【正文】 量望遠(yuǎn)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(xué)系統(tǒng)的焦距等方面都有著廣泛應(yīng)用，是 幾何光學(xué)實驗中經(jīng)常采用的一種實驗技術(shù)。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，即可確定焦點位置。針對這個問題，本文提出了一種新的對焦方法。 目前該機(jī)床采用的對焦方法是根據(jù)經(jīng)驗值來確定，將噴嘴移動到離工件表面約 5mm 時即認(rèn)為是焦點位置，缺乏理論依據(jù)，而且也不準(zhǔn)確。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(shè)置在工件表面。 （ 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動，直至藍(lán)色火花最大處為焦點。 對焦方法 目前在工業(yè)生產(chǎn)中對焦的簡便方法有三種 : （ 1）打印法：使激光頭從上往下運動，在塑料板上進(jìn)行激光束打印，打印直徑最小處為焦點。對于低功率的激光切割機(jī)由于其成本較低往往不配置這樣的裝置，只是給出一個大致的焦點位置供參考。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(yīng)用數(shù)學(xué)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(guān)光束參數(shù)。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?。它適用于薄件高速切割。另外，透鏡焦距較小時，透鏡與工件之間的距離也縮小，在切割過程中透鏡易被濺沫等熔渣物質(zhì)弄18 臟，影響切割的正常進(jìn)行。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(guān)，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。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的位置精確確定很重要。 聚焦功率密度 根據(jù)高斯光學(xué)理論，經(jīng)透鏡聚焦后在各光束截面上的功率密度為 ? ?22 44 ??? f pdpF ?? （ ） 式中， F 為焦點處光束的功率密度； P 為激光輸出功率。 透鏡的焦距、聚焦光束的焦深與光斑大小的關(guān)系為：焦距短，聚焦光斑?。唤咕嚅L，聚焦光斑也大，焦深變化也如此。后者定義為焦點光斑直徑增加 5%時兩光斑之間的距離。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，該橫截面和焦平面之間的距離的兩倍定義為焦深，此時光束的截17 面積是焦斑面積的兩倍 [19]，在切割中也稱有效切割范圍。焦深通常有基于光束中心光強(qiáng)變化和基于光斑尺寸變化的定義方法。與透鏡焦距密切相關(guān)的另一個量是 焦點深度，簡稱焦深。 當(dāng)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。 透鏡的形狀有雙凸形、平凸形和凹凸形三種。透鏡經(jīng)常采用能透過激光波長的材料制造。對于大功率激光器，反射鏡在使用過程中，為避免反射鏡受光照過熱而損壞，通常需用水進(jìn)行冷卻。 反射鏡 反射鏡的功能是改變來自激光器的光束方向。特別是對于 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)。該聚焦系統(tǒng)適合焊接環(huán)形焊縫。圖 （ b）為平面鏡一透鏡聚焦系統(tǒng)，激光經(jīng)過一塊平面反射鏡反射后由透鏡聚焦，其聚焦效果優(yōu)于拋物鏡聚焦，是高精密度激光焊接和激光切割常用的光路。如圖 所示為幾種聚焦系統(tǒng) [18]。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。以 CO2激光器為例，來說明像方束腰半徑的計算。 一般情況下，只要滿足 fz ??? ，由式（ ）就可得到 ? ?zwfw ?? ???0 （ ） 像方束腰的位置為 fz ??? （ ） 式（ ）中像方的束腰半徑與波長成正比，與激光束照在透鏡前主面的光束截面半徑 ??zw 成反比，這個量相當(dāng) 于普通物鏡的通光口徑，與透鏡焦距成正比。例如，應(yīng)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。若透鏡焦距為 f? ，當(dāng)旁軸球面波通過透鏡時，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，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。圖中 P 和 P? ，分別為高斯光束入射在透鏡前和經(jīng)透鏡變換后的波面，其曲率半徑分別為R 和 R? ，光斑半徑分別為 w 和 w? ，束腰半徑分別為 0w 和 0w? ，束腰至透鏡的距離分別為 z 和 z? 。 圖 高斯光束及其參數(shù) 對于高斯光束，用幾何光學(xué)的理論可以證明，其經(jīng)透鏡變換后仍為高斯光束 [16]。通?；８咚构馐陌l(fā)散角定義為強(qiáng)度下降到中心強(qiáng)度的 1 /e2點對應(yīng)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(qiáng)度在橫截面內(nèi)保持高斯分布。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。因此無論是自束腰向左還是向右激光束均是發(fā)散光束。 根據(jù)式（ ）和（ ），如果己知激光束的束腰位置和束腰半徑，就可以計算任意位置的光斑半徑和波面曲率半徑 R 。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?。同時，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。 （ 1） 基模高斯光束在橫截面內(nèi)的光場振幅分布按高斯函數(shù)的規(guī)律從中心向外平滑地下降，由中心振幅值下降到 1/e 點對應(yīng)的寬度，定義為光斑半徑，即 ： ? ? 2200z1 ??????????wwzw ?? （ ） 可見，高斯光束在傳播過程中，光斑半徑隨著傳播距離 z 成非線性變化，其軌跡為雙曲線。之所以稱為高斯光束，是由于光束截面上光強(qiáng)與離軸距離 r 成高斯函數(shù)變化的原因。目前已廣泛地應(yīng)用于汽車、機(jī)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。 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)加工中最有競爭力的一種替代手段，在激光 應(yīng)用中占有重要的地位。 激光器 ； ； ； ； ； ； 圖 透射式聚焦系統(tǒng) 10 電氣系統(tǒng)包括激光器電源和控制系統(tǒng)兩部分，其作用是供給激光器能量（固體激光器的光泵或 CO2激光器的高壓直流電源）和輸出方式（如連續(xù)或脈沖、重復(fù)頻率等）進(jìn)行控制。圖 為應(yīng)用于 CO2激光 切割機(jī)的透射式聚焦系統(tǒng)。聚焦系統(tǒng)的作用是把激光束通過光學(xué)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?，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。 9 第二章 激光切割機(jī)的聚焦系統(tǒng)研究 2. 1 激光切割機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成 激光切割機(jī)除具有一般機(jī)床所需有的支承構(gòu)件、運動部件以及相應(yīng)的運動控制裝置外，主要還應(yīng)具有激光加工系統(tǒng)，它是由激光器、聚焦系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三部分組成的。將該裝置與機(jī)床光路組成一個對焦系統(tǒng)，以達(dá)到在加工不同工件時能夠準(zhǔn)確找到焦點平面，提高加工質(zhì)量的目的。 本課題是基于工程訓(xùn)練中心的鐳神 CLS2020 型激光切割機(jī)為基本的實驗設(shè)備，研究了該設(shè)備的激光光路系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)的特點。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，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。如激光打標(biāo)機(jī)、激光焊接機(jī)、激光快速成型機(jī)、激光切割機(jī)等。 (4)向多功能的激光加工中心發(fā)展，將激光切割、焊接以及熱處理等各道工序后的質(zhì)量反饋集成在一起，充分發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢。 (3)根據(jù)加工速度自適應(yīng) 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(yīng)控制系統(tǒng)使得激光切割的整機(jī)性能普遍提高。增加功率密度等。加入造渣劑提高熔化物的流動性 。低功率激光器所產(chǎn)生的激光可以通過使用 Q 開關(guān)或加載脈沖波轉(zhuǎn)化為高功率激光。作為切割工藝的改革性技術(shù)，它的發(fā)展對我 們來說是一項挑戰(zhàn)，更是一次機(jī)遇，希望該技術(shù)可以得到政府部門，尤其是企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，盡早實現(xiàn)科研 ─ — 產(chǎn)業(yè) ─ — 一體化的進(jìn)程，使得這項高 科技 為我國的現(xiàn)代化建設(shè)做出應(yīng)有的 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。 目前我國的激光切割技術(shù)研究仍需解決的問題是 :一方面要解決激光器的質(zhì)量 (模式、可靠性、配套性 )。濟(jì)南鑄鍛研究所為一汽開發(fā) 的六軸 CO2激光加工機(jī)也進(jìn)入運行階段，用于轎車車身的切割成形。目前國內(nèi)企業(yè)對三維激光切割機(jī)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(jī) 。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)”作為重點項目進(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)。在新世紀(jì)之初，我國還應(yīng)加速研制厚板激光切割的新產(chǎn)品、新工藝，以改造我國橋梁制造、建筑機(jī)械和造船等重工業(yè)的熱切割工藝，提高經(jīng)濟(jì)效益，以填補我國在厚板激光切割方面的空白。 在我國，激光切割技術(shù)的推廣和應(yīng)用潛力很大，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā) 展，許多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)需要改造，許多鈑 金加工領(lǐng)域有待開發(fā)。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(yīng)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(jìn)行了研 究。 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)。 KrF 激光波長 ，與 5μm 的 CO 激光協(xié)同工件，總功率只有 300W，就可實現(xiàn)常規(guī)激光切割時功率 500~1000W 的效果。近年來，美、日、德、英等國正致力于研制各種工業(yè)用激光器，研究各種激光加工方法及工藝，激光切割工藝己初具規(guī)模，正 在形成一門新的產(chǎn)業(yè)。在歐洲汽車工業(yè)中，三維激光切割首先用于原型樣機(jī)的制造和試生產(chǎn)，也用于中小批量生產(chǎn) 。據(jù)專家估計，約有 60%的汽車零部件可以通過激光切割來提高質(zhì)量。工業(yè)用激光器的制造及其引入生產(chǎn)的速度已成為衡量一個國家工業(yè)生產(chǎn)效率及其在發(fā)達(dá)國家中地位的標(biāo)準(zhǔn)之一。目前，國外探索的激光切割應(yīng)用范圍正在不斷地擴(kuò)大，已達(dá) 20 多個領(lǐng)域?，F(xiàn)在激光切割技術(shù)己從特殊用途的加工技術(shù)變?yōu)橥ㄓ玫摹⒕哂卸喾N加工能力的加工技5 術(shù)。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技術(shù)的研究和應(yīng)用，其正以每年 15%～ 20%的速度增長 [911]。激光能切割塑料 (聚合物 )、橡膠、木材、紙制品、皮革以及天然和合成織物等有機(jī)材料，同時也能切割石英、陶瓷等無機(jī)材料，還能切割新型輕質(zhì)加強(qiáng)纖維聚合體等復(fù)合材料 [8]。激光能切割非金屬，而其它熱切 割方法則不能 [7]。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(qiáng)能量的很小作用點，把它應(yīng)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(jī)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(jié)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。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。 (1)激光有