【導讀】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。為了獲得高質(zhì)量的切縫，就要精確確定焦點的位置。具有重要的現(xiàn)實意義。針對CLS2020型激光切割機現(xiàn)有的調(diào)焦系統(tǒng)不能準確。的幾何光學對焦系統(tǒng)。驗驗證了系統(tǒng)的可行性。比較了采用此對焦系統(tǒng)和采用其它常用方法對。焦點位置進行檢測的準確性。

　　

【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、可見光到遠紅外，對入射角和偏振態(tài)不敏感 ，鍍介質(zhì)膜保護。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，一端均勻分布六個缺口。內(nèi)部加工一個直徑 40mm 寬 4mm 的溝槽，以安裝反射鏡。當安裝反射鏡時，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)計一個裝置能夠調(diào)節(jié)反射鏡的角度使望遠鏡的光路經(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板兩個板組成。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。兩板間安裝 4 個高性能拉簧復位。兩板以支撐體為支點，調(diào)節(jié)上下調(diào)整螺桿可改變活動板的仰俯角，調(diào)節(jié)左右調(diào)節(jié)螺桿可改變活動板的左右方位角。實現(xiàn)鏡架角度調(diào)節(jié)功能兩個螺桿為 MS ? 的細牙螺紋，螺桿旋轉(zhuǎn)一周，軸向只移動 ，提高了靈敏度。螺桿端部為球頭，適合頂平面，尾部壓紋，方便手動旋轉(zhuǎn)。另加工兩個鋁合金套與其配合，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。采用細牙銅螺桿可以提高靈敏度，在不需要定量調(diào)整時，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。 ② 反射鏡片裝在鏡筒中，可以裝好后再固定在鏡架上。 ③ 高性能拉簧復位，復位力均勻。 ④微動板設(shè)計缺口，方便準直。 高度調(diào)節(jié)裝置 為了調(diào)節(jié)反射鏡及望遠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的高度，高度調(diào)整范圍為 0～ 25mm。絲杠上加工有鍵槽，當調(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)激光切割機的激光頭距工作臺的高度來確定的。 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。 望遠鏡支撐裝置 望遠鏡支座由不銹鋼管加工而成，望遠鏡安裝在上下兩個半圓面之間，用螺栓緊固。支座前后面上的半圓用線切割一次切割成型，這樣能夠保證兩個圓柱面同軸。支座底板與托板用 3 個螺栓和一個壓縮彈簧相聯(lián)接。 壓縮彈簧在安裝時保持一定的壓縮量，通過螺栓與望遠鏡支座聯(lián)接。支座前底面與托板間墊有橡膠墊，具有一定的彈性。當需要調(diào)整望遠鏡的仰俯角度時，可由旋轉(zhuǎn)兩個調(diào)節(jié)螺栓來實現(xiàn)。 31 以上介紹了對焦裝置的四個主要組成部分，完成加工、制作和裝配后的 實物如 圖 圖 對焦裝置照片 第四章 對焦試驗及分析 對焦裝置的光路調(diào)節(jié) 望遠鏡的調(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）望遠鏡的調(diào)焦 望遠鏡調(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，也就是對無窮遠調(diào)焦，其方法如下： ① 接通望遠鏡目鏡中的小燈泡，將目鏡照明。 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。 ③在目鏡中觀察，此時可看到一亮斑，沿光軸方向旋轉(zhuǎn)分劃板調(diào)節(jié)手輪，對望遠鏡物鏡調(diào)焦，使亮十字線成像清晰。然后利用反射鏡的微調(diào)螺栓對平面鏡的角度做細微調(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，往復移動分劃板，使亮十字線和十字無視差重合。 此時，分劃板同時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鏡光軸 將對焦裝置放于激光切割機的工作臺上，目測粗調(diào)。調(diào)整高度調(diào)節(jié)裝置絲杠螺母，使望遠鏡上下移動，調(diào)整望遠鏡光軸與激光軸等高。松開 M20 螺母，轉(zhuǎn)動望遠鏡，使望 遠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。 用輔助光源進行細調(diào)。在聚焦鏡下方放置一個紅光光源，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)聚焦鏡和兩個反射鏡反射后入射到望遠鏡中。由于該光束為可見光，所以其照射到各鏡面時的入射點可見。仔細調(diào)整高度和反射鏡轉(zhuǎn)角，使光束入射點在各鏡面中心處。調(diào)整微調(diào)螺桿，使經(jīng)其反射的光線沿望遠鏡的光軸入射到望遠鏡中。至此對焦系統(tǒng)調(diào)整完畢。 焦點位置測試 應用本文提出的檢測焦點位置的望遠鏡法和其它兩種工業(yè)中常用的方法檢測 CLS2020 型激 光切割機的焦點位置。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。該機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，長邊與機床的 X 軸平行。用控制面板上的移動按鈕，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 是焦點的位置。沿 Y 方向移動斜板，再次切割，共切割出 6 條切縫。 測量切縫最細處距底板下表面的距離，則可通過圖 中的位置關(guān)系，計算得出噴嘴到焦點平面的距離和聚焦透鏡的焦距。 斜板法檢測焦點位置示意圖 在上圖中聚焦透鏡距噴嘴為 34mm，是由實際位置測量得出； 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。噴嘴距焦點距離為 h0 h， f 為聚焦透鏡焦距 ，34?f +h0 h 可間接計算出。共測量三組不同角度的楔形板，測量結(jié)果如表 41。 表 41 斜板法測焦點位置 切縫號 1 2 3 4 5 6 平均值 h0h f 34 h0 =19 h h0 =20 h h0 =21 h 經(jīng)計算 f =， ?????? fff mm 相對誤差為 %。 掃描法定位 試驗材料為 2mm 厚透明有機玻璃板。改變激光頭與工件表面距離，范圍從 0～ 13mm，每次激光頭遠離工件 lmm，每改變一次位置，在工件表面切割一條 60mm 長切縫，共切割出 14 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 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)點以三次多項式擬合，擬合曲線方程為： 2 1 5 2 0 2 0 0 23 ???? xxxy 通過計算當 y 取得最小值時 x =，即當噴嘴離工件表面 時，激光焦點位于工件表面上。 計算透鏡焦距 ???f mm， ???? f mm，相對誤差為 %。 望遠鏡法定位 由于激光頭噴嘴頂端直徑只有 ，在用望遠鏡法確定焦點位置時，對光路的共軸調(diào)節(jié)要求較高，同時由于噴嘴對視場的遮擋嚴重，造成無法觀察到工件表面，因此在用望遠鏡法確定焦點位置時需要卸下噴嘴。如圖 所示。 36 圖 望遠鏡法各位置關(guān)系 將對焦裝置放于有機玻璃平板工件表面上，先對望遠鏡調(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紙。手動調(diào)整激光 頭與工件表面的距離，同時在望遠鏡的目鏡觀察，當在目鏡中觀察到坐標紙上刻線的清晰的像時，停止調(diào)整激光頭，測量聚焦鏡筒下端距工件表面的距離 h，透鏡焦距 f =+h，測量結(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 計算透鏡焦距 f =， ????f mm，相對誤差為 %。 實驗小結(jié) 37 通過對三種方法的測量結(jié)果的誤差的 比較，望遠鏡法的準確性高于其它兩種常用方法。而且由于用望遠鏡法確定的焦點位置只與聚焦透鏡的位置有關(guān)，可以直接將焦點平面設(shè)在工件表面，不需要預先試切，可以隨時對焦。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 完成對焦，而且對焦精度也不高，浪費材料，增加生產(chǎn)成本。 該對焦裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，造價低，操作方便，能夠方便的切入和退出光路，不僅限于一臺機床，也可應用于需要對焦的其它機床，具有較強的機床適配性。是對現(xiàn)有激光加工機對焦手段的一次創(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 具有極強能量的很小作用點。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。隨著光束與 材料相對線性移動，使小孔連續(xù)形成切縫 。 目前發(fā)達國家和發(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。 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)濟效益好、易于進行自動化控制，能實現(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， 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，目前這類機床都沒有 專用的對焦手段或采用的對焦的準確性不高，對于精細的 加工 不能滿足要求。 對焦光學系統(tǒng) 的 設(shè)計，將有效地推廣激光切割設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中的應用，同時對其他領(lǐng)域中的激光 應 用技術(shù)具有很強的借鑒作用。 本文以 CLS2020 型激光切割機為基本試驗研究設(shè)備，分析了該機床的激光聚焦系統(tǒng)，針對該機床目前存在的對焦不準確的缺點，在不改變原機床結(jié)構(gòu)的條件下，自行研制了一套基于阿貝自準式直望遠鏡的對焦裝置，與機床的聚焦光路組成一個對焦光學系統(tǒng)，以實現(xiàn)準確對焦。主要結(jié)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(shè)計制作和裝配、調(diào)試。試驗比較了斜板法，掃描法，望遠鏡法三種對焦方法，試驗結(jié)果表明望遠鏡法更適用于該機床。 （ 2）在對焦裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用了阿貝自準式直望遠鏡作為觀察焦點位置的主要部件來提高對焦的準確性 。用絲杠傳動方式來調(diào)整望遠鏡的高度使望遠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)簡單，能方便的切入和退出光路。 39 參考文獻 [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) ,中國計量出版社， 1992. 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