ES2921930A1 - Microperforadora y metodo para monitorizar y controlar procesos de microperforacion laser de pulso unico - Google Patents

Abstract

Un método para el proceso de microperforación de pulso único con un cabezal láser, que comprende microperforar una pieza de trabajo emitiendo intermitentemente un haz láser mientras se mueve el cabezal láser y mientras una boquilla del cabezal láser se separa de la pieza de trabajo, sirviendo la boquilla para emitir un haz láser a través de un primer extremo de una abertura de la boquilla, siendo el primer extremo un extremo de salida láser; y disponer una primera pluralidad de fotodiodos o fibras ópticas en el cabezal láser, de tal manera que cada fotodiodo o fibra óptica de la primera pluralidad se oriente hacia una primera superficie de la pieza de trabajo, siendo la primera superficie la superficie sobre la que inciden los haces láser, y estando acopladas las fibras ópticas de la primera pluralidad con los fotodiodos respectivos. También, una microperforadora.

Description

DESCRIPCIÓN

MICROPERFORADORA Y MÉTODO PARA MONITORIZAR Y CONTROLAR PROCESOS

DE MICROPERFORACIÓN LÁSER DE PULSO ÚNICO

CAMPO TÉCNICO

La presente invención se refiere al campo técnico de los dispositivos láser. Más específicamente, la presente invención se refiere a métodos para la monitorización y control de procesos de microperforación con láser de pulso único y microperforadoras capaces de efectuar microperforaciones en piezas de trabajo con monitorización de las mismas.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La microperforación de una pieza de trabajo, es decir, la formación de orificios u orificios pasantes en una pieza de trabajo cuando el diámetro de los orificios es inferior a 1,0 mm, por ejemplo, entre 40 qm y 200 qm, también denominados en la presente descripción como microorificios, puede ser una tarea compleja debido a que, en general, los orificios deben perforarse con mucha precisión. Esto significa que los orificios formados deben tener un diámetro igual o muy cercano al diámetro nominal, y que los orificios se forman en toda la parte o la totalidad de la superficie procesada de la pieza de trabajo en las localizaciones correctas, es decir, se forman en coordenadas nominales de tal manera que la colocación de los mismos y la separación con respecto a otros orificios cumplen la disposición de microorificios prevista. En función de la aplicación, puede necesitarse que se forme una gran cantidad de orificios en una sola pieza de trabajo, incluso en el orden de 105, 106, y/o 107 orificios; puede apreciarse que la formación de muchos orificios con buena precisión tanto en la colocación como en la geometría de los orificios es compleja.

Una forma de microperforar piezas de trabajo es por medio de radiación láser usando pulsos individuales. Un cabezal láser emite un pulso de haz láser de una energía determinada que incide en la pieza de trabajo a procesar, formando de este modo un orificio. Las características del orificio en términos de diámetro, profundidad, estado, relación de aspecto, circularidad, etc. dependen de la óptica de guía láser, los parámetros láser como la calidad de haz, longitud de pulso, nivel de potencia, etc., los parámetros del gas de procesamiento y de protección, y la distancia desde el extremo de emisión del cabezal láser hasta la superficie de la pieza de trabajo. Las variaciones de distancia en el orden de unidades o decenas de micrómetros cambian las características de los orificios formados, en cuyo caso puede producirse que una pieza de trabajo se haya procesado incorrectamente.

En algunas aplicaciones, el cumplimiento de las características de los orificios formados en la pieza de trabajo es fundamental, por ejemplo, en la industria aeronáutica, industria espacial, industria naval, etc. Además, cuando se forman orificios pasantes, el diámetro del orificio en el lado donde el láser no ha incidido también es importante y también debe cumplir con ciertas características. Con el fin de cumplir con los requisitos, se monitoriza la microperforación con el fin de detectar posibles procesos erróneos.

Existe interés en proporcionar un método para monitorizar un proceso de microperforación láser de una manera confiable y rápida de tal manera que pueda determinarse automáticamente si los orificios se están formando correctamente. También hay interés en detener el cabezal láser cuando el proceso de microperforación no cumple con uno o más criterios, y en proporcionar una microperforadora con tales capacidades.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Un primer aspecto de la invención se refiere a un método para el proceso de microperforación de pulso único con un cabezal láser, que comprende: microperforar una pieza de trabajo emitiendo intermitentemente un haz láser mientras se mueve el cabezal láser y mientras una boquilla se separa de la pieza de trabajo, sirviendo la boquilla para emitir un haz láser a través de un primer extremo de una abertura de la boquilla, siendo el primer extremo un extremo de salida láser, y opuesto a un segundo extremo que es un extremo de entrada de láser a través del que una fuente de láser proporciona la radiación láser; disponer una primera pluralidad de fotodiodos o fibras ópticas en el cabezal láser de tal manera que cada fotodiodo o fibra óptica de la primera pluralidad se orienta hacia una primera superficie de la pieza de trabajo, siendo la primera superficie la superficie sobre la que inciden los haces láser, y estando acopladas las fibras ópticas de la primera pluralidad con los fotodiodos respectivos.

El presente método hace posible monitorizar un proceso de microperforación mediante el que los pulsos láser forman unos orificios en una pieza de trabajo. Siempre que el haz láser incida en la superficie de la pieza de trabajo, el haz láser forma un orificio en la pieza de trabajo.

Los fotodiodos o fibras ópticas acopladas con los fotodiodos capturan la luz del proceso láser, por ejemplo, la luz producida durante la formación de los orificios. Las mediciones de los fotodiodos son indicativas de la formación de los microorificios, así como de su no formación, es decir, de la existencia de orificios obstruidos, y también pueden ser indicativas de los diámetros de los microorificios formados en la superficie de la pieza de trabajo sobre la que incide el haz láser. Esto es así debido a que la luz producida en el proceso de microperforación está correlacionada con la formación del orificio y las características del mismo.

Los fotodiodos o fibras ópticas pueden disponerse en el cabezal láser por medio de, por ejemplo, unos medios de soporte que pueden producirse con prototipado rápido. Los medios de soporte comprenden uno o más dispositivos de soporte que están unidos al cabezal láser o a la boquilla del mismo y que tienen unas ranuras para soportar los fotodiodos o fibras ópticas orientados hacia la pieza de trabajo; esto significa que los fotodiodos o fibras ópticas están orientados a lo largo de la dirección de la abertura u orientados de tal manera que se orienten hacia una posición sobre la que se espera que incida el haz láser cuando se dispone la pieza de trabajo; en algunos casos, los fotodiodos o fibras ópticas están alineados sustancialmente en paralelo a una dirección a lo largo de la que se emiten los haces láser hacia la pieza de trabajo. Los fotodiodos o fibras ópticas pueden disponerse simétricamente alrededor del cabezal láser, a saber, distribuidos uniformemente alrededor del cabezal láser.

Un dispositivo de control de la microperforadora que incluye el cabezal láser se acopla preferentemente con los fotodiodos de tal manera que recibe los valores medidos por los fotodiodos. Basándose en las mediciones, el dispositivo de control puede detener el proceso de microperforación deteniendo o apagando el cabezal láser, por ejemplo, cuando las mediciones son indicativas de que se están formando o no orificios con un diámetro que cae dentro de un intervalo de diámetro aceptado predeterminado. De manera adicional o como alternativa, las mediciones pueden proporcionarse a un usuario con fines informativos con el fin de ayudar al usuario en la configuración del cabezal láser para ajustar el proceso de microperforación; las mediciones pueden proporcionarse en unos medios de presentación de usuario como, por ejemplo, una pantalla, altavoces, etc., como una interfaz hombre-máquina.

En este sentido, en algunas realizaciones, el método comprende, además: determinar, con un dispositivo de control de una microperforadora que comprende el cabezal láser, si los orificios formados durante la etapa de microperforación cumplen uno o más criterios predeterminados basados en las mediciones de los fotodiodos de la primera pluralidad; y, cuando el dispositivo de control determina que uno o más orificios no cumplen con el uno o más criterios predeterminados, al menos uno de: detener la microperforación; proporcionar las mediciones o resultados de la determinación realizada a los medios de presentación de usuario, que son parte de la microperforadora o están acoplados comunicativamente a la misma; y marcar digitalmente la pieza de trabajo microperforada, siendo la marca indicativa de un procesamiento erróneo. Al marcar la pieza de trabajo, la pieza de trabajo puede desecharse más tarde o revisarse su calidad antes de usar la pieza de trabajo o instalarla en un dispositivo.

En algunas realizaciones, el método comprende, además, disponer una segunda pluralidad de fotodiodos o fibras ópticas dispuestos en un soporte del cabezal láser de tal manera que cada fotodiodo o fibra óptica de la segunda pluralidad se oriente hacia una segunda superficie de la pieza de trabajo, siendo la segunda superficie opuesta a la primera superficie y estando acopladas las fibras ópticas de la segunda pluralidad con los fotodiodos respectivos.

La disposición de la segunda pluralidad de fotodiodos o fibras ópticas acopladas con los fotodiodos sirve para el fin de informar y/o ajustar el proceso de microperforación, especialmente cuando los orificios a formar son orificios pasantes. Los fotodiodos o fibras ópticas de la segunda pluralidad están dispuestos orientándose hacia un segundo lado de la pieza de trabajo, siendo el primer lado aquél sobre el que incidirá el haz láser. Para tal fin, los fotodiodos o fibras ópticas están en el soporte que está al otro lado de la pieza de trabajo.

Cada fotodiodo de la segunda pluralidad captura la luz provocada por el haz láser que sale de la pieza de trabajo a través del segundo lado. Esta luz y, por lo tanto, sus mediciones son indicativas de que se están formando o no orificios con un diámetro en el segundo lado de la pieza de trabajo que cae dentro de un intervalo de diámetro aceptado. En muchas ocasiones, el diámetro del orificio en el segundo lado, es decir, el segundo diámetro, es menor que el diámetro del orificio en el primer lado, es decir, el primer diámetro, en cuyo caso las mediciones de la primera pluralidad de fotodiodos o fibras ópticas son para indicar si el primer diámetro cae dentro de un primer intervalo de diámetro aceptado predeterminado, y las mediciones de la segunda pluralidad de fotodiodos o fibras ópticas son para indicar si el segundo diámetro cae dentro de un segundo intervalo de diámetro aceptado predeterminado. A modo de ejemplo, el primer intervalo de diámetro aceptado predeterminado puede ser de 100 pm a 130 pm, y el segundo intervalo de diámetro aceptado predeterminado puede ser de 50 pm a 70 pm. A modo de otro ejemplo, los intervalos de diámetro aceptados predeterminados primero y segundo pueden ser ambos desde 70 pm a 100 pm.

Las mediciones de la segunda pluralidad y/o las mediciones de la primera pluralidad también pueden usarse para determinar si un orificio no está formado o no está completamente formado, por ejemplo, debido a una salida de potencia láser baja, sin radiación láser en absoluto, etc. La intensidad de la luz capturada por los fotodiodos de cada pluralidad y la comparación entre las intensidades de la luz capturada por los fotodiodos de ambas pluralidades son indicativas de posibles problemas en la formación del orificio.

El dispositivo de control está acoplado preferentemente con los fotodiodos de la segunda pluralidad de tal manera que recibe los valores medidos por dichos fotodiodos como con los fotodiodos de la primera pluralidad, y también puede detener el proceso de microperforación basándose en las mediciones de los fotodiodos de la segunda pluralidad. Asimismo, las mediciones pueden proporcionarse a un usuario. En este sentido, en algunas realizaciones, la etapa de determinación se basa además en las mediciones de los fotodiodos de la segunda pluralidad.

En algunas realizaciones, el método comprende, además: disponer un dispositivo óptico en el cabezal láser de tal manera que se oriente hacia la primera superficie de la pieza de trabajo; y tomar imágenes de la pieza de trabajo durante la etapa de microperforación.

El dispositivo óptico, por ejemplo, una cámara, se coloca preferentemente en el cabezal láser basándose en cómo se moverá el cabezal láser para procesar la pieza de trabajo. Más específicamente, el dispositivo óptico está dispuesto preferentemente de tal manera que se orienta hacia los nuevos orificios formados después de que se haya movido el cabezal láser, por lo tanto, el dispositivo óptico es capaz de capturar los orificios resultantes mientras el cabezal láser se mueve y microperfora la pieza de trabajo.

Las imágenes tomadas por el dispositivo óptico pueden proporcionarse a un usuario para monitorizar la calidad de la pieza de trabajo resultante, o a un dispositivo de procesamiento, por ejemplo, un ordenador, una unidad de procesamiento de gráficos, un procesador de señal digital, etc., configurado para procesar digitalmente las imágenes de tal manera que determine las características de los orificios formados, por ejemplo, el diámetro de los orificios formados y la separación entre cada par de orificios vecinos. Igualmente, las imágenes también pueden usarse para determinar otras características tales como, por ejemplo, el número de orificios obstruidos, el área o cómo de circulares son los orificios, etc.

Antes de instalar y usar la pieza de trabajo, por ejemplo, en un avión, la calidad de la pieza de trabajo puede establecerse de esta manera. Cuando al menos un número predeterminado de orificios o un porcentaje predeterminado del total de orificios tiene un diámetro más allá de un intervalo de diámetro aceptado predeterminado, y/o cuando al menos un porcentaje predeterminado de pares de orificios vecinos o un porcentaje predeterminado del total de pares de orificios vecinos tiene una separación más allá de un intervalo de separación aceptado predeterminado, puede proporcionarse una advertencia para notificar que la pieza de trabajo no cumple con los requisitos de calidad mínimos.

En este sentido, en algunas realizaciones, el método comprende, además: procesar digitalmente, con un dispositivo de procesamiento, las imágenes tomadas por el dispositivo óptico para determinar las características de los orificios formados; y proporcionar los datos resultantes de la etapa de procesamiento a los medios de presentación de usuario o un dispositivo de control de una microperforadora que comprende el cabezal láser.

Los datos pueden ser las propias características o una determinación realizada basándose en las características del proceso de microperforación. Cuando los datos se proporcionan al dispositivo de control, dicho dispositivo puede, a su vez, realizar una o más acciones basándose en los datos, por ejemplo, pero sin limitación, colocar el cabezal láser en relación con la pieza de trabajo de tal manera que procese una parte específica de la pieza de trabajo, detener la microperforación, marcar digitalmente la pieza de trabajo microperforada como procesada erróneamente, etc.

En algunas realizaciones, el método comprende, además: proporcionar mediciones de los codificadores del cabezal láser a un dispositivo de control de la microperforadora, siendo las mediciones indicativas de un movimiento del cabezal láser; y ordenar la salida intermitente del haz láser, con el dispositivo de control, basándose en las mediciones.

La microperforación se realiza preferentemente mientras el cabezal láser se está moviendo con el fin de reducir el tiempo de procesamiento por pieza de trabajo y, por consiguiente, aumentar la eficiencia de la microperforación. Puede ser necesario formar una pluralidad de microorificios en cada pieza de trabajo, y dicha pluralidad puede ser del orden de, por ejemplo, 103 orificios, 105 orificios, 106 orificios, 107 orificios, etc., y la separación entre cada par de microorificios puede estar entre, por ejemplo, 0,1 mm a 1,5 mm. Un cabezal láser que se mueve a una velocidad entre, por ejemplo, 10 mm por minuto y 50 mm por minuto, y una formación de orificios de entre 1 y 500 orificios por segundo, requiere una señal de reloj muy precisa para formar los orificios con una separación constante entre los orificios vecinos.

Al usar los datos proporcionados por los codificadores, puede ordenarse al cabezal láser que proporcione el haz láser hacia la pieza de trabajo basándose en la posición del cabezal láser en lugar de basándose o basándose únicamente en una señal de reloj. El suministro y el no suministro del haz láser puede ajustarse mediante un mecanismo de bloqueo que permite que el haz láser se emita o no. El haz láser puede emitirse con una mayor precisión en la separación entre los diferentes orificios.

En algunas realizaciones, el método comprende, además: disponer un sensor de medición de distancia en la boquilla del cabezal láser; y medir la distancia que separa el cabezal láser de la pieza de trabajo con el sensor de medición de distancia mientras se mueve el cabezal láser. En algunas realizaciones, el sensor de medición de distancia comprende uno de: un sensor de medición de distancia láser, un sensor de corrientes de Foucault y un sensor basado en tomografía de coherencia óptica. En algunas realizaciones, el sensor de medición de distancia está dispuesto concéntrico con la boquilla y/o alineado con el primer extremo de la boquilla.

El suministro del sensor de medición de distancia mejora la confiabilidad de la microperforación ya que la distancia medida puede proporcionarse al dispositivo de control, que a su vez mueve el cabezal láser con respecto a la pieza de trabajo con el fin de mantener una distancia constante. La disposición concéntrica y/o alineada mejora la medición de distancias.

En algunas realizaciones, la pieza de trabajo comprende o es de titanio. Por ejemplo, pero sin limitación, un panel o panel exterior de un avión como, por ejemplo, un borde de ataque de un estabilizador vertical, un estabilizador horizontal, un ala, etc.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a una microperforadora, que comprende: un cabezal láser que comprende una boquilla para emitir un haz láser a través de un primer extremo de una abertura de la boquilla, siendo el primer extremo un extremo de salida láser y opuesto a un segundo extremo que es un extremo de entrada láser a través del que una fuente láser proporciona la radiación láser; un dispositivo de control para controlar la operación de la microperforadora; y una primera pluralidad de fotodiodos o fibras ópticas dispuestos en el cabezal láser de tal manera que cada fotodiodo o fibra óptica de la primera pluralidad se oriente hacia la pieza de trabajo, estando acopladas las fibras ópticas de la primera pluralidad con los fotodiodos respectivos. Los fotodiodos o fibras ópticas de la primera pluralidad se disponen preferentemente orientándose hacia una región sobre la que inciden los haces láser en la superficie de la pieza de trabajo.

En algunas realizaciones, el dispositivo de control está configurado para determinar si los orificios formados durante la operación de la microperforadora cumplen uno o más criterios predeterminados basados en las mediciones de los fotodiodos de la primera pluralidad, y configurado además para, cuando determina que uno o más orificios no cumplen el uno o más criterios predeterminados, realizar al menos uno de: detener la operación de la microperforadora, proporcionar las mediciones o los resultados de la determinación realizada a los medios de presentación de usuario de la microperforadora o acoplados comunicativamente a la misma, y marcar la pieza de trabajo procesada con una marca indicativa de un procesamiento erróneo.

En algunas realizaciones, la microperforadora comprende, además, un soporte, y una segunda pluralidad de fotodiodos o fibras ópticas dispuestos en el soporte de tal manera que cada fotodiodo o fibra óptica de la segunda pluralidad se orienta en oposición a un fotodiodo o fibra óptica de la primera pluralidad, estando acopladas las fibras ópticas de la segunda pluralidad con los fotodiodos respectivos. Los fotodiodos o fibras ópticas de la segunda pluralidad están dispuestos preferentemente para orientarse hacia una región sobre la que inciden los haces láser en la superficie de la pieza de trabajo, pero desde el lado opuesto, es decir, en la superficie de la pieza a través de la que el haz láser sale de la pieza, es decir, en una dirección opuesta a la dirección a lo largo de la que se emiten los haces láser desde el cabezal láser.

En algunas realizaciones, la microperforadora comprende, además, un dispositivo óptico dispuesto en el cabezal láser de tal manera que se oriente hacia la pieza de trabajo; y el dispositivo de control que se configura además para ordenar al dispositivo óptico que tome imágenes de la pieza de trabajo después de que el cabezal láser haya emitido uno o más haces láser. El dispositivo óptico se dispone preferentemente para orientarse hacia una región sobre la que inciden los haces láser en la superficie de la pieza de trabajo.

En algunas realizaciones, la microperforadora comprende, además, un dispositivo de procesamiento configurado para procesar digitalmente las imágenes tomadas por el dispositivo óptico para determinar las características de los orificios formados, y configurado además para proporcionar los datos resultantes del procesamiento de imágenes a los medios de presentación de usuario o al dispositivo de control. El dispositivo de control está configurado preferentemente para realizar una o más acciones basadas en los datos proporcionados por el dispositivo de procesamiento.

En algunas realizaciones, la microperforadora comprende, además, unos codificadores indicativos de un movimiento del cabezal láser; y el dispositivo de control está configurado además para ordenar al cabezal láser que emita intermitentemente el haz láser basándose en las mediciones de los codificadores.

En algunas realizaciones, la microperforadora comprende, además, un sensor de medición de distancia dispuesto en la boquilla con el fin de medir una distancia que separa el cabezal láser de la pieza de trabajo. En algunas realizaciones, el sensor de medición de distancia comprende uno de: un sensor de medición de distancia láser, un sensor de corrientes de Foucault y un sensor basado en tomografía de coherencia óptica. En algunas realizaciones, el sensor de medición de distancia está dispuesto concéntrico con la boquilla y/o alineado con el primer extremo de la boquilla.

Ventajas similares a las descritas haciendo referencia al primer aspecto de la invención también pueden aplicarse al segundo aspecto de la invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman parte integral de la descripción e ilustran realizaciones de la invención, lo cual no debería interpretarse como una restricción del alcance de la invención, sino tan solo como ejemplos de cómo puede llevarse a cabo la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:

La figura 1 muestra una microperforadora de acuerdo con las realizaciones.

Las figuras 2A y 2B muestran unas gráficas de los diámetros del haz con respecto a la posición de una lente de un cabezal láser y las mediciones de los fotodiodos de una microperforadora.

La figura 3 muestra una diferencia de tiempo entre la luz capturada en los dos lados de una pieza de trabajo.

La figura 4 muestra una microperforadora de acuerdo con las realizaciones.

DESCRIPCIÓN DE LOS MEDIOS DE REALIZAR LA INVENCIÓN

La figura 1 muestra esquemáticamente una sección transversal de una microperforadora 100a de acuerdo con las realizaciones.

La microperforadora 100a comprende un cabezal láser 10 que, a su vez, comprende una boquilla 20 adecuada para la salida de un haz láser por medio de una abertura 21 de la misma. El haz láser se emite a través de un primer extremo, mostrado con la referencia 22 en la figura 4 en aras de la claridad, tanto de la boquilla 20 como de la abertura 21, y se acopla desde una fuente láser a la abertura 21 a través de un segundo extremo de la misma. La boquilla 20 tiene preferentemente una forma adecuada para la emisión del haz láser, por ejemplo, una forma troncocónica. La abertura 21 tiene un eje central 25, mostrado con una línea de puntos en la figura 4 solo con fines ilustrativos.

El cabezal láser 10 y/o la microperforadora 100a pueden moverse a lo largo del eje Z representado con el fin de colocar el cabezal láser 10 a una distancia de la pieza de trabajo 5, y a lo largo de uno o ambos ejes X e Y representados con el fin de procesar diferentes partes de la pieza de trabajo 5. Al emitir intermitentemente el haz láser mientras se mueve el cabezal láser 10 y/o la microperforadora 100a a lo largo de los ejes X y/o Y, puede formarse una pluralidad de orificios en la pieza de trabajo 5. La microperforadora 100a puede incluir un sensor de medición de distancia, ilustrado con la referencia 30 en la figura 4, para determinar la distancia entre la pieza de trabajo 5 y la abertura 21, facilitando de este modo mantener una separación constante entre las dos.

En algunos casos, la pieza de trabajo 5 también puede moverse en uno o ambos de los ejes X e Y de tal manera que el desplazamiento relativo entre la pieza de trabajo 5 y el cabezal láser 10 puede usarse para formar los orificios sobre parte o la totalidad de la pieza de trabajo 5; además, en algunos casos, la pieza de trabajo 5 también puede moverse a lo largo del eje Z. Para tal fin, la superficie sobre la que descansa la pieza de trabajo 5 puede ser una cinta transportadora o una plataforma móvil capaz de moverse de esta manera.

La microperforadora 100a incluye además una primera pluralidad de fotodiodos 50a, solo está representado uno en aras de la claridad, acoplados con las fibras ópticas respectivas 51a. Los extremos respectivos 52a de las fibras 51a están dispuestos en un soporte 53a, que, por ejemplo, pero no necesariamente, pueden fabricarse mediante prototipado rápido, de tal manera que se orienten hacia una primera superficie 6 de la pieza de trabajo 5, preferentemente hacia una posición de la misma donde incide un haz láser del cabezal láser 10. Preferentemente, cuatro fotodiodos 50a o cuatro fibras ópticas 51a están dispuestos en el soporte 53a de tal manera que se orienten hacia la primera superficie 6 y, más preferentemente, hacia la posición mencionada anteriormente en la misma; los cuatro fotodiodos 50a o extremos 52a de las fibras 51a están distribuidos equidistantemente alrededor de la boquilla 20.

Las fibras ópticas 51a capturan la luz retrodispersada producida durante la emisión de los haces láser y la proporcionan a los fotodiodos 50a de la primera pluralidad para establecer si el proceso de microperforación es correcto o no de acuerdo con los parámetros predeterminados, que pueden establecerse basándose en pruebas. Las mediciones de los fotodiodos 50a pueden proporcionarse a un dispositivo de control 60 de la microperforadora 100a con el fin de apagar el cabezal láser 10 o la emisión de los haces láser cuando se establece digitalmente que el proceso de microperforación no se está realizando de acuerdo con los parámetros predeterminados. El dispositivo de control 60 también puede proporcionar, a los medios de presentación de usuario 70, las mediciones o una determinación realizada por el dispositivo de control 60 sobre el proceso de microperforación.

En algunas realizaciones tales como en las de la figura 1, la microperforadora 100a incluye además una segunda pluralidad de fotodiodos 50b, de nuevo, solo está representado uno en aras de la claridad, acoplado con las fibras ópticas respectivas 51b. Los extremos respectivos 52b de las fibras 51b están dispuestos en un soporte 53b de la microperforadora 100a que está debajo, de acuerdo con el eje Z representado, de la pieza de trabajo 5; los extremos 52b están orientados hacia una segunda superficie 7 de la pieza de trabajo 5 que es opuesta a la primera superficie 6, preferentemente hacia una posición de la misma donde el haz láser del cabezal láser 10 debe salir una vez que se forme un orificio pasante.

Se prefiere la disposición de la segunda pluralidad de fotodiodos 50b cuando se están formando orificios pasantes de tal manera que el proceso de microperforación pueda monitorizarse también con respecto a la luz producida por el haz láser en la segunda superficie 7 de la pieza de trabajo 5. Preferentemente, cuatro fotodiodos 50b o cuatro fibras ópticas 51b están dispuestos en el soporte 53b de tal manera que estén orientados hacia la segunda superficie 7 y, más preferentemente, hacia la posición mencionada anteriormente en la misma; los cuatro fotodiodos 50b o extremos 52b de las fibras 51b están distribuidos equidistantemente en el soporte 53b.

Los fotodiodos 50a, 50b pueden ser, por ejemplo, detectores de silicio -Si- con sensibilidad en el intervalo de 350 a 1100 nm, y tener unos amplificadores de transimpedancia respectivos. Preferentemente, los filtros están dispuestos antes de los fotodiodos 50a, 50b para que solo la luz de cierta o ciertas longitudes de onda pueda atravesarlos, por ejemplo, luz a 1070 nm. Cuando las fibras ópticas 51a, 51b se proporcionan y se acoplan con los fotodiodos 50a, 50b, los filtros pueden disponerse entre las fibras 51a, 51b y los fotodiodos respectivos 50a, 50b. Además, los filtros tienen preferentemente una anchura espectral estrecha, por ejemplo, una anchura espectral de 10 nm o menos, más preferentemente de 5 nm o menos, de tal manera que solo se proporcione a los fotodiodos luz en dicha o dichas longitudes de onda y longitudes de onda cercanas. Igualmente, se proporcionan unos filtros de densidad neutra con el fin de evitar la saturación, teniendo de este modo una captura clara de la señal de tensión adquirida ajustando los filtros a los niveles de intensidad esperados de la luz capturada en la superficie respectiva 6, 7 de la pieza de trabajo 5.

La figura 2A muestra una gráfica con los diámetros del haz en relación con la posición de una lente de un cabezal láser.

En la microperforación de pulso único, la configuración de la óptica láser es importante para ajustar el tamaño de los diámetros de los orificios a formar. Puede establecerse ajustando la posición de la lente, mostrada en el eje X, el diámetro del haz en el lado de incidencia, por ejemplo, el primer lado 6 en el ejemplo de la figura 1, mostrado con círculos negros, y el diámetro del haz al salir a través del otro lado, por ejemplo, el segundo lado 7 en el ejemplo de la figura 1, mostrado con círculos blancos. Se observa que una posición de 0 mm de la lente significa que la cintura del haz se coloca en la superficie de la pieza de trabajo. No obstante, estos valores de diámetro solo se mantendrán mientras la distancia entre el cabezal láser y la pieza de trabajo sea constante. En este sentido, la figura 2B muestra una gráfica con unas mediciones de fotodiodos de una microperforadora, por ejemplo, la microperforadora 100a de la figura 1.

Una señal representada en la gráfica es la señal integrada, como magnitud adimensional, de la luz retrodispersada capturada en la primera superficie 6, mostrada con círculos blancos, durante la formación de, por ejemplo, 10 orificios, frente a la posición de la lente. La otra señal representada muestra el mismo tipo de señal integrada, pero de la luz retrodispersada capturada en la segunda superficie 7, mostrada con círculos negros, durante la formación de los mismos orificios. La señal integrada es para una luz con una longitud de onda de 1070 nm debido a los filtros dispuestos en la trayectoria de la luz hacia los fotodiodos.

Basándose en estas señales, puede determinarse, ya sea digitalmente, por ejemplo, mediante un dispositivo de control de la microperforadora, o manualmente por un usuario, si se están formando los orificios con las características predeterminadas, ya que los cambios en las señales son indicativos de cambios en el proceso de microperforación. A este respecto, la señal capturada en el lado de salida puede proporcionar más información sobre el proceso que la señal capturada en el lado de incidencia, como puede apreciarse en la gráfica.

La figura 3 muestra una diferencia de tiempo entre la luz capturada en los dos lados de una pieza de trabajo. La línea continua corresponde a las mediciones de los fotodetectores que capturan la luz producida en el lado de incidencia del haz láser, mientras que la línea discontinua con marcadores de estrellas corresponde a las mediciones de los fotodetectores que capturan la luz producida en el lado de salida del haz láser. Las señales y el tiempo transcurrido se muestran como magnitud adimensional. En aras de la claridad, también se ha representado una gráfica en una parte interior de la figura con el fin de mostrar una parte ampliada de la gráfica como puede verse en el tiempo transcurrido representado en cada una de las dos gráficas.

Esta diferencia de tiempo también es indicativa de si el proceso de microperforación en curso se está realizando dentro de ciertos parámetros predeterminados. La razón de esto es que la diferencia de tiempo que existe entre el momento en que la luz capturada en el lado de incidencia y el momento en que la luz capturada en el lado de salida se correlaciona con la formación del orificio. Por lo tanto, cuando el tiempo transcurrido entre los dos momentos supera un valor máximo predeterminado o está por debajo de un valor mínimo predeterminado, puede determinarse que el proceso de microperforación no está dentro de los parámetros predeterminados.

La figura 4 muestra esquemáticamente una sección transversal de una microperforadora 100b de acuerdo con las realizaciones, y una pieza de trabajo 5 ilustrada en perspectiva solo en aras de la claridad.

La microperforadora 100b incluye un cabezal láser 10, por ejemplo, el cabezal láser 10 de la figura 1, y además incluye un dispositivo óptico 80 dispuesto en el cabezal láser 10.

El dispositivo óptico 80 incluye una cámara 81 apuntada como la abertura 21 de la boquilla 20, es decir, hacia una superficie de la pieza de trabajo 5 a procesar, una lente 82 delante de la cámara 81, y un primer dispositivo de iluminación 83 que produce la primera luz 84 hacia una primera superficie 6 de la pieza de trabajo 5 donde inciden los haces láser. Específicamente, el primer dispositivo de iluminación 83 se apunta como la cámara 81 de tal manera que la primera luz 84 vaya hacia la posición en la que la cámara 81 tomará las fotografías. El primer dispositivo de iluminación 83 puede ser un iluminador LED en anillo.

El dispositivo óptico 80 incluye además un segundo dispositivo de iluminación 85 dispuesto de tal manera que apunte hacia una segunda superficie 7 de la pieza de trabajo 5 a través de la cual salen los haces láser cuando se forman los orificios pasantes. El segundo dispositivo de iluminación 85 produce una segunda luz 86 hacia la misma posición a la que se apunta la primera luz 84. El segundo dispositivo de iluminación 85 puede ser un dispositivo de luz de fondo tal como una luz de fondo de alta potencia.

Gracias a las luces primera y segunda 84, 86, la cámara 81 toma fotografías del orificio pasante 8 formado anteriormente por un láser de pulso único emitido a través de la boquilla 20. En consecuencia, las fotos de la cámara 81 pueden mostrar un primer diámetro d1 del orificio 8 en la superficie de incidencia 6 de la pieza de trabajo, y un segundo diámetro d2 del orificio 8 en la superficie de salida 7 de la pieza de trabajo, que es menor que el primer diámetro d1. Esto, a su vez, permite determinar uno o más de: si el orificio 8 es pasante o está obstruido, el primer diámetro d1, el segundo diámetro d2, la forma del orificio 8 en la superficie de incidencia 6, es decir, cómo de circular es el orificio 8 en la superficie de incidencia 6, la forma del orificio 8 en la superficie de salida 7, es decir, cómo de circular es el orificio 8 en la superficie de salida 7, el área del orificio 8 en la superficie de incidencia 6 y/o en la superficie de salida 7, y la separación entre los orificios vecinos 8. Cada uno de estos puede usarse para el control de calidad de las piezas de trabajo procesadas. Para tal fin, un dispositivo de procesamiento 65 de la microperforadora 100b procesa las fotos. El resultado del procesamiento puede proporcionarse a un usuario por medio de los medios de presentación de usuario 70, por ejemplo, una interfaz hombre-máquina y/o un dispositivo de control 60 para operar la microperforadora 100b.

Con el fin de reducir el tiempo necesario para tomar fotos de la parte procesada de la pieza de trabajo 5, preferentemente, el dispositivo óptico 80 está dispuesto en el cabezal láser 10 de tal manera que apunte a los orificios 8 formados por el cabezal láser 10 después de mover el cabezal láser 10 y/o la microperforadora 100b para formar nuevos orificios 8. Esto significa que, haciendo referencia a lo que se ilustra en la figura 4, el avance del cabezal láser 10 y/o la microperforadora 100b para procesar la pieza de trabajo 5 es, al menos durante algunas partes del proceso de microperforación, a lo largo del lado positivo del eje X ilustrado. Ya que el dispositivo óptico 80 está dispuesto en el lado negativo del eje X ilustrado, una vez que se forma una perforación 8 y el cabezal láser 10 y/o la microperforadora 100b sigue avanzando, el dispositivo óptico 80 se colocará apuntando a la perforación 8 formada de tal manera que pueda tomarse una foto de la misma. Durante el proceso de microperforación, el cabezal láser 10 y/o la microperforadora 100b también pueden moverse hacia el lado negativo del eje X ilustrado en algún punto, o moverse en relación con el eje Y ilustrado, pero preferentemente el dispositivo óptico 80 está dispuesto de la manera mencionada anteriormente teniendo en cuenta el movimiento principal del cabezal láser 10 y/o la microperforadora 100b para perforar la pieza de trabajo 5.

Preferentemente, el dispositivo óptico 80 es una cámara de matriz que toma imágenes de los orificios y las dispone en forma de matriz. Mediante este tipo de cámara, la toma de imágenes y el procesamiento de las imágenes tomadas pueden reducirse y, por lo tanto, simplificarse. En consecuencia, esto puede evitar tomar imágenes cada vez que se forma un nuevo orificio.

Aunque no se ilustra solo en aras de la claridad, la microperforadora 100b comprende, además, una primera pluralidad de fotodiodos acoplados con unas fibras ópticas respectivas como la primera pluralidad descrita haciendo referencia a la figura 1, y preferentemente comprende también una segunda pluralidad de fotodiodos acoplados con unas fibras ópticas respectivas como la primera pluralidad descrita haciendo referencia a la figura 1.

Además, otros aspectos de la invención se refieren a un método y una microperforadora como se ha descrito haciendo referencia a los aspectos de la invención primero y segundo, pero en los que las realizaciones más generales incluyen el dispositivo óptico 80 como el medio principal para monitorizar el proceso de microperforación, y en algunas realizaciones del mismo la primera y, opcionalmente, la segunda pluralidad de fotodiodos o fibras ópticas, como se ha descrito, por ejemplo, haciendo referencia a la figura 1, están presentes como unos medios adicionales para la monitorización.

En el presente texto, los términos primero, segundo, tercero, etc. se han usado en el presente documento para describir varios dispositivos, elementos o parámetros, se entenderá que los dispositivos, elementos o parámetros no deben estar limitados por estos términos, ya que los términos solo se usan para distinguir un dispositivo, elemento o parámetro de otro. Por ejemplo, la primera pluralidad también podría denominarse segunda pluralidad, y la segunda pluralidad podría denominarse primera pluralidad sin alejarse del alcance de la presente descripción.

En el presente texto, el término "comprende" y sus derivaciones, como "comprendiendo", etc.no deberían entenderse en un sentido excluyente, es decir, no deberían interpretarse estos términos como que excluyen la posibilidad de que lo descrito y definido pueda incluir elementos adicionales, etapas, etc.

Por otro lado, la presente invención, obviamente, no se limita a la realización o realizaciones específicas descritas en el presente documento, sino que también abarca cualquier variación que pueda considerarse por cualquier experto en la materia, por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc., - dentro del alcance general de la invención como se define en las reivindicaciones.

Claims (21)

REIVINDICACIONES

1. Un método para el proceso de microperforación de pulso único con un cabezal láser (10), que comprende: microperforar una pieza de trabajo (5) emitiendo intermitentemente un haz láser mientras se mueve el cabezal láser (10) y mientras una boquilla (20) del cabezal láser (10) se separa de la pieza de trabajo (5), sirviendo la boquilla (20) para emitir un haz láser a través de un primer extremo (22) de una abertura (21) de la boquilla (20), siendo el primer extremo (22) un extremo de salida láser; caracterizado por: disponer una primera pluralidad de fotodiodos (50a) o fibras ópticas (51a) en el cabezal láser (10) de tal manera que cada fotodiodo (50a) o fibra óptica (51a) de la primera pluralidad se orienta hacia una primera superficie (6) de la pieza de trabajo (5), siendo la primera superficie (6) la superficie sobre la que inciden los haces láser, y estando acopladas las fibras ópticas (51a) de la primera pluralidad con los fotodiodos respectivos (50a).

2. El método de la reivindicación 1, que comprende, además: determinar, con un dispositivo de control (60) de una microperforadora (100a, 100b) que comprende el cabezal láser (10), si los orificios formados durante la etapa de microperforación cumplen uno o más criterios predeterminados basados en las mediciones de los fotodiodos (50a) de la primera pluralidad; y, cuando el dispositivo de control (60) determina que uno o más orificios no cumplen con dicho uno o más criterios predeterminados, al menos uno de: detener la microperforación, proporcionar las mediciones o los resultados de la determinación realizada a los medios de presentación de usuario (70), y marcar digitalmente la pieza de trabajo microperforada (5), siendo la marca indicativa de un procesamiento erróneo.

3. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, disponer una segunda pluralidad de fotodiodos (50b) o fibras ópticas (51b) sobre un soporte (53b) del cabezal láser (10), de tal manera que cada fotodiodo (50b) o fibra óptica (51b) de la segunda pluralidad se oriente hacia una segunda superficie (7) de la pieza de trabajo (5), siendo la segunda superficie (7) opuesta a la primera superficie (6), y estando acopladas las fibras ópticas (51b) de la segunda pluralidad con los fotodiodos respectivos (50b).

4. El método de la reivindicación 3 cuando depende de la reivindicación 2, en el que la etapa de determinación se basa, además, en las mediciones de los fotodiodos (50b) de la segunda pluralidad.

5. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, disponer un dispositivo óptico (80) en el cabezal láser (10), de tal manera que se oriente hacia la primera superficie (6) de la pieza de trabajo (5); y tomar imágenes de la pieza de trabajo (5) durante la etapa de microperforación.

6. El método de la reivindicación 5, en el que el dispositivo óptico (80) comprende una cámara (81), un primer dispositivo de iluminación (83) que apunta hacia la primera superficie (6) de la pieza de trabajo (5), y un segundo dispositivo de iluminación (85) que apunta hacia una superficie (7) de la pieza de trabajo (5) opuesta a la primera superficie (6).

7. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 5-6, que comprende, además: procesar digitalmente, con un dispositivo de procesamiento (65), las imágenes tomadas por el dispositivo óptico (80) para determinar las características de los orificios formados; y proporcionar los datos resultantes de la etapa de procesamiento a los medios de presentación de usuario (70) o a un dispositivo de control (60) de una microperforadora (100a, 100b) que comprende el cabezal láser (10).

8. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además: proporcionar mediciones de codificadores del cabezal láser (10) a un dispositivo de control (60) de una microperforadora (100a, 100b) que comprende el cabezal láser (10), siendo las mediciones indicativas de un movimiento del cabezal láser (10); y ordenar la salida intermitente del haz láser, con el dispositivo de control (60), basándose en las mediciones.

9. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además: disponer un sensor de medición de distancia (30) en la boquilla (20) del cabezal láser (10), dispuesto preferentemente concéntrico con la boquilla (20) y preferentemente alineado con el primer extremo (22) de la boquilla (20); y medir una distancia D que separa el cabezal láser (10) de la pieza de trabajo (5) con el sensor de medición de distancia (30) mientras se mueve el cabezal láser (10).

10. Una microperforadora (100a, 100b), que comprende: un cabezal láser (10) que comprende una boquilla (20) para emitir un haz láser a través de un primer extremo (22) de una abertura (21) de la boquilla (20), siendo el primer extremo (22) un extremo de salida láser; y un dispositivo de control (60) para controlar la operación de la microperforadora (100a, 100b); caracterizada por comprender, además, una primera pluralidad de fotodiodos (50a) o fibras ópticas (51a) dispuestos en el cabezal láser (10), de tal manera que cada fotodiodo (50a) o fibra óptica (51a) de la primera pluralidad se oriente hacia la pieza de trabajo (5), estando acopladas las fibras ópticas (51a) de la primera pluralidad con los fotodiodos respectivos (50a).

11. La microperforadora (100a, 100b) de la reivindicación 10, en la que cada fotodiodo (50a) o fibra óptica (51a) de la primera pluralidad se orienta hacia una región sobre la que inciden los haces láser.

12. La microperforadora (100a, 100b) de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo de control (60) está configurado para determinar si los orificios formados durante la operación de la microperforadora (100a, 100b) cumplen uno o más criterios predeterminados basados en las mediciones de los fotodiodos (50a) de la primera pluralidad, y está configurado, además, cuando determina que uno o más orificios no cumplen dicho uno o más criterios predeterminados, para realizar al menos uno de: detener la operación de la microperforadora (100a, 100b), proporcionar las mediciones o resultados de la determinación realizada a los medios de presentación de usuario (70) de la microperforadora (100a, 100b) o acoplables comunicativamente a la misma, y marcar la pieza de trabajo procesada (5), siendo la marca indicativa de un procesamiento erróneo.

13. La microperforadora (100a, 100b) de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, un soporte (53b), y una segunda pluralidad de fotodiodos (50b) o fibras ópticas (51b) dispuestos en el soporte (53b), de tal manera que cada fotodiodo (50b) o fibra óptica (51b) de la segunda pluralidad se orienta en oposición a un fotodiodo (50a) o fibra óptica (51a) de la primera pluralidad, estando acopladas las fibras ópticas (51b) de la segunda pluralidad con los fotodiodos respectivos (50b).

14. La microperforadora (100a, 100b) de la reivindicación 13, en la que cada fotodiodo (50b) o fibra óptica (51b) de la segunda pluralidad se orienta tanto hacia una región sobre la que inciden los haces láser como en una dirección opuesta a la dirección a lo largo de la que se emiten los haces láser desde el cabezal láser (10).

15. La microperforadora (100a, 100b) de una cualquiera de las reivindicaciones 13-14 cuando depende de la reivindicación 12, en la que el dispositivo de control (60) determina si los orificios formados durante la operación de la microperforadora (100a, 100b) cumplen uno o más criterios predeterminados basados además en las mediciones de los fotodiodos (50b) de la segunda pluralidad.

16. La microperforadora (100a, 100b) de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, un dispositivo óptico (80) dispuesto en el cabezal láser (10), de tal manera que se orienta hacia la pieza de trabajo (5); y el dispositivo de control (60) que está configurado, además, para ordenar al dispositivo óptico (80) que tome imágenes de la pieza de trabajo (5) después de que el cabezal láser (10) haya emitido uno o más haces láser.

17. La microperforadora (100a, 100b) de la reivindicación 16, en la que el dispositivo óptico (80) se orienta hacia una región sobre la que inciden los haces láser.

18. La microperforadora (100a, 100b) de una cualquiera de las reivindicaciones 16-17, en la que el dispositivo óptico (80) comprende una cámara (81), un primer dispositivo de iluminación (83) que apunta hacia una región sobre la que inciden los haces láser, y un segundo dispositivo de iluminación (85) que apunta hacia una región sobre la que inciden los haces láser y en una dirección opuesta a la dirección a lo largo de la se emiten los haces láser desde el cabezal láser (10).

19. La microperforadora (100a, 100b) de una cualquiera de las reivindicaciones 16-18, que comprende, además, un dispositivo de procesamiento (65) configurado para procesar digitalmente las imágenes tomadas por el dispositivo óptico (80) para determinar las características de los orificios formados, y configurado además para proporcionar los datos resultantes del procesamiento de imágenes a los medios de presentación de usuario (70) o al dispositivo de control (60).

20. La microperforadora (100a, 100b) de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, unos codificadores indicativos de un movimiento del cabezal láser (10); y el dispositivo de control (60) está configurado, además, para ordenar al cabezal láser (10) que emita intermitentemente haces láser basándose en las mediciones de los codificadores.

21. La microperforadora (100a, 100b) de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, un sensor de medición de distancia (30) dispuesto en la boquilla (20) con el fin de medir una distancia que separa el cabezal láser (10) de la pieza de trabajo (5); y estando el sensor de medición de distancia (30) alineado preferentemente con el primer extremo (22) de la boquilla (20) y dispuesto preferentemente concéntrico con la boquilla (20).