ES2921930A1

ES2921930A1 - MICRO-DRILLING MACHINE AND METHOD FOR MONITORING AND CONTROLLING SINGLE-PULSE LASER MICRO-DRILLING PROCESSES (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Info

Publication number: ES2921930A1
Application number: ES202130139A
Authority: ES
Inventors: Perez Roberto Ocana; Reyes Carlos Soriano; Gurruchaga Asier Arizaga; Otaegui Kepa Garmendia; Murillo Ander Ordono; Amparan Joseba Domingo; Arrillaga Jose Ignacio Esmoris; Martinez Rafael Sanchez
Original assignee: Aernnova Aerospace S A; Fundacion Tekniker; Aernnova Aerospace SA
Current assignee: Aernnova Aerospace S A; Fundacion Tekniker; Aernnova Aerospace SA
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2022-09-02
Also published as: WO2022175507A1

Abstract

A method for the single pulse micro-drilling process with a laser head, comprising micro-drilling a workpiece by intermittently emitting a laser beam while the laser head is moving and while a nozzle of the laser head is moved away from the workpiece, serving the nozzle for emitting a laser beam through a first end of an opening in the nozzle, the first end being a laser output end; and disposing a first plurality of photodiodes or optical fibers in the laser head, such that each photodiode or optical fiber of the first plurality faces a first surface of the workpiece, the first surface being the surface on which they impinge. the laser beams, and the optical fibers of the first plurality being coupled with the respective photodiodes. Also, a micro-perforator. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

MICROPERFORADORA Y MÉTODO PARA MONITORIZAR Y CONTROLAR PROCESOSMICRO-DRILLING MACHINE AND METHOD FOR MONITORING AND CONTROLLING PROCESSES

DE MICROPERFORACIÓN LÁSER DE PULSO ÚNICOSINGLE PULSE LASER MICROPERFORATION

CAMPO TÉCNICOTECHNICAL FIELD

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.The present invention relates to the technical field of laser devices. More specifically, the present invention relates to methods for monitoring and controlling single-pulse laser micro-drilling processes and micro-drills capable of making micro-perforations in workpieces with monitoring thereof.

ESTADO DE LA TÉCNICASTATE OF THE ART

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.Micro-drilling of a work piece, i.e. forming holes or through holes in a work piece when the diameter of the holes is less than 1.0mm, for example between 40qm and 200qm, also referred to in present description as micro-holes, can be a complex task because, in general, the holes must be drilled very precisely. This means that the holes formed must have a diameter equal to or very close to the nominal diameter, and that the holes are formed over all or part of the processed surface of the workpiece at the correct locations, i.e. they are formed in nominal coordinates in such a way that their placement and separation with respect to other holes comply with the planned micro-hole arrangement. Depending on the application, a large number of holes may need to be formed in a single workpiece, even on the order of 105, 106, and/or 107 holes; it can be seen that the formation of many holes with good precision both in the placement and in the geometry of the holes is complex.

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.One way to micro-drill workpieces is by means of laser radiation using single pulses. A laser head emits a laser beam pulse of a certain energy that strikes the workpiece to be processed, thereby forming a hole. The characteristics of the hole in terms of diameter, depth, condition, aspect ratio, circularity, etc. depend on the laser guide optics, laser parameters such as beam quality, pulse length, power level, etc., process and shield gas parameters, and the distance from the emitting end of the laser head to the the surface of the work piece. Distance variations on the order of units or tens of micrometers the characteristics of the formed holes change, in which case a workpiece may have been processed incorrectly.

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.In some applications, compliance with the characteristics of the holes formed in the work piece is essential, for example, in the aeronautical industry, space industry, shipbuilding industry, etc. In addition, when through holes are formed, the diameter of the hole on the side where the laser has not struck is also important and must also meet certain characteristics. In order to meet the requirements, the micro-perforation is monitored in order to detect possible erroneous processes.

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.There is interest in providing a method for monitoring a laser micro-drilling process in a reliable and rapid manner such that it can be automatically determined whether the holes are being formed correctly. There is also interest in stopping the laser head when the micro-drilling process does not meet one or more criteria, and in providing a micro-drill with such capabilities.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION

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.A first aspect of the invention relates to a method for the single-pulse micro-drilling process with a laser head, comprising: micro-drilling a workpiece by intermittently emitting a laser beam while the laser head moves and while a nozzle moves away from the workpiece. the workpiece, the nozzle serving to emit a laser beam through a first end of an opening in the nozzle, the first end being a laser output end, and opposite a second end being a laser input end through which a laser source provides laser radiation; arranging a first plurality of photodiodes or optical fibers in the laser head such that each photodiode or optical fiber of the first plurality is oriented towards a first surface of the workpiece, the first surface being the surface on which the beams impinge laser, and the optical fibers of the first plurality being coupled with the respective photodiodes.

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.The present method makes it possible to monitor a micro-drilling process whereby laser pulses form holes in a workpiece. As long as the laser beam strikes the workpiece surface, the laser beam forms a hole in the workpiece.

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.The photodiodes or optical fibers coupled with the photodiodes capture the light from the laser process, for example, the light produced during the formation of the holes. The measurements of the Photodiodes are indicative of pinhole formation as well as non-pinhole formation, i.e. plugged holes, and can also be indicative of the diameters of pinholes formed on the workpiece surface on which they are applied. the laser beam strikes. This is so because the light produced in the microperforation process is correlated with the formation of the hole and its characteristics.

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.The photodiodes or optical fibers can be arranged in the laser head by means of, for example, support means that can be produced by rapid prototyping. The support means comprise one or more support devices that are attached to the laser head or its nozzle and that have slots to support the photodiodes or optical fibers facing the workpiece; this means that the photodiodes or optical fibers are oriented along the direction of the opening or oriented in such a way that they are oriented towards a position on which the laser beam is expected to strike when the work piece is arranged; in some cases, the photodiodes or optical fibers are aligned substantially parallel to a direction along which the laser beams are emitted toward the workpiece. The photodiodes or optical fibers can be arranged symmetrically around the laser head, ie evenly distributed around the laser head.

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.A microdrill control device including the laser head is preferably coupled with the photodiodes in such a way that it receives the values measured by the photodiodes. Based on the measurements, the control device can stop the micro-drilling process by stopping or turning off the laser head, for example, when the measurements are indicative that holes with a diameter falling within an accepted diameter range are or are not being formed. predetermined. Additionally or alternatively, the measurements may be provided to a user for informational purposes to assist the user in configuring the laser head to adjust the micro-drilling process; the measurements may be provided on a user display means such as a screen, loudspeakers, etc., such as a human-machine interface.

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.In this sense, in some embodiments, the method further comprises: determining, with a control device of a microdrill comprising the laser head, if the holes formed during the microdrilling step meet one or more predetermined criteria based on measurements of the photodiodes of the first plurality; and, when the monitoring device determines that one or more holes do not meet the one or more predetermined criteria, at least one of: stopping micro-drilling; provide the measurements or results of the determination made to the user presentation means, which are part of or are communicatively coupled to the micro-drill; and digitally marking the microperforated workpiece, the marking being indicative of erroneous processing. By marking the workpiece, the workpiece can be scrapped later or checked for quality before the workpiece is used or installed in a fixture.

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.In some embodiments, the method further comprises arranging a second plurality of photodiodes or optical fibers arranged on a support of the laser head such that each photodiode or optical fiber of the second plurality faces a second surface of the workpiece. , the second surface being opposite to the first surface and the optical fibers of the second plurality being coupled with the respective photodiodes.

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.The arrangement of the second plurality of photodiodes or optical fibers coupled with the photodiodes serves the purpose of informing and/or adjusting the microperforation process, especially when the holes to be formed are through holes. The photodiodes or optical fibers of the second plurality are arranged facing a second side of the workpiece, the first side being the one on which the laser beam will strike. For this purpose, the photodiodes or optical fibers are in the support that is on the other side of the workpiece.

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.Each photodiode of the second plurality captures light caused by the laser beam exiting the workpiece through the second side. This light and therefore its measurements are indicative of whether or not holes are being formed with a diameter on the second side of the workpiece that falls within an accepted diameter range. In many cases, the diameter of the hole on the second side, i.e., the second diameter, is smaller than the diameter of the hole on the first side, i.e., the first diameter, in which case the measurements of the first plurality of photodiodes or optical fibers are to indicate whether the first diameter falls within a first predetermined accepted diameter range, and the measurements of the second plurality of photodiodes or optical fibers are to indicate whether the second diameter falls within a second predetermined accepted diameter range . By way of example, the first predetermined accepted diameter range may be from 100 pm to 130 pm, and the second predetermined accepted diameter range may be from 50 pm to 70 pm. By way of another example, the first and second predetermined accepted diameter ranges may both be from 70 pm to 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.The second plurality measurements and/or the first plurality measurements can also be used to determine if a hole is not formed or not fully formed, for example, due to low laser power output, no laser radiation at all. absolute etc The intensity of the light captured by the photodiodes of each plurality and the comparison between the intensities of the light captured by the photodiodes of both pluralities are indicative of possible problems in the formation of the hole.

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.The control device is preferably coupled with the photodiodes of the second plurality in such a way that it receives the values measured by said photodiodes as with the photodiodes of the first plurality, and can also stop the micro-drilling process based on the measurements of the photodiodes of the second plurality. Also, the measurements may be provided to a user. In this sense, in some embodiments, the determining step is further based on the measurements of the photodiodes of the second plurality.

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.In some embodiments, the method further comprises: arranging an optical device on the laser head such that it faces the first surface of the workpiece; and taking images of the workpiece during the micro-drilling step.

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.The optical device, eg, a camera, is preferably placed on the laser head based on how the laser head will move to process the workpiece. More specifically, the optical device is preferably arranged such that it faces new holes formed after the laser head has moved, therefore the optical device is capable of capturing the resulting holes as the laser head moves. and micro-perforates the work piece.

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.The images taken by the optical device may be provided to a user to monitor the quality of the resulting workpiece, or to a processing device, eg, a computer, graphics processing unit, digital signal processor, etc. , configured to digitally process the images in such a way as to determine the characteristics of the holes formed, for example, the diameter of the holes formed and the spacing between each pair of neighboring holes. Likewise, the images can also be used to determine other characteristics such as, for example, the number of plugged holes, the area or how circular the holes are, 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.Before the workpiece is installed and used, for example in an aircraft, the quality of the workpiece can be established in this way. When at least a predetermined number of holes or a predetermined percentage of the total holes have a diameter beyond a predetermined accepted diameter range, and/or when at least a percentage number of neighboring hole pairs or a predetermined percentage of the total number of neighboring hole pairs have a gap beyond a predetermined accepted gap range, a warning may be provided to notify that the workpiece does not meet minimum quality requirements.

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.In this sense, in some embodiments, the method further comprises: digitally processing, with a processing device, the images taken by the optical device to determine the characteristics of the holes formed; and providing the data resulting from the processing step to the user display means or a control device of a microdrill comprising the laser head.

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.The data may be the characteristics themselves or a determination made based on the characteristics of the micro-drilling process. When the data is provided to the control device, the control device may, in turn, take one or more actions based on the data, for example, but not limited to, positioning the laser head relative to the workpiece such that process a specific part of the workpiece, stop micro-drilling, digitally mark the micro-drilled workpiece as wrongly processed, 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.In some embodiments, the method further comprises: providing measurements from the laser head encoders to a microdrill control device, the measurements being indicative of movement of the laser head; and commanding the intermittent output of the laser beam, with the control device, based on the measurements.

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.Micro-drilling is preferably performed while the laser head is moving in order to reduce the processing time per workpiece and therefore increase the efficiency of micro-drilling. It may be necessary to form a plurality of microholes in each workpiece, and said plurality may be on the order of, for example, 103 holes, 105 holes, 106 holes, 107 holes, etc., and the spacing between each pair of microholes may be between, for example, 0.1 mm to 1.5 mm. A laser head moving at a speed between, for example, 10 mm per minute and 50 mm per minute, and drilling holes between 1 and 500 holes per second, requires a very precise clock signal to form the holes with precision. a constant spacing between neighboring holes.

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.Using the data provided by the encoders, the laser head can be commanded to deliver the laser beam towards the work piece based on the position of the laser head rather than relying or relying solely on a clock signal. The supply and non-supply of the laser beam can be adjusted by a locking mechanism that allows the laser beam to be emitted or not. The laser beam can be emitted with a higher precision in the spacing between the different holes.

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.In some embodiments, the method further comprises: disposing a distance measurement sensor at the nozzle of the laser head; and measuring the distance that separates the laser head from the workpiece with the distance measurement sensor while moving the laser head. In some embodiments, the distance measurement sensor comprises one of: a laser distance measurement sensor, an eddy current sensor, and an optical coherence tomography-based sensor. In some embodiments, the distance measurement sensor is disposed concentric with the nozzle and/or aligned with the first end of the nozzle.

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.The provision of the distance measurement sensor improves the reliability of micro-drilling as the measured distance can be provided to the control device, which in turn moves the laser head relative to the workpiece in order to maintain a constant distance. The concentric and/or aligned arrangement improves distance measurement.

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.In some embodiments, the workpiece comprises or is titanium. For example, but not limited to, an aircraft outer panel or panel such as a leading edge of a vertical stabilizer, a horizontal stabilizer, a wing, 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.A second aspect of the invention relates to a microdrill, comprising: a laser head comprising a nozzle for emitting a laser beam through a first end of an opening in the nozzle, the first end being a laser output end and opposite a second end which is a laser input end through which a laser source provides laser radiation; a control device for controlling the operation of the micro-drill; and a first plurality of photodiodes or optical fibers arranged in the laser head such that each photodiode or optical fiber of the first plurality faces the workpiece, the optical fibers of the first plurality being coupled with respective photodiodes. The photodiodes or optical fibers of the first plurality are preferably arranged oriented towards a region on which the laser beams impinge on the surface of the workpiece.

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.In some embodiments, the monitoring device is configured to determine if the holes formed during the operation of the microdrill meet one or more predetermined criteria based on measurements of the photodiodes of the first plurality, and further configured to, when it determines that one or more holes do not meet the one or more predetermined criteria, perform at least one of: stopping the operation of the micro-drill, providing the measurements or results of the determination made to or communicatively coupled to the user display means of the micro-drill, and marking the processed workpiece with a mark indicative of a wrong processing.

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.In some embodiments, the microperforator further comprises a support, and a second plurality of photodiodes or optical fibers arranged on the support in such a way that each photodiode or optical fiber of the second plurality is oriented in opposition to a photodiode or optical fiber of the first plurality, the optical fibers of the second plurality being coupled with the respective photodiodes. The photodiodes or optical fibers of the second plurality are preferably arranged to be oriented towards a region where the laser beams impinge on the surface of the work piece, but from the opposite side, that is, on the surface of the piece through from which the laser beam exits the part, that is, in a direction opposite to the direction along which the laser beams are emitted from the laser head.

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.In some embodiments, the microperforator further comprises an optical device disposed on the laser head such that it is oriented toward the workpiece; and the control device which is further configured to command the optical device to take images of the workpiece after the laser head has emitted one or more laser beams. The optical device is preferably arranged to be oriented towards a region on which the laser beams impinge on the surface of the workpiece.

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.In some embodiments, the microperforator further comprises a processing device configured to digitally process the images taken by the optical device to determine the characteristics of the holes formed, and further configured to provide the data resulting from the image processing to the processing means. user presentation or control device. The control device is preferably configured to perform one or more actions based on the data provided by the processing device.

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.In some embodiments, the microperforator further comprises encoders indicative of a movement of the laser head; and the control device is further configured to command the laser head to intermittently emit the laser beam based on the measurements of the encoders.

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.In some embodiments, the micro-perforator further comprises a distance measurement sensor disposed in the nozzle in order to measure a distance separating the laser head from the workpiece. In some embodiments, the distance measurement sensor comprises one of: a laser distance measurement sensor, an eddy current sensor, and an optical coherence tomography-based sensor. In some embodiments, the distance measurement sensor is disposed concentric with the nozzle and/or aligned with the first end of the nozzle.

Ventajas similares a las descritas haciendo referencia al primer aspecto de la invención también pueden aplicarse al segundo aspecto de la invención.Advantages similar to those described with reference to the first aspect of the invention can also be applied to the second aspect of the invention.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

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:To complete the description and in order to provide a better understanding of the invention, a set of drawings is provided. Said drawings form an integral part of the description and illustrate embodiments of the invention, which should not be interpreted as a restriction of the scope of the invention, but only as examples of how the invention can be carried out. The drawings comprise the following figures:

La figura 1 muestra una microperforadora de acuerdo con las realizaciones.Fig. 1 shows a micro-drill according to the embodiments.

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.Figures 2A and 2B show graphs of beam diameters versus position of a laser head lens and microdrill photodiode measurements.

La figura 3 muestra una diferencia de tiempo entre la luz capturada en los dos lados de una pieza de trabajo.Figure 3 shows a time difference between the light captured on the two sides of a work piece.

La figura 4 muestra una microperforadora de acuerdo con las realizaciones.Fig. 4 shows a micro-drill according to the embodiments.

DESCRIPCIÓN DE LOS MEDIOS DE REALIZAR LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE MEANS OF CARRYING OUT THE INVENTION

La figura 1 muestra esquemáticamente una sección transversal de una microperforadora 100a de acuerdo con las realizaciones.Figure 1 schematically shows a cross section of a micro-drill 100a according to embodiments.

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.The microperforator 100a comprises a laser head 10 which, in turn, comprises a nozzle 20 suitable for the output of a laser beam through an opening 21 thereof. The laser beam is emitted through a first end, shown at 22 in Figure 4 for clarity, of both the nozzle 20 and the opening 21, and is coupled from a laser source to the opening 21 at through a second end thereof. The nozzle 20 preferably has a suitable shape for the emission of the laser beam, for example, a frustoconical shape. The opening 21 has a central axis 25, shown with a dotted line in Figure 4 for illustrative purposes only.

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.The laser head 10 and/or the micro-perforator 100a can be moved along the Z axis shown in order to position the laser head 10 at a distance from the workpiece 5, and along one or both of the X and Y axes shown. in order to process different parts of the workpiece 5. By intermittently emitting the laser beam while moving the laser head 10 and/or the micro-drill 100a along the X and/or Y axes, a plurality of holes in the workpiece 5. The micro-drill 100a may include a distance measurement sensor, illustrated at 30 in Figure 4, to determine the distance between the workpiece 5 and the opening 21, thereby facilitating maintaining a constant gap between the two.

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.In some cases, the workpiece 5 can also move in one or both of the X and Y axes such that the relative displacement between the workpiece 5 and the laser head 10 can be used to form the holes on part or the entire workpiece 5; moreover, in some cases, the workpiece 5 can also move along the Z axis. For this purpose, the surface on which the workpiece 5 rests can be a conveyor belt or a moving platform capable of moving in this way. way.

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.Microperforator 100a further includes a first plurality of photodiodes 50a, only one shown for clarity, coupled to respective optical fibers 51a. The respective ends 52a of the fibers 51a are arranged on a support 53a, which, for example, but not necessarily, can be manufactured by rapid prototyping, in such a way that they are oriented towards a first surface 6 of the workpiece 5, preferably towards a position thereof where a laser beam from the laser head 10 is incident. Preferably, four photodiodes 50a or four optical fibers 51a are arranged on the support 53a in such a way that they are oriented towards the first surface 6 and, more preferably towards the aforementioned position therein; the four photodiodes 50a or ends 52a of the fibers 51a are equidistantly distributed around the nozzle 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.The optical fibers 51a capture the backscattered light produced during the emission of the laser beams and provide it to the photodiodes 50a of the first plurality to establish whether or not the micro-perforation process is correct according to predetermined parameters, which can be established based on tests. The measurements of the photodiodes 50a may be provided to a control device 60 of the microdrill 100a in order to turn off the laser head 10 or the emission of the laser beams when it is digitally established that the microdrilling process is not being performed in accordance with the default parameters. Control device 60 may also provide, to user display means 70, the measurements or a determination made by control device 60 about the micro-drilling process.

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.In some embodiments such as those of Figure 1, microperforator 100a further includes a second plurality of photodiodes 50b, again only one is shown for clarity, coupled with respective optical fibers 51b. The respective ends 52b of the fibers 51b are arranged in a support 53b of the micro-perforator 100a which is below, according to the represented Z axis, the workpiece 5; the ends 52b are oriented towards a second surface 7 of the workpiece 5 that is opposite to the first surface 6, preferably towards a position thereof where the laser beam from the laser head 10 must exit once a through hole is formed .

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.The arrangement of the second plurality of photodiodes 50b is preferred when through holes are being formed in such a way that the micro-drilling process can also be monitored with respect to the light produced by the laser beam on the second surface 7 of the workpiece 5. Preferably, four photodiodes 50b or four optical fibers 51b are arranged on the support 53b in such a way that they are oriented towards the second surface 7 and, more preferably, towards the aforementioned position on it; the four photodiodes 50b or ends 52b of the fibers 51b are equidistantly distributed on the support 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.The photodiodes 50a, 50b can be, for example, silicon detectors -Si- with sensitivity in the range of 350 to 1100 nm, and have respective transimpedance amplifiers. Preferably, the filters are arranged before the photodiodes 50a, 50b so that only light of a certain wavelength or wavelengths can pass through them, for example, light at 1070 nm. When the optical fibers 51a, 51b are provided and coupled with the photodiodes 50a, 50b, filters can be disposed between the fibers 51a, 51b and the respective photodiodes 50a, 50b. Furthermore, the filters preferably have a narrow spectral width, for example, a spectral width of 10nm or less, more preferably 5nm or less, such that only light at said wavelength(s) is provided to the photodiodes and nearby wavelengths. Likewise, neutral density filters are provided in order to avoid saturation, thus having a clear capture of the acquired voltage signal by adjusting the filters to the expected intensity levels of the light captured on the respective surface 6, 7 of the work piece 5.

La figura 2A muestra una gráfica con los diámetros del haz en relación con la posición de una lente de un cabezal láser.Figure 2A shows a graph with the beam diameters in relation to the position of a lens of a laser head.

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.In single pulse micro-drilling, the configuration of the laser optics is important to adjust the size of the diameters of the holes to be formed. It can be set by adjusting the position of the lens, shown on the X-axis, the diameter of the beam on the incidence side, for example the first side 6 in the example of Figure 1, shown with black circles, and the diameter of the beam exiting through the other side, eg the second side 7 in the example of Figure 1, shown with white circles. It is noted that a 0mm lens position means that the waist of the beam is placed on the surface of the workpiece. However, these diameter values will only be maintained as long as the distance between the laser head and the work piece is constant. In this sense, Figure 2B shows a graph with some photodiode measurements of a microdrill, for example, the microdrill 100a of Figure 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.A signal plotted on the graph is the integrated signal, as a dimensionless magnitude, of the backscattered light captured on the first surface 6, shown with white circles, during the formation of, say, 10 holes, versus the position of the lens. The other signal depicted shows the same type of integrated signal, but from backscattered light captured on the second surface 7, shown with black circles, during the formation of the same holes. The integrated signal is for light with a wavelength of 1070 nm due to filters arranged in the light path to the photodiodes.

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.Based on these signals, it can be determined, either digitally, for example by a micro-drill control device, or manually by a user, whether forming the holes with the predetermined characteristics, since the changes in the signals are indicative of changes in the microperforation process. In this respect, the signal captured on the output side can provide more information about the process than the signal captured on the incident side, as can be seen in the graph.

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.Figure 3 shows a time difference between the light captured on the two sides of a workpiece. The solid line corresponds to the measurements of the photodetectors that capture the light produced on the incident side of the laser beam, while the dashed line with star markers corresponds to the measurements of the photodetectors that capture the light produced on the exit side. of the laser beam. Signals and elapsed time are displayed as dimensionless magnitude. For the sake of clarity, a graph has also been represented in an inner part of the figure in order to show an enlarged part of the graph as can be seen in the elapsed time represented in each of the two graphs.

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.This time difference is also indicative of whether the current micro-drilling process is being performed within certain predetermined parameters. The reason for this is that the time difference between the moment the light is captured on the incident side and the moment the light is captured on the exit side correlates with the formation of the hole. Therefore, when the elapsed time between the two moments exceeds a predetermined maximum value or is below a predetermined minimum value, it can be determined that the micro-drilling process is not within the predetermined parameters.

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.Fig. 4 schematically shows a cross section of a micro-drill 100b according to the embodiments, and a workpiece 5 illustrated in perspective for clarity only.

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.Micro-drill 100b includes a laser head 10, for example, laser head 10 of Figure 1, and further includes an optical device 80 disposed on laser head 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.The optical device 80 includes a camera 81 pointed as the opening 21 of the nozzle 20, that is, towards a surface of the workpiece 5 to be processed, a lens 82 in front of the camera 81, and a first illumination device 83 that it produces the first light 84 towards a first surface 6 of the workpiece 5 where the laser beams impinge. Specifically, the first illumination device 83 is designated as the camera 81 so so that the first light 84 goes to the position where the camera 81 will take the pictures. The first illumination device 83 may be an LED ring illuminator.

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.The optical device 80 further includes a second illumination device 85 arranged such that it points towards a second surface 7 of the workpiece 5 through which the laser beams exit when the through holes are formed. The second lighting device 85 produces a second light 86 towards the same position that the first light 84 is aimed at. The second lighting device 85 may be a backlight device such as a high power backlight.

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.Thanks to the first and second lights 84, 86, the camera 81 takes pictures of the through hole 8 previously formed by a single pulse laser emitted through the nozzle 20. Consequently, the pictures of the camera 81 can show a first diameter d1 of the hole 8 in the clearance surface 6 of the workpiece, and a second diameter d2 of the hole 8 in the outlet surface 7 of the workpiece, which is smaller than the first diameter d1. This, in turn, makes it possible to determine one or more of: whether the hole 8 is through or obstructed, the first diameter d1, the second diameter d2, the shape of the hole 8 on the clearance surface 6, that is, how circular is the hole 8 on the clearance surface 6, the shape of the hole 8 on the clearance surface 7, i.e. how circular is the hole 8 on the clearance surface 7, the area of the hole 8 on the clearance surface 7 clearance 6 and/or exit surface 7, and the spacing between neighboring holes 8. Each of these can be used for quality control of processed workpieces. For this purpose, a processing device 65 of the micro-punch 100b processes the photos. The result of the processing may be provided to a user via user display means 70, eg, a human-machine interface and/or a control device 60 for operating micro-drill 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.In order to reduce the time required to take photos of the processed part of the workpiece 5, preferably, the optical device 80 is arranged on the laser head 10 in such a way that it points at the holes 8 formed by the laser head 10 after moving the laser head 10 and/or the micro-perforator 100b to form new holes 8. This means that, referring to what is illustrated in figure 4, the advancement of the laser head 10 and/or the micro-perforator 100b to process the workpiece 5 is, at least during some parts of the micro-drilling process, along the positive side of the illustrated X-axis. Since the optical device 80 is disposed on the negative side of the illustrated X-axis, once a hole 8 is formed and the laser head 10 and/or micro-drill 100b continues to advance, the optical device 80 will be placed aiming at the perforation 8 formed in such a way that a photo of it can be taken. During the micro-drilling process, the laser head 10 and/or the micro-drill 100b may also move toward the negative side of the illustrated X-axis at some point, or move relative to the illustrated Y-axis, but preferably the optical device 80 is arranged the manner mentioned above taking into account the main movement of the laser head 10 and/or the micro-drill 100b to drill the workpiece 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.Preferably, the optical device 80 is an array camera that takes images of the holes and arranges them in an array. By this type of camera, the taking of images and the processing of the taken images can be reduced and thus simplified. Consequently, this can avoid imaging each time a new hole forms.

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.Although not illustrated for clarity only, microperforator 100b further comprises a first plurality of photodiodes coupled to respective optical fibers as the first plurality described with reference to Figure 1, and preferably also comprises a second plurality of photodiodes. coupled with respective optical fibers as the first plurality described with reference to Figure 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.In addition, other aspects of the invention relate to a method and a microdrill as described with reference to the first and second aspects of the invention, but in which more general embodiments include the optical device 80 as the primary means for monitoring. the microperforation process, and in some embodiments thereof the first and, optionally, the second plurality of photodiodes or optical fibers, as described, for example, with reference to Figure 1, are present as an additional means for monitoring .

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.In this text, the terms first, second, third, etc. have been used herein to describe various devices, items, or parameters, it is understood that the devices, items, or parameters are not to be limited by these terms, as the terms are only used to distinguish one device, item, or parameter from another. . For example, the first plurality could also be referred to as the second plurality, and the second plurality could be referred to as the first plurality without departing from the scope of the present description.

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.In the present text, the term "includes" and its derivations, such as "comprising", etc. should not be understood in an exclusive sense, that is, these terms should not be interpreted as excluding the possibility that what is described and defined may include additional elements, stages, 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. On the other hand, the present invention is obviously not limited to the specific embodiment or embodiments described herein, but also covers any variation that may be considered by any person skilled in the art, for example, in terms of the choice of materials, dimensions, components, configuration, etc., - within the general scope of the invention as defined in the claims.

Claims

1. A method for the single pulse micro-drilling process with a laser head (10), comprising: micro-drilling a workpiece (5) by intermittently emitting a laser beam while the laser head (10) is moving and while a nozzle ( 20) of the laser head (10) is separated from the workpiece (5), the nozzle (20) serving to emit a laser beam through a first end (22) of an opening (21) of the nozzle (20). ), the first end (22) being a laser output end; characterized by: arranging a first plurality of photodiodes (50a) or optical fibers (51a) in the laser head (10) such that each photodiode (50a) or optical fiber (51a) of the first plurality faces a first surface (6) of the workpiece (5), the first surface (6) being the surface on which the laser beams impinge, and the optical fibers (51a) of the first plurality being coupled with the respective photodiodes (50a).

The method of claim 1, further comprising: determining, with a control device (60) of a microdrill (100a, 100b) comprising the laser head (10), whether the holes formed during the microdrilling step they meet one or more predetermined criteria based on the measurements of the photodiodes (50a) of the first plurality; and, when the control device (60) determines that one or more holes do not meet said one or more predetermined criteria, at least one of: stopping the micro-drilling, providing the measurements or the results of the determination made to the display means (70), and digitally mark the microperforated workpiece (5), the mark being indicative of erroneous processing.

3. The method of any one of the preceding claims, further comprising arranging a second plurality of photodiodes (50b) or optical fibers (51b) on a support (53b) of the laser head (10), such that each photodiode (50b) or optical fiber (51b) of the second plurality is oriented towards a second surface (7) of the workpiece (5), the second surface (7) being opposite to the first surface (6), and being coupled the optical fibers (51b) of the second plurality with the respective photodiodes (50b).

The method of claim 3 when dependent on claim 2, wherein the determining step is further based on measurements of the photodiodes (50b) of the second plurality.

5. The method of any one of the preceding claims, further comprising arranging an optical device (80) on the laser head (10), such that it faces the first surface (6) of the workpiece (5); and taking images of the workpiece (5) during the micro-perforation step.

6. The method of claim 5, wherein the optical device (80) comprises a camera (81), a first illumination device (83) pointing towards the first surface (6) of the workpiece (5) , and a second lighting device (85) pointing towards a surface (7) of the workpiece (5) opposite the first surface (6).

7. The method of any one of claims 5-6, further comprising: digitally processing, with a processing device (65), the images taken by the optical device (80) to determine the characteristics of the holes formed; and providing the data resulting from the processing step to the user display means (70) or to a control device (60) of a microdrill (100a, 100b) comprising the laser head (10).

The method of any one of the preceding claims, further comprising: providing encoder measurements of the laser head (10) to a control device (60) of a microdrill (100a, 100b) comprising the laser head (10 ), the measurements being indicative of a movement of the laser head (10); and commanding the intermittent output of the laser beam, with the control device (60), based on the measurements.

9. The method of any one of the preceding claims, further comprising: arranging a distance measurement sensor (30) in the nozzle (20) of the laser head (10), preferably arranged concentric with the nozzle (20) and preferably aligned with the first end (22) of the nozzle (20); and measuring a distance D separating the laser head (10) from the workpiece (5) with the distance measurement sensor (30) while moving the laser head (10).

10. A micro-drill (100a, 100b), comprising: a laser head (10) comprising a nozzle (20) for emitting a laser beam through a first end (22) of an opening (21) of the nozzle ( 20), the first end (22) being a laser output end; and a control device (60) for controlling the operation of the micro-drill (100a, 100b); characterized by further comprising a first plurality of photodiodes (50a) or optical fibers (51a) arranged in the laser head (10), such that each photodiode (50a) or optical fiber (51a) of the first plurality is oriented towards the workpiece (5), being coupled the optical fibers (51a) of the first plurality with the respective photodiodes (50a).

The microperforator (100a, 100b) of claim 10, wherein each photodiode (50a) or optical fiber (51a) of the first plurality is oriented toward a region on which the laser beams are incident.

12. The micro-drill (100a, 100b) of any one of the preceding claims, wherein the monitoring device (60) is configured to determine whether the holes formed during operation of the micro-drill (100a, 100b) meet one or more predetermined criteria based on the measurements of the photodiodes 50a of the first plurality, and is further configured, when it determines that one or more holes do not meet said one or more predetermined criteria, to perform at least one of: stopping the operation of the micro-drill (100a, 100b), providing the measurements or results of the determination made to the user display means (70) of the micro-drill (100a, 100b) or communicatively coupled thereto, and marking the processed workpiece ( 5), being the mark indicative of an erroneous processing.

13. The microperforator (100a, 100b) of any one of the preceding claims, further comprising a support (53b), and a second plurality of photodiodes (50b) or optical fibers (51b) arranged on the support (53b) , in such a way that each photodiode (50b) or optical fiber (51b) of the second plurality is oriented in opposition to a photodiode (50a) or optical fiber (51a) of the first plurality, the optical fibers (51b) of the second plurality with the respective photodiodes (50b).

14. The microperforator (100a, 100b) of claim 13, wherein each photodiode (50b) or optical fiber (51b) of the second plurality is oriented both towards a region on which the laser beams impinge and in an opposite direction to the direction along which the laser beams are emitted from the laser head (10).

15. The micro-drill (100a, 100b) of any one of claims 13-14 when dependent on claim 12, wherein the control device (60) determines if the holes formed during the operation of the micro-drill (100a, 100b ) meet one or more predetermined criteria further based on measurements of the photodiodes 50b of the second plurality.

16. The microperforator (100a, 100b) of any one of the preceding claims, further comprising an optical device (80) disposed on the laser head (10) such that it is oriented toward the workpiece (5 ); and the control device (60) which is further configured to command the optical device (80) to take images of the workpiece (5) after the laser head (10) has emitted one or more laser beams.

17. The microdrill (100a, 100b) of claim 16, wherein the optical device (80) is oriented toward a region on which the laser beams impinge.

18. The microdrill (100a, 100b) of any one of claims 16-17, wherein the optical device (80) comprises a camera (81), a first illumination device (83) pointing towards a region on which which the laser beams are incident, and a second illumination device (85) which is pointed towards a region on which the laser beams are incident and in a direction opposite to the direction along which the laser beams are emitted from the laser head ( 10).

19. The microperforator (100a, 100b) of any one of claims 16-18, further comprising a processing device (65) configured to digitally process the images taken by the optical device (80) to determine the characteristics of the holes formed, and further configured to provide the resulting image processing data to the user display means (70) or control device (60).

20. The microperforator (100a, 100b) of any one of the preceding claims, further comprising encoders indicative of a movement of the laser head (10); and the control device (60) is further configured to command the laser head (10) to intermittently emit laser beams based on the measurements of the encoders.

21. The microperforator (100a, 100b) of any one of the preceding claims, further comprising a distance measurement sensor (30) disposed on the nozzle (20) for the purpose of measuring a distance separating the laser head (10) of the work piece (5); and the distance measurement sensor (30) being preferably aligned with the first end (22) of the nozzle (20) and preferably disposed concentric with the nozzle (20).