專利名稱：飛行光學聚焦特性控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及激光加工機，特別是一種用于激光加工機的飛行光學聚焦特性控制系統(tǒng)，利用兩塊變形鏡對大型工件激光加工過程中飛行光學聚焦特性(焦點位置和焦斑大小)進行實時在線控制，應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。
技術背景對于超大超重工件激光加工而言，加工件有時長達10米或更長，重量達數(shù)噸或更重。如果工件移動占地面積大、慣性大，難以控制。如工件不動，重量很輕的聚焦鏡系統(tǒng)沿光軸大范圍移動，可避免上述弊端，但由此引起的飛行光學聚焦特性變化給激光精密加工帶來了新的難題。
飛行光學聚焦特性主要包括實際焦距與幾何焦距(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，使實際焦點位置、焦斑大小產(chǎn)生較大變化，這對激光加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴重影響。例如，盡管He-Ne光的光束發(fā)散角在毫弧度量級，光腰尺寸在毫米量級，如果聚焦鏡幾何焦距為100mm，其飛行光學的焦距變化的極大值可達數(shù)十毫米量級。對于當前工業(yè)上使用很多的高功率CO2激光器，其飛行光學焦距變化的極大值可達數(shù)毫米量級或更大(取決于其光束質(zhì)量)。研究并解決這一關鍵問題，對激光技術及其應用具有十分重要的意義。
技術內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種飛行光學聚焦特性控制系統(tǒng)，解決飛行光學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和聚焦鏡相對于激光高斯光束光腰的距離z(即飛行距離)有關。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，本實用新型的基本思想一種飛行光學聚焦特性控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使包括兩塊變形鏡和聚焦鏡在內(nèi)的運動系統(tǒng)沿光軸做大范圍移動，來實現(xiàn)長距離激光加工質(zhì)量控制；使用兩塊位置相對固定的凹凸變形鏡，利用計算機分別控制兩塊變形鏡的曲率半徑，分別對焦距和焦斑大小進行實時控制，從而控制飛行光學聚焦特性。
本實用新型的技術解決方案如下一種用于激光加工機的飛行光學聚焦特性控制系統(tǒng)，其特征是在激光加工機的光路上依次設置的凸面變形鏡、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運動系統(tǒng)中，所述的控制系統(tǒng)包括計算機、步進電機、控制塊和壓力系統(tǒng)，該運動系統(tǒng)由計算機通過步進電機的步長控制所述的運動系統(tǒng)的運動；另一方面該計算機經(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，實時控制長距離激光加工中的實際焦距和焦斑大小。
所述的壓力系統(tǒng)為液壓、氣壓或壓電陶瓷構成的系統(tǒng)。
本實用新型的工作過程如下激光加工機的激光器發(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運動系統(tǒng)中。運動系統(tǒng)可沿光軸方向做大范圍移動。計算機通過步進電機步長控制運動系統(tǒng)；計算機與控制系統(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，實時控制長距離激光加工的實際焦距和焦斑大小。
本實用新型有如下技術特點1、使運動系統(tǒng)沿光軸做大范圍移動，實現(xiàn)對大型工件激光加工，而不用移動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、用兩塊位置相對固定的凸面變形鏡和凹面變形鏡，通過計算機分別控制其曲率半徑，實時控制長距離激光加工的實際焦距和焦斑大小。
3、兩塊位置相對固定的凸面變形鏡和凹面變形鏡與聚焦鏡(4)的位置相對固定，避免運動過程中的管線拖拽，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。


圖1是本實用新型飛行光學聚焦特性控制系統(tǒng)與激光加工機相連的原理示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖說明本實用新型的技術解決方案。
先請參閱圖1，圖1是本實用新型飛行光學聚焦特性控制系統(tǒng)與激光加工機相連的原理示意圖。本實用新型飛行光學聚焦特性控制系統(tǒng)，是在激光加工機的光路上依次設置的凸面變形鏡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被組合在一個運動系統(tǒng)6中，所述的控制系統(tǒng)包括計算機8、步進電機7、控制塊9和壓力系統(tǒng)10，所述的運動系統(tǒng)6由計算機8通過步進電機7的步長控制而運動；該計算機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，實時控制長距離激光加工中的實際焦距和焦斑大小。
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，激光加工機的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被組合在一個運動系統(tǒng)6中。該運動系統(tǒng)6由激光加工機帶動下沿光軸方向做大范圍移動。計算機8通過步進電機7步長控制運動系統(tǒng)6；計算機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，實時控制長距離激光加工的實際焦距和焦斑大小。
在大型工件和激光器不動的前提下，要實現(xiàn)大范圍加工，運動系統(tǒng)6需要做大范圍移動，聚焦鏡相對于高斯光束的光腰位置就發(fā)生了移動，引起實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，通過計算機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而變化。本實用新型通過計算機控制液壓來達到實時控制長距離激光加工的實際焦距和焦斑大小的目的。
凹面鏡和凸面鏡的曲率半徑計算方法如下，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。
當運動系統(tǒng)由某一參考點開始，由步進電機步長控制，運動到L點，L點對應的兩塊變形鏡的曲率半徑大小已經(jīng)由實驗和理論確定，并保存在計算機里，計算機控制液壓系統(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，從而達到凸面鏡和凹面鏡具有與運動距離L相關的曲率半徑，由(1)、(2)、(3)式可知，可使實際焦距f’和焦斑大小w’保持相對不變。
實驗表明，當包含兩塊變形鏡和聚焦鏡在內(nèi)的運動系統(tǒng)沿光軸移動長距離時，實際焦距變化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。
權利要求1.一種用于激光加工機的飛行光學聚焦特性控制系統(tǒng)，其特征是在激光加工機的光路上依次設置的凸面變形鏡(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)被組合在一個運動系統(tǒng)(6)中，所述的控制系統(tǒng)包括計算機(8)、步進電機(7)、控制塊(9)和壓力系統(tǒng)(10)，該運動系統(tǒng)(6)由計算機(8)通過步進電機(7)的步長控制運動系統(tǒng)(6)的運動；該計算機(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，實時控制長距離激光加工中的實際焦距和焦斑大小。
2.根據(jù)權利要求1所述的飛行光學聚焦特性控制系統(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的飛行光學聚焦特性控制系統(tǒng)，其特征是在激光加工機的光路上依次設置的凸面變形鏡、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運動系統(tǒng)中，所述的控制系統(tǒng)包括計算機、步進電機、控制塊和壓力系統(tǒng)，該運動系統(tǒng)由計算機通過步進電機的步長控制所述的運動系統(tǒng)的運動；另一方面該計算機經(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，實時控制長距離激光加工中的實際焦距和焦斑大小。本實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引起的高斯激光光束聚焦特性變化。
文檔編號B23K26/04GK2867369SQ20062004001
公開日2007年2月7日 申請日期2006年3月8日 優(yōu)先權日2006年3月8日
發(fā)明者程兆谷, 崔品靜, 張志平 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所