JP6227663B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工装置を使用して工作物を機械加工する方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームによって工作物を機械加工するレーザ加工装置の使用により前記工作物を機械加工するための方法及びレーザ加工装置に関する。

本発明による方法及び本発明によるレーザ加工装置は、工作物からの金属のアブレーションのために、特に、工作物上に切削エッジ、切削表面、及び／又は側部表面を生成し、切削ツールを生産するために配置される。

そのような方法及びレーザ加工装置は、例えば独国特許出願公開第１０２００９０４４３１６Ａ１号明細書から知られている。レーザビームパルスは、パルス内で又は工作物表面におけるハッチング領域内に導かれ、そこで工作物上に衝突する。レーザビームパルスの衝突点において工作物から材料がアブレーションされる。工作物とハッチング領域との間の相対移動により、この移動に従って工作物上で材料アブレーションが行われる。その際にハッチング領域は、ミリングカッタ又は別の切削ツールに類似した手法で工作物に相対的に移動する。

この方法は非常に良い結果をもたらすことが実証された。本発明の目的は、機械加工される工作物の、又は生産される製品、例えば切削ツールの品質を向上するために、既知の方法及び既知の装置をそれぞれ改良することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴を示す方法に従って、及び請求項１５に記載の特徴を示すレーザ加工装置に従って達成される。

本発明によれば、レーザの使用によりレーザビームが生成される。好ましくは、これはパルスレーザであり、従ってレーザビームはレーザビームパルスによって形成される。レーザビームの光路内には、制御ユニットによって制御され得る偏向装置が備えられる。工作物が機械加工される間、レーザによって放出され偏向装置内に衝突したレーザ光は、少なくとも２つの空間方向において偏向され、工作物表面上の予め指定された輪郭を有するハッチング領域内部に導かれる。偏向装置は偏向されたレーザビームの衝突点を、ハッチング領域内部で、少なくとも１つの予め指定された螺旋経路に沿って移動させる。螺旋経路の中央点から外側経路終点までの半径は、ハッチング領域の半径にほぼ一致する。機械加工動作の間、このハッチング領域と工作物とは、位置決めアセンブリを用いて互いに相対的に位置決め及び方向付けされ、特に、更には互いに相対的に移動される。好ましくは位置決めアセンブリは、工作物と偏向装置とを互いに相対的に移動及び／又は位置決めするための、回転軸及び／又は直線軸の形態のいくつかの機械軸を有する。

機械加工タスク、及び／又は工作物の材料、及び／又は設定されるレーザパワー、及び／又はレーザのパルス持続時間又はパルス周波数、及び／又は機械加工動作に影響を及ぼす追加の限界条件に応じて、中央点から外側経路終点までの螺旋経路のコースを表す少なくとも１つの螺旋経路パラメータを選択又は設定することによって、ハッチング領域内部のレーザのエネルギー入力が本発明により設定される。少なくとも螺旋経路の線間隔が、螺旋経路パラメータとして働き得る。螺旋経路の線間隔は、螺旋ピッチと、前記螺旋経路の中央点を通って延在する直線又は軸との、２つの直接隣接する交点の間の間隔を意味するものと理解される。言い換えると、半径方向で見た、螺旋経路の中央点から開始される螺旋経路の個々の螺旋回旋の間の距離が線間隔と呼ばれる。好ましくは線間隔は不規則であり、例えば、螺旋経路の中央点から開始して半径方向外側に向けて継続的に増加するか又は継続的に減少するように設定されてもよい。

線間隔に従って、ハッチング領域内部のレーザビームのエネルギー入力分布が予め指定される。例えば、ハッチング領域の辺縁領域内の、及び／又はハッチング領域の中央内のエネルギー入力は、ハッチング領域の他の点におけるよりも大きい。従って、材料のアブレーションのための好適なアブレーション形状が線間隔を介して設定され得、前記アブレーション形状がハッチング領域と工作物との間の相対移動の間に生成される。この結果として線間隔は、アブレーション形状を設定して目前の機械加工タスクに適合させるために使用され得る。

工作物が機械加工される間、ハッチング領域は工作物表面に沿って移動され、その際に材料アブレーションが達成され、前記アブレーションは、ハッチング領域が工作物表面と部分的にのみオーバーラップするのではなく工作物表面上で工作物に全面的に衝突する場合、溝の形態を有する。言わばその際に、生成される溝の断面形状に一致するアブレーション形状が作られる。線間隔を介して、及び必要に応じて追加の螺旋経路パラメータを介して、アブレーション形状に影響を及ぼすこと、及び機械加工タスクを適合させることが可能である。線間隔を螺旋経路の中央点から外側に向かう半径方向で見て減少させた場合、より急勾配の溝側部又はアブレーション形状側部を生成することが可能である。例えばこれは、アブレーション形状の側部上のより低い表面粗度を達成するための平滑化動作の間に有利である。工作物の仕上げ機械加工のためには低い材料アブレーションレートしか必要とされず、従ってハッチング領域の中央内に導入されるレーザアブレーションのエネルギーは、ハッチング領域の辺縁領域内のより高いエネルギー入力に比較して減らされてもよい。この結果として、そのような設定を用いて小さな切削エッジ半径を達成することも可能である。

逆に、線間隔の設定により、アブレーション形状の側部峻度が減少し、総レーザエネルギーのより大きな部分がハッチング領域の中央内でハッチング領域内に代わりに入力され、従って溝底部において又はアブレーション形状の底部において十分に大きな、及び可能な最も均一な材料アブレーションが達成されることが保証され得る。そのような設定は、工作物を荒削りする際に高い材料アブレーションレートを達成するために好適である。

ハッチング領域内部の螺旋経路に沿ったレーザの衝突点の移動は、他の経路形態と比較して大きな利点を提供することが見出された。大きな製造精度が達成されるべきである場合、エネルギー入力を非常に正確に設定できなければならない。また、十分に高い材料アブレーションレートが達成されるべきである。工作物上のレーザビームのレーザ衝突点であって前記レーザが螺旋経路に沿って移動されるレーザ衝突点を用いてハッチング領域を生成することにより、非常に高い材料アブレーションレートを達成することが可能である。偏向装置によって生成されるレーザビームの衝突点のハッチング領域内での移動は例えば２０００ミリメートル／秒であり、これは特に、２０〜１２０ミリメートル／分であり得るハッチング領域の偏向装置を基準にした工作物の相対移動より約１〜２桁高速である。螺旋経路の線間隔を設定することにより、ハッチング領域内部のレーザビームによるエネルギー入力のエネルギー分布の、従ってハッチング領域内部の材料アブレーションの、非常に正確な、かつ区別された設定を達成することが可能である。偏向装置を用いた、弧状の経路に沿ったレーザビームの高速移動が達成され得、同時に、レーザ加工装置の動作時間が長時間にわたる場合でさえ、設定手段、特に偏向装置のサーボモータに対する過大な負荷が回避される。

線間隔に加えて、以下の螺旋経路パラメータのうちの１つ以上が、少なくとも１つの螺旋経路を表す螺旋パラメータとして材料アブレーションに影響を及ぼすために設定されるか、又は予め指定されたデータから選択されることが可能な場合、有利である。
−少なくとも１つの螺旋経路の、螺旋経路の中央点と１つの外側経路終点との間の半径、
−ハッチング領域内部の少なくとも１つの螺旋経路の螺旋回旋の数。

少なくとも１つの螺旋経路の半径は、円形のハッチング領域の半径にほぼ一致し、結果として得られるアブレーション形状の幅を決定する。螺旋回旋の数によって、ハッチング領域内の総エネルギー入力を予め指定することが可能である。ハッチング領域内の総エネルギー入力は、線間隔を介して変更されるか又は機械加工タスクに適合されることが可能である。

線間隔は、特に、予め指定された間隔関数によって影響を及ぼされる。間隔関数は、少なくとも１つの可変の間隔パラメータを含む。この間隔パラメータは設定されるか、又は予め指定された値から選択されることが可能である。好ましくは、間隔関数は、関数変数の指数部内に間隔パラメータが存在する項を含む。この場合、関数変数は、螺旋経路の被視点における、螺旋経路の中央点からの実際の間隔を示す。

少なくとも１つの第１の螺旋経路と、第１の螺旋経路とは異なる少なくとも１つの追加の第２の螺旋経路とがハッチング領域内部に存在する場合、有利である。レーザの衝突点はその場合、ハッチング領域内部でいくつかの螺旋経路を通して連続的に偏向される。第１の螺旋経路は、螺旋経路又はハッチング領域の中央点から、半径方向外側に、第１の螺旋経路の経路終点まで延在する。第１の螺旋経路のこの経路終点において、関連する第２の螺旋経路が直接隣接し、そこから２つの螺旋経路の共通の中央点まで延在する。このようにして、レーザビームの衝突点は方向変化なしに、かつ移動経路内の角及び曲がりなしに中央から外側に、そして再び戻るように生じ得る。この結果として、偏向装置の設定手段又はサーボモータについての特に穏やかな動作が達成され得る。偏向装置のサーボモータにおける大きな加速度又は加速度変化を伴う急な動きは、この結果として特に良好に回避され得る。

第２の螺旋経路は第１の螺旋経路と同じ螺旋経路パラメータを有してもよい。例えば第２の螺旋経路は、第１の螺旋経路をミラーリングすることによって実現されてもよい。第２の螺旋経路を生成するために第１の螺旋経路がミラーリングされる軸は、第１の螺旋経路の中央点と第１の螺旋経路の経路終点とを通って延在する。それぞれ１つの第１の及び１つの第２の螺旋経路が螺旋経路ペアを形成する。

加えて、それぞれ１つの第１の及び１つの関連する第２の螺旋経路の更なる螺旋経路ペアを、初めの第１の及び第２の螺旋経路のペアの回転によって実現することが可能である。それぞれ１つの第１の及び１つの第２の螺旋経路の、いくつかの螺旋経路ペアが、特に、ハッチング領域内部でハッチング領域の中央点の周りの円周方向で均一に分布される。レーザビームの偏向についてのそのような事前の決定の結果として、レーザ加工装置の穏やかな継続的動作を達成するだけでなく、同時に、ハッチング領域内部で、特に、更にはハッチング領域の中央点の領域内で、均一な材料アブレーションを達成することが可能である。この結果としてアブレーション形状は、急勾配の側部と、底部領域内の十分広範囲にわたる材料アブレーションとを伴うほぼ理想的なＵ字形を有し得る。

好ましい実施形態では、少なくとも１つの螺旋経路は、異なる半径を有するいくつかの半円セグメントから構成される。好ましくは、それぞれの隣接する半円セグメントの間の移行点は、それぞれの隣接する半円セグメントの間の、螺旋経路の中央点と経路終点とを通る共通軸上に位置する。それぞれ２つの半円セグメントが、１つの螺旋回旋を表す。螺旋経路の特に単純な計算は、移行点による軸の同じ側に位置する半円セグメントが、螺旋経路の中央点を基準にして同心状にそれぞれ配置された第１の半円セグメントのグループを形成することによって達成され得る。それぞれの他方の、第２の半円セグメントのグループのみは、前記中央点が螺旋経路の中央点に相対的にシフトされた半円中央点をそれぞれ有する。

この例示的実施形態の代替として、螺旋経路はまた、他の数学的方法によって、例えばスプライン補間によって計算又は形成されてもよい。

工作物機械加工のためのいくつかの選択可能な機械加工プログラムがレーザ加工装置内に記憶されてもよい。機械加工タスクに応じてオペレータは好適な機械加工プログラムを選択してもよい。例えばその場合、工作物材料、所望の形態のアブレーション形状、切削エッジ半径、表面粗度などが設定又は選択されてもよい。線間隔、及び必要に応じて追加の螺旋経路パラメータが、次に、選択された機械加工プログラムに応じて設定される。これらの螺旋パラメータは、選択可能な機械加工プログラムに、例えば表内で又は別の同等の割り当て規則に従って割り当てられる。機械加工タスクを目的とする機械加工プログラムと、そのために必要な螺旋経路パラメータとは、経験的に決定されて次にメモリ内に入れられてもよい。

本発明の有利な実施形態は従属請求項から、及び本明細書から推測することが可能である。本明細書は、本発明による方法及びレーザ加工装置の本質的特徴にそれぞれ限定されている。図面は追加的参照のために使用されるべきである。以下、例示的実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

レーザ加工装置の例示的実施形態の概略ブロック図。 工作物の機械加工の、及びこの目的のために工作物に沿って移動されるハッチング領域の概略斜視図。 螺旋経路の、及び間隔関数を用いた螺旋経路の線間隔の決定の、例示的実施形態の概略図。 螺旋経路の、及びこの螺旋経路によって生成されるアブレーション形状の、更なる例示的実施形態。 螺旋経路の線間隔と、必要に応じてその他の螺旋経路パラメータとを変えることによって生成され得るアブレーション形状の原理の概略図。 螺旋経路の線間隔と、必要に応じてその他の螺旋経路パラメータとを変えることによって生成され得るアブレーション形状の原理の概略図。 螺旋経路の線間隔と、必要に応じてその他の螺旋経路パラメータとを変えることによって生成され得るアブレーション形状の原理の概略図。 第１の螺旋経路の更なる例示的実施形態。 ハッチング領域内の、図８による第１の螺旋経路、及び第１の螺旋経路の使用により決定される追加の第２の螺旋経路。 それぞれが図９による第１及び第２の螺旋経路による４つのペア。 ハッチング領域内部のレーザビームの衝突点の蛇行経路進行を伴う、偏向装置のサーボモータの制御の原理の図。 ハッチング領域内部の螺旋経路に沿って工作物表面上のレーザビームの衝突点を導く間の、偏向装置のサーボモータの制御の概略図。

図１はレーザ加工装置１０のブロック図を示す。レーザ加工装置１０は、レーザビーム１２を生成するためのレーザ１１を含む。レーザビーム１２はパルスレーザビーム１２であってもよい。現在、最大３０ＭＨｚのパルス周波数を達成することがすでに可能であるが、将来、パルス周波数は更なる発達に応じてより高くなってもよい。レーザビーム１２を用いて、工作物１３は、衝突するレーザビームパルスが材料をアブレーションすることによって機械加工される。工作物の材料は、レーザビームパルスの衝突点１８において気化される（レーザアブレーション）。

制御ユニット１４は、レーザ信号ＬＳを用いてレーザ１１を制御する。レーザ１１の動作パラメータ、例えばパルス持続時間、パルス周波数、レーザパワーなどは、レーザ信号ＬＳを用いて予め指定されてもよい。

レーザ加工装置１０は、レーザビーム１２の光路内に偏向装置１５を含み、前記偏向装置は制御ユニット１４によって制御される。偏向装置１５は、レーザ１１によって放出された入射レーザビーム１２ａを、制御ユニット１４の制御に従って偏向するために配置され、これにより、偏向装置１５によって放出されたレーザビーム１２ｂは、工作物１２の工作物表面１７上のハッチング領域１６（図２）内に衝突する。その際に、偏向されたレーザビーム１２ｂは、ハッチング領域１６内部の衝突点１７に導かれる。図３は、３つのみの衝突点１８を概略的に示す。各衝突点１８において、工作物１３内にクレータが生成される。隣接するクレータ又は衝突点１８はオーバーラップしてもよく、その場合、隣接する衝突点１８のオーバーラップするパーセンテージは図３とは異なり、より大きくてもよく１００％に達してもよい。

偏向装置１５は、衝突点１８がハッチング領域１６内部で、予め指定された螺旋経路１９（図３）に沿って移動するような手法で制御される。従って、生成されたレーザビームパルスの衝突点１８は、ハッチング領域１６内部で少なくとも１つの螺旋経路１９に沿って移行する。その際に、ハッチング領域１６内で工作物１３から材料が除去される。

偏向されたレーザビーム１２ｂをハッチング領域１６内部の螺旋経路１９に沿って偏向する又は方向付けるために、偏向装置１５は、少なくとも１つの本明細書に記載される例示的実施形態では、少なくとも、１つの第１の偏向ミラー２３と１つの第２の偏向ミラー２４とを含む。入射レーザビーム１２ａは最初に第１の偏向ミラー２３上に衝突し、そこで第２の変更ミラー２４に反射され、第２の偏向ミラー２４から、次に所望の衝突点１８上に導かれる。従ってレーザビーム１２は、偏向装置１５を介して少なくとも２つの空間方向において方向付けられ、これにより衝突点１８はハッチング領域１６内部の任意の点に到達し得る。例示的実施形態ではこの目的のために、２つの偏向ミラー２３、２４は関連するミラー枢動軸２５、２６の周りを枢動可能であるように支持される。本明細書に記載される例示的実施形態では、第１の偏向ミラー２３の第１のミラー枢動軸２５は、図１における投射面に対して垂直に、本例によればＹ方向に、延在する。第２の偏向ミラー２４の第２のミラー枢動軸２６は、第１のミラー枢動軸２５に対して直角に方向付けられ、本例によればＸ方向に延在する。

２つの偏向ミラー２３、２４のそれぞれはアクチュエータ又はサーボモータ２７と関連付けられ、これを用いて、関連するミラー枢動軸２５又は２６の周りのそれぞれの枢動移動が生成され得る。サーボモータ２７は制御ユニット１４の偏向信号ＡＳに基づいて電気的に制御される。

例示的実施形態では、レーザビーム１２ｂは、例えばレンズなどの１つ以上の光学合焦要素を含んでもよい合焦装置２９によって案内される。レーザビームは合焦ユニット２９を用いて衝突点１８上に合焦される。

更に、レーザ加工装置１０は位置決めアセンブリ３０を含む。位置決めアセンブリ３０は、レーザ加工装置１０の工作物ホルダ３１を偏向装置１５に相対的に位置決めするため、及び／又は機械加工動作の間に前記ホルダを移動するために配置され、前記ホルダは工作物１３をそれが機械加工される間保持する。この目的のために位置決めアセンブリ３０は、制御ユニット１４によって位置決め信号ＰＳを用いて制御される。

位置決めアセンブリ３０は、直線駆動装置及び／又は枢動駆動装置を有するいくつかの機械軸を含んでもよい。直線駆動装置ＬＸ、ＬＹ、ＬＺは図１では、矢印によって単に大幅に図式化して示されている。使用される直線駆動装置の数及び組み合わせは変更可能である。本明細書に記載される例示的実施形態では、５つの機械軸が存在し、直線駆動装置ＬＸ、ＬＹ、ＬＺをそれぞれ有する３つの直線軸と、枢動駆動装置のそれぞれを有する２つの枢動軸とが備えられる。工作物ホルダ３１は３つの空間方向Ｘ、Ｙ、Ｚ全てにおいて移動され得る。第１の枢動駆動装置３２は、工作物ホルダ３１を通って延在する第１の枢動軸３３の周りで工作物１３を枢動又は回転させるために配置される。第１の枢動軸３３を有する第１の枢動駆動装置３２は、第２の枢動駆動装置３４によって第２の枢動軸３５の周りで枢動され、第２の枢動軸３５は例示的実施形態では図１の投射面に対して直角にＸ方向において延在する。図１による例示的実施形態における機械軸の数及び組み合わせは例にすぎず、任意に変えることができる。

図２は、機械加工されている間の、平行六面体の形態を有する工作物１３を極めて図式化して示す。位置決めアセンブリ３０を用いて、偏向装置１５と工作物１３との間の相対移動が機械加工動作の間に生成され、この場合、例におけるように、工作物１３は位置決めアセンブリ３０を用いて偏向装置１５に相対的に移動される。その際にハッチング領域１６は工作物表面１７に沿って移行し、工作物１３上の材料アブレーションをそれぞれの位置において行う。ハッチング領域１６が完全に工作物１３の工作物表面１７の内部にある場合、溝形状の材料アブレーションが達成され、従って結果として得られるアブレーション形状４０は２つの側部４１と１つの底部４２とを有する（図４〜図７）。しかし、アブレーション形状が１つの側部４１と底部４２とを有するのみであるように図２に示すように工作物１３のエッジに沿ってハッチング領域１６の位置を案内することも可能である。これは、ハッチング領域１６の辺縁が工作物の一方のエッジにおいて終わる場合、又はハッチング領域１６が工作物表面１７と部分的にのみオーバーラップする場合である。

本発明によれば、ハッチング領域１６内部の少なくとも１つの螺旋経路１９の進行又は形態を表す少なくとも１つの螺旋経路パラメータが、ハッチング領域１６内のレーザによるエネルギー入力に、及びハッチング領域１６内部のこのエネルギー入力の分布に影響を及ぼす。この結果として所望のアブレーション形状４０が生成され得、これはひいては機械加工される工作物１３の、又はこれにより製造される製品、例えば切削ツールの特性に影響を及ぼす。以下の螺旋経路パラメータは単独で、又は任意に組み合わせて使用されてもよい。
−螺旋経路１９の中央点Ｍから半径方向外側経路終点Ｅまでの半径Ｒ、あるいは螺旋経路１９又はハッチング領域１６の直径、
−螺旋経路１９の中央点Ｍから開始して経路終点Ｅに至るまでの螺旋回旋の数ｎ、
−螺旋経路１９と、中央点Ｍ及び経路終点Ｅを通って延在する直線又は軸すなわち図３の描写におけるｒ軸との、２つの隣接する交点Ｐの間の可変の線間隔ａ。

アブレーション形状の最大幅Ｂは、図４に概略的に示されているように、螺旋経路１９の半径Ｒ又は直径によって予め指定される。ハッチング領域１６内のレーザビーム１２の総エネルギー入力は、螺旋回旋の数ｎによって決定される。ハッチング領域１６内部の総エネルギー入力の分布は、線間隔ａによって予め指定される。線間隔ａは螺旋経路１９全体にわたって一定であってもよい。所望のアブレーション形状４０を達成するために線間隔ａは、螺旋経路１９の中央点Ｍから半径方向外側の方にわたって可変であってもよく、例えば継続的により大きく、又は特に、継続的により小さくなってもよい。

図５〜図７は、達成可能なアブレーション形状４０の様々な基本形態を概略的に示す。図５は、比較的急勾配の側部４１と底部４２とを伴うＵ字形を有する、これらに沿って材料アブレーションが比較的均一に行われたアブレーション形状４０を示す。螺旋経路１９の中央点Ｍの領域内のエネルギー入力が、半径方向のより外側よりも低い場合、螺旋経路１９又はハッチング領域１６の中央点Ｍの領域内で、わずかな隆起４２が底部４２において形成されてもよい。図５によるＵ字形のアブレーション形状４０は、例えば最初の機械加工ステップの間に大きな材料アブレーションを達成するために選択されてもよい。

図６は、２つの側部４１が、図５によるアブレーション形状４０の場合より大きな角度を互いの間で規定するアブレーション形状４０を示し、従ってこの場合、側部４１の勾配はより緩やかである。従って図６によるアブレーション形状４０は、Ｖ字形状を表すと言われ得る。

図７は、２つの側部４１が非常に小さい角度を共に規定し、従って非常に急勾配であるアブレーション形状４０を示す。このアブレーション形状４０を生成するために、ハッチング領域１６の辺縁領域内で、従って螺旋経路１８の半径方向外側上で線間隔ａは最小となり、従って高いエネルギー入力がそこでもたらされる。ハッチング領域の中央から半径方向外側方向のこのエネルギー分布により、側部４１に隣接する底部４２の領域内の材料アブレーションは底部４２の中央領域におけるよりも大きく、従って中央領域では、図５及び図６による他の例示的実施形態におけるよりも大きな隆起４２ａが形成される。このアブレーション形状はＷ字形状と呼ばれ得る。ハッチング領域１６の辺縁領域内での比較的高いエネルギーの印加により、図７によるＷ字形状は、非常に小さな切削エッジ半径の生成、及び工作物１３の仕上げ加工に特に好適である。工作物１３の側部４１上、従って切削領域又は側部領域上に、研磨面にほぼ一致する極めて小さな表面粗度を生成することが可能である。

図３は、線間隔ａの決定を極めて図式化して示す。例えば螺旋回旋の数ｎは、ｎ＝５として選択されると仮定する。線間隔ａの決定は、他の数値ｎについても同じである。上述のように、螺旋回旋の数ｎは、隣接する衝突点１８のオーバーラップ、及びレーザパワーが与えられた場合に、材料アブレーションを達成するためにハッチング領域１６内に入力されるエネルギーを決定するために使用される。隣接する衝突点１８のオーバーラップ、及びレーザパワー、並びにパルス周波数によって、ハッチング領域内のエネルギー入力は変化する。

更に、間隔関数ｆ（ｒ）が予め指定される。従って間隔関数ｆは関数変数ｒの関数であり、関数変数ｒは現在の場合、螺旋経路１９の中央点Ｍからの交点Ｐの距離を示す。従って空間関数ｆの使用により、螺旋経路１９の線密度は、以下のように中央点Ｍからの距離の関数として影響を受ける。
ｆ（ｒ）＝ｂ＊ｒ^ｃ
上式で、
ｒ：中央点Ｍからの螺旋経路１９の被視点の距離を示す関数変数、
ｂ：スケーリング因子、
ｃ：間隔パラメータである。

線間隔ａは間隔パラメータｃを介して設定される。間隔パラメータｃが０より大きく１より小さい場合、線間隔は螺旋の中央点Ｍから半径方向外側方向において増加する。間隔パラメータｃが１より大きい場合、例えば図３において示されるように、線間隔は螺旋の中央点Ｍから半径方向外側に向かって減少する。間隔パラメータｃ＝１である場合、線間隔は一定である。原則として、ハッチング領域１６の半径Ｒを変更しないために、スケーリング因子ｂはｂ＝１である。

例えば関数変数ｒに対する関数値ｆ（ｒ）の対数関数的又は指数関数的依存性を示す他の間隔関数ｆを選択することも可能である。関数変数ｒの様々なセクションについて異なる間隔関数を予め指定することも可能であり、前記間隔関数は好ましくは、関数変数ｒのセクションの２つのセクション境界上で安定した移行を、及び／又は区別可能な移行を示す。間隔関数ｆが、関数変数ｒの指数部内に間隔パラメータｃが置かれる項を含む場合、有利であることが見出された。

間隔関数ｆの使用により、図３に示すように線密度ａが決定される。最初に、螺旋経路１９の半径Ｒに対する関数値ｆ（Ｒ）が計算され、続いて、螺旋回旋の数ｎに応じて等距離のセクションｄ＝ｆ（Ｒ）／ｎに分割される（図３）。次に、間隔関数ｆの逆関数を用いて個々の線間隔ａ１、ａ２、ａ３．．．ａ（ｎ−１）が決定される。螺旋経路１９の既知の半径Ｒによって、経路終点Ｅも既知である。この経路終点から開始し、線間隔ａ１、ａ２、ａ３．．．ａ（ｎ−１）を使用して、ｒ軸を有する螺旋経路１９の各螺旋回旋についての交点Ｐの位置が計算され得る。

本例によれば、螺旋経路１９は第１の半円セグメント４５と第２の半円セグメント４６とによって形成される。全ての半円セグメント４５、４６は異なる半径を有する。１つ又は２つの第２の半円セグメント４６が、それぞれの移行点Ｕにおいて第１の半円セグメント４５に続く。図３による例示的実施形態では、移行点Ｕは共通軸上に、すなわちｒ軸上に位置する。第１の半円セグメント４５のグループは、螺旋経路１９の中央点Ｍに中心を有するように配置される。第２の半円セグメント４６のグループは、それぞれ、半円中央点とは異なる螺旋経路１９の中央点Ｍを有し、更に、個々の第２の半円セグメント４６は異なる半円中央点を示す。この設計により、螺旋経路１９は非常に容易かつ迅速に計算され得る。

上述の決定された外側交点Ｐ（ここでは交点Ｐ５）又は経路終点Ｅから開始して、既知の半径Ｒが、中央点Ｍに中心を有する最も外側の第１の半円セグメント４５を位置決めするために使用される。後者に続く第２の半円セグメント４６は、経路終点Ｅからの線間隔ａ（ｎ−１）、ここではａ４を有する。これに基づいてこの第２の半円セグメント４６の半円中心が決定され得、この結果として螺旋経路１９の最も外側の螺旋回旋が得られる。後続の追加の螺旋経路回旋は、螺旋経路１９がその中央点Ｍに到達するまで、これと同様に決定される。

他の経路進行とは異なり、衝突点１８を、従って偏向されたレーザビーム１２ｂをハッチング領域１６内部の螺旋経路１９に沿って案内することは、偏向ミラー２３、２４のためのサーボモータ２７を有する偏向装置１５の動作の観点からの利点を有する。図１１は、工作物表面上でレーザビーム１２の衝突点１８を案内するための例として、蛇行経路を概略的に示す。偏向されたレーザビーム１２ｂの衝突点１８のそのような又は類似の移動経路において、偏向ミラーは図１１に示すように、所望の移動パターンを達成するために何度も加速及び停止される。この場合、第１の曲線Ｋ１は偏向ミラーの制御を、及び第２の曲線Ｋ２はそれぞれの他方の偏向ミラーの制御を、時間ｔの関数として表す。この場合、図１１から明らかなように、偏向ミラーの位置はＸ方向において、及びＹ方向において断続的に又は段階的に変更される。従って大きな加速度及び加速度変化が発生する。その際に、偏向ミラーのためのサーボモータ２７には大きな応力がかけられる。

対照的に、本発明によれば、工作物表面１７上のレーザビーム１２の衝突点１８の移動のために螺旋経路１９が提供される。螺旋経路１９は、第３の曲線Ｋ３及び第４の曲線Ｋ４によって概略的に示されているように、２つの偏向ミラー２３、２４の正弦波及び余弦波変位移動によって達成され得る。２つの曲線Ｋ３、Ｋ４は互いに相対的に位相シフトされている。本例によれば、第１の偏向ミラー２３のためのサーボモータ２７の制御のための第４の曲線Ｋ４は余弦波であり、第２の偏向ミラー２４のためのサーボモータ２７の制御のための第３の曲線Ｋ３は正弦波である。この場合、加速度変化が減少し、従って最小の衝撃及び振動で偏向装置１５の動作が可能である。

ハッチング領域１６内にいくつかの螺旋経路１９が提供される場合、偏向装置５０の動作の更なる改良が達成され得、これについて図８〜図１０を参照して以下に説明する。

図８は、上述の原理に従って決定された螺旋経路１９を示す。以下ではこの螺旋経路１９は第１の螺旋経路１９ａとして働く。図９による例示的実施形態では、第１の螺旋経路１９ａ、及び更に、追加の螺旋経路１９ｂが予め指定されており、これらがハッチング領域内でのレーザの衝突点１８の経路を予め指定する。２つの螺旋経路１９ａ及び１９ｂは同じ螺旋経路パラメータｎ、Ｒ、ａを有する。本例によれば、第２の螺旋経路１９ｂは、第１の螺旋経路１９ａの半円セグメント４５、４６の間の移行点Ｕが位置する軸上で、第１の螺旋経路１９ａをミラーリングすることによって生成される。現在の場合、第１のミラーリングがｒ軸上で行われる。

図９による、第１の螺旋経路１９ａと第２の螺旋経路１９ｂとを有するハッチング領域１６の例示的実施形態では、従って、レーザビームの衝突点１８を、第１の螺旋経路１９ａの中央点Ｍから開始して終点Ｅまで、及びそこから方向反転なしに第２の螺旋経路１９ｂを経由して中央点Ｍに戻るまで案内することが可能である。そこから衝突点１８は次に、再び第１の螺旋経路１９ａに沿って外側方向に経路終点Ｅまで案内されるなどする。この結果として、サーボモータ２７による偏向ミラー２３、２４の設定の移動のための、滑らかな移動進行が達成され得る。

図９による第１の螺旋経路１９ａと第２の螺旋経路１９ｂとは螺旋経路ペア５０を形成する。図９から推測できるように、レーザのこの案内を考慮すると、より大きな材料アブレーションを有する点とより小さな材料アブレーションを有する点とがハッチング領域１６内に存在する。例えば図９において、中央点Ｍの右側には、衝突点１８がない領域を見ることができる。ハッチング領域１６内部の材料アブレーションの均一化を達成するために、レーザビームはまた、複数の螺旋経路１９又はいくつかの螺旋経路５０に沿って案内されてもよい。図１０はこの一例示的実施形態を示す。この場合、図９による螺旋経路ペア５０が数回、本例では４回、ハッチング領域１６内部に配置される。４つの螺旋ペア５０のそれぞれはハッチング領域１６又は中央点Ｍの周りで円周方向に回転されて、それぞれが互いに相対的に９０°傾斜する。螺旋経路ペア５０は言わば、円周方向において均一に配置される。２つの隣接する螺旋ペア５０の間の回転角は、提供される螺旋経路ペア５０の数に由来する。図１０による例示的実施形態の修正形態では、奇数個の螺旋経路ペアを使用することも可能である。ハッチング領域１６内部でレーザビームを案内するために予め指定される螺旋経路１９又は螺旋経路ペア５０の数は基本的に、所望に応じて選択されてもよい。例えば、６又は１２の互いに回転された螺旋経路ペア５０を提供することも可能である。

特定の反復機械加工タスクのための機械加工プログラムが制御ユニット１４内に記憶されて、レーザ加工装置１０の図示されていないオペレータインタフェースを介してオペレータによって選択されてもよい。例えば工作物材料、アブレーション形状４０の所望の形状、切削エッジ半径、表面粗度などが機械加工プログラム内で選択されてもよい。次に、線間隔ａ、及び必要に応じて追加の螺旋経路パラメータｎ、Ｒが、選択された機械加工プログラムに応じて制御ユニット１４によって設定される。これらの螺旋パラメータａ、ｎ、Ｒは、選択可能な機械加工プログラムに、例えば表の形態で又は別の同等の割り当て規則に従って割り当てられる。機械加工タスクのために提供される機械加工プログラムと、そのために必要な螺旋経路パラメータとは、経験的に決定されて次に記憶されてもよい。

本発明は、工作物１３を機械加工するための方法及びレーザ加工装置１０に関する。レーザ加工装置１０はレーザビーム１２を生成するためのレーザ１１を有し、レーザビーム１２は、制御ユニット１４によって規定されたパターンに従って偏向装置１５を介して偏向され、表面が機械加工される工作物（１３）の工作物表面１７上に導かれる。工作物表面１７上の、偏向されたレーザビーム１２ｂの衝突点１８は、円形のハッチング領域１６内部の少なくとも１つの螺旋経路に沿って案内される。螺旋経路１９は螺旋経路パラメータによって特徴付けられる。１つの螺旋経路パラメータは、螺旋経路１９と、螺旋経路１９の中央点Ｍを通り抜ける軸との、隣接する交点Ｐの間の線間隔ａである。線間隔ａは、可変的に調節されるか、又は予め指定された値から選択されてもよい。中央点Ｍを基準にして半径方向で互いに隣接して位置する２つの螺旋経路点の間の線間隔ａを変更することによって、工作物１３内のハッチング領域１６内部の、レーザビームによるエネルギー入力のエネルギー分布がハッチング領域１６内部で調節され得る。これは予め指定された又は予め指定可能な間隔関数ｆの間隔パラメータｃを用いて達成され、間隔関数ｆを用いて線間隔ａが決定され得る。この結果として、機械加工される工作物１３上の所望の標的パラメータ、例えば、生成される表面、特に切削表面又は側部表面の表面粗度、切削エッジのエッジ半径、又は機械加工動作中の材料アブレーションのレートなどが影響を及ぼされ得る。

１０ レーザ加工装置
１１ レーザ
１２ レーザビーム
１２ａ 入射光ビーム
１２ｂ 偏向された光ビーム
１３ 工作物
１４ 制御ユニット
１５ 偏向装置
１６ ハッチング領域
１７ 工作物表面
１８ 衝突点
１９ 螺旋経路
１９ａ 第１の螺旋経路
１９ｂ 第２の螺旋経路

２３ 第１の偏向ミラー
２４ 第２の偏向ミラー
２５ 第１のミラー枢動軸
２６ 第２のミラー枢動軸
２７ サーボモータ

２９ 合焦装置
３０ 位置決めアセンブリ
３１ 工作物ホルダ
３２ 第１の枢動駆動装置
３３ 第１の枢動軸
３４ 第２の枢動駆動装置
３５ 第２の枢動軸

４０ アブレーション形状
４１ 側部
４２ 基部

４５ 第１の半円セグメント
４６ 第２の半円セグメント

５０ 螺旋経路ペア

ａ 線間隔
ＡＳ 偏向信号
ｂ スケーリング因子
ｃ 間隔パラメータ
Ｂ アブレーション形状の幅
ｄ セクション
Ｄ 螺旋経路の直径
Ｅ 終点
ｆ 間隔関数
Ｋ サーボモータを制御するためのカム
ＬＳ レーザ信号
ＬＸ、ＬＹ、ＬＺ 直線駆動装置
Ｍ 中央点
ｎ 螺旋回旋の数
Ｐ 交点
ＰＳ 位置決め信号
ｒ 関数変数
Ｒ 半径
ｔ 時間
Ｕ 移行点
Ｘ、Ｙ、Ｚ 空間方向

Claims (14)

1. レーザビーム（１２）を生成するためのレーザ（１１）を有するレーザ加工装置（１０）の使用により、及び、前記レーザビーム（１２）の光路内に配置された制御可能な偏向装置（１５）であって、工作物（１３）が機械加工される間、前記レーザ（１１）からの入射レーザビーム（１２ａ）を少なくとも２つの空間方向（Ｘ、Ｙ）において偏向し、偏向されたレーザビーム（１２ｂ）を前記工作物（１３）上に導く、偏向装置（１５）の使用により、及び、機械加工の間に、前記工作物（１３）と前記偏向装置（１５）とを互いに相対的に位置決め及び／又は移動する位置決めアセンブリ（３０）の使用により、前記工作物（１３）を機械加工する方法であって、
   前記偏向装置（１５）は、前記偏向されたレーザビーム（１２ｂ）の衝突点（１８）を、工作物表面（１７）上のハッチング領域（１６）内部で、少なくとも１つの螺旋経路（１９）に沿って移動させ、
   前記少なくとも１つの螺旋経路（１９）を表す１つの螺旋経路パラメータ（ａ、ｎ、Ｒ）として、前記螺旋経路（１９）の中央点（Ｍ）を通って延在する軸（ｒ）と前記螺旋経路（１９）との２つの隣接する交点（Ｐ）の間の線間隔（ａ）が、前記ハッチング領域（１６）内部の材料アブレーション形状及び材料アブレーションに影響を及ぼすために設定されるか又は予め指定されたデータから選択され、
   前記材料アブレーション形状は、生成される溝の断面形状に一致し、
   前記線間隔（ａ）は、前記少なくとも１つの螺旋経路（１９）の前記中央点（Ｍ）から外側方向に向かって増加するように又は減少するように設定又は選択されることを特徴とする、方法。
2. 前記少なくとも１つの螺旋経路（１９）を表す１つの螺旋経路パラメータ（ａ、ｎ、Ｄ）として、前記螺旋経路（１９）の半径（Ｒ）が、前記材料アブレーションに影響を及ぼすために設定されるか又は予め指定されたデータから選択されることを特徴とする、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの螺旋経路（１９）を表す１つの螺旋経路パラメータ（ａ、ｎ、Ｒ）として、前記ハッチング領域（１６）内部の前記螺旋経路（１９）の螺旋回旋の数（ｎ）が、前記ハッチング領域（１６）内部の前記材料アブレーションに影響を及ぼすために設定されるか又は予め指定されたデータから選択されることを特徴とする、
   請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記線間隔（ａ）は、少なくとも１つの可変の間隔パラメータ（ｃ）を有する予め指定された間隔関数（ｆ）に応じて変化することを特徴とする、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記間隔パラメータ（ｃ）は関数変数（ｒ）の指数部に配置されることを特徴とする、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記ハッチング領域（１６）内部で、少なくとも１つの第１の螺旋経路（１９ａ）であって、前記第１の螺旋経路（１９ａ）の中央点（Ｍ）から外側方向に経路終点（Ｅ）まで延在する、少なくとも１つの第１の螺旋経路（１９ａ）が予め指定されること、及び、少なくとも１つの第２の螺旋経路（１９ｂ）であって、前記第１の螺旋経路（１９ａ）の前記経路終点（Ｅ）から前記第１の螺旋経路（１９ａ）の前記中央点（Ｍ）まで戻るように延在する、少なくとも１つの第２の螺旋経路（１９ｂ）が予め指定され、前記第２の螺旋経路は前記第１の螺旋経路（１９ａ）とは異なることを特徴とする、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記第２の螺旋経路（１９ｂ）は前記第１の螺旋経路（１９ａ）と同じ螺旋経路パラメータ（ａ、ｎ、Ｒ）を含むことを特徴とする、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記少なくとも１つの螺旋経路（１９）は、異なる半径を有する複数の半円セグメント（４５、４６）から構成されることを特徴とする、
   請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの螺旋経路（１９）を有する前記ハッチング領域（１６）の、前記工作物表面（１７）に沿った移動は、前記螺旋経路（１９）の前記線間隔（ａ）に応じたアブレーション形状（４０）を有する材料アブレーションを生成することを特徴とする、
   請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの螺旋経路（１９）を有する前記ハッチング領域（１６）の、前記工作物表面（１７）に沿った移動は、アブレーション形状（４０）を有する材料アブレーションを生成し、前記アブレーション形状（４０）の１つの側部（４１）上の表面粗度は、前記ハッチング領域（１６）の半径方向外側辺縁領域における前記螺旋経路（１９）の前記線間隔（ａ）に応じて変化することを特徴とする、
    請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つの螺旋経路（１９）を有する前記ハッチング領域（１６）の、前記工作物表面（１７）に沿った移動は、アブレーション形状（４０）を有する材料アブレーションを生成し、前記アブレーション形状（４０）の側部峻度は、前記ハッチング領域（１６）の半径方向外側辺縁領域における前記螺旋経路（１９）の前記線間隔（ａ）に応じて変化することを特徴とする、
    請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 複数の選択可能な機械加工プログラムがメモリ内に記憶され、各機械加工プログラムには、前記線間隔（ａ）又は追加の更なる螺旋パラメータ（ｎ、Ｒ）が少なくとも割り当てられることを特徴とする、
    請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記工作物（１３）上の異なるアブレーション形状（４０）のために、異なる選択可能な機械加工プログラムが利用可能であることを特徴とする、
    請求項９〜請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 工作物（１３）を機械加工するレーザ加工装置（１０）であって、
    レーザビーム（１２）を生成するためのレーザ（１１）を有し、
    制御ユニット（１４）を有し、
    前記レーザビーム（１２）の光路内に配置され、前記制御ユニット（１４）によって制御されることが可能な偏向装置（１５）であって、前記工作物が機械加工される間、前記レーザ（１１）からの入射レーザビーム（１２ａ）を少なくとも２つの空間方向（Ｘ、Ｙ）において偏向し、偏向されたレーザビーム（１２ｂ）を前記工作物（１３）上に導く、偏向装置（１５）を有し、
    機械加工の間に、前記工作物（１３）と前記偏向装置（１５）とを互いに相対的に位置決め及び／又は移動する位置決めアセンブリ（３０）を有し、
    前記制御ユニット（１４）は、前記偏向されたレーザビーム（１２ｂ）の衝突点（１８）が、工作物表面領域（１７）上のハッチング領域（１６）内部で、少なくとも１つの螺旋経路（１９）に沿って移動するような手法で前記偏向装置（１５）を制御し、
    前記制御ユニット（１4）を用いて、前記少なくとも１つの螺旋経路（１９）を表す螺旋経路パラメータ（ａ、ｎ、Ｒ）として、前記螺旋経路（１９）の中央点（Ｍ）を通って延在する軸（ｒ）と前記螺旋経路（１９）との２つの隣接する交点（Ｐ）の間の線間隔（ａ）が、前記ハッチング領域（１６）内部の材料アブレーション形状及び材料アブレーションに影響を及ぼすために設定されるか又は予め指定されたデータから選択され、
    前記材料アブレーション形状は、生成される溝の断面形状に一致し、
    前記線間隔（ａ）は、前記少なくとも１つの螺旋経路（１９）の前記中央点（Ｍ）から外側方向に向かって増加するように又は減少するように設定又は選択されることを特徴とする、レーザ加工装置（１０）。
    

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