【正文】 量的誤差明顯大于用望遠(yuǎn)鏡法測(cè)得的結(jié)果。在物鏡前方放置一平面鏡，然后調(diào)節(jié)物鏡，使分劃板位于物境焦平面上，那么從棱鏡“十”字口發(fā)出的光經(jīng)物鏡后成為平行光射向前方平面境，其反射光又經(jīng)物鏡成像于分劃板上。 三種自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡雖然結(jié)構(gòu)有所不同，但原理是相同的。 圖 自準(zhǔn)直法測(cè)量凸透鏡焦距光路圖 21 凸透鏡物方焦平面上的 P 點(diǎn)經(jīng)凸透鏡 L 折射后成平行光，在透鏡后方放一個(gè)與透鏡光軸垂直的平面鏡 M，此光經(jīng)平面鏡 M 反射后再通過透鏡成像于 P39。 望遠(yuǎn)鏡法對(duì)焦 本文設(shè)計(jì)了一套以自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡為主要部件的對(duì)焦系統(tǒng)。 （ 2）斜板法：用和垂直軸成一角度斜放的塑料板使其水平拉動(dòng)，尋找激光束的最小處 (切痕最小 )為焦點(diǎn)。長焦透鏡的聚焦光斑功率密 度較低，但其焦深大，可用來切割厚斷面材料。顯然，在0?z 時(shí)，由式（ ）知，這時(shí) Dfdd ??40 ?? 光斑直徑最小，功率密度 F 最大，離開焦平面，光斑直徑開始增大，功率密度下降。前者定義方法常根據(jù)激光加工的特性，采用平均功率密度定義方法。固體激光常用光學(xué)玻璃，而 CO2氣體激光因透不過普通玻璃，則采用 ZnSe， GaAs 和 Ge 等材料制造，其中最常用的是 ZnSe。 在激光切割加工系統(tǒng)中，當(dāng)功率在 2KW 以下時(shí)，多采用平面鏡一透鏡聚焦系統(tǒng)，而且出于加工方便考慮，基本采用球面透鏡。要求像方的束腰半徑為 激光光束在聚焦透鏡上的截面半徑為 ，根據(jù)式（ ）可得所求的透鏡焦距 15 mmwwf ??????? 光學(xué)聚焦理論分析 從激光器輸出的光束，盡管具有高方向性、高功率密度，但是在許多加工應(yīng)用中尚不能達(dá)到所需的功率密度。 13 圖 透鏡對(duì)激光束的聚焦 [17] 對(duì)于透鏡，前、后主面的通光口徑是相等的，這樣一來在兩個(gè)主面上的激光束截面半徑是相等的，即 ww ?? 。表明激光束是存 在發(fā)散角的。在 0?z 處 ， ? ? 0wzw ? ，達(dá)到極小值，稱為高斯光束的束腰半徑。此外，工件或激光束的移動(dòng)大多采用 CNC 控制。激光器 由激光介質(zhì)、光泵、聚光器和諧振腔組成。近年來小功率 CO2激光切割機(jī)由于其具有集切割、裁剪、雕刻功能于一體，切割速度快、雕刻精美、定位精確高等技術(shù)優(yōu)勢(shì) 。增加輔助能源，并改善能量之間的 耦 合 。另一方面要系統(tǒng)地解決工藝參數(shù)、規(guī)范問題。另外，我國在激光三維切割方面的應(yīng)用研究才剛剛起步 [12]。雙波切割還應(yīng)用于 CO2準(zhǔn)分子、 YAG 準(zhǔn)分子等組合，具有廣闊的應(yīng)用前景。 從工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域來看，金屬和非金屬的激光切割是激光切割最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，其中最具有代表性和應(yīng)用最為廣闊的是汽車制造業(yè)，該工業(yè)是激光切割的最早應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是最大的 潛在市場(chǎng)，尤為重要的是汽車工業(yè)愈來愈成為高功率激光系統(tǒng) (CO2和 YAG)發(fā)展的關(guān)鍵因素。 1. 4 激光切割技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 激光切割技術(shù)的現(xiàn)狀 （ 1） 國外現(xiàn)狀 智能、精密、微細(xì)、多學(xué)科交叉、系統(tǒng) 化、自動(dòng)化是先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，這種趨勢(shì)是為了滿足制造產(chǎn)品的多變性、高品質(zhì)、低成本、交貨期短等市場(chǎng)要求。 (2)許多金屬材料，不管它具有什么樣的硬度，都可用激光進(jìn)行無變形切割，大多數(shù)有 機(jī)與無機(jī)材料都可以用激光切割。一般的雕刻圖案，只要經(jīng)過電腦的處理，在輸出到雕刻 機(jī)制作即可，省掉了傳統(tǒng)雕刻工藝中的繁瑣過程，激光切割一般要比其它雕刻方法快 100 倍以上，而且現(xiàn)在的激光切割控制系統(tǒng)可以保證長期安全工作和精確控制。 （ 4）激光切割還經(jīng)常用于家庭微型電器的金屬和塑料包裝上的雕刻。 激光切割系統(tǒng)主要由機(jī)床主機(jī)、激光器、控制系統(tǒng)三大主要部分組成。同時(shí)還具有割縫細(xì)、熱影響區(qū)小、切割面質(zhì)量好、切割時(shí)無噪聲、切縫邊緣垂直度好、切邊光滑、切割過程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。激光切割機(jī)的對(duì)焦系統(tǒng)的研究對(duì)提高機(jī)床的加工精度和提高加工質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義 。 本文在激光束聚集理論的基礎(chǔ)上，分析了激光光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和聚焦系統(tǒng)的功能?？汕懈钐间摗⒉讳P鋼、合金鋼、木材、塑料、橡膠布、石英、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等。控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞 ,負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作 ,主要完成加工軌跡控制、焦點(diǎn)位置控制和機(jī)、光、電一體的協(xié)調(diào)控制。在安全設(shè)備上雕刻校準(zhǔn)誤差標(biāo)記、雕刻數(shù)字和連號(hào)數(shù)字，直接在電路元件上標(biāo)識(shí)線路和符號(hào)，在含有氧化鋁和其它氧化層的物件上雕刻條形碼和連號(hào)數(shù)字。 3 （ 3）雕刻質(zhì)量高 激光切割的一個(gè)顯著特點(diǎn)是雕刻質(zhì)量高。激光切割無毛刺、無皺折、精度高，各種性能都優(yōu)于等離子切割。作為先進(jìn)制造技術(shù)之一的激光切割技術(shù)，由于其特有的、優(yōu)異的加工性能而被廣泛應(yīng)用，西方工業(yè)化國家和先進(jìn)的發(fā)展中國家均致力于這項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用，其正以每年 15%～ 20%的速度增長 [911]。據(jù)專家估計(jì)，約有 60%的汽車零部件可以通過激光切割來提高質(zhì)量。 從激光切割工藝研究現(xiàn)狀來看，日本在激光切割工藝方面的研究走在世界的前列，美國、德國以及一些歐洲國家也在七、八十年代開始在大量的激光切割工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)激光切割工藝，建立工 藝數(shù)據(jù)庫，并著手研究高性能的激光切割系統(tǒng)。國家自然科學(xué)基金委在 1997 年把“大功率 CO2及 YAG 激光三維焊接和切割理論與技術(shù)”作為重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行資助，國家產(chǎn)學(xué) 研激光技術(shù)中心的有關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為在我國汽車車身制造業(yè)中應(yīng)用三維激光立體加工技術(shù)做出了很大貢獻(xiàn)。開發(fā)出性能優(yōu)良、工作可靠、使用方便的激光加工機(jī)將使我國的激光切割水平大大地提高。增加功率密度等。以及切割面光潔無痕、無需拋光、維護(hù)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在電子、廣告業(yè)、印章業(yè)、工藝禮品業(yè)、藝術(shù)模型業(yè)、木器加工業(yè)等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛?，F(xiàn)代用于激光加工的激光器 主要有 Nd： YAG 激光器、 CO2激光器、準(zhǔn)分子激光器、大功 率半導(dǎo)體激光器等。 激光加工技術(shù)有效地利用了激光的優(yōu)異性能，正在改變著以往的加工和生產(chǎn)方式，使生產(chǎn)效率大 幅度提高，是機(jī)加工中最有競(jìng)爭力的一種替代手段，在激光 應(yīng)用中占有重要的地位。同時(shí)，波面的曲率中心（等相位面在近軸區(qū)域可視作球面）也隨光束傳播的距離而不斷地改變位置。光束發(fā)散角用于表征激光束的空間傳播特性，是激光束方向性的量度，發(fā)散角越小，方向性越好。若透鏡焦距為 f? ，當(dāng)旁軸球面波通過透鏡時(shí)，波前曲率半徑滿足 fRR ???? 111 （ ） 由以上各式聯(lián)立可得高斯光束變換后的束腰位置和束腰半徑為 ? ?? ? 22022??????????????????????wfzffzfz （ ） ?????????????????????????? ????2202220201111?? wffzww （ ） 在上式中，如果 ??z ， 且滿足 ? ? ????????????? ?? 202 wfz 時(shí)，式（ ）14 可近似為 fz zffz ffz ?? ???? ????? 由此可得 fzz ???? 111 （ ） 這和近軸光學(xué)中的物像關(guān)系公式（高斯公式）完全一致。因此，必須通過光學(xué)聚焦系統(tǒng)將激光束聚焦在很小的區(qū)域內(nèi)， 才能獲得較高的功率密度，滿足激光加工的要求。特別是對(duì)于 CO2激光，可用的透射材料有限，難以加工用于消像差的不同材料的16 組合透鏡，大多數(shù)采用單透鏡系統(tǒng)。 透鏡的形狀有雙凸形、平凸形和凹凸形三種。即是當(dāng)光束橫截面的平均功率密度降為束腰光斑的平均功率密度的一半時(shí)，該橫截面和焦平面之間的距離的兩倍定義為焦深，此時(shí)光束的截17 面積是焦斑面積的兩倍 [19]，在切割中也稱有效切割范圍。由此可見，為獲得一定的功率密度，聚焦光學(xué)系統(tǒng)的選擇和聚焦后的焦點(diǎn)的位置精確確定很重要。因此，要根據(jù)切割厚度和切割質(zhì)量要求等因素綜合考慮，確定適當(dāng)?shù)慕咕唷? （ 3）藍(lán)色火花法 :去掉噴嘴，斜向吹高壓空氣，將脈沖激光打在不銹鋼板上，使切割頭從上往下運(yùn)動(dòng)，直至藍(lán)色火花最大處為焦點(diǎn)。通過將自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡加入到機(jī)床的光路系統(tǒng)中，當(dāng)在目鏡中觀察到工件表面的清晰的像時(shí)，即可確定焦點(diǎn)位置。點(diǎn)， P 與 P39。由光源照明分劃板，分劃板上的刻線經(jīng)物鏡成像于無限遠(yuǎn)處，再經(jīng)放置在自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡前的反射鏡返回，在分劃板平面上生成刻線的像。這時(shí)，從目鏡中可以看到清晰的“豐”形叉絲和“十”字像。三種方法各有特點(diǎn)，比較如下表 [24]。 激光切割機(jī)對(duì)焦裝置的設(shè)計(jì) 對(duì)焦裝置主要由阿貝自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡、反射鏡調(diào)整架、望遠(yuǎn)鏡支撐、高度調(diào)節(jié)裝置四部分組成。阿貝自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡由物鏡和阿貝目鏡組成。直角棱 鏡的直角面與分劃板叉絲下面相貼。短軸半徑 2b 為平行光束的口徑 D，其長軸 2a 由下式確定： ?sin2 Da? （ ） 其中 ? 為反射鏡與光軸夾角。 mm 通光孔徑 90%直徑 外形公差尺寸 +3′ 直徑 ? 40mm 為了避免反射鏡在裝拆過程中劃傷表面，設(shè)計(jì)一反射鏡套，反射鏡先裝在鏡套內(nèi)，再安裝到調(diào)整鏡架上。兩板間安裝 4 個(gè)高性能拉簧復(fù)位。 ② 反射鏡片裝在鏡筒中，可以裝好后再固定在鏡架上。 為了獲得較好的表面質(zhì)量，各零件經(jīng)過表面處理。支座前底面與托板間墊有橡膠墊，具有一定的彈性。 此時(shí)，分劃板同時(shí)位于目鏡和物鏡的焦平面上，可用于觀察平行光。由于該光束為可見光，所以其照射到各鏡面時(shí)的入射點(diǎn)可見。楔形上板與底板間成一定角度，底板放于工件表面上，長邊與機(jī)床的 X 軸平行。噴嘴距焦點(diǎn)距離為 h0 h， f 為聚焦透鏡焦距 ，34?f +h0 h 可間接計(jì)算出。 望遠(yuǎn)鏡法定位 由于激光頭噴嘴頂端直徑只有 ，在用望遠(yuǎn)鏡法確定焦點(diǎn)位置時(shí)，對(duì)光路的共軸調(diào)節(jié)要求較高，同時(shí)由于噴嘴對(duì)視場(chǎng)的遮擋嚴(yán)重，造成無法觀察到工件表面，因此在用望遠(yuǎn)鏡法確定焦點(diǎn)位置時(shí)需要卸下噴嘴。而另兩種方法都是要先通過切割一定數(shù)量的切縫后才能 完成對(duì)焦，而且對(duì)焦精度也不高，浪費(fèi)材料，增加生產(chǎn)成本。 激光 切割技術(shù) 作為一門發(fā)展極快的制造新技術(shù)。用絲杠傳動(dòng)方式來調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的高度使望遠(yuǎn)鏡光軸與激光光路等高 。該裝置體積小，結(jié)構(gòu)簡單，能方便的切入和退出光路。與傳統(tǒng)加工手段相比，激光加工具有高質(zhì)量、高效率、低功耗、非接觸、超常規(guī)手段 、 經(jīng)濟(jì)效益好、易于進(jìn)行自動(dòng)化控制，能實(shí)現(xiàn)柔性加工和智能加工，能解決傳統(tǒng)加工中無法解決的問題等優(yōu)點(diǎn)， 因而 汽車制造廠、汽車改裝廠、特種汽車廠，服裝廠和皮革加工廠每年需求大量的切割加工設(shè)備，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 加工 不能滿足要求。是對(duì)現(xiàn)有激光加工機(jī)對(duì)焦手段的一次創(chuàng)新。 36 圖 望遠(yuǎn)鏡法各位置關(guān)系 將對(duì)焦裝置放于有機(jī)玻璃平板工件表面上，先對(duì)望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦，再調(diào)整光路。 表 41 斜板法測(cè)焦點(diǎn)位置 切縫號(hào) 1 2 3 4 5 6 平均值 h0h f 34 h0 =19 h h0 =20 h h0 =21 h 經(jīng)計(jì)算 f =， ?????? fff mm 相對(duì)誤差為 %。在 AutoCAD 軟件中繪制一條水平直線，保存為 dxf 格式，再用激光切割軟件打開該文件，設(shè)置切割參數(shù)和激光電流，啟動(dòng)切割程序。調(diào)整微調(diào)螺桿，使經(jīng)其反射的光線沿望遠(yuǎn)鏡的光軸入射到望遠(yuǎn)鏡中。調(diào)整高度調(diào)節(jié)裝置絲杠螺母，使望遠(yuǎn)鏡上下移動(dòng)，調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸與激光軸等高。 31 以上介紹了對(duì)焦裝置的四個(gè)主要組成部分，完成加工、制作和裝配后的 實(shí)物如 圖 圖 對(duì)焦裝置照片 第四章 對(duì)焦試驗(yàn)及分析 對(duì)焦裝置的光路調(diào)節(jié) 望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié) （ 1）目鏡的調(diào)焦 目的是使眼睛通過目鏡能清楚地看到目鏡中分劃板上的刻線。鎖緊螺母材料為銅，表面也鍍鉻。 ④微動(dòng)板設(shè)計(jì)缺口，方便準(zhǔn)直。實(shí)現(xiàn)鏡架角度調(diào)節(jié)功能兩個(gè)螺桿為 MS ? 的細(xì)牙螺紋，螺桿旋轉(zhuǎn)一周，軸向只移動(dòng) ，提高了靈敏度。內(nèi)部加工一個(gè)直徑 40mm 寬 4mm 的溝槽，以安裝反射鏡。實(shí)際尺寸應(yīng)比計(jì)算尺寸大 2～ 3mm，所以選用圓形平面反射鏡，其直徑為 40mm。 直角 棱鏡一般是全鍍鋁后刻一透光十字線，小燈泡發(fā)出的光經(jīng) 直角 棱鏡反射照明叉絲。分劃板安裝在望遠(yuǎn)鏡筒內(nèi)，并可沿鏡筒前后移動(dòng)。 表 33 對(duì)焦裝置主要零件列表 零件編號(hào) 零件名稱 材料 數(shù)量 阿貝自準(zhǔn)式直1 雙膠合物鏡 BK7 1 2 阿貝自準(zhǔn)直目鏡 BK7 1 3 物鏡鏡筒 銅 1 4 分劃板 調(diào)節(jié)手輪 鋁 1 5 照明燈罩 鋁合金 1 27 望遠(yuǎn)鏡 望遠(yuǎn)鏡支撐 6 支架 不銹鋼 1 7 托板 鋁合金 1 8 調(diào)節(jié)螺栓 銅 2 9 壓縮彈簧 彈簧鋼 1 10 橡膠墊 橡膠 1 高度調(diào)節(jié)裝置 11