CN111936260B - 激光束定位系统，激光加工装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制具有至少一个激光器的激光加工装置的方法，包括：借助于至少一个偏转元件来设置激光加工装置的光路，使得通过跟随该光路的激光束所能够产生的路径点在对象上或对象中位于期望的路径上；在第一时间点第一次触发所述激光器，以产生第一激光光斑；借助于至少一个偏转元件连续地调节激光加工装置的光路，使得通过跟随该光路的激光束所能够产生的路径点位于所期望的路径上；在第二时间点第二次触发激光器，以产生第二激光光斑；其中，该方法在第二次触发之前包括以下步骤：基于目标位置和/或该目标位置的一阶或更高阶时间导数和/或所述光路的路径点沿着所述路径的实际位置的一阶或更高阶时间导数，确定第二时间点，使得所述第二激光光斑的位置沿着所述路径相对于所述第一激光光斑的位置具有所期望的间距。本发明还提供一种相应的激光加工装置。

Description

激光束定位系统，激光加工装置和控制方法

技术领域

本发明涉及一种激光束定位系统、一种激光加工装置和一种控制方法。

背景技术

专利文献US8426768B2公开了一种用于在工件上沿着期望的路径控制激光束的系统。可以在所期望的时间点上触发激光器，以便沿着路径以所期望的间距产生激光光斑。激光器的光路在此是通过一可转动的镜子来偏转，以便使激光光斑位于所期望的路径上。在此，可转动的镜子的轴的实际位置是通过测量来确定，由此可以计算出激光器的光路沿着路径的位置。然后将这样确定的光路沿着路径的位置或者相对于之前产生的激光光斑的当前间距与所期望的间距进行比较。如果根据实际位置确定的间距大于或等于所期望的间距，则触发脉冲激光器，以在工件上产生激光光斑。

本发明的发明人已经认识到，上述方法至少对于某些应用是不适合的。例如，在加工行业中需要努力提高脉冲激光器的时钟频率，即，缩短脉冲时间间隔，以缩短工件的总加工时间。

本发明的发明人已经认识到，在上述方法中，为了确定之前产生的激光光斑与光路的当前位置之间的间距，需要进行相对昂贵的、特别是耗时的计算。为此，必须确定以X和Y坐标所代表的镜子的当前轴位置，然后计算沿着工件上的路径的光路的X和Y坐标。随后由此计算沿X和Y方向的偏移。然后针对这些偏移求平方和。最后，将该平方和与所期望间距的平方进行比较。这些计算以及随后的比较加工被执行至沿X和Y方向的当前偏移的平方和已经达到或超过所期望的间距的平方。随后触发激光器以在工件上产生新的激光光斑。

尽管现代处理器可以在相对较短的时间内执行前述的计算和随后的比较，但是本发明的发明人已经认识到，上述方法在脉冲间隔减小例如低于10μs并且可能明显低于10μs时已经达到了其极限。

还应注意的是，在许多应用中，不能简单地以恒定的时钟频率触发激光器。例如，在许多应用中，可能期望沿着路径以恒定的间距产生激光光斑。但是，以恒定的时钟频率触发的激光器通常不会(或不一定)产生等距的激光光斑，这将在后面详细说明。出于这个原因，在许多应用中都需要单独确定(计算)应该触发激光器的时间点。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提供一种用于控制激光加工装置的改进的方法。特别地，根据本发明的方法还应该能够在与现有技术相比可能更高的时钟频率下使用。本发明的目的通过根据本发明技术方案的一种方法、一种计算机程序产品和一种激光束定位系统来实现。

本发明的第一方面涉及一种用于控制具有至少一个激光器的激光加工装置的方法，该方法包括：

借助于至少一个偏转元件、特别是至少一个可转动的镜子来设置激光加工装置的光路，使得可由跟随该光路的激光束产生的路径点在对象上或对象中位于所期望的路径上；

在第一时间点第一次触发激光器，以产生第一激光光斑；

借助于至少一个偏转元件、特别是至少一个可转动的镜子特别是连续地调节激光加工装置的光路，使得可由跟随该光路的激光束产生的路径点位于所期望的路径上；

在第二时间点第二次触发激光器，以产生第二激光光斑；

其中，该方法在第二次触发之前包括以下步骤：

基于目标位置和/或该目标位置的一阶或更高阶时间导数和/或光路的路径点沿着路径的实际位置的一阶或更高阶时间导数，确定第二时间点，使得第二激光光斑的位置沿着路径相对于第一激光光斑的位置具有所期望的间距。

与前述的根据现有技术的方法不同的是，使用目标位置和/或该目标位置的一阶或更高阶时间导数(目标速度、目标加速度等)和/或光路的路径点沿着路径的实际位置的一阶或更高阶时间导数(实际速度、实际加速度等)来确定第二次触发时间点。特别地，目标位置和/或其时间导数可以是预先已知的或者预先确定的，因此第二次触发时间点也可以被预先确定；即，对第二次触发时间点的确定可以在该装置的光路的路径点到达应产生激光光斑的位置之前开始/执行。因此，与根据前述现有技术的方法相比，可以更精确地产生第二激光光斑(并因此提高工件的加工质量)，和/或可以提高激光器的时钟频率。由于在根据现有技术的方法中是基于所测量的实际位置值进行计算，因此在高光斑速度或短脉冲间隔的情况下，激光光斑在处理这些实际值期间已经进一步移动，因此光路的实际路径点在触发激光器的时间点上不再是位于所期望的位置。该问题可以根据本发明被减小或消除。

根据本发明的对第二时间点的确定甚至还可以在光路的第一次调节之前进行。

尽管如此，本发明的第一方面也提出，实际值可以被考虑用于确定第二次触发时间点。然而，在此不是如现有技术中那样使用光路的路径点的实际位置，而是使用光路的路径点沿着路径的实际位置的一阶或更高阶时间导数。特别是在使用实际位置的第一时间导数、即实际速度时，相比于由现有技术已知的方法，能够大大简化计算工作量，从而在此也可以迅速确定第二次触发时间点。与使用目标位置或目标位置的时间导数一样，提高时钟频率和/或更精确地定位激光光斑也能够得到类似的优点。

使用目标位置的一阶或更高阶时间导数，特别是使用目标速度，结合了使用目标值(可以预先进行计算)和速度值(简化了确定第二(触发)时间点所需的计算)的优点。

在一种优选的实施方式中，第二时间点是这样的时间点：在该时间点时，光路的路径点已经达到或超过沿着路径相对于第一激光光斑的位置所期望的最小间距。

由此，可以有利地设定激光光斑应该遵守的最小间距。

在一种优选的实施方式中，该方法包括至少一次第三次触发激光器，并确保由激光束输出到对象上的能量在路径的每个长度上基本上对应于所期望的分布。

亦即，在触发激光器时，可以有利地考虑到待输出的能量在每个长度上的期望分布，这在许多制造过程中是很重要的。

在一种优选的实施方式中，所期望的分布被设定为，使得在路径的每个长度上的能量基本上是恒定的。

由此可以例如实现均匀的加工。

然而，所期望的分布还可以被设定为，路径的每个长度上的能量在路径的曲线要小于在路径的基本上为直的路段上。

在各种不同的应用中可能都期望这样的能量分布，例如考虑到下述情况：即，在激光光斑的间距恒定并且每个激光光斑的能量恒定的情况下，由激光光斑施加到工件上的能量在曲线上要比在路径的相对笔直的部分上集中在工件的更小面积上。相应地，路径的每个长度上的能量可以被调整。

在一种优选的实施方式中，改变连续的激光光斑的间距，以使路径的每个长度上的能量基本上对应于所期望的分布。

例如，通过增大间距，可以减小路径的每个长度上的能量。

替代地或附加地，可以针对不同的激光光斑改变由激光束输出到对象上来产生激光光斑的能量，以使路径的每个长度上的能量基本上对应于所期望的分布。

例如，通过使每个激光光斑具有更低的能量，可以降低路径的每个长度上的能量。

在一种优选的实施方式中，激光光斑具有伸展，并且预先设定所期望的分布，使得连续的激光光斑仅重叠至预先给定的最大程度，优选地基本上不重叠。

这在曲线中可能是特别有利的。假设激光光斑具有恒定的直径D，并且激光光斑的中心具有也与D相对应的间距。在这种情况下，在直的路径部分上，激光光斑是彼此尽可能靠近而不重叠。如果这也适用于曲线部分，即，激光光斑应彼此尽可能靠近而不重叠，则激光光斑的中心的间距必然会沿着路径在该曲线部分中增大。否则，激光光斑的边缘区域将由于路径的弯曲而重叠。根据本发明，这可以在激光光斑间隔开时加以考虑。

在一种优选的实施方式中，第二时间点是基于目标位置或实际位置的一阶或更高阶时间导数而被如下地确定：

重复以下步骤：

a)在一个时间间隔上对目标位置或实际位置的一阶或更高阶时间导数进行积分，以确定沿着路径的第一间距；和

b)将该第一间距与沿着路径所期望的最小间距进行比较，

直至第一间距与所期望的最小间距相符或者已经超过沿着路径所期望的最小间距；并且

基本上由时间间隔之和来确定第二时间点。

相对于前述的根据现有技术的方法，通过这种实施方式可以简化对第二时间点的确定。在现有技术中是需要将X坐标和Y坐标的平方相加，而根据本发明则可以对一阶或更高阶时间导数进行积分，比现有技术相比，这通常代表了更少的计算耗费。

在这种实施方式中，长时间地重复进行该积分和比较的步骤，直至所计算出的沿着路径的间距对应于所期望的最小间距。该最小间距可以说是激光光斑在理想情况下的间距。然而，根据所选择的用于积分的时间间隔的大小，更有可能的是，由迭代积分和比较所产生的第一间距将略大于所期望的最小间距。相应地，第一激光光斑与第二激光光斑之间的间距将(略微地)大于所期望的最小间距。但是通过适当短的用于积分的时间间隔，可以使该偏差保持得非常小，从而使得略微增大的间距不会对总体结果产生负面影响。

尽管如此，在确定触发时间点时所产生的偏差也可以在确定下一个触发时间点时加以考虑。这意味着，在确定下一个时间点时，积分不再是从零开始，而是从与确定前一时间点的偏差相对应的值开始。通过这种方式，可以使平均偏差，亦即所确定的间距超过所期望的最小间距的量，保持很小。

作为替代方案，可以根据第二时间点的确定来确定第二时间点之后的其它时间点，而无需考虑在确定先前的时间点时超过所期望的最小间距的程度。

由此可以将计算耗费保持得特别低。特别是在不需要极度精确时，即，不需要使激光光斑的实际间距与所期望的最小间距实现最大可能精确地匹配，并且要优先考虑使计算耗费最小化时，可以选择该变型。

在一种优选的实施方式中，第二时间点是基于目标位置被如下地确定：

对于给定的时间点，确定配属于该给定时间点的目标位置是否与沿着路径的间距相对应，该沿着路径的间距对应于所期望的最小间距或者已经超过沿着路径所期望的最小间距；

如果是，则使用该给定的时间点作为第二时间点；

如果否，则为该给定的时间点增加一个时间间隔；并

重复前面的步骤。

尽管根据这种实施方式在确定第二次触发时间点时使用了位置值，但是由于该方法是基于目标值而不是基于所测量的实际值，因此这种实施方式仍具有上述现有技术的优点。因此可以预先确定第二次触发时间点，亦即，仍然是(明显)在转动镜的轴处于对应于目标位置的位置的时间点之前。在现有技术中，只有当转动镜的轴已经处于这样的位置时，才能确定第二次触发时间点。

本发明的第二方面涉及一种具有程序代码的计算机程序产品，该程序代码存储在能由计算机读取的介质上，该计算机程序产品用于执行上述方法之一。

这可以例如在对现有的激光束定位系统进行改造时使用。

本发明的第三方面涉及一种激光束定位系统，其被设计为执行上述方法之一。

在此要考虑到实际的激光器可能是激光束定位系统的一部分，但是本发明还扩展到本身没有激光器的激光束定位系统。这样的激光束定位系统可以被制造为基本上独立的系统，也就是没有激光器。所要控制的激光器可以单独提供。这样的激光束定位系统将具有合适的装置，以便在适当的时间点触发与激光束定位系统一起使用的激光器。

本发明的第四方面涉及一种用于控制激光加工装置的激光束定位系统，该激光束定位系统具有：

至少一个偏转元件，特别是至少一个可转动的镜子，

用于设置或者调节、特别是用于连续地调节至少一个偏转元件、特别是至少一个可转动的镜子的装置，以便设置或调节激光束定位系统的光路，使得可由跟随该光路的激光束产生的路径点在对象上或对象中位于所期望的路径上；

用于在第一和第二时间点触发与激光束定位系统一起使用的激光器的装置，以产生第一和第二激光光斑；以及

用于基于目标位置和/或目标位置的一阶或更高阶时间导数和/或光路的路径点沿着路径的实际位置的一阶或更高阶时间导数来确定第二时间点的装置，使得第二激光光斑的位置沿着路径相对于第一激光光斑的位置具有所期望的间距。

本发明的第五方面涉及一种激光加工装置，该激光加工装置具有激光器和上述激光束定位系统之一。

根据本发明的一个方面的优选实施方式所阐述的特征和优点相应地也适用于本发明的其它方面。

附图说明

其它的优点和特征由实施例给出。为此局部示意性示出了：

图1为根据本发明的实施例的激光加工装置；

图2为根据图1的激光加工装置的简化视图或变型；

图3为根据本发明一实施例的触发时间点的计算；

图4为根据本发明一实施例的速度曲线；

图5为根据本发明一实施例的位置分布；

图6为根据本发明一实施例的具有激光光斑的路径；

图7为根据本发明一实施例的具有激光光斑的路径；以及

图8为根据本发明一实施例的方法流程。

具体实施方式

在图1中示出的激光加工装置10具有脉冲激光器2。该激光器可以在被触发时产生激光束3。根据实施情况，激光束可以如实施例中所示的那样被可选地引导通过扩束器15，该扩束器使激光束3扩束。在所示的实施例中，激光束接下来被引导通过聚焦装置4b，该聚焦装置可以对激光束3聚焦。该聚焦装置也是可选的。在图1中，聚焦装置4b被示出为透镜，但是它也可以例如由多个透镜构成。必要时，聚焦装置4b的透镜可以沿着激光束的轴线移动，如双箭头所示。通过这种方式可以选择或者改变激光束的焦点的位置。

然后，激光束3入射在可转动的镜子4a上，该镜子使激光束3偏转。在被可转动的镜子4a偏转之后，激光束3入射在另一个可转动的偏转镜4上，该偏转镜使激光束沿对象6的方向偏转。

可转动的镜子4、4a是激光束定位系统1的一部分，如从现有技术已知的，该激光束定位系统特别还包括物镜30。在所示实施例中，偏转镜4、4a被布置为，它们能够绕围成90°角的轴线转动。也可以考虑其它角度，但是选择90°角可以简化根据镜子的轴位置计算焦点位置。可转动的偏转镜4、4a可以例如通过检流计驱动器转动。

通过镜子4、4a偏转的激光束接下来入射在对象6上。在图1中，激光束3的通过镜子4、4a偏转的部分用附图标记5表示。

在图1中，激光束的偏转部分5形成焦点8。激光束5是通过聚焦装置4b聚焦到该点上。如图1所示，该焦点可以如图所示地位于对象6的表面上，即位于对象6上。然而，激光束5也可以通过聚焦装置4b来聚焦，以使焦点位于对象6中。后者可以例如应用在这样的对象6中：该对象对于可可以由激光器2产生的电磁辐射来说是至少部分可穿透的。

当触发激光器2时，激光器2或者说激光束3、5会在焦点8的位置处产生激光光斑。如果激光器2被多次连续触发，则在对象6中或之上会产生一系列激光光斑。为简化起见，下面也将附图标记8用于一个或多个激光光斑。

通过偏转镜4、4a和聚焦装置4b(如果存在)，限定激光器2的光路。尽管在附图中未示出，但是在下文中使用附图标记40来表示光路。光路40就是这样的一条线：如果激光器2被触发，则从激光器2开始的激光束3、5将沿着这条线传播。亦即，光路在激光器2不被触发的时候也是被限定的。同样地，如果不存在激光器2，也可以将光路40视为限定的，因为光路特别是通过偏转镜4、4a和必要时还有聚焦装置4b来确定。

如果调节了镜子4、4a以及可能的聚焦装置4b，则光路40改变并因此使得焦点8的位置改变。因此，光路40或者焦点8描述了一至少部分地、特别是完全地位于对象6之中或之上的路径。沿着该路径存在各个路径点，下面将对这些路径点进行说明，并且这些路径点也使用附图标记8来表示。

在所示出的实施例中，激光束定位系统1具有控制器20。通过这些控制器，可以特别是控制偏转镜4或4a以及聚焦装置4b，和/或确定它们的(轴)位置。如图1所示，控制器20可以被连接到激光器2，特别是可以连接到激光器2。通过这种方式，可以在适当的时间点触发激光器2。

本发明不限于在图1中示出的实施方式。特别地，可以将用于镜子4、4a、聚焦装置4b和激光器2的整个控制器20集成到镜子4、4a所在的壳体中，或者如图1所示地，使镜子4、4a、聚焦装置4b和激光器2的控制器20至少部分地位于该壳体的外部。

不管实际情况如何，镜子4、4a和控制器20，可能还有其它的光学元件，均可以被视为激光束定位系统。再次强调的是，激光器2不是或至少不一定是该系统的一部分。激光束定位系统1是可以单独提供的，以与激光器2一起使用。激光束定位系统1和激光器2的组合可以被视为激光加工装置10。

在根据图1中所示布置的一种变型中，激光束定位系统可能仅具有偏转镜4、4a之一，该偏转镜仅能围绕一个轴转动。在这种情况下，光路将具有较小的自由度。

如图1所示，对象6可以被可选地定位在特别是可移动的工作台9上，由此对象6可以例如沿着一个或多个在图1中以箭头X、Y(可能还有Z)表示的方向运动。合适的可移动的工作台等是本领域技术人员已知的。

在另一种变型中，可以使用其他的偏转元件来替代偏转镜4、4a。为此，特别是考虑光波导或棱镜。也可以将不同类型的偏转元件彼此组合，例如具有光波导的镜子。然而，必须有至少一个偏转元件关于其位置、方向或形状(特别在光导体的情况下)是可调节/可改变的，以便能够相应地调节激光加工装置的光路。

图2可以看作是图1的变型或图1的简化图。在图2中再次示出了脉冲激光器2，从该脉冲激光器可以发出激光束，该激光束可以通过偏转元件4(例如镜子)朝对象6的方向偏转。镜子是激光束定位系统1的一部分，该激光束定位系统还包括控制器20。该控制器可以通过合适的控制线路21来触发激光器。

偏转镜4在此代表一个或多个偏转元件。

通过偏转镜4偏转的激光束再次用附图标记5表示。在激光束5入射到对象6上的位置处产生激光光斑8。通过对偏转镜4的适当控制来调节激光加工装置10的光路，以使其在对象6上绘出一路径7。

如图2所示，通过连续地调节至少一个偏转镜4，产生连续的路径7。然而，由于激光器2仅在特定的时间点上被触发，因此这样产生的激光光斑形成一系列间隔开的点，但是这些点实际上具有一定的伸展。由于这种伸展，根据实施情况，很可能会出现激光光斑重叠。

现在对如何确定触发激光器2的时间点加以说明。在本文中，如果涉及到激光光斑的位置或两个相邻激光光斑之间的间距，则优选指的是激光光斑的中心。

现在阐释本发明的三个实施例。在所有这些实施例中，均假设将偏转元件4设置或调节为，由跟随光路40的激光束3、5所产生的路径点8在对象6之上或之中位于所期望的路径7上。

实施例1：目标速度

控制偏转镜4，以使光路描述所期望的路径7。特别是在将无跟踪误差的位置调节器用于偏转镜4时，可以通过控制偏转镜4来确定光路在所期望的路径7上在不同的时间点所占据的位置。亦即，在此不是偏转镜4或者光路40沿着期望路径的(测量到的)实际位置。相反，可以从控制器确定光路在期望路径上的目标位置，特别是在操控偏转镜4的位置调节器之前。也可以由此以已知的方式确定沿着路径的目标速度V_soll。该目标速度可以用标量来表示，因为运动方向已经通过设定期望路径而预先给出。

根据该实施例的方法提出，以较小的时间间隔对目标速度进行积分。例如，积分步长可以是10ns。在任何情况下，都希望积分时间间隔明显短于触发脉冲的预期的时间间隔。

沿着路径对目标速度的积分如图3所示。在水平轴上绘出了自上次触发时间点开始的时间。在竖直轴上绘出了沿着路径的位置或沿着路径与前面的激光光斑的间距。

根据应用，将预先给出沿着路径在两个将要产生的连续的激光光斑之间的所期望的(按照路段的)间距。该间距用A表示。现在关于第一时间间隔t1(特别是在数值上)对沿着路径的目标速度进行积分，以便确定第一间距A1。将该间距A1与期望的间距A进行比较。如果间距A1尚未达到期望的间距A，则继续进行或重复该方法，即，在第二时间间隔t2内继续对沿着路径的目标速度进行积分，并将结果再次与期望的间距A进行比较。在此，时间积分间隔t1至tn可以全部相同，或者也可以是不同的大小。继续进行积分，直至通过积分所确定的沿着路径的间距已经达到或者超过期望的间距A。在图3中，在积分间隔t7之后就是这种情况。

在许多情况下，通过积分确定的沿着路径的距离不会精确地达到所期望的间距A，而是根据所选择的积分间隔会略微超过。一旦通过积分确定的沿着路径的距离达到或超过期望的间距A(A7)，就可以通过对积分中所使用的时间间隔t1至t7的求和来确定用于触发激光器2的时间点，或者确定在激光器2的第一次触发与激光器2的随后的第二次触发之间的时间间隔。由第一和第二次触发所产生的两个激光光斑将分别具有期望的间距A或间距A'(图3中的A7)，该间距会(略微)超过期望的间距A一距离差dA。

当继续进行该方法以确定用于第三个激光光斑的触发时间点时，可以考虑该距离差dA。因此，积分或求和可以从不同于零的初始值开始，在此，该初始值对应于该间距差dA。这样做的结果是，相比于仅基于对沿着路径的目标速度关于积分时间间隔进行积分的情况相比，能够更快地达到期望的间距A。这又意味着，直至激光器2的第三触发时间点的时间间隔并因此也使得沿着路径在第二与第三激光光斑之间的(按照路段的)间距都稍微地减小。特别地，第二与第三激光光斑之间的按照路段的间距在某些情况下可以(稍微)小于期望的间距A。可以预期的是，这些间距与期望间距A的偏差被平均地补偿，以使平均间距近似对应于期望间距。

该方法可以相应地仅需进行用于其它的触发时间点或激光光斑。

根据该实施例，如果两个连续的激光光斑之间的沿着路径的期望间距不是恒定的，则可以相应地调整该方法。

实施例2：实际速度

根据第二实施例的方法与根据第一实施例的方法非常相似。主要区别在于积分不是基于目标速度，而是基于实际速度V_Ist。沿着路径的实际速度可以通过测量偏转镜4的当前轴位置来确定。

变型：高阶时间导数

作为实施例1和2的变型，在积分时，替代于沿着路径的目标速度或实际速度地，也可以使用沿着路径的目标位置或实际位置的更高阶时间导数。相应地，在这种情况下必须多次进行积分，以便使积分的结果对应于沿着路径的路段。

实施例3：目标位置

第三实施例与第一实施例的相似之处在于，再次使用了由偏转元件4的控制器给出的目标值而不是(所测量的)实际值。然而，在第三实施例中，使用的不是目标速度，而是目标位置。在这种情况下不再需要积分。取而代之的是，在足够小的时间间隔之后(该时间间隔优选地明显小于预期的时间脉冲间隔)，检查：沿着路径的目标位置是否对应于沿着路径(相对于先前的激光光斑)的间距，该间距对应于激光光斑的期望间距或者已超过沿着路径的期望间距。一旦是这种情况，则可以由此确定所要使用的触发时间点。否则，添加一时间间隔并再次进行比较。

与在第一和第二实施例中一样，在第三实施例中也可以考虑到超过两个激光光斑之间的期望间距的程度，即，继而可以确定间距差dA。这又导致以下结果：在确定随后的触发时间点时，相比于仅基于沿着路径的目标位置的情况，更快地达到期望的间距A。由此，连续的激光光斑之间的实际间距又能够平均地与这些激光光斑之间的期望间距相匹配。

变型

在上述实施例的第一种变型中，可以确定连续的触发时间点，而无需考虑先前的激光光斑已经超过期望间距的程度。这可以简化计算工作，因为在确定随后的触发时间点时不必考虑计算先前的触发时间点的“进位

”。该计算可以说是每次都是从“零”开始。但是在此可以预期的是，所确定的激光光斑之间的间距将(略微)大于它们之间的期望间距。

根据第一和第二实施例的第二种变型，用于积分的目标速度值或实际速度值被内插，特别是被线性内插。在此，两个这样的内插时间点之间的时间间隔可以明显大于积分间隔之一的持续时间。例如，在其间发生内插的时间点可以通过激光束定位系统的控制卡的时钟频率来预先给定。在一个实施例中，该时钟频率可以例如是几微秒，例如10μs，而积分间隔可以是例如几纳秒，例如5至20ns。因此，可以以相对简单的方式针对每个积分时间间隔近似地计算速度值。发明人已经认识到，这种内插通常比例如对于每个积分间隔的速度的分析确定所需要的计算能力要小得多。至少通过适当地选择在其间进行内插的时间点，该内插方法可以为大多数应用提供完全足够准确的结果。

进一步的解释/实施例

在许多应用中，希望的是产生数百个激光光斑，可能是数千个或更多的激光光斑。在此，可能希望连续的激光光斑之间的间距具有期望分布，例如间距基本上是恒定的。前面已经提到过，以恒定的时钟频率触发的激光器通常不会(或者不一定)产生等距的激光光斑。为此，必须特别是考虑到光路沿着路径的速度。参照图4和图5对此进行说明。

图4示例性示出了光路沿着路径的(任意单位的)速度曲线(光斑速度)。首先，光斑速度是恒定的(直至时间点0.5)并且随后减小到零(时间点0.9)。然后光斑速度再次上升。在其达到最大值之后(时间点1.5)，其保持恒定。例如，如果期望的路径具有逼仄的曲线或拐角，则可以使用这种速度曲线。由于动态限制(最大速度，最大加速度，最大摇晃)，这种制动和再次加速可能是必要的。

如图5所示，本发明的实施例在确定触发时间点时考虑了光斑速度的曲线。在该示例中(速度曲线如图4所示，期望沿着路径的等距间距)，两个触发时间点之间的时间间距适应于变化的光斑速度。虽然在初始阶段(恒定的速度直至时间点0.5)中两个触发时间点之间的时间间隔保持不变，但是此后的时间间隔变长(最长在时间点0.9附近)。随后它们再次变短并且自时间点1.5起保持不变。尽管光斑速度有明显的变化，但是通过在根据本发明所确定的时间点上触发激光器，可以获得沿着路径具有等距间距的激光光斑。

然而在其它的实施例中，也可能期望：路径的每个长度上的能量输入对应于期望的分布，例如保持恒定。根据本发明的实施例，路径的每个长度上的能量输入可以通过适当地选择连续的激光光斑之间的间距或者通过适当地选择每个激光光斑的能量(脉冲能量)来改变。还可以改变连续的激光光斑之间的间距和每个激光光斑的能量，以便影响路径的每个长度上的能量输入。

在选择连续的激光光斑之间的间距和/或选择每个激光光斑的能量时，必要时还可以考虑，激光光斑的形状根据在加工区域中的位置而变化。

在图6中示出了三个连续的激光光斑。这些激光光斑代表了一系列明显多于三个的激光光斑。这些激光光斑的中心用附图标记Z1、Z2和Z3表示。三个激光光斑中的每一个均具有一定的伸展，该伸展用圆来表示。

激光光斑1与2之间沿着路径7的间距用A12来表示，而激光光斑2与3之间沿着路径的间距用A23表示。路径7是弯曲的，在图6中的曲率是被强烈放大的。在沿着路径的间距保持不变时，即A12＝A23，中心Z2和Z3彼此沿直线G(即不沿着路径)比中心Z1和Z2彼此更接近。虽然激光光斑1和2不重叠，但是由于路径的弯曲，激光光斑2和3部分重叠。这在某些应用中是不期望的。根据本发明的一个实施例，这一点可以在确定激光器2的连续的触发时间点时被考虑到，即，激光光斑2和3的、也就是曲线上的期望间距A(图3)被选择为，比在激光光斑1和2之间的、也就是在路径的基本上为直的部分上要大。这在图7中示出，其中沿着路径的间距A23大于沿着路径的间距A12。特别是可以将间距A23选择为，激光光斑在弯曲路径的外轮廓或内轮廓上彼此具有期望的间距。

替代地，在某些情况下可以相应地调整激光光斑的伸展，即，在曲线上小于在基本上为直的路段上，或者可以相应地调整每个激光光斑的能量(脉冲能量)，以便使得尽管激光光斑重叠，但是路径的每个长度上的能量输入仍然对应于期望的分布，例如保持恒定。

发明人提出以下述内容作为实施例的具体实现。根据所使用的系统的目标路径和动态限制(最大速度，最大加速度，最大摇晃)，以离散步长(例如10μs)预先计算所有轴的可行驶的轨迹。输出可以针对轴而进行时间的移位，以补偿运行时间差异等。对于所有的轴均使用无跟踪误差的位置调节器，从而可以忽略目标路径与实际路径之间的偏差。以相同的时钟(在该实施例中为10μs)计算焦点速度(或光斑速度或光路沿着路径的速度)。如果需要，可以每10μs改变一次激光功率和点间距(激光光斑的间距)。激光功率可以根据速度、激光频率、位置、入射角、路径曲率等来预先计算。替代地，这些值也可以作为修正值一起被计入到“虚拟速度”中。在“虚拟速度”中同样也可以考虑到最小的激光频率。

为了产生激光触发信号，速度信号在10μs的间隔内被线性内插和积分，例如以几ns的时钟进行求和。当超过了期望的点间距时，触发所限定的脉冲，并使计数器读数减小该点间距。

对根据本发明的方法流程的概括性描述

图8总结了根据本发明实施例的方法流程。在该方法流程的开始100之后，设置前述的光路(步骤110)。所期望的光路的起始状态也可以在该方法开始时就已经存在。

在下一步骤120中，在第一时间点触发激光器2，以便在路径7上产生第一激光光斑。

在下一步骤130中，调节光路。在此应该注意，在许多实施方式中，初始的设置(110)和后续的调节(130)可以看作是一个连续过程。

在另一步骤140中，确定应第二次触发激光器2的第二时间点。

在下一步骤150中，在先前确定的第二时间点触发激光器2，以便在路径7上产生第二激光光斑。

在另一步骤160中，询问是否要产生另外的激光光斑。如果是，则从步骤130起重复该方法流程。如果否，则该方法流程结束(步骤170)。

尽管在图8中示出了步骤130之后的步骤140，但应注意的是，至少在在确定第二次触发时间点(和另外的触发时间点)而使用目标值时，例如目标速度，步骤140可能已经在步骤130之前发生，某些情况下也可能已经在步骤120或110之前发生。

可能的应用领域

本发明可用于激光材料加工。这可以包括例如以下过程中的一个或多个：标记、贴标签(Beschriften)、磨蚀和/或结构化加工、切割、钻孔、增材制造和焊接。

本发明特别是使用在激光器具有100kHz或更高、特别是几百kHz或MHz范围内的时钟频率的情况下。

激光束在对象/工件上的典型速度为例如约0.5至约10m/s，但也可以(明显)更大。

此外还应指出的是，这些示例性的实施方式仅仅是举例，其不应对保护范围、应用和结构形成任何限制。相反，通过前面的描述能够赋予本领域技术人员实现对至少一个示例性实施方式进行转换的教导，其中，在不脱离本发明保护范围的情况下，可以实现特别是关于所述部件的功能和布置的各种变化，例如可以根据本发明技术方案和等效的特征组合获得。

附图标记列表

1 激光束定位系统

2 激光器

3 激光束

4，4a，4b 偏转元件，例如镜

5 激光束

6 对象

7 路径

8 路径点/焦点/激光光斑

9 工作台

10 激光加工装置

15 扩束器

20 控制器

30 物镜

40 光路(3和5)

t1至t7 时间间隔

A1至A7 位置/距先前的激光光斑的间距

100至170 方法步骤

Z1至Z3 激光光斑的中心

A12，A23 沿着路径的间距

G 直线。

Claims (21)

1.一种用于控制具有至少一个激光器的激光加工装置的方法，该方法包括：

借助于至少一个偏转元件来设置激光加工装置的光路，使得通过跟随该光路的激光束所能够产生的路径点在对象上或对象中位于期望的路径上；

在第一时间点第一次触发所述激光器，以产生第一激光光斑；

借助于至少一个偏转元件，调节所述激光加工装置的光路，使得通过跟随该光路的激光束所能够产生的路径点位于所期望的路径上；

在第二时间点第二次触发所述激光器，以产生第二激光光斑；

其中，该方法在所述第二次触发之前包括以下步骤：

基于目标位置和/或该目标位置的一阶或更高阶时间导数和/或所述光路的路径点沿着所述路径的实际位置的一阶或更高阶时间导数，确定第二时间点，使得所述第二激光光斑的位置沿着所述路径相对于所述第一激光光斑的位置具有所期望的间距。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个偏转元件是至少一个可转动的镜子。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于至少一个偏转元件调节所述激光加工装置的光路是借助于至少一个偏转元件连续地调节所述激光加工装置的光路。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二时间点是这样的时间点：在该时间点上，所述光路的路径点已经达到或超过沿着所述路径相对于所述第一激光光斑的位置所期望的最小间距。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

a)至少一次第三次触发所述激光器；并

b)确保由激光束输出到所述对象上的能量在所述路径的每个长度上对应于所期望的分布。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，预先设定所期望的分布，使得在所述路径的每个长度上的能量是恒定的。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，预先设定所期望的分布，以使所述路径的每个长度上的能量在所述路径的曲线上小于在所述路径的直的路段上。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，改变连续的激光光斑的间距，以使所述路径的每个长度上的能量对应于所期望的分布。

9.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，针对不同的激光光斑，改变由所述激光束输出到所述对象上以产生激光光斑的能量，以使所述路径的每个长度上的能量对应于所期望的分布。

10.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光光斑具有伸展，并且预先设定所期望的分布，以使连续的激光光斑仅重叠至预先给定的最大程度。

11.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光光斑具有伸展，并且预先设定所期望的分布，以使连续的激光光斑不重叠。

12.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述目标位置或所述实际位置的一阶或更高阶时间导数，如下地确定所述第二时间点：

重复以下步骤：

a)在一个时间间隔上，对所述目标位置或所述实际位置的一阶或更高阶时间导数进行积分，以确定沿着所述路径的第一间距；并且

b)将该第一间距与沿着所述路径所期望的最小间距进行比较，

直至所述第一间距与所期望的最小间距相符或者已经超过沿着所述路径所期望的最小间距；并且

根据时间间隔之和来确定所述第二时间点。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，根据所述第二时间点的确定，来确定在所述第二时间点之后的时间点，但是要附加地考虑在确定先前的时间点时超过所期望的最小间距的程度。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，根据所述第二时间点的确定，来确定在所述第二时间点之后的时间点，而无需考虑在确定先前的时间点时超过所期望的最小间距的程度。

15.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述目标位置如下地确定所述第二时间点：

对于给定的时间点，确定配属于该给定时间点的目标位置是否对应于一沿着所述路径的间距，该沿着所述路径的间距对应于所期望的最小间距或者已经超过沿着路径所期望的最小间距；

如果是，则使用该给定的时间点作为第二时间点；

如果否，则为该给定的时间点增加一个时间间隔；并

重复前面的步骤。

16.一种计算机程序产品，具有程序代码，该程序代码存储在能由计算机读取的介质上，所述计算机程序产品用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

17.一种激光束定位系统，其被设计用于执行根据权利要求1至15中任一项所述的方法。

18.一种用于控制激光加工装置的激光束定位系统，该系统具有：

至少一个偏转元件，

用于设置或调节至少一个所述偏转元件的装置，以便设置或调节所述激光束定位系统的光路，使得通过跟随该光路的激光束所能够产生的路径点在对象上或对象中位于所期望的路径上；

用于在第一时间点和第二时间点触发与所述激光束定位系统一起使用的激光器的装置，以便产生第一激光光斑和第二激光光斑；以及

用于基于目标位置和/或该目标位置的一阶或更高阶时间导数和/或所述光路的路径点沿着所述路径的实际位置的一阶或更高阶时间导数来确定所述第二时间点的装置，使得所述第二激光光斑的位置沿着路径相对于所述第一激光光斑的位置具有所期望的间距。

19.根据权利要求18所述的激光束定位系统，其特征在于，所述至少一个偏转元件是至少一个可转动的镜子。

20.根据权利要求18或19所述的激光束定位系统，其特征在于，调节至少一个所述偏转元件是连续地调节至少一个所述偏转元件。

21.一种激光加工装置，具有：

根据权利要求18至20中任一项所述的激光束定位系统；以及

激光器。

Images