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

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
通过激光束加工工件的方法、激光刀具、激光加工机、及机器控制本案是申请号为2014800488441的专利技术专利的分案申请，原申请的申请日为2014年9月5日，专利技术名称为《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》。
本专利技术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。
技术介绍
现有技术，除了别的以外，还有DE1017322A、WO2000/18535、DE10324439A、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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，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激光束的焦点位置进行控制。

【技术特征摘要】
2013.09.05 DE 102013217783.61.一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，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激光束的焦点位置进行控制。2.一种根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述激光束的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。3.一种根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述激光束的焦点位置通过使用Z移位器进行控制。4.一种根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述光学器件通过在辐射路径上的可调光学元件对所述激光束进行整形，所述可调光学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。5.一种根据权利要求4所述的方法，其特征在于：对所述激光束进行整形包括调整方向和/或所述的可调光学元件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。6.一种根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述可调光学元件是一个透镜其在所述的扭曲平面内具有不同的焦距，或者是一个光圈其在所述的扭曲面内具有不同的孔径尺寸。7.一种根据权利要求6所述的方法，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。8.一种根据权利要求7所述的方法，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的轨道速度。9.一种根据权利要求7所述的方法，其特征在于：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。10.一种根据权利要求7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。11.一种根据权利要求7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。12.一种根据权利要求11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...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·希尔德布兰德，戈特弗里德·莱尼克，
申请(专利权)人：萨澳激光有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE