（机械电子工程专业论文）数控激光软片裁片机的设计与研究.pdf

，一 - ，、， i 一，、 ： 11，jl ，一一一，； j l ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g t h e d e s i g na n d r e s e a r c ho ft h en u m e r i c a l c o n t r o ll a s e rf i l mp i e c e sm a c h i n e b yz h a n gn a n n a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uji e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 ；卜卜l卜。一卜r卜卜卜嗲 一- j i 卜 1 1 1 j f 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：琢夕 ：甬确 日 期：z o o 吕、甲 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 。r k 1 j k - 一 ，1j， l j h 0 、 l 东北大学硕士学位论文摘要 数控激光软片裁片机的设计与研究 摘要 激光加工因其非接触加工、加工精度高和使用范围广等优点，已经越来越多的被应 用于现代工业各领域。中国工业激光市场的起步晚于发达国家2 0 年左右，但由于中国 经济的迅速发展，市场需求带动了激光加工产业的发展。 激光加工主要依赖激光加工设备，它的技术水平代表了激光加工技术的水平。激光 加工设备的性能在激光器和机械运动装置确定之后，系统的功能、精度、加工工艺水平 等关键性指标主要由控制系统决定。美、日等国家一直把它列为重点发展目标，也正成 为我国该领域研究的重点。 本文在深入分析的基础上，设计了激光裁片机，完成了对它的机械系统以及光学系 统的设计。加工系统在继承了传统激光裁片机传动系统与光源设计的基础上，创新了激 光裁片头可旋转的自由度，使此加工系统能实现斜坡裁片，即在加工材料必须倾斜一定 角度放置的情况下，也能满足加工要求。本文还分析了全反射镜式光学系统在光的传播 过程中会积累一定的误差上的一些缺点和不足，给出了用耦合器及传能光纤代替的方 案，并进行了分析。对数控激光软片裁片机的软件系统及硬件结构做了深入阐述。研究 了光纤和光纤的种类特点，并对激光的种类以及激光的加工特性做了介绍。 关键词：激光，裁片，传能光纤，斜坡裁片，设计 - i i - j 1 l i f 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d e s i g na n d r e s e a r c ho ft h en um e r i c a l c o n t r o ll a s e rf i l mp i e c e sm a c h i n e a bs t r a c t t h el a s e ri sp r o c e s s e db e c a u s ei ti sn o te x p o s e dt ot h ea d v a n t a g es u c ha sb e i n gh i g ha n d 谢d eo fp r o c e s s i n g ，m a c h i n i n ga c c u r a c y 晰t l lt h es c o p eo fa p p l i c a t i o n ，a l r e a d ym o r ea n d m o r eo n ei sa p p l i e dm o d e mi n d u s t r ye v e r yf i e l d t h es t a r t i n ga n di sl a t e rt h a nf o ra b o u t2 0 y e a r so fd e v e l o p e dc o u n t r yo fc h i n e s ei n d u s t r yl a s e rm a r k e t ，b u tt h er a p i dd e v e l o p m e n t b e c a u s eo fc h i n a se c o n o m y ，m a r k e td e m a n dh a sd r i v e nt h el a s e rt op r o c e s st h ed e v e l o p m e n t o ft h ei n d u s t r y t h el a s e ri sp r o c e s s e dt or e l yo nt h el a s e rt o p r o c e s st h ee q u i p m e n t ，t h el e v e lo fi t s e n g i n e e r i n gl e v e lr e p r e s e n t a t i v e sl a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ym a i n l y t h ep e r f o r m a n c eo ft h e e q u i p m e n tt h a tt h el a s e ri sp r o c e s s e di sa f t e rl a s e ri n s t r u m e n ta n dm e c h a n i c a lm o v e m e n t d e v i c ea r ec o n f i r m e d ，k e yi n d e x e s ，s u c ha ss y s t e m a t i cf u n c t i o n ，p r e c i s i o n ，p r o c e s s i n gt h e t e c h n o l o g i c a ll e v e l ，e t c a l ed e c i d e db yc o n t r o ls y s t e mm a i n l y t h ec o u n t r i e s ，s u c ha st h e u n i t e ds t a t e sa n dj a p a n ，e t e h a v eb e e nc l a s s i f y i n gi t 嬲t h ek e yd e v e l o p m e n tg o a la l lt h e t i m e ，a r eb e c o m i n gt h ef o c a lp o i n tt h a tt h i sf i e l do fo u rc o u n t r yi sb e i n gs t u d i e dt o o t h i st e x ti so nt h eb a s i so fa n a l y s i n gi nd e p t h ，j u d g et h em a c h i n eo fs l i c ea f t e rd e s i g n i n g t h el a s e r , h a sf i n i s h e dm e c h a n i c a ls y s t e ma n dd e s i g no ft h eo p t i c a l s y s t e mo fi t t h e p r o c e s s i n gs y s t e mi s o nt h eb a s i so fi n h e r i t t i n gt h et r a d i t i o n a ll a s e r c a r v i n gm a c h i n e t r a n s m i s s i o na n dl i g h ts o u r c et o d e s i g n ，i n n o v a t i v el a s e rc a l v e1 1 e a dw h i r l i n gd e g r e eo f f r e e d o mv e r y ，i si tr e a l i z es l o p ec u to u tb l o c kt oe n a b l et h i sp r o c e s s i n gs y s t e m ，n a m e l yi n p r o c e s sm a t e r i a lm u s ti si tu n d e rt h ec e r t a i ns i t u a t i o nt h a ta n g l ep u t ，c a ns a t i s f i e d 、) ，i t l lt h e r e q u e s to fp r o c e s s i n gt o ot os l o p e t h i st e x th a sa l s oa n a l y s e dt h a tt h ew h o l es p e c u l u mt y p e o p t i c a ls y s t e mw i l la c c u m u l a t es o m es h o r t c o m i n g sa n dd e f i c i e n c i e so nc e r t a i ne r r o ri nt h e c o u r s eo fm e r es p r e a d ，a n dp r o v i d ew i t ht h ec o u p l e ra n dc a l ls p r e a dt h es c h e m et h a tt h eo p t i c f i b r er e p l a c e ，a n dh a sa n a l y s e d n cf i l mo nt h el a s e r c u tp i e c e so fs o f t w a r es y s t e m sa n d h a r d w a r et od oa ni n - d e p t hs t r u c t u r a le x p o u n d e d h a v i n gs t u d i e dt h ek i n dc h a r a c t e r i s t i c so f i i i l，-l dt h ek i n dt ot h el a s e ra n d p r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h el a s e r g yt r a n s f e rf i b e r ，s l o p e sp i e c e s ，d e s i g n i 1 i 一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t l 7 a c t i i i 第一章绪论1 1 1 概述1 1 2 激光裁片机的特点及优势2 1 2 1 激光裁片的基本概念2 1 2 2 激光加工的特点2 1 2 3 激光裁片加工的优势3 1 3 国内外激光产业的发展现状4 1 3 1 国外激光产业发展的现状4 1 3 2 我国的激光产业发展现状5 1 4 本文研究的主要内容及意义6 第二章数控激光软片裁片机总体方案7 2 1 激光器的加工原理及选择7 2 1 1 激光加工原理7 2 1 2 激光器种类11 2 1 2 1 气体激光器11 2 1 2 2 固体激光器13 2 1 2 3 准分子激光器l6 2 1 3 激光器选择18 2 2 激光传输的方法选择1 9 2 2 1 光路系统1 9 2 2 2 传能光纤2 1 2 2 3 光纤耦合器2 8 2 3 机械结构选择与确定2 9 2 3 1x y z 三个方向的传动方式及确定2 9 2 3 2 激光头的结构形式3 0 第三章数控激光软片裁片机的可视化设计3 2 3 1 数控激光软片裁片机的激光头3 2 3 2 数控激光软片裁片机的整体设计3 3 第四章数控激光软片裁片机控制系统硬件设计3 5 4 1 硬件系统设计原则3 5 4 2 方案选择3 6 v 目录 5 5 2 类函数功能简介5 4 5 5 3 程序应用举例5 6 5 6 速度控制软件设计5 6 5 7 步进电机控制软件设计5 8 第六章结论与展望6 0 参考文献6 1 致访j 6 4 v i 7 l j1， 、；。r 东北大学硕士学位论文 目录 le1 概述 第一章绪论 传统的雕刻机加工在首饰、标牌和工艺品行业中应用广泛，大多数为手工作业，产 品的质量取决于师傅、木材等上面进行文字、图案的雕刻加工以及雕刻中国传统的印章， 传统的主要方法是手的技艺水平，而且劳动率低，成本价格高。随着市场需求的不断扩 大以及模具工业的迅速发展，很多日常生活用品( 如服饰用品、钟表零件等) 的模具也大 量需要裁片加工，导致了裁片加工向机械化和自动化方向迅速发展。雕刻机与裁片机原 理非常相近，很多场合二者都可以互换使用。 在石材、铜、铝、有机玻璃工雕刻。这种加工方法不仅劳动强度大、效率低、精度 低，而且成本高、生产周期长，无法满足批量生产的要求。金属标牌的加工，现在常用的 一种加工方法是腐蚀加工，该加工方法不仅造成环境污染。而且损害操作人员的健康。 因此在标牌加工和广告行业非常需要一种加工效率高、质量高、功能强、对环境无污染 的全自动雕刻机。而对于金属材料的切割，这些系统就显得力不从心了。首先，金属材料 强度、硬度相对要比非金属大，一般的裁片机器难于裁片。为此我研制了一种三坐标激 光裁片机，以适应各种材料的裁片加工。 激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四大发明之一。由于激光具 有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度，三十多年来，以激光器为基础的激光 技术得到了迅速的发展，现已广泛用于加工、医疗、军事、通讯、检测等各个领域，并 形成了新的产业体系。甚至有人将二十一世纪誉为“光加工时代 。1 9 8 5 年到1 9 9 5 年间， 国外激光产业每年以1 0 的比例增长，1 9 9 8 年激光产业的销售额达到9 7 0 亿马克，到 2 0 1 0 年世界激光产业的产值将达到4 0 0 0 亿美元。激光加工、激光通讯、激光医疗将成 为激光技术应用最重要的三个方面。 激光裁片机是一种典型的机电一体化设备。由于它的各种优越性以及性能，激光裁 片机正逐步取代一般的机械裁片机。激光裁片机是一种技术性强、管理较复杂、相关因 素较多、跨学科的综合技术。激光裁片机系统的设计应充分考虑系统设计评价的各个方 面，选择经济、可靠性高、系统匹配性好、操作简单、维修方便和安全性高的方案。 东北大学项士学位论文 目录 1 2 激光裁片机的特点及优势 1 2 1 激光裁片的基本概念 激光裁片是九十年代兴起的一门集光学、机械、电子、计算机等多门学科于一体的 新兴学科领域，激光裁片是非接触式加工，操作的灵活性大，适用范围广，比传统的加 工处理方法( 如机械刻刀、电火花加工、化学腐蚀) 有更多的优越性。激光裁片机通常是 由二氧化碳激光器、专用激光裁片软件、自动控制系统和精密机械组成，属于低价位的 高科技激光产品，电脑排版、激光裁片、字体丰富，自动化程度高，具有裁片速度快、 操作方便等独特优点。广泛应用于切割金属，非金属以及高分子材料等等。 1 2 2 激光加工的特点 激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一。激光加工技术随着光、机电、材料、 计算机、控制技术的发展已经逐步发展成为一项新的加工技术。激光加工具有加工对象 广、变形小、精度高、节省能源、公害小、非接触加工、自动化加工等显著优点，对提 高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等的作用愈 来愈重要。激光加工主要应用在电子、汽车、机械制造、钢铁冶金、石油、轻工、医疗 器械、包装、礼品工业、钟表、服装、化妆品、烟草、航空航天等行业，而且应用范围 越来越扩大，在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标、 激光裁片等方面己得到广泛应用。激光加工有“热加工 和“冷加工 两种。现在大量 用于激光加工的c o ，和y a g 激光为红外光，它们辐照在金属或非金属工件上，基于热 效应，使工件升温、熔化或气化，以完成各种加工，这是热加工。准分子激光器输出紫 外光，它有可能对聚合物等非金属材料进行基于光化学作用的剥蚀加工，这种“冷加工 技术正在开发，并有可能在电子工业中得到较大程度的应用。但是，激光加工的主流还 是基于热效应的加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设 备，已成为企业适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的) j n - r 生产开辟了广阔的 前景。激光裁片技术主要包括y a g 激光裁片和c 0 2 激光裁片，它们有着不同的组成和 应用领域。y a g 激光裁片机主要由y a g 激光器、裁片软件、自动控制系统和机械部分 组成，主要应用于金属裁片；c 0 2 激光裁片机通常是由二氧化碳激光器、专用激光裁片 软件、自动控制系统和精密机械组成，属于低价位的高科技激光产品，同时由于c 0 2 激 光波长为1 0 6 a n ，正好处于“大气窗1 2 1 ，大气对它的吸收较小，因此广泛应用于切割 各类材料：把金属、非金属材料切割成一定形状或者完成倒角的加工等。另外，c 0 2 激 光易于制成大功率激光器，对于输出同样功率的激光，c 0 2 激光器比其它诸如y a g 激 一2 东北大学硕士学位论文 目录 光器等要小得多，所以在精密加工等方面有很大的应用前景。 激光加工是将强的激光光束聚焦到介质上，利用激光光束与物质相互作用的过程来 改变物质的性质，随着光、机电、材料、计算机、控制技术的发展，已经逐步发展成为 一项新的加工技术。c o ：激光裁片就是其中兴起的先进技术之一，它是利用高能量密度 的激光光束在非金属( 木制品、有机玻璃、石材、水晶、皮革、高分子材料等) 上裁片， 用以剪裁出各种图案形状，具有传统裁片方法不具有的优点： ( 1 ) 速度快 ( 2 ) 精确度高 ( 3 ) 高质、重复性裁片 ( 4 ) 无接触性、灵活性、耐久性 1 2 3 激光裁片加工的优势 激光裁片机的发展主要是源于传统机械裁片技术的缺陷，得益于激光裁片的优势。 表1 1 显示了传统机械裁片与激光裁片的不同。 表1 1 传统机械裁片与激光裁片的不同 t a b l e1 - 1d i f f e r e n c eo fm e c h a n i s me n g r a v i n ga n dl a s e re n g r a v i n g 从表中可以看出，激光裁片的优势在于： ( 1 ) 激光裁片是一种非接触性加工手段，对材料不产生机械挤压或机械应力，不存在 刀具磨损问题，易损件为零。因此，从长远角度看，有利于生产成本的降低； 3 - 东北大学硕士学位论文目录 ( 2 ) 激光光束很细，使加工材料消耗小； ( 3 ) 由于激光的能量强度可以达到很高，且不容易发散，可对高熔点、高强度的合金 材料、金刚石等非金属脆硬材料进行加工； ( 4 ) 激光裁片运用光电学作用，对环境无任何污染，而且占地小，操作条件简便； ( 5 ) 能加工图像图形文字等，且加工产品精细美观。 1 3 国内外激光产业的发展现状 1 3 1 国外激光产业发展的现状 工业化发达国家的政府十分注重激光技术的发展，美国1 9 9 8 年制定的2 1 世纪光科 学与工程的发展规划一哈里森光计划( h a r n e s s i n gl i g h to p t i c a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n gf o rt h e2 1 s tc e n t u r y ) ，日本2 0 0 1 年制定的光科学与工程的发展规划一光世纪 限& di n s t i t u t ef o rp h o t o n i c se n g i n e e r i n g ) 以及德国教研部2 0 0 2 年制定的光学技术促进计 划，都是各国政府为保持国民经济的持续发展、争夺预计为1 0 0 0 亿美元以上的激光技 术市场而明确制定的国家规划。 世界激光市场可以划分为三大区域：美国( 包括北美) 占5 5 ，欧洲占2 2 ，日本及 太平洋地区占2 3 。5 0 0 瓦以下的中、小功率激光器是美国占优势，5 0 0 瓦以上用于材 料加工的高功率激光器是德国占优势，而小功率的半导体激光器则是日本占优势，占世 界市场的7 0 以上。美国、日本、德国三个国家激光产业的发展代表了当今世界激光产 业发展的趋势。日本在光电子技术方面占首位，在激光医疗及激光检测方面，美国占首 位，而在激光材料加工设备方面则是德国占首位。这表明各个国家的发展都与他们自己 的工业基础有关。 美国是世界上最早建立激光加工站的国家，许多加工站建立于七十年代中期，1 9 9 6 年的统计结果表明，美国激光加工站的年收入已逾6 0 - - 8 0 亿美元，在美国激光加工站已 超过1 7 6 5 家，这对于在美国推广激光加工技术起着重要作用。美国也是最早将高功率 激光器引入汽车工业的，例如在美国汽车工业中心底特律地区就有4 0 余家激光加工 站，用于汽车扳金件的切割和齿轮的焊接，使汽车改型的周期从5 年缩短至2 年。 在欧洲地区激光产业发展最快的是德国，特别是激光材料加工方面处于世界领先地 位。据统计，1 9 9 4 年德国用于材料加工的光源( c d ，和y a g 激光器) 总共生产了1 3 6 4 台， 产值1 6 5 亿马克，比1 9 9 3 年增长1 3 ，几乎占了世界市场的4 0 ，处于领先地位。德 国为了推广激光加工技术，除了建立9 个国家级激光中心外，还大量建立激光加工站， 4 j 1 、 一 ：l-z。，l：，t_t 东北大学硕士学位论文 目录 同时在大、中、小型企业积极建立激光加工生产线，例如：大众汽车厂的齿轮激光加工 生产线；奔驰汽车厂共有1 8 个厂房，其中有8 个厂房安装了激光加工生产线。 八十年代初，日本产业界积极采用激光加工，并逐步扩大到焊接、钎焊。统计表明， 日本占当今世界上工业用激光设备的3 0 左右，激光加工是日本重要的基础制造技术之 一。日本现用于材料加工的是大功率二氧化碳激光器和n d ：y a g 激光器，少量准分子 激光器也已使用，而新开发的气体激光器有波长10 6 微米二氧化碳激光器、波长5 微米 一氧化碳激光器、波长1 3 微米的碘激光器及二极管激励固体激光器的紫外准分子激光 器等。现在的二氧化碳激光器功率多为5 0 0 瓦，而理论上可高达1 0 0 千瓦，近期报导已 达2 0 千瓦。且其功率越大，效果越好，故日本对二氧化碳激光器开发研究寄以期望。 另外，据统计，到1 9 9 5 年为止日本已建立了1 5 0 0 家激光加工站。近年来，以每年新建 2 0 0 - 3 0 0 家的速度在递增。 1 3 2 我国的激光产业发展现状 在1 9 6 0 年美国贝尔实验室发明红宝石激光器一年后，我国第一台红宝石激光器在 长春光机所诞生。从此以后，我国在激光器和激光应用技术研究方面有了许多的成果。 国家“六五 至“九五 期间对激光技术基础研究的大力投入，已在北京、上海、武汉 三地形成中国激光研究、应用的三足鼎立之势。据统计，我国激光产业的总销售额在“八 五”期间达到1 2 5 3 2 亿元，1 9 9 5 年销售额是1 9 9 0 年的6 9 4 倍，平均年增长率达2 3 3 倍。据1 9 9 8 年中国光学光电子协会对我国激光产业状况的调研统计，全国主要激光产 品生产单位约1 0 0 多家，从业人员6 4 0 0 人，人均销售额1 2 5 万元，主要分布在湖北、 北京和上海。我国的激光产业由1 9 8 8 年的l 亿元增加到1 9 9 8 年的8 亿元，平均年增长 2 2 3 ，1 0 年总销售额达4 1 2 亿元。1 9 9 8 年出口1 1 2 0 万美元，占总值的1 1 6 。 中国光电子协会提出的国家激光产业发展战略是：以世界激光产业发展趋势和国内 外市场为导向，以国内建设和人民生活急需的重要项目为龙头，集中力量，发挥优势， 采取重点突破，组织和建立多种投资体制的产业集团，逐步形成规模生产，加速激光产 品商品化、产业化和国际化进程，争取在2 0 1 0 年国内激光产品销售额达到4 0 0 亿元。 我国激光产品主要的应用领域是激光测距准直、激光材料加工、激光通讯、激光医 疗、激光晶体和光学元器件等。由于激光加工设备对激光器要求高，因而进入市场较晚， 1 9 8 8 年销售额只有3 0 8 万元，但发展最为迅速。1 9 8 8 到1 9 9 8 十年间增长了5 1 6 倍，平 均年增长率达到4 8 3 。这表明激光加工用激光器和激光加工技术日趋成熟，也表明工 业界的需求不断地增长，主要矛盾仍然是我们尚不能提供更好的多样的设备和技术满足 不同的要求。 经过近5 0 年的艰苦努力，我国激光技术研究获得重大突破，激光产业也从无到有， - 5 - 目录 激光自1 9 6 0 年问世后，很快在生产中得到应用。其后，随着对有关基本理论研究的 不断深化，各类激光器件不断地发展，使其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大， 所获得的社会效益和经济效益更加显著。随着激光技术的发展，它的应用范围也越来越 广泛，在通信工程、机械加工、军事技术和医疗器械等方面的应用尤其引人注目。 激光裁片机作为典型的光、机、电一体化产品，可分别实现材料的剪裁、勾边、位 图三种加工方式，它具有激光光笔与工件无接触、不会划伤其表面、切缝窄且切口光滑， 加工效率高、加工精度好等特点。对于精确度非常高的裁片，是手工和机械所无法超越 的，对橡胶板、有机板、塑料板、亚克力板、皮革、织物等非金属材料均能实现加工， 可以广泛地应用于机械加工行业，具有十分广阔的市场前景。 本课题设计实现的三维激光裁片机通过3 个方向上的滚珠丝杠传动相结合，实现激 光头的三维运动，分别为沿】，方向的龙门架运动，沿x 方向的激光头运动以及z 方向的 激光头上下移动，并且激光头部分安装了电机及减速器能使激光摆一定的角度来做斜坡 加工，工件不用倾斜一定角度，也能实现斜向切割的加工要求。 目前，我国的激光裁片机都只是二维的，z 轴方向激光只有开关2 种状态或者z 轴 能变化激光强度实现三维裁片，但是这些激光裁片机都不能使激光头实现摆动一定的角 度，不能直接实现斜坡加工。现在国内有人提出用激光直线切割加工，然后再进行重新 定位打磨出倒边，这样的加工方式虽然实现了激光切倒边的加工要求，但是显然这样存 在重新定位以及二次加工的问题，加工效率很低。本课题研究的激光裁片机真是针对此 特点创新了激光头摆动结构，能实现对工件进行斜向加工或者切倒边的加工要求。 6 1 一一 ；1】f1111 东北大学硕士学位论文第二章数控激光软片裁片机总体方案 第二章数控激光软片裁片机总体方案 激光裁片其应用范围己经很广，市场需求量一直在不断攀升。但一般激光裁片机都 是二维结构激光头只能在平面移动。就整个行业来讲，各不同厂家的产品技术基本上都 是不对外公开的且功能还不够完备、数据格式不兼容，特别是裁片软件，因此要获得适 合自身的激光裁片软件，就必须从软件的基层开始建立起自己的激光裁片软件平台。本 文所述软件系统既包含文字图像处理，又包含实时裁片控制。 2 1 激光器的加工原理及选择 激光自1 9 6 0 年问世后，很快在生产中得到应用。其后，随着对有关基本理论研究的 不断深化和各类激光器件不断地发展，使其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大， 所获得的社会效益和经济效益更加显著。 作为高科技之一的激光技术，是2 0 世纪科学技术发展的重要标志和现代信息社会 光电子技术重要支柱之一。激光技术不仅受到技术先进国家的高度重视，而且也受到许 多发展中国家的高度重视，并给与大量的投入。2 0 世纪8 0 年代以来，在很多国家，政府 都把激光技术列为国家级发展计划。例如，英国的“阿维尔计划 ，美国的“激光核聚 变计划”，日本的“激光研究五年计划 等。这些计划的实施使激光技术得到迅速发展， 且已经形成了一个生机勃勃的新兴产业。与此同时，激光技术的发展大大促进了多种技 术、学科、多种生产水平的进步和提高，影响之大，举世瞩目。 在激光技术中激光裁片技术是较常见的。激光裁片有三种方式：c o ，激光裁片，n d ： y a g 激光裁片，准分子激光裁片。这三种激光裁片技术都在某些方面体现了它们各自 的特性和优点，所以有不同的应用领域。 2 1 1 激光加工原理 激光是一个特定的低真空谐振腔中，一种特定介质( 如红宝石、钇铝石榴石和c o ，) 在电( 光或其他能波) 激发下经反复震荡、放大后射出的一束光子流。这束光子流波长单 一( 单色) ，发散角小( 方向性好) ，具相干、高能、高亮度特性，经聚焦可达极高功率密 度( 1 0 6 , - , 1 0 1 2 w c m2 ) 。用它作热源，对材料或零件进行高效率、高精度a n - r ( 切割、裁片、 打孔、焊接及表面硬化等) ，通常称之为激光加工。 激光加工的热过程可这样来描述：在高功率聚焦激光束照射下，被加工材料表面与 7 一 i 口光斑直径； 弘光斑移动速度。 由此可知，激光器输出功率和切割速度是相互关联的，它们共同作用着激光能量密 度。增加激光功率和降低切割速度，都能增加能量密度，造成切缝宽度增加，热影响区 变大；反之，则有利于减小切缝宽度和热影响区宽度。 ( 3 ) 透镜焦距 聚焦分为透镜聚焦和反射聚焦。透镜聚焦分为球面透镜聚焦和非球面透镜聚焦，在 激光加工中，为减少光能损耗，常采用单透镜聚焦，但不可避免地会存在像差，使用非 球面透镜聚焦可以很好地消除像差。反射聚焦系统形式有同轴球面镜聚焦、离轴球面镜 聚焦、校正的离轴球面镜聚焦、抛物镜聚焦、双球面反射镜聚焦。 激光经过各反射镜的反射传输，由聚焦透镜聚焦出符合要求的光斑大小在工件表 - 8 - f l l 东北大学硕士学位论丈 第二章数控激光软片裁片机总体方案 面，利用激光照射到被加工物上的能量在短暂时间内的高度集中，可以瞬间使物质熔化 和气化，在材料表面形成凹痕，而未被激光照射到的地方，材料保持原样。通过扫描仪 或键盘、鼠标编排好所要裁片的图形、图像、文字，由计算机发出裁片命令后，控制步 进电机的运动和激光器的出光同步工作，这样就可以进行图形、图像的精细裁片。 采用实际聚焦透镜将基模激光束聚焦所得的最小光斑直径可近似为由衍射所决定 的腰斑直径与由透镜像差所决定的最小弥散圆直径的和： ：1272f+tkd3d ( 2 2 ) = + ：一 ( ) df 式中：小聚焦光斑直径； 旯激光波长； f 透镜焦距； 尽系数，取决于透镜曲率半径和材料o d 聚焦透镜处光束直径。 由上式可见，焦数比f d 对衍射的腰斑直径和像差弥散圆直径有相反的影响，对于 平凸透镜，k 取值为2 8 9 x1 0 3 在焦数比较大的情况下，k 哆：很小，可忽略不计， 即：d = 1 2 7 五二。 d 对于厚板切割，除考虑焦斑尺寸外，还必须保证焦深，焦深定义为光束直径扩展到 腰斑直径的p 倍处距离腰斑位置的轴向距离，可按下式计算 z 出再嘉( 2 - 3 ) 将前式代令可得：z = c ( ) 2 ( 2 4 ) j 由此可见，焦深z 与焦数比的平方成正比，其中c = 1 2 7 2 4 p 2 一l 。在保证一定焦 深的前提下，光斑直径应尽可能小。采用8 0 0 w 激光器，切割速度为o 8 m r a i n ，出口辅 助氧气压力为5 m p a 时，切割厚度为6 m m 的石油筛缝管切缝宽度试验表明，切缝宽度 与光斑直径大体一致，选用短焦距透镜可减小切缝宽度，透镜焦距主要依据工件厚度来 选取，同时兼顾光斑直径和焦深。工件厚，则焦深大，反之，则焦深小。激光切割的聚 焦光斑位置应在工件表面以下并靠近工件表面，约在工件上表面偏下1 3 板厚处，可采 9 东北大学硕士学位论文 第二章数控激光软片裁片机总体方案 用如下方法确定聚焦位置：用2 0 0 3 0 0 w 的小功率激光，压力为0 1 0 0 k p a 的压缩空气， 喷嘴在工件上快速移动，不断调整其高度，一旦出现蓝光及爆裂声，则说明焦点已落在 工件表面，然后向下调1 3 板厚即可。 ( 4 ) 辅助气体压力与种类 激光切割时需喷射同轴辅助气体，其主要作用是吹除切割熔体和熔渣，保持切割断 面整洁：加快切割速度，加深切割深度，减小切缝宽度和热影响区宽度：保护激光器透 镜不受加工飞溅物损伤并冷却透镜。使用不同的冷却气体，对切割质量会产生不同的影 响，因此辅助气体的选择是获得高质量切割效果的关键参数之一。在切割功率为5 0 0 w ， 切割速0 6 m m i n ，切割3 m m 厚钛板试验中不同辅助气体对切缝质量的影响，见表2 1 。 表2 1 辅助气体的切缝质量 t a b l e2 1k e r f q u a l i t yo f a u x i l i a r yg a s 在炭钢反应切割中，采用氧气作为辅助气体，有三个基本功能：提供氧化放热反应 所需氧气；提供机械能以去除熔融物质；强制对流冷却切割区。氧化反应供给的热量约 为激光切割所需总能量的2 3 以上，可降低对激光器输出功率的要求。 当激光功率和切割速度一定，氧压大，则反应剧烈，速度快，热影响区大，切缝质 量低；反之则切缝质量高。但氧压过低可能出现切不透或切缝下粘附熔渣过多。一般氧 压应不低于2 k g f c m 2 。 ( 5 ) 激光入射角与工件表面的逆反射 在一定的工艺条件下，激光入射角在一定范围变化时，对薄板的切割质量影响不大， 超过某一角度，将无法进行切割，即存在一个临界角度。入射角越大，用于切割的有效 能量越小，而像散现象越严重。对于碳钢类材料，光束应与工件表面垂直。但对于反射 率较高的有色金属，如果光束垂直于工件表面，逆反射的光线会反射入激光腔，使激光 器工作不稳定。对于此类问题，可以调整工序，使待切割的工件处于“毛面 状态，也 可以在工件表面涂敷炭黑，效果更好。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章数控激光软片裁片机总体方案 ( 6 ) 厚板切割 激光切割常用于1 5 m m 以下厚度钢板的切割，当板材较厚时采用大功率激光器切 割，质量会下降。为此可采用中小功率激光器配合以下新工艺进行切割。 预热法。与传统切割方法不同，于切割喷嘴前加预热焰，有利于维持准稳态燃烧 过程，又可对切割氧流起预热作用，有利于维持氧的压力和纯度。预热焰可由氧炔焰或 对激光束分束获得。但采用预热法使设备趋于复杂，当采用分束光路时，需要额外的透 镜，光路的震动也将影响切割质量。采用火焰预热则会使切边出现塌角。 散焦法。其特点是激光的焦点不在工件表面，而在喷嘴内部，这样当光束到达工 件表面时，不是会聚而是发散光束。由于光斑略大于氧流直径，因而燃烧较稳定。散焦 法设备简单，切割过程稳定，但切割速度较低，切割5 0 m m 低碳钢板时，最佳切割速度 只能达到16 0 m m m i n 。 锯切法。焦点随着自适应反射镜镜面的周期性变化在几个毫米内振动，既提高了 切割厚度范围又提高了切割质量。但其切割厚度有限，一般不超过3 0 m m 。 双聚焦法。采用特殊的透镜使光束在工件上下表面两次聚焦，上焦点使上表面能 量高度集中，因而起割容易，下焦点在切缝下边缘提供了较高的能量密度，提高了局部 温度，增加了切割厚度，也有利于挂渣的清除。切割过程对焦点漂移也不敏感。但双聚 焦法需用特殊透镜，且必须随着工件厚度的变化而更换不同的透镜。 ( 7 ) 工件变形 有些工件，尤其是薄板，由于某些原因发生变形使表面不平，激光焦深发生较大变 化。实践表明，当工件表面不平达到l m m 时影响切缝质量。因此应先用机械方法校 平，再进行激光切割。由于激光切割热影响区小，切后工件变形很小，改进夹具及采用 较低的激光功率和较快的切割速度并降低氧气含量、压力，可进一步减小变形。 其它改进激光切割的手段还有多种，包括激光输出能量的控制与监测，对激光被加 工物体结合面的监测和激光加工过程建模。确切说，提高激光束的连续性和单色性，将 有助于提高激光加工的质量。 2 1 2 激光器种类 2 1 2 1 气体激光器 2 0 世纪7 0 年代后期，人们开始研制激光裁片。在此之前，大部分采用气体二氧化碳 作为激光介质，用c o ：激光器裁片，如图2 1 。二氧化碳激光裁片的在很大程度上满足 了机械加工业的发展需要，特别是对材料的剪裁及切边发展的要求。 k ， r i -。一 北大学硕士学位论文 笫二章数控激光软片裁片机总体方案 4 图2 1 二氧化碳激光器结构示意图 f i g2 1t h e s t r u c t u r eo f c a r b o nd i o x i d el a s e r s 1 电源2 进水口3 红外材料4 反射镜5 电极 6 冷却水7 放电管8 出水口 1 - p o w e r2 i n t a k e3 i rm a t e r i a l s4 m i r r o r s5 一e l e c t r o d e 6 - c o o l i n gw a t e r 7 - a r r e s t o r8 - o u t l e t 二氧化碳激光裁片机经过3 个发展阶段： 第一代二氧化碳激光裁片机实际上是用激光作为光笔的放大尺，用一脚踩开关控制 笔工作，可以用来复制书法，曲线图像和人像。激光在工件上裁制出与原稿相似图案， 是一种简单的原始的二氧化碳激光裁片机，成本低廉。 第二代二氧化碳激光裁片机是用来裁片木刻形图形的，用单片机控制光斑在平台上 线扫描，在原稿亮处激光器关闭，原稿暗处激光器打开，从而加工出黑白的图形。激 光器的焦点直径为0 4 m m ，图形的黑区实质上是由宽0 4 r a m 、深为2 2 m m 的一系列线 条组成。一幅画面可分成5 5 0 条线，阅读头也可进行同步扫描，阅读头具有0 4 m m 光 孔，由一个半导体发光管与接收管组成，接收发射管照明的图像反射光线，经单片机取 阈值后控n - - 氧化碳激光器的开关。 第三代二氧化碳激光裁片机，控制系统用个人计算机代替了单片机，因而也称之为 微机控制的二氧化碳激光裁片机。采用照相机一次读入5 1 2 x 5 1 2 的像点及其灰度等级。 经抖动法处理将具有2 5 6 等级的灰度转变为该区的黑点子密度，从而大大压缩信息的容 量，克服图像的明暗灰度层次，解决图像的放大与缩d , l h 题，完成对立体图像与大幅图 像的阅读以及对多幅图像的信息存储和处理。 1 2 一 j 东北大学硕士学位论文第二章数控激光软片裁片机总体方案 2 1 2 2 固体激光器 固体激光是在激光介质中使用结晶、纤维等固体的激光，以灯激发光。或者是，最 近通过半导体激光( 称l d ) 激发的固体激光，现在正广泛应用与市场中。 固体激光不需要如气体激光那样的大型的气体设备，由于