【正文】 絲杠 45 鋼 1 12 絲杠螺母 45 鋼 1 13 底座 鑄鐵 1 14 鎖緊螺釘 銅 1 15 M20 螺母 GB578586 1 在進行實際應用時，將該裝置放置于激光切割機的工作臺上，調(diào)節(jié)望遠鏡的高度，使望遠鏡的光軸與激光光軸共面，并垂直于激光光軸。 心與滑塊刻線不重合 差 法排除兩種假像 法減少系統(tǒng)誤差 物 距 像 凸透鏡成像公式fvu 111 ?? ，測出物任意改變 u ，可以進行 a b c a b 描法減少24 距 法 距 u ，像距 v ，即求得 f 多次測量 成像的人為確定 偶然誤差 二 次 成 像 法 ? ? AlAf 422 ?? ，物屏 、像屏距離 fA 4? 時，透鏡在兩屏間移動，必能在像屏上二次成像， l 為二次成像時透鏡所移動的距離 fA 4?在 范圍內(nèi)改變A 可進行多次測量，不存在透鏡光心與滑塊刻線不重合而引起的系統(tǒng)誤差 a a a a b 望 遠 鏡 法 當物位于待測透鏡焦平面時在物鏡中可看到清晰的像 測量方法簡單 a a b CLS2020 激光切割機 鐳神 CLS2020 激光切割機采用 CO2 激光器，驅(qū)光式導光系統(tǒng)（飛行光路），包括三個反射鏡和一個聚焦鏡（聚焦鏡安裝在激光頭調(diào)整套25 筒內(nèi)）。此時望遠鏡已調(diào)焦至無窮遠，適合觀察平行光了。 表 31 三種自準式直望遠鏡比較 [23] 比較項目 阿貝式 高斯式 雙分劃板式 反射像的亮度 較亮 較暗 較暗 反射像的襯度 襯度好 若不采取特殊措施襯度差 襯度較好 作為自準直管和望遠鏡（或平行光管）用時，兩者視準軸的重合性 視準軸不能重合 視準軸始終重合 視準 軸可調(diào)到重合 22 當反射鏡離自準直管物鏡較遠時 有可能看不到反射像 無論距離多遠，均能獲得反射像。 自準式直望遠鏡 自準式直望遠鏡是工廠、實驗室常用的光學儀器，由自準直目鏡與望遠物鏡構成。它在平行光管和測量望遠鏡的調(diào)整、測量球面和非球面的面型，以及測量透鏡和光學系統(tǒng)的焦距等方面都有著廣泛應用，是 幾何光學實驗中經(jīng)常采用的一種實驗技術。第 2 種方法在判斷切痕最小處時誤差較大，而且不能將焦點位置直接設置在工件表面。對于大功率的激光束可采用大功率激光光束光斑質(zhì)量診斷儀，實現(xiàn)大功率激光光束橫截面的功率密度分布測量，并應用數(shù)學處理方法計算光束位置、束寬、焦點位置、焦斑大小、發(fā)散 角、焦深和光束質(zhì)量因子等相關光束參數(shù)。由于激光照射的功率密度和能量密度都與激光光斑直徑 0d 有關，為了獲得較大的功率密度，在激光切割加工中光斑尺寸要求盡可能小，這樣有利于實現(xiàn)高速切割。后者定義為焦點光斑直徑增加 5%時兩光斑之間的距離。 當入射激光束 直徑 D 值一定時，存在一個最佳的透鏡焦距 f 值使聚焦光斑直徑 0d 最小。 反射鏡 反射鏡的功能是改變來自激光器的光束方向。如圖 所示為幾種聚焦系統(tǒng) [18]。例如，應用 激光切割、打孔、焊接等都需要把高斯光束聚焦成微小的光點。通?；８咚构馐陌l(fā)散角定義為強度下降到中心強度的 1 /e2點對應的全角寬度，即 ? ?022lim wz zwz ??? ???? （ ） 由此可見，基模高斯光束在其傳播軸線附近可以視為一種非均勻球面波，其等相面是曲 率中心不斷變化的球面，振幅和強度在橫截面內(nèi)保持高斯分布。繼續(xù)傳播則 ??zR 又開始增大，至 ??z ，激光束由球面波又變?yōu)槠矫娌?。目前已廣泛地應用于汽車、機車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門中。聚焦系統(tǒng)的作用是把激光束通過光學系統(tǒng)精確地聚焦至工件上，以提高其功率密度，滿足激光加工的要求。 本課題是基于工程訓練中心的鐳神 CLS2020 型激光切割機為基本的實驗設備，研究了該設備的激光光路系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)的特點。 (3)根據(jù)加工速度自適應 控制激光功率和激光模式或建立工藝數(shù)據(jù)庫和專家自適應控制系統(tǒng)使得激光切割的整機性能普遍提高。作為切割工藝的改革性技術，它的發(fā)展對我 們來說是一項挑戰(zhàn)，更是一次機遇，希望該技術可以得到政府部門，尤其是企業(yè)領導的高度重視，盡早實現(xiàn)科研 ─ — 產(chǎn)業(yè) ─ — 一體化的進程，使得這項高 科技 為我國的現(xiàn)代化建設做出應有的 貢獻。目前國內(nèi)企業(yè)對三維激光切割機已經(jīng)有需求，如柳州微型汽7 車廠已經(jīng)有了 CO2五軸激光加工機 。在“七五”期間，我國成功研制了低階模橫流 CO2 激光器和基模軸流 CO2 激光器，為激光切割的應用創(chuàng)造了條件，并對鋼板、合金鋼、硬質(zhì)合金及硅鋼片的切割工藝進行了研 究。在歐洲汽車工業(yè)中，三維激光切割首先用于原型樣機的制造和試生產(chǎn)，也用于中小批量生產(chǎn) 。現(xiàn)在激光切割技術己從特殊用途的加工技術變?yōu)橥ㄓ玫?、具有多種加工能力的加工技5 術。激光切割雕刻是一種高能量密度可控性好的無接觸加工，激光束聚焦后形成具有極強能量的很小作用點，把它應用于切割有許多特點： a)狹的直邊割縫，最小的鄰近切邊熱影響區(qū)； b)極小的局部變形，工件無機械變形； 4 c)無刀具磨損，也談不上刀具的替換問題； d)切割材料無需考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料硬度影響，任何硬度的材料都可切割 [5]； e)與自動化裝備結合方便，容易實現(xiàn)切割過程自動化； f)由于不存在 切割工件的限制，激光束具有無限的仿形切割能力 [6]； (3)與其它熱切割方法相比 同時作為熱切割過程。因為激光切割過程中，不必像機械雕刻那樣刀頭要與被雕刻材料接觸，刀頭和雕刻件都清潔無污染，并且沒有刀頭和被加工件摩擦產(chǎn)生的不良影響，完全沒有壓力和磨損，適于精細雕刻。 （ 6）在廣告業(yè)、印章業(yè)、工藝禮品業(yè)、藝術模型業(yè)等行業(yè)應用越來越廣泛。 2 1. 2 激光切割 技術 的應用和 優(yōu)越性 激光切割 技術 的應用主要在下面幾個方面 ： （ 1）工業(yè)中常用激光去雕刻交通工具識別碼、元件編號、裝飾開關和儀表面板。因此 ,目前激光切割已廣泛地應用于汽車、機車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門中。 將對焦裝置切入現(xiàn)有機床的光路系統(tǒng)，組成新的對焦系統(tǒng)，通過試驗驗證了系統(tǒng)的可行性。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。它占整個激光加工業(yè)的 70%以上。當然 ,由于我國激光工業(yè)基礎較差 ,激光加工技術的應用尚不普遍 ,激光加工整體水平與先進國家相比仍有較大差距。激光切割的速度快、永久性、易讀性、無污染性及自然性，達到了電子工業(yè)的質(zhì)量要求。與機械、化學等雕刻手段相比，激光切割的范圍更廣泛。 1. 3 激光切割技術的特點 激光技術是二十世紀最重要的發(fā)明之一，是二十世紀科學技術發(fā)展的重要標志和現(xiàn)代信息社會光電子技術重要支柱之一 [1]。 (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，進入切割過程的良性循環(huán)。激光被譽為“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)領域而且在民用工業(yè)領域也獲得了廣泛應用。日本的 ShunihcSato 等試驗了用 KrF 準分子激光器與 CO 激光器聯(lián)合作用的雙波激光切割，重復頻率為 220Hz。 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，如湖南大學李力鈞先生帶領一大批學者對激光加工技術進行了大量的研究，華中科技大學對激光加工設備的完善使其具有良好的性能進行了研究。隨著市場和經(jīng)濟的快速發(fā)展，在汽車、航空、機車及工程機械等行業(yè)對三維激光切割機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。 （ 2）根據(jù)激光切割工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響情況，改進加工工藝，如 :增加輔助氣體對切割熔渣的吹力 。 課題背景和意義 作為高科技的激光技術，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)的激光設備。本課題在實踐中有著重大的理論意義和應用價值。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。在由激光器產(chǎn)生的各種模式的激光中，最基本 、應用最多的是基模（ TEM00）高斯光束，它具有以下基本性質(zhì) [15]。在實際應用中，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，則光束口徑越大。圖 為透鏡對高斯光束的變換示意圖。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。圖（ c）、（ d）、（ e）是三種球面反射鏡聚焦系統(tǒng)的三種 主要形式。 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行聚焦，以獲得較小的光斑和較高的功率密度。焦深是描述聚焦光束特性的一個參數(shù)。當透鏡焦距增加，使聚焦光斑尺寸增加 1 倍，焦深可隨之增加到 4 倍。透鏡焦長小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。這樣就不能準確的確定焦點位置，影響加工質(zhì)量的進一步提高。20 不能滿足較高精度的雕刻和切割加工需要。自準直法是大學物理實驗中用來測量薄透鏡焦距的普遍應用的方法之一。常見的分劃板照明方式有 三 種，相應的就有 三 種自準直目鏡，即有三種自準式直望遠鏡。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，當光源發(fā)出的光從管側經(jīng)伸長的直角棱鏡照明分劃板的一部分，即照亮“十”字窗口。凸透鏡焦距的標準值為 50mm。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。調(diào)整激光切割頭的 Z 向位移，當在目鏡中觀察到坐標線的清晰像時，聚焦鏡的焦點就在工件表面上。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。 該望遠鏡的主要參數(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。 選用厚度為 4mm。反射鏡架需要有仰俯、方位角微調(diào)功能。 （ 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。通過旋轉絲杠螺母來調(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。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。 ②將平面反射鏡放在望遠鏡物鏡前，平面鏡垂直于望遠鏡光軸，且望遠鏡的反射像 和望遠鏡在同一直線上。 用輔助光源進行細調(diào)。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，與透鏡焦距的標準值相比較。沿 Y 方向移動斜板，再次切割，共切割出 6 條切縫。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。 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 %。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。主要結論如下： （ 1）在透鏡對焦的方法上，選用了望遠鏡法確定透鏡焦點位置的方案， 完成了實際樣機的設計制作和裝配、調(diào)