CN118124020A - 切削机构及切削系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切削机构及切削系统，切削机构包括刀具、驱动部以及激光组件。刀具包括用于切削工件的刃口以及变焦曲面，且刀具的材料为透光材料。刀具连接于驱动部，驱动部配置为能够驱动刀具沿第一方向平移。激光组件配置为能够向变焦曲面发射激光。激光包括射入变焦曲面之前的入射段，入射段与第一方向交叉并射入变焦曲面，以使刀具沿第一方向平移时入射段在变焦曲面上的入射点的位置变化。变焦曲面能够使由不同入射点的位置的激光的焦点聚焦于刃口的切削点，并最终对焦于工件被切削位置，从而改变工件被切削位置处的材料性质，以便于降低切削力而提高材料去除率，减小加工损伤，从而提高具有该切削机构的切削系统化的加工质量。

Description

切削机构及切削系统

技术领域

本发明涉及光学零件制造设备领域，特别涉及一种切削机构及切削系统。

背景技术

光学零件的制造主要分为两类，以零件最终的成型结构来分。为平面(回转对称零件)。和自由曲面(非回转对称零件)。以零件的可加工性分，共两类。为塑性易加工材料和硬脆性难加工材料。对于塑性易加工的(平面和自由曲面)、以及脆性难加工平面零件。现在都有相关的加工方法能够实现。但对于脆性的自由曲面零件，目前还没有较好的加工方法在保证加工效率、形貌精度、表面质量和亚表面质量的情况下实施加工。简言之。现有的加工方法要不然做不出来，或做出来质量差无法使用。

平面零件结构简单，采用普通的加工方法即可得到满足要求的表面形貌和表面精度。非回转对称零件，主要指零件包含自由曲面。或零件包含微槽，微透镜、微棱镜、微反射镜阵列。由于自由曲面零件形状不规则，尺寸较小，无法通过普通的加工工艺制造，更遑论加工过程中保证其形貌精度和表面质量精度的问题了。

自由曲面和微阵列的传统加工方法主要有以下几种：磨削抛光工艺、增材成型工艺、铣削工艺、特种加工工艺(电子束、离子束)、光刻工艺以及快速、慢速刀具伺服工艺。以加工后的产品质量(形貌精度和表面质量精度)高低来排序，光刻工艺在微尺寸加工上精度最高，效果最好的。但是该加工工艺门槛高，装置设备复杂，成本高昂。磨削抛光工艺、增材成型工艺、铣削工艺、特种加工工艺(电子束、离子束)工艺门槛一般，装置设备一般，成本一般但是产品质量较低。而快速刀具伺服工艺能够在保证生产周期和生产成本较低的情况下，同时保证形貌精度、表面质量和亚表面质量。

对于传统的快速刀具伺服系统，如果被加工件材料特性好、成型性、切削性好，即传统意义上的材料较软适合切削。则该加工件加工完成后的自由曲面或是微阵列系统的产品质量会比较理想。但对于一些脆硬材料的加工件，例如硅片、融石英、碳化硅，则被加工件的成型性、切削性则不佳，在加工过程中，切削会不规则的崩碎，材料去除不连贯，导致产品质量难以控制。

而脆性难加工自由曲面零件，恰好就是应用在光学和国防设备中的关键光学零件。例如光刻机反射折射镜、芯片微电子透镜、导弹整流罩等。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种切削机构及切削系统，旨在解决如何提高非平面光学零件的加工质量的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种切削机构，其特征在于，包括：

刀具，包括刃口，所述刀具的材料为透光材料，所述刀具包括变焦曲面，所述变焦曲面位于所述刀具背离所述刃口的一侧；

驱动部，连接所述刀具，所述驱动部配置成驱动所述刀具沿第一方向移动，以完成进给运动；

激光组件，配置成发射激光由所述变焦曲面透入所述刀具内，所述激光包括射入所述变焦曲面前的入射段，所述入射段与所述第一方向交叉，以使得所述刀具沿所述第一方向移动时所述入射段于所述变焦曲面上的入射点的位置变化；

其中，所述变焦曲面配置成能够对透过的所述激光进行聚焦，并使由至少两个所述入射点透过所述变焦曲面的所述激光的焦点位于所述刃口的切削点。

在一些实施例中，在所述刀具的移动行程内，所述变焦曲面配置成能够使由任意入射点位置透过所述变焦曲面的所述激光的焦点均位于所述刃口的切削点。

在一些实施例中，所述入射段与所述第一方向的夹角小于等于十五度。

在一些实施例中，所述刃口具有相对布置的第一端部以及第二端部，由所述第一端部指向所述第二端部的方向为第二方向；

所述刀具具有沿所述第二方向相对布置的第一侧壁以及第二侧壁，所述第一侧壁与所述变焦曲面具有第一交界线，所述第二侧壁与所述变焦曲面具有第二交界线，所述第一交界线至所述第二交界线的方向为第三方向；

所述第三方向垂直于所述入射段。

在一些实施例中，所述激光组件包括激光发生装置，所述激光发生装置产生的激光直接射向所述变焦曲面。

在一些实施例中，所述激光组件包括激光发生装置以及激光调节装置，所述激光发生装置用于产生所述激光，所述激光调节装置用于改变所述激光的路径；

所述激光调节装置至所述变焦曲面之间的激光段为所述入射段。

在一些实施例中，所述激光调节装置包括反射部，所述反射部通过反射所述激光从而改变所述激光的路径；和/或，所述激光调节装置包括折射部，所述激光穿过所述折射部后发生折射从而调整所述激光的路径。

在一些实施例中，所述激光调节装置包括反射部，所述反射部包括用于反射所述激光的反射镜，所述反射镜包括第一反射面，所述反射镜设于所述变焦曲面背离所述刃口的一侧，所述激光发生装置设于所述反射镜沿所述第二方向的一侧并朝所述第一反射面发射所述激光；所述刃口具有相对布置的第一端部以及第二端部，由所述第一端部指向所述第二端部的方向为第二方向；

或者；

所述激光调节装置包括反射部，所述反射部包括用于反射所述激光的全反射棱镜，所述全反射棱镜包括第二反射面，所述全反射棱镜设于所述变焦曲面背离所述刃口的一侧，所述激光发生装置设于所述全反射棱镜沿所述第二方向的一侧并朝所述第二反射面发射所述激光；所述刃口具有相对布置的第一端部以及第二端部，由所述第一端部指向所述第二端部的方向为第二方向；

或者；

所述激光调节装置包括折射部，所述折射部设于所述变焦曲面背离所述刃口的一侧，所述激光发生装置设于所述折射部背离所述变焦曲面的一侧，所述激光发生装置发射的所述激光穿过所述折射部至所述变焦曲面。

在一些实施例中，所述切削机构还包括控制器，所述控制器与所述驱动部耦合，所述控制器配置成用于获取控制信号，并根据所述控制信号控制所述驱动部驱动所述刀具沿第一方向移动。

本发明的第二方面还提供了一种切削系统，其特征在于，包括上述任一项实施例中表述的切削机构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在本发明的技术方案中，切削机构包括刀具、驱动部以及激光组件。刀具包括用于切削加工件的刃口以及变焦曲面，且该刀具的材料为透光材料。刀具连接于驱动部，该驱动部配置为能够驱动刀具沿第一方向平移。激光组件配置为能够发射激光，该激光能够由变焦曲面透入至刀具内，变焦曲面配置为能够对透过的激光进行聚焦。其中激光包括射入变焦曲面之前的入射段，该入射段与第一方向交叉并射入变焦曲面，以使刀具沿第一方向平移时入射段在变焦曲面上的入射点的位置变化。变焦曲面能够使由不同入射点的位置的激光的焦点聚焦于刃口的切削点，透出于刀具的激光对焦于加工件被切削位置，从而改变加工件被切削位置的材料性质，以便于降低切削力而提高材料去除率，减小加工损伤，提高加工质量。

相关技术中，虽然激光能够对焦于加工件上，使工件的材料变性以利于切削。但刀具在对加工件切削加工过程中，需渐进式地逐步对工件进行切削，此时，工件暂未被加工处仍然辐照有激光，容易导致能量的浪费，并且很容易损坏工件的外形结构。本申请中激光能够透过刀具对焦于工件表面，从而使得工件表面仅预加工处受到激光的辐照，避免了能量的浪费，并且避免了工件被激光的高温损坏。此外，本申请中刃口的切削点会随工件的加工外形的变化而变化，通过变焦曲面能够使激光穿透刀具的位置随刃口的切削点的改变而改变，以使激光的焦点对焦于加工件被切削位置处。本发明提供的切削机构有效提高了脆硬材料的加工质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例中刀具的结构示意图；

图2为本发明第二实施例中刀具的第一视角的结构示意图；

图3为本发明第二实施例中刀具的第二视角的结构示意图；

图4为本发明第二实施例中刀具于图3中局部A处的放大示意图；

图5为本发明一实施例中刀具组装于刀具载体的结构示意图；

图6为本发明第三实施例中刀具的第一视角的结构示意图；

图7为本发明第三实施例中刀具的第二视角的结构示意图；

图8为本发明第三实施例中刀具的第一视角的结构示意图；其中，激光相对于变焦曲面的入射角度可以是垂直于第一方向的任意方向；

图9为本发明一实施例中切削系统的工作原理图；

图10为本发明另一实施例中切削系统的工作原理图；其中，激光组件包括激光发生装置以及激光调节装置；

图11为本发明又一实施例中切削系统的工作原理图；

图12为本发明一实施例中切削系统与切削机构、FTS模块的关系示意图；

图13为本发明一实施例中激光穿透刀具切削点的示意图；其中，激光于变焦曲面具有第一入射位置，变焦曲面使由第一入射位置透入的激光聚焦于刃口的第一切削点；

图14为本发明另一实施例中激光穿透刀具切削点的示意图；其中，激光于变焦曲面具有第二入射位置，变焦曲面使由第二入射位置透入的激光聚焦于刃口的第二切削点；需要说明的是，第一入射点与第二入射点沿第一方向分布，入射于变焦曲面的激光能够在变焦曲面的作用下聚焦于刀具刃口的切削点，刃口的形状分布于三维空间内。

附图标号说明：

10-切削系统；

100-切削机构；

110-刀具；111-刃口；112-第一端部；113-第二端部；114-变焦曲面；

115-第一侧壁；116-第二侧壁；117-第一交界线；118-第二交界线；

120-激光组件；121-激光发生装置；122-激光调节装置；1221-反射部；

1222-折射部；123-激光；1231-入射段；

130-刀具载体；

140-驱动部；

150-控制器；

200-FTS模块；

Y-第一方向；X-第二方向；Z-第三方向；a-夹角。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在对非平面的光学零件制造过程中，由于非平面零件的形状不规则，尺寸较小，通常采用快速刀具伺服系统对该类零件进行加工。传统的快速刀具伺服系统对具有优良的材料特性、成型性以及切削性的工件加工后，能够得到表面形貌以及表面精度满足产品使用要求的零件。但对于硬度高、脆性大、断裂韧性低的材料，其弹性极限和强度非常接近，这些特性导致当对这些材料施加一定的外力时，其不容易发生变形，但当外力达到一定程度后，这种材料制成的零件的受力处会突然崩坏，并且其崩坏时无明显的塑性变形。这些特性的存在导致工件在切削加工过程中会产生不规则的崩碎，导致材料去除不连贯，最终导致加工出的零件的表面形貌以及表面精度很难满足产品使用要求，产品质量难以控制。

本申请人发现，当激光束照射到脆硬材料表面时，其能量会被吸收并转化为热能，使材料表面迅速加热。随着温度的升高，材料表面的水分和气体蒸发，形成一层“蒸气膜”，这层蒸气膜可以有效地防止热传导，使材料内部的热量无法向表面扩散，从而在材料内部形成高温。在高温下，脆硬材料的强度和硬度降低，变得容易切削。同时，激光束的能量密度非常高，可以在瞬间升高材料的温度，有利于提高工件加工效率，并且能够使材料在切割过程中保持较高的温度，从而有利于刀具对工件进行切削。

当工件由激光辐照升温并使其材料变性(由脆性向塑性转化)后，刀具能够轻易地加工出特定形状的工件，且该工件在加工完成的瞬间其表面形貌以及表面精度均可满足使用要求。但工件加工完成且其温度降低至常温的过程中，工件在热胀冷缩的作用下会收缩，导致工件的表面形貌以及表面精度等发生变化，很容易导致工件的最终形态不满足使用要求，进而导致废品率升高，不利于降低零件的制造成本。

于是本申请人提出了一种将刀具与激光结合的机构，该机构能够对脆硬材料进行加工并得到表面形貌以及表面精度均满足使用要求的零件。其中刀具采用透光材料，激光能够透过刀具聚焦于加工工件待切削处，使工件仅在被加工表面的被加工处的材料变性(脆硬材料的极限强度显著降低)。激光能够促进被加工区域材料的脆——塑性转化，降低切削力从而提高材料去除率，减少加工损伤、提高加工质量和加工效率。但本申请人发现，刀具在切削过程中，由于加工件的加工外形的变化，刀具的刃口的切削点是变化的，而非始终由刃口的某一固定位置对工件进行切削。但激光只能始终透过刀具的某一个位置，即激光透过刀具的位置不随刃口的切削点的改变而改变，导致激光于工件表面的位置偏离于刃口对工件的切削点，从而导致切削出的零件表面精度较低、表面形貌不佳，废品率较高，很难满足使用要求。

鉴于此，请参阅图1-图12，本发明提供了一种切削机构100，该切削机构100包括刀具110、驱动部140以及激光组件120。在一些实施方式中，切削机构100还包括刀具载体130，该刀具载体130用于承载刀具110，以便刀具110能够安装于切削机构100，即在具体实施方式中，刀具110位于刀具载体130的刀尖处，其能够直接接触于工件并对工件进行切削。刀具110的材料采用透光材料，在一种实施方式中，该刀具110所采用的材料可以是完全透明的材料。在另一种实施方式中，该刀具110所采用的材料还可以是具有颜色的其他透光材料。在一些实施例中，该刀具110可以采用具有透光特性的超硬合金材料制成。在另一些实施例中，该刀具110还可以采用具有透光性的晶体材料制成，该晶体材料可以是水晶，也可以是金刚石等。在一种实施方式中，刀具载体130也采用透光材料。在另一种实施方式中，刀具载体130也可采用其他非透光材料。为便于表述，以下以金刚石制成的刀具110为例进行说明。

其中，刀具110包括刃口111以及变焦曲面114，参阅图1至图8。刀具110连接于驱动部140，该驱动部140配置为能够驱动刀具110沿第一方向Y平移，从而完成进给运动。在一些实施例中，该驱动部140可以是驱动刀具载体130运动，从而使得刀具110能够沿第一方向Y平移，从而对工件进行切削。在另一些实施方式中，驱动部140可以是驱动刀具110沿第一方向Y平移，以实现工件表面的材料去除。激光组件120配置为能够发射激光123，且该激光123能够由变焦曲面114透入刀具110内。激光123包括射入变焦曲面114之前的入射段1231，该入射段1231与第一方向Y交叉，参阅图9，以使刀具110沿第一方向Y平移时，入射段1231在变焦曲面114上的入射点的位置能够变化。变焦曲面114配置为能够对透入的激光123进行聚焦，以使激光123的焦点能够位于刃口111的切削点并最终对焦于工件的被切削位置。

以下对“焦点能够位于刃口111的切削点”进行如下定义：焦点的中心点与切削点的中心点的间距满足：

时，即认为焦点位于切削点，此时，焦点与切削点可以完全重合、部分重合或彼此间隔。

其中，y代表焦点的中心点到切削点的中心点的距离，单位：mm。

x₁代表焦点特性参数，该参数由激光的光斑的形状以及激光的功率决定，激光的聚焦有很多种类型，例如高斯激光在平面上的光斑为圆形，x₁取0-2.3*10000。

x₂代表切削特性参数，该参数由被加工件的性质以及金刚石的刀具性质所决定。被加工件的性质主要指的是材料特性、材料力学特性、硬度、断裂韧性等。金刚石刀具特性主要指的是刀具材料特性、刀具的前后角、刃倾角等相关参数。x₂取0-2.3*1000，且不取0。

R代表刀具的切削刃的半径，通常指的就是切削刃圆弧的半径，R取0-10。

L代表激光参数，激光参数指的是激光的性质，即激光的功率、波长、频率、发射方式等，L取0-58。

F代表聚焦参数，主要由起点到终点光路过程中所穿透的介质及激光与介质发生反射、折射、吸收等综合性质决定，F取0-63。

α、β、γ代表空间相对位置参数，分别对应的是空间中x、y、z方向向量的位置参数。α、β、γ取0-10。

在一种优选的实施例中，焦点与工件表面的被切削位置可以部分重合，且焦点的一部分与被切削位置重合，焦点的另一部分位于被切削位置的前方(沿切削点的运动方向)，这使得焦点的位于被切削位置前方的部分可以给待加工材料进行预热，加工材料预热后再由刀具进行切削，提升了加工效率的同时，降低了对于脆硬材料的加工难度。

刃口111是指刀具110实际用于切削工件的部分。变焦曲面114是指一种采用特殊设计的曲面透镜结构，其能够将光线聚焦到一个点上，但这个点的位置是可以改变的。通过改变曲面的形状和位置，就可以改变聚焦点的位置，从而实现变焦透镜的效果。即由于刀具110的刃口111呈空间曲线，若只将激光123进行简单的折射或反射，激光123难以聚焦于刃口111的切削点。而变焦曲面114能够对透过的激光123进行聚焦，从而使得透过该变焦曲面114的激光123的焦点能够位于刃口111的切削点。需要说明的是，该切削点会随着加工工件的外形的变化而改变。即具体地，由于工件的加工表面并不是始终处于一个平面或曲面，其可能是具有台阶的、曲折的、凹凸不平的表面。刀具110在对其加工过程中，刃口111与工件表面的接触位置会随着工件表面的特征的变化而变化，于是刃口111实际起到切削作用的位置是变化的。

在一种实施方式中，变焦曲面114可以与刀具110一体成型。在另一种实施方式中，变焦曲面114也可以是与刀具110分别成型后组装，变焦曲面114与刀具110的组装可以是通过粘接的方法连接，也可以是通过机械零件组装连接。在一些实施方式中，刀具110所采用的材料以及变焦曲面114所采用的材料可以相同，以保证激光123于变焦曲面114、刀具110之间的传递的稳定性。在另一些实施方式中，变焦曲面114所采用的材料也可以不同于刀具110所采用的材料。由于刀具110需达到切削工件的要求，因此刀具110所采用的材料的性能要求十分高，其成本也十分高昂。变焦曲面114采用不同于刀具110的材料能够节约成本，还便于变焦曲面114的制造。为便于表述，以下以变焦曲面114与刀具110一体成型、变焦曲面114所采用的材料与刀具110采用的材料相同为例进行说明。

在一些实施方式中，变焦曲面114可以是位于刀具110背离刃口111的一侧。在另一些实施方式中，变焦曲面114还可以设置于刀具110相邻于刃口111的任意一侧。为便于表述，以下以变焦曲面114设置于刀具110背离刃口111的一侧为例进行说明。激光123能够通过该变焦曲面114聚焦于刃口111的实际切削点，从而使得透过该刀具110的激光123的焦点能够聚焦于工件被切削位置。避免激光123辐照于工件的表面的其他暂无需切削的位置，而导致工件被切削位置区域的材料仍处于脆硬特性，进而导致工件的切削处崩碎，影响工件的成品率。

在具体实施方式中，刀具110在驱动部140的驱动下沿第一方向Y朝着靠近或远离工件的方向平移过程中，入射段1231在变焦曲面114上的入射点能够在变焦曲面114上沿垂直于第一方向Y的方向上运动。在刀具110沿第一方向Y平移的过程中，入射段1231于变焦曲面114上的入射点可以是无数个，而为了便于表述，以下以在刀具110沿第一方向Y运动的过程中，入射段1231于变焦曲面114上具有两个入射点(以第一入射点、第二入射点进行区分)，并以刀具110沿第一方向Y朝着靠近工件的方向运动为例进行说明。

为便于表述，定义刀具110相对于工件能够于第一位置和第二位置之间移动。刀具110于第一位置时，入射段1231在变焦曲面114上具有第一入射点，变焦曲面114配置为能够将经第一入射点透入的激光123聚焦透过刃口111的切削点，并使激光123的焦点最终对焦于工件被切削位置。刀具110由第一位置在驱动部140的驱动下沿第一方向Y朝着靠近工件的方向平移至第二位置，第一入射点于变焦曲面114上沿垂直于第一方向Y的方向运动至第二入射点。在这一过程中，变焦曲面114配置为能够将由运动中的第一入射点透入的激光123聚焦于刃口111的切削点，并使激光123的焦点最终对焦于工件被切削位置。即，激光123于刃口111的透出点能够随激光123于变焦曲面114的入射点的位置的改变而改变，从而使得激光123于刃口111的透出点能够随着刃口111的切削点的改变而改变，并且激光123于刃口111的透出点的位置能够始终重合于刃口111的切削点。于是刀具110在对工件切削时，激光123能够透过刃口111的切削点辐照于工件被切削位置，从而对该被切削位置处的材料进行变性，以避免刀具110切削工件时，工件切削处崩碎而影响切削成品率。需要说明的是，刀具110于驱动部140的驱动下沿第一方向Y的运动的轨迹可以由工件的加工表面的形状决定。

在一些实施方式中，在刀具110的移动行程范围内，变焦曲面114配置为能够使由任意入射点位置透入变焦曲面114的激光123的焦点聚焦于刃口111的切削点，刃口111的切削点会随工件的加工表面的具体形状改变。当激光123从任意入射点位置透入变焦曲面114时，其焦点会随着刀具110的移动行程范围的变化而变化。如果在刀具110的移动行程范围内，那么焦点的位置可能相对固定，激光123于变焦曲面114上的入射点位置的移动范围可以始终位于变焦曲面114上，变焦曲面114能够将透入的激光123聚焦于刃口111的切削点。但如果超出了刀具110的移动行程范围，焦点的位置则可能会发生较大的变化，导致激光123不能透入变焦曲面114，或者即使激光123能够透过变焦曲面114，但由于激光123于变焦曲面114上的入射点位置的变化范围较大，很容易导致变焦曲面114无法将激光123准确地聚焦于刃口111的切削点，导致激光123不能准确地辐照于工件的被切削位置，最终导致刀具110切削工件时，工件切削处发生崩坏而影响产品良品率。

在一些实施方式中，入射段1231与第一方向Y的夹角a小于等于十五度，参见图9。具体地，变焦曲面114可以设于刀具110沿第一方向Y背离刃口111的一端，激光123包括射入变焦曲面114之前的入射段1231。该入射段1231与第一方向Y的夹角a小于等于十五度，则激光123入射光线与刀具110的轴线之间的夹角a较小，有利于减小激光123透出刀具110的位置的误差，提高加工精度。此外，入射段1231与第一方向Y的夹角a小于等于十五度时，激光123在刀具110内传播的距离较短，激光123能量密度较高，有利于提高切削效率。

在一些实施方式中，请参阅图4，刃口111具有相对布置的第一端部112以及第二端部113，为便于表述，定义由第一端部112指向第二端部113的方向为第二方向X。请参阅图6及图7，刀具110还具有沿第二方向X相对布置的第一侧壁115以及第二侧壁116，第一侧壁115与变焦曲面114相交处具有第一交界线117，第二侧壁116与变焦曲面114相交处具有第二交界线118，第一交界线117至第二交界线118的方向为第三方向Z。入射段1231垂直于第三方向Z，即入射段1231垂直于变焦曲面114在第三方向Z的投影。激光123入射段1231垂直射入变焦曲面114，可以确保激光123能量在变焦曲面114上得到最大程度的利用。由于变焦曲面114的设计，激光123能量将被聚焦在刃口111的切削点，从而提高了切削效率及切削质量。当激光123入射段1231垂直射入变焦曲面114时，光线在变焦曲面114上的入射角较大，减少了在变焦曲面114上发生散射和反射的可能性。这有助于减少激光123能量的损失，提高激光123能量的利用率。并且当激光123入射段1231垂直射入变焦曲面114时，不需要复杂的激光123聚焦系统来调整激光123光束的方向，还能简化变焦曲面114的结构设计。这样可以简化激光123聚焦系统的设计，降低制造成本。

在一些实施方式中，请参阅图9，激光组件120包括激光发生装置121，激光发生装置121能够发射激光123，并且该激光123能够直接射向变焦曲面114，即激光发生装置121与变焦曲面114之间无需其他调节结构，激光发生装置121射出的激光123与第一方向Y交叉。激光发生装置121可以设置于变焦曲面114背离刃口111的一侧的任意位置。

在另一些实施方式中，请参阅图10及图11，激光组件120包括激光发生装置121以及激光调节装置122。激光发生装置121能够用于产生激光123，激光调节装置122能够用于改变激光123的路径。激光调节装置122至变焦曲面114之间的激光123段为入射段1231，该入射段1231与第一方向Y交叉。在一种实施例中，激光123在激光发生装置121至激光调节装置122之间的部分可以是垂直于第一方向Y，也可以是平行于第一方向Y，还可以与第一方向Y交叉。即请参阅图8，激光123射入变焦曲面114的入射角度及入射方位可以是变焦曲面114背离刃口111的一侧任意的角度、任意方位，以便于激光组件120相对于刀具110的位置能够依据环境特性设置，提高了切削机构100的适用性。

激光调节装置122能够配置为能够改变入射段1231的路径，从而改变入射段1231于变焦曲面114的入射点。即刀具110沿第一方向Y运动、激光调节装置122在程序的控制下能够相互配合运动，以使激光123于变焦曲面114的入射点发生改变。变焦曲面114将由不同入射点透入的激光123聚焦于刃口111的切削点(刃口111的切削点会随工件的切削表面的形状的不同而发生改变，但无论刀具110的切削点位于刃口111的何处，激光123在变焦曲面114的作用下均能够聚焦于刃口111的切削点)，从而使得激光123能够透过刃口111的切削点辐照于工件被切削位置，进而便于刀具110能够对工件进行有效切削。

在一些实施方式中，参阅图11，激光调节装置122包括反射部1221，激光发生装置121可以设置于反射部1221任意一侧。为便于表述，以下以激光发生装置121设置于反射部1221靠近变焦曲面114的一侧，且激光发生装置121沿第二方向X远离变焦曲面114为例进行说明。该反射部1221能够通过反射激光123从而改变激光123的路径，即反射部1221能够将具有不同入射角度、不同入射位置的激光123反射至变焦曲面114的不同的位置，变焦曲面114又将透射而来的激光123聚焦于刃口111的实际切削点，以改变激光123的路径。需要说明的是，此时激光123的入射段1231为激光123位于反射部1221以及变焦曲面114之间的部分。激光123路径的改变能够降低变焦曲面114要求，降低变焦曲面114的加工难度。

在另一些实施方式中，请参阅图10，激光调节装置122包括折射部1222，激光发生装置121可以设置于激光调节装置122背离变焦曲面114的一侧。激光123能够穿透折射部1222，且折射部1222能够将具有不同入射角度、不同入射位置的激光123折射至变焦曲面114的不同的位置，变焦曲面114又将折射而来的激光123聚焦于刃口111的实际切削点，以改变激光123的路径使其能够随切削点的改变而改变。需要说明的是，此时激光123的入射段1231为激光123位于折射部1222以及变焦曲面114之间的部分。在又一种实施方式中，激光123调节装置122还可用于聚焦激光123，以使具有不同入射位置、不同入射角度的激光123能够聚焦至刃口111的实际切削点。

在具体实施方式中，变焦曲面114设置于刀具110背离刃口111的一侧，刃口111具有相对布置的第一端部112以及第二端部113，由第一端部112指向第二端部113的方向为第二方向X。在一种实施方式中，参阅图11，激光调节装置122所包括的反射部1221配置为能够沿激光123由激光发生装置121射出的方向平移，激光发生装置121的设置位置不变，即激光123的入射角度不变。反射部1221沿激光123由激光发生装置121射出的方向平移时，由于激光123入射于反射部1221的位置不同，使得激光123能够由反射部1221反射至变焦曲面114的不同位置，从而使得变焦曲面114能够将激光123聚焦于刃口111的实际切削点。在另一种实施方式中，反射部1221还可沿垂直于激光123由激光发生装置121射出的方向运动，以改变激光123入射于该反射部1221的位置，进而改变激光123的入射段1231的路径。

为便于表述，以下以激光发生装置121设置于折射部1222背离变焦曲面114的一侧为例进行说明。在一些实施方式中，参阅图10，激光调节装置122所包括的折射部1222可以配置为能够绕垂直于激光123由激光发生装置121射出的方向旋转，以使激光123于该折射部1222的入射角度能够改变，从而使得激光123由该折射部1222折射出的入射段1231(激光123位于变焦曲面114与折射部1222之间的部分)的路径能够发生变化。进而使得变焦曲面114能够将激光123聚焦于刃口111的实际切削点。在另一些实施方式中，折射部1222还可以配置为能够绕平行于激光123由激光发生装置121射出的方向旋转。

在一些实施方式中，激光发生装置121设置于变焦曲面114背离刀具110的一侧，且该激光发生装置121配置为能够运动以使其发射出的激光123入射于变焦曲面114的入射位置、入射角度能够变化，从而使得激光123的入射段1231的路径能够变化，进而使得激光123能够由变焦曲面114聚焦于刃口111的实际切削点。此时激光组件120可不设置激光调节装置122。

在一些实施方式中，反射部1221包括用于反射激光123的反射镜，该反射镜包括第一反射面。具体地，该反射镜可以设置于变焦曲面114背离刃口111的一侧。激光发生装置121可以设置于反射镜沿激光123由激光发生装置121射出的方向的一侧，且该激光发生装置121能够向第一反射面发射激光123。在另一些实施方式中，激光发生装置121还可以设置于垂直于第二方向X且反射镜靠近变焦曲面114的一侧。

在一些实施方式中，反射部1221可以包括用于反射激光123的全反射棱镜，该全反射棱镜包括第二反射面，且该全反射棱镜可以设置于变焦曲面114背离刃口111的一侧。激光发生装置121可以设置于全反射棱镜沿激光123由激光发生装置121射出的方向的一侧，且其能够向第二反射面反射激光123。通过调整全反射棱镜相对于变焦曲面114的位置关系，即可使激光123的入射段1231(即激光123位于变焦曲面114与全反射棱镜之间的部分)的路径发生改变。需要说明的是，全反射棱镜是一种利用光的全反射原理制成的能改变光线方向的器件，光的全反射原理是指当光从光密介质射向光疏介质时，入射角超过某一角度(临界角)时，折射光完全消失，只剩下反射光线的现象。

在一些实施方式中，请参阅图10，折射部1222设置于变焦曲面114背离刃口111的一侧，激光发生装置121可以设置于折射部1222背离变焦曲面114的一侧，以使激光发生装置121发射的激光123能够透过该折射部1222，并通过该折射部1222折射至变焦曲面114。在激光123射到变焦曲面114时，变焦曲面114会根据其形状和材料属性对激光123进行聚焦或发散，从而改变激光123的光束大小和传播方向。在一种实施方式中，变焦曲面114可以是凸透镜或凹透镜结构。在另一种实施方式中，变焦曲面114也可以是更复杂的多面体结构。变焦曲面114的主要作用是通过对激光123的聚焦或发散来改变激光123的传播方向。

切削机构100还包括控制器150，该控制器150能够与驱动部140耦合，控制器150与切削机构100的关系示意图如图12所示。具体来说，控制器150可以是一个独立的设备，也可以是切削机构100的一部分。控制器150的主要功能是获取控制信号，并根据这些控制信号来控制驱动部140驱动刀具110沿第一方向Y移动。

当控制器150接收到控制信号后，控制器150能够将这些信号传递给驱动部140。驱动部140根据这些信号来驱动刀具110沿第一方向Y移动，从而使得刀具110能够对工件进行切削加工。以实现精确控制刀具110的移动和切削加工过程，从而提高加工质量和效率。

此外，为了更好地适应不同的加工需求，控制器150还可以配置为能够根据预设参数或外部输入自动调整刀具110的移动速度、进给速度等加工参数。于是，切削机构100可以根据实际加工情况来自动调整加工参数，从而更好地适应不同的加工需求。

在一些实施方式中，刀具110的进给还可以通过操作人员手动控制。刀具110的进给通过人工控制具有简单易操作的优势，即手动进给不需要复杂的控制系统和设备，降低了使用成本。手动进给适用于小批量或单件生产，即手动进给可以快速调整和适应不同的加工需求，提高生产效率。手动进给的加工精度可控，即手动进给可以通过操作人员的技能和经验控制加工精度，对一些需要高精度加工的零件可以实现更好的质量控制。手动进给还能提高加工效率，即通过操作人员手动控制刀具110进给，可以更好地掌握加工节奏和效率，从而优化加工过程，提高整体加工效率。

本发明的第二方面还提供了一种切削系统10，该切削系统10包括了上述任意一项实施例中表述的切削机构100。驱动部140被配置为能够驱动刀具110进行进给运动，这使得刀具110能够对工件进行切削处理。在这个过程中，驱动部140通过精确控制刀具110的移动，确保切削过程的精确性和稳定性。激光组件120是另一个重要的组成部分，其包括激光发生装置121和激光调节装置122。激光发生装置121用于发射激光123，而激光调节装置122则用于调整激光123的路径和发射方向。该激光组件120的特别之处在于，其可以使具有不同入射角度、入射位置的激光123通过设置于刀具110的变焦曲面114聚焦于刃口111的切削点。使得激光123的焦点于工件表面的位置能够随着刃口111的实际切削点的变化而变化，从而使得激光123能够精准地辐照于工件被切削位置，进而便于刀具110能够有效对工件进行材料去除，避免工件在加工过程中崩碎。

具体来说，激光123从激光发生装置121发出，经过激光调节装置122的调整，使其能够通过变焦曲面114聚焦于刃口111的切削点。这种聚焦的激光123可以用于切割、熔化或烧灼工件，从而实现高效、高精度的切削处理。此外，该切削系统10还可以配备传感器和反馈控制系统，以实时监测和调整切削过程。例如，传感器可以监测工件的位置、形状和材质，以及刀具110的磨损程度和温度等参数。这些信息被反馈到控制器150中，用于调整驱动部140和激光组件120的工作参数，以确保切削过程的稳定性和精度。

请参阅图10至图11，在一些实施方式中，切削系统10还包括FTS(fast toolservo)模块200。在一种实施方式中，FTS模块200是独立于加工机床的一套单独的装置，其加工原理为通过驱动切削刀具110在预设方向(通常为机床主轴)上进行高频和预设的运动来实现加工。在一种实施例中，FTS模块200可以采用一维驱动类型的装置，即FTS模块200驱动刀具110沿第二方向Y运动。在另一种实施例中，FTS模块200还可以采用二维驱动类型的装置，即FTS模块200能够驱动刀具110沿第一方向X以及第二方向Y运动。在又一种实施例中，FTS模块200也可以采用压电驱动类型的装置。在还一种实施例中，FTS模块200还可以采用线圈驱动类型的装置。FTS模块200在切削系统10中能够起到以下的作用：

确保控制的精确性：通过精准控制刀具110等部件的运动，最终保持被加工件的表面面型精度和形状精度。

确保刀具110运动的准确性：可以实现自动化控制和操作。这有助于减少人工干预，提高生产过程的稳定性和一致性。

提高加工质量：FTS模块200有助于提高切削系统10的加工质量。它能够减少刀具110在运动过程中的振动和变形，避免加工过程中的误差累积，从而提高整体加工质量。

灵活布局：FTS模块200的布局设计灵活，可以根据切削系统10的实际需求进行定制。这使得FTS模块200能够适应各种不同的加工环境和设备配置，方便系统的集成和扩展。

需要说明的是，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”、“且/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种切削机构，其特征在于，包括：

刀具，包括刃口，所述刀具的材料为透光材料，所述刀具包括变焦曲面，所述变焦曲面位于所述刀具背离所述刃口的一侧；

驱动部，连接所述刀具，所述驱动部配置成驱动所述刀具沿第一方向移动，以完成进给运动；

激光组件，配置成发射激光由所述变焦曲面透入所述刀具内，所述激光包括射入所述变焦曲面前的入射段，所述入射段与所述第一方向交叉，以使得所述刀具沿所述第一方向移动时所述入射段于所述变焦曲面上的入射点的位置变化；

其中，所述变焦曲面配置成能够对透过的所述激光进行聚焦，并使由至少两个所述入射点透过所述变焦曲面的所述激光的焦点位于所述刃口的切削点。

2.如权利要求1所述的切削机构，其特征在于，

在所述刀具的移动行程内，所述变焦曲面配置成能够使由任意入射点位置透过所述变焦曲面的所述激光的焦点均位于所述刃口的切削点。

3.如权利要求1所述的切削机构，其特征在于，

所述入射段与所述第一方向的夹角小于等于十五度。

4.如权利要求1所述的切削机构，其特征在于，

所述刃口具有相对布置的第一端部以及第二端部，由所述第一端部指向所述第二端部的方向为第二方向；

所述刀具具有沿所述第二方向相对布置的第一侧壁以及第二侧壁，所述第一侧壁与所述变焦曲面具有第一交界线，所述第二侧壁与所述变焦曲面具有第二交界线，所述第一交界线至所述第二交界线的方向为第三方向；

所述第三方向垂直于所述入射段。

5.如权利要求1所述的切削机构，其特征在于，

所述激光组件包括激光发生装置，所述激光发生装置产生的激光直接射向所述变焦曲面。

6.如权利要求1所述的切削机构，其特征在于，

所述激光组件包括激光发生装置以及激光调节装置，所述激光发生装置用于产生所述激光，所述激光调节装置用于改变所述激光的路径；

所述激光调节装置至所述变焦曲面之间的激光段为所述入射段。

7.如权利要求6所述的切削机构，其特征在于，

所述激光调节装置包括反射部，所述反射部通过反射所述激光从而改变所述激光的路径；和/或，所述激光调节装置包括折射部，所述激光穿过所述折射部后发生折射从而调整所述激光的路径。

8.如权利要求7所述的切削机构，其特征在于，

所述激光调节装置包括反射部，所述反射部包括用于反射所述激光的反射镜，所述反射镜包括第一反射面，所述反射镜设于所述变焦曲面背离所述刃口的一侧，所述激光发生装置设于所述反射镜沿所述第二方向的一侧并朝所述第一反射面发射所述激光；所述刃口具有相对布置的第一端部以及第二端部，由所述第一端部指向所述第二端部的方向为第二方向；

或者；

所述激光调节装置包括反射部，所述反射部包括用于反射所述激光的全反射棱镜，所述全反射棱镜包括第二反射面，所述全反射棱镜设于所述变焦曲面背离所述刃口的一侧，所述激光发生装置设于所述全反射棱镜沿所述第二方向的一侧并朝所述第二反射面发射所述激光；所述刃口具有相对布置的第一端部以及第二端部，由所述第一端部指向所述第二端部的方向为第二方向；

或者；

所述激光调节装置包括折射部，所述折射部设于所述变焦曲面背离所述刃口的一侧，所述激光发生装置设于所述折射部背离所述变焦曲面的一侧，所述激光发生装置发射的所述激光穿过所述折射部至所述变焦曲面。

9.如权利要求1所述的切削机构，其特征在于，

所述切削机构还包括控制器，所述控制器与所述驱动部耦合，所述控制器配置成用于获取控制信号，并根据所述控制信号控制所述驱动部驱动所述刀具沿第一方向移动。

10.一种切削系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的切削机构。