【正文】 北京理工大學(xué)出版社 ,1993. [7]鄧樹森 .我國(guó)激光加。該裝置體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能方便的切入和退出光路。用絲杠傳動(dòng)方式來(lái)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的高度使望遠(yuǎn)鏡光軸與激光光路等高 。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。 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。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(wú)法解決的問(wèn)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(méi)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。 激光 切割技術(shù) 作為一門發(fā)展極快的制造新技術(shù)。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 。激光束聚焦后38 具有極強(qiáng)能量的很小作用點(diǎn)。是對(duì)現(xiàn)有激光加工機(jī)對(duì)焦手段的一次創(chuàng)新。而另兩種方法都是要先通過(guò)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。 實(shí)驗(yàn)小結(jié) 37 通過(guò)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。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。 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。 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(wú)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。 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(guò)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。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。 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 %。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。 測(cè)量切縫最細(xì)處距底板下表面的距離，則可通過(guò)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。縫上最窄處就 是焦點(diǎn)的位置。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(kāi)該文件，設(shè)置切割參數(shù)和激光電流，啟動(dòng)切割程序。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。該機(jī)床所用的激光聚焦透鏡的焦距理論值是 40mm。 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。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。由于該光束為可見(jiàn)光，所以其照射到各鏡面時(shí)的入射點(diǎn)可見(jiàn)。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。調(diào)整反射鏡架固定板與 X 方向成 45o 角。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。 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。 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。 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(wú)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。 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(guò)目鏡能清楚地看到目鏡中分劃板上的刻線。支座前底面與托板間墊有橡膠墊，具有一定的彈性。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。 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。鎖緊螺母材料為銅，表面也鍍鉻。 為了獲得較好的表面質(zhì)量，各零件經(jīng)過(guò)表面處理。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。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。 ④微動(dòng)板設(shè)計(jì)缺口，方便準(zhǔn)直。 ② 反射鏡片裝在鏡筒中，可以裝好后再固定在鏡架上。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。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。兩板間安裝 4 個(gè)高性能拉簧復(fù)位。 鏡架主要由固定板和活動(dòng)板兩個(gè)板組成。 （ 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。內(nèi)部加工一個(gè)直徑 40mm 寬 4mm 的溝槽，以安裝反射鏡。 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(guò)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。根據(jù)使用要求，反射鏡帶寬從近紫外、可見(jiàn)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)。其厚度與口徑的關(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。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。短軸半徑 2b 為平行光束的口徑 D，其長(zhǎng)軸 2a 由下式確定： ?sin2 Da? （ ） 其中 ? 為反射鏡與光軸夾角。 反射鏡調(diào)整架的設(shè)計(jì) （ 1）平面反射鏡的選擇與安裝 平面反射鏡是為實(shí)現(xiàn)預(yù)定光路轉(zhuǎn)折的一種最簡(jiǎn)單的光學(xué)元件。自準(zhǔn)直時(shí)，小十字線的像和小十字線相對(duì)于光軸對(duì)稱。 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。直角棱 鏡的直角面與分劃板叉絲下面相貼。阿貝目鏡的焦距為， 放大倍數(shù)為 7。物鏡固定在望遠(yuǎn)鏡筒的另一端，為消色差雙膠合物鏡，焦距為168mm，通光口徑為 25mm。分劃板安裝在望遠(yuǎn)鏡筒內(nèi)，并可沿鏡筒前后移動(dòng)。阿貝自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡由物鏡和阿貝目鏡組成。 阿貝自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡 阿貝自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡安裝在支撐座上，支撐座安裝在托板上，與底座相連接。在待加工工件表面上平放一塊坐標(biāo)紙，作為觀察目標(biāo)。 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 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(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將該裝置放置于激光切割機(jī)的工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的高度，使望遠(yuǎn)鏡的光軸與激光光軸共面，并垂直于激光光軸。 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。光路系統(tǒng)如下圖所示： ； ； ； 1(Ml)； 2(M2)； 6.反射鏡 3(M3)； ； ； ； ； 11.工作臺(tái) 26 圖 光路系統(tǒng)示意 圖 其中激光頭的結(jié)構(gòu)如圖 。 ； ； ； ； 軸軌道 ； ； 收集箱 ； ； M1 ； 軸電機(jī) ； ； M2 ； 軸軌道 ； ； M3 圖 CLS2020 型激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 激光器產(chǎn)生的光通過(guò)反射鏡反射后，打到聚焦鏡上，再通過(guò)聚焦鏡的聚光，成為可用的光束。 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(cè)出物任意改變 u ，可以進(jìn)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(cè)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(shí)，透鏡在兩屏間移動(dòng)，必能在像屏上二次成像， l 為二次成像時(shí)透鏡所移動(dòng)的距離 fA 4?在 范圍內(nèi)改變A 可進(jìn)行多次測(cè)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(yuǎn) 鏡 法 當(dāng)物位于待測(cè)透鏡焦平面時(shí)在物鏡中可看到清晰的像 測(cè)量方法簡(jiǎn)單 a a b CLS2020 激光切割機(jī) 鐳神 CLS2020 激光切割機(jī)采用 CO2 激光器，驅(qū)光式導(dǎo)光系統(tǒng)（飛行光路），包括三個(gè)反射鏡和一個(gè)聚焦鏡（聚焦鏡安裝在激光頭調(diào)整套25 筒內(nèi)）。三種方法各有特點(diǎn)，比較如下表 [24]。測(cè)量結(jié)果為： （ 1）物距 —— 像距法 ： ??f mm； （ 2）二次成像法 : ??f mm； （ ）自準(zhǔn)直法： ??f mm； （ 4）望遠(yuǎn)鏡法： ??f mm。 23 在光具座上采用上表三種方法和望遠(yuǎn)鏡法測(cè)量同一個(gè)凸透鏡的焦距。此時(shí)望遠(yuǎn)鏡已調(diào)焦至無(wú)窮遠(yuǎn)，適合觀察平行光了。這時(shí)，從目鏡中可以看到清晰的“豐”形叉絲和“十”字像。調(diào)節(jié)目鏡，使目鏡視場(chǎng)中出現(xiàn)清晰的“豐”形叉絲。阿貝式自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡由物鏡、目鏡、分劃板等組成，三者間距可調(diào)。 表 31 三種自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡比較 [23] 比較項(xiàng)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(zhǔn)直管和望遠(yuǎn)鏡（或平行光管）用時(shí)，兩者視準(zhǔn)軸的重合性 視準(zhǔn)軸不能重合 視準(zhǔn)軸始終重合 視準(zhǔn) 軸可調(diào)到重合 22 當(dāng)反射鏡離自準(zhǔn)直管物鏡較遠(yuǎn)時(shí) 有可能看不到反射像 無(wú)論距離多遠(yuǎn)，均能獲得反射像。由光源照明分劃板，分劃板上的刻線經(jīng)物鏡成像于無(wú)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。它們是以下三種 [22]. （ 1）阿貝式自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡； （ 2）高斯式自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡； （ 3）雙分劃板式自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡。要實(shí)現(xiàn)自準(zhǔn)直，首先要將分劃板照明，其次要從目鏡中看到自準(zhǔn)直像，還需要有反射鏡。 自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡 自準(zhǔn)式直望遠(yuǎn)鏡是工廠、實(shí)驗(yàn)室常用的光學(xué)儀器，由自準(zhǔn)直目鏡與望遠(yuǎn)物鏡構(gòu)成。點(diǎn)， P 與 P39。其光路圖如圖 所示。自準(zhǔn)直法測(cè)量透鏡焦距就是首先利用待測(cè)透鏡自身產(chǎn)生一個(gè)位于無(wú)限遠(yuǎn)的物，再用待測(cè)透鏡對(duì)它成像，通過(guò)測(cè)量像與透鏡之間的距離來(lái)確定透鏡的焦距。它在平行光管和測(cè)