FR3024843A1 - LASER BEAM MACHINING DEVICE OF A CONTROLLED CONICITY HOLE - Google Patents
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Abstract
L'objet de l'invention est un dispositif d'usinage par faisceau laser pour réaliser un trou (12) avec une conicité contrôlée, ledit dispositif comprenant une source laser (11) apte à émettre un faisceau laser, une unité optique de focalisation (17) pour focaliser le faisceau laser sur une surface de la pièce à usiner (12), ladite unité optique de focalisation ayant un axe optique (14), le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un module afocal (15) interposé entre la source laser (11) et l'unité optique de focalisation (17) pour diriger le faisceau laser sur l'unité optique de focalisation, - des moyens pour commander de manière contrôlée un déplacement dudit module afocal selon une direction orthogonale par rapport à l'axe optique (14) entre une première position dans laquelle les centres optiques (O', O'') du module afocal (15) sont alignés avec l'axe optique (14) et une deuxième position dans laquelle les centres optiques (O', O'') du module afocal sont déplacés d'une distance E par rapport à l'axe optique de sorte que le faisceau soit dirigé sur la pièce à usiner selon un angle Φ par rapport à l'axe optique, l'angle Φ étant prédéterminé par ledit déplacement, - des moyens pour commander une rotation du module afocal autour de l'axe optique (14) de sorte que ledit faisceau incliné d'un angle Φ décrive un mouvement de précession circulaire sur la pièce à usiner.The object of the invention is a laser beam machining device for producing a hole (12) with a controlled conicity, said device comprising a laser source (11) capable of emitting a laser beam, an optical focusing unit ( 17) for focusing the laser beam on a surface of the workpiece (12), said focusing optical unit having an optical axis (14), the device being characterized in that it further comprises: - an afocal module ( 15) interposed between the laser source (11) and the focusing optical unit (17) for directing the laser beam on the focusing optical unit, - means for controlling in a controlled manner a displacement of said afocal module in an orthogonal direction with respect to the optical axis (14) between a first position in which the optical centers (O ', O' ') of the afocal module (15) are aligned with the optical axis (14) and a second position in which the optical centers (O ', O' ') of the afocal module are displaced by a distance E with respect to the optical axis so that the beam is directed on the workpiece at an angle Φ with respect to the optical axis, the angle Φ being predetermined by said displacement, - Means for controlling a rotation of the afocal module around the optical axis (14) so that said inclined beam of an angle Φ describes a circular precession movement on the workpiece.
Description
1 DISPOSITIF D'USINAGE PAR FAISCEAU LASER D'UN TROU A CONICITÉ CONTRÔLÉE La présente invention concerne un dispositif d'usinage par faisceau laser pour réaliser un trou à conicité contrôlée dans une pièce mécanique. Il est connu d'utiliser des techniques de perçage et de découpe au laser pour réaliser des usinages dans des pièces. De manière connue, ces techniques mettent en oeuvre deux types d'opérations, qui sont la percussion et la trépanation. Une opération de percussion consiste à utiliser un faisceau laser fixe pour pénétrer dans l'épaisseur du matériau. Le faisceau laser a donc un impact fixe sur le point de perçage. Il en résulte un trou dont le diamètre est déterminé par le diamètre du faisceau laser et par le niveau de puissance de la source laser.The present invention relates to a laser beam machining device for producing a conically controlled hole in a mechanical part. It is known to use drilling and laser cutting techniques to perform machining in parts. In known manner, these techniques implement two types of operations, which are percussion and trepanation. A percussion operation involves using a fixed laser beam to penetrate the thickness of the material. The laser beam therefore has a fixed impact on the piercing point. This results in a hole whose diameter is determined by the diameter of the laser beam and the power level of the laser source.
Une opération de trépanation consiste à découper le contour d'un trou en déplaçant le faisceau laser sur la surface d'une pièce à usiner en dessinant une trajectoire sensiblement circulaire au lieu de le percer éventuellement en une seule fois. Il en résulte un trou dont le diamètre est supérieur au diamètre du faisceau laser. Dans les deux cas, le faisceau laser incident arrive sur la pièce à usiner avec un angle d'incidence nul. Bien que la technique de percussion soit plus rapide, on lui préfère souvent la trépanation du fait d'une influence thermique inférieure dans la zone usinée. En outre, le diamètre du trou n'est plus limité à celui du faisceau laser. Le domaine technique de la présente invention concerne plus particulièrement la technique de trépanation. Le dispositif pour mettre en oeuvre la technique de trépanation comprend généralement une source laser qui émet un faisceau laser. Ce faisceau est transformé et focalisé par un système optique en un point focal sur la surface de la pièce à usiner. En complément, un système déflecteur est placé entre la source et le système optique de façon à défléchir le faisceau laser. La figure 1A illustre schématiquement un trou 3 obtenu dans une pièce à usiner 2 avec une technique de trépanation connue. Un faisceau laser 6 émis par une source laser et émergeant d'un système optique (non illustrés sur la figure 1A) est contenu dans un volume conique. Le déplacement du faisceau laser est matérialisé par une double flèche circulaire.A trephination operation involves cutting the contour of a hole by moving the laser beam over the surface of a workpiece by drawing a substantially circular path instead of piercing it at one time. This results in a hole whose diameter is greater than the diameter of the laser beam. In both cases, the incident laser beam arrives on the workpiece with a zero angle of incidence. Although the percussion technique is faster, it is often preferred trepanation because of a lower thermal influence in the machined area. In addition, the diameter of the hole is no longer limited to that of the laser beam. The technical field of the present invention relates more particularly to the technique of trephination. The device for implementing the trepanation technique generally comprises a laser source which emits a laser beam. This beam is transformed and focused by an optical system at a focal point on the surface of the workpiece. In addition, a deflector system is placed between the source and the optical system to deflect the laser beam. Figure 1A schematically illustrates a hole 3 obtained in a workpiece 2 with a known trephination technique. A laser beam 6 emitted by a laser source and emerging from an optical system (not shown in FIG. 1A) is contained in a conical volume. The displacement of the laser beam is materialized by a double circular arrow.
Le trou 3 comporte un diamètre entrant D1 correspondant au diamètre du trou situé du côté 3024843 2 de l'impact du faisceau laser sur la pièce à usiner et le diamètre sortant D2 correspondant au diamètre du trou situé du côté opposé à l'impact du faisceau laser. La figure 1A illustre une technique de trépanation classique dans laquelle le faisceau arrive sur la surface de la pièce avec un angle cl) nul, l'axe de transmission du faisceau 5 s'étendant 5 parallèlement à l'axe du trou 4. Le trou ainsi réalisé présente nécessairement un diamètre entrant D1 plus grand que le diamètre D2. Cette caractéristique de forme est inhérente à l'opération de trépanation classique et au profil d'intensité du faisceau laser. Lorsque le trou doit présenter une forme déterminée ou complexe, la technique de trépanation classique telle que décrite ci-dessus n'est plus adaptée. Or de manière générale, 10 il est important de pouvoir contrôler la conicité du trou réalisé en fonction du besoin de l'application industrielle. Une solution connue consiste à interposer entre la source laser et le système optique de focalisation un système optique de déviation qui permet d'introduire un angle d'inclinaison entre le faisceau laser qui arrive sur la surface de la pièce à usiner et l'axe du trou 4.The hole 3 has an incoming diameter D1 corresponding to the diameter of the hole located on the side 3024843 2 of the impact of the laser beam on the workpiece and the outgoing diameter D2 corresponding to the diameter of the hole located on the opposite side to the impact of the beam laser. FIG. 1A illustrates a conventional trepanation technique in which the beam arrives on the surface of the workpiece with a zero angle φ, the transmission axis of the beam 5 extending parallel to the axis of the hole 4. The hole thus produced necessarily has an incoming diameter D1 larger than the diameter D2. This shape characteristic is inherent in the conventional trephination operation and the intensity profile of the laser beam. When the hole must have a specific or complex shape, the conventional trephination technique as described above is no longer suitable. In general, however, it is important to be able to control the taper of the hole made according to the need of the industrial application. A known solution consists in interposing between the laser source and the focusing optical system an optical deflection system which makes it possible to introduce an angle of inclination between the laser beam which arrives on the surface of the workpiece and the axis of the workpiece. hole 4.
15 Le faisceau laser se présente alors sous la forme d'un cône avec un angle incliné par rapport à l'axe du trou 4. En complément de cette inclinaison, le faisceau laser est déplacé pour décrire un mouvement de précession sensiblement circulaire sur la pièce à usiner. En contrôlant l'angle cl), il est donc possible de réaliser un trou de conicité nulle (Figure 1E3) ou avec une conicité négative (Figure 1C).The laser beam is then in the form of a cone with an angle inclined with respect to the axis of the hole 4. In addition to this inclination, the laser beam is displaced to describe a substantially circular precessional movement on the part. to machine. By controlling the angle c1), it is therefore possible to make a hole of conicity zero (Figure 1E3) or with a negative conicity (Figure 1C).
20 Dans l'art antérieur, un système optique connu pour commander la direction d'un faisceau laser comprend généralement un jeu comprenant au moins deux prismes tournants séparés l'un de l'autre d'une distance variable, pouvant tourner indépendamment l'un de l'autre, afin de diriger le faisceau laser dans un cône avec un angle incliné par rapport à l'axe optique. Un tel système est également connu sous le nom « diasporamètre ». En faisant 25 varier la distance séparant les deux prismes rotatifs ou en déplaçant l'ensemble des prismes par rapport au système de focalisation, ou encore en faisant varier leur orientation, il est possible de percer des trous coniques convergents, divergents ou cylindriques. Néanmoins, les systèmes existants font intervenir des montages complexes d'éléments optiques, coûteux et fragiles.In the prior art, an optical system known for controlling the direction of a laser beam generally comprises a set comprising at least two rotating prisms separated from one another by a variable distance, which can rotate independently of each other. on the other, to direct the laser beam in a cone with an angle inclined to the optical axis. Such a system is also known as the "diasporameter". By varying the distance separating the two rotating prisms or moving all the prisms relative to the focusing system, or by varying their orientation, it is possible to drill convergent, divergent or cylindrical conical holes. Nevertheless, existing systems involve complex assemblies of optical elements, expensive and fragile.
30 Un objectif de la présente invention est de proposer un nouveau dispositif d'usinage d'un trou dans une pièce à usiner qui soit simple à mettre oeuvre, qui soit peu onéreux, et soit robuste tout en permettant un contrôle de la conicité du trou. Un autre objectif de la 3024843 3 présente invention est d'intégrer un moyen optique dans le nouveau dispositif de perçage et de découpe permettant de déplacer l'impact du faisceau sur la pièce de travail. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'usinage par faisceau laser pour réaliser un trou avec une conicité contrôlée, ledit dispositif comprenant une source laser apte à émettre 5 un faisceau laser, une unité optique de focalisation pour focaliser le faisceau laser sur une surface de la pièce à usiner, ladite unité optique de focalisation ayant un axe optique, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un module afocal interposé entre la source laser et l'unité optique de focalisation pour diriger le faisceau laser sur l'unité optique de focalisation, 10 - des moyens pour commander de manière contrôlée un déplacement dudit module afocal selon une direction orthogonale par rapport à l'axe optique entre une première position dans laquelle le centre optique du module afocal sont alignés avec l'axe optique et une deuxième position dans laquelle les centres optiques (0', 0") du module afocal sont déplacés d'une distance E par rapport à l'axe optique de sorte que le faisceau soit dirigé sur 15 la pièce à usiner selon un angle cl) par rapport à l'axe optique, l'angle cl) étant prédéterminé par ledit déplacement, - des moyens pour commander une rotation du module afocal autour de l'axe optique de sorte que ledit faisceau incliné d'un angle cl) décrive un mouvement de précession circulaire sur la pièce à usiner.An object of the present invention is to provide a new device for machining a hole in a workpiece that is simple to implement, inexpensive, and robust while allowing control of the taper of the hole. . Another object of the present invention is to integrate an optical means in the new piercing and cutting device for moving the impact of the beam on the workpiece. For this purpose, the subject of the invention is a laser beam machining device for producing a hole with a controlled conicity, said device comprising a laser source capable of emitting a laser beam, an optical focusing unit for focusing the beam. laser on a surface of the workpiece, said optical focusing unit having an optical axis, the device being characterized in that it further comprises: an afocal module interposed between the laser source and the optical focusing unit for directing the laser beam at the focusing optical unit; means for controlling in a controlled manner a movement of said afocal module in a direction orthogonal to the optical axis between a first position in which the optical center of the afocal module is aligned with the optical axis and a second position in which the optical centers (0 ', 0 ") of the afocal module are displaced by a distance E by r pole to the optical axis so that the beam is directed to the workpiece at an angle c1) with respect to the optical axis, the angle c1 being predetermined by said displacement; means for controlling a rotation of the afocal module around the optical axis so that said inclined beam of an angle c1) describes a circular precession movement on the workpiece.
20 Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif d'usinage comprend une unité de déflection pour diriger le faisceau laser sur l'unité optique de focalisation selon un angle de champ a prédéterminé de sorte que le faisceau laser soit focalisé en un point situé sur la pièce hors de l'axe optique. Selon une variante, ladite unité de déflection est placée entre la source laser et le module 25 afocal. Selon une autre variante, ladite unité de déflection est placée entre le module afocal et l'unité optique de focalisation, ce déflecteur pouvant être placé, ou non, à la distance focale objet de la lentille de focalisation. Selon une forme de réalisation, le module afocal se présente sous la forme de deux lentilles.According to one embodiment of the invention, the machining device comprises a deflection unit for directing the laser beam on the optical focusing unit at a predetermined angle of field of view so that the laser beam is focused into a beam. point located on the piece off the optical axis. According to one variant, said deflection unit is placed between the laser source and the afocal module. According to another variant, said deflection unit is placed between the afocal module and the optical focusing unit, this deflector may or may not be placed at the objective focal length of the focusing lens. According to one embodiment, the afocal module is in the form of two lenses.
30 L'invention sera décrite maintenant plus en détails en référence aux figures annexées données uniquement à titre d'exemple et dans lesquelles : 3024843 4 - les figures 1A, 1B et 1C illustrent respectivement trois formes de trous avec une conicité positive, nulle et négative réalisés avec des dispositifs d'usinage de l'art antérieur ; - la figure 2A est une vue schématique d'un dispositif d'usinage selon un premier mode de réalisation de l'invention, comprenant un module afocal placé dans une configuration pour 5 produire un angle cl) nul ; - la figure 2B est une vue agrandie de la zone d'impact du faisceau laser sur la pièce à usiner de la figure 2A, - la figure 3A est une vue schématique du dispositif d'usinage de la figure 2A, comprenant un module afocal placé dans une configuration pour produire un angle cl) non nul sur la pièce à 10 usiner, - la figure 3B est une vue agrandie de la zone d'impact du faisceau laser sur la pièce à usiner de la figure 3A avec le module afocal illustré dans une position angulaire initiale et une seconde position du module afocal dans laquelle il a tourné de 1800 par rapport à la position angulaire initiale, 15 - la figure 4 est une vue schématique d'un dispositif d'usinage selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, comprenant une unité de déflection interposée entre la source laser et le module afocal afin de déplacer l'impact du faisceau laser sur la pièce à usiner, - la figure 5 est une variante du dispositif d'usinage de la figure 4 avec l'unité de déflection placée entre le module afocal et l'unité optique de focalisation.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying figures given by way of example only and in which: FIGS. 1A, 1B and 1C respectively illustrate three forms of holes with a positive, zero and negative conicity made with machining devices of the prior art; FIG. 2A is a schematic view of a machining device according to a first embodiment of the invention, comprising an afocal module placed in a configuration to produce a zero angle c1); FIG. 2B is an enlarged view of the impact zone of the laser beam on the workpiece of FIG. 2A; FIG. 3A is a schematic view of the machining device of FIG. 2A, comprising an afocal module placed in a configuration for producing a nonzero angle c1 on the workpiece, FIG. 3B is an enlarged view of the impact zone of the laser beam on the workpiece of FIG. 3A with the afocal module illustrated in FIG. an initial angular position and a second position of the afocal module in which it has rotated by 1800 relative to the initial angular position; FIG. 4 is a schematic view of a machining device according to a second embodiment of the invention; invention, comprising a deflection unit interposed between the laser source and the afocal module in order to move the impact of the laser beam on the workpiece; - FIG. 5 is a variant of the machining device of FIG. deflection unit ection placed between the afocal module and the optical focusing unit.
20 Les figures 2 et 3 illustrent un dispositif d'usinage 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention pour réaliser un trou 13 avec une conicité contrôlée dans une pièce à usiner 12. Le dispositif comprend une source laser 11 pour générer un faisceau laser 16 suivant un axe longitudinal de transmission référencé 14. Le faisceau est ensuite focalisé, par une lentille de 25 focalisation 17, en un point focal 18 sur la surface de la pièce à usiner 12. La lentille de focalisation est placée à une distance f de la pièce à percer et son axe optique est aligné avec l'axe longitudinal de transmission 14 du faisceau laser lorsqu'il quitte la source. Pour la suite de la description, le dispositif d'usinage est placé dans un repère (X, Y, Z), l'axe Z 30 correspondant à l'axe de transmission du faisceau laser 16, orienté parallèlement à l'axe optique 14.FIGS. 2 and 3 illustrate a machining device 10 according to a first embodiment of the invention for making a hole 13 with a controlled conicity in a workpiece 12. The device comprises a laser source 11 for generating a beam The beam is then focused, by a focusing lens 17, into a focal point 18 on the surface of the workpiece 12. The focusing lens is placed at a distance f the piece to be pierced and its optical axis is aligned with the longitudinal axis of transmission 14 of the laser beam when it leaves the source. For the rest of the description, the machining device is placed in a reference (X, Y, Z), the Z axis corresponding to the transmission axis of the laser beam 16, oriented parallel to the optical axis 14 .
3024843 5 Pour la suite de la description, la pièce 12 à usiner est disposée dans un plan orthogonal (X, Y) orienté perpendiculairement à l'axe optique 14 de sorte que l'axe du trou 13 est aligné sensiblement avec l'axe optique 14. Un module afocal 15 au grandissement unitaire ou non constitué de deux lentilles 15', 15" 5 est placé sur le trajet du faisceau laser entre la source laser 11 et la lentille de focalisation 17. Selon un aspect essentiel de l'invention, le dispositif d'usinage comprend des moyens pour déplacer ce module afocal linéairement par rapport à l'axe optique 14 dans un plan orthogonal à l'axe optique 14 de sorte que les lentilles 15', 15" sont excentrées d'une 10 distance E par rapport à l'axe optique 14. Ainsi le module afocal, en étant excentré par rapport à l'axe optique 14, dirige le faisceau laser 16 de manière excentrée par rapport à l'axe optique 14 et parallèlement à celui-ci. Le faisceau laser est ensuite défléchi par la lentille de focalisation 17 et frappe la pièce à usiner selon un angle cl) non nul, cl) étant l'angle formé entre l'axe de propagation du faisceau laser et l'axe optique 14.For the following description, the part 12 to be machined is disposed in an orthogonal plane (X, Y) oriented perpendicularly to the optical axis 14 so that the axis of the hole 13 is substantially aligned with the optical axis. 14. An afocal module 15 at unit magnification or not consisting of two lenses 15 ', 15 "5 is placed in the path of the laser beam between the laser source 11 and the focusing lens 17. According to an essential aspect of the invention, the machining device comprises means for moving this afocal module linearly with respect to the optical axis 14 in a plane orthogonal to the optical axis 14 so that the lenses 15 ', 15 "are eccentric with a distance E relative to the optical axis 14. Thus the afocal module, being eccentric with respect to the optical axis 14, directs the laser beam 16 eccentrically with respect to the optical axis 14 and parallel thereto. The laser beam is then deflected by the focusing lens 17 and strikes the workpiece at a non-zero angle c1, c1) being the angle formed between the propagation axis of the laser beam and the optical axis 14.
15 La figure 2A illustre le dispositif d'usinage avec le module afocal 15 placé dans une première position dans laquelle les centres optiques 0', 0" des lentilles 15', 15" sont alignés avec l'axe optique 14 de la lentille de focalisation 17. Les rayons du faisceau laser émanant de la source laser sont parallèles entre eux et à l'axe optique 14. Ils traversent successivement les deux lentilles 15', 15" du module afocal 15 et la lentille de focalisation 17 pour converger vers un 20 point focal 18 situé à une distance f du centre optique de la lentille de focalisation 17, le point 18 étant situé sur la surface de la pièce à usiner. Le montage de la figure 2A est placé dans une configuration dans laquelle le faisceau laser 16 frappe la pièce à usiner avec un angle nul. La figure 2B est une vue agrandie de la zone de focalisation du faisceau laser sur la pièce à 25 usiner. Le module afocal 15 étant aligné avec l'axe optique de la lentille de focalisation (E = 0), le faisceau laser 16 est dirigé parallèlement à l'axe optique 14 de la lentille de focalisation et traverse la lentille de focalisation 17 en son centre. Le faisceau qui est focalisé sur la pièce arrive avec un angle d'inclinaison cl) nul. La figure 3A illustre le dispositif de la figure 2A placé dans une configuration pour introduire 30 un angle d'inclinaison cl) entre le faisceau laser et l'axe optique. Pour ce faire, le module afocal 15 est déplacé selon une direction orthogonale par rapport à l'axe optique 14 d'une distance E. Le déplacement du module afocal est indiqué par une flèche. Plus précisément, 3024843 6 les centres optiques 0', 0" des deux lentilles 15', 15" sont déplacés par rapport à l'axe optique 14 de la lentille de focalisation d'une distance E. L'excentrement des deux lentilles par rapport à l'axe optique permet d'excentrer le faisceau laser dans la pupille d'entrée de la lentille de focalisation de sorte que le faisceau laser soit défléchi par cette lentille 17 et ainsi 5 focalise sur la pièce à usiner selon un angle cl). Dans le cas où le module afocal excentré est au grandissement optique unitaire, l'angle cl) est défini par la relation : tan cl) = E/f, E étant la distance d'excentrement entre les centres optiques des deux lentilles du module afocal et l'axe optique 14, f étant la distance focale de la lentille de focalisation. De préférence, le dispositif comprend un moteur permettant de commander de manière 10 contrôlée le déplacement du module afocal 15. Selon un aspect essentiel de l'invention, le dispositif comprend en outre des moyens pour mettre en rotation les lentilles 15', 15" autour de l'axe optique 14 de la lentille de focalisation 17. Le mouvement de rotation de chacune des deux lentilles est schématisé par une flèche sur la figure 3A. Le faisceau peut en conséquence tourner autour de l'axe optique 15 14 dessinant au moins une partie de la surface d'un cône. En faisant effectuer au module afocal une rotation de 360 degrés autour de l'axe optique 14, une trépanation complète est obtenue. Ainsi le faisceau laser qui arrive sur la surface de la pièce à usiner décrit un mouvement de précession circulaire avec un angle cl). Sur la figure 3B est illustré ce mouvement circulaire de précession. Le faisceau laser 16 qui 20 arrive sur la lentille de focalisation 17 est représenté ici arbitrairement à deux endroits différents P1, P2 sur la lentille de focalisation. P1 correspond à une position angulaire initiale des deux lentilles du module afocal et P2 correspond à une position angulaire dans laquelle les deux lentilles 15', 15" ont tourné de 180 degrés par rapport à la position initiale. En faisant tourner les deux lentilles d'une rotation de 360° autour de l'axe optique 14, on 25 obtient donc un mouvement de trépanation complet. Ainsi le dispositif d'usinage, selon ce premier mode de réalisation de l'invention, en contrôlant l'angle d'inclinaison cl) du faisceau laser qui arrive sur la pièce à usiner par l'intermédiaire du contrôle de l'excentrement transversal E des deux lentilles 15', 15" par rapport à l'axe optique 14, permet donc de contrôler la conicité du trou à réaliser dans une 30 pièce. En particulier, avec le dispositif de l'invention, il est possible de réaliser un trou avec une conicité nulle (figure 1B) ou une conicité négative (figure 1C) en contrôlant l'angle d'inclinaison cl).FIG. 2A illustrates the machining device with the afocal module 15 placed in a first position in which the optical centers 0 ', 0 "of the lenses 15', 15" are aligned with the optical axis 14 of the focusing lens. 17. The rays of the laser beam emanating from the laser source are parallel to each other and to the optical axis 14. They successively pass through the two lenses 15 ', 15 "of the afocal module 15 and the focusing lens 17 to converge towards a 20 focal point 18 located at a distance f from the optical center of the focusing lens 17, the point 18 being located on the surface of the workpiece.The assembly of Figure 2A is placed in a configuration in which the laser beam 16 strikes the workpiece with a zero angle Fig. 2B is an enlarged view of the focusing area of the laser beam on the workpiece, the afocal module being aligned with the optical axis of the focusing lens (E = 0), the fcc Laser water 16 is directed parallel to the optical axis 14 of the focusing lens and passes through the focusing lens 17 at its center. The beam which is focused on the piece arrives with a zero angle of inclination. Fig. 3A illustrates the device of Fig. 2A placed in a configuration for introducing an inclination angle c1) between the laser beam and the optical axis. To do this, the afocal module 15 is moved in a direction orthogonal to the optical axis 14 by a distance E. The displacement of the afocal module is indicated by an arrow. More precisely, the optical centers 0 ', 0 "of the two lenses 15', 15" are displaced with respect to the optical axis 14 of the focusing lens by a distance E. The eccentricity of the two lenses relative to the optical axis allows the laser beam to be eccentric in the entrance pupil of the focusing lens so that the laser beam is deflected by this lens 17 and thus focuses on the workpiece at an angle c 1). In the case where the eccentric afocal module is unit optical magnification, the angle c1) is defined by the relation: tan c1) = E / f, where E is the eccentric distance between the optical centers of the two lenses of the afocal module. and the optical axis 14, f being the focal length of the focusing lens. Preferably, the device comprises a motor for controlling in a controlled manner the displacement of the afocal module 15. According to an essential aspect of the invention, the device further comprises means for rotating the lenses 15 ', 15 "around of the optical axis 14 of the focusing lens 17. The rotational movement of each of the two lenses is shown schematically by an arrow in Fig. 3A, the beam can therefore rotate about the optical axis 14 drawing at least one part of the surface of a cone By making the afocal module rotate 360 degrees around the optical axis 14, a complete trephination is obtained, so that the laser beam that arrives on the surface of the workpiece circular precession movement with an angle c1) This circular precession motion is illustrated in FIGURE 3.B. The laser beam 16 which arrives on the focusing lens 17 is shown here. arbitrarily at two different places P1, P2 on the focusing lens. P1 corresponds to an initial angular position of the two lenses of the afocal module and P2 corresponds to an angular position in which the two lenses 15 ', 15 "have rotated 180 degrees with respect to the initial position. A rotation of 360 ° about the optical axis 14 results in a complete trepanning movement, so that the machining device, according to this first embodiment of the invention, by controlling the angle of inclination ) of the laser beam which arrives on the workpiece through the control of the transverse eccentricity E of the two lenses 15 ', 15 "with respect to the optical axis 14, thus makes it possible to control the taper of the hole to be made in one room. In particular, with the device of the invention, it is possible to make a hole with a zero conicity (Figure 1B) or a negative conicity (Figure 1C) by controlling the angle of inclination c1).
3024843 7 Pour déplacer linéairement les deux lentilles du module afocal selon une direction orthogonale par rapport à l'axe optique, il est prévu de fixer les deux lentilles sur un support qui est animé d'un mouvement vertical commandé par un moteur (non illustré sur la figure 3A). Le support peut également tourner autour de l'axe optique grâce à un palier (non 5 illustré). La rotation du support est commandée par exemple par un deuxième moteur. Dans une variante (non illustrée) du dispositif de la figure 3A, les deux lentilles qui constituent le module afocal sont des lentilles à symétrie sphérique positive-positive ou négative-positive. Cette dernière forme de réalisation permet d'éviter d'avoir un point chaud qui pourrait entraîner une détérioration du dispositif.To linearly move the two lenses of the afocal module in a direction orthogonal to the optical axis, it is intended to fix the two lenses on a support which is driven by a vertical movement controlled by a motor (not shown in FIG. Figure 3A). The support can also rotate about the optical axis through a bearing (not shown). The rotation of the support is controlled for example by a second motor. In a variant (not shown) of the device of FIG. 3A, the two lenses constituting the afocal module are positive-positive or negative-positive spherical symmetry lenses. This latter embodiment avoids having a hot spot that could lead to deterioration of the device.
10 Une autre variante particulièrement avantageuse consiste à utiliser des lentilles cylindriques à la place des lentilles à symétrie sphérique dans le module afocal. Ainsi une rotation de 1800 du module afocal, donc des deux lentilles cylindriques, produit une rotation complète de 360° du faisceau laser à la sortie du module afocal. Les lentilles cylindriques qui introduisent une rotation optique du faisceau, permettent ainsi de simplifier les spécifications du moteur 15 qui commande la rotation des lentilles. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le faisceau laser émis à la sortie de la source est apte à être animé d'un mouvement de rotation sur lui-même autour de son propre axe de transmission, permettant ainsi d'améliorer la qualité de l'usinage par homogénéisation du faisceau.Another particularly advantageous variant is to use cylindrical lenses instead of spherically symmetrical lenses in the afocal module. Thus a rotation of 1800 of the afocal module, and therefore of the two cylindrical lenses, produces a complete 360 ° rotation of the laser beam at the output of the afocal module. The cylindrical lenses that introduce an optical rotation of the beam, thus simplify the specifications of the motor 15 which controls the rotation of the lenses. According to a preferred embodiment of the invention, the laser beam emitted at the output of the source is able to be driven in a rotational movement about itself around its own transmission axis, thus making it possible to improve the quality of the machining by homogenization of the beam.
20 Dans la présente invention, le terme « lentille de focalisation » désigne une lentille de focalisation de toutes formes ou une unité de focalisation composée d'une combinaison de plusieurs lentilles ayant pour fonction de focaliser sans aberration optique le faisceau sur la surface de la pièce à usiner. De même, le module afocal 15 peut se présenter sous la forme d'une combinaison de 25 lentilles non aberrantes agencées successivement sur le trajet du faisceau, entre la source laser 11 et la lentille de focalisation 17. Les figures 4 et 5 illustrent un dispositif d'usinage 10' selon un deuxième mode de réalisation de l'invention dans lequel une unité de déflection 19 est intégrée dans le montage de la figure 3A afin de pouvoir déplacer l'impact du faisceau laser sur la surface de la pièce à 30 usiner à des positions prédéterminées selon les deux directions X et Y en dehors de l'axe optique 14 de la lentille de focalisation.In the present invention, the term "focusing lens" refers to a focusing lens of all shapes or a focusing unit composed of a combination of several lenses having the function of focusing without optical aberration the beam on the surface of the workpiece. to machine. Similarly, the afocal module 15 may be in the form of a combination of non-aberrant lenses successively arranged in the path of the beam, between the laser source 11 and the focusing lens 17. FIGS. 4 and 5 illustrate a device 10 'machining tool according to a second embodiment of the invention in which a deflection unit 19 is integrated in the assembly of Figure 3A in order to be able to move the impact of the laser beam on the surface of the workpiece at predetermined positions along the two X and Y directions outside the optical axis 14 of the focusing lens.
3024843 8 La figure 4 illustre une première variante du mode de réalisation dans laquelle l'unité de déflection 19 est disposée entre la source laser 11 et le module afocal 15. Pour mettre en évidence le mode de fonctionnement de l'unité de déflection 19, le faisceau laser est tracé en trait continu 16 dans le cas où le faisceau laser n'est pas dévié par l'unité de déflection 19 5 et en trait discontinu 16' lorsqu'il est dévié par l'unité de déflection 19. La source laser 11 émet un faisceau laser 16 dirigé selon une direction de transmission orientée parallèlement à l'axe optique 14 de la lentille de focalisation. Le faisceau laser incident sur l'unité de déflection est dévié d'un angle a par rapport à l'axe de transmission en direction de la première lentille 15' du module afocal. Les rayons, en traversant le module afocal 15 10 excentré d'une distance E par rapport à l'axe optique, sortent parallèlement entre eux et orientés selon un certain angle. Cet angle est a si le module afocal est de grandissement optique unitaire et différent de a si le module afocal est de grandissement est différent de un. En traversant la lentille de focalisation 17, les rayons convergent vers un point 18', situé dans le plan focal image de la lentille de focalisation mais hors de l'axe optique. De cette 15 façon, l'unité de déflection 19 a permis de déplacer le point de focalisation sur une nouvelle position 18' de la pièce à usiner qui est décalée par rapport au point de focalisation 18 obtenu lorsque l'angle a est nul. Cette nouvelle position 18' est située en dehors de l'axe optique 14. En faisant tourner les deux lentilles 15', 15" du module afocal autour de l'axe optique 14, le faisceau 16' peut par conséquent décrire au moins une partie de la surface 20 interne d'un trou conique dans la pièce 12. En faisant tourner le module afocal d'un tour complet, on obtient un mouvement de trépanation complet. De préférence et de manière connue, l'unité de déflection 19 se présente sous la forme d'un ou plusieurs miroirs entraînés par des galvanomètres. Le galvanomètre est commandé par exemple par un programme pour déplacer le miroir vers des positions prédéterminées dans 25 chacune desquelles il dirige les rayons du faisceau laser vers la première lentille 15' avec un angle d'incidence a correspondant. Le miroir entraîné par le galvanomètre génère un déplacement du faisceau laser sur la surface de la pièce à usiner selon les deux directions X et Y. Ainsi grâce à l'unité de déflection 19 placée entre la source laser 11 et le module afocal 15, il 30 est possible de définir une distance de déplacement du faisceau sur la pièce à usiner en fonction de l'angle d'incidence a.FIG. 4 illustrates a first variant of the embodiment in which the deflection unit 19 is arranged between the laser source 11 and the afocal module 15. To highlight the operating mode of the deflection unit 19, the laser beam is drawn in continuous line 16 in the case where the laser beam is not deflected by the deflector unit 19 5 and discontinuous 16 'when deflected by the deflection unit 19. The source laser 11 emits a laser beam 16 directed in a direction of transmission oriented parallel to the optical axis 14 of the focusing lens. The laser beam incident on the deflection unit is deflected at an angle α with respect to the transmission axis towards the first lens 15 'of the afocal module. The spokes, passing through the ecocal module 15 eccentric distance E relative to the optical axis, out parallel to each other and oriented at an angle. This angle is a if the afocal module is of unit optical magnification and different from a if the afocal module is magnification is different from one. By crossing the focusing lens 17, the rays converge towards a point 18 ', located in the image focal plane of the focusing lens but out of the optical axis. In this way, the deflection unit 19 has made it possible to move the focus point to a new position 18 'of the workpiece which is offset from the focus point 18 obtained when the angle α is zero. This new position 18 'is located outside the optical axis 14. By rotating the two lenses 15', 15 "of the afocal module around the optical axis 14, the beam 16 'can therefore describe at least a portion The rotational movement of the inner surface of a conical hole in the workpiece 12. By rotating the afocal module one full turn, a complete trephination movement is achieved, preferably in a known manner the deflection unit 19 is provided. in the form of one or more mirrors driven by galvanometers The galvanometer is controlled for example by a program for moving the mirror to predetermined positions in each of which it directs the rays of the laser beam to the first lens 15 'with a The mirror driven by the galvanometer generates a displacement of the laser beam on the surface of the workpiece according to the two directions X and Y. Thus thanks to the unit of die 19 placed between the laser source 11 and the afocal module 15, it is possible to define a beam displacement distance on the workpiece as a function of the angle of incidence a.
3024843 9 De préférence, la lentille de focalisation 17 du dispositif d'usinage comprend des éléments optiques de correction pour réduire et/ou supprimer les aberrations optiques de l'ensemble du système. Dans cette variante, l'angle a doit rester cependant relativement petit afin de ne pas générer d'aberrations trop importantes, ce qui entraîne une limitation du 5 déplacement du faisceau laser sur l'objet à usiner. Selon une deuxième variante préférée du deuxième mode de réalisation de l'invention qui est illustré sur la figure 5, il est possible d'augmenter cette distance de déplacement par rapport à l'axe optique sans augmenter les aberrations ou le vignetage. Pour ce faire, l'unité de déflection 19 est placée entre le module afocal 15 et la lentille de 10 focalisation 17. Le faisceau laser 16 issu de la source passe dans un premier temps par les deux lentilles 15', 15" excentrées par rapport à l'axe optique 14. L'excentrement des lentilles est réalisé de manière identique à celle illustrée sur la figure 3A et a pour fonction de diriger le faisceau de manière excentrée par rapport à l'axe optique 14 et parallèlement à celui-ci en direction de l'unité de déflection 19. Le faisceau laser est dévié d'un angle a par rapport à 15 l'axe optique 14 par l'unité de déflection 19 qui le dirige ensuite vers la lentille de focalisation 17. En traversant la lentille de focalisation 17, les rayons du faisceau laser 16' convergent vers un point 18', situé dans le plan focal image de la lentille de focalisation mais hors de l'axe optique 14. Les lentilles 15', 15" du module afocal peuvent tourner autour de l'axe optique 14 qui est 20 également l'axe du trou à usiner. Le faisceau 16' peut, par conséquent, tourner autour de l'axe du trou 13' pour produire un mouvement de trépanation, dessinant ainsi la surface interne d'un trou conique selon un angle prédéterminé dans la pièce à usiner. En positionnant l'unité de déflection 19 après le module afocal, il est donc plus facile optiquement d'augmenter l'angle a sans augmenter les aberrations ou le vignetage, et de ce 25 fait produire une distance de décalage plus importante par rapport à l'axe optique. Dans une variante préférée non illustrée, il est possible de placer un second module afocal, de grandissement optique supérieur à l'unité, dans les montages illustrés sur les figures 3, 4 et 5, entre le module afocal tournant 15 et la lentille de focalisation 17. Ce second module afocal est statique. Il permet ainsi d'augmenter l'excentrement introduit par le premier 30 module afocal. En conséquence, il est possible de n'introduire qu'un faible excentrement du premier module afocal tout en conservant un angle d'inclinaison cl) important. Ceci permet 3024843 10 de faciliter la rotation du module afocal tournant en limitant le problème de balourd, dû à l'excentrement du centre de gravité du module afocal tournant. Le dispositif d'usinage selon l'invention permet donc d'une part de réaliser des trous avec un profil bien déterminé en contrôlant l'angle d'inclinaison cl) selon lequel le faisceau frappe la 5 surface de la pièce d'usinage, et d'autre part de déplacer la position d'usinage sur la surface de la pièce à usiner.Preferably, the focusing lens 17 of the machining device comprises optical correction elements for reducing and / or eliminating the optical aberrations of the entire system. In this variant, however, the angle a must remain relatively small so as not to generate excessive aberrations, which leads to a limitation of the displacement of the laser beam on the object to be machined. According to a second preferred variant of the second embodiment of the invention which is illustrated in FIG. 5, it is possible to increase this displacement distance with respect to the optical axis without increasing the aberrations or the vignetting. To do this, the deflection unit 19 is placed between the afocal module 15 and the focusing lens 17. The laser beam 16 coming from the source passes firstly by the two lenses 15 ', 15 "eccentric relative to each other. to the optical axis 14. The eccentricity of the lenses is carried out identically to that illustrated in FIG. 3A and serves to direct the beam eccentrically with respect to the optical axis 14 and parallel thereto. The direction of the deflection unit 19. The laser beam is deflected at an angle α with respect to the optical axis 14 by the deflection unit 19 which then directs it towards the focusing lens 17. While traversing the lens 17, the rays of the laser beam 16 'converge towards a point 18', located in the focal plane image of the focusing lens but out of the optical axis 14. The lenses 15 ', 15 "of the afocal module can rotate around the optical axis 14 which is 20 also the axis of the hole to be machined. The beam 16 'can, therefore, rotate about the axis of the hole 13' to produce a trepanning movement, thereby drawing the inner surface of a conical hole at a predetermined angle in the workpiece. By positioning the deflector unit 19 after the afocal module, it is therefore easier to optically increase the angle α without increasing the aberrations or the vignetting, and thus produce a greater offset distance from the optical axis. In a preferred variant not illustrated, it is possible to place a second afocal module, of optical magnification higher than the unit, in the assemblies illustrated in FIGS. 3, 4 and 5, between the rotating afocal module 15 and the focusing lens. 17. This second afocal module is static. It thus makes it possible to increase the eccentricity introduced by the first afocal module. Consequently, it is possible to introduce only a slight eccentricity of the first afocal module while maintaining a significant angle of inclination c). This makes it possible to facilitate the rotation of the rotating afocal module by limiting the unbalance problem, due to the eccentricity of the center of gravity of the rotating afocal module. The machining device according to the invention thus makes it possible on the one hand to make holes with a well-defined profile by controlling the angle of inclination c 1) in which the beam strikes the surface of the workpiece, and on the other hand to move the machining position on the surface of the workpiece.
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