发布时间 : 星期三 文章正式B5 高精密激光切割技术的应用研究陈文敬 - 图文更新完毕开始阅读54e1d49b168884868662d6de
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
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。
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第二章 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、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
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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
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：
??z w?z??w01????w2?0?? （2.1） ??2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，w?z??w0，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：
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???w2?2?0?? （2.2） R?z??z?1????z???????可见，当z?0时，R?z???，表明束腰所在处的等相位面为平面；
22当z??w0?时，R?z?逐渐减小至最小值为2?w0?，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??，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，R?z?>0，波面凸向z轴正向，z<0时R?z?<0，波面凸向z轴的负向。
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R。在实际应用中，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w0和z即可得到如下式的计算：
w?20w2??w1????R?2????2 （2.3）
z?R??R?1??2???w?2 （2.4）
（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，
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