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激光切割机光路补偿措施

2016/12/21

　　光路补偿措施

　　利用扩束镜进行光束准直

　　光束的束腰直径和远场发散角成反比，束腰直径越大，远场发散角越小。目前扩束镜主要分为折射式和反射式两种，其原理相当于一个倒置的望眼镜。主要作用是通过增加光束的束腰直径来减小远场发散角，进而改善由于光路长度变化引起的焦点大小和焦点深度的不稳定目前，国内对光束准直方面的研究不多，其中大多数是针对折射式的，反射式的研究较少。折射式扩束镜的设计、加工、调整较容易，但是由于透镜容易温升过大导致镜片变形，因此，折射式扩束镜仅仅适用于小功率激光的光束准直。而对于像激光切割机这样的大功率光束准直，一般采用反射式扩束镜。但反射式扩束镜的镜面曲率半径难以通过解析的方法确定，只能通过数值拟合的方法获得，因此，设计、制造、调整很困难。为此，通过扩束镜对光束准直的方法来对激光切割机的飞行光路系统进行光路补偿，效果甚微。

　　采用变曲率半径镜片（VRM）

　　通过调整变量泵的输出流量来改变VRM镜片内水槽中的水压，这样就可以改变聚焦透镜的曲率半径，进而改变聚焦方程中的参数f。变曲率半径镜片能够在光路长度改变时动态地调整光束的特征参数，来保持焦点半径和焦点深度的稳定。VRM系统结构复杂、成本高、需要闭环控制，国外一些技术先进的产品已经采用这种光路补偿措施。但是，国内现有技术水平，难以达到预期的使用效果。

　　伺服电机直接驱动的等光程系统

　　与上述两种光路补偿措施相比，等光程具有结构简单、成本低、调整方便等优点，能在连续加工中保障聚焦透镜上的光斑面积不变；同时，还能根据不同的切割工艺要求，改变切割时焦点半径和焦点深度的大小。目前，国内关于等光程方面研究还不多，如天津城市建设学院的扬晓东等，提出了光路长度补偿系统的三种机构设计方案，并从机构的角度对其进行了分析和比较，其方法的提出对激光切割机飞行光路的设计具有一定的指导意义。采用机构来实现光路补偿，会使设备的结构尺寸过大，同时增加了设备的复杂程度，安装调整难度大。随着伺服控制技术的日益成熟，采用伺服电机直接驱动等光程装置具有结构简单，调整方便等优点，是一种经济、实用的光路补偿方案。伺服电机直接驱动的等光程光路补偿方案主要包括激光发生器、固定于机身上的反射镜、伺服电机驱动的运动装置上的补偿反射镜、横梁上的反射镜、z轴上的反射镜片。当固定在z轴上的切割头作x，y向运动时，补偿反射镜作S向运动来补偿光路长度的变化，进而保持激光切割机在连续切割加工时焦点半径和焦点深度不变。当有不同加工需要时，比如切割不锈钢薄板与低碳钢厚板，需要不同的焦点大小、焦点深度、行走速度，此时，可通过控制器改变等光程装置的初始位置来改变光路长度，进而改变透镜表面光束直径，改变焦点大小和焦点深度，以满足不同加工需要。

激光切割机光路补偿措施

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