CN105658372B - 通过激光束加工工件的方法、激光刀具、激光加工机、及机器控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过从刀具头放射出的脉冲激光束加工工件的方法，其中所述脉冲激光束被在工件和刀具头之间的一个恒定相对位置上，引导扫过所述工件表面，所述工件可以被连续地在第一和另一个第二相对位置上加工。在所述第二相对位置上的操作参数被控制成，以使得在所述第二相对位置上产生的一个或多个激光脉冲击中位置相对于从所述第一相对位置产生的一个或多个激光脉冲击中位置具有一个规定的位置，尤其位于一个由所述第一相对位置在该工件表面产生的多个激光脉冲击中位置所定义的一维或二维网格中。

Description

通过激光束加工工件的方法、激光刀具、激光加工机、及机器 控制

技术领域

本发明根据独立权利要求前序部分所述涉及一种通过激光束加工工件的加工方法，还涉及一种激光刀具、一种激光加工机和一种机器控制。

背景技术

现有技术，除了别的以外，还有DE 1017322A、WO2000/18535、DE 10324439A、DE10352402A、DE102004013475A、EP1613447A1、DE1021007012816、DE102007012815A、DE102007016056A。

图1示意性展示了一种现有机床1。该机器1包括一个机座16。其上可调节地安装有一工件台14，其在运行时持有被牢固地安装在其上的工件11。所述工件台14相对于框架16的可调性可以为平移和/或旋转地沿着和/或围绕一个或多个平移轴和/或旋转轴。图中这些轴由15标示。该机器框架16上还安装有一激光刀具头13。它可能通过标准化联轴器(HSK、锥形、...)可以进行更换、插入和拆卸。另外，所述刀具头13可能可以沿着或围绕一个或多个平移和/或旋转轴17相对于设备框架16进行调节。

所述激光刀具头13发射一激光束12，其击中工件表面10并导致那里材料液化蒸发。所述激光束12通常并非为连续激光束，而是一个脉冲激光。其脉冲功率通常足够高以致一单个脉冲单独便足以引起材料蒸发。使用扫描仪和合适的光学器件，该激光束、尤其其焦点被引导按所需穿过空间。

一个控制器18通过头部13中的致动器控制所述激光束12、以及尤其激光束12焦点在空间中的位置。它还控制所述轴15和17和其它机器部件。传感装置19例如可能三维测量已加工出的空腔或者可能检测所述激光束在工件上的瞬时位置并可能将其以合适的格式提供给控制器18。一个存储部18a保持加工数据，该加工数据可能包括用于数控机床加工程序的程序数据。

所述工件11可能是金属材料或者陶瓷或者树脂。然而，它还可能是某载体的涂料覆盖层。待加工结构可能是一个大空腔或可能是很难到达的空腔深处的某种表面处理。

作为示例，以下假设加工用于车辆仪表盘的压铸型。这里假设大体形状已经加工完成，而所描述的机器须塑造一个适当的表面结构。由于是对铸模进行加工，所以所形成的为相反形状。该工件相对较大，可能具有至少为1.0平方米或至少1平方米的表面。对于方形，这相当于至少31厘米或1米的工件表面的边长。

激光头13通常不能产生如此高的偏转，或者能产生但须付出显著的质量损失。出于这个原因，经常的做法是将工件表面分成若干段，然后从一个相应的工件11和刀具头13之间恒定相对位置对每段进行机加工。当该段的加工完成后，通过轴15和17使工件相对刀具头移动并适当地控制它们，使得在一个新的相对位置上可对一段新的工件段进行加工。

图2显示了按一已知方式对某个工件的划分。所示工件可以是带有四个孔的按钮的铸造模具，在模具中圆圈表示的四个立柱便为这些孔而留。10为工件表面上的一个空腔。这里假设，该工件表面的整体尺寸过大，以致不能由刀具头13和工件11之间一个单一相对位置便将它加工完成。因此，该工件表面被分成段21a、21b、21c、21d，其中所述划分是一个逻辑分割，而不是真正的分割。针对相应的段，将对工件和刀具头之间相应的特定相对位置进行调整，从该位置对该段进行加工。所述分割和相应相对位置的设定两者是按照不同的标准进行的。一个可以是按照优化入射角。另一个可以按照避免遮挡或碰撞。

当一个分段加工完成后，工件和/或刀具头相对彼此位移，以此获得一个有利于下一分段的相对位置，从该位置便可对下一段进行机械加工，以此类推。所述工件表面可以分成10或20或50或更多的段。此外，当要在深度方向加工形成一凹陷时，如果采用逐层方式去除材料，不同层上的段之间分界线可以设在不同位置，如图2网格21、22、23所示。这些相应网格显示了在不同层上(Z位置)的段边界线。优选地，它们位置相互偏移，以使得在这边界处不会有加工印记聚积在侧壁上，因为这些影响被分散开来，这里所述边界可以有不连续性。

图3a、图3b和图3c展示了划分工件表面时可能发生的问题之一。图3a显示工件表面被分成两个段21a，21b。对每个段，激光头13的位置可以选择成，以使得相对瞬时工件表面该位置为良好或最佳。最佳可意味着，激光平均垂直地撞击在工件表面上，以使得能量被尽可能均等和按定义地导入到待加工工件上。而当工件表面如图3a所示为非平坦时，这导致激光头13非常个体的定位。13-1和13-2表示激光头13的不同位置。

这样做的效果是，在每个工件段内对于其自身而言操作可能是最佳的。但是，这种方法的缺点是如图3b和3c所示。在段21a和21b之间边界上激光束将从两个位置13-1和13-2在不同角度α和β下加工工件表面。当激光束12的直径d分别相同时，对来自不同相对位置的相邻脉冲光斑，所述不同角度α和β将在工件表面上导致不同投影量p1和p2。这导致激光束直径在工件表面的不均匀投影(几何误差)，结果导致了不均等的功率密度，从而产生不同的烧蚀特性(烧蚀误差)。

当要形成与激光脉冲入射光斑相应的单独点时，它们在分段边界处根据其所处于哪一侧而系统地具有相同的几何偏差。在段21b，当垂直入射，其形状基本上是圆形的，而当斜入射，则会有椭圆失真。所述分段边界上的过渡即使没有功能性影响，但往往显然还是可光学识别的。而这是及其所不希望的。虽然这些效果可以通过交错段与段之间的轨道边界在一层内被“模糊化”。然而，即使这样，不平坦还是可能被看到的或可能有功能性的影响。

图4展示了分段边界处存在的另一个问题。在每个相对位置，激光被沿着多个轨道引导，在这种方式下，根据引导速度和脉冲频率fp＝1/T，其生成一系列的单个入射光斑。当此后为了加工另一个分段而改变所述相对位置时，则有可能出现连接误差，因为在所述第二个、后来的相对位置内的控制是正确的及甚至在其自身内，但不涉及到从所述第一相对位置进行加工中发现的情况。

图4显示单个点并非有规律地彼此跟随。图中所示的仅为与图平面垂直方向上的一个连接误差。然而，在图平面水平方向上的连接误差也是可能存在的，其将导致轨道相对彼此位移。同样，即使这些效果没有功能性影响，但至少它们还是常常可光学识别为分段边界上的加工痕迹，这又是非常不希望的。

图5沿时间线展示了典型激光脉冲50a，50b和50c。51代表单脉冲或脉冲群，其相互非常有规律地间隔一个周期T。对大多数激光类型来说，该周期T的长短可被较好并快速地控制，但对于某些激光类型而言，控制起来就比较缓慢或困难。然而，在任何情况下，它们还是相对均匀并可预测的。在脉冲50a中，有相互间隔周期为T的单脉冲51。在脉冲50b中，有均匀彼此跟随的脉冲52、53所组成的双脉冲，其中相应的第一个脉冲弱于第二个。此外，这些双脉冲相互之间定义有一个周期T。在脉冲50c中，还画有由彼此相等的脉冲52、53组成的双脉冲。

所有所展示的脉冲还显示了接通时的一个现象。如果假设各自左脉冲/双脉冲是接通后的第一个脉冲，那么就常常发现这些第一个脉冲都相对比较强，而随后的脉冲都较弱直到它们达到一个恒定的水平。因此，由于这个起始超高值，烧蚀功率在接通后不久便发生变化。正如激光脉冲击中点直径所表达的，第一击中点的直径将大于其随后的直径。

当工件表面的功率密度(单位面积上的功率)为不均匀时，烧蚀功率也是不均匀的，这样使得有可能发生不均匀烧蚀和烧蚀错误。所述不均匀的功率密度可能来自以上所述的几何误差或来自所描述的起始超高值。

总而言之，已知的用激光束对工件分段加工方法在各段内具有合理严谨性，在段边界处的加工痕迹可一定程度上被模糊化，但在相邻节段的边界处可能发生以几何误差、连接误差、或烧蚀误差形式的不连续性，而这些误差可光学识别和/或存在功能性不连续。无论哪种情况都不是我们所希望看到的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用激光束加工工件的方法和一种适当的激光刀具，其提高了工件分段加工中激光控制的精确度，尤其避免了出现可光学识别的偏差。

此目的是通过独立权利要求的特征而实现的。

在一种用于脉冲激光束加工的方法中，在工件和刀具头间一个恒定相对位置下引导该激光束扫过工件表面。从一个第一相对位置和其他第二相对位置依次对所述工件进行加工。在第二相对位置的加工参数被控制成，以使得从第二相对位置射到工件表面上的一个或多个激光脉冲具有一个规定的、相对于一个或多个从第一相对位置射到工件表面的激光脉冲的位置，尤其以使得它们位于一个由复数个从第一相对位置产生的工件表面激光脉冲击中点所定义的一维或二维网格上。

该方法具有如下效果：使得由某一个相对位置上加工所给出的网格将在一个随后相对位置上的加工中尽可能精确、对称地延续上，以使得偏差和段边界在最好情况下将无法识别。

在另一种通过来自刀具头的激光束加工工件的方法中，所述脉冲激光束被从工件和刀具间一个恒定的相对位置上引导扫过诸多工件表面位置。相继地，从一个第一相对位置对第一工件表面分段的若干第一工件位置进行加工，然后从一个第二相对位置对相邻第二工件表面分段中的若干第二工件位置进行加工，其中所述这些分段以重叠或非重叠方式相邻。所述第一和第二分段和所述第一和第二相对位置按照两个标准进行设定：其中一个是根据其相对位置所处情况设置入射角；其中另一个是将入射角设置成，以使得：优选在平行的切割平面内观察时，激光束从一个相对位置对工件表面的入射角度是相对于该激光束从另一相对位置对工件表面的入射角度来进行选择的，优选地以使得这些入射角之间的差异减小或低于某预定最大值。

通过这种方法，激光脉冲在工件表面上击中点的入射几何形状被均等化以使得所述激光束在边界处工件表面的投影几何形状显示出较少变化，因此不会迅速改变，所述击中点来自不同的相对位置(对不同的分段)并且彼此接近或相邻。同样在这种方式下，在分段边界可以减少突然地功能性或可识别的差异。

工件加工位置和相对位置可以被选择为，以使得所述激光束在该相对位置相对于所述工件表面的平均入射角在90°±3°的范围之外。

在一种用于通过从刀具头所放射的脉冲激光束加工工件的方法中，所述脉冲激光束被从工件和刀具之间的一个恒定相对位置上引导扫过所述工件表面上的若干加工位置，其中连续地从一个第一相对位置和一个第二相对位置分别对第一个工件表面分段的第一工件加工位置和第二工件表面分段的第二工件加工位置进行加工，其中所述这些分段可能以重叠或非重叠的方式相邻。所述这些分段是比该激光头的可用工作窗口小，尤其是通过将初始分段分割来定义，其中所述分割是根据考虑在该初始分段中、以及可选择地还考虑在相邻分段中的激光束相对所述工件表面的入射角而进行的。

当在一个分段内，所述激光束入射角变化如此强烈以致在一个段内所述差异可能可识别时，这种方法是有益的。当初始分段可被划分成多个更小的段时，从而在一个这些较小段中的变化是较小的并且其可以如前面所述横穿段边界被均等化。

就入射角来说，它们可以是在激光光轴相对于激光击中前瞬时本地工件表面的角度，其中小于20或10或5微米的结构特征可以被均等化。

在一种用于通过从刀具头所放射的脉冲激光束加工工件的方法中，激光束被引导扫过工件表面，且该工件可以通过一个或多个自动(反馈)受控的轴相对于所述刀具头进行调整。一个或多个所述轴和所述来自该刀具头的脉冲激光束被同时并且互为关联地进行操作。

使用这样的方法，通过同时操作至少一个机械轴和激光束，则有可能避免出自在至少一个区域维度内离散调整不同的相对位置/分段所产生的人工加工痕迹，在所述区域维度内大型工件的大片区域被“无中止”的进行扫描。

在一种用于通过从刀具头所放射的脉冲激光束加工工件的方法中，所述脉冲激光束被在工件和刀具之间的一个恒定相对位置上引导扫过所述工件表面，其中连续地从一个第一和一个相邻的第二相对位置分别对第一和第二工件表面分段的第一和第二工件位置进行加工。在所述边界处，所述激光束从所述第一相对位置、在另一个角度下冲击到所述工件表面上，而非让它们从所述第二相对位置来完成。在一个所述相对位置上的激光脉冲击中位置被根据所提到的入射角之间的差异进行定位，及尤其被相比其他设置进行位移。

由此，可以得到以下优点：在工件表面上激光束直径的不同投影大小，例如在图3c中所显示的，以非重叠的方式布局。

这里需要指出的是，在逐层式材料去除中，所述层不必是平面或者平坦的，它们也可以是弯曲的，不平坦的。它们可以遵循原始(不平坦)工件表面、或者可以遵循所要形成的凹陷的最终外部形状、或者可以根据其他标准来构成。所述不平坦可以通过在一个分段内适当选择扫描边界和/或通过z方向上的相应焦点控制而获得。

在一种用于通过从刀具头所放射的脉冲激光束加工工件的方法中，所述脉冲激光束被在工件和刀具之间的一个恒定相对位置上引导扫过所述工件表面。若干相互划分开的工件区域被相继地从一个第一和另一个第二相对位置进行加工。所述工件区域的边界在一个层中被选取为不同于那些在紧挨其上或其下一层中的边界，尤其与其本质上不同，从而使得例如在所述这一层中的边界不仅光是比照其上或其下一层进行平移式移动。

例如，所述分段边界在一层中可以遵循矩形图案，在下一层为六角形图案，在再下一层随机图案，以此类推。由于分段边界避免整齐划一，所以再次减少了在最终加工成品中出现人工加工痕迹。

在一种用于通过从刀具头所放射的脉冲激光束加工工件的方法中，所述激光束通过所述刀具头内的光学器件和引导装置被聚焦和引导。其焦点位置在深度方向上则根据所述激光束在该工件表面上的入射角而进行控制。

通过在工件表面上有意控制进行散焦，每脉冲激光的烧蚀性能可得到控制。该参数可用于补偿影响烧蚀性能的其它量，如入射角。其依赖性可以为：以使得在大致直角入射从而高功率密度处，选择进行一定的散焦(聚焦位置高于或低于瞬时工件表面)；反之，在斜入射处，焦点位于工件表面内。烧蚀性能的变化由于几何关系被通过焦点位置的变化而均等化。

一种刀具，其用于通过从该刀具所放射的脉冲激光束加工工件，所述刀具具有一个激光源，一个用于整形所述激光的光学器件和一个用于引导所述激光的引导装置。所述光学器件包括在辐射路径上的可调光学元件，当从相互扭曲的平面内考虑它们时所述元件包括不同的光学特性，但引导激光束。

带有不同光学特性的光学元件在不同层中可用于补偿工作几何所造成的差异。它们可具有类似于透镜的作用以用于校正散光或其本身可以是散光透镜。散光的量和/或取向可以是可调节的。同样地，可以设置椭圆形的孔用于例如均等化段边界处不同的椭圆率，所述孔的取向为可调。

一般而言，可以这样在一个恒定的相对位置进行加工，以使得所述激光的光束击中位置被通过以下方式引导扫过瞬时被加工表面分段：通过振镜在两个维度x和y内(或在恒定的焦距扫过球形截面)偏转该激光束、特别是其焦点区，依照偏转(Z-移位器)控制焦点位置和控制一个光阀。

一些上述的方法和方法步骤可以被事先计划好，并且执行于存储在机床中、工件加工期间使用的预先建立的相应的加工程序中。然而，一些所述的步骤可以或必须进行实时控制或根据传感器信号进行控制。

这里所描述的方法可以用于使用完全覆盖逐层式材料去除来大量构造凹陷，或用于光学或其他目的的表面处理，或通过仅在一层或少数层内烧蚀精确或连续的结构来用于表面修饰。所述工件可以是，例如，在汽车制造业中的树脂产品块的大型压模(热塑性塑料)。

所述激光束在空间中的焦点位置为合理预测可控。可以简单的解释为(忽略由振动镜所造成的球面几何形状)，所述焦点在该区域的偏转是由具有相交振动轴的振动反射镜(控制大体在x-y平面内，见图1中坐标定义)而实现的，而在深度方向(z方向，远离刀具)所述焦点是通过快速光学元件(“Z-移位器”)来控制的。所述这些部件可以在来自机床控制器的连续快速控制中。

以下参照附图对发明的实施例进行描述，其中

附图说明

图1为一台机床的一般示意图，其中可使用本文所描述的方法和刀具，

图2展示工件表面在不同层上的划分，

图3a、图3b和图3c展示一些草图用来说明激光束撞击工件存在的些许问题，

图4展示草图用来说明分段边界线存在的些许问题，

图5展示几种典型激光脉冲，

图6展示了一个草图用来说明激光束入射角的设置，

图7示意性展示了一种激光刀具，

图8展示一种用于改善分段边界连接的方法，

图9展示了图8所示方法所产生的结果，

图10a和图10b展示了依照角度焦点控制的示意草图。

具体实施方式

通常，本说明书中的特征应被认为是可互相组合的，即使这样的组合并没有明确提及，但只要该组合在技术上是可行的。对方法步骤和方法的说明也应被理解为是对实现相应方法步骤或方法的设备组件和设备或装置组件和装置的说明，反之亦然。

通常，在本说明书中使用如图1所示的坐标系。其z方向为垂直方向，并且可以是所述凹陷的深度方向,而x和y坐标为水平。这可以理解为作为说明用途。由于在实际中存在各种旋转轴和复杂的几何形状，所以通常不能假定例如(瞬时或原始)工件表面位于x-y平面内或凹陷深度方向总是垂直方向。

图6展示了一种方法，其中参照图3a、图3b和图3c进行说明的影响被降低或避免。这里，刀具13与工件分段21a和21b之间的相对位置不仅是在各自单独优化下进行选择，而且还相互考虑，尤其使在分段21a、21b边界区域内的入射角α'和β'均等，以使得分段21a、21b边界区域内激光横截面在工件表面上的投影差别很小，并且最好相等。

为了在不同分段中对各自的刀具头13和分段21a、21b之间相对位置进行设置....为了分别加工各自对应表面段，至少应用了两个标准。其中之一是可以根据各分段各自的必要标准或优化标准对各自相应分段单独进行设置，而其中另一个可以是均等化它们的设置，以使得边界区域内的入射角α'和β'相等或至少其之间差别很小。尤其，使用所述标准其一而得到的结果可以通过使用所述的其另一个标准进行修改。

首先，所述相对位置可以仅单独考虑各自对应分段进行设置，例如如图3a、图3b和图3c所示，以使得在各自分段21a和21b内关系为最佳，例如平均入射角度基本为直角。为此，激光头13的位置13-1和13-2被分别设置用于加工分段21a和21b。但是其他标准也可以在这里使用，例如避免造成遮挡或机械碰撞。

然后，从这些不同的相对位置，在分段21a、21b之间的边界区域内可能发生激光束以不同角度α、β入射。当工件非平坦时尤其如此。如图6中所示，所述特定设置可以随后进行修改，以使得位置13-1和13-2两者分别朝着13-3和13-4向右移。通过这样，单个分段内的设置将不再完全理想，但是入射角α'和β'(优选从单个截面或多个平行截面看)被互相均等化，如此以致激光直径的命中几何形状也互相相等的，从而所提到的人工加工痕迹被减少或避免。

反之亦然，也可以如此进行：首先，在边界区域内建立同一入射角度α'和β'，然后按照与所对应分段自身有关的标准和优化该对应分段加工的标准来修改这些设置。

然后，为了相互平衡各种标准的作用可以如此进行进一步评估：对如果为了获得一个整体满意的效果按照所述其中一个或其中另一个标准进行设置或设置修改，将获得多少以及失去多少进行估计。

这些步骤可以在工作计划中提前进行。其结果可以反映在加工程序中，其在工件加工期间一边运行一边设置相应参数。

在相邻分段的边界区域内均等化入射角的一个结果可能是，至少在一个分段内入射平均角度并非如通常所期望的为最佳直角，而是低于最佳向垂直平面反方向偏移例如至少3°或至少6°。

就入射角而言，如果没有不同的定义的话，它们可以为在相应边界区域内激光束在工件表面上的入射角，或者可以为整个分段上的平均入射角。

图8显示了一种用于减少或避免如图4所示的分段边界处连接失误的方法，以用于获得如图9所示的结果。该图展示了在沿图平面中垂直行进轨道的一个单个工件分段内的方法。这里，首先，使用激光扫描仪通过联合控制激光和扫描仪对一个分段21a内的所有轨道进行扫描。而后，通过使用机械轴15和17改变所述相对位置，以使得可以通过扫描其上的轨道而对相邻分段进行加工。

可以这样进行控制，以使得在后来的(第二)相对位置，机器参数(相对位置，激光控制，....)被设定为：使得在第二分段内激光脉冲击中点具有一个特定的、相对于第一分段内激光脉冲击中点的位置，尤其使得它们跟第一分段加工过程中激光击中点所定义的网格或网格中的线具有一定特定的关系。该预先确定的网格和其连接可以被认为是一维或二维的。

这里，在从第一相对位置对工件的加工终止后用户可以如图8所示进行操作。在步骤801中，启动激光器运转从而产生激光脉冲。然而，它们仍然可能由一个快门(光阀)遮挡着。这之前或之后，在步骤802中对激光头和工件的相对定位进行设置或者可以进行传感器控制，以用于加工与先前加工段相邻的新分段。在步骤803中，在激光脉冲周期T内对激光脉冲时间进行精确地检测。

在步骤804中，对机械参数进行设置以用于在所述新分段中获得一个所定义的激光脉冲起始和入射。这些设置可以包括扫描仪运转的开始时间、扫描仪的加速度、激光的最终速度(角速度)。同样地，所述快门的打开时间可以在这进行确定。在步骤805中，扫描仪按照设定的量启动。当达到期望目标值时，所述快门在步骤806被打开，以使得激光脉冲击中工件表面。

尤其，当激光脉冲频率不好控制时，其对应给定的脉冲时间可以相位精准地用作输入量用于在步骤804中确定各值。然而，当激光脉冲的频率和/或相位为可控时，这些可以被设定为步骤804中的测定结果，并可在稍后作相应地调整。

可以这样进行设置，以使得获得所希望的结果，即在所述新的相对位置、即相邻的新的分段中，该激光脉冲的击中位置在一个网格维度或两个网格维度上都尽可能精确地延续由前段加工所给出的网格。

在步骤804中，为了获得所期望的设置，可以要么通过传感器例如通过光学测量所述早先加工的击中点从而获得有关先前加工的数据、然后进行使用，要么，可以使用已存储的值只要其可用的话，该值被存储于先行分段的激光控制运行和加工期间。以这种方式，可以生成有关以及存在的网格的信息。然而，如果所述机械加工是如此机械定义的，以使得理论加工位置(激光脉冲在工件表面上的击中位置)以相当高的精准度与实际位置相符，那么步骤804中的各种测定也可以参照先行分段中的理论值来决定。

以这种方式，实现了在从新相对位置对所述新分段21b的加工中，激光脉冲在一个或两个区域维度上尽可能精确地击中工件表面上的网格，从而避免了图4中所示的误差并且获得了图9所示的结果。

另外，也可以在所述新的相对位置中，使用弱或经衰减的激光进行一个或多个不带加工效果的试运转，通过传感器检测其结果(激光脉冲的击中位置)，然后根据所检测的结果对设置参数进行更改或者在使用这些参数加工工件中对其进行设置。

这里笼统指出，可以提供若干传感器19，从而在加工过程期间对瞬时给出的凹陷(中间加工结果)或在以上所述试运行期间在二维或三维空间以高精度对击中位置进行实时测量，并且这些测量值被实时(在工件加工期间)储存在存储装置18a中，以使得它们可被读出。可以使用高清晰度的x、y和z坐标进行测量，从而将目前为止所加工出的凹陷的一个“地图”以这样一个精准度进行存储：以使得所述实际网格为已知或可由其来确定出。

所述传感器19可以这样构成：以使得它们在二维或三维内精确地检测激光脉冲在工件表面上的击中位置。所述传感器19可以是光学传感器，其评估加工用光线、或者类似于照相机拍摄被评估的图像。

步骤802中的设置相对定位可以根据预定义的/编程的参数来进行，而步骤804中的测定和先前的检测可以在工件加工过程中实时进行。

为了尽可能避免分段边界，激光头13和机械轴15、17可同时操作并相对于彼此进行调节。例如在一种简单情况下，平移轴线15可以例如缓慢连续沿一个方向移动工件14，同时通过适当地驱动所述扫描仪和激光来运行激光刀具13。以这种方式，一个大型工件也可以被连续地、无分段边界地、在一个维度内扫描，以致减少分段边界的数量。

然后，这些分段可以是沿整个工件表面或至少其一部分延伸的、直的或弯曲的“加工条”。沿加工条延伸方向没有加工边界。边界仅需认为出现在相邻加工条间，并如上述对它们进行考虑。各种考量和加工可以参照图6和图8中进行描述。当第一和第二工件表面段的第一和第二工件位置被连续地从一个第一和一个第二相对位置进行加工，而在边界区域中激光束从所述一个相对位置以另一个角度，就好比是从所述第二相对位置来作用于工件，在一个所述相对位置中的激光脉冲击中位置可以(也)按照所述角度的差异进行定位、并且相对于其他设置其尤其可能被移动(例如：偏移量)。

尤其，椭圆形击中点可以偏移远离较非椭圆击中点和/或较非椭圆击中点向较椭圆形击中点移动。为此进行的定量测量可以为相邻激光脉冲击中点的重叠度或其距离。以这种方式，使边界区域内的所述重叠或距离均等化(变小)或使其相等。所述击中位置可以被定位成或相比其他测定被移位成，以使得在分段边界处、优选地以及在第二分段的边界区域内，脉冲击中点的重叠量是和第一分段的边界区域内的类似或者与其相等，如果其他条件已经完成设置的话。

椭圆度ov可以表示为所述激光束在工件表面上投射的最大直径与垂直最小直径的比率ov＝dmax/dmin(近似一个椭圆)。同样地，假设激光为一个圆形横截面，它也可以由激光束相对于本地工件表面的入射角通过公式ov＝1/sin(α)计算得出。通常，基本垂直(90°)和它附近的入射角优选“相对小偏差”±30，对应于1和1.15的椭圆率。但是，在工件上立即结构化的或强烈起伏的凹陷或其他结构中，有可能局部——与通过扫描仪产生的激光束的角偏转一起——也发生非常倾斜的入射角(α<45°，α<30°)直到扫描交点，所以可能发生椭圆率ov>1.4或ov>2。

偏移方向可以是较大椭圆形的长轴方向，或者可以是更接近椭圆长轴的网格的方向。

由此可获得这样效果：例如图3c中所示的激光束直径在工件表面上的不同投影尺寸将以非重叠的方式进行排布。对于图3c的情况，在左边分段21a中的椭圆形击中可以例如被向左移，以使得它们不会在边界区域内重叠。

图4和图9展示了与加工轨道相垂直或相交叉的分段边界。然而，相同的考量也适用于与加工轨道相平行的分段边界。轨道间距，轨道方向和边界轨道上的击中位置则将适当地设定为，以使得从所述新的相对位置的加工与早先加工所给出的网格尽可能精确地相匹配。

分段边界可以为直线形，但不是一定必须如此。无论如何，它们都是是理论上的边界。当激光脉冲作用所定义的、可相互区分击中点的网格时，在工作规划和编程和/或实时地在工件的加工过程中可对所述分段边界进行选择或修改，以使得单个击中点可以明确分配给所述的一个或另一个段。

这里笼统指出，本文所描述的这些方法不仅可单独使用，也可以相互结合联合使用。

可对加工材料以多层方式进行烧蚀。一个层是由激光脉冲击中的轨迹而形成。在一条轨迹内，激光脉冲击中点可以是连续的/重叠的，但并不是必须如此，此外相邻轨迹间可以是连续的/重叠的，但也未必一定如此，这样以使得一个层可以准时地或以条形方式或以区域覆盖的方式被烧蚀。当在激光头和工件之间的一个相对位置上、对一个层内的所述烧蚀完全如所期望的或轨道的方式或准时地完成时，可以要么从一个新的相对位置，要么从相同的相对位置，继续进行对下一个层的材料烧蚀。所述这些层可以是平面的，但如上面已经提到过的，不是必须如此。使用z移位器可以依照激光的瞬时偏转(角度定义的或通过x-y定义的)对焦点位置在z方向进行控制，从而可加工非平坦层。

当烧蚀多个层并且每个层采取一种分段的方法时，可以对各个层中的分段边界进行性质不同地选择。例如，它们可以在一个层中为矩形，而在下一层为六角形，在再下一层随机，例如Voronoi维诺图案，在随后一层为三角形，等等。所述这些分段边界可以在所有层中都为随机的，例如伪随机点选择之间的Voronoi维诺线条图形。

这与图2的已知方法不同在于：图2中，不同层上的分段边界仅通过平移而互相错开，以避免在凹陷壁上积聚加工痕迹。而所描述的相邻不同层上采取性质不同的分段边界具有即使在烧蚀期间，加工痕迹也不会聚积的效果，这种加工痕迹会导致不均等的烧蚀性能。

如果在分段边界处不能避免不均等入射角，那么可以采取以下一个或多个补偿策略或补偿步骤，尤其用于较小入射角：

-在所述轨迹开始的时候引入一个偏移量，其优选依照所述角度进行，以使得通过拉开从而避免了不同椭圆度的重叠，

-增加激光功率以保持在较大的椭圆形激光作用区域内、单位面积功率恒定，

-提高轨道方向的扫描速度以拉开激光击中位置以保持单位面积功率输入基本上恒定，

-光束塑形，以使得在边界区域内不同击中点几何形状通过光束整形而得到补偿，尤其通过对光束横截面整形，例如通过散光镜片、椭圆形孔或相似物。

控制单位面积引入功率的另一种可能性是与工件表面相比激光受控散焦，例如图10a和10b所示。图10a展示激光源71发射(脉冲)激光束12。其中，光束通过可调节聚焦装置73(z轴移位器)，其能够迅速地调整所述光学器件的焦距从而调整焦点位置。图10a展示焦点位置在12a处，其距离工件表面上方高度H。77代表使用振动反射镜(振镜)的扫描仪。

对应于反射镜77不同的角位置，激光束12在不同角度α下击中工件表面，从而在工件表面上产生不同的激光束直径投影，正如先前参照图3b和3c所做的说明一样。

相应地，单位面积的功率变化。这可以依照角度通过控制焦点位置使其高于或低于工件表面来进行补偿。

具体地讲，可以这样进行控制：在大致垂直入射处(α＝90°＝π/2)对焦点12a高于或低于工件表面的最大高度hmax进行调整。这补偿了由光学传播所造成的、在这里并未给出的几何失真。在较小入射角α处，几何失真变大。相应地，可以通过将高于或低于工件表面的高度h变小直到在所选择的角度位置上，例如90°到-30°，其变为并保持为零而使光学扩散选取为较小值。以这种方式，几何失真可由光束扩散或光束收缩来大致补偿。

图10b展示了一个相应的特征。焦点12a高于或低于工件11表面的高度h在垂直入射处为最大值，其左和其右分别减少。所述高度hmax以及该特征的其它参数皆被选择为，以使得获得整个角度α范围内的一个最佳总体分布。高度差h可以已经应用于预定的加工程序中，或者可以依照角度或其它控制参数、以叠加的方式、实时地进行设置。

图7展示了一种激光刀具头。它可以是图1的刀具头13。然而，一些部件可以独立于机床中使用的实际刀具头13，例如激光光源71和相应的光学元件72。它们一起可形成一个光源70，所述光源与加工头13独立设置并产生脉冲激光其被引导或照射到加工头13上，因而作为源光提供。

所述加工头13包括用于光束整形的部件和用于光束引导的部件。一般来说，机器头13与控制器18相连。尤其是，机器头13中的致动器可以根据控制器18的指令进行调节。77表示具有交叉振动轴的两个振动反射镜用于引导激光束扫过表面。他们被称呼为“扫描仪”或“振镜”。73表示一个可调的激光聚焦装置，即所谓的z移位器。它决定了光学元件的焦宽度，因此决定了在照射方向上，其可以以简化的方式被看作是z方向，激光束的焦点12a的位置。所述z移位器是一种在控制器控制下能够迅速和实时改变、并且可以例如根据x和y调整焦点位置的快速光学部件。

同样74也是一个具有散光效果的快速可调光学透镜，即在空间中不同的平面内具有不同的焦距，但其仍然引导激光束。所述散光可以在数量和位置上迅速和实时地自动调节，这例如可以通过使用可从相应压电元件或其它致动器接收压力的压力敏感或可变形的光学材料而实现，它还可以通过控制器被控制或诸如此类。这个不同的聚焦装置则在量和取向方面为可控的，并且可以由机床的控制器18进行使用以用于补偿其他量、尤其先前所提到的工件表面上的投影几何形状，如图3b所示。

75象征一个光圈，其具有一个小于激光横截面的开口，所述光圈不是圆形从而将导致激光束部分被遮挡。它在其各向异性也可是可调的，并且受来自控制器18的控制活动。所述光圈73可以是一个模式光圈，即遮挡边缘辐射的光圈。

76是一个可调节衰减装置，其允许快速降低激光功率。它与控制器18相连。

Z-移位装置73实际提供于所有扫描仪和激光头中以用于快速控制焦点位置。一个或多个以上所提到的光学元件、散光镜74、光圈或模式光圈75以及衰减器76可以被另外附加提供。所有元件都连接到控制器18，并且可以被用于均衡尤其由瞬时工件表面上激光横截面的不等几何投影而引起的不平坦。

这个补偿可以(在工件加工过程中)实时进行，并且可以设置成可变。同样这里，早先存储的值或来自传感器19的值可被用作输入量用于所需的测定。可调节性可以足够快，以致它是为一条轨迹内的激光束相应瞬时位置而制定以进行补偿。例如当激光束被沿一条轨道从一个分段的一端引导到该分段的另一端，且入射角由70°变化到90°再到110°时，则激光束横截面投影由椭圆形变为圆形然后再变成椭圆形；相应地，透镜散光可被引导成：以使得变化的椭圆度通过由可调节的散光对激光横截面椭圆度的补偿设置而得以均衡。类似的考量也适用于所提到的光圈或模式光圈和用于所提到的衰减装置。

许多以上所述特征可改写进数控机床或可编程机床的控制器的设计中。就此，适于在机床上控制或执行以上所述方法的机器控制器也是本发明所涉及的一个方面。各种所提到的特征可通过在数控机床或可编程机床的控制器中运行的软件来实现。就此，其上带有计算机可读代码的数据载体也是本发明所涉及的一个方面，所述代码在数控机床上执行期间实现以上所述的方法或机器或上述机器控制器。

所涉典型特定值有：

激光类型：光纤激光或超短脉冲激光

波长：100至2000纳米，尤其300至1100纳米

激光脉冲频率>20千赫，>50千赫，>500千赫，>1兆赫，>2兆赫，>5兆赫

脉冲频率和/或幅度的可调节性：“慢”轨迹式或“快速”脉冲式

分段尺寸>10毫米，>20毫米，>50毫米，>100毫米

工件上分段的数目>10，>50，>100

焦点处激光直径相当于垂直聚焦入射处脉冲击中直径：10微米-100微米

椭圆度ov＝dmax/dmin>1.1，>1.4，>2

层厚度d相当于一个脉冲的烧蚀深度：下限为1微米或2微米，上限为5微米或10微米

激光脉冲功率：下限0.1mJ或0.2mJ或0.5mJ，上限：2mJ或5mJ或10mJ

激光束偏转：高达±30°

激光束相对于本地工件表面的入射角：90°±30°到90°±70°

激光束的轨道速度>500毫米/秒，>1000毫米/秒，>2000毫米/秒，>5000毫米/秒

工件尺寸＞0.1平方米或＞1平方米或＞30厘米或>1米。

Claims (21)

1.一种用于通过从刀具头放射出的脉冲激光束加工工件的方法，其中：在工件和刀具头之间的一个恒定相对位置上，所述脉冲激光束被引导扫过所述工件表面，且其中：所述工件被连续地在第一和另一个第二相对位置上加工，

其特征在于：将在所述第二相对位置上的操作参数控制成，以使得在所述第二相对位置上产生的一个或多个激光脉冲击中位置相对于所述第一相对位置产生的一个或多个激光脉冲击中位置具有一个规定的位置，并位于一个由所述第一相对位置在该工件表面产生的多个激光脉冲击中位置所定义的一维或二维网格中，对所述第二相对位置产生的击中位置的控制还根据所述第一相对位置加工工件期间的测量结果和/或工程量的存储值来进行；

其中所述操作参数包括一个或多个以下参数：

-所述第二相对位置，

-所述脉冲激光束的接通时间，

-光阀的开启时间，

-所述激光束在接通时的偏转，

-所述激光束的脉冲频率，

-所述激光束在工件表面上的轨道速度。

2.根据权利要求1所述的方法，特征在于：在所述第二相对位置的一个或多个机械参数、激光导引将根据激光参数、脉冲时间进行控制。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：在工件和刀具之间的一个恒定相对位置上所述脉冲激光束被引导扫过所述工件表面上的若干加工位置，

其中：连续地，第一工件表面分段的第一工件位置和相邻第二工件表面分段中的第二工件位置被分别从第一相对位置和另一第二相对位置进行加工，其中所述第一工件表面分段和第二工件表面分段是重叠或非重叠的，

其特征在于：根据两个标准对所述第一和第二工件表面分段以及所述第一和第二相对位置进行设置，其中第一标准是优化对应相对位置中的入射角，而

其中第二标准是将入射角设置成，以使得在平行剖面图中、所述激光束在一个相对位置相对所述工件表面所考虑的入射角将相对于所述激光束在另一相对位置相对工件表面的相邻入射角来进行选取，以使得所述所考虑的入射角之间的差异被减小或者低于某个预定的最大值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的在一个相对位置相对所述工件表面所考虑的入射角是在该相对位置处的平均入射角或者是在所述第一工件表面分段和第二工件表面分段的边界区域的工件加工位置处的入射角，或者那些相邻所述另一相对位置的工件加工位置的相应工件加工位置的入射角。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：在第二标准下，在平行剖面中进行考虑，所述差异的量被设定为小于20°。

6.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：首先使用所述第一标准、然后根据所述第二标准对所获得的设置进行修改，或首先使用所述第二标准、然后根据所述第一标准对所获得的结果进行修改。

7.根据前述权利要求1所述的方法，其中：在工件和刀具之间的一个恒定相对位置上所述脉冲激光束被引导扫过所述工件表面上的若干加工位置，

其特征在于：所述工件加工位置和所述第一或第二相对位置被选择为，以使得所述激光束在所述第一或第二相对位置相对于所述工件表面的平均入射角不在90°±3°的范围内。

8.根据前述权利要求1所述的方法，其中：在工件和刀具之间的一个恒定相对位置上所述脉冲激光束被引导扫过所述工件表面上的若干加工位置，

其中，连续地从一个第一相对位置和一个第二相对位置分别对第一个工件表面分段的第一工件加工位置和第二工件表面分段的第二工件加工位置进行加工，其中，所述第一工件表面分段和第二工件表面分段是以重叠或非重叠的方式相邻，其特征在于：所述第一工件表面分段和第二工件表面分段是比该激光头的可用工作窗口小，并且是通过将初始分段分割而确定的，其中，所述分割是根据考虑在该初始分段中、以及还考虑在相邻分段中的激光束相对所述工件表面的入射角而进行的。

9.根据前述权利要求1所述的方法，其中一个脉冲激光束被引导扫过一个工件表面，且该工件可以通过一个或多个可自动控制的控制轴相对于所述刀具头进行调整，

其特征在于：一个或多个所述控制轴和所述来自该刀具头的脉冲激光束被同时操作、共同驱动。

10.根据前述权利要求1所述的方法，其中：在工件和刀具之间的一个恒定相对位置上所述脉冲激光束被引导扫过所述工件表面上的若干加工位置，

其中：连续地从一个第一相对位置和一个第二相对位置分别对第一个工件表面分段的第一工件加工位置和第二工件表面分段的第二工件加工位置进行加工，其中，所述第一工件表面分段和第二工件表面分段是以重叠或非重叠的方式相邻，其中，在所述第一工件表面分段和第二工件表面分段的边界区域内，所述激光束从所述第一相对位置在另一个角度下进行加工，而非让它们从所述第二相对位置进行加工，

其特征在于：在所述第一或第二相对位置上的激光脉冲的击中位置被根据入射角之间差异进行设置。

11.根据前述权利要求1所述的方法，其特征在于：在多轮运行中，材料的多个层被在工件表面相同位置进行烧蚀。

12.根据前述权利要求1所述的方法，其中在工件和刀具之间的一个恒定相对位置上所述脉冲激光束被引导扫过所述工件表面，和其中定义的工件区域被相继从一个第一和另一个第二相对位置加工，并且其中在多轮运行中材料的多个层被烧蚀，

其特征在于：一个层中的所述工件区域的边界被选取为不同于那些在紧挨其上一层或紧挨其下一层中的边界，与其本质上不同或者使得在所述多个层中的一个中的边界不仅仅是移动偏离相对紧挨其上或其下一层中的边界。

13.根据前述权利要求1所述的方法，所述激光束通过所述刀具头内的光学器件和光束引导装置被聚焦和引导，其特征在于：根据所述激光束在该工件表面上的入射角在深度方向上对其焦点位置进行控制。

14.根据权利要求13所述的方法，其中：所述焦点位置和所述工件表面之间的距离随着入射角度接近90°而增加。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：表层结构由单个或一些少量的连续激光脉冲击中点构建。

16.一种用于执行前述权利要求1-15任一项所述方法的设备。

17.一种用于执行上述权利要求1-15任一项所述方法的刀具，其包括：激光源，用于对所述激光束整形的光学器件和用于引导所述激光束的光束引导装置，

其特征在于：所述光学器件包括在辐射路径上的可调光学元件，该元件包括从相互扭曲的平面内观察得到不同的光学特性，但传输激光束。

18.根据权利要求17所述的刀具，其特征在于：所述光学元件的可调性包括调整方向和/或所述的在扭曲平面中的特性差异和/或插入所述光学元件到光束路径上或从光束路径将其去除。

19.根据权利要求17或18所述的刀具，其特征在于：所述元件是一个透镜其在所提到的扭曲平面内具有不同的焦距，或者是一个光圈其在所提到的扭曲平面内具有不同的孔径尺寸。

20.一种用于根据权利要求16所述的设备的控制器。

21.一种其上带有计算机可读代码的数据载体，其在执行中实现权利要求1至15任一项所述的方法、或如权利要求16所述的设备、或如权利要求20所述的控制器。