【正文】 1 自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡測量的凸透鏡焦距 ..........................................22 CLS2020 激光切割機(jī) ..................................................................24 激光切割機(jī)對焦裝置的設(shè)計(jì) .........................................................26 阿貝自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡 ..................................................................27 反射鏡調(diào)整架的設(shè)計(jì) ..................................................................28 高度調(diào)節(jié)裝置 ..............................................................................30 望遠(yuǎn)鏡支撐裝置 ..........................................................................30 第四章 對焦試驗(yàn)及分析 ............................................................................31 對焦裝置的光路調(diào)節(jié) .....................................................................31 望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié) ..............................................................................31 激光光軸垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸 ......................................................32 焦點(diǎn)位置測試 .................................................................................32 斜板法定位 ..................................................................................33 掃描法定位 ..................................................................................34 II 望遠(yuǎn)鏡法定位 ..............................................................................35 實(shí)驗(yàn)小結(jié) ......................................................................................36 總結(jié) ..............................................................................................................37 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................39 致謝 ..............................................................................................................41 1 第一章 緒論 前言 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) ,也是激光加工中應(yīng)用最早、使用最多的加工方法。 高精密激光切割技術(shù)的應(yīng)用研究 Application research of Highprecision laser cutting technology 摘要 激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度的光斑，將材料快速加熱至汽化溫度，將材料去除，從而獲得所需要的圖案和切縫的加工方法。比較了采用此對焦系統(tǒng)和采用其它常用方法對焦點(diǎn)位置進(jìn)行檢測的準(zhǔn)確性。 近年來 ,激光切割技術(shù)發(fā)展很快 ,國際上每年都以 15%～ 20%的速度增長。 （ 2）制造電子產(chǎn)品的公司通常使用激光切割來鑒別成品。 激光切割 技術(shù) 有許多非常突出的 優(yōu)越性 ，主要有以下幾個(gè)方面 ： （ 1）激光的強(qiáng)度極高 聚焦后的激光束不僅能對各種非金屬材料進(jìn)行雕刻，而且也能對金屬材料進(jìn)行雕刻，甚至能雕刻耐火度很高以及硬而脆的材料。雕刻時(shí)間短，被雕刻材料氧化、變形和熱膨脹影響的區(qū)域都 比較小，一般不需要特殊保護(hù)就可以完成高精度的雕刻。別的方法不能像激光束那樣集中能量于一個(gè)極小區(qū)域，結(jié)果導(dǎo)致切口寬、熱影響區(qū)大和較明顯的工件熱變形。幾年前，美國科學(xué)家就預(yù)言“激光將 成為未來制造業(yè)的通用手段”，德國亦有“無所不能的激光技術(shù)”的長篇報(bào)道。同樣在日本汽車工業(yè)中，較多的三維激光切割用于小批量產(chǎn)品的切割、樣車的生產(chǎn)。隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，許多產(chǎn)業(yè)部門也急需采用激光加工技術(shù)和設(shè)備以提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和加工柔性化，從而增強(qiáng)市場競爭能力，自 1985 年以來我國激光切割技術(shù)以每年 25%以上的速度增長 [9， 10]，以濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所為例， 20 世紀(jì) 80 年代后期激光切割機(jī)年產(chǎn)量僅為 2 臺，到 90 年代后期年產(chǎn)量達(dá)到了 10 臺，在“十五”期間年產(chǎn)量達(dá)到 25 臺。上海大眾汽車公司新的桑塔納生產(chǎn)線也在引進(jìn)高功率 YAG 三維加工系統(tǒng) 。 激光切割技術(shù)的發(fā)展趨勢 近年來，激光切割技術(shù)正以飛快的速度發(fā)展，而且隨著數(shù)控技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合，其應(yīng)用也越來越廣泛，從軍用轉(zhuǎn)向民用，正逐步深入社會生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，下面從四個(gè)方面概括激光切割技術(shù)的發(fā)展趨勢 : （ l）伴隨著激光器向大功率發(fā)展以及采用高性能的 CNC 及伺服系統(tǒng)，使用高功率的激光切割系統(tǒng)可以獲得高的加工速度和高的加工 質(zhì)量，同時(shí)減小熱影響區(qū)和熱畸變，能切割的材料板厚也將進(jìn)一步提高。以數(shù)據(jù)庫為核心，面向通用化的 CAPP 開發(fā)工具，對激光切割工藝設(shè)計(jì)所涉及到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。針對該設(shè)備目前采用的對焦方法不能準(zhǔn)確的確定焦點(diǎn)位置的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一 套焦點(diǎn)位置觀察裝置。 CO2激光器輸出的是紅外線，故要用鍺單晶、砷化嫁等紅外材料制造的光學(xué)透鏡才能通過，為減少表面反射需鍍增透膜。 激光光束聚焦理論 采用穩(wěn)定腔的激光器發(fā)出的激光，是一種振幅和等相位面都在變化的高斯球面光波，簡稱高斯光束。由公式 還可看出， 0?z 時(shí)， ??zR 0，波面凸向 z 軸正向， z 0 時(shí) ??zR 0，波面凸向 z 軸的負(fù)向。高斯光束及其參數(shù)如圖 所示。 由式（ ）可以看出，當(dāng)入射激光束束腰位于系統(tǒng)物方焦距之前，即 fz ?? 時(shí)，出射激光束的束腰半徑 0w? ′隨 z 的增大而單調(diào)地減小，直至 ??z 時(shí)有 ???0w ，并由（ ）式可得 fz ??? 。 圖 幾種聚焦系統(tǒng)簡圖 圖 （ a）所示為拋物鏡聚焦系統(tǒng)，它僅含有一塊拋物面聚焦反射鏡，聚焦效果較好，經(jīng)常用于大功率激光焊接。對固體激光器發(fā)出的光束可使用由光學(xué)玻璃制造的反射鏡，而對 CO2 氣體激光切割裝置中的反射鏡常用銅或反射率高的金屬制造。而當(dāng)入射激光束腰至透鏡的距離遠(yuǎn)大于透鏡焦距時(shí)，滿足（ ）式，基模高斯光束的發(fā)散角由式（ ）決定，則透鏡聚焦后的光斑直徑為 ： ??? fdfd ???? 40 （ ） 其中， d 為入射在透鏡表面上的激光束直徑。 焦深與聚焦光斑直徑的關(guān)系可表示為 [20]： ?? dZ ?? （ ） 此處焦深 Z 定義為焦斑直徑變化 5%兩焦斑的間距。但透鏡焦距減小時(shí)，焦點(diǎn)深度也減小，在切割厚度較大的板材時(shí)難以獲得垂直度好的切割面。對自動化程度和加工精度要求較高的精密機(jī)床還采用自動聚焦控制與鏡頭伺服控制的對焦方法。第 3 種方法對于加工非金屬材料的機(jī)床不適合。 無限遠(yuǎn)的物經(jīng)透鏡成像，像處在透鏡的焦平面上。自準(zhǔn)直目鏡是一種帶有分劃板和分劃板照明裝置的目鏡，一般自準(zhǔn)直目鏡不能單獨(dú)使用。但距離越遠(yuǎn)，反射像 視場越小 與高斯式的情況基本一樣 所用的目鏡結(jié)構(gòu) 只要不是前截距太短，一般目鏡均可用 需用前截距較長的目鏡 一般目鏡均可 視場 有視場遮攔或視場較小 無視場遮攔 無視場遮攔 綜合比較各因素，最后選用阿貝式自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡。 自準(zhǔn)式直 望遠(yuǎn)鏡測量的凸透鏡焦距 目前在測量凸透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)中，通常采用的方法有自準(zhǔn)直法、物距像距法（ u、 v 法）和二次成像法。機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖 所示。調(diào)整望遠(yuǎn)鏡使分劃板同時(shí)位 于物鏡和目鏡的焦平面上，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡可用于觀察平行光。調(diào)節(jié)目鏡筒可改變目鏡和分劃板之間的距離， 使叉絲位于目鏡的焦平面上。當(dāng)叉絲處于物鏡的焦平面時(shí)，由小十字線發(fā)出的光經(jīng)物鏡后成為平 行光由物鏡射出。 平面反射鏡的厚度與口徑的大小以及固定方法等主要 是與其表面精度的要求有關(guān)。當(dāng)安裝反射鏡時(shí)，施加壓力將反射鏡壓入溝槽，由于鋁合金材料存在一定的 彈性，可將反射鏡固定在溝槽內(nèi)。螺桿端部為球頭，適合頂平面，尾部壓紋，方便手動旋轉(zhuǎn)。 高度調(diào)節(jié)裝置 為了調(diào)節(jié)反射鏡及望遠(yuǎn)鏡的高度與激光光路等高。底座材料為鑄鐵，表面噴黑漆。調(diào)焦方法是把目鏡在鏡筒內(nèi)輕輕旋轉(zhuǎn)，從而改變目鏡與分劃板的距離，直到從目鏡中看到分劃板刻線成像清晰為止。松開 M20 螺母，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，使望 遠(yuǎn)鏡光軸與激光光軸垂直，擰緊螺母。至此對焦系統(tǒng)調(diào)整完畢。激光在斜板上切出一條兩端寬中部窄的切縫。 掃描法定位 試驗(yàn)材料為 2mm 厚透明有機(jī)玻璃板。光路調(diào)整完畢后，在激光頭下方的工件上貼一塊坐標(biāo)紙。 總結(jié) 激光切割是一種高能量密度可控性好的無接觸加工。 對焦光學(xué)系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì)，將有效地推廣激光切割設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，同時(shí)對其他領(lǐng)域中的激光 應(yīng) 用技術(shù)具有很強(qiáng)的借鑒作用。 39 參考文獻(xiàn) [1]左都羅 ,李適民 .快軸流 C02激光器評述 .激光技術(shù)， 2020,24(1):48. 40 [2]王家金 .激光加工技術(shù) ,中國計(jì)量出版社， 1992. [3]成麗萍 .淺談現(xiàn)代切割技術(shù)及其在工程機(jī)械制造中的應(yīng)用 .山西焦煤科技 ,:7880. [4]朱企業(yè) .激光精密加工 .機(jī)械工業(yè)出版社， 1990. [5]徐宏偉 ,黃玉美 ,劉鴻雁等 .多功能激光加工機(jī)床的研制 .設(shè)計(jì)與研究 ,2020:5354. [6]李力鈞 .現(xiàn)代激光加工及其設(shè)備。 （ 2）在對焦裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用了阿貝自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡作為觀察焦點(diǎn)位置的主要部件來提高對焦的準(zhǔn)確性 。 目前發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家都把激光制造技術(shù)作為提高生產(chǎn)率和參與國際競爭的重要手段。而且由于用望遠(yuǎn)鏡法確定的焦點(diǎn)位置只與聚焦透鏡的位置有關(guān)，可以直接將焦點(diǎn)平面設(shè)在工件表面，不需要預(yù)先試切，可以隨時(shí)對焦。 計(jì)算透鏡焦距 ???f mm， ???? f mm，相對誤差為 %。 斜板法檢測焦點(diǎn)位置示意圖 在上圖中聚焦透鏡距噴嘴為 34mm，是由實(shí)際位置測量得出； h0為噴嘴到工件表面的距離，可在切割前手動設(shè)定； h 為切縫最窄處到工件表面的距離，待測量。 33 斜板法定位 先加工一個(gè)楔形狀 PMMA 板。此光束經(jīng)聚焦鏡和兩個(gè)反射鏡反射后入射到望遠(yuǎn)鏡中。然后利用反射鏡的微調(diào)螺栓對平面鏡的角度做細(xì)微調(diào)節(jié)，把亮十字線調(diào)節(jié)到與分劃板上方的十字線重合，往復(fù)移動分劃板，使亮十字線和十字無視差重合。 壓縮彈簧在安裝時(shí)保持一定的壓縮量，通過螺栓與望遠(yuǎn)鏡支座聯(lián)接。調(diào)節(jié)裝置的總高是根據(jù)激光切割機(jī)的激光頭距工作臺的高度來確定的。另配有鋁合金制螺母，并且具有鎖緊功能，防止松動。反射鏡安裝在活動板上，固定板用螺栓與支撐裝置的托板連接，可在托板的槽內(nèi)移動。選擇的反射鏡規(guī)格如表 35： 表 35 平面反射鏡規(guī)格 材料 BK7 厚度 4177。平面反射鏡的外形尺寸由反射鏡上光束截面的尺寸確定，在平行光束中，反射鏡上的光束截面是一個(gè)橢圓。阿貝目鏡中，在目鏡和分劃板間裝有一個(gè) 45o全反射直角棱鏡。它用來觀察和確定光線行進(jìn)方向。 圖 激光頭 為了用阿貝自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡觀察到聚焦鏡的焦平面，要把望遠(yuǎn)鏡插入到機(jī)床的現(xiàn)有導(dǎo)光系統(tǒng)中，形成一個(gè)觀察光路系統(tǒng)。 從試驗(yàn)結(jié)果看出：望遠(yuǎn)鏡法測量的凸透鏡焦距與標(biāo)準(zhǔn)值基本一致，用前三種方法測