正式B5高精密激光切割技术的应用研究陈文敬

1、高精密激光切割技术的应用研究高精密激光切割技术的应用研究Application research of High-precision laser cutting technology摘要摘要激光切割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温度，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 CL

2、S2000 型激光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式直望远镜为主要部件的几何光学对焦系统。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。关键字关键字：激光切割激光切割 对焦系统对焦系统 焦点位置焦点位置 CLS2000AbstractLaser cutting is technology using a spot with high power and density formed by focused laser beam.During the carvi

3、ng or cutting the material is heated rapidly to thevaporization temperature,and wipes off by assistant air,then make the beam ormaterial moving and gain the pattern or narrow kerf.As the power density is inversely proportional to the square of the diameter of the laser beam and the diameter of focus

4、is the smallest,therefore the power density is the highest.In order to obtainhigh-quality kerf,it is necessary to assure the accurate location of the focus.The study of the focusing system of Laser carving and cutting machine has great realistic significance to improve the process accuracy and the p

5、rocess quality of the machine.This paper analyses the structure of laser optical system and the function offocusing system.Against the shortcomings that the existing focusing system of CLS2000 laser carving and cutting machine could not determine the location of the focus accurately,a geometrical op

6、tics system contains an auto collimating telescopewas raised and designed.The focusing device is installed into the optical system and forms a new focusing system,the feasibility was proved by experiments.And the accuracy by using this focusing system and other common methods to detect the position

7、of the focus was compared.Keywords: Laser cutting Focalizing system Focus position CLS2000I目目 录录第一章第一章 绪论绪论.11.1 前言.11. 2 激光切割技术的应用和优越性.21. 3 激光切割技术的特点.31. 4 激光切割技术的现状和发展趋势.41.4.1 激光切割技术的现状.41.4.2 激光切割技术的发展趋势.71.5 课题背景和意义.8第第二章二章 激光切割机的聚焦系统研究激光切割机的聚焦系统研究.92. 1 激光切割机系统构成.92.2 激光光束聚焦理论.102.3 光学聚焦理论分析.

8、152.3.1 反射镜.162.3.2 聚焦透镜.162.4 聚焦功率密度.17第三章第三章 激光切割机对焦技术研究和装置设计激光切割机对焦技术研究和装置设计.193.1 对焦方法.193.2 望远镜法对焦.203.2.1 自准原理.203.2.2 自准式直望远镜.213.2.3 自准式直望远镜测量的凸透镜焦距.223.2.4 CLS2000 激光切割机.243.3 激光切割机对焦装置的设计.263.3.1 阿贝自准式直望远镜.273.3.2 反射镜调整架的设计.283.3.3 高度调节装置.303.3.4 望远镜支撑装置.30第四章第四章 对焦试验及分析对焦试验及分析.324.1 对焦装置的

9、光路调节.324.1.1 望远镜的调节.324.1.2 激光光轴垂直于望远镜光轴.324.2 焦点位置测试.334.2.1 斜板法定位.334.2.2 扫描法定位.34II4.2.3 望远镜法定位.354.2.4 实验小结.37总结总结.38参考文献参考文献.40致致谢谢.421第一章第一章 绪论绪论1.1 前言前言激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术,也是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。它占整个激光加工业的 70%以上。激光切割与其他切割方法相比,最大区别是它具有高速、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

10、、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。因此,目前激光切割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。近年来,激光切割技术发展很快,国际上每年都以 15%20%的速度增长。我国自 1985 年以来,更以每年 25%以上的速度增长。当然,由于我国激光工业基础较差,激光加工技术的应用尚不普遍,激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距。因此,在我国,激光切割技术的推广和应用潜力

11、很大。激光切割系统主要由机床主机、激光器、控制系统三大主要部分组成。控制系统是整个系统的控制中枢,负责协调整个系统的正常工作,主要完成加工轨迹控制、焦点位置控制和机、光、电一体的协调控制。数控激光切割机的研制属于机电一体化范畴它的研制使生产系统具有友好的人机界面,方便而易学的编程方式,以及精确的切割轨迹控制功能,适合于工业现场的使用,极大地提高了生产率。 21. 2 激光切割技术的应用和优越性激光切割技术的应用和优越性激光切割技术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。（2）制造电子产品的公司通常使用激光切割来鉴别成品。实际上最先普及使

12、用激光切割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。激光切割的速度快、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切割和柔印版的激光切割是目前激光切割中应用最早、也是最成功的。（4）激光切割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。激光切割技术有许多非常突出的优越性，主要有以下

13、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、表面质量等没有太高要求。与机械、化学等雕刻手段相比，激光切割的范围更广泛。（2）雕刻速度快激光切割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，激光切割一般要比其它雕刻方法快 100 倍以上，而且现在的激光切割控制系统可以保证长期安全工作和精确控制。3（3）雕刻质量高激光切割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

14、刻品分辨率很高，可实现精细图案雕刻。因为激光切割过程中，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）雕刻耗能少激光切割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。1. 3 激光切割技术的特点激光切割技术的特点 激光技术是二十世纪最重要的发明之一，是二十世纪科学技术发展的重要标志和现代信息社会光

15、电子技术重要支柱之一1。(1)激光有四大特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性2。(2)许多金属材料，不管它具有什么样的硬度，都可用激光进行无变形切割，大多数有机与无机材料都可以用激光切割。激光切割无毛刺、无皱折、精度高，各种性能都优于等离子切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序控制的现代化激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件(工件图纸也可修改)，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用3；尽管它加工速度还慢于模冲，但它没有模具消耗，无需修理模具，节约更换模具时间，从而节省加工费用，降低产品成本，所以从总体上讲在经济上更为合算4。激光切割雕刻是一种高能量密度可控性好的无接触加工，激光束

16、聚焦后形成具有极强能量的很小作4用点，把它应用于切割有许多特点：a)狭的直边割缝，最小的邻近切边热影响区；b)极小的局部变形，工件无机械变形；c)无刀具磨损，也谈不上刀具的替换问题；d)切割材料无需考虑它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料硬度影响，任何硬度的材料都可切割5；e)与自动化装备结合方便，容易实现切割过程自动化；f)由于不存在切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力6；(3)与其它热切割方法相比同时作为热切割过程。别的方法不能像激光束那样集中能量于一个极小区域，结果导致切口宽、热影响区大和较明显的工件热变形。激光能切割非金属，而其它热切割方法则不能7。(4)对非金属材料波长为

17、10.6 m 的 CO2激光束很容易被非金属材料所吸收，低的导热性和低的蒸发温度又使吸收的光束能几乎全部传入材料的内部，并在光斑照射处瞬间汽化，形成起始孔洞，进入切割过程的良性循环。激光能切割塑料(聚合物)、橡胶、木材、纸制品、皮革以及天然和合成织物等有机材料，同时也能切割石英、陶瓷等无机材料，还能切割新型轻质加强纤维聚合体等复合材料8。1. 4 激光切割技术的现状和发展趋势激光切割技术的现状和发展趋势 1.4.1 激光切割技术的现状激光切割技术的现状5（1）国外现状智能、精密、微细、多学科交叉、系统化、自动化是先进制造技术的发展趋势，这种趋势是为了满足制造产品的多变性、高品质、低成本、交货期

18、短等市场要求。作为先进制造技术之一的激光切割技术，由于其特有的、优异的加工性能而被广泛应用，西方工业化国家和先进的发展中国家均致力于这项技术的研究和应用，其正以每年15%20%的速度增长9-11。以日本为例，目前己拥有 CO2激光加工机2 万多台，约占全球激光加工机总量的 1/3，其中 80%为激光切割设备。现在激光切割技术己从特殊用途的加工技术变为通用的、具有多种加工能力的加工技术。几年前，美国科学家就预言“激光将成为未来制造业的通用手段” ，德国亦有“无所不能的激光技术”的长篇报道。目前，国外探索的激光切割应用范围正在不断地扩大，已达 20 多个领域。激光被誉为“万能加工工具” 、 “未来

19、制造系统的共同加工手段” ，不仅在国防工业领域而且在民用工业领域也获得了广泛应用。工业用激光器的制造及其引入生产的速度已成为衡量一个国家工业生产效率及其在发达国家中地位的标准之一。从工业应用领域来看，金属和非金属的激光切割是激光切割最主要的应用领域，其中最具有代表性和应用最为广阔的是汽车制造业，该工业是激光切割的最早应用领域之一，也是最大的潜在市场，尤为重要的是汽车工业愈来愈成为高功率激光系统(CO2和 YAG)发展的关键因素。据专家估计，约有 60%的汽车零部件可以通过激光切割来提高质量。在美国汽车工业中，通用汽车公司已经建立了 22 条激光加工生产线，其中切割生产线占总体的 65%以上。在

20、欧洲汽车工业中，三维激光切割首先用于原型样机的制造和试生产，也用于中小批量生产;同样在日本汽车工业中，较多的三维激光切割用于小批量产品的切割、样车的生产。近年来，美、日、德、英等国正致力于研制各种工业用激光器，研究各种激光加工方法及工艺，激光切割工艺己初具规模，正在形成一门新的产业。日本的 ShunihcSato 等试验了用 KrF 准分子激光器与 CO 激光器联合作用的双波激光切割，重复频率为 220Hz。KrF6激光波长 0.248m，与 5m 的 CO 激光协同工件，总功率只有 300W，就可实现常规激光切割时功率 5001000W 的效果。双波切割还应用于CO2准分子、YAG 准分子等

21、组合，具有广阔的应用前景。从激光切割工艺研究现状来看，日本在激光切割工艺方面的研究走在世界的前列，美国、德国以及一些欧洲国家也在七、八十年代开始在大量的激光切割工艺试验的基础上，总结激光切割工艺，建立工艺数据库，并着手研究高性能的激光切割系统。（2）国内现状同国外的发展情况相比，我国激光加工技术研究起步较晚，工业基础较差，激光加工的整体水平比较落后，工业生产自动化程度不是很高，但是国家在激光加工技术方面的研究给予了相当的重视，除了将激光加工技术列入国家重点科技攻关外，它在国家自然科学基金、国家“863计划、国家“火炬”计划等也有相当的项目被列入。在“七五”期间，我国成功研制了低阶模横流 CO2

22、激光器和基模轴流CO2激光器，为激光切割的应用创造了条件，并对钢板、合金钢、硬质合金及硅钢片的切割工艺进行了研究。随着我国制造业的发展，许多产业部门也急需采用激光加工技术和设备以提高产品质量、生产效率和加工柔性化，从而增强市场竞争能力，自 1985 年以来我国激光切割技术以每年 25%以上的速度增长9，10，以济南铸造锻压机械研究所为例，20 世纪 80 年代后期激光切割机年产量仅为 2 台，到 90 年代后期年产量达到了 10 台，在“十五”期间年产量达到 25 台。在我国，激光切割技术的推广和应用潜力很大，随着我国国民经济的飞速发展，许多传统产业需要改造，许多钣金加工领域有待开发。同时随着

23、可用于切割的激光器功率的增大，激光切割正从轻工业薄板的钣金加工向着重工业厚板切割方向发展，如湖南大学李力钧先生带领一大批学者对激光加工技术进行了大量的研究，华中科技大学对激光加工设备的完善使其具有良好的性能进行了研究。在新世纪之初，我国还应加速研制厚板激光切割的新产品、新工艺，以改造我国桥梁制造、建筑机械和造船等重工业的热切割工艺，提高经济效益，以填7补我国在厚板激光切割方面的空白。另外，我国在激光三维切割方面的应用研究才刚刚起步12。国家自然科学基金委在 1997 年把“大功率CO2及 YAG 激光三维焊接和切割理论与技术”作为重点项目进行资助，国家产学研激光技术中心的有关学者对此进行了系统

24、的研究，为在我国汽车车身制造业中应用三维激光立体加工技术做出了很大贡献。北京工业大学国家产学研激光技术中心(NCTL)针对激光的柔性加工，研究分析了激光加工的运动过程，采用面向对象技术，利用 AuotCAD 的二次开发工具 ARX，开发出计算机辅助激光加工软件系统，并对激光三维加工轨迹进行了计算机仿真。目前国内企业对三维激光切割机已经有需求，如柳州微型汽车厂已经有了 CO2五轴激光加工机;上海大众汽车公司新的桑塔纳生产线也在引进高功率 YAG 三维加工系统;济南铸锻研究所为一汽开发的六轴 CO2激光加工机也进入运行阶段，用于轿车车身的切割成形。随着市场和经济的快速发展，在汽车、航空、机车及工程

25、机械等行业对三维激光切割机的需求将会不断增大，对其参数、性能和可靠性等各方面的要求也将不断提高。目前我国的激光切割技术研究仍需解决的问题是:一方面要解决激光器的质量(模式、可靠性、配套性);另一方面要系统地解决工艺参数、规范问题。开发出性能优良、工作可靠、使用方便的激光加工机将使我国的激光切割水平大大地提高。总体来说，我国的激光切割技术的综合水平还是比较低。作为切割工艺的改革性技术，它的发展对我们来说是一项挑战，更是一次机遇，希望该技术可以得到政府部门，尤其是企业领导的高度重视，尽早实现科研产业一体化的进程，使得这项高科技为我国的现代化建设做出应有的贡献。1.4.2 激光切割技术的发展趋势激光

26、切割技术的发展趋势 近年来，激光切割技术正以飞快的速度发展，而且随着数控技术与激光技术的结合，其应用也越来越广泛，从军用转向民用，正逐步深入社会生产的各个领域，下面从四个方面概括激光切割技术的发展趋势:8（l）伴随着激光器向大功率发展以及采用高性能的 CNC 及伺服系统，使用高功率的激光切割系统可以获得高的加工速度和高的加工质量，同时减小热影响区和热畸变，能切割的材料板厚也将进一步提高。低功率激光器所产生的激光可以通过使用 Q 开关或加载脉冲波转化为高功率激光。（2）根据激光切割工艺参数对切割质量的影响情况，改进加工工艺，如:增加辅助气体对切割熔渣的吹力;加入造渣剂提高熔化物的流动性;增加辅助

27、能源，并改善能量之间的耦合;增加功率密度等。随着激光切割工艺参数数据库及工艺参数智能选择系统的建立激光切割将向高度自动化、柔性化、智能化方向发展，逐步完善 CAD/CAPP/CAM以及人工智能在激光切割系统中的应用。(3)根据加工速度自适应控制激光功率和激光模式或建立工艺数据库和专家自适应控制系统使得激光切割的整机性能普遍提高。以数据库为核心，面向通用化的 CAPP 开发工具，对激光切割工艺设计所涉及到的各类数据进行分析，建立相适应的数据库结构。(4)向多功能的激光加工中心发展，将激光切割、焊接以及热处理等各道工序后的质量反馈集成在一起，充分发挥激光加工的整体优势。1.5 课题背景和意义课题背

28、景和意义 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、激光焊接机、激光快速成型机、激光切割机等。近年来小功率 CO2激光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9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 CLS2000 型激光切割机为基本的实验设备，研究了该设备的激光光路系统

29、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。本课题在实践中有着重大的理论意义和应用价值。第二章第二章 激光切割机的聚焦系统研究激光切割机的聚焦系统研究2. 1 激光切割机系统构成激光切割机系统构成激光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，主要还应具有激光加工系统，它是由激光器、聚焦系统和电气系统三部分组成的。激光器由激光介质、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 Nd：YAG 激光器

30、、CO2激光器、准分子激光器、大功率半导体激光器等。其中大功率CO2激光器和大功率 Nd：YAG 激光器在大型工件激光加工技术中应用较广：中小功率 CO2激光器和 Nd：YAG 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。CO2激光器输出的是10红外线，故要用锗单晶、砷化嫁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 2.1 为应用于 CO2激光切割机的透射式聚焦系统。图中在光束

31、出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体N2的喷嘴，用以提高切割速度和切口的平整光洁。1.CO2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 2.1 透射式聚焦系统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 CO2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 CNC 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

32、用技术，它占整个激光加工业的 70%以上13-14。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。2.2 激光光束聚焦理论激光光束聚焦理论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 r 成高斯函数变化的原因。在由激光器产生11的各种模式的激光中，最基本、应用最多的是基模（TEM00）高斯光束，它具有以下基本性质15。（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

33、： 2200z1wwzw（2.1）可见，高斯光束在传播过程中，光斑半径随着传播距离成非线z性变化，其轨迹为双曲线。在处，达到极小值，称为0z 0wzw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的变化由以下方程决定：z （2.2） 2201zwzzR可见，当时，表明束腰所在处的等相位面为平面；0z zR当时，逐渐减小至最小值为，激光束由平面20wz zR202 w波变为球面波，此时半径最小。继续传播则又开始增大，至 zR，激光束由球面波又变为平面波。由公式 2.2 还可看出，z时，0，波面凸向轴正向，0 时0

34、，波面凸向轴0z zRzz zRz的负向。根据式（2.1）和（2.2） ，如果己知激光束的束腰位置和束腰半径，就可以计算任意位置的光斑半径和波面曲率半径。在实际应用中，R还可以根据已知的光斑半径和波面曲率半径来决定束腰的位置和大小，这只要将式（2.1）和（2.2）联立方程组，求解和即可得到如下式0wz12的计算： 222201Rwww（2.3） （2.4）221wRRz（2）由于激光束的传播路径呈双曲线形，其中在束腰处光束的截面为最小，离束腰越远，则光束口径越大。因此无论是自束腰向左还是向右激光束均是发散光束。表明激光束是存在发散角的。光束发散角用于表征激光束的空间传播特性，是激光束方向性的量

35、度，发散角越小，方向性越好。在激光切割、打孔及微细加工等应用场合要求激光束具有尽可能小的发散角和高度聚焦性能，以便将激光能量集中在很小的区域，提高功率密度。通常基模高斯光束的发散角定义为强度下降到中心强度的 1 /e2点对应的全角宽度，即 022limwzzwz（2.5）由此可见，基模高斯光束在其传播轴线附近可以视为一种非均匀球面波，其等相面是曲率中心不断变化的球面，振幅和强度在横截面内保持高斯分布。高斯光束及其参数如图 2.2 所示。13图 2.2 高斯光束及其参数对于高斯光束，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16。图 2.3 为透镜对高斯光束的变换示意图。图中和，PP分

36、别为高斯光束入射在透镜前和经透镜变换后的波面，其曲率半径分别为和，光斑半径分别为和，束腰半径分别为和，束RRww0w0w腰至透镜的距离分别为和。zz图 2.3 透镜对激光束的聚焦17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14面上的激光束截面半径是相等的，即。若透镜焦距为，当旁wwf 轴球面波通过透镜时，波前曲率半径满足 fRR111（2.6）由以上各式联立可得高斯光束变换后的束腰位置和束腰半径为 22022wfzffzfz（2.7） （2.82202220201111wffzww）在上式中，如果，且满足时，式z202wfz（2.7）可近似为 fzzffzffz由此可得 （2.

37、9）fzz111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，应用激光切割、打孔、焊接等都需要把高斯光束聚焦成微小的光点。15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，即时，出射激光束的束腰半径随的增大而单调地减小，fz0wz直至时有，并由（2.7）式可得。z0wfz一般情况下，只要满足，由式（2.8）就可得到fz zwfw0（2.10）像方束腰的位置为 fz（2.11）式（2.10）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成反比，这个量相当于普通物镜的通光口 zw径，与透镜焦距成正比。

38、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 CO2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0.1mm 激光光束在聚焦透镜上的截面半径为 1.5mm，根据式（2.10）可得所求的透镜焦距 mmwwf4546.4402.3 光学聚焦理论分析光学聚焦理论分析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。16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

39、成。如图 2.4 所示为几种聚焦系统18。图 2.4 几种聚焦系统简图 图 2.4（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 2.4（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切割常用的光路。图 2.4（c） 、 （d） 、 （e）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 2KW 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 CO2激光，可用的透射材料有限，难以加工

40、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。2.3.1 反射镜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 CO2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。172.3.2 聚焦透镜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 CO2气体激光因透不过普通玻璃，则采用 ZnSe，GaAs 和

41、 Ge 等材料制造，其中最常用的是 ZnSe。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。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f聚焦光斑直径最小。而当入射激光束腰至透镜的距离远大于透镜焦0d距时，满足（2.10）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： （2.12）fdfd40其中，为入射在透镜表面上的激光束直径。与透镜焦距密切相d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

42、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19，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。焦深与聚焦光斑直径的关系可表示为20： （2.13）232. 0dZ此处焦深定义为焦斑直径变化 5%两焦斑的间距。Z透镜的焦距、聚焦光束的焦深与光斑大小的关系为：焦距短，聚18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，焦深可随之增加到 4 倍。2.4 聚焦功率密

43、度聚焦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 （2.14） 2244fpdpF式中，为焦点处光束的功率密度；为激光输出功率。显然，FP在时，由式（2.12）知，这时光斑直径最小，功0zDfdd40率密度最大，离开焦平面，光斑直径开始增大，功率密度下降。由F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有关，为了0d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，焦点深度也减小

44、，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。19第三章第三章 激光切割机对焦技术研究和装置设计激光切割机对焦技术研究和装置设计由于聚焦透镜是安装在激光头内部，CO2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

45、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20控制的对焦方法。对于低功率的激光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 对焦方法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

46、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 CLS2000 型激光切割机，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

47、5mm 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 望远镜法对焦望远镜法对焦本文设计了一套以自准式直望远镜为主要部件的对焦系统。通过将自准式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。3.2.1 自准原理自准原理21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21。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

48、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。图 3.1 自准直法测量凸透镜焦距光路图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 自准式直望远镜自准式直望远镜自准式直望远镜是工厂、实验室常用的

49、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22划板照明方式有三种，相应的就有三种自准直目镜，即有三种自准式直望远镜。它们是以下三种22. （1）阿贝式自准式直望远镜；（2）高斯式自准式直望远镜；（3）双分划板式自准式直望远镜。三种自准式直望远镜虽然结构有所不同，但原理是相同的。由光源照明分划板，分划板上的刻线经物镜成像于无限远处，再经放置在自准式直望远镜前的反射镜返回，在分划板平面上生成刻线的像。在实际应用中，三种自准式直望远镜各有优点

50、和缺点，性能比较如表 3-l。表 3-1 三种自准式直望远镜比较23比较项目阿贝式高斯式双分划板式反射像的亮度较亮较暗较暗反射像的衬度衬度好若不采取特殊措施衬度差衬度较好作为自准直管和望远镜（或平行光管）用时，两者视准轴的重合性视准轴不能重合视准轴始终重合视准轴可调到重合当反射镜离自准直管物镜较远时有可能看不到反射像无论距离多远，均能获得反射像。但距离越远，反射像视场越小与高斯式的情况基本一样所用的目镜结构只要不是前截距太短，一般目镜均可用需用前截距较长的目镜一般目镜均可23视场有视场遮拦或视场较小无视场遮拦无视场遮拦综合比较各因素，最后选用阿贝式自准式直望远镜。阿贝式自准式直望远镜由物镜、目

51、镜、分划板等组成，三者间距可调。其中，分划板上刻有“丰”形叉丝；分划板下方与一块 45o全反射小棱镜的直角面相贴，直角面上涂有不透明薄膜，薄膜上划有一个“十”形透光的窗口，当光源发出的光从管侧经伸长的直角棱镜照明分划板的一部分，即照亮“十”字窗口。调节目镜，使目镜视场中出现清晰的“丰”形叉丝。在物镜前方放置一平面镜，然后调节物镜，使分划板位于物境焦平面上，那么从棱镜“十”字口发出的光经物镜后成为平行光射向前方平面境，其反射光又经物镜成像于分划板上。这时，从目镜中可以看到清晰的“丰”形叉丝和“十”字像。如果平面境的法线与望远镜光轴方向一致，则“十”字像位于分划板“丰”形叉丝的上横线上。此时望远镜

52、已调焦至无穷远，适合观察平行光了。3.2.3 自准式直望远镜测量的凸透镜焦距自准式直望远镜测量的凸透镜焦距目前在测量凸透镜焦距的实验中，通常采用的方法有自准直法、物距像距法（u、v 法）和二次成像法。在光具座上采用上表三种方法和望远镜法测量同一个凸透镜的焦距。凸透镜焦距的标准值为 50mm。测量结果为：（1）物距像距法：mm；73. 023.49f（2）二次成像法:mm；39. 018.50f（ ）自准直法：mm；351. 053.49f（4）望远镜法：mm。11. 014.50f从试验结果看出：望远镜法测量的凸透镜焦距与标准值基本一致，24用前三种方法测量的误差明显大于用望远镜法测得的结果。

53、三种方法各有特点，比较如下表24。表 3-2 自准直法、物距像距法、二次成像法比较误差来源方法原理特点系统误差偶然误差改进方法自准直法测量简单，但常出现假象造成错误a.透镜两主平面不重合b.滑块刻线与屏不共面。c.透镜光心与滑块刻线不重合a.视误差b.假象a.用比较法排除两种假像b.用反转法减少系统误差物距像距法凸透镜成像公式，测出fvu111物距，像距 ，uv即求得f任意改变，u可以进行多次测量a.同上 ab.同上 bc.同上 ca.同上ab.最佳成像的人为确定a.同上 bb.可用扫描法减少偶然误差二次成像法，AlAf422物屏、像屏距离时，透镜fA4在两屏间移动，必fA4在范围内改变可进A

54、行多次a.同上 ab.同上 aa.同上ab.同上aa.同上 b25能在像屏上二次成像， 为二次成像l时透镜所移动的距离测量，不存在透镜光心与滑块刻线不重合而引起的系统误差望远镜法当物位于待测透镜焦平面时在物镜中可看到清晰的像测量方法简单a.同上 aa.同上aa.同上 b3.2.4 CLS2000 激光切割机激光切割机 镭神 CLS2000 激光切割机采用 CO2激光器，驱光式导光系统（飞行光路） ，包括三个反射镜和一个聚焦镜（聚焦镜安装在激光头调整套筒内） 。机床结构如图 3.2 所示。1.上盖；2.观察窗；3.支杆；4.激光器；5.X 轴轨道；6.工作平台；7.支撑架及工件收集箱；8.激光头

55、；9.反射镜 M1 ；10.X 轴电机；12.控制面板；13.反射镜 M2 26；14.Y 轴轨道；15.反射镜；M3 16.前开门图 3.2 CLS2000 型激光切割机结构示意图 激光器产生的光通过反射镜反射后，打到聚焦镜上，再通过聚焦镜的聚光，成为可用的光束。第一反射镜安装在激光器出口，第二反射镜可以随横梁沿 Y 方向移动，第三反射镜在激光头上，聚焦镜在激光头内部，激光头可在横梁上沿 X 方向移动。光路系统如下图所示：1.激光管；2.激光管支架；3.支架调整螺母；4.反射镜 1(Ml)；5.反射镜 2(M2)；6.反射镜 3(M3)；7.反射镜调整螺钉；8.反射镜锁紧螺钉；9.激光头；1

56、0.工件；11.工作台图 3.3 光路系统示意图其中激光头的结构如图 3.4。27图 3.4 激光头为了用阿贝自准式直望远镜观察到聚焦镜的焦平面，要把望远镜插入到机床的现有导光系统中，形成一个观察光路系统。3.3 激光切割机对焦装置的设计激光切割机对焦装置的设计对焦装置主要由阿贝自准式直望远镜、反射镜调整架、望远镜支撑、高度调节装置四部分组成。该装置的主要零件所用材料及数量见表 3-3。表 3-3 对焦装置主要零件列表零件编号零件名称材料数量1双胶合物镜BK712阿贝自准直目镜BK713物镜镜筒铜14分划板调节手轮铝1阿贝自准式直望5照明灯罩铝合金128远镜6支架不锈钢17托板铝合金18调节螺

57、栓铜29压缩弹簧弹簧钢1望远镜支撑10橡胶垫橡胶111丝杠45 钢112丝杠螺母45 钢113底座铸铁114锁紧螺钉铜1高度调节装置15M20 螺母GB5785-861在进行实际应用时，将该装置放置于激光切割机的工作台上，调节望远镜的高度，使望远镜的光轴与激光光轴共面，并垂直于激光光轴。调整望远镜使分划板同时位于物镜和目镜的焦平面上，此时望远镜可用于观察平行光。在待加工工件表面上平放一块坐标纸，作为观察目标。调整激光切割头的 Z 向位移，当在目镜中观察到坐标线的清晰像时，聚焦镜的焦点就在工件表面上。3.3.1 阿贝自准式直望远镜阿贝自准式直望远镜 阿贝自准式直望远镜安装在支撑座上，支撑座安装在

58、托板上，与底座相连接。它用来观察和确定光线行进方向。阿贝自准式直望远镜由物镜和阿贝目镜组成。物镜和目镜间装有分划板，分划板上刻“丰”叉丝，分划板中心位于光轴上。分划板安装在望远镜筒内，并可沿镜筒前后移动。调节目镜筒可改变目镜和分划板之间的距离，使叉丝位于目镜的焦平面上。物镜固定在望远镜筒的另一端，为消色差双胶合物镜，焦距为 168mm，通光口径为 25mm。调节分划板调节手轮可以改变物镜与分划板之间的距离，使分划板叉丝位于物镜的焦平面上。29阿贝目镜的焦距为 24.3mm，放大倍数为 7。阿贝目镜中，在目镜和分划板间装有一个 45o全反射直角棱镜。直角棱镜的直角面与分划板叉丝下面相贴。从目镜中

59、观察，叉丝的一小部分被直角棱镜遮住。直角棱镜一般是全镀铝后刻一透光十字线，小灯泡发出的光经直角棱镜反射照明叉丝。当叉丝处于物镜的焦平面时，由小十字线发出的光经物镜后成为平行光由物镜射出。自准直时，小十字线的像和小十字线相对于光轴对称。该望远镜的主要参数如下：镜筒长度 180mm；物镜口径：25mm；焦距：168mm；目镜焦距：24.3mm； 目镜口径：8mm；放大倍数：6.91；成像：倒像；视场角：1o36 分划板移动距离：26mm；目镜调节范围：5mm。3.3.2 反射镜调整架的设计反射镜调整架的设计（1）平面反射镜的选择与安装平面反射镜是为实现预定光路转折的一种最简单的光学元件。平面反射镜

60、的外形尺寸由反射镜上光束截面的尺寸确定，在平行光束中，反射镜上的光束截面是一个椭圆。短轴半径 2b 为平行光束的口径 D，其长轴 2a 由下式确定： （3.1）sin2Da 其中为反射镜与光轴夹角。本实验所用自准式直望远镜的出光口径是 26.24mm，光轴与反射镜夹角为 450，代入上式得mm。实际尺寸应比计算尺寸大372 a23mm，所以选用圆形平面反射镜，其直径为 40mm。平面反射镜的厚度与口径的大小以及固定方法等主要是与其表面精度的要求有关。其厚度与口径的关系可参考表 3-4表 3-4 平面反射镜厚度与口径的关系特高精度平面反射镜较高精度一般要求30Ld7151Ld10181Ld251