【正文】 機(jī)床的聚焦光路組成一個(gè)對(duì)焦光學(xué)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)焦。激光束聚焦后38 具有極強(qiáng)能量的很小作用點(diǎn)。手動(dòng)調(diào)整激光 頭與工件表面的距離，同時(shí)在望遠(yuǎn)鏡的目鏡觀察，當(dāng)在目鏡中觀察到坐標(biāo)紙上刻線的清晰的像時(shí)，停止調(diào)整激光頭，測(cè)量聚焦鏡筒下端距工件表面的距離 h，透鏡焦距 f =+h，測(cè)量結(jié)果如表 43。改變激光頭與工件表面距離，范圍從 0～ 13mm，每次激光頭遠(yuǎn)離工件 lmm，每改變一次位置，在工件表面切割一條 60mm 長(zhǎng)切縫，共切割出 14 條切縫?？p上最窄處就 是焦點(diǎn)的位置。 焦點(diǎn)位置測(cè)試 應(yīng)用本文提出的檢測(cè)焦點(diǎn)位置的望遠(yuǎn)鏡法和其它兩種工業(yè)中常用的方法檢測(cè) CLS2020 型激 光切割機(jī)的焦點(diǎn)位置。調(diào)整反射鏡架固定板與 X 方向成 45o 角。 32 （ 2）望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦 望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦的目的是將目鏡分劃板上的十字線調(diào)整到物鏡的焦平面上，也就是對(duì)無窮遠(yuǎn)調(diào)焦，其方法如下： ① 接通望遠(yuǎn)鏡目鏡中的小燈泡，將目鏡照明。 望遠(yuǎn)鏡支撐裝置 望遠(yuǎn)鏡支座由不銹鋼管加工而成，望遠(yuǎn)鏡安裝在上下兩個(gè)半圓面之間，用螺栓緊固。該部分主要由絲杠、絲杠螺母、底座和鎖緊螺釘共 4 個(gè)零件組成。另加工兩個(gè)鋁合金套與其配合，套加工有內(nèi)、30 外螺紋，外螺紋與反射鏡架的固定板板配合。 （ 2）反射鏡調(diào)整架 反射鏡在光路系統(tǒng)中的作用是改變光軸的轉(zhuǎn)向，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)裝置能夠調(diào)節(jié)反射鏡的角度使望遠(yuǎn)鏡的光路經(jīng)偏轉(zhuǎn)后與激光的光路同軸。其厚度與口徑的關(guān)系可參考表 34 表 34 平面反射鏡厚度與口徑的關(guān)系 特高精度平面反 較高精度 一般要求 29 射鏡 Ld 71~51? Ld 101~81? Ld 251~101? 注： d 平面反射鏡厚度； L 平面反射鏡的最大尺寸。自準(zhǔn)直時(shí)，小十字線的像和小十字線相對(duì)于光軸對(duì)稱。物鏡固定在望遠(yuǎn)鏡筒的另一端，為消色差雙膠合物鏡，焦距為168mm，通光口徑為 25mm。在待加工工件表面上平放一塊坐標(biāo)紙，作為觀察目標(biāo)。 ； ； ； ； 軸軌道 ； ； 收集箱 ； ； M1 ； 軸電機(jī) ； ； M2 ； 軸軌道 ； ； M3 圖 CLS2020 型激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 激光器產(chǎn)生的光通過反射鏡反射后，打到聚焦鏡上，再通過聚焦鏡的聚光，成為可用的光束。 23 在光具座上采用上表三種方法和望遠(yuǎn)鏡法測(cè)量同一個(gè)凸透鏡的焦距。阿貝式自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡由物鏡、目鏡、分劃板等組成，三者間距可調(diào)。要實(shí)現(xiàn)自準(zhǔn)直，首先要將分劃板照明，其次要從目鏡中看到自準(zhǔn)直像，還需要有反射鏡。自準(zhǔn)直法測(cè)量透鏡焦距就是首先利用待測(cè)透鏡自身產(chǎn)生一個(gè)位于無限遠(yuǎn)的物，再用待測(cè)透鏡對(duì)它成像，通過測(cè)量像與透鏡之間的距離來確定透鏡的焦距。 目前該機(jī)床采用的對(duì)焦方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來確定，將噴嘴移動(dòng)到離工件表面約 5mm 時(shí)即認(rèn)為是焦點(diǎn)位置，缺乏理論依據(jù)，而且也不準(zhǔn)確。對(duì)于低功率的激光切割機(jī)由于其成本較低往往不配置這樣的裝置，只是給出一個(gè)大致的焦點(diǎn)位置供參考。另外，透鏡焦距較小時(shí)，透鏡與工件之間的距離也縮小，在切割過程中透鏡易被濺沫等熔渣物質(zhì)弄18 臟，影響切割的正常進(jìn)行。 透鏡的焦距、聚焦光束的焦深與光斑大小的關(guān)系為：焦距短，聚焦光斑小；焦距長(zhǎng)，聚焦光斑也大，焦深變化也如此。與透鏡焦距密切相關(guān)的另一個(gè)量是 焦點(diǎn)深度，簡(jiǎn)稱焦深。對(duì)于大功率激光器，反射鏡在使用過程中，為避免反射鏡受光照過熱而損壞，通常需用水進(jìn)行冷卻。圖 （ b）為平面鏡一透鏡聚焦系統(tǒng)，激光經(jīng)過一塊平面反射鏡反射后由透鏡聚焦，其聚焦效果優(yōu)于拋物鏡聚焦，是高精密度激光焊接和激光切割常用的光路。 一般情況下，只要滿足 fz ??? ，由式（ ）就可得到 ? ?zwfw ?? ???0 （ ） 像方束腰的位置為 fz ??? （ ） 式（ ）中像方的束腰半徑與波長(zhǎng)成正比，與激光束照在透鏡前主面的光束截面半徑 ??zw 成反比，這個(gè)量相當(dāng) 于普通物鏡的通光口徑，與透鏡焦距成正比。 圖 高斯光束及其參數(shù) 對(duì)于高斯光束，用幾何光學(xué)的理論可以證明，其經(jīng)透鏡變換后仍為高斯光束 [16]。 根據(jù)式（ ）和（ ），如果己知激光束的束腰位置和束腰半徑，就可以計(jì)算任意位置的光斑半徑和波面曲率半徑 R 。之所以稱為高斯光束，是由于光束截面上光強(qiáng)與離軸距離 r 成高斯函數(shù)變化的原因。圖 為應(yīng)用于 CO2激光 切割機(jī)的透射式聚焦系統(tǒng)。將該裝置與機(jī)床光路組成一個(gè)對(duì)焦系統(tǒng)，以達(dá)到在加工不同工件時(shí)能夠準(zhǔn)確找到焦點(diǎn)平面，提高加工質(zhì)量的目的。 (4)向多功能的激光加工中心發(fā)展，將激光切割、焊接以及熱處理等各道工序后的質(zhì)量反饋集成在一起，充分發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢(shì)。低功率激光器所產(chǎn)生的激光可以通過使用 Q 開關(guān)或加載脈沖波轉(zhuǎn)化為高功率激光。濟(jì)南鑄鍛研究所為一汽開發(fā) 的六軸 CO2激光加工機(jī)也進(jìn)入運(yùn)行階段，用于轎車車身的切割成形。 在我國(guó)，激光切割技術(shù)的推廣和應(yīng)用潛力很大，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā) 展，許多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)需要改造，許多鈑 金加工領(lǐng)域有待開發(fā)。近年來，美、日、德、英等國(guó)正致力于研制各種工業(yè)用激光器，研究各種激光加工方法及工藝，激光切割工藝己初具規(guī)模，正 在形成一門新的產(chǎn)業(yè)。目前，國(guó)外探索的激光切割應(yīng)用范圍正在不斷地?cái)U(kuò)大，已達(dá) 20 多個(gè)領(lǐng)域。激光能切割非金屬，而其它熱切 割方法則不能 [7]。 （ 4）雕刻耗能少 激光切割與其它雕刻方法相比，采用了一種能量使用很直接的方式，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，而且雕刻過程操作簡(jiǎn)單，保護(hù)環(huán)節(jié)少，所以消耗的能量少，并且能夠提高工作效率。所以 激光對(duì)雕刻材料的硬度、表面質(zhì)量等 沒有太高要求。實(shí)際上最先普及使用激光切割產(chǎn)品是在整條組合的電路生產(chǎn)線上對(duì)硅晶片進(jìn)行連號(hào)表示。我國(guó)自 1985 年以來 ,更以每年 25%以上的速度增長(zhǎng)。 關(guān)鍵字 ： 激光切割 對(duì)焦系統(tǒng) 焦點(diǎn)位置 CLS2020 Abstract Laser cutting is technology using a spot with high power and density formed by focused laser the carving or cutting the material is heated rapidly to thevaporization temperature,and wipes off by assistant air,then make the beam ormaterial moving and gain the pattern or narrow the power density is inversely proportional to the square of the diameter of the laser beam and the diameter of focusis the smallest,therefore the power density is the order to obtainhighquality kerf,it is necessary to assure the accurate location of the study of the focusing system of Laser carving and cutting machine has great realistic significance to improve the process accuracy and the process quality of the machine. This paper analyses the structure of laser optical system and the function offocusing the shortings that the existing focusing system of CLS2020 laser carving and cutting machine could not determine the location of the focus accurately,a geometrical optics system contains an auto collimating telescopewas raised and designed. The focusing device is installed into the optical system and forms a new focusing system,the feasibility was proved by the accuracy by using this focusing system and other mon methods to detect the position of the focus was pared. Keywords: Laser cutting Focalizing system Focus position CLS2020 I 目 錄 第一章 緒論 ..................................................................................................1 前言 ...................................................................................................1 1. 2 激光切割技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)越性 ......................................................2 1. 3 激光切割技術(shù)的特點(diǎn) ......................................................................3 1. 4 激光切割技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) ..................................................4 激光切割技術(shù)的現(xiàn)狀 ....................................................................4 激光切割技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) ............................................................7 課題背景和意義 ...............................................................................8 第 二章 激光切割機(jī)的聚焦系統(tǒng)研究 ..........................................................9 2. 1 激光切割機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成 ......................................................................9 激光光束聚焦理論 .........................................................................10 光學(xué)聚焦理論分析 .........................................................................15 反射鏡 ..........................................................................................16 聚焦透鏡 ......................................................................................16 聚焦功率密度 .................................................................................17 第三章 激光切割機(jī)對(duì)焦技術(shù)研究和裝置設(shè)計(jì) ........................................19 對(duì)焦方法 .........................................................................................19 望遠(yuǎn)鏡法對(duì)焦 .................................................................................20 自準(zhǔn)原理 ......................................................................................20 自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡 ..........................................................................2