（机械设计及理论专业论文）激光雕刻切割机对焦系统的研究.pdf

大连理【大学硕士学位论文 摘要 激光雕刻、切割都是利用激光束聚焦形成的高功率密度的光斑，将材料快速加热至 汽化湿度，将材料去除，从而获得所需要的图案和切缝的加工方法。由于功率密度与光 束截面直径的平方成反比，而焦点处的直径最小，因而功率密度最高。为了获得高质量 的切缝，就要精确确定焦点的位置。激光雕刻切割机的对焦系统的研究对提高机床的加 工精度和提高加工质量具有重要的现实意义。 本文在激光束聚集理论的基础上，分析了激光光路系统的结构和聚焦系统的功能。 针对c l s 2 0 0 0 型激光雕刻切割机现有的调焦系统不能准确确定焦点位置的缺点，提出 并设计了一套以自准直望远镜为主要部件的几何光学对焦系统。用s o l i d w o r k s 软件完成 了对焦装置的机械结构设计和三维实体建模，并进行了虚拟装配和零件图的生成；完成 了实际装置的制作、装配和调试。 将对焦装置切入现有机床的光路系统，组成新的对焦系统，通过试验验证了系统的 可行性。比较了采用此对焦系统和采用其它常用方法对焦点位置进行检测的准确性。 此外，还研究了激光切割p m m a 时各工艺参数( 主要包括激光电流、切割速度、 焦点位置) 对加工质量的影响，得出获得优质加工质量的工艺参数范围，为生产过程提 供工艺上的指导。 关键词：激光切割；激光雕刻；对焦系统；焦点位置；自准直望远镜 激光雕刻切割机对焦系统的研究 r e s e a r c ho nf o c u s i n gs y s t e mo fl a s e rc a r v i n ga n dc u t t i n gm a c h i n e a b s t r a c t l a s e rc a r v i n ga n dc u t t i n ga r et e c h n o l o g i e su s i n gas p o tw i t hh i g hp o w e ra n dd e n s i t y f o r m e db yf o c u s e dl a s e rb e a m d u r i n gt h ec a r v i n go fc u t t i n gt h em a t c f i a li sh e a t e dr a p i d l yt o t h ev a p o r i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，a n dw i p e so f fb ya s s i s t a n ta i r , t h e nm a k et h eb e a mo rm a t e r i a l m o v i n ga n dg a i nt h ep a t t e r no rn a r r o wk e r r a st h ep o w e rd e n s i t yi si n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt o t h es q u a r eo ft h ed i a m e t e ro ft h el a s e rb e a ma n dt h ed i a m e t e ro ff o c u sj st h es m a l l e s t , t h e r e f o r et h ep o w e rd e n s i t yi st h eh i g h e s t ko r d e rt oo b t a i nh i g h - q u a l i t yk e r r , i ti s 础疆踟 t oa s s u r et h ea c c u r a t el o c a t i o no ft h ef o c u s n es t u d yo ft h ef o c u s i n gs y s t e mo fl a s e rc a r v i n g a n dc u t t i n gm a c h i n eh a sg r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h ep r o c e s sa c c u r a c ya n dt h e p r o c e s sq u a l i t yo f t h em a c h i n e t i l i sp a p e ra n a l y s e st h es t r u c t u r eo fl a s e ro p t i c a ls y s t e ma n dt h ef u n c t i o no ff o c u s m g s y s t e m a g a i n s tt h es h o r t c o m i n g st h a tt h ee x i s t i n gf o c u s i n gs y s t e mo fc l s 2 0 0 0l a s e rc a r v i n g a n dc u u i n gm a c h i n ec o u l dn o td e t e r m i n et h el o c a t i o no ft h ef o c u sa c c u r a t e l y , ag e o m e t r i c a l o p t i c ss y s t e mc o n t a i n sa na u t oc o l l i m a t i n gt e l e s c o p ew a b r a i s e da n dd e s i g n e d s o l i d w o r k s s o f t w a r ei su s e dt od e s i g nt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ef o c u s i n gd e v i c e ，a n d3 dm e d e l i n g w a sa c h i e v e da n dp a r t sd r a w i n g sw e r ed e v e l o p e d t h ep r o d u c t i o n , a s s e m b l ya n dd e b u g g i n g o ft h ea c t u a ld e v i c eh a sc o m p l e t e d t h ef o c u s i n gd e v i c ei si n s t a l l e di n t ot h eo p t i c a ls y s t e ma n df o r m san e wf o c u s i n gs y s t e m , t h ef e a s i b i l i t yw a sp r o v e db ye x p e r i m e n t s a n dt h ea c c u r a c yb yu s i n gt h i sf o c u s i n gs y s t e m a n do t h e rc o m m o nm e t h o d st od e t e c tt h ep o s i t i o no f t h ef o c u sw a sc o m p a r e d t h ee f f e c to ft e c h n i c a lp a r a m e t e r s ( m a i n l yi n c l u d i n gl a s e rc u r r e n t , c u t t i n gs p e e d ，f o c u s p o s i t i o n ) o nt h eq u a l i t yo fl a s e rc u t t i n gp m m aw a ss t u d i e d t h ec h a n g i n gr a n g eo ft h e t e c h n i c a lp a r a m e t e r st oa c c e s sh i g h q u a l i t yp r o d u c tw a sg a i n e d ，i tc a np r o v i dt e c h n o l o g i c a l g u i d a n c ef o r t h er e a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：l a s e r c u t t i n g ；l a s e rc a r v i n g ；f o c a l i z i n gs y s t e m ；f o c u sp o s i t i o n ； a u t o - c o l l i m a t i n gt e l e s c o p e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本- j o f 究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：醵歪刍日期：至塑! 兰：垄 人连理工人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名垒盎豳 聊虢以导师签名：一r 以) 之立年蝴堑r 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 选题的背景及意义 激光自问世以来已有4 0 多年，它一经问世就发展得十分迅速。目前，激光应用已 经遍及工业、农业、医学业、军工业等各个行业，在各个行业中都产生了巨大的影响。 激光在制造业中的发展同样迅速。激光制造技术具有效率高、质量优、清洁、激光材料 范围广、经济效益好、易于进行自动化控制，能实现柔性加工和智能加工，能解决传统 加工中无法解决的问题等优点，已成为先进制造技术的重要组成部分。目前发达国家和 发展中国家都把激光制造技术作为提高生产率和参与国际竞争的重要手段。 作为高科技的激光技术，自问世以来，就一直针对不同的社会需求研发出适合各行 业的激光设备。如激光打标机、激光切割机、激光焊接机、激光快速成型机、激光雕刻 机等。近年来小功率c t h 激光雕刻切割机由于其具有集切割、裁剪、雕刻功能于一体， 切割速度快、雕刻精美、定位精确高等技术优势；以及切割面光洁无痕、无需抛光、维 护简单、成本低廉等优点，在电子、广告业、印章业、工艺礼品业、艺术模型业、木器 加工业等行业的应用越来越广泛。但是目前这类机床都没有专用的对焦手段或采用的对 焦的准确性不高，对于精细的雕刻不能满足要求。 本课题是基于工程训练中心的镭神c l s 2 0 0 0 型激光雕刻切割机为基本的实验设备， 研究了该设备的激光光路系统和聚焦系统的特点。针对该设备目前采用的对焦方法不能 准确的确定焦点位置的缺点，设计了一套焦点位置观察装置。将该装置与机床光路组成 一个对焦系统，以达到在加工不同工件时能够准确找到焦点平面，提高加工质量的目的。 并进一步研究了激光切割有机玻璃时各工艺参数对加工质量影响，得出最佳加工质量的 工艺参数范围。本课题在实践中有着重大的理论意义和应用价值。 1 2 激光雕刻切割机发展现状及存在的问题 自从激光问世以来，激光在加工上的应用日益扩大，尤其在精密加工方面具有独特 的优势。激光可以进行各种图形加工，在8 0 年代中期诞生了c 0 2 激光雕刻机【1 1 。上海 激光技术研究所研究成功我国第一代和第二代c 0 2 激光雕刻机，到目前为止激光雕刻切 割机已经发展到了第三代。第三代二氧化碳激光雕刻机分为两大分支，一种是计算机控 制的c 0 2 激光雕刻机，另一种是基于嵌入式控制的c 0 2 激光雕刻机，其中电机的选择主 要是直流伺服和步进电机两种。计算机控制的激光雕刻机，每台雕刻机都需要配备一台 计算机，它通常是采用计算机串口、并口，或在计算机的p c i 插槽上插入控制卡，外接 控制电机的控制柜，由于计算机的存储量很大，因此这种系统小受存储量的限制，可以 激光雕刻切割机对焦系统的研究 雕刻复杂的图像、图形、文字等，而且由于这种计算机控制系统是专机专用，使得系统 稳定。所以计算机控制的二氧化碳激光雕刻切割机以其定位精度高、存储容量大、稳定 性高等优点成为现在及今后的发展趋势 2 1 。国内从事激光雕刻切割设备研发和生产的主 要有北京开天、广东粤铭、浙江博业和北京镭神等单位。这些激光雕刻切割机的控制系 统多采用主从式结构，个人计算机负责图形处理和数据的传送，下位机接收数据后，通 过插补计算进行切割和雕刻加工。 日前国内加工厂商使用的激光雕刻切割机主要依赖从美国、日本和台湾地区进口， 主要有宙斯、威特、悍马等公司开发此类产品，虽然在机床的加工速度、加工精度和稳 定性方面有技术优势，但是仍存在着机床的加工面积小、应用领域窄和价格昂贵的缺点。 主要的几家国内厂商生产的激光雕刻切割机床虽然在价格占具有优势，但基于c ( h 的激 光雕刻机系统仍处于低端的状态，在加工速度、加工精度和稳定性三方面无法与进口机 床媲美，主要存在以下问题： ( 1 ) 机床不具有自动调焦功能，而且现在采用的方法对焦准确性差。 ( 2 ) 激光加工软件对于加工路径的算法还在不断改进中，没有形成标准的最优算 法。 ( 3 ) 硬件方面设计还不成熟，存在运算能力不足、机床内存存储容量小、机床对 上位机的接口不丰富、文件传输速度受限等缺陷。 ( 4 ) 系统整体设计还存在机床控制面板操作、智能化不足、没有对操作人员的适 当的保护措施和占地面积大等明显的缺点。 1 3 激光雕刻切割概述 激光雕刻切割是八十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，在各行各业得到了越来越广泛的运用。它是一种非接触性加工手段， 不存在刀具磨损问题，同时对环境无任何污染，是一种很值得推崇的高科技“绿色”加 工手段。激光切割加工是激光加工的一个重要领域，它是将激光束照射到物体表面，利 用热能或材料融化时产生的化学热能熔化材料，以达到切割和雕刻物体表面的目的，具 有加工速度快、精度高、没有机械力、加工材料不变形、材料受损小等特点【3 】。该方法 逐渐取代传统方法，被广泛应用在金属、塑料、纸张、服装等生产领域的切割和雕刻加 工。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 1 3 1 激光雕刻的基本原理 激光雕刻的形式多样，但基本原理是相同的。激光束经过导光聚焦系统后射向被加 工材料，利用激光和材料的相互作用，将材料的指定范围除去，而在未被激光照射到的 地方材料保持原样。通过控制激光的开关、激光脉冲的能量、激光光斑的大小、光斑运 动轨迹和光斑运动速度，就可以使材料表面留下有规律的具有一定深度、尺寸和形状的 凹点和凸点，这些凹凸点的组合就是所要雕刻的立体图案。 激光雕刻的实现主要是利用激光束在材料表面的三种效应1 4 】。 ( 1 ) 熔蚀效应 当激光束照射到材料表面后，材料吸收激光束的能量并向内传导，熔蚀就是利用激 光束的高能量来打断材料的化学键。当断键破坏程度超过一定阀值时，材料表层便会有 两种变化：一种是表层材料形成碎片而剥落；另一种是材料的表面熔融并重新分布。激 光束在材料表面的熔蚀效应会造成非常明显的目视反差效果，因为一般当材料的表面被 熔蚀几微米到几十微米的深度时，在熔蚀区内材料的反射率会发生明显的变化，从而会 生成视觉效果很好的图案。 ( 2 ) 汽化效应 在激光对材料的作用过程中，除了一部分激光能量以反射光被反射外，大部分的激 光能量会被材料吸收，这些被材料吸收的光能会迅速地转化为热能，使被加工材料的表 面温度急翮上升，而一般材料在温度升高时又会加速材料对激光能量的吸收，当达到材 料的汽化温度时，材料表面会因为瞬时汽化而蒸发，汽化同时会引起瞬间气压急剧上升， 高速气流会将大部分蒸发物向外喷射，于是出现雕刻痕迹。利用汽化效应形成的雕刻痕 迹中常常会留有明显的蒸发物。 ( 3 ) 光化学反应 由激光束引起的材料的光化学反应主要是发生在有机化合物上。由于一般聚合物分 子的结合键不是很稳定，激光束的高光子能量使聚合物分子主链的不规则断裂，或是使 聚合物链彼此分开，随后低分子量的链段会挥发掉，即光致烧蚀作用。在利用光化学反 应雕刻材料时，由于材料分子结构会发生变化，这种变化在雕刻区域最直观的反映就是 材料的颜色会发生明显的变化，所以在激光雕刻过程中常常利用这一特点，甚至有时会 使用有限的添加剂，这样能有效的提高雕刻品的对比度，增加雕刻品的艺术效果。 1 3 2 激光雕刻的应用和特点 激光雕刻的应用主要在下面几个方面。 ( 1 ) 工业中常用激光去雕刻交通工具识别码、元件编号、装饰开关和仪表面板。 激光雕刻切割机对焦系统的研究 ( 2 ) 制造电子产品的公司通常使用激光雕刻来鉴别成品。实际上最先普及使用激 光雕刻产品是在整条组合的电路生产线上对硅晶片进行连号表示。激光雕刻的速度快、 永久性、易读性、无污染性及自然性，达到了电子工业的质量要求。 ( 3 ) 印刷业的柔性印刷中网纹辊的激光雕刻和柔印版的激光雕刻是目前激光雕刻 中应用最早、也是最成功的。 ( 4 ) 激光雕刻还经常用于家庭微型电器的金属和塑料包装上的雕刻。在安全设备 上雕刻校准误差标记、雕刻数字和连号数字，直接在电路元件上标识线路和符号，在含 有氧化铝和其它氧化层的物件上雕刻条形码和连号数字。 ( 5 ) 在医学上做标识，如在试验用的动物身上做标记。 ( 6 ) 在广告业、印章业、工艺礼品业、艺术模型业等行业应用越来越广泛。 激光雕刻有许多非常突出的优点，主要有以下几个方面。 ( 1 ) 激光的强度极高，聚焦后的激光束不仅能对各种非金属材料进行雕刻，而且 也能对金属材料进行雕刻，甚至能雕刻耐火度很高以及硬而脆的材料。所以激光对雕刻 材料的硬度、表面质量等均没有太高要求。与机械、化学等雕刻手段相比，激光雕刻的 范围更广泛。 ( 2 ) 雕刻速度快 激光雕刻工序简单快捷且操作方便。一般的雕刻图案，只要经过电脑的处理，在输 出到雕刻机制作即可，省掉了传统雕刻工艺中的繁琐过程，激光雕刻一般要比其它雕刻 方法快1 0 0 倍以上，而且现在的激光雕刻控制系统可以保证长期安全工作和精确控制。 ( 3 ) 雕刻质量高 激光雕刻的一个显著特点是雕刻质量高。由于激光强度高、方向性好，极细的激光 束可以做到精细雕刻，雕刻品分辨率很高，可实现精细图案雕刻。因为激光雕刻过程中， 不必像机械雕刻那样刀头要与被雕刻材料接触，刀头和雕刻件都清洁无污染，并且没有 刀头和被加工件摩擦产生的不良影响，完全没有压力和磨损，适于精细雕刻。雕刻时间 短，被雕刻材料氧化、变形和热膨胀影响的区域都比较小，一般不需要特殊保护就可以 完成高精度的雕刻。 ( 4 ) 雕刻耗能少 激光雕刻与其它雕刻方法相比，采用了一种能量使用很直接的方式，能量转换环节 少，而且雕刻过程操作简单，保护环节少，所以消耗的能量少，并且能够提高工作效率。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 3 激光切割原理 激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，将材料快速加热至汽化温度， 蒸发形成小孔洞后，再使光束与材料相对移动，从而获得窄的连续切缝【5 】o 当激光功率 超过一定阀值后，在材料被激光穿透前，熔化的材料在激光喷嘴吹出的气流的助推下被 反向抛出，同时喷出物继续吸收激光能量，形成等离子体。这些等离子体对激光的吸收 率很大，屏蔽了部分激光向材料表面的直接注入，使材料对激光的吸收减小，导致加热 熔化时间变长，热影响区变大，因此激光起始穿孔的孔径较大。材料越厚，激光穿透的 孔径越大。当材料被激光穿透后，以一定速度移动光束，则烧蚀前沿熔化的材料在激光 喷嘴吹出的气流的助推下被正向吹出，形成的等离子体将在孔内( 或切缝内) ，此时等 离子体进一步吸收的激光能量将通过热传导传递到材料基体，这相当于增大了材料对激 光的吸收率，从而使加热熔化时间变短，热影响区域变小，切缝变窄。也就是说材料在 被激光穿孔前，对激光的吸收较小，需要较长的时间照射或较高的激光功率才能完成穿 孔，并且穿孔也不规则，口径较大。一旦完成穿孔，材料对激光的吸收显著增大，1 可以 在一定速度情况下切割材料，切缝变窄，并且割缝表面光滑旧 1 3 4 激光切割的特点 激光切割与其他切割方法相比，最大的优点在于只需简单的改变计算机中程序就可 以切割新的零件，不需要更换模具和其它加工工具川，具有高速、高精度和高适应性的 特点。同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切缝边缘垂直 度好、切边光滑、切割过程容易实现自动化控制等优点。可切割碳钢、不锈钢、合金钢、 木材、塑料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。激光切割板材时，不需要模 具，可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法，能大大缩短生产周期和降低 成本。更适应当今产品多品种、小批量、更新快、个性化的设计需要。其具体特点可以 概括为： ( 1 ) 切缝窄，节省切割材料，这对于珍贵材料或微) j 0 1 - 是非常重要的t s ； ( 2 ) 切割速度快，热影响区小，因而热畸变程度低； ( 3 ) 割缝边缘垂直度好，切边光滑； ( 4 ) 切边无机械应力，无剪切毛刺，几乎没有切割残渣； ( 5 )激光切割是非接触式加工，不存在工具磨损问题，不需要更换刀具，只需调 整工艺参数； ( 6 ) 可以切割金属、塑料、木材、纸张、橡胶、皮革、纤维以及复合材料等材料， 也可以切割多层层叠纤维织物； 激光雕刻切割机对焦系统的研究 ( 7 )由于激光柬能以极小的惯性快速偏转，故可实行高速切割，并且能按任意需 要的形状切割； ( 8 )由于激光光斑小，切缝窄，且便于自动控制，所以更适宜对细小部件做各种 精密切割； ( 9 ) 热作用区小，切割噪声小。 1 3 5 激光切割的分类 从切割各类材料不同的物理形式来看，激光切割大致可分为气化切割、熔化切割、 氧助熔化切割和控制断裂切割四类。 ( 1 ) 气化切割 工件在激光束加热下升温至沸点以上温度，部分材料化作蒸气逸去，部分作为喷出 物从切缝底部吹走。它需要1 0 s w c m 2 的高功率密度，是熔化切割机制所需能量的1 0 倍， 这是对不能熔化的材料如木材、碳素和某些塑料所要采用的切割方式。 ( 2 ) 熔化切割 激光束功率密度超过一定值时，会在工件内部蒸发、形成孔洞。然后，与光束同轴 的辅助气流把孔洞周围的熔融材料驱除、带走，这就是熔化切割。其所需功率密度是气 化切割的1 1 0 。 ( 3 ) 氧助熔化切割 如果用氧或其他活性气体代替熔化切割所用的惰性气体，由于热基质的点燃，激光 能外的另一热源同时产生，与激光能量共同作用，进行熔化切割。 ( 4 ) 控制断裂切割 通过激光束加热，易受热破坏的脆性材料高速、可控地切断，称之为控制断裂切割。 其只需要很小的激光功率。功率太高会造成工件表面熔化，并破坏切缝边缘。非金属的 切割通常有3 种方式：熔化切割，气化和控制断裂切割i 们。在某些情况下，材料切割过 程是其中的2 种或3 种组合。 1 4 激光雕刻切割机系统构成 激光雕刻切割机除具有一般机床所需有的支承构件、运动部件以及相应的运动控制 装置外，主要还应具有激光j 口- v 系统，它是由激光器、聚焦系统和电气系统三部分组成 的。 激光器由激光光源、光泵、聚光器和谐振腔组成。现代用于激光加工的激光器，主 要有n d ：y a g 激光器、c 0 2 激光器、准分子激光器、大功率半导体激光器等。其中大 6 一 大连理工大学硕士学位论文 功率c 0 2 激光器和大功率n d ：y a g 激光器在大型工件激光加工技术中应用较广；中小 功率c 0 2 激光器和n d ：y a g 激光器在精密加工中应用较多；准分子激光器多用于微细 加工：而由于超短脉冲激光与材料的热扩散相比，能更快地在照射部位注入能量，所以 主要应用于超精细激光加工。 聚焦系统的作用是把激光束通过光学系统精确地聚焦至工件上，以提高其功率密 度，满足激光加工的要求。c 0 2 激光器输出的是红外线，故要用锗单晶、砷化镓等红外 材料制造的光学透镜才能通过，为减少表面反射需镀增透膜。图1 1 为应用于c 0 2 激光 切割机的透射式聚焦系统。图中在光束出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体n 2 的喷嘴，用以提高切割速度和切口的平整光洁。 1 0 嘎激光器2 激光束3 全反射镜4 透镜5 喷嘴6 工件7 工作台 图1 1 透射式聚焦系统 f i g 1 1 l e n sf o c u s i n gs y s t e m 电气系统包括激光器电源和控制系统两部分，其作用是供给激光器能量( 固体激光 器的光泵或c 0 2 激光器的高压直流电源) 和输出方式( 如连续或脉冲、重复频率等) 进 行控制。此外，工件或激光束的移动大多采用c n c 控制。 激光加工技术有效地利用了激光的优异性能，正在改变着以往的加工和生产方式， 使生产效率大幅度提高，是机加工中最有竞争力的一种替代手段，在激光应用中占有重 要的地位。激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，它占整个激光加工业的 7 0 以上i 仲1 1 l 。目前已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与 电子、石油和冶金等工业部门中。 1 5 本文的主要内容 本文对激光束聚集进行了理论研究，并分析了激光光路系统结构和聚焦系统的功 能。针对c l s 2 0 0 0 型激光雕刻切割机现有的调焦系统不能准确确定焦点位置的缺点， 激光雕刻切割机对焦系统的研究 提出并设计了一套以自准直望远镜为主要部件的几何光学对焦系统，完成了实际装置的 制作和装配和调试。并比较了采用此对焦系统和采用其它常用方法对焦点位置进行检测 的准确性。 研究了激光切割p m m a 时各工艺参数( 主要包括激光电流、切割速度、焦点位置) 对加工质量的影响，得出获得优质加工质量的工艺参数范围，为生产过程提供工艺上的 指导。 本文章节安排： 第一章绪论 第二章激光雕刻切割机聚焦系统的研究 第三章激光雕刻切割机对焦方法研究及对焦装置设计 第四章对焦装置应用试验 第五章激光切割p m m a 工艺参数的研究 结论 一8 大连理工大学硕士学位论文 2激光雕刻切割机的聚焦系统研究 2 1激光光束聚焦的理论分析 采用稳定腔的激光器发出的激光，是一种振幅和等相位面都在变化的高斯球面光 波，简称高斯光束。之所以称为高斯光束，是由于光束截面上光强与离轴距离，成高斯 函数变化的原因。在由激光器产生的各种模式的激光中，最基本、应用最多的是基模 ( 1 e m ) 高斯光束，它具有以下基本性质【1 2 1 。 ( 1 ) 基模高斯光束在横截面内的光场振幅分布按高斯函数的规律从中心向外平滑 地下降，由中心振幅值下降到1 e 点对应的宽度，定义为光斑半径，即 埘0 ) 一t o o ( 2 1 ) 可见，高斯光束在传播过程中，光斑半径随着传播距离z 成非线性变化，其轨迹为 双曲线。在z - 0 处，n 心) = w o ，达到极小值，称为高斯光束的束腰半径。同时，波面 的曲率中心( 等相位面在近轴区域可视作球面) 也随光束传播的距离而不断地改变位置。 波面曲率半径随传播距离z 的变化由以下方程决定 m 十】 亿2 ， 可见，当z = o 时，r ( z ) - - - * ，表明束腰所在处的等相位面为平面；当l z ls ! ! 譬时， r ( z ) 逐渐减小至最小值为2 1 粤，激光束由平面波变为球面波，此时半径最小。继续传 播则r ( z ) 又开始增大，至z 一0 0 ，激光束由球面波又变为平面波。由公式2 2 还可看出， z ，0 时，尺0 ) 0 ，波面凸向z 轴正向，z t 0 时尺乜) 。蚋， ”亍 图2 1 高斯光束及其参数 f i g 2 1 p a r a m e t e r so fg a u s s i a nb e a m 对于高斯光束，用几何光学的理论可以证明，其经透镜变换后仍为高斯光束i 廿1 。图 2 2 为透镜对高斯光束的变换示意图。图中p 和p 分别为高斯光束入射在透镜前和经透 南 i z 大连理工大学硕士学位论文 镜变换后的波面，其曲率半径分别为r 和r ，光斑半径分别为和珊7 ，束腰半径分别 为和“，束腰至透镜的距离分别为z 和z 。 户 尸，1 | f - 1，爿，卜i 、 t w 7 d 一ji 、 、 一 r 。 一 。r 。 一 z 一 z t 图2 2 透镜对激光束的聚焦【1 4 l f i g 2 2 l a s e rb e a mf o c u s e db yl e n s 对于透镜，前、后主面的通光口径是相等的，这样一来在两个主面上的激光束截面 半径是相等的，即吐，= 。若透镜焦距为，当旁轴球面波通过透镜时，波前曲率半 径满足 i 1 一i 1 7 1 ( 2 6 ) 彤r ， z 叫+ 磊( - z - 丽f ) f , 2 ( 一z 一，) 2 + l 二= li 专诽+ 妒古】 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 激光雕刻切割机对焦系统的研究 在上热如果z 一，且满足( _ 卅，) 2 ( 等) 时 式( 3 7 ) 可近似为 z - ，一筹- 岳t j 由此可得 与一! i - 1 ( 2 9 ) ，f ， 一 这和近轴光学中的物像关系公式( 高斯公式) 完全一致。 在激光加工的光学系统中，常使用透镜来对光束进行聚焦。例如，应用激光雕刻切 割、打孔、焊接等都需要把高斯光束聚焦成微小的光点。 由式( 2 8 ) 可以看出，当入射激光束束腰位于系统物方焦距之前，即h ，时，出 射激光束的束腰半径“随l z i 的增大而单调地减小，直至l z i 一* 时有“一o ，并由( 2 7 ) 式可得z 一，。 一般情况下，只要满足l z l ，由式( 2 8 ) 就可得到 一羔 眩埘 删z l 像方束腰的位置为 z 一， ( 2 1 1 ) 式( 2 1 0 ) 中像方的束腰半径与波长成正比，与激光束照在透镜前主面的光束截面 半径“z ) 成反比，这个量相当于普通物镜的通光口径，与透镜焦距成正比。因此，要使 像方的束腰半径为最小，就要加大透镜被照明的口径，减小焦距长度，选择较短的光波 长。以c 0 2 激光器为例，来说明像方束腰半径的计算。要求像方的束腰半径为o 1 r a m ， 激光光束在聚焦透镜上的截面半径为1 5 r a m ，根据式( 2 1 0 ) 可得所求的透镜焦距 t-丝迕31416xo1x15 4 4 4 6 4 5 r a m 2 2 光学聚焦系统 从激光器输出的光束，尽管具有高方向性、高功率密度，但是在许多加工应用中尚 不能达到所需的功率密度。因此，必须通过光学聚焦系统将激光束聚焦在很小的区域内， 才能获得较高的功率密度，满足激光加工的要求。 大连理工大学硕士学位论文 聚焦是激光加工中最常见的一种光学处理，聚焦系统可能只有一个镜片，也可能由 多个镜片组成。如图2 3 所示为几种聚焦系绀捌。 图2 3 几种聚焦系统简图 f i g 2 3 s o m e p i c t u r e so f f o c u s i n gs y s t e m 图2 3 ( a ) 所示为抛物镜聚焦系统，它仅含有一块抛物面聚焦反射镜，聚焦效果较 好，经常用于大功率激光焊接。图2 3 ( b ) 为平面镜一透镜聚焦系统，激光经过一块平 面反射镜反射后由透镜聚焦，其聚焦效果优于抛物镜聚焦，是高精密度激光焊接和激光 雕刻切割常用的光路。图2 3 ( c ) 、( d ) 、( c ) 是三种球面反射镜聚焦系统的三种主 要形式。该聚焦系统适合焊接环形焊缝 在激光切割加工系统中，当功率在2 k w 以下时，多采用平面镜一透镜聚焦系统， 而且出于加工方便考虑，基本采用球面透镜。特别是对于c 0 2 激光，可用的透射材料有 限，难以加工用于消像差的不同材料的组合透镜，大多数采用单透镜系统。下面详细介 绍平面镜一透镜聚焦系统。 2 2 1 反射镜 反射镜的功能是改变来自激光器的光束方向。对固体激光器发出的光束可使用由光 学玻璃制造的反射镜，而对c 0 2 气体激光切割装置中的反射镜常用铜或反射率高的金 属制造。对于大功率激光器，反射镜在使用过程中，为避免反射镜受光照过热而损坏， 通常需用水进行冷却。 2 2 2 聚焦透镜 聚焦透镜用于把射入激光切割头的平行激光束进行聚焦，以获得较小的光斑和较高 的功率密度。透镜经常采用能透过激光波长的材料制造。固体激光常用光学玻璃，而 c 0 2 气体激光因透不过普通玻璃，则采用z n s e 、g a a s 和g e 等材料制造，其中最常用 的是z n s e 。 激光雕刻切割机对焦系统的研究 透镜的形状有双凸形、平凸形和凹凸形三种。透镜的焦距对聚焦后光斑直径和焦点 深度有很大影响。聚焦光斑直径d 。与透镜焦距f 和入射激光束直径d 之间的关系见图 2 4 。 鑫2 重 、o l 掣 删口l 寒 米飘嵫 透镜焦距f 腿 图2 4 聚焦光斑直径d 0 与透镜焦距，和入射激光束直径d 之间的关系1 1 ” f i g 2 4t h er e l a t i o n s h i pa m o n gd o ，la n dd 由图可见，当入射激光束直径d 值一定时，存在一个最佳的透镜焦距，值使聚焦光 斑直径矗最小。而当入射激光束腰至透镜的距离远大于透镜焦距时，满足( 2 1 0 ) 式， 基模高斯光束的发散角由式( 2 5 ) 决定，则透镜聚焦后的光斑直径为 小等咖 ( 2 1 2 ) 石4 其中，d 为入射在透镜表面上的激光束直径。 与透镜焦距密切相关的另一个量是焦点深度，简称焦深。焦深是描述聚焦光束特性 的一个参数。焦深通常有基于光束中心光强变化和基于光斑尺寸变化的定义方法。前者 定义方法常根据激光加工的特性，采用平均功率密度定义方法。即是当光束横截面的平 均功率密度降为束腰光斑的平均功率密度的一半时，该横截面和焦平面之间的距离的两 倍定义为焦深，此时光束的截面积是焦斑面积的两倍【切，在切割中也称有效切割范围。 规定在焦深范围内，近似认为功率密度基本相同。后者定义为焦点光斑直径增加5 时 两光斑之间的距离。如图2 5 所示z 即为焦深。 1 4 大连理工大学硕士学位论文 图2 5 激光焦深示意 t s l f i g 2 5 l a s e rf o c a ld e p t h 焦点深度z 与透镜焦距，的关系见图2 6 。随着透镜焦距的减小，焦点深度也变小。 置 备 篷 鬟 透镜焦距f n 图2 6 焦点深度z 与透镜焦距f 的关系 f i g 2 6 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nza n df 焦深与聚焦光斑直径的关系可表示为1 1 9 1 ： z ；0 3 2 ：r d 2( 2 1 3 ) 一 l z 1 j ， a 此处焦深z 定义为焦斑直径变化5 两焦斑的间距。 透镜的焦距、聚焦光束的焦深与光斑大小的关系如图2 7 所示。 激光雕刻切割机对焦系统的研究 图2 7 透镜焦距变化与聚焦光斑及焦深关系示意【1 4 j f i g 2 7t h er e l a t i o n s h i p a m o n g f o c a l l e n g t h o f a l e n sa n d f o c a l d i a m e t e r a n d t h e d e p t h o f f o c u s 从图可见：焦距短，聚焦光斑小；焦距长，聚焦光斑也大，焦深变化也如此。当透 镜焦距增加，使聚焦光斑尺寸增加1 倍，即从y 到2 y 时，焦深可随之增加到4 倍，即 从x 到4 x 。 2 3 聚焦后的功率密度 根据高斯光学理论，经透镜聚焦后在各光束截面上的功率密度为 f 一筹一丽4 1 泣 删石i ，6 1 ) 式中，f 为焦点处光束的功率密度；p 为激光输出功率。显然，在z 。0 时， d ( z ) 。d 0 ，型要为最小，功率密度f 最大，离开焦平面，光斑直径开始增大，功率密度 下降。由此可见，为获得一定的功率密度，聚焦光学系统的选择和聚焦后的焦点的位置 精确确定很重要。 激光切割的切口宽度同光束模式和聚焦后光斑直径有很大的关系。由于激光照射的 功率密度和能量密度都与激光光斑直径以有关，为了获得较大的功率密度，在激光切割 加工中光斑尺寸要求尽可能小，这样有利于实现高速切割。但透镜焦距减小时，焦点深 大连理工；k q - t $ 1 士学位论文 度也减小，在切割厚度较大的板材时难以获得垂直度好的切割面。另外，透镜焦距较小 时，透镜与工件之间的距离也缩小，在切割过程中透镜易被溅沫等熔渣物质弄脏，影响 切割的正常进行。透镜焦长小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它适用于薄 件高速切割。长焦透镜的聚焦光斑功率密度较低，但其焦深大，可用来切割厚断面材料。 因此，要根据切割厚度和切割质量要求等因素综合考虑，确定适当的焦距。 激光雕刻切割机对焦系统的研究 3 激光雕刻切割机对焦方法研究及对焦装置设计 由于聚焦透镜是安装在激光头内部，c 0 2 激光又是不可见光，不方便用肉眼直接观 察，激光聚焦的焦点位置无法直接测量，但可以通过间接方法或采用专门的仪器来检测。 对于大功率的激光束可采用大功率激光光束光斑质量诊断仪，实现大功率激光光束横截 面的功率密度分布测量，并应用数学处理方法计算光束位置、束宽、焦点位置、焦斑大 小、发散角、焦深和光束质量因子等相关光束参数。对自动化程度和加工精度要求较高 的精密机床还采用自动聚焦控制与镜头伺服控制的对焦方法。对于低功率的激光雕刻切 割机由于其成本较低往往不配置这样的装置，只是给出一个大致的焦点位置供参考。这 样就不能准确的确定焦点位置，影响加工质量的进一步提高。 3 1 常用对焦方法 目前在工业生产中对焦的简便方法有三种： ( 1 ) 打印法：使激光头从上往下运动，在塑料板上进行激光束打印，打印直径最 小处为焦点。 ( 2 ) 斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动，寻找激光束的最 小处( 切痕最小) 为焦点。 ( 3 ) 蓝色火花法：去掉喷嘴，斜向吹高压空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使 切割头从上往下运动，直至蓝色火花最大处为焦点。 对于c l s 2 0 0 0 型激光雕刻切割机，激光头安装在x 轴轨道上，轨道高度固定，要调 整焦点位置，需要手动调节，而且激光器输出的是连续激光，孔的大小受打印的时间影 响，而打印时间不能准确控制，第( 1 ) 种方法不适合该机床。第( 2 ) 种方法在判断切 痕最小处时误差较大，而且不能将焦点位置直接设置在工件表面。第( 3 ) 种方法对于 加工非金属材料的机床不适合。 目前该机床采用的对焦方法是根据经验值来确定，将喷嘴移动到离工件表面约5 m m 时即认为是焦点位置，缺乏理论依据，而且也不准确。不能满足较高精度的雕刻和切割 加工需要。针对这个问题，本文提出了一种新的对焦方法。 3 2 望远镜法对焦 本文设计了套以自准直望远镜为主要部件的对焦系统。通过将自准直望远镜加入 到机床的光路系统中，当在目镜中观察到工件表面的清晰的像时，即可确定焦点位置。 大连理工大学硕士学位论文 3 2 1 自准直原理 自准直技术简称自准直法，利用光学成像原理使物和像都处在同一个平面上i 加】。它 在平行光管和测量望远镜的调整、测量球面和非球面的面型，以及测量透镜和光学系统 的焦距等方面都有着广泛应用，是几何光学实验中经常采用的一种实验技术。 无限远的物经透镜成像，像处在透镜的焦平面上。自准直法测量透镜焦距就是首先 利用待测透镜自身产生一个位于无限远的物，再用待测透镜对它成像，通过测量像与透 镜之间的距离来确定透镜的焦距。自准直法是大学物理实验中用来测量薄透镜焦距的普 遍应用的方法之一。其光路图如图3 1 所示。 lm r r 7 p 儿 ， 多 r 图3 1自准直法测量凸透镜焦距光路图 f i g 3 1f o c a ll e n g t ho f8l e n sm e a s u r e dt h r o u g ha u t oc o l l i m a t i n gm e t h o d 凸透镜物方焦平面上的p 点经凸透镜l 折射后成平行光，在透镜后方放一个与透镜 光轴垂直的平面镜m ，此光经平面镜m 反射后再通过透镜成像于p 点，p 与p ，在同一平 面内，且大小相等，方向相反，则p 与l 之间的距离即为凸透镜l 的焦距。 3 2 2 自准直望远镜 自准直望远镜是工厂、实验室常用的光学仪器，由自准直目镜与望远物镜构成。自 准直目镜是一种带有分划板和分划板照明装置的目镜，一般自准直目镜不能单独使用。 要实现自准直，首先要将分划板照明，其次要从目镜中看到自准直像，还需要有反射镜。 常见的分划板照明方式有三种，相应的就有三种自准直目镜，即有三种自准直望远镜。 它们是以下三种【2 1 】： ( 1 ) 阿贝式自准直望远镜： 激光雕刻切割机对焦系统的研究 c a ) 阿贝自准直望远镜 ( b ) 分划板刻线形式 3 2 阿贝式自准直望远镜及分划板的刻线形式 f i g 3 2a b b ea u t oc o l l i m a t i n gt e l e s c o p ea n dr e t i c l e ( 2 ) 高斯式自准直望远镜； 1 目镜2 光源3 分束镜4 分划板5 物镜6 反射镜 3 3 高斯式自准直望远镜 f i g 3 3 g a u s sa u t oc o l l i m a t i n gt e l e s c o p e ( 3 ) 双分划板式自准直望远镜： 3 4 双分划板式自准直望远镜 f i g 3 4d o u b l er e t i c l e sa u t