CN103889640A - 一种尤其用于生产切削刀具的工件加工方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种通过来自激光刀具的激光束加工工件的方法，其中所述工件的材料是按照预定的定义，通过在所述工件暴露表面上逐道地并贯穿整个该表面移动激光束来蒸发和／或燃烧工件材料，以此逐层地被去除的。它包括一个第一去除阶段，在此期间所述激光束由可变光学装置，尤其所述激光刀具内的可调反射镜，引导在所述工件表面上相对于所述工件移动，于此同时不使用机械调整轴调节所述激光刀具和工件间的相对位置；和一个第二去除阶段，在此期间激光由所述机器的一个或多个调整轴引导在所述工件表面上相对于所述工件移动，其焦距可通过可变光学装置进行可变调节。

Description

一种尤其用于生产切削刀具的工件加工方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于加工工件的方法和装置，其可用于生产例如具有金刚石切削刃的切削刀具。

背景技术

图1a和图1b通过示意图展示了一些相关关系。其中，10表示一个工件。图1a示意展示了该工件在生产过程中的局部视图，图1b是一个截面图。在图1b中，19代表金属基体，其具体所需合适的形状。所述基体包覆有人工形成的金刚石层，该层包括区域14和16，在其之间显示有一条分界线15。所述金刚石层已应用于制成的坯件19上，它可以是CVD-金刚石涂层(“化学气相沉积”表面处理)或PKD-金刚石涂层(多晶金刚石)。所述金刚石涂层的厚度在加工结束后要大于最终需值，而最终所需形状包括该切削刀的切削刃是通过用激光切割机除去多余金刚石材料直到达到最终所要形状包括切削刃形状来完成的。

图1a示意展示了一个部分加工完成的切削刀的视图。该切削刀上段部分已经完工。边缘11是切削刀切削刃，其在所示的加工阶段已经完成。假定，往下仍须通过移除多余金刚石材料将该切削刀后刀面加工成最终所需形状。在图1b中，这意味着切割从坯件外部到边界15这一部分的材料14，该过程采用逐层的方式进行，其中所述各层平行于图平面且垂直叠于图平面之上。在图1a中，这是通过引导激光束13扫过多余材料的可及表面以液化和蒸发(即气化排放液滴)或燃烧所述材料来实现。

所述激光束13在工件可及表面上引导是以这样一种方式逐道地完成的：按多条相邻轨道依次行进，合在一起从而覆盖一个切割层。在图1a和1b中，标号51表示这些轨道，而虚线17则表示那些仍将要被切割的层。一层所述材料是通过切割多条相邻且接壤的轨道而除去的，通过这样去除数层(这些层图1a中垂直于图平面沿z方向相叠)，从而将所述坯件加工成最终所需工件形状。

图2a示意展示了一台激光加工机。10还表示工件；25表示激光刀具，其放射指向所述工件的聚焦的会聚激光束13。24是工件台，23是刀架。22a和22b是平移和／或旋转式调整轴，借其可对工件和刀具间相对位置(x，y，z)进行三维调整，此外借其还可以对工件和刀具的相对定向(phi，psi)进行自由调节。根据机器类型和适用性，所述调整轴可设于机器框架21和工件台24之间和／或机器框架21和刀架23之间。可以冗余提供多个轴。优选地，至少提供三个平移调整轴和两个旋转调整轴。

26笼统代表用于检测过程参数的传感器。它们还可以被设计成用于在工件加工期间直接检测工件表面，以及还可有选择地在解析加工精度中以三维解析方式测量该工件。27表示机器控制系统。它可以为数字处理计算机，其还可连接到一个较大或较小的网络。所述控制系统与存储器28相连，所述存储器除了其他各种数据外还包含产生一方面所述激光刀具25和另一方面调整轴22的控制信号所需的数据。29表示控制系统27和机床20之间的接口。它一方面包括信号线和／或(切换、键控)输出，此外还包括图中未画出的用于格式转换的转换装置、模数或数模转换器及类似物。

所述激光刀具25在图2b中示出。它被设计为在控制系统27的控制下，将所述激光束按所希望的方式导入到工件表面上，尤其是扫过图1a中概述的轨道51。这可以例如两维地通过可控可调反射镜25a来完成。除此以外，可提供聚焦调节装置25b(“z-移位器”)，其使所述激光束13焦点位置一方面跟进工作进程(图1a中z方向上)，另一方面在激光偏转情况下使其跟进冠面。

然而，迄今为止在高精度加工工件的生产过程中，诸如具有金刚石涂层的刀具的生产，并没有使用所述光学元件25a(可调反射镜)进行激光束引导。而是，当激光束13相对于激光刀具25稳定地产生自该刀具的时候，使用了机床20的机械调整轴22a和22b进行导引。

借助可调反射镜25a进行激光束导引的优点在于其速度相对比较快。利用它可将激光束轨道行进速度(激光在工件表面上落点或斑点的移动速度)从1米／秒以上调整到10米／秒甚至更多。但是，这种光学波束导引的缺点是其动态相当不准确，甚至常常超出所允许公差范围。反之，当不通过可调节反射镜25a，而是通过机械调整轴22a和22b(平移式和／或旋转式，设于机器框架21和刀架23之间和／或机器框架21和工件台24之间)在激光刀具25和工件10之间进行相对的导引时，激光束导入非常准确但也明显较慢。在这种情况下，精度有可能达到几微米。但是，在机械引导下的可达速率却明显较慢。它们通常低于10毫米／秒(在工件表面上的激光落点轨道行进速度)。因此，它们通常比光学导引可达到的速度慢至少100倍，所以工件生产周期也明显延长。

对于某些加工工件，例如切削刀具，其对成品几何结构的精度要求很高，因而当通过激光来制造这类工件时，为了达到理想的精度有必要使用机械调整轴22a代替光学元件25a进行激光束导引。在就整体材料而言只有相对少量要去除时，这种相对缓慢耗时较长的操作问题并不大。对于加工带有金刚石的刀具，即例如具有由CVD金刚石组成的金刚石涂层，由于坯件的此种涂层相对比较薄并且只有少量的材料凸出量，因此只有相对很少的量必须除去。

然而，研究表明，通过机械调整轴来进行高精度制造加工其相对有较多材料需去除的工件也是可取的。对于加工具有金刚石涂层如PKD金刚石涂层的刀具而言，这种涂层的厚度往往比CVD金刚石涂层的厚度要大很多，因而其去除量也相应较大。这里，通过机械调整轴引导激光束来进行加工将导致其生产周期只有特殊情况下才能被接受。

EP2314412A2描述了一种用于毛胚塑型的激光加工设备，其包括制造激光脉冲的激光，一个偏转装置用于把该激光的激光脉冲引入到该毛坯上预定脉冲区域内的预先确定的间隔的着落点上，以及一个定位装置，其执行该毛坯和脉冲区之间的相对运动，其中所述相对运动在相对移动方向上沿所要加工的边缘和／或区域进行。

本发明的目的是提供一种激光加工方法以及激光加工机，其允许快速和非常精确的制造工件。

该目的是通过独立权利要求的特征得以实现的。从属权利要求定向于本发明的优选实施例。

概括地说，这里提供了一种用于利用激光束加工工件的方法，其具有不同的材料去除阶段，其中在这两个去除阶段中，不同权重的使用了光学波束制导和机械波束制导，例如其以这样一种方式：在第一去除阶段至少使用光学波束制导，并可有选择地与机械波束制导相结合使用；而在第二去除阶段则优选地仅仅使用机械波束制导。

一种在机器上利用激光刀具的激光束加工工件的方法，其为了用激光束制造所述工件，通过移动激光束使其逐道地扫过该工件的整个暴露表面来蒸发和／或燃烧该工件材料，以此按照预定的定义逐层地去除所述工件的材料。该方法包括：一个第一去除阶段，在此期间由可变光学装置，尤其是所述激光刀具内的可调反射镜，在所述工件表面上相对于所述工件导引所述激光束，于此同时使用或不使用机械调整轴来调节所述激光刀具和工件间的相对位置；和一个第二去除阶段，在此期间由该机器的一个或多个调整轴在所述工件表面上相对于所述工件导引所述激光束，优选地同时不使用可变光学装置导引所述激光束，其中其焦距可通过一个可变光学装置进行可变调节。

所述第一去除阶段可用于去除有些远离和／或不直接接壤工件最终表面的区域，而所述第二去除阶段可用于去除直接相邻和靠近工件最终表面的区域。

由于应用所述的两个去除阶段，可以将大部分的过多材料，倘若这些材料远离工件最终所期望表面，在第一阶段中通过使用光束制导(激光刀具内的可调镜)去动态地产生大部分的激光落点与工件间相对移动，从而相对迅速地去除；在第二阶段中，在最终所需工件表面旁或附近，在固定或绕过光学波束制导的情况下使用机械波束制导(通过机器的调整轴)以能够缓慢但精准地加工工件近表面区域。

一种用于加工工件的激光加工机，其具有一个激光刀具用于制导激光束，其为了制造所述工件通过在所述工件暴露表面上逐道地并贯穿所述整个表面移动激光束以蒸发和／或燃烧工件材料，从而按照预先给出的定义逐层地去除该工件材料；一个用于固定工件的工件台；若干调整轴用于相对地平移或旋转调整工件和激光刀具的相对位置及其固定装置；和一个控制系统用于控制所述激光刀具内的激光波束制导和所述调整轴。

所述控制系统被设计用于实现：在第一去除阶段中，由可变光学装置，尤其是所述激光刀具内的可调反射镜，在所述工件表面上相对于所述工件导引所述激光束，于此同时使用或不使用机械调整轴来调节所述激光刀具和工件间的相对位置；以及在第二去除阶段中，由所述机器的一个或多个机械调整轴在所述工件表面上相对于所述工件导引所述激光束，优选地不同时使用可变光学装置导引所述激光束，其中可通过一个可变光学装置变化地调节其焦距。

换句话说或概括地讲，本发明的激光加工机，尤其及其控制系统，被设计用于执行此说明书中所描述的加工方法。

提供一种存储器28，其中储存相关数据。这些数据尤其包括一方面控制所述激光刀具(尤其是其内的可变光学元件)和另一方面控制所述调整轴22a，22b所需的参数。这些数据可以预先生成并存储在存储器28中，或者它们也可以实时地由可被存储的高级数据生成。此外，存储器28还保存有程序数据，用于可执行程序来执行必要的活动。所述机器控制系统27具有面向流程的接口，其尤其用于从过程传感器26接收信号和将信号输出到流程尤其到所述调整轴22和激光刀具25。

以下将参照附图对本发明的特征和实施方案进行描述。

附图说明

图1：加工工件图示用于说明加工情况和加工边界条件；

图2：激光加工机和激光刀具示意图；

图3：两阶段去除法的一个实施例；

图4：在至少一个所述阶段中累积切削的分裂图；

图5：使用脉冲激光逐道移动示意图；

图6：重叠的加工段；

图7：两阶段去除法的另一实施例；

图8：图7方法的一种实现。

具体实施方式

图3展示了一个两阶去除法，其在第一去除阶段中使用光学波束制导，该光学制导可能与机械波束制导重叠地使用；以及在第二去除阶段中只用机械波束制导。结合本发明所揭露的方法，图3如下展示了一个待加工工件表面俯视图：

在质量上，图3对应图1b中的描绘。例如，19可以是金属坯件，其在所示的实施例中还没有被加工因为它裹有金刚石涂层14，16，例如在所示实施例中所述涂层可为PKD金刚石。15表示加工边界；从该点往金属芯以外这部分材料(区域14-1，14-2)要被去除，而区域16到金属芯19这部分则应保留。所述要去除的区域14-1，14-2包括两个独立区域，其间带有不可见分界31，该分界而是通过机器控制系统27实现的。在该第一区域14-1内，以这样的方式在一个第一去除阶段中进行加工：由可变光学装置25a将所述激光束沿轨道51导入到工件当前暴露表面上。在图1和图3中，只部分但并未连续地画出这些轨道51。

在所示的实施例中，所述激光束在工件表面上的轨道近似遵循工件最终所需外轮廓(由线15所表示)因而常为曲线，至少在某些区域是如此。如图所示，在一层中许多条轨道51彼此相邻并且用激光(通过蒸发，蒸汽排放熔化的材料，或者燃烧／氧化)每次除去一条材料轨道，通过使激光这样一个接一个扫过这些轨道从而初步除去一个层，然后重复执行操作从而该材料被一层一层切割掉。

图3中反映出所述第一去除阶段对应的区域14-1内的这些轨道可能排列的不很精准，这是由于所述激光束引导手段产生相对较高的加工速度而造成的。在所述第二去除阶段所对应的第二区域14-2内，激光束13同样地逐道地扫过该工件表面。然而在这种情况下，该相对运动并不是通过光学元件25a(铰接镜，可调节反射镜等)引导激光束来完成的，而是以合适的和／或必要的方式通过调整轴22a，22b进行驱动。在这点上，图3中反映出，这些轨道看起来比光学激光波束制导下的轨道要精细很多，这是由于所述的通过调整轴22进行的机械波束制导运行非常精准。

总而言之，该运作模式整体上是如此的：外部区域14-1通过光学地引导激光束从而被相当迅速地但不能如最终所希望的那样精确地去除；而在内部区域14-2内激光束则被机械地制导，因此该去除过程较缓慢，但可以非常精准的达到最终所需精度。

所述第二区域14-2的宽度D2可相当于几条激光制导轨道的宽度，例如至少两条或至少10条，和／或至多10或至多20条。然后，在该第二区域向外所述区域14-1内的材料基本上由光学波束制导的方法切割去除。

图2b示意展示了激光刀具的一个实施例。它从激光源(图中未示出)接收激光13a，所述激光源可以设在刀具25内或外。在激光刀具25中，激光可以首先通过一个聚焦装置25b，该聚焦装置可被电子校正且通过其可将激光的焦点引入并能维持在某所需z位置尤其是材料表面上。所述焦点位置可以随时根据工件上激光光斑的当前位置进行校正从而以这种方式跟进，在这种意义上，所述聚焦装置25b可以“快速”进行调整。这些可以在受控的方式下完成，或者按照预先设定的参数被控制。

此外，设有扫描装置作为光学波束制导25a，通过其所述激光束可在两维空间内偏转。这里可以考虑铰链连接镜，它们可以绕相交尤其相互垂直的轴旋转和或是可调／可控的。通过在工件表面上x和y方向上的偏转因而可能扫遍这些所需的轨道，在这种意义上，这种可调性也可快速进行。

在出口侧／工件侧，所述激光刀具25可具有开口或光波出口窗25e，其自身可以再具有聚焦作用，或者其仅为透明板。

在所述第一去除阶段，这些可变／可调镜组(或笼统讲，所述可变光学装置25a)由所述机器控制系统27以这样的方式控制，使得它们影响在材料表面上沿所需轨道的激光落点制导。为了获得某所需表面区域的覆盖面，这可以为迂曲往复运动，或者为一种运动其在切削期间单向作用并带有可选地明显较快的落料或去焦的回程。

在所述第二去除阶段，激光可以同样经过可调镜组25a，但是这些镜被固定在预定的位置上。不过，引导激光绕过所述铰接镜25a也是可能的。为此目的，可在该光路上所述铰接镜25a的上游设置光束偏转器25c，其同样也按照控制系统27运作。在所述第一操作阶段，该光束偏转器引导激光13a至铰接镜25a，而在所述第二操作阶段，其则引导激光绕过它们。然后，所述被引导绕过这些铰接镜25a的激光可以通过另一出口25d或由合适装置通过以上提到的同一出口射出。在所述第二去除阶段中对激光进行在铰接镜处绕导具有以下优点：所述铰接镜较少加载激光功率，此外也没有即使在静态下铰接镜也可能产生的位置噪声。

图4展示了一个实施例，其特别适合于生产需多面塑形的工件。在一般情况下，当使用刀具加工工件时，工件10必须恰如其分地转向刀具25。激光切削加工也同样如此。在此之上，在激光加工中还必须考虑的是要尽可能地避免工件阻挡激光和避免在工件上产生激光作用死角。此外，还必须考虑到激光刀具的操作窗口大小有限。完全有可能加工工件比激光刀具的操作窗还要大。为了满足所有这些要求，可以选择图4中所示的处理过程：

图4a示意展示了一幅图，其依次定性地对应图1b和图3。在倒V形状最下面的粗线象征该加工边界，而在其上方的那些“平行”的线象征由所述激光制导在第一和第二去除阶段期间在一层中形成的引导轨迹51。

就此，要再次指出的是图1b、图3和图4a-e显示单个切削层的俯视图；它们并不是多个切削层的截面图。所述平行线并不是象征表示多个层，而是象征在一个层中的多条轨道。所示层以外的其它层可设想为各处于图平面之上或之下并与图平面相平行。

看图4a，很显然它几乎不可能从工件10和激光刀具25间的一个单个相对位置便全部完成。如果将激光刀具25对称置于倒V顶端上方，尽管激光落点在圆边顶端区域效果满意，然而在其左侧和右侧会形成不利的粗糙切口。如果将激光源移动到左边，是可能找到一个折衷点使图形左半边和圆形顶部一侧的加工令人满意。但是，其右半部分的加工则会更加糟糕，又或者甚至被遮挡住而根本不可能进行加工。

为了解决这个问题，可以进行细分工件，以便定义无缝相连或重叠的单个区域41a、41b和41c，这些区域各被分别单独加工。在激光制导(借助铰接镜25a)的情况下，则可以采用针对每个区域单独选择的、对各自单个区域有利的工件和激光刀具间相对位置和相对定位走向。在图4b中，各单个区域边界被线勾勒出，叉44a、44b和44c分别表示激光刀具25用于加工各个单独区域的相对位置。

此外，还可以以如此方式处理：根据单个区域41a、41b、41c的定义，对每个所述区域分配一个单独的基准点(以三维方式定义的)。在图4c中，所述单个区域的这些基准点由42a、42b和42c表示。借助机床上已知的工件夹，机器控制系统可以确定所述各基准点它们相对于机器的位置，也以便调整一方面各当下区域的基准点42和另一方面激光刀具25二者间的相对定位。

所述单个区域的确定可以手动或自动进行。所述确定也可以以这样的方式部分自动化地完成：手动设置例如关于哪里应有区域分界或者哪里无区域分界的参数，而后再根据这些参数自动地实际确定各区域。例如，在工件的切削刃部位不设区域分界较为理想，因为各区域边界上的加工精度可能小于区域内部的加工精度。另一个参数可以是在一个平坦表面的末端，即它变向弧形区域的地方，应为一个区域分界。然后，余下的设定可以自动地完成，例如考虑到激光刀具工作窗的大小，避免造成某工件部分阻挡激光，避免在一个单独区域内产生工件加工表面和激光刀具较大的距离差或取向差。

同样，基准点42的分配也可以手动或自动进行。当它自动执行时，该基准点例如可以选为所要去除材料的三维定义中点所在位置。就此，要指出的是图4c建议所述这些基准点位于工件加工表面上。但是，这种情况非常罕见。通常，它们是处于所要加工工件部分的内部。每个基准点分配有一个平移定义的基准位置xOi，yOi，zOi和一个旋转定义的基准取向phiOi，psiOi。当调整激光刀具和对应单个区域的相对位置时，可以这样调整基准位置和激光刀具间相对位置以使基准取向具有所需的取向值。

在加工一个单个区域41a、41b、41c期间在所述第一去除阶段中，那些用机床的机械调整轴调整的基准位置保持不变，并在此基础上通过所述可变光学装置(铰接镜)25a引导激光扫遍所述分别考虑的单个区域内的工件表面直到达到想要的结果。这样做时，程序可以为：首先对所有单个区域逐一全面执行第一去除阶段。然后，便可对所有单个区域一起连贯地完成第二去除阶段。这样，所述的细分成单个区域只应用于第一去除阶段所除材料上。

但是，也可对这些单个区域单独完成第二去除阶段，这个然后也可在所述细分处理中考虑进去，例如首先在一个单个区域内去除第一去除阶段的所有层，然后去除第二去除阶段的所有层，其后再转到下一个单个区域。就此，要指出的是在该去除阶段的单层厚度不是一定必须跟第二去除阶段的层厚度相同。根据激光参数，所述层厚度可以有所不同。然而，也还可以以如此方式处理：在同一层中，首先在固定工件10和激光刀具25间相对机械位置情况下直接一个接一个地执行所述第一去除阶段，然后在固定光学波束制导的情况下借助机械调整轴22执行第二去除阶段加工，其后再开始切割下一层。

在为所述单独区域41定义了基准点42之后，在每个这些单独区域从现有的工件定义(例如CAD数据)中提取必要数量的数据以创建可独立管理的加工程序部分。这些独立程序部分由图4d1，4d2和4d3所表示。然后，对每个所述区域还存在一次坐标转换，以针对所述加工处理在一个适当坐标系，尤其是与所述加工期间的相对位置相适应的坐标系中描述该区域。所述新坐标系由图4e1中标号43标示。对于图4d2和图4d3所示的单个区域也同样采取相同步骤。通过这种方法，可获得若干可独立执行的加工程序或控制指令，这些程序和指令设于适当坐标系中，因而可以用于执行各自程序部分。

通过细分成单个区域41a、41b、41c可以实现为所有工件表面区域尤其在所述第一去除阶段光学波束制导期间提供良好的加工条件，因此它们可以被以有利和有效的方式进行加工。

如上所阐述的，所述激光束(其在工件表面上的落点)的轨道导引速度v在第一和第二去除阶段可能明显不同。在第一去除阶段期间，原则是速度达到0.5米／秒以上至8米／秒以上，而在第二去除阶段期间，惯例是速度1厘米／秒以下，因此所述两个阶段间可能存在至少100倍的速度差。然后为了使单位表面单元的能量输入与所需的去除率相匹配，可调节激光脉冲频率。

加工用激光通常为例如从固态激光器发出的脉冲激光，像YAG激光，其并不发出连续稳定的光而是发出单个脉冲。在光学波束制导中(速度v>0.5米／秒或>1米／秒或>3米／秒)，典型的脉冲频率为大约10千赫或以上。为了使单位表面积的能量输入在所述缓慢的机械波束制导情况下也与材料去除所需速率相匹配，可相应显著降低所述脉冲频率。

单位脉冲能量也可以在一定程度上做调整。然而，所述脉冲频率相对更容易调节，因此单位脉冲能量在第一去除阶段和第二去除阶段中没有很大的差异(最多差3倍或最多2倍)。所述用于调节单位面积上能量输入的关键控制参数是脉冲频率。对其可以以这样的方式进行选择，以使在缓慢的机械制导中单位表面积的能量输入也获得用于有规律的去除的必要值。对此图5示意性显示了一些考虑事项：

51a、51b和51c表示相邻的轨道，如上面所述他们可能但不是必须是直的。圈52a、52b、...52y、52z象征各自激光脉冲在工件表面上的落点。根据激光功率和焦距，所述落点可以具有例如20微米的直径d。所述进给速度v(要么通过可调反射镜25a光学地，要么通过机器20的调整轴22a，22b机械地)和脉冲频率可以如此调节以致在激光进给方向上产生一个期望的重叠量u1。同样的重叠设计也应用于所述轨道横向间，该重叠在图5中由变量u2表示。该各个轨道横向间的重叠量u2受既定轨道51a，51b的空间位置影响。

可以这样进行控制以使第一去除阶段的和第二去除阶段的重叠量大致相等(相差小于2倍)。重叠量u1或u2的上限可以是直径d的40％或30％或20％。下限可以是0％或5％或10％。直径d可以具有5微米或10微米或20微米的下限，和／或200微米或100微米或50微米的上限。

在第二去除阶段期间激光束13机械光束制导过程中，可以用激光的脉冲频率控制补偿机械波束制导的动态误差。所述机械波束制导需要(正或负)质量加速度，这自然需要一定的时间。由于涉及的质量可能相当大，因为它不仅是一个可能小型工件或一个不太重的激光头其必须被加速，而且还附加它们各自的夹具和支架，所以这些影响通常是不可忽略的。另一方面，它们各自动态行为是已知和可预测的，因此它们也是可以被控制的。

例如，当需以一定的额定速度进行绕轴旋转时，一开始它将低于该预期的速度。相应地，也可以将脉冲频率选择为较低的值，以保持单位面积上的能量输入尽可能恒定或者尽可能小的变动。一般来讲，所述激光脉冲频率可以按照所述机械激光束制导来设定，尤其是根据该机械系统的动态特性(质量、加速度)。

脉冲频率控制装置可以直接控制所述激光源的脉冲频率，和／或可以具有可触光门，通过该光门个别脉冲或脉冲序列可被屏蔽或消除掉。后者可以用于尤其当单位面积上的激光能量必须与机械轴22的机械波束制导的缓慢进给相匹配时。那么，根据工件表面上激光相当缓慢的进给速率，是有可能屏蔽例如总脉冲的99％或99.2％或99.5％，从而较好的调节激光能量。

图6展示一个实施例，其中以重叠的方式定义单个区域。例如，单个区域41a和41b在区域61重叠。在该重叠区域61内，工件上的一个单个位置可以从两个不同的相对位置44a、44b上进行加工。在图6中，来自相对位置44a的加工点(激光脉冲落点)用“O”表示，而来自相对位置44b的加工点(激光脉冲落点)则用“X”表示。例如，位置69位于这两个单个区域41a和41b内，可以用这种方法任选地从第一相对位置44a或第二相对位置44b进行加工。可以以如下方式使用这种方法以在重叠区域61内形成区域间的平滑过渡：在一个单独区域内，沿各个轨道的加工终止在进给方向上的不同点上，其中该加工然后从另一个相对位置对另一个单个区域得以继续。由此，通过这样的方法可以模糊可能产生的从一个区域转换到另一个区域的影响，以使其不可见。

轨道51d、51e和51f显示了几种实施例，其中该去除加工沿各自轨道一次(51d)结束在窗的最末端(从左至右看)；一次(轨道51e)很明显在该末端之前，但在重叠区域61的最起始处；还有一次(51f)在该重叠区域的中间。这些来自一个相对位置44a的加工末端可以按轨道进行储存，这样从而当从另一个相对位置44b进行加工操作时，该加工便可参考所存储的数据按轨道正确地得以启动并继续。代替储存具体的位置，也可以存储一个规则，根据其来确定来自一个相对位置44a的加工末端和来自另一个相对位置44b的加工起始端。

甚至采取这样的方式进行处理也是可能的：在一条单一的轨道上以如此方式交错地进行操作以使得来自不同相对位置44a、44b的加工位置在进给方向上相互交错或“交叉”出现，如图中轨道51g所示的。这里，同样地，来自一个相对位置44a的加工点都被按照轨道和位置储存，从而当从另一个相对位置44b进行加工时就可以参照所存储的数据正确的启动并继续进行该加工。

然而也可以不去存储具体末端及加工位置，而是取而代之的存储一个规则，根据其可以确定出出自相对位置44a的加工末端和相对位置44b上的加工起始点。另外，还可以在加工程序中具体实施这些加工末端和起始点，并如此储存。

例如，所述区域重叠部分61的大小可以为激光进给方向上所在区域面积的2％以上或5％以上，和／或20％以下或10％以下。

图7展示了一种两阶去除法，其中在第一去除阶段中使用光学波束制导和机械波束制导，而在第二去除阶段中仅使用机械波束制导。

在所述第一去除阶段中，可以这样使用光学的和机械的波束制导：其中一个在与另一个对光束的制导方向相交的方向上制导光束。例如，所述机械波束制导可以导引激光束平行于(即不相交)工件最终表面行进，而所述光学波束制导则在一个与该机械制导产生的(瞬时)方向相交的(瞬时)方向上导引该激光束。

图7中箭头71象征一个引导移动，其可通过数个机械调整轴的配合而得以实现，与此同时线72描绘激光遵循的轨迹，由于激光做一个由叠加的机械波束制导和光学波束制导合成的引导运动，从而被引导遍及该工件加工表面。无论光学还是机械波束制导都不是必须为笔直的。

如上所指，通常光学波束制导下工件表面上激光光斑的轨道行进速度明显高于机械波束制导下的速度。从而，在该机械波束制导导引一个假想基准点相对缓慢地沿箭头71前进的同时，该光学波束制导使该激光束进行相当高频的往复运动。所述激光束可以在该往返运动的去程和返程中都处于激活状态，或者可以在其中一程(“回程”)被屏蔽或在此期间以非常低的频率运作。所述机械的引导移动可以是连续的或渐进的。

所述轨迹72优选地与工件表面成直角延伸。然而，图7显示出在工件的边缘或倒角(凹或凸)区域内出现了朝外的轨迹(具有径向方向上的方向分量的轨迹)呈扇形发散。在其它控制条件都相同情况下，这将导致的结果是单位表面积的能量输入发生变化，尤其是径向外侧的比径向内侧上的要弱。这个可以通过向外侧降低光学波束制导的制导速度和／或提高激光脉冲频率或脉冲能量进行补偿。

所述扇形发散可根据工件的局部凸凹性通过适当调整轨迹72的方向来避免或消弱。例如，从远离工件的方向上看，他们可以以工件局部表面垂直方向为基准朝着凸面区域向内倾斜或朝远离凹面区域的方向向外倾斜，其中倾斜角可以根据到该凹面或凸面区域的距离而变化，尤其轨迹离凹或凸区域越远倾斜角可以越小。在工件几何形状允许的情况下，在凹面或凸面区域内轨迹72也可相互平行。

这些轨迹可通过这样方式来确定：所有参数(即机械轴的控制和光学部件的控制)被预先设定并存储。图8示意展示了一种可相对较简单实施的替代方式。图8a表示所述光学波束制导(“扫描器”)的坐标系。81象征可执行操作窗口(在x／y方向上最大偏差+／-)。82表示一个0／0点，其可处于该操作窗口的中心并且被定义为x轴83和y轴84的交叉点。该扫描器在此坐标系中运作(光学波束制导-尤其是可调反射镜25a及控制)。

根据图8b，所述机械调整轴导引操作窗口81按箭头71做可调整移动，所述移动被预先设定和存储。与此相比，对光学调节的轨迹72则进行实时确定。所述以机械地平移和旋转的方式制导的移动71体现为所述扫描器坐标系上基准点82和基准轴84的移动，和例如可以对作为基准点的扫描器0／0点82(x／y方向上为0／0)和作为基准轴的例如y轴84以这样一种方式进行制导，以使该基准点沿箭头71移动并且让该基准轴总处于工件局部表面某固定方向上(例如垂直方向)。81-1和81-2列举显示了两个连续采用的瞬时位置。例如，基准点82的移动71可以沿着边界31来进行。

在所述扫描器坐标系中，可以分别基于当前基准点82-1、82-2实时确定各自当前所要导引轨迹72-1，72-2的方向和长度，或者简单地确定各自轨迹的一个终点85-1，85-2。然后所述扫描器被相应地控制。所述的参数确定可以在模具数据基础上进行。

所述机械波束制导同时或间隔使用一个或多数个该机器的平移和／或旋转调整轴22a、22b，来相对地调节、改变和／或导引刀具13、25和工件10的相对位置和／或相对走向，从而引导激光束13扫过工件表面。所述光学波束制导使用刀具25内的可调光学元件25a，例如铰接镜，来引导激光束扫过工件表面。

在图7和图8的实施例中，所述第二去除阶段可按如上述进行设计。

在实际实施中，机械控制轴22和光学扫描器25a可以具有单独的控制／反馈控制装置。它们之间可以，例如以最优控制的形式，提供合适的接口用于数据交换(既有从传感器输出又有向致动器输入)。

这里要指出的是，在图7中所示的用于第一去除阶段的轨迹引导，也可以用在图3实施例的第一去除阶段中，但是在这种情况下，其则将唯一地通过光学波束制导来进行调整。

在另一个实施例中，可以通过将对应第一去除阶段的所需去除材料的工件外部区域(图3中的14-1)进一步再划分为一个工件外部加工区和一个工件内部加工区以此来进一步提高工件加工速度，其中所分的工件内部加工区通过光学激光束制导进行加工，所分的工件外部加工区通过其他方法，例如机械、腐蚀或之类方式来处理。

在先前所示实施例中，层的堆叠方向为平行于工件表面，因此这些切割层相应地设为与工件表面相交(图1a中轨道51和层17)。利用前述的层去除方法，加工是通过这种方式沿着最终工件表面而展开的，并且所述两个加工阶段对应的两个加工区域之间的虚拟边界31将每个层分成两个区域14-1、14-2。

代替以上，当然还可以这样处理：将层的堆叠方向设为垂直于工件表面，从而相应地所述切割层平行于工件表面或不遵循平坦的工件表面。在图1a中，线51则将表示各个层，而线17则表示一个层内的各个单条轨道。与所示不同的是，激光束将照射在垂直壁18上，而不是在表面14上。利用前述的层切割方法，然后展开该加工处理以致向着最终工件表面移动。两个加工阶段所对应的加工区域之间的边界31可位于两个层之间，因而每个单独的层都完全置于第一去除阶段或第二去除阶段所对应的一个或另一个区域内。此外，所述两种方法的混合形式也是可能的，例如对一个工件区域使用其中一种方法，而对另一个区域使用其中另外一种方法。

然而，以上所述的替代方案也可以在加工过程中自动产生，例如当原本(在工件的“顶部”)是以平行于工件表面的方式切割层，而在这过程中一些(在“侧壁”上的)堆叠方向平行于所述壁的层也被除去。

这里要指出的是，无论是机械的还是光学的波束制导都可以在三维空间内进行控制。换句话说，各轨道和各层不是必须在一个平坦的平面内。所述光扫描器可以通过用z移位器25b在z方向上控制焦点位置被控制。所述机械波束制导可具有至少一个相应轴。

与以上所述不同的，还可以在第二去除阶段通过可变光学装置(光学波束制导)对激光束降速，并由此可相对于所述第一去除阶段更准确的对其制导。因此，这对应了一个第二去除阶段，在此期间激光束被可变光学装置在工件表面上相对于工件引导，但其中所述激光在工件上落点的轨道行进速度跟第一去除阶段的相比有所降低。

其次，还可以进行其他的改编，例如在激光控制方面，尤其是使工件表面的功率或能量输入与降低的轨道行进速度相匹配，以及提高所述第二阶段的轨道制导的精准度。脉冲能量和频率可以进行改编(减小)。在电路中，可设可变或可控滤波器，从而在第二去除阶段期间可对比第一去除阶段对滤波器进行调整，以过滤出不再需要的不希望的较高频率信号部分。也可能在电光接口上使用其他的(更精确的)元件进行波束制导(例如可调节的镜片)。此外，还可能进行控制信号和激光落点间的校准。

第二去除阶段中所述激光在工件表面上落点的轨道行进速度与所述第一去除阶段相比可以至少减少5或10或20或50或100倍。通过适当的改变、激活或关闭电子滤波器可以将提供给机电致动器的信号的边界频率降低至少5或10或20或50或100倍。脉冲频率也可以被降低至少5或10或20或50或100倍。

在一个这样操作的第二去除阶段期间也可以，例如连续的或渐进的，通过一个或多个机器的调整轴以叠加的方式引导所述激光束在工件表面上相对于工件行进。所述的借助一个或多个机器调整轴的相对于工件的波束制导可与所述光学波束制导同时或交替地进行。可以只使用一个或多个旋转调整轴，和／或一个或多个平移调整轴或平移和旋转调整轴。

所述控制可以被设计用于实施以上所述的所述第二去除阶段的特征，尤其是通过引入该激光光源以提供一个降低的功率和／或脉冲频率和／或引入所述波束制导元件以提供一个较缓慢的加工／波束制导模式。

以上所描述的在带有减速使用光学波束制导的第二去除阶段实施例中的特征也可以应用在所述第一和第二去除阶段之间的加工阶段中而非在所述第二去除阶段中，其然后再仅仅利用机械调整轴进行波束制导。

所述工件可以是或者包括金属的或陶瓷的或其它种类的工件，可选地还可由多种所述材料组成。该材料还可以是或包括玻璃或塑性材料。它也可以是一个(CVD或PKD)金刚石层。它可以是一种复合材料。它可以是一种要生产的切削刀具，尤其是具有金属的芯和至少部分表面存在金刚石涂层的复合刀具。

工件上由激光偏转能力所定义的该机器操作窗口的大小可以是各维度均小于30厘米、小于20厘米、小于15厘米或小于10厘米。它可以是各维度均大于2厘米、大于5厘米、大于10厘米或大于15厘米。工件可以大于操作窗口，然后可以通过利用机械调整轴移动操作窗口来跑遍整个工件。

在本说明书中说明的特征即使并未明确指出也应可相互结合，除非此种结合出于技术原因是不允许的。以上对方法步骤和方法特征以及方法选项的说明也应被理解是作为对实施各自方法方面的装置部件或装置选项的说明。

Claims (15)

1.一种利用来自激光刀具的激光束加工工件的方法，其中为了用激光束制造所述工件，所述工件的材料是通过用一个或多个调整轴对工件和激光刀具相对彼此定位，和在所述工件暴露表面上逐道地并贯穿整个该表面移动激光束来蒸发和／或燃烧该工件材料，以此按照预定的定义逐层地被去除，所述方法包括：

一个第一去除阶段，在此期间由可变光学装置，尤其所述激光刀具内的可调反射镜，在所述工件表面上相对于所述工件引导所述激光束，于此同时使用或不使用机械调整轴调节所述激光刀具和工件间的相对位置；和

一个第二去除阶段，在此期间由所述机器的一个或多个调整轴在所述工件表面上相对于所述工件引导所述激光束，优选地同时不使用可变光学装置导引所述激光束，其中其焦距可通过可变光学装置进行可变调节。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件表面上的激光光斑在所述第一去除阶段中被以高于所述第二去除阶段中的轨道制导速度在所述工件表面上制导，其中其差异可大于10倍或大于100倍；和

其中，在所述第一去除阶段的轨道制导速度可为1米／秒以上或5米／秒以上，和／或在所述第二去除阶段可为0.1米／秒以下或0.02米／秒以下。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述第一去除阶段是用于去除远离所述工件最终表面的区域，而所述第二去除阶段是用于去除相邻和接近所述工件最终表面的区域。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中在开始去除前，将要从工件去除的材料量分成若干相邻的单个区域，然后通过对每个所述单个区域首先通过机械调整轴调节工件和单个区域间的被定义的基准位置，并基于这个基准位置在各自单个区域内执行所述第一和第二去除阶段，由此逐个去除这些单个区域，

其中，所述基准位置可以以这样的方式进行调节：每个单个区域分配一个基准点，然后通过调整基准点和激光刀具间某个相对位置来调节所述基准位置，其中所述基准点可具有一个平移定义的基准位置(xOi，yOi，zOi)和一个旋转定义的基准取向(phiOi，psiOi)，和其中所述基准位置可以是依照该基准点的一个平移和旋转定义的相对位置，

其中，所述单个区域可以依照一个或多个以下标准来确定：

-一个基准位置内的加工边界与所述切割激光的操作区相适应，

-避免工件某部分或材料残渣遮挡激光，

-在工件某些表面区域避免区域边界，

-避免激光与工件表面之间大的距离差和／或一个基准位置内工件表面各部分间的取向差异。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：若干或全部切割层设于与最终工件表面相交；和

在一个切割层内加工下一层之前执行所述第一和第二去除阶段，或者接连在若干层中执行所述第一去除阶段或所述第二去除阶段，其后再在一个或若干层中执行相应的另一个阶段。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的激光在材料去除过程中被引导所沿的轨道可以不是直的，尤其该轨道可适应于最终工件轮廓。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述层的堆叠方向为平行于工件表面，或者所述切割层被布置成与工件表面相交。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在所述第二去除阶段中多个所述可变光学装置被保持恒定，或者在所述第二去除阶段中所述激光绕过多个所述可变光学装置。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在所述第二去除阶段中，所述激光的脉冲频率是根据在第二去除阶段中所启用的该机器的机械调整轴的动态属性来进行控制或调节的。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：若干或所有层的堆叠方向为垂直于工件表面，或者所述切割层平行于工件最终表面或与其一致并保持一定距离。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在所述第一去除阶段中仅使用光学波束制导，和在所述第二去除阶段中仅使用机械波束制导。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

在所述第一去除阶段中，使用所述光学波束制导和所述机械波束制导，优选地以这样的方式以使得其中一个对波束制导方向和另外一个对波束制导方向相交，并且优选地以这样的方式以使得所述机械波束制导平行于工件最终表面地引导该激光波束；和

在所述第二去除阶段中，仅使用所述机械波束制导。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：具有一个或几个以下特征：

-在所述两个去除阶段期间，所述激光被引导沿着相邻且也可能重叠的轨道行进，

-所述激光为脉冲激光，其脉冲频率将按照工件上该激光的轨道速度进行调节，以便制造出所需的工件表面上激光落点的重叠或所需的它们间的距离，

-所述工件为一种切削刀具，其表面设有CVD或PKD金刚石涂层。

14.一种用于加工工件(10)的激光加工机(20)，其尤其用于执行根据任一前述权利要求所述的方法，所述机器包括：

用于制导激光束的激光刀具(25)，其为了制造所述工件被设计用于实现通过在所述工件暴露表面上逐道地并贯穿整个该表面移动激光束来蒸发和／或燃烧工件材料，以按照预定的定义逐层地去除该工件的材料；

用于固定工件(10)的工件台(24)；

多个调整轴(22a，22b)，其用于相对地平移或旋转调整工件(10)和激光刀具(25)的相对位置和其支件；和

控制系统(27)，其用于控制所述激光刀具(25)内的激光波束制导和所述调整轴(22a，22b)，

所述机器特征在于：

所述控制系统被设计用于实现：

在一个第一去除阶段中，由可变光学装置(22a)，尤其是在所述激光刀具内的可调镜，在所述工件表面(14)上相对于所述工件(10)引导所述激光束，于此同时使用或不使用机械调整轴(22)来调节所述激光刀具和工件间的相对位置；和

在一个第二去除阶段中，由该机器的一个或多个机械调整轴(22a，22b)在所述工件表面上相对于所述工件引导所述激光束，优选地同时不使用可变光学装置导引所述激光束，其中其焦距可通过一个可变光学装置(25a)进行可变调节。

15.根据权利要求14所述的加工机，其特征在于包括：激光源，其发射激光脉冲；和脉冲频率控制系统，其根据激光加工过程中的动态属性控制所述激光的脉冲频率，其中所述脉冲频率控制系统可以被设计成用于控制所述激光源的脉冲频率和／或可以具有触觉光门。

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