FR2698495A1

FR2698495A1 - Laser focusing lens monitor system - has temp monitors around outside of lens with comparators having expected levels and alarm.

Info

Publication number: FR2698495A1
Application number: FR9214036A
Authority: FR
Inventors: Miguet Bertrand; Hoornaert Thierry
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1992-11-23
Filing date: 1992-11-23
Publication date: 1994-05-27
Anticipated expiration: 2012-11-23
Also published as: FR2698495B1

Abstract

The laser lens (18) is used to focus laser rays to a point. The monitor system has different types of temp sensors (56,58,60) placed around the outside of the lens, where the laser rays are unlikely to impinge on them. The different temp sensor types provide reliability. Each sensor has a lead through the outside supporting wall to a temperature comparator (64,66,68). When a predetermined temperature level is reached an alarm (70,72,74) is set off. ADVANTAGE- Allows operator to be warned in good time when lens needs changing.

Description

DISPOSITIF DE CONTROLE DE L'ETAT DE LA LENTILLE
DE FOCALISATION D'UN APPAREIL LASER ET APPAREIL
LASER UTILISANT CE DISPOSITIF
DESCRIPTION
L'invention se rapporte à un dispositif de contrôle de L'état de la lentille de focaLisation d'un appareil laser. Elle se rapporte aussi à un appareil laser pourvu de ce dispositif de contrôle.LENS CONDITION MONITORING DEVICE
FOR FOCUSING A LASER APPARATUS AND APPARATUS
LASER USING THIS DEVICE
DESCRIPTION
The invention relates to a device for monitoring the state of the focusing lens of a laser device. It also relates to a laser device provided with this control device.

Les appareils lasers auxquels s'applique
L'invention sont plus particulièrement des lasers de puissance permettant d'effectuer des traitements de matériaux comme le soudage, Le perçage, le découpage, le marquage ou encore Le traitement de surfaces.The laser devices to which it applies
The invention are more particularly power lasers making it possible to carry out treatments of materials such as welding, drilling, cutting, marking or even surface treatment.

L'un des lasers de puissance le plus utilisé actuellement pour le traitement de matériaux est le laser à CO
2
L'un des problèmes majeurs des appareils
Lasers à CO2, et de façon pLus générale des appareiLs
Lasers de puisance, est l'échauffement de la lentille de sortie, entraSnant au cours du temps des dégradations (craquelures, brûlures locales) de la lentille, pouvant aller jusqu'à la casser.One of the most widely used power lasers for processing materials today is the CO laser
2
One of the major problems with devices
CO2 lasers, and more generally equipment
Power lasers, is the heating of the output lens, causing damage over time (cracks, local burns) of the lens, which can go as far as breaking it.

Ces dégradations se traduisent par des pertes de puissance du faisceau de lumière laser transmise, résultant d'une absorption et d'une diffusion de la
Lumière par la lentille ; ces dégradations sont nuisibles à la reproductibilité d'un traitement de pièces ou matériaux en série.These degradations result in losses of power of the beam of transmitted laser light, resulting from absorption and diffusion of the
Light through the lens; these degradations are harmful to the reproducibility of a treatment of parts or materials in series.

Lorsque Les dégradations de la lentille se produisent en présence d'un opérateur, ce dernier peut compenser Les pertes de puissance de celle-ci en jouant sur l'ensemble des paramètres de L'appareil laser utilise. When degradations of the lens occur in the presence of an operator, the latter can compensate for the losses of power thereof by playing on all the parameters of the laser device used.

A ce jour, une surveillance quasi-continue est exigée des opérateurs mais à terme, cette pratique aura tendance à s'alléger. To date, almost continuous monitoring is required of operators, but ultimately, this practice will tend to become lighter.

Par ailleurs, lorsque la puissance absorbée par la lentille devient trop élevée, il faut envisager son changement. Le moment de changer la lentille est, souvent, à ce jour, déterminé a posteriori en regardant L'état des pièces traitées par l'appareil laser. Furthermore, when the power absorbed by the lens becomes too high, consideration should be given to changing it. The time to change the lens is often, to date, determined a posteriori by looking at the state of the parts treated by the laser apparatus.

L'invention a justement pour objet un dispositif permettant d'évaluer en permanence L'état de la lentille de focalisation d'un appareil laser, permettant notamment de résoudre les problèmes cidessus. The object of the invention is precisely a device making it possible to continuously assess the state of the focusing lens of a laser apparatus, making it possible in particular to solve the above problems.

En particulier, ce dispositif permet de déterminer le moment propice du changement de la lentille, d'avertir l'opérateur de la nécessité de compenser la perte de puissance par La Lentille afin d'assurer la reproductibilité des traitements de matériaux (découpe ou soudage) et par conséquent d'optimiser la production en série de pièces traitées par l'appareil laser. In particular, this device makes it possible to determine the favorable moment for changing the lens, to warn the operator of the need to compensate for the loss of power by the lens in order to ensure the reproducibility of the material treatments (cutting or welding). and therefore to optimize the mass production of parts treated by the laser apparatus.

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de contrôle de l'état de la lentille de focalisation d'un appareil laser, comportant des moyens de mesure d'au moins une température de la lentille en un endroit non affecté par le faisceau lumineux fourni par L'appareil laser et des moyens d'analyse de la température mesurée. To this end, the subject of the invention is a device for controlling the state of the focusing lens of a laser apparatus, comprising means for measuring at least one temperature of the lens in a place not affected by the light beam supplied by the laser apparatus and means for analyzing the measured temperature.

Le paramètre ainsi mesuré de la lentille, la température, est représentatif de la puissance absorbée par la lentille et donc de L'état de celle-ci. The parameter thus measured of the lens, the temperature, is representative of the power absorbed by the lens and therefore of the state thereof.

La température mesurée peut être enregistrée en continu sur un appareil d'enregistrement ou comparée à une valeur seuil. Dans ce cas, le dispositif de contrôle comporte des moyens de comparaison de La température mesurée avec une température de seuil et des moyens d'alarme commandés par les moyens de comparaison. The measured temperature can be continuously recorded on a recording device or compared to a threshold value. In this case, the control device comprises means for comparing the measured temperature with a threshold temperature and alarm means controlled by the comparison means.

Lorsque la température de la lentille dépasse un seuil donné, une alarme qui peut être visuelle, sonore, ou les deux est alors déclenchée. When the temperature of the lens exceeds a given threshold, an alarm which can be visual, audible, or both is then triggered.

Le déclenchement de l'alarme indique à un opérateur qu'il est temps de compenser la perte de puissance de la lentille lorsque celle-ci n'est pas trop usagée ou bien de changer la lentille. The triggering of the alarm indicates to an operator that it is time to compensate for the loss of power of the lens when it is not too worn or to change the lens.

Progressivement, il sera en outre possible d'automatiser l'ensemble pour que la compensation de la perte de puissance et ensuite le changement de la lentille se fasse automatiquement sans intervention manuelle. Gradually, it will also be possible to automate the assembly so that compensation for the loss of power and then the change of the lens is done automatically without manual intervention.

Le contrôle de l'état de la lentille devant être assuré en permanence, il est préférable d'utiliser plusieurs moyens de mesure de température au cas ou l'un des moyens de mesure serait défectueux. A chacun de ces moyens de mesure peut être associé un moyen de comparaison et un moyen d'alarme. Since the control of the state of the lens must be ensured at all times, it is preferable to use several temperature measurement means in the event that one of the measurement means is defective. Each of these measurement means can be associated with a comparison means and an alarm means.

Afin d'assurer un meilleur contrôle de l'état de la lentille, il est préférable que ces différents moyens de mesure soient agencés pour mesurer la température de la lentille en différents endroits. In order to ensure better control of the state of the lens, it is preferable that these different measuring means are arranged to measure the temperature of the lens in different places.

Le nombre de trois moyens de mesure semble un bon compromis ; ces trois moyens sont disposés, en projection dans un même plan, à 1200 l'un de l'autre. The number of three measurement means seems to be a good compromise; these three means are arranged, in projection in the same plane, at 1200 from one another.

Il est toutefois possible d'utiliser deux moyens de mesure disposés à 1800 l'un de l'autre.It is however possible to use two measuring means arranged at 1800 from one another.

Ainsi, le dispositif de l'invention comporte avantageusement un premier moyen de mesure prévu sur la face de sortie de la lentille, un second moyen prévu en bordure de la lentille et/ou un troisième moyen prévu sur une pièce de maintien de la lentille dans l'appareil laser. Thus, the device of the invention advantageously comprises a first measuring means provided on the exit face of the lens, a second means provided at the edge of the lens and / or a third means provided on a piece for holding the lens in the laser device.

Les moyens de mesure de la température sont de préférence des thermocouples délivrant une tension électrique représentative de la température de la lentille. Dans ce cas, les moyens de comparaison consistent en un circuit comparateur de tension. Il est toutefois possible d'utiliser d'autres moyens de mesure comme par exemple des pyromètres,
L'invention a aussi pour objet un appareil laser à lentille de focalisation en sortie, équipé d'un dispositif de contrôle de cette lentille tel que défini précédemment.The temperature measurement means are preferably thermocouples delivering an electrical voltage representative of the temperature of the lens. In this case, the comparison means consist of a voltage comparator circuit. It is however possible to use other measuring means such as for example pyrometers,
The subject of the invention is also a laser device with an output focusing lens, equipped with a device for controlling this lens as defined above.

Un mode particulier de réalisation de l'invention va maintenant être décrit à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe d'un appareil laser de découpe pourvu d'un dispositif de contrôle de sa lentille de focalisation, conformément à
L'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe agrandie de la figure 1, au niveau de la lentille de focalisation, et
- la figure 3 est une vue en bout de la lentille selon la ligne III-III de la figure 1, montrant l'agencement des différents moyens de mesure de la température.A particular embodiment of the invention will now be described by way of illustration and not limitation, with reference to the accompanying drawings in which:
- Figure 1 is a sectional view of a laser cutting device provided with a device for controlling its focusing lens, in accordance with
The invention,
FIG. 2 is an enlarged sectional view of FIG. 1, at the level of the focusing lens, and
- Figure 3 is an end view of the lens according to line III-III of Figure 1, showing the arrangement of the different temperature measurement means.

La figure 1 représente un appareil laser de découpe conforme à L'invention et plus spécialement sa tête de découpe. Cet appareil comporte une cavité laser 10 à CO engendrant un faisceau lumineux 12 qui est
2 renvoyé grâce à un miroir incliné 14 perpendiculairement à la pièce à traiter ou plan de coupe 16.FIG. 1 represents a laser cutting device in accordance with the invention and more particularly its cutting head. This device includes a CO laser cavity 10 generating a light beam 12 which is
2 returned by an inclined mirror 14 perpendicular to the workpiece or cutting plane 16.

Le faisceau réfléchi par le miroir 14 traversé une lentille de focalisation 18 de sortie, assurant la focalisation du faisceau laser 12 sur le plan de coupe 16. Cette lentille est fixée dans une monture cylindrique 20 agencée dans un fourreau 22 solidaire du support 24 de la tête de découpe. La monture 20 de la lentille est maintenue en place dans
le fourreau 22 via un épaulement 26.The beam reflected by the mirror 14 passed through an output focusing lens 18, ensuring the focusing of the laser beam 12 on the cutting plane 16. This lens is fixed in a cylindrical frame 20 arranged in a sheath 22 secured to the support 24 of the cutting head. The lens mount 20 is held in place in
the sheath 22 via a shoulder 26.

Le déplacement de l'ensemble support-fourreau perpendiculairement au plan de coupe 16 et son maintien en position sont calculés et commandés par une machine à commande numérique. The displacement of the support-sleeve assembly perpendicular to the cutting plane 16 and its maintenance in position are calculated and controlled by a numerically controlled machine.

Comme représenté de façon plus détaillé sur la figure 2, la lentille 18 est en appui sur un épaulement inférieur 30 de la monture 20 par
L'intermédiaire d'un joint annulaire 32 par exemple en indium. Un second joint annulaire 34 aussi en indium est placé à la périphérie supérieure de la lentille 18.As shown in more detail in Figure 2, the lens 18 is supported on a lower shoulder 30 of the frame 20 by
The intermediary of an annular seal 32 for example made of indium. A second annular seal 34 also in indium is placed at the upper periphery of the lens 18.

Ce dernier, est au contact d'une bague radiateur 36 et une bague filetée 38, comme représenté sur la figure 1, vient prendre l'ensemble radiateurjoints-lentille en sandwich avec l'épaulement 30 de la monture de lentille 20 et le maintenir en position. The latter, is in contact with a radiator ring 36 and a threaded ring 38, as shown in FIG. 1, comes to take the radiator-seal-lens assembly sandwiched with the shoulder 30 of the lens mount 20 and maintain it in position.

La monture 20 se prolonge par son extrémité inférieure par un manchon cylindrique 40 ou buse dont l'extrémité est très proche du point de focalisation. The frame 20 is extended at its lower end by a cylindrical sleeve 40 or nozzle, the end of which is very close to the focal point.

Ce manchon 40 est fixé et centré à l'aide d'une vis 42 sur un nez d'entretoise 44. Ce dernier est fixé par filetage sur une pièce annulaire 46 solidaire du fourreau 22. This sleeve 40 is fixed and centered using a screw 42 on a spacer nose 44. The latter is fixed by thread on an annular part 46 integral with the sheath 22.

Des trous 48 pratiqués sur la buse 40 permettent l'introduction d'un gaz haute pression utilisé lors de la découpe laser, via des conduites d'amener 50. Holes 48 formed on the nozzle 40 allow the introduction of a high pressure gas used during laser cutting, via supply lines 50.

Ces trous sont agencés à 450 par rapport à la surface de découpe 16 et forment un angle de 450 entre eux. These holes are arranged at 450 relative to the cutting surface 16 and form an angle of 450 between them.

Enfin, la monture 20 de la lentille est usinée de manière à accueillir par l'intermédiaire d'une rainure dans son épaulement 30 un pion d'indexage 52. Finally, the frame 20 of the lens is machined so as to receive, by means of a groove in its shoulder 30, an indexing pin 52.

Un alésage 54, diamétralement opposé à la rainure d'indexation, permet, selon l'invention, et comme représenté de façon plus détaillée sur la figure 2, le passage d'un premier thermocouple 56 destiné à mesurer la température de la lentille 16 en bordure. A bore 54, diametrically opposite to the indexing groove, allows, according to the invention, and as shown in more detail in Figure 2, the passage of a first thermocouple 56 for measuring the temperature of the lens 16 in border.

L'alésage 54 traverse La pièce 40.The bore 54 passes through the part 40.

L'alésage 54 traverse la pièce 40.The bore 54 passes through the part 40.

A 1200 de ce thermocouple 54, en projection dans le même plan, on trouve deux autres thermocouples respectivement 58 et 60. At 1200 from this thermocouple 54, in projection in the same plane, there are two other thermocouples 58 and 60 respectively.

Le thermocouple 58 est placé sur la face de sortie 62 (ou face inférieure) de la lentille 18 ; il permet de mesurer la température de la lentille selon un phénomène de diffraction (par les cassures, brûlures locales de la lentille). Ce thermocouple 58 doit être situé dans une zone de la lentille non affectée par le faisceau laser 12. The thermocouple 58 is placed on the outlet face 62 (or lower face) of the lens 18; it makes it possible to measure the temperature of the lens according to a diffraction phenomenon (by breaks, local burns of the lens). This thermocouple 58 must be located in an area of the lens not affected by the laser beam 12.

Le thermocouple 60 est monté sur l'épaulement 30 de la monture de la lentille afin de mesurer la température de la lentille par un phénomène de conduction de la chaleur (les pièces de la tête de découpe étant en métal). The thermocouple 60 is mounted on the shoulder 30 of the lens mount in order to measure the temperature of the lens by a heat conduction phenomenon (the parts of the cutting head being made of metal).

Les thermocouples 56-60 ont par exemple un diamètre de 1 mm. Thermocouples 56-60 have for example a diameter of 1 mm.

L'étanchéité entre ces thermocouples et les pièces mécaniques de la tête de découpe, comme en particulier le nez d'entretoise 44, est assurée à l'aide d'un élastomère 63 du type pâte de silicone ou par un isolant électrique équivalent. The seal between these thermocouples and the mechanical parts of the cutting head, such as in particular the spacer nose 44, is ensured using an elastomer 63 of the silicone paste type or by an equivalent electrical insulator.

Selon L'invention, le contrôle de l'état de la lentille est assurée en continu. Ainsi, les trois thermocouples 56, 58 et 60 délivrent chacun en continu une tension électrique représentative de la température de la lentille en leur point de mesure, elle-même représentative de la puissance lumineuse absorbée par la lentille. According to the invention, the control of the state of the lens is ensured continuously. Thus, the three thermocouples 56, 58 and 60 each continuously deliver an electrical voltage representative of the temperature of the lens at their measurement point, itself representative of the light power absorbed by the lens.

Ces trois tensions sont reçues respectivement par des comparateurs 64, 66 et 68 qui comparent La tension délivrée respectivement par Les thermocouples 56, 58 et 60 à une tension de consigne respectivement V V2, v représentatives chacune d'une température de
3 seuil de La LentiLLe aux trois points de mesure.These three voltages are received respectively by comparators 64, 66 and 68 which compare the voltage delivered by the thermocouples 56, 58 and 60 respectively to a setpoint voltage respectively V V2, v each representative of a temperature of
3 LENS threshold at the three measurement points.

Ces comparateurs 64, 66 et 68 commandent chacun une alarme respectivement 70, 72 et 74, visuelle et/ou sonore qui est déclenchée lorsque la tension délivrée par les thermocouples est supérieure aux tensions de seuil. These comparators 64, 66 and 68 each control an alarm 70, 72 and 74 respectively, visual and / or audible which is triggered when the voltage delivered by the thermocouples is greater than the threshold voltages.

Afin de connaftre l'évolution des trois températures mesurées de la lentille au cours du temps, il est possible de les enregistrer sur un enregistreur 76 pouvant être monté en aval des comparateurs. In order to know the evolution of the three measured temperatures of the lens over time, it is possible to record them on a recorder 76 which can be mounted downstream of the comparators.

La description précédente n'a été donnée qu'à titre illustratif et d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés sans pour autant sortir du cadre de L'invention. The above description has been given for illustrative purposes only and other embodiments can be envisaged without departing from the scope of the invention.

En particulier, le montage de la lentille de focalisation ainsi que l'emplacement précis des thermocouples sont adaptés à l'agencement de la tête de découpe laser utilisée ; de plus, d'autres types de fixation de la lentille peuvent être envisagés à condition de pouvoir effectuer au moins une mesure de la température de la lentille, soit en bordure de la lentille, soit sur la face de sortie de la lentille, soit sur la monture de la lentille. In particular, the mounting of the focusing lens and the precise location of the thermocouples are adapted to the arrangement of the laser cutting head used; in addition, other types of fixing of the lens can be envisaged provided that at least one measurement of the temperature of the lens can be carried out, either at the edge of the lens, or on the exit face of the lens, or the lens mount.

Claims

1. Device for monitoring the state of the focusing lens of a laser apparatus, comprising means (56, 58, 60) for measuring at least one temperature of the lens (18) in a location not affected by the light beam (12) supplied by the laser apparatus and means of analysis (64, 66, 68, 76) of the measured temperature.

2. Device according to claim 1, characterized in that the analysis means comprise comparison means (64, 66, 68) of the temperature measured with a threshold temperature and alarm means (70, 72, 74 ) controlled by the comparison means (64, 66, 68).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that several measuring means (56, 58, 60) of temperature are provided and arranged to measure the temperature of the lens in different places.

4. Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the measuring means are three in number, and arranged, in projection on the same plane (Figure 3) at 1200C from each other .

5. Device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a first measuring means (58) is provided on the outlet face (62) of the lens (18), a second means (56) is provided at the edge of the lens and / or a third means (60) is provided on a part (20) for holding the lens in the laser apparatus.

6. Device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the temperature measurement means consist of thermocouples delivering an electrical voltage representative of the temperature of the lens and the comparison means consist of a comparator circuit of voltage.

7. Laser apparatus with output focusing lens, characterized in that it comprises a device for controlling the state of the lens, according to any one of claims 1 to 6.