【正文】 應(yīng)性的特點。 將對焦裝置切入現(xiàn)有機(jī)床的光路系統(tǒng)，組成新的對焦系統(tǒng)，通過試驗驗證了系統(tǒng)的可行性。為了獲得高質(zhì)量的切縫，就要精確確定焦點的位置。由于功率密度與光束截面直徑的平方成反比，而焦點處的直徑最小，因而功率密度最高。針對 CLS2020 型激光切割機(jī)現(xiàn)有的調(diào)焦系統(tǒng)不能準(zhǔn)確確定焦點位置的缺點，提出并設(shè)計了一套以自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡為主要部件的幾何光學(xué)對焦系統(tǒng)。它占整個激光加工業(yè)的 70%以上。激光切割板材時 ,不需要模具 ,可以替代一些需要采用復(fù)雜大型模具的沖切加工方法 ,能大大縮短生產(chǎn)周期和降低成本。當(dāng)然 ,由于我國激光工業(yè)基礎(chǔ)較差 ,激光加工技術(shù)的應(yīng)用尚不普遍 ,激光加工整體水平與先進(jìn)國家相比仍有較大差距。數(shù)控激光切割機(jī)的研制屬于機(jī)電一體化范疇它的研制使生產(chǎn)系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面 ,方便而易學(xué)的編程方式 ,以及精確的切割軌跡控制功能 ,適合于工業(yè)現(xiàn)場的使用 ,極大地提高了生產(chǎn)率。激光切割的速度快、永久性、易讀性、無污染性及自然性，達(dá)到了電子工業(yè)的質(zhì)量要求。 （ 5）在醫(yī)學(xué)上做標(biāo)識，如在試驗用的動物身上做標(biāo)記。與機(jī)械、化學(xué)等雕刻手段相比，激光切割的范圍更廣泛。由于激光強(qiáng)度高、方向性好，極細(xì)的激光束可以做到精細(xì)雕刻，雕刻品分辨率很高，可實現(xiàn)精細(xì)圖案雕刻。 1. 3 激光切割技術(shù)的特點 激光技術(shù)是二十世紀(jì)最重要的發(fā)明之一，是二十世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志和現(xiàn)代信息社會光電子技術(shù)重要支柱之一 [1]。對許多機(jī)電制造行業(yè)來說，由于微機(jī)程序控制的現(xiàn)代化激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件 (工件圖紙也可修改 )，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用[3]；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有模具消耗，無需修理模具，節(jié)約更換模具時間，從而節(jié)省加工費用，降低產(chǎn)品成本，所以從總體上講在經(jīng)濟(jì)上更為合算 [4]。 (4)對非金屬材料 波長為 μm 的 CO2激光束很容易被非金屬材料所吸收，低的導(dǎo)熱性和低的蒸發(fā)溫度又使吸收的光束能幾乎全部傳入材料的內(nèi)部，并在光斑照射處瞬間汽化，形成起始孔洞，進(jìn)入切割過程的良性循環(huán)。以日本為例，目前己擁有 CO2激光加工機(jī) 2 萬多臺，約占全球激光加工機(jī)總量的 1/3，其中 80%為激光切割設(shè)備。激光被譽(yù)為“萬能加工工具”、“未來制造系統(tǒng)的共同加工手段”，不僅在國防工業(yè)領(lǐng)域而且在民用工業(yè)領(lǐng)域也獲得了廣泛應(yīng)用。在美國汽車工業(yè)中，通用汽車公司已經(jīng)建立了 22 條激光加工生產(chǎn)線，其中切割生產(chǎn)線占總體的 65%以上。日本的 ShunihcSato 等試驗了用 KrF 準(zhǔn)分子激光器與 CO 激光器聯(lián)合作用的雙波激光切割，重復(fù)頻率為 220Hz。 （ 2） 國內(nèi)現(xiàn)狀 同國外的發(fā)展情況相比，我國激光加工技術(shù)研究起步較晚，工業(yè)基6 礎(chǔ)較差，激光加工的整體水平比較落后，工業(yè)生產(chǎn)自動化程度不是很高，但是國家在激光加工技術(shù)方面的研究給予了相當(dāng)?shù)闹匾?，除了將激光加工技術(shù)列入國家重點科技攻關(guān)外，它在國家自然科學(xué)基金、國家“ 863計劃、國家“火炬”計劃等也有相當(dāng)?shù)捻椖勘涣腥搿?同時隨著可用于切割的激光器功率的增大，激光切割正從輕 工業(yè)薄板的鈑金加工向著重工業(yè)厚板切割方向發(fā)展，如湖南大學(xué)李力鈞先生帶領(lǐng)一大批學(xué)者對激光加工技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，華中科技大學(xué)對激光加工設(shè)備的完善使其具有良好的性能進(jìn)行了研究。北京工業(yè)大學(xué)國家產(chǎn)學(xué)研激光技術(shù)中心 (NCTL)針對激光的柔性加工，研究分析了激光加工的運動過程，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，利用 AuotCAD 的二次開發(fā)工具 ARX，開發(fā)出計算機(jī)輔助激光加工軟件系統(tǒng)，并對激光三維加工軌跡進(jìn)行了計算機(jī)仿真。隨著市場和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在汽車、航空、機(jī)車及工程機(jī)械等行業(yè)對三維激光切割機(jī)的需求將會不斷增大，對其參數(shù)、性能和可靠性等各方面的要求也將不斷提高。總體來說，我國的激光切割技術(shù)的綜合水平還是比較低。 （ 2）根據(jù)激光切割工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響情況，改進(jìn)加工工藝，如 :增加輔助氣體對切割熔渣的吹力 。隨著激光切割工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫及工藝參數(shù)智能選擇系統(tǒng)的建立激光切割將向高度自動化、柔性化、智能化方向發(fā)展，逐步完善 CAD/CAPP/CAM 以及8 人工智能在激光切割系統(tǒng)中的應(yīng)用。 課題背景和意義 作為高科技的激光技術(shù)，自問世以來，就一直針對不同的社會需求研發(fā)出適合各行業(yè)的激光設(shè)備。但是目前這類機(jī)床都沒有專用的對焦手段或采用的對焦的準(zhǔn)確性不高，對于精細(xì)的雕刻不能滿足要求。本課題在實踐中有著重大的理論意義和應(yīng)用價值。其中大功率 CO2激光器和大功率 Nd： YAG 激光器在大型工件激光加工技術(shù)中應(yīng)用較廣：中小功率 CO2激光器和 Nd： YAG 激光器在精密加工中應(yīng)用較多；準(zhǔn)分子激光器多用于微細(xì)加工；而由于短脈沖激光與材料的熱擴(kuò)散相比，能更快地在照射部位注入能量，所以主要應(yīng)用于超精細(xì)激光加工。圖中在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體 N2 的噴嘴，用以提高切割速度和切口的平整光潔。激光切割是激光加工行業(yè)中最重要的一項應(yīng)用技術(shù)，它占整個激光加工業(yè)的 70%以上 [1314]。在由激光器產(chǎn)生的各種模式的激光中，最基本 、應(yīng)用最多的是基模（ TEM00）高斯光束，它具有以下基本性質(zhì) [15]。波面曲率半徑隨傳播距離 z 的變化由以下方程決 定 ： 11 ? ???????????????????2201 ??zwzzR （ ） 可見，當(dāng) 0?z 時 ， ? ? ??zR ，表明束腰所在處的等相位面為 平面；當(dāng) ? ??? 20wz ? 時， ??zR 逐漸減小至最小值為 ? ??? 202 w ，激光束由平面波變?yōu)榍蛎娌?，此時半徑最小。在實際應(yīng)用中，還可以根據(jù)已知的光斑半徑和波面曲率半徑來決定束腰的位置和大小，這只要將式（ ）和（ ）聯(lián)立方程組，求解0w和 z 即可得到如下式的計算： 222201 ??????????Rwww?? （ ） 221 ????????wRRz?? （ ） （ 2） 由于激光束的傳播路徑呈雙曲線形，其中在束腰處光束的截面為最小，離束腰越遠(yuǎn)，則光束口徑越大。在激光切割、打孔及微細(xì)加工等應(yīng)用場合要求激光束具有盡可能小的發(fā)散角和高度聚焦性能，以便將激光能量集中在很小的區(qū)域，12 提高功率密度。圖 為透鏡對高斯光束的變換示意圖。 在激光加工的光學(xué)系統(tǒng)中，常使用透鏡來對光束進(jìn)行聚焦。因此，要使像方的束腰半徑為最小，就要加大透鏡被照明的口徑，減小焦距長度，選擇較短的光波長。 聚焦是激光加工中最常見的一種光學(xué)處理，聚焦系統(tǒng)可能只有一個鏡片，也可能由多個鏡片組成。圖（ c）、（ d）、（ e）是三種球面反射鏡聚焦系統(tǒng)的三種 主要形式。下面詳細(xì)介紹平面鏡一透鏡聚焦系統(tǒng)。 聚焦透鏡 聚焦透鏡用于把射入激光切割頭的平行激光束進(jìn)行聚焦，以獲得較小的光斑和較高的功率密度。透鏡的焦距對聚焦后光斑直徑和焦點深度有很大影響。焦深是描述聚焦光束特性的一個參數(shù)。規(guī)定在焦深范圍內(nèi)，近似認(rèn)為功率密度基本相同。當(dāng)透鏡焦距增加，使聚焦光斑尺寸增加 1 倍，焦深可隨之增加到 4 倍。 激光切割的切口寬度同 光束模式和聚焦后光斑直徑有很大的關(guān)系。透鏡焦長小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。 19 第三章 激光切割機(jī)對焦技術(shù)研究和裝置設(shè)計 由于聚焦透鏡是安裝在激光頭內(nèi)部， CO2激光又是不可見光，不方便用肉眼直接觀察，激光聚焦的焦點位置無法直接測量，但可以通過間接方法或采用專門的儀器來檢測。這樣就不能準(zhǔn)確的確定焦點位置，影響加工質(zhì)量的進(jìn)一步提高。 對于 CLS2020 型激光切割機(jī)，激光頭安裝在 X 軸軌道上，軌道高度固定，要調(diào)整焦點位置，需要手動調(diào)節(jié)，而且激光器輸出的是連續(xù)激光，孔的大小受打印的時間影響，而打印時間不能準(zhǔn)確控制，第 1 種方法不適合該機(jī)床。20 不能滿足較高精度的雕刻和切割加工需要。 自準(zhǔn)原理 自準(zhǔn)直技術(shù)簡稱自準(zhǔn)直法，利用光學(xué)成像原理使物和像都處在同一個平面上 [21]。自準(zhǔn)直法是大學(xué)物理實驗中用來測量薄透鏡焦距的普遍應(yīng)用的方法之一。在同一平面內(nèi)，且大 小相等，方向相反，則 P與 L 之間的距離即為凸透鏡 L 的焦距。常見的分劃板照明方式有 三 種，相應(yīng)的就有 三 種自準(zhǔn)直目鏡，即有三種自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡。在實際應(yīng)用中，三種自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡各有優(yōu)點和缺點，性能比較如表 3l。其中，分劃板上刻有“豐”形叉絲；分劃板下方與一塊 45o 全反射小棱鏡的直角面相貼，直角面上涂有不透明薄膜，薄膜 上劃有一個“十”形透光的窗口，當(dāng)光源發(fā)出的光從管側(cè)經(jīng)伸長的直角棱鏡照明分劃板的一部分，即照亮“十”字窗口。如果平面境的法線與望遠(yuǎn)鏡光軸方向一致，則“十”字像位于分劃板“豐”形叉絲的上橫線上。凸透鏡焦距的標(biāo)準(zhǔn)值為 50mm。 表 32 自準(zhǔn)直法、物距像距法、二次成像法比較 方 法 原理 特點 誤差來源 改進(jìn)方法 系統(tǒng)誤差 偶然誤差 自 準(zhǔn) 直 法 測量簡單，但常出現(xiàn)假象造成錯誤 主平面不重合 線與屏不共面。第一反射鏡安裝在激光器出口，第二反射鏡可以隨橫梁沿 Y 方向移動，第三反射鏡在激光頭上，聚焦鏡在激光頭內(nèi)部，激光頭可在橫梁上沿 X 方向移動。該裝置的主要零件所用材料及數(shù)量見表 33。調(diào)整激光切割頭的 Z 向位移，當(dāng)在目鏡中觀察到坐標(biāo)線的清晰像時，聚焦鏡的焦點就在工件表面上。物鏡和目鏡間裝有分劃板，分劃板上刻“豐”叉絲，分劃板中心位于光軸上。調(diào)節(jié)分劃板調(diào)節(jié)手輪可以改變物鏡與分劃28 板之間的距離，使分劃板叉絲位于物鏡的焦平面上。從目鏡中觀察，叉絲的一小部分被直角 棱鏡遮住。 該望遠(yuǎn)鏡的主要參數(shù)如下： 鏡筒長度 180mm；物鏡口徑： 25mm；焦距： 168mm；目鏡焦距：； 目鏡口徑： 8mm；放大倍數(shù)： ；成像：倒像；視場角：1o36′ 分劃板移動距離： 26mm；目鏡調(diào)節(jié)范圍： 5mm。 本實驗所用自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡的出光口徑是 ，光軸與反射鏡夾角為 450，代入上式得 372 ?a mm。 選用厚度為 4mm。鏡套以鋁合金材料加工而成，一端均勻分布六個缺口。反射鏡架需要有仰俯、方位角微調(diào)功能。兩板以支撐體為支點，調(diào)節(jié)上下調(diào)整螺桿可改變活動板的仰俯角，調(diào)節(jié)左右調(diào)節(jié)螺桿可改變活動板的左右方位角。 （ 3）反射鏡調(diào)整架總裝圖 該反射鏡架有以下幾個特點 : ① 通過調(diào)整兩個 M5 細(xì)牙螺桿可以精密調(diào)節(jié)反射鏡的仰俯角和方位角，單軸調(diào)整量為 5o ～ +10o。 ③ 高性能拉簧復(fù)位，復(fù)位力均勻。通過旋轉(zhuǎn)絲杠螺母來調(diào)整絲杠頂端與底座的相對的高度，高度調(diào)整范圍為 0～ 25mm。絲杠和絲杠螺母材料為 45 鋼，表面鍍鉻 。支座前后面上的半圓用線切割一次切割成型，這樣能夠保證兩個圓柱面同軸。當(dāng)需要調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的仰俯角度時，可由旋轉(zhuǎn)兩個調(diào)節(jié)螺栓來實現(xiàn)。 ②將平面反射鏡放在望遠(yuǎn)鏡物鏡前，平面鏡垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸，且望遠(yuǎn)鏡的反射像 和望遠(yuǎn)鏡在同一直線上。 激光光軸垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸 將對焦裝置放于激光切割機(jī)的工作臺上，目測粗調(diào)。 用輔助光源進(jìn)行細(xì)調(diào)。仔細(xì)調(diào)整高度和反射鏡轉(zhuǎn)角，使光束入射點在各鏡面中心處。為了比較幾種方法的測量精度，以各測量值間接計算出聚焦透鏡的焦距，與透鏡焦距的標(biāo)準(zhǔn)值相比較。用控制面板上的移動按鈕，把激光頭移到楔形板上方合適位置。沿 Y 方向移動斜板，再次切割，共切割出 6 條切縫。共測量三組不同角度的楔形板，測量結(jié)果如表 41。測量切縫寬度，每條切縫在不同位置測量 5 次，求平均值作為該條切縫的寬度，測量數(shù)據(jù)如表 42 所示。如圖 所示。 表 43 鏡筒下端距工件表面的距離 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 均值 h/mm 23.00 22.78 22.66 22.52 22.46 21.94 22.74 22.56 22.14 22.42 22.52 f/mm 41.50 41.28 41.16 41.02 40.96 40.44 41.24 41.06 40.64 40.92 41.02 計算透鏡焦距 f =， ????f mm，相對誤差為 %。 該對焦裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，造價低，操作方便，能夠方便的切入和退出光路，不僅限于一臺機(jī)床，也可應(yīng)用于需要對焦的其它機(jī)床，具有較強(qiáng)的機(jī)床適配性。它將激光束聚焦成最小直徑可小于 的光點，使焦點處的功率密度可超過 1000KW/cm2，被照射的材料很快被加熱至氣化溫度，形成小孔。不僅成為改造傳統(tǒng)制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而且代表著當(dāng)前材料加工業(yè)的發(fā)展方向。主要結(jié)論如下： （ 1）在透鏡對焦的方法上，選用了望遠(yuǎn)鏡法確定透鏡焦點位置的方案， 完成了實際樣機(jī)的設(shè)計制作和裝配、調(diào)試。通過調(diào)整反射鏡調(diào)整架來調(diào)整光路方向使光束通過各鏡面中