1、高精密激光切割技術的應用研究高精密激光切割技術的應用研究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，將材料快速加熱至汽化溫度，將材料去除，從而獲得所需要的圖案和切縫的加工方法。由于功率密度與光束截面直徑的平方成反比，而焦點處的直徑最小，因而功率密度最高。為了獲得高質量的切縫，就要精確確定焦點的位置。激光切割機的對焦系統的研究對提高機床的加工精度和提高加工質量具有重要的現實意義。本文在激光束聚集理論的基礎上，分析了激光光路系統的結構和聚焦系統的功能。針對 CL

2、S2000 型激光切割機現有的調焦系統不能準確確定焦點位置的缺點，提出并設計了一套以自準式直望遠鏡為主要部件的幾何光學對焦系統。將對焦裝置切入現有機床的光路系統，組成新的對焦系統，通過試驗驗證了系統的可行性。比較了采用此對焦系統和采用其它常用方法對焦點位置進行檢測的準確性。關鍵字關鍵字：激光切割激光切割 對焦系統對焦系統 焦點位置焦點位置 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 錄錄第一章第一章 緒論緒論.11.1 前言.11. 2 激光切割技術的應用和優越性.21. 3 激光切割技術的特點.31. 4 激光切割技術的現狀和發展趨勢.41.4.1 激光切割技術的現狀.41.4.2 激光切割技術的發展趨勢.71.5 課題背景和意義.8第第二章二章 激光切割機的聚焦系統研究激光切割機的聚焦系統研究.92. 1 激光切割機系統構成.92.2 激光光束聚焦理論.102.3 光學聚焦理論分析.

8、152.3.1 反射鏡.162.3.2 聚焦透鏡.162.4 聚焦功率密度.17第三章第三章 激光切割機對焦技術研究和裝置設計激光切割機對焦技術研究和裝置設計.193.1 對焦方法.193.2 望遠鏡法對焦.203.2.1 自準原理.203.2.2 自準式直望遠鏡.213.2.3 自準式直望遠鏡測量的凸透鏡焦距.223.2.4 CLS2000 激光切割機.243.3 激光切割機對焦裝置的設計.263.3.1 阿貝自準式直望遠鏡.273.3.2 反射鏡調整架的設計.283.3.3 高度調節裝置.303.3.4 望遠鏡支撐裝置.30第四章第四章 對焦試驗及分析對焦試驗及分析.324.1 對焦裝置的

9、光路調節.324.1.1 望遠鏡的調節.324.1.2 激光光軸垂直于望遠鏡光軸.324.2 焦點位置測試.334.2.1 斜板法定位.334.2.2 掃描法定位.34II4.2.3 望遠鏡法定位.354.2.4 實驗小結.37總結總結.38參考文獻參考文獻.40致致謝謝.421第一章第一章 緒論緒論1.1 前言前言激光切割是激光加工行業中最重要的一項應用技術,也是激光加工中應用最早、使用最多的加工方法。它占整個激光加工業的 70%以上。激光切割與其他切割方法相比,最大區別是它具有高速、高精度和高適應性的特點。同時還具有割縫細、熱影響區小、切割面質量好、切割時無噪聲、切縫邊緣垂直度好、切邊光滑

10、、切割過程容易實現自動化控制等優點。可切割碳鋼、不銹鋼、合金鋼、木材、塑料、橡膠布、石英、陶瓷、玻璃、復合材料等。激光切割板材時,不需要模具,可以替代一些需要采用復雜大型模具的沖切加工方法,能大大縮短生產周期和降低成本。因此,目前激光切割已廣泛地應用于汽車、機車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業部門中。近年來,激光切割技術發展很快,國際上每年都以 15%20%的速度增長。我國自 1985 年以來,更以每年 25%以上的速度增長。當然,由于我國激光工業基礎較差,激光加工技術的應用尚不普遍,激光加工整體水平與先進國家相比仍有較大差距。因此,在我國,激光切割技術的推廣和應用潛力

11、很大。激光切割系統主要由機床主機、激光器、控制系統三大主要部分組成。控制系統是整個系統的控制中樞,負責協調整個系統的正常工作,主要完成加工軌跡控制、焦點位置控制和機、光、電一體的協調控制。數控激光切割機的研制屬于機電一體化范疇它的研制使生產系統具有友好的人機界面,方便而易學的編程方式,以及精確的切割軌跡控制功能,適合于工業現場的使用,極大地提高了生產率。 21. 2 激光切割技術的應用和優越性激光切割技術的應用和優越性激光切割技術的應用主要在下面幾個方面：（1）工業中常用激光去雕刻交通工具識別碼、元件編號、裝飾開關和儀表面板。（2）制造電子產品的公司通常使用激光切割來鑒別成品。實際上最先普及使

12、用激光切割產品是在整條組合的電路生產線上對硅晶片進行連號表示。激光切割的速度快、永久性、易讀性、無污染性及自然性，達到了電子工業的質量要求。（3）印刷業的柔性印刷中網紋輥的激光切割和柔印版的激光切割是目前激光切割中應用最早、也是最成功的。（4）激光切割還經常用于家庭微型電器的金屬和塑料包裝上的雕刻。在安全設備上雕刻校準誤差標記、雕刻數字和連號數字，直接在電路元件上標識線路和符號，在含有氧化鋁和其它氧化層的物件上雕刻條形碼和連號數字。（5）在醫學上做標識，如在試驗用的動物身上做標記。（6）在廣告業、印章業、工藝禮品業、藝術模型業等行業應用越來越廣泛。激光切割技術有許多非常突出的優越性，主要有以下

13、幾個方面：（1）激光的強度極高聚焦后的激光束不僅能對各種非金屬材料進行雕刻，而且也能對金屬材料進行雕刻，甚至能雕刻耐火度很高以及硬而脆的材料。所以激光對雕刻材料的硬度、表面質量等沒有太高要求。與機械、化學等雕刻手段相比，激光切割的范圍更廣泛。（2）雕刻速度快激光切割工序簡單快捷且操作方便。一般的雕刻圖案，只要經過電腦的處理，在輸出到雕刻機制作即可，省掉了傳統雕刻工藝中的繁瑣過程，激光切割一般要比其它雕刻方法快 100 倍以上，而且現在的激光切割控制系統可以保證長期安全工作和精確控制。3（3）雕刻質量高激光切割的一個顯著特點是雕刻質量高。由于激光強度高、方向性好，極細的激光束可以做到精細雕刻，雕

14、刻品分辨率很高，可實現精細圖案雕刻。因為激光切割過程中，不必像機械雕刻那樣刀頭要與被雕刻材料接觸，刀頭和雕刻件都清潔無污染，并且沒有刀頭和被加工件摩擦產生的不良影響，完全沒有壓力和磨損，適于精細雕刻。雕刻時間短，被雕刻材料氧化、變形和熱膨脹影響的區域都比較小，一般不需要特殊保護就可以完成高精度的雕刻。（4）雕刻耗能少激光切割與其它雕刻方法相比，采用了一種能量使用很直接的方式，能量轉換環節少，而且雕刻過程操作簡單，保護環節少，所以消耗的能量少，并且能夠提高工作效率。1. 3 激光切割技術的特點激光切割技術的特點 激光技術是二十世紀最重要的發明之一，是二十世紀科學技術發展的重要標志和現代信息社會光

15、電子技術重要支柱之一1。(1)激光有四大特性：高亮度、高方向性、高單色性和高相干性2。(2)許多金屬材料，不管它具有什么樣的硬度，都可用激光進行無變形切割，大多數有機與無機材料都可以用激光切割。激光切割無毛刺、無皺折、精度高，各種性能都優于等離子切割。對許多機電制造行業來說，由于微機程序控制的現代化激光切割系統能方便切割不同形狀與尺寸的工件(工件圖紙也可修改)，它往往比沖切、模壓工藝更被優先選用3；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有模具消耗，無需修理模具，節約更換模具時間，從而節省加工費用，降低產品成本，所以從總體上講在經濟上更為合算4。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

16、聚焦后形成具有極強能量的很小作4用點，把它應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；b)極小的局部變形，工件無機械變形；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)與自動化裝備結合方便，容易實現切割過程自動化；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。別的方法不能像激光束那樣集中能量于一個極小區域，結果導致切口寬、熱影響區大和較明顯的工件熱變形。激光能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能7。(4)對非金屬材料波長為

17、10.6 m 的 CO2激光束很容易被非金屬材料所吸收，低的導熱性和低的蒸發溫度又使吸收的光束能幾乎全部傳入材料的內部，并在光斑照射處瞬間汽化，形成起始孔洞，進入切割過程的良性循環。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材料，同時也能切割石英、陶瓷等無機材料，還能切割新型輕質加強纖維聚合體等復合材料8。1. 4 激光切割技術的現狀和發展趨勢激光切割技術的現狀和發展趨勢 1.4.1 激光切割技術的現狀激光切割技術的現狀5（1）國外現狀智能、精密、微細、多學科交叉、系統化、自動化是先進制造技術的發展趨勢，這種趨勢是為了滿足制造產品的多變性、高品質、低成本、交貨期

18、短等市場要求。作為先進制造技術之一的激光切割技術，由于其特有的、優異的加工性能而被廣泛應用，西方工業化國家和先進的發展中國家均致力于這項技術的研究和應用，其正以每年15%20%的速度增長9-11。以日本為例，目前己擁有 CO2激光加工機2 萬多臺，約占全球激光加工機總量的 1/3，其中 80%為激光切割設備。現在激光切割技術己從特殊用途的加工技術變為通用的、具有多種加工能力的加工技術。幾年前，美國科學家就預言“激光將成為未來制造業的通用手段” ，德國亦有“無所不能的激光技術”的長篇報道。目前，國外探索的激光切割應用范圍正在不斷地擴大，已達 20 多個領域。激光被譽為“萬能加工工具” 、 “未來

19、制造系統的共同加工手段” ，不僅在國防工業領域而且在民用工業領域也獲得了廣泛應用。工業用激光器的制造及其引入生產的速度已成為衡量一個國家工業生產效率及其在發達國家中地位的標準之一。從工業應用領域來看，金屬和非金屬的激光切割是激光切割最主要的應用領域，其中最具有代表性和應用最為廣闊的是汽車制造業，該工業是激光切割的最早應用領域之一，也是最大的潛在市場，尤為重要的是汽車工業愈來愈成為高功率激光系統(CO2和 YAG)發展的關鍵因素。據專家估計，約有 60%的汽車零部件可以通過激光切割來提高質量。在美國汽車工業中，通用汽車公司已經建立了 22 條激光加工生產線，其中切割生產線占總體的 65%以上。在

20、歐洲汽車工業中，三維激光切割首先用于原型樣機的制造和試生產，也用于中小批量生產;同樣在日本汽車工業中，較多的三維激光切割用于小批量產品的切割、樣車的生產。近年來，美、日、德、英等國正致力于研制各種工業用激光器，研究各種激光加工方法及工藝，激光切割工藝己初具規模，正在形成一門新的產業。日本的 ShunihcSato 等試驗了用 KrF 準分子激光器與 CO 激光器聯合作用的雙波激光切割，重復頻率為 220Hz。KrF6激光波長 0.248m，與 5m 的 CO 激光協同工件，總功率只有 300W，就可實現常規激光切割時功率 5001000W 的效果。雙波切割還應用于CO2準分子、YAG 準分子等

21、組合，具有廣闊的應用前景。從激光切割工藝研究現狀來看，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上，總結激光切割工藝，建立工藝數據庫，并著手研究高性能的激光切割系統。（2）國內現狀同國外的發展情況相比，我國激光加工技術研究起步較晚，工業基礎較差，激光加工的整體水平比較落后，工業生產自動化程度不是很高，但是國家在激光加工技術方面的研究給予了相當的重視，除了將激光加工技術列入國家重點科技攻關外，它在國家自然科學基金、國家“863計劃、國家“火炬”計劃等也有相當的項目被列入。在“七五”期間，我國成功研制了低階模橫流 CO2

22、激光器和基模軸流CO2激光器，為激光切割的應用創造了條件，并對鋼板、合金鋼、硬質合金及硅鋼片的切割工藝進行了研究。隨著我國制造業的發展，許多產業部門也急需采用激光加工技術和設備以提高產品質量、生產效率和加工柔性化，從而增強市場競爭能力，自 1985 年以來我國激光切割技術以每年 25%以上的速度增長9，10，以濟南鑄造鍛壓機械研究所為例，20 世紀 80 年代后期激光切割機年產量僅為 2 臺，到 90 年代后期年產量達到了 10 臺，在“十五”期間年產量達到 25 臺。在我國，激光切割技術的推廣和應用潛力很大，隨著我國國民經濟的飛速發展，許多傳統產業需要改造，許多鈑金加工領域有待開發。同時隨著

23、可用于切割的激光器功率的增大，激光切割正從輕工業薄板的鈑金加工向著重工業厚板切割方向發展，如湖南大學李力鈞先生帶領一大批學者對激光加工技術進行了大量的研究，華中科技大學對激光加工設備的完善使其具有良好的性能進行了研究。在新世紀之初，我國還應加速研制厚板激光切割的新產品、新工藝，以改造我國橋梁制造、建筑機械和造船等重工業的熱切割工藝，提高經濟效益，以填7補我國在厚板激光切割方面的空白。另外，我國在激光三維切割方面的應用研究才剛剛起步12。國家自然科學基金委在 1997 年把“大功率CO2及 YAG 激光三維焊接和切割理論與技術”作為重點項目進行資助，國家產學研激光技術中心的有關學者對此進行了系統

24、的研究，為在我國汽車車身制造業中應用三維激光立體加工技術做出了很大貢獻。北京工業大學國家產學研激光技術中心(NCTL)針對激光的柔性加工，研究分析了激光加工的運動過程，采用面向對象技術，利用 AuotCAD 的二次開發工具 ARX，開發出計算機輔助激光加工軟件系統，并對激光三維加工軌跡進行了計算機仿真。目前國內企業對三維激光切割機已經有需求，如柳州微型汽車廠已經有了 CO2五軸激光加工機;上海大眾汽車公司新的桑塔納生產線也在引進高功率 YAG 三維加工系統;濟南鑄鍛研究所為一汽開發的六軸 CO2激光加工機也進入運行階段，用于轎車車身的切割成形。隨著市場和經濟的快速發展，在汽車、航空、機車及工程

25、機械等行業對三維激光切割機的需求將會不斷增大，對其參數、性能和可靠性等各方面的要求也將不斷提高。目前我國的激光切割技術研究仍需解決的問題是:一方面要解決激光器的質量(模式、可靠性、配套性);另一方面要系統地解決工藝參數、規范問題。開發出性能優良、工作可靠、使用方便的激光加工機將使我國的激光切割水平大大地提高。總體來說，我國的激光切割技術的綜合水平還是比較低。作為切割工藝的改革性技術，它的發展對我們來說是一項挑戰，更是一次機遇，希望該技術可以得到政府部門，尤其是企業領導的高度重視，盡早實現科研產業一體化的進程，使得這項高科技為我國的現代化建設做出應有的貢獻。1.4.2 激光切割技術的發展趨勢激光

26、切割技術的發展趨勢 近年來，激光切割技術正以飛快的速度發展，而且隨著數控技術與激光技術的結合，其應用也越來越廣泛，從軍用轉向民用，正逐步深入社會生產的各個領域，下面從四個方面概括激光切割技術的發展趨勢:8（l）伴隨著激光器向大功率發展以及采用高性能的 CNC 及伺服系統，使用高功率的激光切割系統可以獲得高的加工速度和高的加工質量，同時減小熱影響區和熱畸變，能切割的材料板厚也將進一步提高。低功率激光器所產生的激光可以通過使用 Q 開關或加載脈沖波轉化為高功率激光。（2）根據激光切割工藝參數對切割質量的影響情況，改進加工工藝，如:增加輔助氣體對切割熔渣的吹力;加入造渣劑提高熔化物的流動性;增加輔助

27、能源，并改善能量之間的耦合;增加功率密度等。隨著激光切割工藝參數數據庫及工藝參數智能選擇系統的建立激光切割將向高度自動化、柔性化、智能化方向發展，逐步完善 CAD/CAPP/CAM以及人工智能在激光切割系統中的應用。(3)根據加工速度自適應控制激光功率和激光模式或建立工藝數據庫和專家自適應控制系統使得激光切割的整機性能普遍提高。以數據庫為核心，面向通用化的 CAPP 開發工具，對激光切割工藝設計所涉及到的各類數據進行分析，建立相適應的數據庫結構。(4)向多功能的激光加工中心發展，將激光切割、焊接以及熱處理等各道工序后的質量反饋集成在一起，充分發揮激光加工的整體優勢。1.5 課題背景和意義課題背

28、景和意義 作為高科技的激光技術，自問世以來，就一直針對不同的社會需求研發出適合各行業的激光設備。如激光打標機、激光焊接機、激光快速成型機、激光切割機等。近年來小功率 CO2激光切割機由于其具有集切割、裁剪、雕刻功能于一體，切割速度快、雕刻精美、定位精確高等技術優勢;以及切割面光潔無痕、無需拋光、維護簡單、成本低廉等優點，在電子、廣告業、印章業、工藝禮品業、藝術模型業、木器加工業等行業的應用越來越廣泛。但是目前這類機床都沒有專用的9對焦手段或采用的對焦的準確性不高，對于精細的雕刻不能滿足要求。本課題是基于工程訓練中心的鐳神 CLS2000 型激光切割機為基本的實驗設備，研究了該設備的激光光路系統

29、和聚焦系統的特點。針對該設備目前采用的對焦方法不能準確的確定焦點位置的缺點，設計了一套焦點位置觀察裝置。將該裝置與機床光路組成一個對焦系統，以達到在加工不同工件時能夠準確找到焦點平面，提高加工質量的目的。本課題在實踐中有著重大的理論意義和應用價值。第二章第二章 激光切割機的聚焦系統研究激光切割機的聚焦系統研究2. 1 激光切割機系統構成激光切割機系統構成激光切割機除具有一般機床所需有的支承構件、運動部件以及相應的運動控制裝置外，主要還應具有激光加工系統，它是由激光器、聚焦系統和電氣系統三部分組成的。激光器由激光介質、光泵、聚光器和諧振腔組成。現代用于激光加工的激光器主要有 Nd：YAG 激光器

30、、CO2激光器、準分子激光器、大功率半導體激光器等。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術中應用較廣：中小功率 CO2激光器和 Nd：YAG 激光器在精密加工中應用較多；準分子激光器多用于微細加工；而由于短脈沖激光與材料的熱擴散相比，能更快地在照射部位注入能量，所以主要應用于超精細激光加工。聚焦系統的作用是把激光束通過光學系統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。CO2激光器輸出的是10紅外線，故要用鍺單晶、砷化嫁等紅外材料制造的光學透鏡才能通過，為減少表面反射需鍍增透膜。圖 2.1 為應用于 CO2激光切割機的透射式聚焦系統。圖中在光束

31、出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體N2的噴嘴，用以提高切割速度和切口的平整光潔。1.CO2激光器；2.激光束；3.全反射鏡；4.透鏡；5.噴嘴；6.工件；7.工作臺 圖 2.1 透射式聚焦系統電氣系統包括激光器電源和控制系統兩部分，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（如連續或脈沖、重復頻率等）進行控制。此外，工件或激光束的移動大多采用 CNC 控制。激光加工技術有效地利用了激光的優異性能，正在改變著以往的加工和生產方式，使生產效率大幅度提高，是機加工中最有競爭力的一種替代手段，在激光應用中占有重要的地位。激光切割是激光加工行業中最重要的一項應

32、用技術，它占整個激光加工業的 70%以上13-14。目前已廣泛地應用于汽車、機車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業部門中。2.2 激光光束聚焦理論激光光束聚焦理論采用穩定腔的激光器發出的激光，是一種振幅和等相位面都在變化的高斯球面光波，簡稱高斯光束。之所以稱為高斯光束，是由于光束截面上光強與離軸距離 r 成高斯函數變化的原因。在由激光器產生11的各種模式的激光中，最基本、應用最多的是基模（TEM00）高斯光束，它具有以下基本性質15。（1）基模高斯光束在橫截面內的光場振幅分布按高斯函數的規律從中心向外平滑地下降，由中心振幅值下降到 1/e 點對應的寬度，定義為光斑半徑，即

33、： 2200z1wwzw（2.1）可見，高斯光束在傳播過程中，光斑半徑隨著傳播距離成非線z性變化，其軌跡為雙曲線。在處，達到極小值，稱為0z 0wzw高斯光束的束腰半徑。同時，波面的曲率中心（等相位面在近軸區域可視作球面）也隨光束傳播的距離而不斷地改變位置。波面曲率半徑隨傳播距離的變化由以下方程決定：z （2.2） 2201zwzzR可見，當時，表明束腰所在處的等相位面為平面；0z zR當時，逐漸減小至最小值為，激光束由平面20wz zR202 w波變為球面波，此時半徑最小。繼續傳播則又開始增大，至 zR，激光束由球面波又變為平面波。由公式 2.2 還可看出，z時，0，波面凸向軸正向，0 時0

34、，波面凸向軸0z zRzz zRz的負向。根據式（2.1）和（2.2） ，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。在實際應用中，R還可以根據已知的光斑半徑和波面曲率半徑來決定束腰的位置和大小，這只要將式（2.1）和（2.2）聯立方程組，求解和即可得到如下式0wz12的計算： 222201Rwww（2.3） （2.4）221wRRz（2）由于激光束的傳播路徑呈雙曲線形，其中在束腰處光束的截面為最小，離束腰越遠，則光束口徑越大。因此無論是自束腰向左還是向右激光束均是發散光束。表明激光束是存在發散角的。光束發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

35、度，發散角越小，方向性越好。在激光切割、打孔及微細加工等應用場合要求激光束具有盡可能小的發散角和高度聚焦性能，以便將激光能量集中在很小的區域，提高功率密度。通常基模高斯光束的發散角定義為強度下降到中心強度的 1 /e2點對應的全角寬度，即 022limwzzwz（2.5）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，振幅和強度在橫截面內保持高斯分布。高斯光束及其參數如圖 2.2 所示。13圖 2.2 高斯光束及其參數對于高斯光束，用幾何光學的理論可以證明，其經透鏡變換后仍為高斯光束16。圖 2.3 為透鏡對高斯光束的變換示意圖。圖中和，PP分

36、別為高斯光束入射在透鏡前和經透鏡變換后的波面，其曲率半徑分別為和，光斑半徑分別為和，束腰半徑分別為和，束RRww0w0w腰至透鏡的距離分別為和。zz圖 2.3 透鏡對激光束的聚焦17對于透鏡，前、后主面的通光口徑是相等的，這樣一來在兩個主14面上的激光束截面半徑是相等的，即。若透鏡焦距為，當旁wwf 軸球面波通過透鏡時，波前曲率半徑滿足 fRR111（2.6）由以上各式聯立可得高斯光束變換后的束腰位置和束腰半徑為 22022wfzffzfz（2.7） （2.82202220201111wffzww）在上式中，如果，且滿足時，式z202wfz（2.7）可近似為 fzzffzffz由此可得 （2.

37、9）fzz111這和近軸光學中的物像關系公式（高斯公式）完全一致。在激光加工的光學系統中，常使用透鏡來對光束進行聚焦。例如，應用激光切割、打孔、焊接等都需要把高斯光束聚焦成微小的光點。15由式（2.8）可以看出，當入射激光束束腰位于系統物方焦距之前，即時，出射激光束的束腰半徑隨的增大而單調地減小，fz0wz直至時有，并由（2.7）式可得。z0wfz一般情況下，只要滿足，由式（2.8）就可得到fz zwfw0（2.10）像方束腰的位置為 fz（2.11）式（2.10）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成反比，這個量相當于普通物鏡的通光口 zw徑，與透鏡焦距成正比。

38、因此，要使像方的束腰半徑為最小，就要加大透鏡被照明的口徑，減小焦距長度，選擇較短的光波長。以 CO2激光器為例，來說明像方束腰半徑的計算。要求像方的束腰半徑為0.1mm 激光光束在聚焦透鏡上的截面半徑為 1.5mm，根據式（2.10）可得所求的透鏡焦距 mmwwf4546.4402.3 光學聚焦理論分析光學聚焦理論分析從激光器輸出的光束，盡管具有高方向性、高功率密度，但是在許多加工應用中尚不能達到所需的功率密度。因此，必須通過光學聚焦系統將激光束聚焦在很小的區域內，才能獲得較高的功率密度，滿足激光加工的要求。16聚焦是激光加工中最常見的一種光學處理，聚焦系統可能只有一個鏡片，也可能由多個鏡片組

39、成。如圖 2.4 所示為幾種聚焦系統18。圖 2.4 幾種聚焦系統簡圖 圖 2.4（a）所示為拋物鏡聚焦系統，它僅含有一塊拋物面聚焦反射鏡，聚焦效果較好，經常用于大功率激光焊接。圖 2.4（b）為平面鏡一透鏡聚焦系統，激光經過一塊平面反射鏡反射后由透鏡聚焦，其聚焦效果優于拋物鏡聚焦，是高精密度激光焊接和激光切割常用的光路。圖 2.4（c） 、 （d） 、 （e）是三種球面反射鏡聚焦系統的三種主要形式。該聚焦系統適合焊接環形焊縫。在激光切割加工系統中，當功率在 2KW 以下時，多采用平面鏡一透鏡聚焦系統，而且出于加工方便考慮，基本采用球面透鏡。特別是對于 CO2激光，可用的透射材料有限，難以加工

40、用于消像差的不同材料的組合透鏡，大多數采用單透鏡系統。下面詳細介紹平面鏡一透鏡聚焦系統。2.3.1 反射鏡反射鏡反射鏡的功能是改變來自激光器的光束方向。對固體激光器發出的光束可使用由光學玻璃制造的反射鏡，而對 CO2氣體激光切割裝置中的反射鏡常用銅或反射率高的金屬制造。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，通常需用水進行冷卻。172.3.2 聚焦透鏡聚焦透鏡聚焦透鏡用于把射入激光切割頭的平行激光束進行聚焦，以獲得較小的光斑和較高的功率密度。透鏡經常采用能透過激光波長的材料制造。固體激光常用光學玻璃，而 CO2氣體激光因透不過普通玻璃，則采用 ZnSe，GaAs 和

41、 Ge 等材料制造，其中最常用的是 ZnSe。透鏡的形狀有雙凸形、平凸形和凹凸形三種。透鏡的焦距對聚焦后光斑直徑和焦點深度有很大影響。當入射激光束直徑 D 值一定時，存在一個最佳的透鏡焦距值使f聚焦光斑直徑最小。而當入射激光束腰至透鏡的距離遠大于透鏡焦0d距時，滿足（2.10）式，基模高斯光束的發散角由式（2.5）決定，則透鏡聚焦后的光斑直徑為： （2.12）fdfd40其中，為入射在透鏡表面上的激光束直徑。與透鏡焦距密切相d關的另一個量是焦點深度，簡稱焦深。焦深是描述聚焦光束特性的一個參數。焦深通常有基于光束中心光強變化和基于光斑尺寸變化的定義方法。前者定義方法常根據激光加工的特性，采用平均

42、功率密度定義方法。即是當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，此時光束的截面積是焦斑面積的兩倍19，在切割中也稱有效切割范圍。規定在焦深范圍內，近似認為功率密度基本相同。后者定義為焦點光斑直徑增加 5%時兩光斑之間的距離。焦深與聚焦光斑直徑的關系可表示為20： （2.13）232. 0dZ此處焦深定義為焦斑直徑變化 5%兩焦斑的間距。Z透鏡的焦距、聚焦光束的焦深與光斑大小的關系為：焦距短，聚18焦光斑小；焦距長，聚焦光斑也大，焦深變化也如此。當透鏡焦距增加，使聚焦光斑尺寸增加 1 倍，焦深可隨之增加到 4 倍。2.4 聚焦功率密

43、度聚焦功率密度根據高斯光學理論，經透鏡聚焦后在各光束截面上的功率密度為 （2.14） 2244fpdpF式中，為焦點處光束的功率密度；為激光輸出功率。顯然，FP在時，由式（2.12）知，這時光斑直徑最小，功0zDfdd40率密度最大，離開焦平面，光斑直徑開始增大，功率密度下降。由F此可見，為獲得一定的功率密度，聚焦光學系統的選擇和聚焦后的焦點的位置精確確定很重要。激光切割的切口寬度同光束模式和聚焦后光斑直徑有很大的關系。由于激光照射的功率密度和能量密度都與激光光斑直徑有關，為了0d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，這樣有利于實現高速切割。但透鏡焦距減小時，焦點深度也減小

44、，在切割厚度較大的板材時難以獲得垂直度好的切割面。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弄臟，影響切割的正常進行。透鏡焦長小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它適用于薄件高速切割。長焦透鏡的聚焦光斑功率密度較低，但其焦深大，可用來切割厚斷面材料。因此，要根據切割厚度和切割質量要求等因素綜合考慮，確定適當的焦距。19第三章第三章 激光切割機對焦技術研究和裝置設計激光切割機對焦技術研究和裝置設計由于聚焦透鏡是安裝在激光頭內部，CO2激光又是不可見光，不方便用肉眼直接觀察，激光聚焦的焦點位置無法直接測量，但可以通過間接方法或采用專門的儀器來檢測。對

45、于大功率的激光束可采用大功率激光光束光斑質量診斷儀，實現大功率激光光束橫截面的功率密度分布測量，并應用數學處理方法計算光束位置、束寬、焦點位置、焦斑大小、發散角、焦深和光束質量因子等相關光束參數。對自動化程度和加工精度要求較高的精密機床還采用自動聚焦控制與鏡頭伺服20控制的對焦方法。對于低功率的激光切割機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。這樣就不能準確的確定焦點位置，影響加工質量的進一步提高。3.1 對焦方法對焦方法目前在工業生產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，在塑料板上進行激光束打印，打印直徑最小處為焦點。（2）斜板法：用和垂直

46、軸成一角度斜放的塑料板使其水平拉動，尋找激光束的最小處(切痕最小)為焦點。（3）藍色火花法: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，直至藍色火花最大處為焦點。對于 CLS2000 型激光切割機，激光頭安裝在 X 軸軌道上，軌道高度固定，要調整焦點位置，需要手動調節，而且激光器輸出的是連續激光，孔的大小受打印的時間影響，而打印時間不能準確控制，第 1種方法不適合該機床。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置在工件表面。第 3 種方法對于加工非金屬材料的機床不適合。目前該機床采用的對焦方法是根據經驗值來確定，將噴嘴移動到離工件表面約

47、5mm 時即認為是焦點位置，缺乏理論依據，而且也不準確。不能滿足較高精度的雕刻和切割加工需要。針對這個問題，本文提出了一種新的對焦方法。3.2 望遠鏡法對焦望遠鏡法對焦本文設計了一套以自準式直望遠鏡為主要部件的對焦系統。通過將自準式直望遠鏡加入到機床的光路系統中，當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。3.2.1 自準原理自準原理21自準直技術簡稱自準直法，利用光學成像原理使物和像都處在同一個平面上21。它在平行光管和測量望遠鏡的調整、測量球面和非球面的面型，以及測量透鏡和光學系統的焦距等方面都有著廣泛應用，是幾何光學實驗中經常采用的一種實驗技術。無限遠的物經透鏡成像，像處在透

48、鏡的焦平面上。自準直法測量透鏡焦距就是首先利用待測透鏡自身產生一個位于無限遠的物，再用待測透鏡對它成像，通過測量像與透鏡之間的距離來確定透鏡的焦距。自準直法是大學物理實驗中用來測量薄透鏡焦距的普遍應用的方法之一。其光路圖如圖 3.1 所示。圖 3.1 自準直法測量凸透鏡焦距光路圖凸透鏡物方焦平面上的 P 點經凸透鏡 L 折射后成平行光，在透鏡后方放一個與透鏡光軸垂直的平面鏡 M，此光經平面鏡 M 反射后再通過透鏡成像于 P點，P 與 P在同一平面內，且大小相等，方向相反，則 P 與 L 之間的距離即為凸透鏡 L 的焦距。3.2.2 自準式直望遠鏡自準式直望遠鏡自準式直望遠鏡是工廠、實驗室常用的

49、光學儀器，由自準直目鏡與望遠物鏡構成。自準直目鏡是一種帶有分劃板和分劃板照明裝置的目鏡，一般自準直目鏡不能單獨使用。要實現自準直，首先要將分劃板照明，其次要從目鏡中看到自準直像，還需要有反射鏡。常見的分22劃板照明方式有三種，相應的就有三種自準直目鏡，即有三種自準式直望遠鏡。它們是以下三種22. （1）阿貝式自準式直望遠鏡；（2）高斯式自準式直望遠鏡；（3）雙分劃板式自準式直望遠鏡。三種自準式直望遠鏡雖然結構有所不同，但原理是相同的。由光源照明分劃板，分劃板上的刻線經物鏡成像于無限遠處，再經放置在自準式直望遠鏡前的反射鏡返回，在分劃板平面上生成刻線的像。在實際應用中，三種自準式直望遠鏡各有優點

50、和缺點，性能比較如表 3-l。表 3-1 三種自準式直望遠鏡比較23比較項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直管和望遠鏡（或平行光管）用時，兩者視準軸的重合性視準軸不能重合視準軸始終重合視準軸可調到重合當反射鏡離自準直管物鏡較遠時有可能看不到反射像無論距離多遠，均能獲得反射像。但距離越遠，反射像視場越小與高斯式的情況基本一樣所用的目鏡結構只要不是前截距太短，一般目鏡均可用需用前截距較長的目鏡一般目鏡均可23視場有視場遮攔或視場較小無視場遮攔無視場遮攔綜合比較各因素，最后選用阿貝式自準式直望遠鏡。阿貝式自準式直望遠鏡由物鏡、目

51、鏡、分劃板等組成，三者間距可調。其中，分劃板上刻有“豐”形叉絲；分劃板下方與一塊 45o全反射小棱鏡的直角面相貼，直角面上涂有不透明薄膜，薄膜上劃有一個“十”形透光的窗口，當光源發出的光從管側經伸長的直角棱鏡照明分劃板的一部分，即照亮“十”字窗口。調節目鏡，使目鏡視場中出現清晰的“豐”形叉絲。在物鏡前方放置一平面鏡，然后調節物鏡，使分劃板位于物境焦平面上，那么從棱鏡“十”字口發出的光經物鏡后成為平行光射向前方平面境，其反射光又經物鏡成像于分劃板上。這時，從目鏡中可以看到清晰的“豐”形叉絲和“十”字像。如果平面境的法線與望遠鏡光軸方向一致，則“十”字像位于分劃板“豐”形叉絲的上橫線上。此時望遠鏡

52、已調焦至無窮遠，適合觀察平行光了。3.2.3 自準式直望遠鏡測量的凸透鏡焦距自準式直望遠鏡測量的凸透鏡焦距目前在測量凸透鏡焦距的實驗中，通常采用的方法有自準直法、物距像距法（u、v 法）和二次成像法。在光具座上采用上表三種方法和望遠鏡法測量同一個凸透鏡的焦距。凸透鏡焦距的標準值為 50mm。測量結果為：（1）物距像距法：mm；73. 023.49f（2）二次成像法:mm；39. 018.50f（ ）自準直法：mm；351. 053.49f（4）望遠鏡法：mm。11. 014.50f從試驗結果看出：望遠鏡法測量的凸透鏡焦距與標準值基本一致，24用前三種方法測量的誤差明顯大于用望遠鏡法測得的結果。

53、三種方法各有特點，比較如下表24。表 3-2 自準直法、物距像距法、二次成像法比較誤差來源方法原理特點系統誤差偶然誤差改進方法自準直法測量簡單，但常出現假象造成錯誤a.透鏡兩主平面不重合b.滑塊刻線與屏不共面。c.透鏡光心與滑塊刻線不重合a.視誤差b.假象a.用比較法排除兩種假像b.用反轉法減少系統誤差物距像距法凸透鏡成像公式，測出fvu111物距，像距 ，uv即求得f任意改變，u可以進行多次測量a.同上 ab.同上 bc.同上 ca.同上ab.最佳成像的人為確定a.同上 bb.可用掃描法減少偶然誤差二次成像法，AlAf422物屏、像屏距離時，透鏡fA4在兩屏間移動，必fA4在范圍內改變可進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， 為二次成像l時透鏡所移動的距離測量，不存在透鏡光心與滑塊刻線不重合而引起的系統誤差望遠鏡法當物位于待測透鏡焦平面時在物鏡中可看到清晰的像測量方法簡單a.同上 aa.同上aa.同上 b3.2.4 CLS2000 激光切割機激光切割機 鐳神 CLS2000 激光切割機采用 CO2激光器，驅光式導光系統（飛行光路） ，包括三個反射鏡和一個聚焦鏡（聚焦鏡安裝在激光頭調整套筒內） 。機床結構如圖 3.2 所示。1.上蓋；2.觀察窗；3.支桿；4.激光器；5.X 軸軌道；6.工作平臺；7.支撐架及工件收集箱；8.激光頭

55、；9.反射鏡 M1 ；10.X 軸電機；12.控制面板；13.反射鏡 M2 26；14.Y 軸軌道；15.反射鏡；M3 16.前開門圖 3.2 CLS2000 型激光切割機結構示意圖 激光器產生的光通過反射鏡反射后，打到聚焦鏡上，再通過聚焦鏡的聚光，成為可用的光束。第一反射鏡安裝在激光器出口，第二反射鏡可以隨橫梁沿 Y 方向移動，第三反射鏡在激光頭上，聚焦鏡在激光頭內部，激光頭可在橫梁上沿 X 方向移動。光路系統如下圖所示：1.激光管；2.激光管支架；3.支架調整螺母；4.反射鏡 1(Ml)；5.反射鏡 2(M2)；6.反射鏡 3(M3)；7.反射鏡調整螺釘；8.反射鏡鎖緊螺釘；9.激光頭；1

56、0.工件；11.工作臺圖 3.3 光路系統示意圖其中激光頭的結構如圖 3.4。27圖 3.4 激光頭為了用阿貝自準式直望遠鏡觀察到聚焦鏡的焦平面，要把望遠鏡插入到機床的現有導光系統中，形成一個觀察光路系統。3.3 激光切割機對焦裝置的設計激光切割機對焦裝置的設計對焦裝置主要由阿貝自準式直望遠鏡、反射鏡調整架、望遠鏡支撐、高度調節裝置四部分組成。該裝置的主要零件所用材料及數量見表 3-3。表 3-3 對焦裝置主要零件列表零件編號零件名稱材料數量1雙膠合物鏡BK712阿貝自準直目鏡BK713物鏡鏡筒銅14分劃板調節手輪鋁1阿貝自準式直望5照明燈罩鋁合金128遠鏡6支架不銹鋼17托板鋁合金18調節螺

57、栓銅29壓縮彈簧彈簧鋼1望遠鏡支撐10橡膠墊橡膠111絲杠45 鋼112絲杠螺母45 鋼113底座鑄鐵114鎖緊螺釘銅1高度調節裝置15M20 螺母GB5785-861在進行實際應用時，將該裝置放置于激光切割機的工作臺上，調節望遠鏡的高度，使望遠鏡的光軸與激光光軸共面，并垂直于激光光軸。調整望遠鏡使分劃板同時位于物鏡和目鏡的焦平面上，此時望遠鏡可用于觀察平行光。在待加工工件表面上平放一塊坐標紙，作為觀察目標。調整激光切割頭的 Z 向位移，當在目鏡中觀察到坐標線的清晰像時，聚焦鏡的焦點就在工件表面上。3.3.1 阿貝自準式直望遠鏡阿貝自準式直望遠鏡 阿貝自準式直望遠鏡安裝在支撐座上，支撐座安裝在

58、托板上，與底座相連接。它用來觀察和確定光線行進方向。阿貝自準式直望遠鏡由物鏡和阿貝目鏡組成。物鏡和目鏡間裝有分劃板，分劃板上刻“豐”叉絲，分劃板中心位于光軸上。分劃板安裝在望遠鏡筒內，并可沿鏡筒前后移動。調節目鏡筒可改變目鏡和分劃板之間的距離，使叉絲位于目鏡的焦平面上。物鏡固定在望遠鏡筒的另一端，為消色差雙膠合物鏡，焦距為 168mm，通光口徑為 25mm。調節分劃板調節手輪可以改變物鏡與分劃板之間的距離，使分劃板叉絲位于物鏡的焦平面上。29阿貝目鏡的焦距為 24.3mm，放大倍數為 7。阿貝目鏡中，在目鏡和分劃板間裝有一個 45o全反射直角棱鏡。直角棱鏡的直角面與分劃板叉絲下面相貼。從目鏡中

59、觀察，叉絲的一小部分被直角棱鏡遮住。直角棱鏡一般是全鍍鋁后刻一透光十字線，小燈泡發出的光經直角棱鏡反射照明叉絲。當叉絲處于物鏡的焦平面時，由小十字線發出的光經物鏡后成為平行光由物鏡射出。自準直時，小十字線的像和小十字線相對于光軸對稱。該望遠鏡的主要參數如下：鏡筒長度 180mm；物鏡口徑：25mm；焦距：168mm；目鏡焦距：24.3mm； 目鏡口徑：8mm；放大倍數：6.91；成像：倒像；視場角：1o36 分劃板移動距離：26mm；目鏡調節范圍：5mm。3.3.2 反射鏡調整架的設計反射鏡調整架的設計（1）平面反射鏡的選擇與安裝平面反射鏡是為實現預定光路轉折的一種最簡單的光學元件。平面反射鏡

60、的外形尺寸由反射鏡上光束截面的尺寸確定，在平行光束中，反射鏡上的光束截面是一個橢圓。短軸半徑 2b 為平行光束的口徑 D，其長軸 2a 由下式確定： （3.1）sin2Da 其中為反射鏡與光軸夾角。本實驗所用自準式直望遠鏡的出光口徑是 26.24mm，光軸與反射鏡夾角為 450，代入上式得mm。實際尺寸應比計算尺寸大372 a23mm，所以選用圓形平面反射鏡，其直徑為 40mm。平面反射鏡的厚度與口徑的大小以及固定方法等主要是與其表面精度的要求有關。其厚度與口徑的關系可參考表 3-4表 3-4 平面反射鏡厚度與口徑的關系特高精度平面反射鏡較高精度一般要求30Ld7151Ld10181Ld251