專利名稱：飛行光學(xué)聚焦特性控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光加工機(jī)，特別是一種用于激光加工機(jī)的飛行光學(xué)聚焦特性控制系統(tǒng)，利用兩塊變形鏡對(duì)大型工件激光加工過程中飛行光學(xué)聚焦特性(焦點(diǎn)位置和焦斑大小)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線控制，應(yīng)用于超大超重工件高功率激光精密加工質(zhì)量控制系統(tǒng)中。
技術(shù)背景對(duì)于超大超重工件激光加工而言，加工件有時(shí)長達(dá)10米或更長，重量達(dá)數(shù)噸或更重。如果工件移動(dòng)占地面積大、慣性大，難以控制。如工件不動(dòng)，重量很輕的聚焦鏡系統(tǒng)沿光軸大范圍移動(dòng)，可避免上述弊端，但由此引起的飛行光學(xué)聚焦特性變化給激光精密加工帶來了新的難題。
飛行光學(xué)聚焦特性主要包括實(shí)際焦距與幾何焦距(理想平行光焦距)的差異、焦斑大小和焦深的變化。由于加工系統(tǒng)的聚焦鏡沿光軸作大尺寸移動(dòng)，使實(shí)際焦點(diǎn)位置、焦斑大小產(chǎn)生較大變化，這對(duì)激光加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。例如，盡管He-Ne光的光束發(fā)散角在毫弧度量級(jí)，光腰尺寸在毫米量級(jí)，如果聚焦鏡幾何焦距為100mm，其飛行光學(xué)的焦距變化的極大值可達(dá)數(shù)十毫米量級(jí)。對(duì)于當(dāng)前工業(yè)上使用很多的高功率CO2激光器，其飛行光學(xué)焦距變化的極大值可達(dá)數(shù)毫米量級(jí)或更大(取決于其光束質(zhì)量)。研究并解決這一關(guān)鍵問題，對(duì)激光技術(shù)及其應(yīng)用具有十分重要的意義。
技術(shù)內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種飛行光學(xué)聚焦特性控制系統(tǒng)，解決飛行光學(xué)大型工件激光加工中聚焦特性變化的問題，以提高加工精度。
理論研究表明，Δf和聚焦鏡相對(duì)于激光高斯光束光腰的距離z(即飛行距離)有關(guān)。聚焦鏡的幾何焦距的變化Δf最大值為Δfmax＝f2θ/2w，其中w為激光束光腰尺寸(半徑)，θ為光束發(fā)散角(半角)，f為聚焦鏡的幾何焦距。由此可計(jì)算出各種典型激光器的最大焦距變化值，如表1所示。
表1各種典型激光器的最大焦距變化值(f＝200mm)

為了控制激光聚焦特性的變化，提高大型工件激光加工質(zhì)量，本實(shí)用新型的基本思想一種飛行光學(xué)聚焦特性控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使包括兩塊變形鏡和聚焦鏡在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)沿光軸做大范圍移動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)長距離激光加工質(zhì)量控制；使用兩塊位置相對(duì)固定的凹凸變形鏡，利用計(jì)算機(jī)分別控制兩塊變形鏡的曲率半徑，分別對(duì)焦距和焦斑大小進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而控制飛行光學(xué)聚焦特性。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種用于激光加工機(jī)的飛行光學(xué)聚焦特性控制系統(tǒng)，其特征是在激光加工機(jī)的光路上依次設(shè)置的凸面變形鏡、凹面變形鏡、聚焦鏡及其控制系統(tǒng)組成，該凸面變形鏡、凹面變形鏡和聚焦鏡被組合在一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，所述的控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、控制塊和壓力系統(tǒng)，該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)的步長控制所述的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)；另一方面該計(jì)算機(jī)經(jīng)一控制塊通過一壓力系統(tǒng)制所述的凸面變形鏡和凹面變形鏡的曲率半徑，實(shí)時(shí)控制長距離激光加工中的實(shí)際焦距和焦斑大小。
所述的壓力系統(tǒng)為液壓、氣壓或壓電陶瓷構(gòu)成的系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的工作過程如下激光加工機(jī)的激光器發(fā)出的高功率高斯激光束依次經(jīng)過凸面變形鏡和凹面變形鏡后，入射到聚焦鏡并聚焦至大型工件上。凸面變形鏡、凹面變形鏡和聚焦鏡被組合在一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可沿光軸方向做大范圍移動(dòng)。計(jì)算機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)步長控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)通過液壓、氣壓或壓電陶瓷等壓力系統(tǒng)控制凸面變形鏡和凹面變形鏡的曲率半徑，實(shí)時(shí)控制長距離激光加工的實(shí)際焦距和焦斑大小。
本實(shí)用新型有如下技術(shù)特點(diǎn)1、使運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)沿光軸做大范圍移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型工件激光加工，而不用移動(dòng)笨重的工件或激光器，增加了加工的靈活性，減少了加工場地。
2、用兩塊位置相對(duì)固定的凸面變形鏡和凹面變形鏡，通過計(jì)算機(jī)分別控制其曲率半徑，實(shí)時(shí)控制長距離激光加工的實(shí)際焦距和焦斑大小。
3、兩塊位置相對(duì)固定的凸面變形鏡和凹面變形鏡與聚焦鏡(4)的位置相對(duì)固定，避免運(yùn)動(dòng)過程中的管線拖拽，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。


圖1是本實(shí)用新型飛行光學(xué)聚焦特性控制系統(tǒng)與激光加工機(jī)相連的原理示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖說明本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本實(shí)用新型飛行光學(xué)聚焦特性控制系統(tǒng)與激光加工機(jī)相連的原理示意圖。本實(shí)用新型飛行光學(xué)聚焦特性控制系統(tǒng)，是在激光加工機(jī)的光路上依次設(shè)置的凸面變形鏡5、凹面變形鏡3和聚焦鏡4及其控制系統(tǒng)組成，該凸面變形鏡5、凹面變形鏡3和聚焦鏡4被組合在一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)6中，所述的控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)8、步進(jìn)電機(jī)7、控制塊9和壓力系統(tǒng)10，所述的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)6由計(jì)算機(jī)8通過步進(jìn)電機(jī)7的步長控制而運(yùn)動(dòng)；該計(jì)算機(jī)8經(jīng)一控制塊9通過一壓力系統(tǒng)10控制所述的凸面變形鏡5和凹面變形鏡3的曲率半徑，實(shí)時(shí)控制長距離激光加工中的實(shí)際焦距和焦斑大小。
所述的壓力系統(tǒng)10為液壓、氣壓或壓電陶瓷系統(tǒng)。
工作時(shí)，激光加工機(jī)的CO2激光器1發(fā)出的5kW高功率激光束依次經(jīng)過凸面變形鏡5和凹面變形鏡3后，入射到聚焦鏡4并聚焦至大型工件2上實(shí)施加工。凸面變形鏡5、凹面變形鏡3和聚焦鏡4被組合在一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)6中。該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)6由激光加工機(jī)帶動(dòng)下沿光軸方向做大范圍移動(dòng)。計(jì)算機(jī)8通過步進(jìn)電機(jī)7步長控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)6；計(jì)算機(jī)8與控制系統(tǒng)9通過液壓、氣壓或壓電陶瓷等壓力系統(tǒng)10控制凸面變形鏡5、凹面變形鏡3的曲率半徑，實(shí)時(shí)控制長距離激光加工的實(shí)際焦距和焦斑大小。
在大型工件和激光器不動(dòng)的前提下，要實(shí)現(xiàn)大范圍加工，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)6需要做大范圍移動(dòng)，聚焦鏡相對(duì)于高斯光束的光腰位置就發(fā)生了移動(dòng)，引起實(shí)際焦距和焦斑大小的變化，甚至使激光加工(如激光焊接、切割等)無法進(jìn)行。為了保持焦距和焦斑大小不變，采用了一塊凸面變形鏡5和一塊凹面變形鏡3，兩塊變形鏡均由直徑60mm和厚度2mm的紫銅經(jīng)光學(xué)拋光制成，在兩塊變形鏡背面施加液壓、氣壓或壓電陶瓷等外力系統(tǒng)10，通過計(jì)算機(jī)8和PLC控制系統(tǒng)9控制兩塊變形鏡的曲率半徑，使兩塊變形鏡的曲率半徑隨聚焦鏡的移動(dòng)而變化。本實(shí)用新型通過計(jì)算機(jī)控制液壓來達(dá)到實(shí)時(shí)控制長距離激光加工的實(shí)際焦距和焦斑大小的目的。
凹面鏡和凸面鏡的曲率半徑計(jì)算方法如下，f′=-(cL+d)(aL+b)+acZR2(cL+d)2+c2ZR2...(1)]]>w′2=1cL(cL+2d)+d2+c2ZR2w2...(2)]]>其中，f’和w’分別為實(shí)際焦距和焦斑半徑，是需要控制的量；L為聚焦鏡與激光高斯光束光腰距離，ZR為高斯光束瑞利長度，w是被聚焦高斯光束的光腰尺寸(半徑)，a、b、c、d為如下矩陣元abcd=10-1f1·1L201·10-1f21·1L101·10-1f11...(3)]]>其中f1，f2分別為凸面鏡和凹面鏡的焦距(曲率半徑的一半)，f為聚焦鏡的幾何焦距，L1為凹面鏡和凸面鏡之間的距離，L2為凹面鏡和聚焦鏡之間的距離。
當(dāng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由某一參考點(diǎn)開始，由步進(jìn)電機(jī)步長控制，運(yùn)動(dòng)到L點(diǎn)，L點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩塊變形鏡的曲率半徑大小已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)和理論確定，并保存在計(jì)算機(jī)里，計(jì)算機(jī)控制液壓系統(tǒng)傳感器改變變形鏡背面的壓力，由于變形鏡的曲率半徑與液體壓力相關(guān)，從而達(dá)到凸面鏡和凹面鏡具有與運(yùn)動(dòng)距離L相關(guān)的曲率半徑，由(1)、(2)、(3)式可知，可使實(shí)際焦距f’和焦斑大小w’保持相對(duì)不變。
實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)包含兩塊變形鏡和聚焦鏡在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)沿光軸移動(dòng)長距離時(shí)，實(shí)際焦距變化Δf可控制在百分之五之內(nèi)，滿足超大超重工件激光精密加工需要。
權(quán)利要求1.一種用于激光加工機(jī)的飛行光學(xué)聚焦特性控制系統(tǒng)，其特征是在激光加工機(jī)的光路上依次設(shè)置的凸面變形鏡(5)、凹面變形鏡(3)、聚焦鏡(4)及其控制系統(tǒng)組成，該凸面變形鏡(5)、凹面變形鏡(3)和聚焦鏡(4)被組合在一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(6)中，所述的控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)(8)、步進(jìn)電機(jī)(7)、控制塊(9)和壓力系統(tǒng)(10)，該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(6)由計(jì)算機(jī)(8)通過步進(jìn)電機(jī)(7)的步長控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(6)的運(yùn)動(dòng)；該計(jì)算機(jī)(8)經(jīng)一控制塊(9)通過一壓力系統(tǒng)(10)控制所述的凸面變形鏡(5)和凹面變形鏡(3)的曲率半徑，實(shí)時(shí)控制長距離激光加工中的實(shí)際焦距和焦斑大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行光學(xué)聚焦特性控制系統(tǒng)，其特征是所述的壓力系統(tǒng)(10)為液壓、氣壓或壓電陶瓷系統(tǒng)。
專利摘要一種用于激光加工機(jī)的飛行光學(xué)聚焦特性控制系統(tǒng)，其特征是在激光加工機(jī)的光路上依次設(shè)置的凸面變形鏡、凹面變形鏡、聚焦鏡及其控制系統(tǒng)組成，該凸面變形鏡、凹面變形鏡和聚焦鏡被組合在一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，所述的控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、控制塊和壓力系統(tǒng)，該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)的步長控制所述的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)；另一方面該計(jì)算機(jī)經(jīng)一控制塊通過一壓力系統(tǒng)制所述的凸面變形鏡和凹面變形鏡的曲率半徑，實(shí)時(shí)控制長距離激光加工中的實(shí)際焦距和焦斑大小。本實(shí)用新型可以克服超大超重工件的激光加工中由于聚焦鏡移動(dòng)引起的高斯激光光束聚焦特性變化。
文檔編號(hào)B23K26/04GK2867369SQ20062004001
公開日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月8日
發(fā)明者程兆谷, 崔品靜, 張志平 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所