【正文】 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心。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。 該對(duì)焦裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，造價(jià)低，操作方便，能夠方便的切入和退出光路，不僅限于一臺(tái)機(jī)床，也可應(yīng)用于需要對(duì)焦的其它機(jī)床，具有較強(qiáng)的機(jī)床適配性。如圖 所示。共測量三組不同角度的楔形板，測量結(jié)果如表 41。用控制面板上的移動(dòng)按鈕，把激光頭移到楔形板上方合適位置。仔細(xì)調(diào)整高度和反射鏡轉(zhuǎn)角，使光束入射點(diǎn)在各鏡面中心處。 激光光軸垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸 將對(duì)焦裝置放于激光切割機(jī)的工作臺(tái)上，目測粗調(diào)。當(dāng)需要調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的仰俯角度時(shí)，可由旋轉(zhuǎn)兩個(gè)調(diào)節(jié)螺栓來實(shí)現(xiàn)。絲杠和絲杠螺母材料為 45 鋼，表面鍍鉻 。 ③ 高性能拉簧復(fù)位，復(fù)位力均勻。兩板以支撐體為支點(diǎn)，調(diào)節(jié)上下調(diào)整螺桿可改變活動(dòng)板的仰俯角，調(diào)節(jié)左右調(diào)節(jié)螺桿可改變活動(dòng)板的左右方位角。鏡套以鋁合金材料加工而成，一端均勻分布六個(gè)缺口。 本實(shí)驗(yàn)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。從目鏡中觀察，叉絲的一小部分被直角 棱鏡遮住。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。該裝置的主要零件所用材料及數(shù)量見表 33。 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(diǎn) 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(cuò)誤 主平面不重合 線與屏不共面。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。在實(shí)際應(yīng)用中，三種自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，性能比較如表 3l。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。 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(gè)平面上 [21]。 對(duì)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(diǎn)位置，需要手動(dòng)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(shí)間影響，而打印時(shí)間不能準(zhǔn)確控制，第 1 種方法不適合該機(jī)床。 19 第三章 激光切割機(jī)對(duì)焦技術(shù)研究和裝置設(shè)計(jì) 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(diǎn)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。 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。規(guī)定在焦深范圍內(nèi)，近似認(rèn)為功率密度基本相同。透鏡的焦距對(duì)聚焦后光斑直徑和焦點(diǎn)深度有很大影響。下面詳細(xì)介紹平面鏡一透鏡聚焦系統(tǒng)。 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(gè)鏡片，也可能由多個(gè)鏡片組成。 在激光加工的光學(xué)系統(tǒng)中，常使用透鏡來對(duì)光束進(jìn)行聚焦。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。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(shí) ， ? ? ??zR ，表明束腰所在處的等相位面為 平面；當(dāng) ? ??? 20wz ? 時(shí)， ??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(shí)半徑最小。激光切割是激光加工行業(yè)中最重要的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，它占整個(gè)激光加工業(yè)的 70%以上 [1314]。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。但是目前這類機(jī)床都沒有專用的對(duì)焦手段或采用的對(duì)焦的準(zhǔn)確性不高，對(duì)于精細(xì)的雕刻不能滿足要求。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(dòng)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?？傮w來說，我國的激光切割技術(shù)的綜合水平還是比較低。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(duì)激光的柔性加工，研究分析了激光加工的運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)輔助激光加工軟件系統(tǒng)，并對(duì)激光三維加工軌跡進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。 （ 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(dòng)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(diǎn)科技攻關(guān)外，它在國家自然科學(xué)基金、國家“ 863計(jì)劃、國家“火炬”計(jì)劃等也有相當(dāng)?shù)捻?xiàng)目被列入。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。以日本為例，目前己擁有 CO2激光加工機(jī) 2 萬多臺(tái)，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。對(duì)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(shí)間，從而節(jié)省加工費(fèi)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]。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(shí)現(xiàn)精細(xì)圖案雕刻。 （ 5）在醫(yī)學(xué)上做標(biāo)識(shí)，如在試驗(yàn)用的動(dòng)物身上做標(biāo)記。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。激光切割板材時(shí) ,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。針對(duì) 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(diǎn)位置的缺點(diǎn)，提出并設(shè)計(jì)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(duì)焦系統(tǒng)。為了獲得高質(zhì)量的切縫，就要精確確定焦點(diǎn)的位置。激光切割與其他切割方法相比 ,最大區(qū)別是它具有高速、高精度和高適應(yīng)性的特點(diǎn)。因此 ,在我國 ,激光切割技術(shù)的推廣和應(yīng)用潛力很大。 （ 3）印刷業(yè)的柔性印刷中網(wǎng)紋輥的激光切割和柔印版的激光切割是目前激光切割中應(yīng)用最早、也是最成功的。 （ 2）雕刻速度快 激光切割工序簡單快捷且操作方便。 (1)激光有四大特性：高亮度、高方向性、高單色性和高相干性 [2]。激光能切割塑料 (聚合物 )、橡膠、木材、紙制品、皮革以及天然和合成織物等有機(jī)材料，同時(shí)也能切割石英、陶瓷等無機(jī)材料，還能切割新型輕質(zhì)加強(qiáng)纖維聚合體等復(fù)合材料 [8]。工業(yè)用激光器的制造及其引入生產(chǎn)的速度已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)生產(chǎn)效率及其在發(fā)達(dá)國家中地位的標(biāo)準(zhǔn)之一。 KrF 激光波長 ，與 5μm 的 CO 激光協(xié)同工件，總功率只有 300W，就可實(shí)現(xiàn)常規(guī)激光切割時(shí)功率 500~1000W 的效果。在新世紀(jì)之初，我國還應(yīng)加速研制厚板激光切割的新產(chǎn)品、新工藝，以改造我國橋梁制造、建筑機(jī)械和造船等重工業(yè)的熱切割工藝，提高經(jīng)濟(jì)效益，以填補(bǔ)我國在厚板激光切割方面的空白。 目前我國的激光切割技術(shù)研究仍需解決的問題是 :一方面要解決激光器的質(zhì)量 (模式、可靠性、配套性 )。加入造渣劑提高熔化物的流動(dòng)性 。如激光打標(biāo)機(jī)、激光焊接機(jī)、激光快速成型機(jī)、激光切割機(jī)等。 9 第二章 激光切割機(jī)的聚焦系統(tǒng)研究 2. 1 激光切割機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成 激光切割機(jī)除具有一般機(jī)床所需有的支承構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)部件以及相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制裝置外，主要還應(yīng)具有激光加工系統(tǒng)，它是由激光器、聚焦系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三部分組成的。 激光器 ； ； ； ； ； ； 圖 透射式聚焦系統(tǒng) 10 電氣系統(tǒng)包括激光器電源和控制系統(tǒng)兩部分，其作用是供給激光器能量（固體激光器的光泵或 CO2激光器的高壓直流電源）和輸出方式（如連續(xù)或脈沖、重復(fù)頻率等）進(jìn)行控制。 （ 1） 基模高斯光束在橫截面內(nèi)的光場振幅分布按高斯函數(shù)的規(guī)律從中心向外平滑地下降，由中心振幅值下降到 1/e 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的寬度，定義為光斑半徑，即 ： ? ? 2200z1 ??????????wwzw ?? （ ） 可見，高斯光束在傳播過程中，光斑半徑隨著傳播距離 z 成非線性變化，其軌跡為雙曲線。因此無論是自束腰向左還是向右激光束均是發(fā)散光束。圖中 P 和 P? ，分別為高斯光束入射在透鏡前和經(jīng)透鏡變換后的波面，其曲率半徑分別為R 和 R? ，光斑半徑分別為 w 和 w? ，束腰半徑分別為 0w 和 0w? ，束腰至透鏡的距離分別為 z 和 z? 。以 CO2激光器為例，來說明像方束腰半徑的計(jì)算。該聚焦系統(tǒng)適合焊接環(huán)形焊縫。透鏡經(jīng)常采用能透過激光波長的材料制造。焦深通常有基于光束中心光強(qiáng)變化和基于光斑尺寸變化的定義方法。 聚焦功率密度 根據(jù)高斯光學(xué)理論，經(jīng)透鏡聚焦后在各光束截面上的功率密度為 ? ?22 44 ??? f pdpF ?? （ ） 式中， F 為焦點(diǎn)處光束的功率密度； P 為激光輸出功率。它適用于薄件高速切割。 對(duì)焦方法 目前在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)焦的簡便方法有三種 : （ 1）打印法：使激光頭從上往下運(yùn)動(dòng)，在塑料板上進(jìn)行激光束打印，打印直徑最小處為焦點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)問題，本文提出了一種新的對(duì)焦方法。其光路圖如圖 所示。它們是以下三種 [22]. （ 1）阿貝式自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡； （ 2）高斯式自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡； （ 3）雙分劃板式自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡。調(diào)節(jié)目鏡，使目鏡視場中出現(xiàn)清晰的“豐”形叉絲。測量結(jié)果為： （ 1）物距 —— 像距法 ： ??f mm； （ 2）二次成像法 : ??f mm； （ ）自準(zhǔn)直法： ??f mm； （ 4）望遠(yuǎn)鏡法： ??f mm。光路系統(tǒng)如下圖所示： ； ； ； 1(Ml)； 2(M2)； 6.反射鏡 3(M3)； ； ； ； ； 11.工作臺(tái) 26 圖 光路系統(tǒng)示意 圖 其中激光頭的結(jié)構(gòu)如圖 。 阿貝自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡 阿貝自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡安裝在支撐座上，支撐座安裝在托板上，與底座相連接。阿貝目鏡的焦距為， 放大倍數(shù)為 7。 反射鏡調(diào)整架的設(shè)計(jì) （ 1）平面反射鏡的選擇與安裝 平面反射鏡是為實(shí)現(xiàn)預(yù)定光路轉(zhuǎn)折的一種最簡單的光學(xué)元件。根據(jù)使用要求，反射鏡帶寬從近紫外、可見光到遠(yuǎn)紅外，對(duì)入射角和偏振態(tài)不敏感 ，鍍介質(zhì)膜保護(hù)。 鏡架主要由固定板和活動(dòng)板兩個(gè)板組成。采用細(xì)牙銅螺桿可以提高靈敏度，在不需要定量調(diào)整時(shí)，能提供比普通螺桿精度更高的調(diào)節(jié)功能。絲杠上加工有鍵槽，當(dāng)調(diào)到合適高度后由鎖緊螺釘固定。支座底板與托板用 3 個(gè)螺栓和一個(gè)壓縮彈簧相聯(lián)接。 ③在目鏡中觀察，此時(shí)可看到一亮斑，沿光軸方向旋轉(zhuǎn)分劃板調(diào)節(jié)手輪，對(duì)望遠(yuǎn)鏡物鏡調(diào)焦，使亮十字線成像清晰。在聚焦鏡下方放置一個(gè)紅光光源，發(fā)出近似于平行光，垂直照射于聚焦透鏡的中心。該機(jī)床所用的激光聚焦透鏡的焦距理論值是 40mm。 測量切縫最細(xì)處距底板下表面的距離，則可通過圖 中的位置關(guān)系，計(jì)算得出噴嘴到焦點(diǎn)平面的距離和聚焦透鏡的焦距。 表 42 噴嘴距工件距離與切縫寬度 噴嘴距工件表面距離（ mm） 切縫寬度（ mm） 平均值 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 35 5 6 7 8 9 10 11 12 13 各數(shù)據(jù)點(diǎn)以三次多項(xiàng)式擬合，擬合曲線方程為： 2 1 5 2 0 2 0 0 23 ???? xxxy 通過計(jì)算當(dāng) y 取得最小值時(shí) x =，即當(dāng)噴嘴離工件表面 時(shí)，激光焦點(diǎn)位于工件表面上。 實(shí)驗(yàn)小結(jié) 37 通過對(duì)三種方法的測量結(jié)果的誤差的 比較，望遠(yuǎn)鏡法的準(zhǔn)確性高于其它兩種常用方法。隨著光束與 材料相對(duì)線性移動(dòng)，使小孔連續(xù)形成切縫 。試驗(yàn)比較了斜板法，掃描法，望遠(yuǎn)鏡法三種對(duì)焦方法，試驗(yàn)結(jié)果表明望遠(yuǎn)鏡法更適用于該機(jī)床。北京理工大學(xué)出版社 ,1993. [7]鄧樹森 .我國激光加。 本文以 CLS2020 型激光切割機(jī)為基本試驗(yàn)研究設(shè)備，分析了該機(jī)床的激光聚焦系統(tǒng)，針對(duì)該機(jī)床目前存在的對(duì)焦不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，在不改變原機(jī)床結(jié)構(gòu)的條件下，自行研制了一套基于阿貝自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡的對(duì)焦裝置，與