuesto para llevar a cabo un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, actuando dichos medios para controlar la posición relativa entre dicho cabezal de trabajo (14) y dicho material (WP) de acuerdo con un diseño de trabajo predeterminado y la distancia de separación (d) determinada entre el cabezal de trabajo (14) y la superficie del material (WP).