【導(dǎo)讀】由于功率密度與光束截面直徑的平方成反比，而焦點(diǎn)處的直徑最小，因而功率密度最高。為了獲得高質(zhì)量的切縫，就要精確確定焦點(diǎn)的位置。具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。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。的幾何光學(xué)對(duì)焦系統(tǒng)。驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。比較了采用此對(duì)焦系統(tǒng)和采用其它常用方法對(duì)。焦點(diǎn)位置進(jìn)行檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

　　

【正文】 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。 選用厚度為 4mm。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)。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。 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。鏡套以鋁合金材料加工而成，一端均勻分布六個(gè)缺口。內(nèi)部加工一個(gè)直徑 40mm 寬 4mm 的溝槽，以安裝反射鏡。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)。 （ 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。反射鏡架需要有仰俯、方位角微調(diào)功能。 鏡架主要由固定板和活動(dòng)板兩個(gè)板組成。反射鏡安裝在活動(dòng)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(dòng)。兩板間安裝 4 個(gè)高性能拉簧復(fù)位。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。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。螺桿端部為球頭，適合頂平面，尾部壓紋，方便手動(dòng)旋轉(zhuǎn)。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。 （ 3）反射鏡調(diào)整架總裝圖 該反射鏡架有以下幾個(gè)特點(diǎn) : ① 通過調(diào)整兩個(gè) M5 細(xì)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。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。另配有鋁合金制螺母，并且具有鎖緊功能，防止松動(dòng)。 ② 反射鏡片裝在鏡筒中，可以裝好后再固定在鏡架上。 ③ 高性能拉簧復(fù)位，復(fù)位力均勻。 ④微動(dòng)板設(shè)計(jì)缺口，方便準(zhǔn)直。 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。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。通過旋轉(zhuǎn)絲杠螺母來調(diào)整絲杠頂端與底座的相對(duì)的高度，高度調(diào)整范圍為 0～ 25mm。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。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(tái)的高度來確定的。 為了獲得較好的表面質(zhì)量，各零件經(jīng)過表面處理。絲杠和絲杠螺母材料為 45 鋼，表面鍍鉻 。鎖緊螺母材料為銅，表面也鍍鉻。底座材料為鑄鐵，表面噴黑漆。 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。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(gè)圓柱面同軸。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。 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。支座前底面與托板間墊有橡膠墊，具有一定的彈性。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)。 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。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。 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。 ②將平面反射鏡放在望遠(yuǎn)鏡物鏡前，平面鏡垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸，且望遠(yuǎn)鏡的反射像 和望遠(yuǎn)鏡在同一直線上。 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。然后利用反射鏡的微調(diào)螺栓對(duì)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(dòng)分劃板，使亮十字線和十字無視差重合。 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。 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(cè)粗調(diào)。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。松開 M20 螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，使望 遠(yuǎn)鏡光軸與激光光軸垂直，擰緊螺母。調(diào)整反射鏡架固定板與 X 方向成 45o 角。 用輔助光源進(jìn)行細(xì)調(diào)。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。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。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。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。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。至此對(duì)焦系統(tǒng)調(diào)整完畢。 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。為了比較幾種方法的測(cè)量精度，以各測(cè)量值間接計(jì)算出聚焦透鏡的焦距，與透鏡焦距的標(biāo)準(zhǔn)值相比較。該機(jī)床所用的激光聚焦透鏡的焦距理論值是 40mm。 33 斜板法定位 先加工一個(gè)楔形狀 PMMA 板。楔形上板與底板間成一定角度，底板放于工件表面上，長(zhǎng)邊與機(jī)床的 X 軸平行。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。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。激光在斜板上切出一條兩端寬中部窄的切縫?？p上最窄處就 是焦點(diǎn)的位置。沿 Y 方向移動(dòng)斜板，再次切割，共切割出 6 條切縫。 測(cè)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。 斜板法檢測(cè)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(cè)量得出； h0為噴嘴到工件表面的距離，可在切割前手動(dòng)設(shè)定； h 為切縫最窄處到工件表面的距離，待測(cè)量。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。共測(cè)量三組不同角度的楔形板，測(cè)量結(jié)果如表 41。 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 %。 掃描法定位 試驗(yàn)材料為 2mm 厚透明有機(jī)玻璃板。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。測(cè)量切縫寬度，每條切縫在不同位置測(cè)量 5 次，求平均值作為該條切縫的寬度，測(cè)量數(shù)據(jù)如表 42 所示。 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。 計(jì)算透鏡焦距 ???f mm， ???? f mm，相對(duì)誤差為 %。 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。如圖 所示。 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。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。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。 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(jì)算透鏡焦距 f =， ????f mm，相對(duì)誤差為 %。 實(shí)驗(yàn)小結(jié) 37 通過對(duì)三種方法的測(cè)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。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(duì)焦。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。 該對(duì)焦裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。是對(duì)現(xiàn)有激光加工機(jī)對(duì)焦手段的一次創(chuàng)新。 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。激光束聚焦后38 具有極強(qiáng)能量的很小作用點(diǎn)。它將激光束聚焦成最小直徑可小于 的光點(diǎn)，使焦點(diǎn)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。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 。 目前發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家都把激光制造技術(shù)作為提高生產(chǎn)率和參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的重要手段。 激光 切割技術(shù) 作為一門發(fā)展極快的制造新技術(shù)。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。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。 對(duì)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(duì)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。 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?cè)瓩C(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。主要結(jié)論如下： （ 1）在透鏡對(duì)焦的方法上，選用了望遠(yuǎn)鏡法確定透鏡焦點(diǎn)位置的方案， 完成了實(shí)際樣機(jī)的設(shè)計(jì)制作和裝配、調(diào)試。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。 （ 2）在對(duì)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(duì)焦的準(zhǔn)確性 。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 。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。該裝置體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能方便的切入和退出光路。 39 參考文獻(xiàn) [1]左都羅 ,李適民 .快軸流 C02激光器評(píng)述 .激光技術(shù)， 2020,24(1):48. 40 [2]王家金 .激光加工技術(shù) ,中國(guó)計(jì)量出版社， 1992. 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