二加二維激光加工機(jī)機(jī)械及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)翻譯資料中文題目:一個(gè)方法測(cè)量所有光線的焦點(diǎn)長(zhǎng)度在 徑向和高的力量 Nd 的切線方向中極化的熱透鏡: YAG 激光英文題目:A method measuring thermal lens focal length of all rays polarized in radial and tangential direction of high power Nd:YAG laser 學(xué)生姓名: 學(xué) 號(hào): 班 級(jí): 專(zhuān) 業(yè):機(jī)械工程及自動(dòng)化 指導(dǎo)教師: Optics Communications 241 (2004) 155158 www.elsevier.com/locate/optcom A method measuring thermal lens focal length of all rays polarized in radial and tangential direction of high power Nd:YAG laser Qiang Li *, Zhimin Wang, Tiechuan Zuo College of Laser Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100022, PR China Received 23 December 2003; received in revised form 21 June 2004; accepted 29 June 2004 Abstract A novel method is applied to measure the focal length of thermal lens of a CW Nd:YAG laser. Using resonator critical stable point G1 G2=0, by measuring output power as pumping power increasing, the laser rod thermal lens focal length fr of all rays polarized in radial direction and the thermal lens focal length fhof all rays polarized in tangential direction can be calculated. The method can also be used to obtain the average eective thermal lens focal length f. The method requires no special equipment and is simple to implement. The measuring deviation of the method comparing with probe beam method is within the accuracy that is in the range of 10%. It is less than the unstable-resonator method that is in the range of 20%. 2004 Elsevier B.V. All rights reserved. PACS: 42.55.Rz; 42.60.Da; 42.60.Lh; 42.60.Pk 1. Introduction For high power laser operation, the focal length of thermal lens of laser crystal is a crucial parameter for optimizing the laser system. There are many techniques for measuring thermal lens focal length, such as using probe beam 14, interfero* Corresponding author. Tel.: +8601067396562; fax: +8601067392514. E-mail address: ncltlqbjut.edu.cn (Q. Li). metric method 57, unstable-resonator method 810, and transverse beat frequency method 11,12. However, all these methods are used to measure the average thermal lens focal length. For perfect compensating thermal lens eect, it is more useful to know the thermal lens focal length r of all rays polarized in radial direction and the thermal lens focal length fhof all rays polarized in tangential direction. In this paper, we present a novel method to measure thermal lens focal length of high power 0030-4018/$ -see front matter 2004 Elsevier B.V. All rights reserved. doi:10.1016/j.optcom.2004.06.061 Q. Li et al. / Optics Communications 241 (2004) 155158 CW Nd:YAG laser. The methods can measure not only the average eective focal length of thermal lens f, but also the focal length fr and fhof the thermal lens. The idea is based on the dependence of the critical stable point on the equivalent G parameter of the stable resonator, which depends on the thermal lens. Our method requires no special equipment and is simple to implement. 2. Analysis of measure method According to the theory of resonators 1, a resonator is stable if 1 6 G1G2 6 +1, where G1 and 2 are the G parameters describing the design of the resonator. For a resonator with optical elements inside, the rod can be approximated to rst order by a thin spherical lens of focal length f, and its G parameters are given as follows: _ _ 1 L1L2 1 a11 L2 L1 L2 f ; 12 f R1 _ _ 1 L1L2 ; 22 a21 Lf 1 R2 L1 L2 f1 where a1 and a2 are the apertures of the mirrors, 1 and R2 are the radius of curvature of the mirrors, L1 and L2 are the distances from the principal planes to the mirrors, respectively. The laser rod (of length l) can be approximated to a thin lens and two pieces of isotropic medium with refractive index n0 and length h. The parameter h is the distance from the principal planes of the lens to the end of the laser rod 13, i.e., h = l/2n0. In our experiments, at mirrors with identical apertures have been placed separately at equal distances from the Nd:YAG rod. Therefore, a1= a2, 1= R2, and L1= L2. Eqs. (1) and (2) were simplied as 1 G2 1 L l=21 1=n0 : 3f Hence, the resonator stability is dependent only on the focal length of intra-cavity lens and length of the resonator. The stability diagram of an optical resonator is shown in Fig. 1. Blank areas indicate regions of stable operation. The straight line (points AC) corre-Fig. 1. Stability diagram of an optical resonator. Shaded areas indicate regions of unstable operation. Points A, B, C correspond to plane parallel, confocal, and concentric resonators, respectively. sponds to a symmetrical resonator with an internal lens of dierent focal length. Since the thermal lens of the rod is a function of input power, the conguration of the equivalent resonator changes from plane parallel to confocal and nally to concentric. Beyond this point the resonator becomes unstable. The point B (in Fig. 1), corresponds to G1 G2=0, it is a critical stable point of resonator stable region. From Eq. (3), we have eective focal length: f L l=21 1=n0: 4 At the critical stable point B, the focal length of the thermal lens f is the half of the resonator length. For a resonator length, the increment of output power will have a distinct decrease at the critical stable point as input powers increase. Using this method, we measured the thermal lens focal length with dierent resonator lengths. In fact, the critical stable point is not simply a point. It can be found that is actually a region for careful adjustment of input powers. It is well known that the thermal lens focal length can be expressed as 14: _AK 1dn 2fi dt n0bCr;h r0 bn0 11 P inn02n0 n0l ; 5 where there are two focal lengths fr and fh, i.e., all rays polarized in radial direction and all rays polarized in tangential direction, respectively. And Q. Li et al. / Optics Communications 241 (2004) 155158 normally, there is fr/fh= 1.21.5 for Nd:YAG crystal. So we can measure not only the average thermal lens focal length f of the rod but also the radial and tangential direction thermal lens focal lengths r and fh, simultaneously. 3. Experiment and discussion In our experiments, a B9mm 155 mm AR coated Nd:YAG (science materials 0.8% Nd) laser rod was used in a diuse reecting cavity which was pumped by double Krypton ashlamps. The ashlamps were provided by a laser power supply rated up to 16 kW. The laser head was water cooled by a double cycle chiller, with constant experiments temperature of 20 C(1 C). A plane parallel resonator with an output coupling mirror of 20.5% was used in the experiments. Two apertures with a diameter of 9.5 mm were placed adjacent to the end of the laser rod, respectively. The output power was detected by an Ophir Model 5000W-SH power meter. The critical stable points of the resonator were determined by detected output power curve. The critical stable points were founded when the output power does not linear increase as input pumped powers increase. In these experiments, the resonator alignment was strictly ensured. Every experiment curve was the average of detected output power as input pumped power changing from 0 to 16 kW and from 16 to 0 kW. For symmetrical resonator with length in a certain extent, the experimental results were obtained by drawing the function curve of laser output power and pump input power. Fig. 2 shows the measurement results for relationship between the output laser power and the pump power with ve dierent resonator lengths. In the curves, it can be found that the output laser power increased linearly as pumping power increased at rst, and then appeared a knee point followed by a plateau region, then increased linearly again, nally a decrease to zero. The changing process corresponds to the straight line in Fig. 1, in which pumping power increased and the focal length of the rod changed, as well as the conguration of the equivalent resonator changed from A point to B point and nally to C point. Fig. 2. The measurement results for the output laser power vs. the pump power with a plane parallel resonator at resonator lengths of 5841344 mm. We could survey the experiment curves. When the rst knee point appears, the resonator enters the critical stable points (near B point). So in our experiment curves, the output power decreased gently. According to (5), the eective focal length fhis relative to the pump power. At second knee, the resonator departs from the critical stable point, and the eective focal length is fr in relation to the pump power. Between the two knees, there is a plateau region and average the eective thermal lens focal length f is in the center of the region. Fig. 3. Measured thermal lens focal length of YAG crystal rod as a function of lamp input power. Each point represents the calculated eective focal length of YAG crystal for fr (), fh(), and average f (.), respectively. Q. Li et al. / Optics Communications 241 (2004) 155158 Fig. 4. Eective focal length of YAG crystal as a function of lamp input power. The average focal length of experimental values are obtained by resonator critical stable points (.) and values obtained with a HeNe laser (). Using Eqs. (5) and (4), the eective thermal lens focal lengths fr, fh, and average f, can be calculated, respectively. The results are shown in Fig. 3. In order to check the accuracy of the method, the measurement results were compared with those of probe beam method 3 with HeNe laser in the same condition (Fig. 4). The values of the average eective focal length obtained with our method were a little higher than the values obtained with probe beam method, especial as pumping power increase and the focal length of the thermal lens decrease. The deviation is within the accuracy of the method, which is in the range of 10%. The limitation for the accuracy of the measurement is attributed to the experiment deviation. The distance deviation of the two mirrors placed separately from the Nd:YAG rod. However, it is less than the unstable-resonator method 8 of 20%. 4. Conclusion We have presented a novel method to measure the average eective focal length of a ash-lamp-pumped CW Nd:YAG laser. Because critical stable points of stability resonator are used, the result is more precise than unstable-res-onator method, and the method is very simple. Especially for measuring the thermal lens focal length fr and fh, to our knowledge, this is the practical one so far. References 1 W. Koechner, Appl. Opt. 9 (11) (1970) 2548. 2 H.P. Kortz, R. Iander,H. Weber, Appl. Opt. 20 (23) (1981) 4124. 3 P. Driedger, W. Krause, H. Weber, Opt. Commun. 57 (6) (1986) 403. 4 D. Sumida, D. Rockwell, M. Mangir, IEEE J. Quantum Electron. QE-24 (6) (1988) 985. 5 T. Omatsu, Y. Kato, M. Shimosegawa etal., Opt. Commun. 118 (4) (1995) 302. 6 S.C. Tidwell, J.F. Seamans, M.S. Bowers etal., IEEE J. Quantum Electron. 28 (4) (1992) 997. 7 C.Phstner, R. Weber, H.P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 30 (7) (1994) 1605. 8 D.G. Lancaster, J.M. Dawes, Opt. Laser Technol. 30 (2) (1998) 103. 9 L. Junhai, L. Jianren, L. Junhua etal., Chin. Phys. Lett. 16 (3) (1999) 181. 10 F. Song, C. Zhang, X. Ding et al., Appl. Phys. Lett. 81 (12) (2002) 2145. 11 B. Ozygus, J. Erhard, Appl. Phys. Lett. 67 (11) (1995) 1361. 12 B. Ozygus, Q. Zhang, Appl. Phys. Lett. 71 (18) (1997) 2590. 13 V. Magni, Appl. Opt. 25 (1) (1986) 107. 14 W. Koechner, Solid-state Laser Engineering (M), Springer, New York, Heidelberg, 1995. 一個(gè)方法測(cè)量所有光線的焦點(diǎn)長(zhǎng)度在徑向和高的力量 Nd 的切線方向中極化的熱透鏡: YAG 激光摘要一個(gè)新穎的方法用于測(cè)量 CW Nd 的熱透鏡的焦點(diǎn)長(zhǎng)度:YAG 激光。使用共嗚器 鑒定 穩(wěn)定的點(diǎn),:G1*G2=0, 藉由測(cè)量輸出使有力量當(dāng)抽泵力量增加, 所有光線的焦點(diǎn)長(zhǎng)度 fr 全部極化在光線的方向和熱透鏡中焦點(diǎn)的長(zhǎng)度 fhof 光線的激光竿熱透鏡在切線的方向中極化可能是有計(jì)劃的方法也能用來(lái)獲得平均的 焦點(diǎn)的長(zhǎng)度 f 的有效熱透鏡。這個(gè)方法不需要特別的儀器而且是簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn),與探查光線方法相比較這個(gè)方法測(cè)定偏離是在 10% 的范圍中的準(zhǔn)確性里面,改方法在 20% 的范圍中的比不穩(wěn)定- 共嗚器的方法更少。版權(quán)所有。介紹 對(duì)于高能激光操作,激光水晶的熱透鏡的焦點(diǎn)長(zhǎng)度是決定性的參數(shù)對(duì)于最佳化的激光系統(tǒng)。為測(cè)量熱透鏡焦點(diǎn)的長(zhǎng)度有許多技術(shù), 比如用做使用探查光線 1-4,干涉測(cè)量法5-7。 正文 不穩(wěn)定- 共嗚器方法 8-10, 而且橫斷物打頻率方法 11,12。然而,所有的這些方法都用來(lái)測(cè)量平均的熱透鏡焦點(diǎn)的長(zhǎng)度。為完美的修正熱透鏡的熱效應(yīng),更有用的是知道全部被極化在光線的方向和熱的透鏡中焦點(diǎn)的長(zhǎng)度 fhof 光線的所有光線的焦點(diǎn)長(zhǎng)度 r 在切線的方向中極化的熱透鏡。在這個(gè)論文中,我們將呈現(xiàn)一個(gè)新奇的方法來(lái)測(cè)量熱透鏡焦點(diǎn)長(zhǎng)度對(duì)于高能激光- 見(jiàn)到序文 ? 光學(xué)溝通,方法不光只能測(cè)量平均的,f 的有效焦點(diǎn)長(zhǎng)度 , 也可以測(cè)量 fr 焦點(diǎn)的長(zhǎng)度和 fhof ther- mal 的透鏡。這個(gè)觀點(diǎn)是以在穩(wěn)定的共嗚器的相等的 G 參數(shù) 上的為基礎(chǔ),依賴熱透鏡。我們的方法不需要特別的儀器而且是簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。 尺寸方法的分析,依照共嗚器的理論 1, 穩(wěn)定共鳴器如果 16 G1G26+1, 那么 G1 和 2 是描述共嗚器的設(shè)計(jì) G 參數(shù) 描述共鳴器的設(shè)計(jì),為和光學(xué)的原理 的內(nèi)部一個(gè)共嗚器,竿能被接近到。一個(gè)焦點(diǎn)長(zhǎng)度 f 的瘦球透鏡的 rst 次序, 而且它的 G 叁數(shù)依下列各項(xiàng)有:1 L1L2 1 a11 L2 L1 L2 f ; 12 f R1 _ _ 1 L1L2 ; 22 a21 Lf 1 R2 L1 L2 f1 在 a1 和 a2 是鏡子的孔地方,1 而且 R2 是村落的屈曲半徑-分別地 rors, L1 和 L2 是從主要的飛機(jī)到鏡子的距離。激光竿 (長(zhǎng)度 l) 能被接近到和折射的索引 n0 和長(zhǎng)度 h 的瘦透鏡和等方性媒體的二塊,parame- ter 的 h 是來(lái)自透鏡的主要飛機(jī)的距離為目的激光竿 13,也就是,h=l/2 n0。在我們的實(shí)驗(yàn)方面, 在和同一的孔鏡子在相等的 dis 分開(kāi)的已經(jīng)被放置-來(lái)自 Nd 的 tances:YAG 竿。因此,a1=a2 , 1= R2 和 L1=L2。因此,共嗚器安定是依賴的只有在洞內(nèi)透鏡和共嗚器的長(zhǎng)度焦點(diǎn)長(zhǎng)度上。光學(xué)的共嗚器的安定圖表在圖 1 中被顯示。直線 ( 點(diǎn)一-C) corre-圖 1. 一個(gè)光學(xué)的共嗚器的安定圖表。陰暗的區(qū)域指出不穩(wěn)定操作的區(qū)域。指出 A , B,C corre- spond 將平行刨平,共焦的, 和同中心的共嗚器,分別地。對(duì)和一個(gè) di 的內(nèi)在透鏡的一個(gè)對(duì)稱(chēng)的共嗚器的 sponds,焦點(diǎn)的長(zhǎng)度 erent。因?yàn)楦偷臒嵬哥R是一個(gè)輸入力量的功能,gu- 相等的共嗚器的定額改變從飛機(jī)平行到共焦的和,對(duì)同心的,超過(guò)這點(diǎn)共嗚器變成不穩(wěn)定。點(diǎn) B(在圖 1 中), 符合 G1? G2=0,它是共嗚器馬房區(qū)域的緊要關(guān)頭穩(wěn)定點(diǎn),從Eq,我們有 e? 焦點(diǎn)的長(zhǎng)度 ective: f? L tel=2Te1 e1=n0TT: e4T在緊要關(guān)頭的穩(wěn)定點(diǎn) B ,熱的透鏡 f 的焦點(diǎn)長(zhǎng)度是一半的共嗚器長(zhǎng)度對(duì)于共嗚器長(zhǎng)度,輸出力量的增量將會(huì)在緊要關(guān)頭的穩(wěn)定點(diǎn)有一個(gè)清楚的減少如輸入權(quán)力增加。美國(guó)- ing 這一個(gè)方法,我們用 di 測(cè)量熱的透鏡 fo- cal 的長(zhǎng)度。erent 共嗚器長(zhǎng)度。事實(shí)上,緊要關(guān)頭的穩(wěn)定點(diǎn)不只是點(diǎn)。資訊科技能被發(fā)現(xiàn)那實(shí)際上是輸入權(quán)力的小心調(diào)整的一個(gè)區(qū)域。資訊科技是廣為人知的熱透鏡焦點(diǎn)的長(zhǎng)度可能是新聞媒體當(dāng)做 14 e5T 哪里有二焦點(diǎn)的長(zhǎng)度 fr 和 fh,也就是,所有的光線在光線的方向和所有的光線 po 中極化-切線的方向 larized,分別地。正常地,為 Nd 有 fr/fh=1.2-1.5: YAG -tal。因此我們能測(cè)量不只有平均的 ther- mal 的透鏡竿的焦點(diǎn)長(zhǎng)度 f 但是也光線的和切線的方向上升溫暖氣流透鏡焦點(diǎn)的長(zhǎng)度 r 和 fh,同時(shí)地。ashlamps 是由激光力量提供供應(yīng)定格的達(dá)到 16個(gè)千瓦。 激光頭是被一個(gè)兩倍的周期冷卻冷鐵的水,藉由 20個(gè) C(1個(gè) C) 的持續(xù)前任 periments 溫度和一面 20.5% 的輸出聯(lián)結(jié)鏡子的一個(gè)飛機(jī)平行共嗚器被用于實(shí)驗(yàn)。二 aper-和一個(gè) 9.5 毫米的直徑 tures 被放置 adja- 分為目的激光竿,分別地。輸出力量被一個(gè) Ophir 模型 5000 W- SH 的力量公尺發(fā)現(xiàn)了。共嗚器的緊要關(guān)頭穩(wěn)定點(diǎn)被 de- tected 輸出力量曲線決定了。緊要關(guān)頭的穩(wěn)定點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸出力量如輸入的線增加不抽了權(quán)力嗎在-折痕。在這些實(shí)驗(yàn)方面,共嗚器排列-ment 嚴(yán)格地被確定。每個(gè)實(shí)驗(yàn)曲線是如被抽從 0 到 16個(gè)千瓦和 16 到 0個(gè)千瓦變更的力量輸入的發(fā)現(xiàn)輸出力量的平均。對(duì)于對(duì)稱(chēng)的 resona-和特定的范圍長(zhǎng)度山,experimen- tal 的結(jié)果被藉由畫(huà)條線獲得激光輸出力量和泵的功能曲線輸入力量。為在輸出激光力量和泵之間的關(guān)系圖 2 表演測(cè)量結(jié)果使有力量由于,在曲線中,它能被發(fā)現(xiàn),當(dāng)抽泵力量增加,外面者放線地被增加的激光力量的在rst, 然后出現(xiàn)了被一個(gè)高地區(qū)域跟隨的膝點(diǎn), 然后再一次線地增加。nally 一個(gè)減少對(duì)準(zhǔn)零位。 變更程序符合圖 1 的直線, 在哪一抽泵力量增加和被改變的竿焦點(diǎn)長(zhǎng)度相等的共嗚器 chan 的 guration- 從點(diǎn)到 B 的 ged 指出和對(duì) C 點(diǎn)的 nally。測(cè)量在 584-1344 毫米的共嗚器長(zhǎng)度為和一個(gè)飛機(jī)平行共嗚器的輸出激光力量和泵力量比較產(chǎn)生。我們可以審視實(shí)驗(yàn)曲線。何時(shí)那rst 膝點(diǎn)出現(xiàn), 共嗚器進(jìn)入緊要關(guān)頭的馬房點(diǎn)。 ( 在 B 的附近點(diǎn)),如此在我們的前任 periment 中曲線,輸出力量減少了一般布告-tly。依照與泵力量相關(guān)的焦點(diǎn)長(zhǎng)度 fhis 的 ective。在第二個(gè)膝,共嗚器從緊要關(guān)頭的穩(wěn)定點(diǎn) , 和 e 結(jié)束。焦點(diǎn)的長(zhǎng)度 fr , fh 和平均 f 的 ective 上升溫暖氣流透鏡,可能是 calculat-ed,分別地,結(jié)果在圖 3 中被顯示。為了要檢查方法的準(zhǔn)確性,測(cè)量結(jié)果被與探查光線方法的相較 3 由于他- 相同的情況 (圖 4) 的舊姓激光. 平均的 e 的值,與我們的方法一起獲得的焦點(diǎn)長(zhǎng)度稍微比價(jià)值更高的 ective 以探查光線方法獲得, 特別的當(dāng)抽泵使有力量增加和熱的透鏡減少的焦點(diǎn)長(zhǎng)度。偏離是在方法的準(zhǔn)確性里面,是在 10% 的范圍中。為測(cè)量的準(zhǔn)確性的限制被歸因于實(shí)驗(yàn)偏離。二面鏡子的 dis- tance 偏離放置了分開(kāi)-來(lái)自 Nd 的 ly:YAG 竿。然而,它比不穩(wěn)定- 共嗚器的方法更少 20% 的 8.結(jié)論我們已經(jīng)將一個(gè)新奇的方法呈現(xiàn)給 meas- ure 平均的 e焦點(diǎn)長(zhǎng)度的 ective 一灰-燈抽的 CW Nd:YAG 激光。因?yàn)榘捕ü矄杵鞯木o要關(guān)頭穩(wěn)定點(diǎn)被用,結(jié)果比不穩(wěn)定精確- 再 onator 方法,而且方法非常簡(jiǎn)單。尤其為測(cè)量熱的透鏡焦點(diǎn)的長(zhǎng)度 fr 和 fh ,到我們的知識(shí),這到現(xiàn)在為止是一個(gè)實(shí)際的。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告學(xué)生姓名: 學(xué) 號(hào): 班 級(jí): 專(zhuān) 業(yè):機(jī)械工程及自動(dòng)化指導(dǎo)教師: 開(kāi) 題 報(bào) 告1、課題介紹課題名稱(chēng):二加二維激光加工機(jī)機(jī)械及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題背景 本次設(shè)計(jì)的的要求是設(shè)計(jì)一臺(tái)激光加工機(jī),其主要原理是X,Y工作臺(tái)的一種變形,是在傳統(tǒng)的X,Y工作平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了具體的改進(jìn)與創(chuàng)新,同時(shí)又與傳統(tǒng)X,Y工作臺(tái)有著很大相似之處。和傳統(tǒng)的X,Y工作平臺(tái)一樣,二加二維激光加工機(jī)其中的2維就是工作臺(tái)在X方向和Y方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),而與傳統(tǒng)工作臺(tái)相區(qū)別的則是另外的二維是在Z軸方向進(jìn)給以及以Z軸為軸線旋轉(zhuǎn)。因此我們把我們所設(shè)計(jì)的工作機(jī)器稱(chēng)為二加二維激光加工機(jī)。與傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床還有另外一個(gè)不同點(diǎn),那就是我們所設(shè)計(jì)的激光加工機(jī)沒(méi)有主軸,我們所要實(shí)現(xiàn)的只是X,Y工作臺(tái)自身的運(yùn)動(dòng),所以設(shè)計(jì)原理比較簡(jiǎn)單。目前在國(guó)內(nèi)外,利用激光進(jìn)行加工的方法有很多,類(lèi)似與我們這種機(jī)器的機(jī)床也有很多,但是二加二維還是首次被提出來(lái),其主要的原因是我們的產(chǎn)品用途的特殊行和單一行,目前這種機(jī)器只試用于實(shí)驗(yàn)室中,大部分為科研單位的實(shí)驗(yàn)儀器,幾乎沒(méi)有廠家利用其為大規(guī)模生產(chǎn)工具,另外,我們所設(shè)計(jì)的激光加工機(jī)多半是按照實(shí)驗(yàn)人員提供的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的,是為了滿足其實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,因此,我們的加工機(jī)生產(chǎn)使用性不強(qiáng),但是如果想投入到市場(chǎng)的話,只要加以改進(jìn)和調(diào)試就應(yīng)該可以了。目前激光加工是機(jī)械化生產(chǎn)的一個(gè)方向和熱潮,我們這種機(jī)器的設(shè)計(jì)也正式根據(jù)了激光加工的種種優(yōu)點(diǎn),例如: 1. 激光切割的切縫窄,工件變形小 激光束聚焦成很小的光點(diǎn),使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度。這時(shí)光束輸入的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散的部分,材料很快加熱至汽化程度,蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對(duì)線性移動(dòng),使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小,基本沒(méi)有工件變形。 切割過(guò)程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時(shí)利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)氧化材料,同時(shí)幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類(lèi)塑料使用壓縮空氣,棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進(jìn)入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡,防止煙塵進(jìn)入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過(guò)熱。 大多數(shù)有機(jī)與無(wú)機(jī)材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè),許多金屬材料,不管它是什么樣的硬度,都可以進(jìn)行無(wú)變形切割。當(dāng)然,對(duì)高反射率材料,如金、銀、銅和鋁合金,它們也是好的傳熱導(dǎo)體,因此激光切割很困難,甚至不能切割。 激光切割無(wú)毛刺、皺折、精度高,優(yōu)于等離子切割。對(duì)許多機(jī)電制造行業(yè)來(lái)說(shuō),由于微機(jī)程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件,它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用;盡管它加工速度還慢于模沖,但它沒(méi)有模具消耗,無(wú)須修理模具,還節(jié)約更換模具時(shí)間,從而節(jié)省了加工費(fèi)用,降低了生產(chǎn)成本,所以從總體上考慮是更合算的。 2. 激光切割是一種高能量、密度可控性好的無(wú)接觸加工 激光束聚焦后形成具有極強(qiáng)能量的很小作用點(diǎn),把它應(yīng)用于切割有許多特點(diǎn)。首先,激光光能轉(zhuǎn)換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi),可提供(1)狹的直邊割縫;(2)最小的鄰近切邊的熱影響區(qū);(3)極小的局部變形。其次,激光束對(duì)工件不施加任何力,它是無(wú)接觸切割工具,這就意味著(1)工件無(wú)機(jī)械變形;(2)無(wú)刀具磨損,也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問(wèn)題;(3)切割材料無(wú)須考慮它的硬度,也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響,任何硬度的材料都可以切割。再次,激光束可控性強(qiáng),并有高的適應(yīng)性和柔性,因而(1)與自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合很方便,容易實(shí)現(xiàn)切割過(guò)程自動(dòng)化;(2)由于不存在對(duì)切割工件的限制,激光束具有無(wú)限的仿形切割能力;(3)與計(jì)算機(jī)結(jié)合,可整張板排料,節(jié)省材料。 3. 激光切割具有廣泛的適應(yīng)性和靈活性 與其它常規(guī)加工方法相比,激光切割具有更大的適應(yīng)性。 首先,與其他熱切割方法相比,同樣作為熱切割過(guò)程,別的方法不能象激光束那樣作用于一個(gè)極小的區(qū)域,結(jié)果導(dǎo)致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬,而其它熱切割方法則不能。正是利用了激光加工的種種優(yōu)點(diǎn),所以我們做設(shè)計(jì)的機(jī)器加工面很光,一旦投入生產(chǎn)其生產(chǎn)能力也很強(qiáng)。本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)加工機(jī)數(shù)控工作臺(tái)的設(shè)計(jì),在以后的設(shè)計(jì)中將參考多種數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。二 激光加工機(jī)的組成與結(jié)構(gòu)介紹 1控制單元 控制單元是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī),安裝了“激光處理形成仿生非光滑單元體加工程序”軟件?!凹す馓幚硇纬煞律枪饣瑔卧w加工程序”的重要組成部分是加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)是對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)和優(yōu)化的結(jié)果。數(shù)據(jù)庫(kù)中,每一條數(shù)據(jù)記錄包括材料、激光和單元體的參數(shù),包括材料的牌號(hào)、原始顯微組織,激光器的頻率、電流強(qiáng)度、脈寬、掃描速度,單元體的分布規(guī)律、寬度、深度、硬度、處理后的顯微組織。數(shù)據(jù)庫(kù)支持用戶查詢工藝參數(shù),支持用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄進(jìn)行管理,例如瀏覽所有記錄,刪除或修改記錄等?!凹す馓幚硇纬煞律枪饣瑔卧w加工程序”的另一個(gè)功能是根據(jù)用戶輸入的信息,包括工件的外形和尺寸、單元體的幾何形狀,自動(dòng)形成數(shù)控加工程序??刂婆_(tái)的作用是指導(dǎo)用戶按照“激光處理形成仿生非光滑單元體加工程序”的提示,輸入必要的信息,并且根據(jù)用戶輸入的信息,在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索最匹配的工藝參數(shù),同時(shí),自動(dòng)形成數(shù)控加工程序,在用戶認(rèn)可參數(shù)和加工程序后,把參數(shù)中關(guān)于激光能量的參數(shù)傳遞到激光器,把加工程序傳遞到數(shù)控工作臺(tái)。2激光器 為了實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制,激光器電源配備了通訊接口。3數(shù)控工作臺(tái) 數(shù)控工作臺(tái)的作用是夾持工件,并且按控制單元輸出的參數(shù)帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng),達(dá)到在工件表面形成不同形態(tài)非光滑表面的目的。數(shù)控工作臺(tái)由數(shù)控系統(tǒng)和工作臺(tái)兩部分組成。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)控制單元傳輸?shù)男盘?hào)生成數(shù)控加工程序。模擬量輸出接口采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC,將數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào),輸出模擬電壓的范圍為-10+10V,用來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)中的速度伺服單元。數(shù)控工作臺(tái)配有主軸驅(qū)動(dòng)裝置,可利用系統(tǒng)的主軸控制接口輸出模擬量進(jìn)行無(wú)級(jí)變速。反饋計(jì)數(shù)接口能檢測(cè)并記錄光電編碼器所發(fā)回的信號(hào),從而得到進(jìn)給軸的實(shí)際位置。內(nèi)容和要求:設(shè)計(jì)一激光加工機(jī),要求工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二維聯(lián)動(dòng),內(nèi)容包括查閱資料,總體方案確定,選擇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),完成運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力計(jì)算,繪制總裝配圖;設(shè)計(jì)激光加工機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng),確定控制系統(tǒng)方案,設(shè)計(jì)電控原理圖。要求設(shè)計(jì)圖紙0#4張,設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)1份,12000字,外文資料翻譯5000字。設(shè)計(jì)參數(shù)要求:1、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍:400mm*400mm2、移動(dòng)速度0600mm/min;位移分辨率路1um; 2、承載能力:2kN,壓向; 3、加載行程100mm; 4、工作過(guò)程按程序自動(dòng)完成。課題的重點(diǎn)和難點(diǎn):激光加工機(jī)的設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是數(shù)控工作臺(tái)總體設(shè)計(jì),電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。工作臺(tái)總體布局的要求:1保證給定的工藝過(guò)程要求(對(duì)于數(shù)控工作臺(tái),還應(yīng)滿足參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求)限度地考慮工作臺(tái)部件的通用化。2保證工作臺(tái)的剛度、精度、抗振性和穩(wěn)定性,力求減輕工作臺(tái)重量。3保證工作臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且盡量采用較短的傳動(dòng)鏈,以提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率。4 保證良好的加工工藝性,以便于工作臺(tái)的加工和裝配。5保證安全生產(chǎn),便于操作、調(diào)整和維修。6對(duì)于生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度較高的工作臺(tái)或數(shù)控工作臺(tái),應(yīng)力求便于自動(dòng)上、下料。7盡可能減小工作臺(tái)的占地面積。8工作臺(tái)外形美觀、大方。電氣控制系統(tǒng):工作臺(tái)的電氣控制,不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)起動(dòng)、制動(dòng)、反向和調(diào)速等基本要求,以及要保證機(jī)床各運(yùn)動(dòng)的淮確和協(xié)調(diào),而且能夠滿足生產(chǎn)工藝提出的各種要求,具有各種保護(hù)裝置,工作可靠,實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化等。在學(xué)習(xí)與分析機(jī)床電氣控制設(shè)備時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題: 1) 對(duì)工作臺(tái)的基木結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)情況、工藝要求應(yīng)有一股的了解。這樣才了解控制對(duì)象,明確控制要求,因?yàn)檫@些都是設(shè)計(jì)工作臺(tái)電氣控制的依據(jù)或是工作臺(tái)電氣控制的目的。 2) 應(yīng)了解機(jī)械操作手柄或者程控系統(tǒng)與電器元件的關(guān)系,了解工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與電器元件的關(guān)系; 3) 按照“化整為零看電路,積零為整看全部”的方法,將整個(gè)控制系統(tǒng)按功能不同分成若干局部控制電路,逐一進(jìn)行分析。分析時(shí)應(yīng)注意各局部控制電路之間的聯(lián)鎖關(guān)系。最后再統(tǒng)觀整個(gè)電路。 4) 應(yīng)抓住各工作臺(tái)電氣控制系統(tǒng)的特點(diǎn),深刻理解各電器元件的作用,學(xué)會(huì)分析的方法,養(yǎng)成分析的習(xí)慣。 可能用到的主要知識(shí)和技能:需要的主要知識(shí)和技能包括:工程圖學(xué)中的繪圖技術(shù),例如平面二維繪圖,主要涉及autocad繪圖軟件的應(yīng)用;尺寸公差及精度方面的知識(shí);機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理和機(jī)械制造方面的基礎(chǔ)知識(shí),例如用于主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì);機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)以及各種電學(xué)知識(shí)以及單片機(jī)原理方面的知識(shí),用來(lái)完成電氣控制系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì);C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì),用來(lái)完成電算程序的編制;五 設(shè)計(jì)進(jìn)程與安排 第一階段(第四學(xué)年第一學(xué)期):熟知激光加工機(jī),查閱文獻(xiàn),盡可能多的獲取相關(guān)資料,并翻譯外文資料(5000字)。第二階段(三周):對(duì)所要設(shè)計(jì)的題目進(jìn)行廣泛的調(diào)研,閱讀相關(guān)技術(shù)的資料,在此基礎(chǔ)上以確定總體方案。第三階段(三周):確定總體方案后,開(kāi)始繪制總裝配草圖,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的計(jì)算。第四階段(三周):開(kāi)始進(jìn)行總裝配圖的繪制,第五階段(三周):總裝配圖完成后開(kāi)始對(duì)零件的設(shè)計(jì)和繪圖,包括計(jì)算說(shuō)明等。第六階段(一周):整理計(jì)算說(shuō)明書(shū),并整理好所有資料,開(kāi)始準(zhǔn)備答辯。
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