文／凌步軍·江蘇亞威機(jī)床股份有限公司

自適應(yīng)鏡在激光切割系統(tǒng)中的應(yīng)用

文／凌步軍·江蘇亞威機(jī)床股份有限公司

激光切割加工質(zhì)量與激光焦點(diǎn)位置有著密切的關(guān)系，利用KUGLER自適應(yīng)鏡，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制壓力的變化來(lái)調(diào)整光束的直徑，從而控制整個(gè)加工范圍內(nèi)焦點(diǎn)位置的恒定。

激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、熱效應(yīng)低、無(wú)污染、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、船舶、航空航天和電子工業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。激光切割加工質(zhì)量與激光焦點(diǎn)位置有著密切的關(guān)系，在實(shí)際加工過(guò)程中，由于激光束的發(fā)散，在加工范圍內(nèi)其焦點(diǎn)位置變化大，這種激光能量聚焦不穩(wěn)定的因素，直接導(dǎo)致了切割質(zhì)量的不穩(wěn)定。本文通過(guò)CNC系統(tǒng)控制氣壓，從而實(shí)時(shí)改變鏡片的曲率，最終保證了焦點(diǎn)位置的恒定。

光路原理分析

激光通過(guò)激光器產(chǎn)生后，由反射鏡傳遞并通過(guò)聚集鏡照射到工件上，使工件表面受到強(qiáng)大的熱能而溫度急劇升高，使該點(diǎn)因高溫而迅速地融化或者汽化，配合激光頭的運(yùn)行軌跡從而達(dá)到加工的目的。但激光束具有發(fā)散的特點(diǎn)，即傳輸?shù)穆窂皆介L(zhǎng)光束直徑就會(huì)越大。某激光器光束直徑與轉(zhuǎn)播路徑的關(guān)系如圖1所示，光束從激光器出發(fā)首先通過(guò)6mRCX凸鏡，再通過(guò)5.2mRCC凹鏡擴(kuò)束處理，使其發(fā)散性收斂，兩條紅線之間代表激光束實(shí)際加工范圍的光程。但由于激光的發(fā)散性，光束從距離激光器出口5.1m處開(kāi)始發(fā)散，傳輸?shù)?1.1m時(shí)，光斑直徑卻從25.8mm變化到了29.3mm。

光束直徑的變化會(huì)引起焦點(diǎn)位置的變化，其關(guān)系可用D=f×θ表示，其中，f為焦距，即焦點(diǎn)與鏡片光心之間的距離；θ為激光束的發(fā)散角，由激光器自身的特性決定?？梢?jiàn)，焦點(diǎn)位置f隨著光束直徑D的變大而變大，即隨著加工距離的加大，焦點(diǎn)位置會(huì)向板材下表面移動(dòng)（圖2），導(dǎo)致焦點(diǎn)位置偏離設(shè)置的原始位置，最終使得切割質(zhì)量受到了嚴(yán)重影響。

經(jīng)測(cè)試得出，光束直徑隨傳播路徑的變化關(guān)系如圖3所示。由于激光切割頭的工作區(qū)域通常在5～10m之間，使得光束直徑變化高達(dá)11mm，切割焦點(diǎn)位置有明顯變化，影響了切割效果。

KUGLER自適應(yīng)鏡的應(yīng)用

KUGLER自適應(yīng)鏡利用CNC控制電壓的變化，根據(jù)路徑的長(zhǎng)度，實(shí)時(shí)調(diào)整氣體壓力，進(jìn)而調(diào)整鏡片曲率，從而控制光束直徑，最終實(shí)現(xiàn)了焦距穩(wěn)定性的提高。在激光切割機(jī)的光路系統(tǒng)中，KUGLER自適應(yīng)鏡所處的位置如圖4所示。

運(yùn)用KUGLER自適應(yīng)鏡的光路系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，測(cè)出光束最終直徑如圖5所示?？梢?jiàn)，在5～10m的工作區(qū)域內(nèi)，光束直徑變化僅為3mm，使得切割板料的效果更佳。KUGLER自適應(yīng)鏡使用的是全沖程非球面反射鏡，只需按壓力與焦距成反比例的關(guān)系，將壓力值輸入控制器，該鏡面的曲率就會(huì)在1s內(nèi)完成改變，使整個(gè)激光系統(tǒng)的控制十分方便。

通過(guò)調(diào)整自適應(yīng)鏡片曲率，保證了焦點(diǎn)位置基本恒定，且基本都在板面上（圖6），使設(shè)備切割質(zhì)量的穩(wěn)定性大大提高，解決了工藝難題。目前，該技術(shù)經(jīng)過(guò)我司多次試驗(yàn)論證，使用效果良好。