激光加工设备（精选11篇）
激光加工设备 篇1
1 设备要求
实现发动机缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴和连杆主要尺寸的激光修复(激光熔覆)。具体为缸体缸孔尺寸恢复,缸盖凸轮轴孔和液压挺杆筒孔的尺寸恢复,曲轴主轴径、连杆径和密封轴径的尺寸恢复,凸轮轴轴径、凸轮面和密封轴径的尺寸恢复,连杆大小头孔的尺寸恢复。
2 设备基本型式及功能简介
2.1 设备型式
根据上述基本功能要求,选择多功能机器人激光加工设备,基本结构为大功率光纤激光器+机器人激光加工机+工件旋转机构+自动送粉系统,见图1。
2.2 设备基本功能介绍
该设备的方案为选配光纤传导的大功率光纤激光器,将聚焦系统连接在机器人手腕上,集成为柔性激光加工设备,运动的执行机构为激光束扫描运动的机器人+工件旋转的转台系统,可以实现各种形状零件的全自动激光加工。该设备可实现的基本工艺为激光熔覆(激光修复)、激光热处理(激光淬火和激光熔凝)和激光合金化,不仅能满足上述发动机零部件缸体、缸盖、曲轴、连杆和凸轮轴激光修复的基本加工要求。同时,还可以实现壳体的激光修复、轧辊激光强化和修复、五金模具激光强化和修复、齿轮的激光强化和修复以及转子轴激光修复等。适用于各种材料的激光熔覆,包括低碳及低碳合金钢、中碳及中碳合金钢、高碳及高碳合金钢、各类铸铁件、铸钢件、铝和铜等金属类零件的激光修复。具体的修复时机包括零部件使用过程中因磨损、拉伤等失效的零件进行激光修复、制造过程中的误加工报废件的激光修复、铸造的缺陷的激光修复等。
2.3 激光熔覆基本的工艺方法及特点
激光修复的工艺过程为:高能激光束通过光纤传导与机器人六轴系统同步移动,配合工件的旋转运动,实现激光束在工件表面的精确扫描,扫描过程中,高能激光束照射到将工件表层时,将基材熔化(基材熔化厚度约0.1~0.2 mm),同时将自动送粉系统提供的粉状熔覆合金材料熔化,两部分液态合金搅拌在一起,激光束离开后,混合液体合金快速凝固,形成激光熔层,即实现激光修复层。基材对熔覆层的影响小并可控,稀释率小于10%,单层熔覆厚度可控0.2~1.2,可多层熔覆。随着激光扫描速度、功率大小、光斑大小和送粉量和粉末类型不同,实现工艺需要的不同性能激光熔层(如恢复的尺寸厚度、硬度和耐磨性等),这些参数的改变就成为激光熔覆的主要工艺参数。常用工艺参数调节范围为:扫描速度220~500 mm min,激光功率1 200~2 000 W,光斑大小φ3~6,合金粉末为铁基/镍基自熔性合金粉末,送粉量8~40 g/min。其中,用于恢复尺寸的典型镍基激光熔覆粉末含量为Ni 63.9%,Cr 21.5%,Mo9%,C 0.03%,Si 0.4%,Fe 1.4%,Nb 3.8%,硬度为HRC 25~30,粒度53~150μm;用于恢复尺寸的典型铁基激光熔覆粉末含量为Fe 86.9%,C12.5%,Mn 0.1%,C 0.03%,Si 0.5%,硬度为HRC25~30,粒度53~150μm。
由于激光束的能量集中,密度高并且可控性较强,因此,激光修复产生的热影响区很小,工件变形小,并容易实现自动化控制,实现优于电弧堆焊的高质量激光熔覆层(也称为堆焊层)。
2.4 工艺实施
2.4.1 缸体内孔、缸盖孔和连杆孔激光修复的基本工艺实施描述
缸体内孔、缸盖孔和连杆孔的工艺方法基本相同,以缸体内孔修复为例说明。缸体需要修复的孔壁清洗干净,安装到卧式旋转台上,调整装用夹具,将需要修复缸孔为中心旋转,机器人带动激光聚焦头进行激光束扫描和粉末喂料,调整上述工艺参数,配合缸孔的转动,激光束由内而外移动,实现缸孔内壁的螺旋激光熔覆加工。其中,主要基本工艺参数的相关控制如扫描速度由缸孔的转动速度控制,光斑尺寸由聚焦头到工件表面距离控制(即离焦量),激光能量由激光器输出功率控制,修复的硬度和性能由粉末种类决定,该类零部件的修复以镍基合金材料为主。
2.4.2 曲轴和凸轮轴激光修复的基本工艺实施描述
曲轴和凸轮轴主要尺寸的修复,用卧式旋转工作台和尾座装夹并转动,机器人带动聚焦头运动,保持聚焦头到工件表面距离一致(保持光斑大小一致),7轴联动保持激光相对扫描速度一致,同时机器人带动聚焦头使光束沿着轴向进行移动,实现螺旋式激光熔覆。其中,主要基本工艺参数的相关控制如扫描速度由曲轴和凸轮轴的转动速度控制,光斑尺寸由聚焦头到工件表面距离控制(即离焦量),激光能量由激光器输出功率控制,修复的硬度和性能由粉末种类决定,该类零部件的修复以镍基和铁基合金材料为主。
摘要：该设备的方案为选配光纤传导的大功率光纤激光器,将聚焦系统连接在机器人手腕上,集成为柔性激光加工设备,运动的执行机构为激光束扫描运动的机器人+工件旋转的转台系统,可以实现各种形状零件的全自动激光加工。
关键词：光纤,光纤激光器,激光融覆
激光加工设备 篇2
关键词：激光加工技术 相关理论 发展 应用
一、前言
近年来重大的发明之一是激光技术。随着社会经济的快速发展，把激光器当成基础的激光加工的技术得到了快速发展。目前其正在被广泛应用在生产、通讯、医疗、军事及科研等多种领域。并且在这些领域都取得了非常好的经济与社会的效益，是我国未来经济的发展的关键。
二、激光加工技术相关理论
笔者认为，了解与应用激光加工技术需要对其相关理论深入的研究。以下笔者从其原理和特点来介绍激光加工技术。
(一)原理
激光加工能够获得极高的能量密度与极高的温度是因为采用的光学系统能够让激光聚焦成为一个非常小的光斑，在这样的高温下，每种坚硬的材料都会被瞬间熔化与气化，然后熔化物被气化而产生的蒸汽压力推动，以很高的速度喷射出来，从而实现了对工件加工的特种加工方法。
(二)特点
激光加工的技术对于加工工具与特殊环境没有要求，不会造成工具的磨损，易于使用自动控制来进行连续加工，且加工效率极高;同时激光的强度极高，聚焦后差不多能够熔化和气化全部的材料，所以能够加工所有硬度的金属与非金属的材料;加上激光加工是属于非接触的加工，及加工速度非常的快，工件没有受力与受热而产生变形;其还能聚焦成为极小的光斑(微米级)，能够调节输出的功率，所以可进行精密且细微的加工。这些均是激光加工优点。但由于其设备的投资比较大，及操作和维护技术要求比较高;且在精微加工的时候，重复的精度与表面的粗糙度难以保证等。这些缺点尽管在一定的程度上缩小了其应用规模，也限制了其发展，但是由于进一步的研究，越来越成熟的技术，激光加工技术有着非常广阔的发展前景。
三、激光加工技术的发展及应用
近年来，由于激光加工技术的快速发展，其被应用于许多的领域。以下是笔者从激光器与激光加工技术领域来介绍激光加工技术的发展，同时介绍目前激光加工技术的具体应用。
(一)激光加工技术的发展
了解激光加工技术的发展，就要研究激光器以及其应用的领域的变化。只有这样才能从根本上了解其发展。
迅速发展的激光器。我国研制出的第一台激光器是在1961年。通过几十年的努力，我国的激光器技术快速的发展起来了，从固体的激光器到气体的激光器，再到如今光纤的激光器、半导体的激光器与飞秒的激光器。光纤的激光器与传统激光器来比较，其优势是功率输出大，光束的质量较好，转换的效率较高，良好的柔性传输等。其在使用激光加工技术加工材料中有着极大的吸引力。现在应用于使用激光来打标、切割以及焊接。而飞秒的激光器则能够使超精微的加工可以实现。其在高技术的领域如微电子、光子学等应用的前景极宽广。同时半导体的激光器正在被直接用在焊接、热处理等方面。总之激光器的迅速发展导致了激光加工技术的快速发展。
广泛的应用领域。激光加工是在机械加工、力加工、火焰加工与电加工之后新产生的一种的加工技术，是借助激光束和物质相互作用的特性，对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔以及微加工的综合性技术。激光焊接广泛应用在汽车的零件、密封的器件等多种要求焊接无污染与无变形的器件。激光切割主要应用在汽车的行业、航天的工业等领域。而激光打孔则应用在汽车的制造、化工等产业。广泛的应用领域也使得激光加工技术快速发展。
(二)激光加工技术的应用
激光加工技术在我国的许多领域里占据着重要的位置，以下是笔者简单的介绍一些具体的应用，如打孔、切割以及焊接等。
(1)激光来打孔的应用。激光打孔借助了激光的功率密度极高的特性，使得加工的`材料瞬间被熔化与气化，熔化的物质被蒸汽巨大的压力推出来，形成了孔洞。激光打孔正在被广泛应用在钟表与仪表有关工件的加工。其应用的领域广泛，包括衣服与鞋子的制作、工艺品与礼品的制作、机械设备与零件的制作等。
(2)激光切割的应用。激光切割则利用了激光束，由于其能够聚焦而形成极高的功率密度光斑，因此能够将材料迅速加温到气化室的温度，形成了小孔洞后，再借助光束和材料的相对运动，从而产生细小以及连续的切缝，达到了切割的目的。激光切割被广泛用来切割非金属材料。此外，激光切割也应用在服装行业如对皮革和布料的切割。
(3)激光焊接的应用。激光焊接把符合功率密度要求的激光束照射到需要焊接的材料表面，将其局部的温度升高到熔点，使得材料的结合部位熔化为液体，然后进行冷却凝固，从而使得两种材料熔接在一起，达到了焊接的目的。激光焊接被广泛应用于航天行业、船舶制造业等各种领域。尤其是珠宝首饰业利用激光焊接的技术改变了人们首饰设计的传统思维。利用激光焊接能够制作具有特殊结构的首饰。此外，激光焊接还广泛应用在钢铁行业。
四、结语
激光加工技术是一种21世纪发展迅速的新技术，各国的政府与工业部门都要积极的发展视激光器与激光加工技术的设备。随着激光加工技术应用市场的日益扩大与国际竞争新格局的产生，我国的激光加工技术一定有巨大的发展，具有极其广阔的市场前景，而且在社会经济与工业的发展中起到非常重要的作用。
纳秒脉冲激光加工不锈钢表面 篇3
关键词：不锈钢；纳秒脉冲
1.纳秒脉冲激光的研究
作为激光加工技术的一个分支，脉冲激光微加工在激光加工领域是非常耀眼的一个明星。其动人之处一是不断涌现峰值功率高、脉宽短的激光源，如具有高质量光束的二极管泵浦Nd：YAG激光器等；二是更精确、快速的数控操作平台的出现，其组成的激光微加工系统，实现了更高精度的精密加工。一般认为激光微加工就是加工尺寸在几个到几百个微米的激光加工工艺系统，所用的激光脉冲的宽度在飞秒（fs）到纳秒（ns）之间，波长在从远红外到X射线的很宽波段范围内。纳秒（ns）脉冲激光属于短脉冲激光的一种方式。相对较窄的脉冲宽度，较小的热效应影响，波长大多较短，聚焦成较小的光斑，重复频率可以达300kHz的脉冲频率，较高的平均功率，都使其具有了较高的加工效率。纳秒脉冲激光加工比可见光或红外激光具有更小的材料表面的热影响和加工损伤，更好的加工效
果；比飞秒脉冲激光加工具有更高的加工效率，更快的速度和更加便宜的价格。可以说脉冲激光是聚质量与效率为一体，集发展与创新于一身的具有广阔前景的应用研究[1]。
2.研究的内容、步骤和结论
本文主要针对纳秒激光对316L不锈钢进行微结构工艺实验研究。首先对在纳秒脉冲激光照射下产生的烧蚀形貌进行全面的观察，再结合激光与不锈钢表面的相互作用机理，研究入射激光功率，扫描速度等因素对微结构加工质量的影响规律，通过改变工艺策略和工艺参数以得到最佳的加工效果。通过激光打线和打孔实验，观察线与孔的形貌特征，分析纳秒脉冲激光打线和打孔的过程，深入研究纳秒激光与不锈钢材料相互作用的规律。最后，在理论分析工艺参数的基础上，设计微结构加工方案，进行微结构的加工实验和检测。使用扫描电镜检测分析加工效果。通过纳秒激光在不用的环境下多次照射在不同的样品上，初步得到不同工艺参数对不锈钢表面纳秒脉冲激光加工工艺的影响的分析。
2.1 纳秒脉冲激光单次线性扫描
实验开始之前对需要对实验仪器进行升温，温度升到21摄氏度时，才可以进行实验。先将一小张白纸放在打标机下，找准光束扫描的大概位置。每次实验前先用用丙酮超声清洗，再用蒸馏水将丙酮冲洗干净，吹干后，将样品固定在此处，准备对其扫描。首先设计了不同功率下，1mm/s的扫描速度进行单次线性扫描的实验。电流分别设置35A、36A、37A、38A和38.5A。 用打标机单向依次扫描5根线，每根线的间隔设置为0.5mm，再把速度依次设置为：3mm/s、5mm/s，10mm/s、30mm/s、50mm/s、100mm/s重复以上实验。在每个速度下，用5组扫描电流依次单向扫描5根线。
2.2 纳秒脉冲激光单次圆点扫描
以上是激光對材料表面的直线扫描，为了更加全面地了解激光对不锈钢表面作用的效果，我们将直线换成圆点。这个步骤是在电脑上对打标机进行操作，实验前的准备工作和前述实验相同，将处理好的样品三放置在打标机下，进行圆点扫描实验。
把激光的扫描速度调整为1mm/s，电流分别设置35A、 36A、 37A、 38A和38.5A。用打标机扫描5个圆点，圆点的半径设置为0.5mm，每个圆点圆心之间的间隔设置为1.5mm，再把速度依次置为：3mm/s、 5mm/s、10mm/s、30mm/s、50mm/s、100mm/s。在不同的扫描速度下，依次5个不用的电流扫描圆点。
2.3 纳秒脉冲激光多次线性扫描
实验二的特殊之处是将扫描速度定为1mm/s时，在5个扫描电流下进行实验，依次对样品表面进行1次扫描、3次扫描、5次扫描、10次和30次扫描。每根线之间的距离设置为0.5mm。
2.4 纳秒脉冲激光多次圆点扫描
多次扫描的实验前的准备工作和实验一是一样的，取第四块样品放在打标机下进行扫描。多次扫描的不同之处是将扫描速度定为1mm/s时，在5个扫描电流下进行5组实验，依次对样品表面进行1次扫描，3次扫描，5次扫描，10次和30次扫描。每个圆点圆心之间的距离设置为1.5mm。
2.5 实验总结
通过对316L不锈钢的实验方案，用纳秒激光对不锈钢表面分别进行单次、多次的线性和圆点扫描，得到结论如下：
（1）通过纳秒脉冲激光对不锈钢的单次线性扫描实验，对其结果进行分析得到纳秒脉冲的扫描速度和扫描电流对加工效果都有影响。其他参数一定时，扫描速度越大，加工的深度越浅，表面脉冲数越少，表面飞溅物越少，加工的线宽越大，但速度大到一定值时，宽度不再增加趋于稳定；其他参数一定时，扫描电流越大，表面飞溅物越多，加工线宽越大。
（2）通过纳秒脉冲激光对不锈钢的多次线性扫描实验，对其结果进行分析得到扫描次数对加工效果有影响。扫描次数越多，加工的线宽，深度都越大，直线度也越好。
（3）通过纳秒激光对不锈钢的单次和多次圆点扫面实验，对其结果进行分析得到脉冲激光作用时，不锈钢表面出现熔化和汽化现象形成凹坑，凹坑的深度随着扫描电流、扫描次数的增加而增加。
综上所述，通过对不锈钢表面进行纳秒脉冲加工的过程，我们发现纳秒激光不同的扫描速度、扫描电流以和扫描次数都会对加工效果产生不同的影响，为了保证加工的精度和加工后效果，需要对参数进行优化组合，选择合适的加工速度、加工电流和加工次数进行加工。通过对实验的分析研究，我们可以发现加工速度应尽可能适中，加工电流应尽可能小，加工次数应尽可能少可以保证激光加工的质量，当然在实际加工中，可以通过需要对加工参数进行调节，以满足实际加工的需要。
参考文献：
激光拼焊设备的应用 篇4
激光拼焊是将2块相同或不同材质、厚度、涂镀层的钢板用激光对焊成一焊体,以满足对零部件不同部位的不同要求。激光拼焊是汽车生产的先进技术,激光拼焊板制成的车身结构能达到最合理的金属组合,改善车身部件的使用性能,降低汽车质量,提高汽车结构可靠性和安全性,并优化工艺。激光焊接的速度约为2~18m/min,而且变形很小,省略了二次加工。采用激光焊接,没有搭接宽度和加强部件,还可以压缩车身结构件本身的体积。仅此一项普通轿车车身的重量可减少50kg左右。1985年德国蒂森钢铁公司与德国大众汽车公司合作,在Audi100车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。目前,奥迪、帕萨特、雅阁、别克、马自达等中高档汽车都采用了激光拼焊板。据有关资料统计,在欧美发达工业国家中,已有50%-70%的汽车零部件是用激光加工完成的。世界汽车制造商对拼焊板的需求大大促进了拼焊板的生产。
1激光拼焊设备的组成及工艺流程
以一汽宝友激光拼焊线为例,设备组成(模型图、布置及作用)如下:
包括:
1、上料小车7个,换料时可不间断地生产,将最多5块板拼成1块板,左右分别有1个上料小车准备后续片料,使生产连续进行。
2、拆垛机器人2个,分别负责左右两边小车的拆垛。
3、中转台1个,机器人将片料放到中转台上,机器人抓起的料如果是双片,就放到双料片台上等待处理。
4、中转机器人1个,抓起中转台上的料片,摆放到预定位工作台上。
5、预定位工作台1个,接收中转机器人运来的料,进行预定位后,等待LUNI(精定位上料装置)拾取料片。
6、LUNI 1个,抓起经过预定位的成组料片,按着一定的顺序将料片精定位到精定位工作台上,准备焊接。
7、精定位工作台1个,是一种磁性定位工装,辅助部分有定位块和气动挡料机构等。
8、激光焊机1个,是生产线的核心部分,型号为SOUDRAC3600,有1个激光焊头,其前后分别是一个SOUVIS系统CMOS摄像头,前者负责寻找和跟踪焊缝并可测量焊缝间隙的大小,反馈给焊丝填充系统,控制焊丝的进给速度;后者负责焊缝正面的质量检测。
9、下料机器人1个,将焊完的板料抓起并竖立,待检测机器人检测完毕后,将板料放到磁性传送带上,然后回到抓料位置。
10、检测机器人1个,有1个SOUVIS系统CMOS摄像头。其作用是检测焊缝背面的质量。
11、磁性传送带,接收下料机器人运送过来的板料,并运送给堆垛机器人。期间通过打浅坑装置,如果需要堆垛用的浅坑,就停下来打完浅坑后,再运送到指定位置。
12、打浅坑装置,由于码垛或下道冲压工序的需要。板料打上浅坑,堆垛时才能堆齐。
13、翻转装置,需要翻转的板料,完成翻转后,再进行堆垛。
14、堆垛机器人1个,从磁性传送带上抓起板料,堆放到成品堆垛区。期间如果有废品,就会将废品堆放到废品堆垛区。
15、废品堆垛区,堆放废品的区
16、成品中转台,由于废品的存在,甩出废品后,剩下的不足一组的料暂时存放于此。
17、成品堆垛区,分1号堆垛区和2号堆垛区,交替使用。
18、检测墙,在需要进行人工检测时,堆垛机器人可以将板料放到检测墙上,人工将其从线内移到线外,在全线不停机的情况下,进行人工抽查。
19、激光发生器,产生的激光通过光缆传输到激光焊头,提供焊接能量。
20、冷却装置,对激光发生器进行冷却。
21、除尘和过滤系统,对焊接时产生的烟雾和焊渣进行清理和过滤。
22、焊缝填充装置,根据焊缝间隙的大小调节填充丝的进给速度。
23、HMI,人机界面,是人机对话用的可视系统。
24、焊接控制系统,主要控制焊接时焊头和焊接工装行走的轨迹及各种焊接参数。
工艺流程如下:
拆垛——上料——预定位——精定位——YAG激光拼焊(进料、焊接和出料)——下料(焊缝检测)——打浅坑——堆垛(检测墙抽检)。
2激光器的分类及特征
激光(受激辐射光)最基本的特点就是:单色性、方向性、相关性,以及由此而产生的超高亮度和超短脉冲等性非常适合焊接加工。它的突出优点在于适合高熔点金属或2种不同金属的焊接,不仅光斑小,热形变小,而且可对透明外壳内的部件进行焊接,容易实现自动化。激光器一般按产生激光的工作物质不同来分类,主要有半导体(Ga As,In P等)激光器、固体(Nd:YAG等)激光器、气体(CO2、He Ne等)激光器、液体(可调谐染料等)激光器、化学激光器、自由电子激光器等。其中气体激光器以气体或金属蒸汽为发光粒子,是目前种类最多,激励方式最多样化,激光波长分布区域最宽,容易实现大功率连续输出,也是应用最广泛的一类激光器。固体激光器是将产生激光的粒子掺于固体基质,其浓度比气体大,因而可以获得更大的激光能量输出,具有能量大,峰值功率高,机构紧凑,牢固耐用等特点。在激光焊接中主要就采用这2种受激物质的激光器。这里采用的就是固体(Nd:YAG等)激光器。
3激光拼焊生产过程的质量监控
由于人工检查焊缝质量缺乏可靠性与稳定性,因此,有必要采用可靠性高、效能先进的质量监控系统,实现对焊缝质量参数的全程、同步、无间断的精确检测。为了适应这种需求,生产线上安装了Soudronic汽车系统有限公司开发的第二代可视激光焊接焊缝质量监控系统——“SOUVIS 5000”(SOUdronic VIsion System)。该系统采用新型光学取像与激光感应技术,可实现对焊缝三维形面参数与焊缝表面均匀性参数进行同步检测,且两种检测功能有机地集成于一个独立的感应装置里。
“SOUVIS 5000”的硬件平台为一台功能强大的工业电脑,内置有图像处理系统与实时操作系统。感应头为一个CMOS摄像头,它具有自适应反馈特点及特殊的闪光技术。该系统可集成到TCP/IP网络中进行数据交换,也可通过母线(C A N,INTERBUS)与PLC连接进行外部控制,也可与远程服务器连接,实现远程质量监控及系统故障自诊。系统的图像处理电脑也能够实现部分功能直接控制。
系统获取的标准图像尺寸为10 mm×8 mm,分辨率为10µm。在实际生产过程中,感应头或待检测工件需在连续运动中取像,系统的取像触发装置可保证连续取像的2个相邻图像有一定重叠,从而实现无间断取像检测。受限于摄像头取像速度及数据传输速度,系统的检测速度为30m/min。由于系统取像与检测速度快,因此,在实际应用中,影响检测速度的瓶颈往往是其他生产装置,如焊接机器人、工件穿梭装置等。
激光焊接的焊缝质量检测主要取决于2方面的数据特征:焊缝几何形面的绝对测量值和焊缝表面的均匀性。焊缝的局部缺陷会对焊缝强度及表面美观产生影响,因此,“SOUVIS 5000”采用以下3种方式同步探测焊缝局部缺陷:焊缝形面三维数据分析、焊缝组织结构分析和针孔分析。焊缝组织结构一般通过纤维性结构来反映,即“鱼骨形”结构。为了对焊缝结构进行分析,系统根据纤维结构的斜度、方向及多像素方式生成焊缝结构特征。这些结构特征可以通过数字来反映焊缝表面质量与平滑均匀性等。如果在某个焊缝区这些数据变化很大,则说明焊缝出现局部焊接缺陷,比如由于等离子保护造成的熔烧深度不足或者由于工件表面涂层造成的孔隙或焊坑。细小的焊接缺陷(如针孔)通过这种方式无法探测,因此,该系统利用针孔分析算法来发现细小焊接缺陷,在激光钎焊焊缝上可探测出直径仅为200µm的针孔。
4激光拼焊在轿车制造中的优势和局
限性
激光焊接最重要的优势在于能够将很高的能量聚焦于一点,激光束打在2个要焊接部分的边缘,输入能量把金属加热并将其熔化,熔化的材料将迅速冷却。在这个过程中,减少能量损耗的同时,也减少了热变形。激光焊接具有效率高、能量传递方便、焊缝变性、变形少、表面光洁等显著优点。如图3。
轿车车身各部分的结构、受力情况不一样,对强度、刚度、拉延和塑性变形的要求也不同,一般要根据构件的形式、要求和使用材料来选择冲压工艺。传统工艺是先冲压后焊接,新的工艺方式则将这种顺序颠倒过来,称为“拼焊”,即将不同厚度和不同性能的钢板冲裁后拼焊起来,然后冲压成形。采用拼焊钢板可以按照汽车的不同部位对应采用不同的板材,更好地发挥其作用。
激光拼焊技术应用于车身侧围的制造,如图4,不再需要任何加强杆、加强筋及附属的生产工艺,部件重量和数量都会减少;而高延展性材料的应用也会使抗撞击能力得到改进。例如前后车门内板、左右侧围加强板、左右前纵梁内外板、左右后纵梁、纵梁地板、前挡板等。用激光焊接技术,既降低了板材重量也提高了车体的刚度,可以在减轻车身重量的前提下,装备更多的设备,进而提高汽车的性能。ULSAB(世界轻质钢制车身协会)的最新研究结果表明:最新型的钢制车身结构中,50%采用了拼焊板。
在工业应用中,激光焊接的工艺控制非常关键,这主要是因为:焊接毛坯的精度、焊接组合的重复定位与夹紧精度有一定限度,焊接前的间隙必须控制在一定精度范围内;对于有些焊接形面,激光聚焦点跟踪整个焊接缝隙轨迹(长度可达2m以上)的精度要求不超出激光光束直径的10%;有时待焊工件表面会有金属涂层(如镀锌板),而金属涂层常常会造成焊接气孔。在汽车工业中的大批量生产应用中,激光焊接多采用“深入焊”或“透焊”工艺。但是,即便对焊缝间隙控制得再好,也无法避免出现焊接缺陷。从其表面来看,焊缝缺陷主要可分为2大类:焊缝几何形面缺陷和随机缺陷,前者一般通过对一段焊缝进行观察即可发现,后者作为局部缺陷常出现在不可预知的位置,因此,激光焊接仍存在一定的局限性。另外,由于焊缝部位的硬化,给后序的冲压过程带来一定挑战。
5结论
激光拼焊技术属国际先进技术。焊件优点是可以降低整车的重量和成本,提高整车的碰撞性能。该技术在国内尚属新工艺,激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备,已成为汽车制造业不可缺少的技术,为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。激光拼焊设备的应用将成为车身焊装生产的发展方向。
摘要：激光拼焊设备能够实现等厚和不等厚钢板的对焊,焊接质量好,节约原材料,容易实现自动化生产,在当今汽车车身制造业得到了越来越广泛的应用。文章详细介绍了激光拼焊典型成套设备——SOUTRAC型全自动激光拼焊线的设备组成及工艺流程,以及焊接部分的工作原理和焊接过程质量监控系统的工作原理。
关键词：激光拼焊,工艺流程,监控
参考文献
[1]陈炜,吴毅明,吕盾,侯波,郭伟刚.差厚激光拼焊板门内板的成形性能研究[J].中国机械工程.2006,17(11):1188-1190.
[2]杨继昌,陈炜,张福祥,仲志刚,方禾,朱国璋.差厚拼焊板拉延成形工艺研究[J].江苏大学学报(自然科学版).2003,24(5):1-4.
[3]李季,黄树槐,胡伦骥.高精剪-板材激光拼焊生产线上的关键设备[J].锻压技术.1998,23(2):46-49.
激光加工设备 篇5
有哪些材料适用于激光切割（钣金加工，钣金件加工）呢？现在就由我司佛山华锐达激光切割有限公司详细为大家说明：
结构钢
该材料用氧气切割时会得到较好的结果。当用氧气作为加工气体时，切割边缘会轻微氧化。对于厚度达4mm的板材，可以用氮气作为加工气体进行高压切割。这种情况下，切割边缘不会被氧化。厚度在10mm以上的板材，对激光器使用特殊极板并且在加工中给工件表面涂油可以得到较好的效果。
不锈钢
切割不锈钢需要：使用氧气，在边缘氧化不要紧的情况下；使用氮气以得到无氧化无毛刺的边缘，就不需要再作处理了。在板材表面涂层油膜会得到更好的穿孔效果，而不降低加工质量。
铝
尽管有高反射率和热传导性，厚度6mm以下的铝材可以切割，这取决于合金类型和激光器能力。当用氧切割时，切割表面粗糙而坚硬。用氮气时，切割表面平滑。纯铝因为其高纯非常难切割，只有在系统上安装有“反射吸收”装置的时候才能切割铝材。否则反射会毁坏光学组件。
钛
钛板材用氩气和氮气作为加工气体来切割。其它参数可以参考镍铬钢。
铜和黄铜
两种材料都具有高反射率和非常好的热传导性。厚度1mm以下的黄铜可以用氮气切割；厚度2mm以下的铜可以切割，加工气体必须用氧气。只有在系统上安装有“反射吸收”装置的时候才能切割铜和黄铜。否则反射会毁坏光学组件。
激光加工设备 篇6
关键词： 中职教育 激光加工技术专业 教材修订
中职激光加工技术专业是满足新兴加工技术发展需要而派生的新专业，属于机械加工类（激光精加工方向）。随着激光技术的不断发展，激光加工技术以独特的作用，越来越显示出其无穷魅力和强大生命力。五年前，在高校激光专家、激光企业行业精英的指导下，笔者有幸参与了来自全国中职院校的部分一线老师组织的激光加工技术专业教材的开发，相继由中国地质大学出版社出版了《激光原理》、《激光加工设备》和《激光加工工艺》等三本核心教材。同时，还开发了集机械、电工电子、设备控制于一体的八本专业教材，基本满足了全国两百多所开设本专业的教学所需。随着教学教学理念的不断完善和教学设备的不断更新，专业教材的修订应是眼下工作的重点。下面，笔者就此提出几点建议，供同仁们分享。
一、教材的修订要有针对性
中职激光加工技术专业在全国起步只有短短五年时间，很显然，专业发展还不够成熟，甚至略显稚嫩。尽管第一版共11本教材已经出版发行，并投入使用，但是还没有完全被教学实践所检验，加上不断发展的新激光技术，教材的修订显得尤为重要。一些教材是盲目地四处抄袭，全然不顾专业的特点、学校、教师和学生的实际，这样，编写的教材就失去了应有的作用，达不到预期效果，可能仅仅是为了完成上级任务，应付检查。原因有两方面，一是参编人员受到自身条件限制，不能全面与系统地掌握激光加工技术专业知识，不能驾驭整个知识体系，生搬硬套原有的、陈旧的知识;二是往往受到传统教材模式的影响，不能与时俱进，求新求变，不能把最新职教理念融入到教材编写的环节里。编者应提高自我修养和水平，汲取激光加工技术专业涉及的丰富的营养，有针对性地挖掘新素材，修订原版教材，这样才能更好地为教学服务，为学生服务。
二、教材应以“会用、够用和实用”为原则
修订的教材应体现“会用、够用、实用”的原则。在教学内容上，厘清知识点，把握好知识关联度，由浅入深，把握分寸，不易过分繁冗;需强化对学生动手实践能力的提升环节，弱化复杂知识的无谓阐述，简单明了，喜闻乐见，通俗易懂。
通过几年的教学实践，《激光原理》一书中所涉及的几何光学基础、激光产生的原理、光学谐振腔、激光基本技术、典型激光器和激光在工程技术上的应用等六大体系，显然，实用性不强，必须从知识形式、体系和内容上做较大修订。为此，一是把《激光原理》改成《激光基础》，二是优化原有六个知识体系，变为光学初步、激光器的光学元件、激光概述、光学谐振腔与典型激光器、激光的基本技术等五个体系，并从内容上做较大程度的变动，最大限度地让“会用、够用和实用”落到实处。
三、教材应以培养知识、技术和技能型人才为目标
随着中等职业教育进入一个强调内涵质量发展阶段，结合区域产业结构升级的现实要求，人才的培养通过教材这一载体体现出来，不失为一个主要捷径。不仅表现在职业素养、职业道德、心理素质、人文科技等方面，还表现在专业知识的摄取、技术的提高和技能的形成上，教材的修订依然要坚持以市场为导向、以学生为主体、企业行业和学校深度参与。
《激光加工设备》里涉及很多种类的激光器，其中半导体激光器、CO■激光器两种最具代表性，广泛运用于常规教学实习和实训中。教材内容一方面要加强对学生的基础知识传授，这是提升学生知识内涵的需要，另一方面更要凸显对学生技术、技能的培养。原有教材设定的包括激光打标、激光切割、激光焊接、激光内雕等35个实习、实训项目，通过不断地调整改良，修订后变成了28个任务，设计任务目标，多采用理实一体化教学模式，让学生在兩年内逐一完成，使枯燥乏味的知识在动手操作的过程中，在技术技能的不断提高中得到进一步消化和巩固。
四、教材应具有鲜明的时代特点
目前，中职激光加工技术专业所使用的教材包括机械、电工电子和激光加工，三位一体，形成了模块式、有梯次的理论体系。为了让课程体系更具有时代特点，体现激光加工这一特色鲜明的新技术，教材的修订要涉及以下几个重要方面：
1.理实一体化教学。以与专业系列教材同步配套的《激光加工实训技能指导（上、下册）》（华中科技大学出版社出版）为例，按三年制“2+1”模式制订教学计划，第一学期进行“钳工训练”，三周完成，之后组织参加工具钳工中级工技能鉴定;第二学期是为期四周的“电力拖动训练”专题，完成任务后组织电工中级工技能鉴定;第三、第四学期，均安排为期八周的激光加工、工艺和激光器装调等专题实训，任务完成后，进行激光器装调中级工技能鉴定。教学实践表明，理实一体化教学法，是一种行之有效的好方法。
2.校企合作。“深化产教融合、校企合作”是“决定”中的又一个亮点，对此，修订的教材必须涉及产教融合、校企合作的理念。一是教材的修订要邀请行业企业专家广泛参与，他们最知道学生毕业后做什么，市场需要什么;二是教材要建立健全“工学结合、顶岗实习”的具体内容，不能有名无实;三是教材要体现学生作品、产品和商品这一“三品”递进的思想，让学生在参与用激光器加工各类商品的过程中，做准职业人。
3.中高职衔接。“决定”指出：“推进中等和高等职业教育紧密衔接，发挥中等职业教育在发展现代职业教育中的基础性作用。”为了积极贯彻“决定”精神，为在校学生搭建一个通往高校的“立交桥”，2014年8月，由武汉软件职业技术学院（高校）、武汉弗莱茵科技有限公司（激光加工企业），与参与全国第五届激光培训的全体老师，一起召开了激光加工技术专业中高职衔接研讨会。会议主要探讨中高职激光加工技术专业课程体系衔接问题。与会者进行了广泛的交流、探讨，确定以《激光加工设备》、《激光加工工艺》等三门核心课程为中高职衔接的重点课程，产生了良好的社会反响，意义深远。
激光加工技术的应用与发展 篇7
一 激光加工的原理及其特点
1.激光加工的原理
激光加工是将激光束照射到工件的表面, 以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工, 工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力, 所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节, 因此激光加工可应用到不同层面和范围上。
2.激光加工的特点
激光自身的特性, 决定了其在加工领域的优势, 其特点如下:
①由于其无接触激光加工, 且高能量的激光光源的能量和速度都可以进行调节, 因此可对其实现多种加工的应用。
②将控制系统与扫描头模块化, 便于自动化系统的集成, 并能通过不同的应用工艺进行升级, 具有极强的柔性。
③由于激光的单色性极高, 从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上, 从而可以得到很高的功率密度。
由于激光有很高的相干性, 从而保证了光波各个部分的相们关系不变。
二 激光技术应用
用激光束对材料进行各种加工, 如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光加工技术应用主要如下:
1.激光打孔
采用脉冲激光器可进行打孔, 脉冲宽度为0.1～1毫秒, 特别适于打微孔和异形孔, 孔径约为0.005～1毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。
2.激光切割、划片与刻字
在造船、汽车制造等工业中, 常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割, 既能保证精确的空间曲线形状, 又有较高的加工效率。对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。在微电子学中, 常用激光切划硅片或切窄缝, 速度快、热影响区小。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记, 并不影响流水线的速度, 刻划出的字符可永久保持。
3.激光焊接
激光焊接强度高、热变形小、密封性好, 可以焊接尺寸和性质悬殊, 以及熔点很高 (如陶瓷) 和易氧化的材料。激光焊接的心脏起搏器, 其密封性好、寿命长, 而且体积小。激光热处理用激光照射材料, 选择适当的波长和控制照射时间、功率密度, 可使材料表面熔化和再结晶, 达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度, 可以选择和控制热处理部位, 工件变形小, 可处理形状复杂的零件和部件, 可对盲孔和深孔的内壁进行处理。例如, 气缸活塞经激光热处理后可延长寿命;用激光热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料。
4.微细加工
激光的微细加工是一门新兴的科学。它是一种具有亮度高、方向性好等特点, 因此在理论上可以急剧熔化和汽化各种材料。激光微细加工几乎对所有金属和非金属材料及复合材料都可以加工。主要应用于有打孔、焊接、光刻等。其单位可达到微米级。例如, 利用激光束可去掉高速旋转陀螺转子上不平衡的微小过重部分, 以达到使惯性轴和旋转轴相重台的动平衡的目的。
三 激光加工的发展前景
激光加工在制造业中有着不可或缺的地位, 因其有优于其它的加工技术。同时未来激光技术将围绕技术普及、不断提高、多学科交叉三个方面加快发展。首先, 在更多加工的领域实现应用, 随着各种激光发射器及相关设备技术研制的成熟和市场化, 激光在科学研究、人民生活、国民经济等方面都会有新的成就。其次, 激光将跃上更新更高的台阶, 在功率提升、波长延伸、能量与速递增长等方面创新研发水平。另外, 激光技术将在物理、化学、材料、生物、医疗、农业、信息技术等领域得到广泛的交叉学科应用, 成为科技前沿发展的“锐器”。通过不断的调研, 院校与相关企业进行产学研合作之路, 能够有效推动科研成果的产业化和商业化, 为国家培养大批量的激光技术人才, 使我国的激光产业带不断扩大, 从而实现民族的产业复兴。
参考文献
[1]张辽远, 现代加工技术。北京:机械工业出版社, 2010.7
[2]宋威廉, 激光加工技术的发展。北京:机械工业出版社, 2009.3
[3]曾智江, 朱三根, 微细技工技术的研究。北京:高等教育出版社, 2011.12
激光切割的数控加工特点 篇8
关键词：激光切割,数控加工,特点
1 数控加工工艺分析
结合实际情况, 如一些大型的汽轮发电机项目, 磁极冲片较大, 板材的余料每边仅能剩下5mm, 即使制造出模具在冲床上加工的话, 毛刺多, 板材薄易变形, 极易产生废件, 所以激光切割是最好的选择。激光切割集合了智能化、精确化、通用化、简单化等特点, 是数控加工的必备条件, 也是在新时期、新时代更好发展的有利因素。
2 激光切割的特点
2.1 激光切割之所以精确是因为它基于“全飞行光路”原理, 并配置TRUPFTLF激光器平面, 配西门子840D数控系统。
它是完成数控加工的首要条件。激光切割是一种以激光为能源的无接触加工技术。激光束经聚焦其能量密度高达105-108瓦/平方厘米, 足以汽化、熔化多种工程材料。在切割黑色金属时同时吹喷氧气, 氧气与金属氧化反应, 释放大量热能促使金属进一步熔化, 同时高速气流可以排除切缝中的熔渣。因此激光切割具有切割速度快、材料变形小, 精度高、噪音小等优点。
以L3050激光切割机为例, X轴最大行程为3140mm, 利用伺服电机运动, Y轴最大行程1580mm, 利用磁悬浮系统运动。适用于加工各种型号工件, 有大的行程, 又有传动的精确性是保证质量的前提。同时, 还配有To Ps100编程软件, 针对于激光切割机的专用软件。图1中虚线为激光束关闭情况下的路线, 实线为切割路线 (即要得到的工件) 。To Ps100以最优化的形式安排加工路线, 这样避开了重要配合部分作为起割点和结束点, 与此同时也节约了时间, 从这一点上更好的体现了它的智能化。
2.2 必须要求加工部件为全封闭图形, 这样能保证图形从板材上剥离开来。
我们利用UG软件的草图功能制图, 通过对所有线条的约束, 使图形完全封闭, 避免了加工中出现的问题。图1磁极冲片分成六瓣, 每一瓣都是一个封闭多边形, 孔是单独的封闭圆形, 这样激光可以连续进行加工;
2.3 ToPs100特有的几种文件格式为GEO、TAF、JOB, 加工中要进行排样, 后置处理等等操作时, 这些文件是不可或缺的。
但同时ToPs100具有通用性, 用AutoCAD或UG制图后, 可以生成dxf、dwg、igs文件, 导入到ToPs100中, 再进行加工操作就可以了。ToPs100提供的是简单的制图功能, 所以这一功能是必须具有的。
2.4 交互式排样:
软件操作方式的定义对于软件的使用性能有至关重要的作用, 本系统的操作主要包括:选入零件、删除零件、选中零件、移动零件、旋转零件和翻转零件。通过交互排样, 可以对自动化排样后不合适的零件进行调整, 直到满意为止。加工件并不都是规则图形, 板材尺寸形状的不同, 就决定加工数量、摆放方式的不同。怎样才能最充分的利用材料, 就需要编程人员细心地测量, 在电脑上模拟, 才能得到最优化的排样模型。图1中的磁极冲片尺寸为长2416mm、宽900mm, 而料为2500mm×1000mm×3mm的Q235钢板, 每张钢板上只能加工出一片磁极冲片, 剩余了一部分料可以分割出来以备加工小的零部件, 其加工顺序为孔、各型, 最后将未加工部分分离出来。
手工排样就是将不规则的单个工件进行旋转、移动等操作后, 最合理的利用材料, 如图2。我们可以通过以下这两个表格了解一些情况:
表1中, 主要说明板材的大小、重量, 切削的总长度为14619.2mm, 剩余材料占整张板的38.60%, 通过排样了解到这已经是最省料的加工方式了, 使余料能最大限度的成为一块料, 以便加工其它单个小工件。
表2中, 主要说明单件的尺寸、面积、重量、数量, 单件切削时间0.30min, 单件切削长度2100.54mm。
排样是激光切割加工中最为重要的一个环节, 同样成为数控编程过程中的难点。最为合理的利用板材是要通过编程人员不断地模拟实验, 参数反馈, 才能实现的。
2.5 编程中需要设置加工材料的尺寸、厚度、机床的功率、使用何种切削气体等等, 这些参数都会从程序中反映出来, 传输给激光切割机的。
具体分析如下:
2.5.1 材料
主要有三种类型:不锈钢、铝合金和碳钢板。不锈钢和铝合金一般采用的切割气体是N2和压缩空气, 而碳钢板通常则采用O2。这样能保证最好的切削效果, 避免切不断、切缝不光滑的情况发生。
2.5.2 厚度
激光切割机加工材料的厚度一般在0.5mm-8mm。板材越厚, 其实际功率越大, 压强越大, 切削速度不易过快。
磁轭冲片尺寸为2900mm×900mm×3mm的Q235钢板, 下料尺寸为2950mm×950mm×3mm。由于此磁轭冲片尺寸过大, 板材太薄, 极易发生变形。试加工过程中发现了问题, 经过研究, 发现引起变形的原因是由应力引起的。怎样去除应力, 便成了一件棘手的问题。通过不断的实验, 最终采用了先去除边角来释放应力, 再进行加工的方法, 这就给编程出了一个难题, 对后置进行手工调整便迎刃而解。
2.6 后置处理
激光切割后置程序处理, 与车床、铣床的后置程序处理的最大区别在于Laser on和Laser off (即开激光和关闭激光) 。激光与其它刀具一样, 开激光时接触工件就进行切削, 关闭时就进行跨越指令。在To Ps100中, 有一个数据库存放着材料、板厚、切割气体的所有参数, 生成后置时, 直接加入到程序当中去。但是图3的磁轭冲片, 加工前要求先释放应力, 此程序没办法一次生成, 只能通过手工调整子程序顺序来完成预期的目标。
3 结束语
关于激光扫描测量设备现状的研究 篇9
关键词：激光扫描测量设备,产品现状,设备性能,地形测量
测绘是一项关系国计民生的重要工作, 工作任务繁重且工作环境艰苦。随着近年来高学历的专业技术人才的加入, 在一定程度上缓解了因人员缺少带来的生产压力。伴随着测绘科学技术的飞速发展, 测绘设备落后成为制约专业队伍发展的主因。据调查, 目前生产激光扫描仪的公司众多, 典型的有瑞士的Leica公司、美国的3D Digital公司和Polhemus公司, 加拿大的Op Tech公司、瑞典的Top Eye公司、奥地利的Riegl公司等, 在实践中得到广泛应用。
1 产品现状
激光扫描系统产品的种类繁多, 不同产品在不同的工程领域的使用各有优势。按照不同的行业使用要求、工作原理等进行分类。
1) 按照扫描运行平台划分:机载型激光扫描系统;地面型激光扫描系统 (移动式扫描系统和固定式扫描系统) ;手持型激光扫描系统。机载型激光扫描系统是在小型飞机或直升机上搭载, 由激光扫描仪、成相装置、定位系统、飞行惯导系统、计算机及数据采集器、记录器、处理软件和电源组成。适用于大面积区域测量和国家框架基础大地测量工作。地面型激光扫描系统是一种利用激光脉冲对被测物体进行扫描, 可以大面积、快速度、高精度、高密度的取得地物的三维形态及坐标的一种测量设备。一般在工程建设、考古等行业使用较多, 尤其适合高陡峡谷的测量工作。手持型激光扫描系统多用于采集小型物体的三维数据, 一般配以柔性机械臂使用。适合于机械制造与开发、产品误差检测、影视动画制作与医学等领域。
2) 按照激光光束的发射方式划分:灯泡式扫描仪 (图1) ;三角法扫描仪 (图2) ;扇形扫描仪 (图3) 。
3) 按照扫描仪测距原理划分:基于时间漂移原理 (Time-of-flight) ;基于相位原理 (phase measurement) ;基于激光雷达或光学的三角测量原理 (Optical triangulation, Laser Radar) 。
2 设备性能对比
瑞士徕卡Scan Station2、加拿大Optech ILRIS 36D和奥地利Riegl LMS 3个公司的激光扫描设备目前是行业中使用较多的, 尤其在硬件性能和设计上各具特色, 以其测程远、点精度高和扫描速度快而受关注。在软件方面, 因设备测量技术不同, 均自带的适用软件, 设计理念不同, 对不同行业数据处理要求各异。三款激光扫描设备主要性能和指标对比见表2。
在数据后处理软件方面, 因其硬件设施的不同在软件设置中有很大的不同, 但其均可以导出适宜绘图的通用格式文件, 便于后续完美编辑处理。徕卡Scan Station2采用随机Cyclone软件, 该软件对点云数据库管理强大, 速度快, 管理点云数据量大, 硬件要求相对较低, 兼容其它扫描数据性能差。Optech ILRIS 36D采用的是第三方Polyworks 8.0软件, 该软件功能强大, 数据兼容性好, 数据处理通畅, 但基于文件管理, 数据调入速度慢, 管理点云数据量相对要小, 硬件设置要求高。
Riegl采用随机Riscan Pro控制软件, 本软件在数据点云管理上、速度等方面具有明显优势, 内业处理短时间内就能够完成多站点、同步拼接激光扫描数据和数码影像数据, 并计算出拼接的误差。快速将3D激光点云进行数码影像着色, 生成3D彩色激光实景。若借助于第三方的Phidias、Geomagic、Poly Works等软件配合使用, 其可应对海量点云数据的繁琐处理, 并根据不同的要求, 提供多种通用数据格式的包括点云模型、表面模型、纹理模型、CAD模型等成果在内的多种数据成果。并生成三角测量网 (TIN) 和数字等高图 (DEM) , 正射影像图 (DOM) , 进行各种体积、面积、长度等计算。
3 行业应用
在水利水电行业中, 成勘院、华东院、长江水利委员会、四川水利水电设计院等生产单位和高校科研单位已经拥有地面或航空使用的激光扫描测量设备, 在水利水电建设和科研中发挥了巨大作用, 取得了大量的地形测量、变形监测等测绘成果资料, 积累了丰富的工作经验。很多成功的工程实例应用了该技术, 如江西长江棉船洲崩岸治理段地形扫描;溪洛渡水电站左岸缆机平台变形测量 (一期) ;甘肃小海子水库溃坝现场测量;北京废旧矿山地形测量 (100处) ;怀柔、昌平、海淀、密云、平谷等地废弃矿山地形测量 (300处) ;河北迁西潘家口水库脖子梁副坝地形测量;河北涞源某尾矿坝地形测量;山西朔州平朔煤矿1厂地形测量;堰塞湖堰塞坝地形测量;某坝溃坝过程监测及三维模型建立鸭绿江部分河段地形测量;北京永定河河道地形测量;力求河部分河段地形测量和裂隙统计分析等。可为设计部门提供三维点云模型及三维等高线, 并在软件基础上开发小模块程序, 为地质专业在点云模型上进行地质产状面的计算及解译一些地质要素提供便利。
4 Riegl激光扫描在水电地形测量中应用
Riegl激光扫描系统采用全回波数字化技术, 可以穿透稀疏树林中树木阻挡, 扫描速度快, 10秒钟粗略扫描360度全景, 精度与距离完美结合, 优于2mm (100m的距离) 的距离精度, 便携计算机操作控制。
依托黄河拉西瓦水电站果卜地形测量项目, 借助奥地利Riegl公司生产的型号分别为LMS-Z620 (测程2公里) 和LMS-Z420i (测程1公里) 的激光扫描设备, 采用Riegl不同型号的激光扫描设备分别对拉西瓦生活区南面山体和果卜地形进行激光扫描测量。
对本次测量的检查数据差异按照地形图1/3、2/3等高距进行分类统计, 统计情况见表3。
通过地形检验的统计, 发现本次测试并不理想, 果卜岸坡部分高程差异较大, 究其因可能是由于以下原因造成的:扫描期果卜山下没有输入实地的气压、温度值;标靶归心点未能与控制点重合, 且标靶距离太近;由于工地风大, 仪器在扫描测量过程中可能存在摆动情况。由于测试指导的技术人员未能完全掌握该设备的测量技术。经过本次测试应用, 并对Riegl两种型号的测量性能对比如表4, Riegl的各样性能基本能达到厂方标称的性能。但设备装箱体积大, 重量大, 在高山陡坡地区搬运比较困难。
指标评价是在面积及难度等同的前提下, 按时间效率、经济效益、劳动程度等进行衡量。以果卜地形测量为例, 传统测量与激光扫描测量两种模式所投入人员产生的工作时长对比如表5。
激光扫描测量技术在地形测量中发挥了巨大作用, 降低了工作人员的劳动强度, 大大缩减外业作业时间, 提高了工作效率, 保证了测量的高精度。利用此设备其效率是传统测量工作的数倍, 缩短测量周期, 降低外业生产成本, 取得了显著的经济效益。
5 结语
激光扫描设备已经成为众多测绘单位选择的对象, 今天的激光扫描仪就如同过去的GPS一样, 必将成为测量行业发展的必需品。
实践是检验真理的唯一标准。目前市场上流行的主流激光扫描设备众多, 但因使用行业不同而有差异。就目前工程建设测量使用情况来看, 奥地利公司的Riegl长距离地面扫描产品使用较多。结合本次对Riegl扫描设备的测试, 认为该设备在测量速度、远距离等性能方面的确优势明显, 但在纹理等方面不如加拿大的Optech, 软件性能各有所长。
参考文献
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[4]张国辉基于三维激光扫描仪的地形变化监测[J]-仪器仪表学报2006 (27)
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[7]王冬.卢秀山.张占杰.RIEGL LMS-Q140i-80激光扫描仪精度评定[J]-测绘科学2006, 31 (5)
激光加工设备 篇10
科学技术的发展对机械零件及其加工刀具材料提出了非常苛刻的要求, 常需要如精细陶瓷、石英、硅以及各种高合金钢等具有高硬度、高强度、高韧性、高脆性的非金属与金属材料, 这些材料属于难加工材料, 它们的特点是切削过程中切削力大, 不易产生剪切变形, 难以利用普通的机械方法进行加工[1], 因此激光加工等特种加工技术就在这类难加工材料的制造中发挥了重要作用。
1 激光与化学复合加工机理简析
目前, 激光铣削已经在一些精密器件加工中获得应用[2]。但单纯激光铣削存在以下问题:一方面, 由于它是利用激光逐点烧蚀加工工件, 所以加工效率较低;另一方面, 因为激光铣削过程中有熔体的喷溅, 铣削表面存在大量熔渣, 当采用提高激光功率密度的方法来提高激光铣削的速率时, 会因表面温度梯度大而产生较大的热应力, 很容易在材料表面产生微裂纹[3]。这两个因素造成激光铣削表面质量较差。
化学刻蚀主要用于较大工件的金属表面厚度减薄加工以及在薄壁零件上加工复杂的型孔, 不适宜加工窄而深的槽和型孔等[4]。
激光与化学复合刻蚀加工是一种新兴复合加工技术, 在加工过程中, 既有激光能量对工件材料的烧蚀作用, 又有腐蚀液对激光加工产生的熔渣的溶解作用。此外, 更重要的是在复合加工中激光与化学腐蚀的耦合作用, 即当激光照射金属材料表面时, 光能被吸收后转化为热能使腐蚀液温度迅速升高, 从而可以加速腐蚀液与熔渣的化学反应;同时腐蚀液离材料界面越近, 温度梯度越大, 这种温度平衡的打破产生强烈的微对流, 把更多的反应离子带到光照区, 而反应产物则被带离光照区, 使加工区域的溶液不断得到更新, 因此大大提高了化学反应速度[5]。
2 试验装置与方法
加工试样选用YG6硬质合金、W18Cr4V高速钢以及1Cr18Ni9Ti不锈钢三种难加工材料。试验采用的设备是HGL-VIB型激光加工系统。该系统采用的是Nd:YAG固体脉冲激光器, 其主要性能指标如下:平均功率为300W, 功率密度为1MJ/cm2, 波长为1.06μm, 重复频率为0～100Hz且连续可调, 脉冲宽度为0.1～20ms且连续可调。激光输出能量为焦耳级, 其大小通过调节泵浦灯电源电压来控制。加工时采用氧气作为辅助气体, 气压为0.5MPa, 激光喷嘴直径为1.5mm。以H2SO4、HNO3和HCl等为腐蚀液, 利用图1所示的试验装置, 在激光加工的同时向试样加工区注入腐蚀液, 实现激光铣削与化学刻蚀的复合加工。
利用该复合加工方法在试样上一次性加工出直径为4mm的圆形型腔。在试验中以试样加工前后的重量变化值作为蚀除量值, 根据在各种参数下加工得到的蚀除量值, 分析激光工艺参数和腐蚀液参数对复合加工蚀除量的影响规律 (限于篇幅, 且考虑试验结果的显著性, 以下均选加工材料为W18Cr4V高速钢的样件) 。为了能以蚀除量反映加工效率, 每一组试验中几个试样的加工时间相同, 且激光束与试样的相对运动轨迹等辅助条件一致。
3 试验结果与分析
激光铣削与化学刻蚀复合加工的蚀除量主要由激光工艺参数 (脉冲能量、脉冲宽度、重复频率、扫描速度等) 和腐蚀液参数 (成分、质量分数、流速等) 共同决定。
3.1 腐蚀液对复合加工蚀除量的影响
3.1.1 腐蚀液成分对加工蚀除量的影响
在激光与化学复合刻蚀加工试验中, 首先研究不同的腐蚀液对复合加工效果的影响, 以寻求加工效率较高的腐蚀液进行加工试验。由于在氧气辅助的情况下激光加工高合金钢生成的产物主要是金属氧化物, 所以选用的腐蚀液为H2SO4、HNO3和HCl等无机强酸。在相同的加工参数 (重复频率为50Hz, 脉冲宽度为0.5ms, 扫描速度为50mm/min, 腐蚀液流速为5mL/min、质量分数为10%) 下, 改变激光能量得到的三种腐蚀液对复合加工蚀除量的影响规律如图2所示。由于激光脉冲能量的大小是通过调节泵浦灯电源电压来控制的, 为了方便直观, 下文直接利用泵浦灯电源电压作为衡量激光脉冲能量大小的指标。
1.以HCl为腐蚀液 2.以H2SO4为腐蚀液3.以HNO3为腐蚀液
通过试验发现, 三种腐蚀液 (HCl、H2SO4、HNO3) 对复合加工蚀除量的影响并没有太明显的差别, 变化规律基本相似, 但总体上是以HCl为腐蚀液时加工效率最高。并且在加工过程中, 前两者尤其是H2SO4, 受激光加工过程中产生的热量的影响, 挥发出刺鼻的气味。结合三者对加工表面质量影响试验的结果可知, 以HCl为腐蚀液时, 试样的加工表面质量最高, 因此, 以下的加工试验都是以HCl为腐蚀液。
3.1.2 腐蚀液质量分数对加工蚀除量的影响
图3是在一定加工参数 (电源电压为440V、脉冲宽度为0.5ms、重复频率为50Hz、扫描速度为60mm/min、腐蚀液流速为5mL/min) 下, 腐蚀液质量分数对复合加工蚀除量的影响关系曲线。由图3可见:当其他参数一定时, 复合加工蚀除量随着腐蚀液质量分数的增大而增大, 当质量分数增大到一定程度时, 其增加速度变缓。
腐蚀液质量分数的增大导致蚀除量增大的原因是:一方面, 在一定温度下, 增大反应物的质量分数可以增大反应速度。根据活化分子的概念[6], 在一定温度下, 对于某一化学反应来说, 反应物中活化分子百分数是一定的。增大反应物质量分数时, 单位体积内活化分子总数增多, 故使反应速度增大, 因此腐蚀液质量分数的增大会增强其与熔渣的反应能力, 从而减少熔体在加工面的凝结。另一方面, 复合加工的蚀除量又主要由激光工艺参数所决定。当激光工艺参数一定时, 试样材料被激光加工生成的熔渣量也就一定, 这些熔渣在腐蚀液质量分数值达到18%时, 基本都被腐蚀液所溶解, 因此腐蚀液质量分数高于18%之后复合加工蚀除量变化较小。当腐蚀液质量分数为零即注入水溶液时, 复合加工的蚀除量很小。
3.1.3 腐蚀液流速对加工蚀除量的影响
图4是在一定的加工参数 (电源电压为440V、脉冲宽度为0.5ms、重复频率为50Hz、扫描速度为60mm/min、腐蚀液质量分数为5%) 下, 腐蚀液流速对复合加工蚀除量的影响关系曲线。
由图4可见:复合加工蚀除量随腐蚀液流速的增大而增大。这是因为腐蚀液流速越快, 在加工时间内, 从加工表面流过的腐蚀液量就越多, 腐蚀液和熔渣进行离子交换的几率就越大, 反应速度越快, 并且反应产物可以被即时带走;同时流速越快对熔渣的冲击力越大, 可以将极细微的颗粒在冷却凝结前冲走, 从而减少了加工面熔渣的凝结。但流速值过大 (6mL/min以上) 时, 复合加工蚀除量的增速减慢。
3.2 激光工艺参数对加工蚀除量的影响
3.2.1 激光脉冲能量对加工蚀除量的影响
激光脉冲能量是显著影响激光加工速率和表面质量的工艺参数。当其他加工参数 (脉冲宽度为0.5ms, 重复频率为50Hz, 扫描速度为60mm/min, 腐蚀液流速为5mL/min、质量分数为5%) 一定时, 激光脉冲能量对复合加工蚀除量的影响关系曲线如图5所示。
结果表明, 激光脉冲能量越大, 复合加工蚀除量越大。这是因为激光脉冲能量越大, 激光形成的单孔越深, 从而由密集孔群组成的激光加工图形深度越深;同时, 激光能量越大, 激光对腐蚀液的耦合作用越强, 腐蚀液与熔渣的化学反应速度越快, 因此溶解的熔渣就越多, 从而复合加工的蚀除量越大。在低能量的情况下 (电压低于400V) , 由于激光对试样的加工量比较小, 因此复合加工蚀除量的变化并不明显。
3.2.2 激光扫描速度对加工蚀除量的影响
当其他加工参数 (电源电压为440V, 脉冲宽度为0.5ms, 重复频率为50Hz, 腐蚀液流速为5mL/min、质量分数为5%) 一定时, 激光扫描速度对复合加工蚀除量的影响关系曲线如图6所示。从图6中可以看出, 在复合加工时, 激光扫描速度越快, 加工蚀除量越小。这主要是因为随着激光扫描速度的增大, 单位体积注入的激光能量降低, 激光的光斑重叠度和试样的温升都随着激光扫描速度的提高而降低, 所以激光对材料的加工量减小;同时, 激光扫描速度越快, 对试样复合加工的时间越短, 从而腐蚀液与熔渣反应的时间越短, 因此被溶解的熔渣越少, 则复合加工蚀除量越少。但激光扫描速度过快时 (120mm/min以上) , 复合加工蚀除量变化并不明显。这是因为当激光扫描速度过快时, 加工时间过短, 生成的熔渣被溶解的就很少, 从而加工表面都有较多的熔渣没有被溶解, 所以加工蚀除量也较少。要想得到较高的加工效率, 激光扫描速度应该控制在60mm/min以下。
3.2.3 激光脉冲宽度对加工蚀除量的影响
图7是当其他加工参数 (电源电压为440V, 重复频率为50Hz, 扫描速度为60mm/min, 腐蚀液流速为5mL/min、质量分数为5%) 一定时, 激光脉冲宽度对复合加工蚀除量的影响关系曲线。
此结果表明:在保持其他加工参数不变的情况下, 复合加工蚀除量随脉宽的变化非常明显。脉宽越大, 加工深度越深即加工蚀除量越大。这主要是因为在相同的电源电压下, 脉宽越大, 激光能量越强, 腐蚀液将激光生成的熔渣溶解, 则复合加工蚀除量越大。
3.2.4 激光重复频率对加工蚀除量的影响
当其他加工参数一定 (电源电压为440V, 脉冲宽度为0.5ms, 扫描速度为60mm/min, 腐蚀液流速为5mL/min、质量分数为5%) 时, 激光重复频率对复合加工蚀除量的影响关系曲线如图8所示。
由图8可以看出, 随着重复频率的升高, 复合加工蚀除量是先增大后减小的。这是因为:激光重复频率越高, 激光光斑重叠度越大, 一系列部分重叠的激光光斑在试样上形成的密集孔群组成的图形深度越深。同时, 激光重复频率越高, 在相同时间内激光作用于试样的脉冲数就越多, 可以延长激光作用区处于较高温度的时间, 更容易使试样熔化和气化, 试样的激光加工深度也就越深。但由于激光重复频率较大时脉冲激光之间的时间间隔较短, 腐蚀液没有充足的时间与熔渣进行反应, 熔渣生成的速度过快, 此时加工面上没有被溶解的熔渣较多, 蚀除量就较少。当重复频率为30Hz时, 既有一定的加工量, 又有较充足的时间间隔将生成的熔渣溶解, 因此此时复合加工蚀除量最大。
4 复合加工与激光铣削的蚀除量对比分析
在相同的激光工艺参数下 (脉冲宽度为0.5ms, 重复频率为50Hz, 激光扫描速度为60mm/min, 腐蚀液流速为5mL/min、质量分数为5%) , 复合加工与单纯激光铣削下的激光脉冲能量与加工蚀除量之间的变化曲线如图9所示。可以看出, 与复合加工的蚀除量相比, 单纯激光铣削的加工蚀除量很小, 甚至加工后的试样质量还有所增加;同时, 随着激光能量的变化, 加工蚀除量的变化幅度很小。这是因为在激光照射下, 试样材料与氧气发生氧化反应生成氧化物 (即熔渣) , 这些氧化物大多都堆积在加工表面上, 只有少部分从表面喷溅出去, 从而加工蚀除量都很小。在某些参数下加工时, 激光生成的氧化物质量甚至大于熔体喷溅而减少的质量, 因此试样总的质量增加, 致使单纯激光铣削蚀除量的值为负值。
1.复合加工 2.单纯激光铣削后去除熔渣3.单纯激光铣削
根据国内外有关激光铣削的研究报道[7,8], 通常激光铣削后是通过手工的方法将生成的熔渣去除 (不过比较困难) 。将单纯激光铣削熔渣去除后得到的加工蚀除量变化曲线如图9所示。从图9中可以看出, 其曲线和复合加工蚀除量的变化曲线呈现出相似的变化规律。但在加工蚀除量上, 与复合加工相比, 单纯激光铣削熔渣去除后的值较小;同时, 随着激光能量的增大, 单纯激光铣削加工蚀除量的增长速度比复合加工的增长速度要小得多。这是因为在单纯激光铣削时, 熔渣沿着激光扫描曲线凝固在试样加工表面, 有部分激光能量被熔渣所吸收, 从而作用于材料上的加工能量有所减弱;同时, 部分熔渣紧紧黏附在加工表面无法利用手工方法去除, 两者共同造成单纯激光铣削的蚀除量值较小。
从图9可以看出, 复合加工的蚀除量较大, 并且随着激光能量的增大, 加工蚀除量的增长速度变大。因为在复合加工时, 激光加工的生成物大部分在凝固前即被腐蚀液溶解或冲走, 只有少量的熔渣附着在试样加工表面, 激光能量几乎全部被试样材料所吸收, 从而作用在试样上的加工能量就较大, 因此复合加工的蚀除量较大。
5 复合加工表面质量初步分析
按照一定的工艺参数 (电源电压为420V, 脉冲宽度为0.5ms, 重复频率为50Hz, 激光扫描速度为1mm/s) 分别利用单纯激光铣削和复合加工的方法对试样进行盲孔加工。利用体视显微镜进行观察 (图10) , 可以看出, 复合加工后的表面上激光与材料作用产生的熔渣大部分被腐蚀液所溶解, 虽然还存在一定量的熔渣, 但与激光铣削加工相比, 该复合加工方法对熔渣的去除效果非常明显, 即激光和化学刻蚀复合加工在提高加工效率的同时也提高了加工表面质量。
6 结束语
采用激光铣削与化学刻蚀复合加工方法加工难加工材料, 在提高加工效率的同时可以克服激光烧蚀后试样表面存在过量熔渣等导致表面质量不理想的缺点。激光工艺参数 (脉冲能量、脉冲宽度、重复频率和扫描速度) 以及腐蚀液参数 (成分、质量分数和流速) 对加工材料的蚀除量均有显著影响。
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基于光纤耦合的激光引信测试设备 篇11
激光引信是随着现代作战环境的变化和激光技术的迅猛发展而出现的一种近炸引信, 目前已广泛应用于空空、地空等导弹中[1,2]。为了能够测量激光引信激光发射功率和对激光回波的响应能力, 要求激光引信测试设备能够实时模拟激光回波, 并对激光回波的功率和引信的响应进行测量, 激光回波应能满足激光引信时序要求。
目前, 激光引信测试设备采用的是发射机和接收机分别测量的方法。当前实用化的激光光束参数测量仪基本采用图像式设计, 即用CCD图像传感器采集光斑图像, 通过图像采集卡送入PC机, 并通过对光斑图像光强分布的分析得出各种参数值[3]。接收机测量系统则是由标准辐射源产生标准信号, 接收机接收辐射信号, 输出信号经放大后输入到示波器及其他相关仪器中进行数据分析。这种方法需要较大的光学平台, 而平台价格昂贵, 同时又不能很好地模拟激光引信的回波信号。
本研究设计的激光引信测试设备采用基于光纤耦合半实物仿真方案, 将激光引信输出激光耦合到光纤中, 经过处理后再送入激光引信的接收机;最后, 对该系统进行试验以验, 证优化的光纤耦合设计能够达到较高的测试精度。
1 激光引信原理及测试方法选择
激光引信是利用激光束探测目标的引信, 一般激光引信的组成包括激光发射机、激光接收机、信号处理电路和执行级电路组成[4]。空空导弹上使用的激光引信的激光发射机一般采用一定重复频率的脉冲激光。当目标被激光发射机照射, 并位于接收机视场内时, 激光接收机的探测器接收到部分目标漫发射光, 经光电转换, 将其转换为电信号。接收机的放大电路对电信号进行放大后、将其转换为数字信号送给信号处理系统。信号处理系统根据回波信号进行目标识别和干扰识别, 当符合近炸引炸条件后, 系统给出引炸信号给执行级;执行级进行功率驱动后, 输出战斗部点火信号[5]。
1.1 激光发射机
空空导弹激光引信通常采用主动发射接收系统、窄脉冲激光体制和周视近炸方式。主动发射接收方式容易实现。窄脉冲方式能够实现较大脉冲峰值功率, 而平均功率不会增加, 可以有效地提高探测距离, 增加激光器的使用寿命;同时采用窄脉冲方式可以方便地对激光进行编码, 利于实现抗干扰和目标识别算法[6]。
发射机主要参数就是发射光功率, 表征激光引信输出的激光能量大小。目前采用的测试方法有平均光功率计法和峰值功率检测法。
平均光功率计测量光功率后, 再通过转换公式得到脉冲光功率。其优点是可以采集到精度较高的平均光功率计;缺点是平均光功率计无法直接测量峰值光功率, 需要进行转换, 其测试精度受到脉宽和重复频率的精度影响。
峰值检测法使用光电传感器接收激光信号, 并将其转换为相应的电流信号;利用前置放大器完成电流信号到电压信号的转换;主放将其放大到合适幅度, 输出到A/D或示波器等测量装置来测量信号幅度。其优点是可以实时对峰值光功率进行测量, 同时能够对脉冲宽度和脉冲频率进行测量;缺点是其测试结果受光电转换效率、光学系统衰减和放大电路增益的影响, 适用于测量精度要求较低的系统。
随着激光引信技术的发展, 激光引信输出的脉冲宽度和频率稳定性较高, 发射光峰值功率采用直接测量法, 能够达到较高的测量精度。
1.2 激光接收机
激光引信接收机系统一般包括探测器、前放、接收光学系统、主放电路等组成。
探测器接收目标的漫发射激光后, 通过光电转换将其转换为电信号, 主放电路对信号进行放大后送到比较器, 对信号幅度进行判别, 并将其转换为数字信号后送信号处理电路[7]。
激光接收机主要参数为激光引信灵敏度, 表征激光引信能够判定的最小接收光功率值。目前主要的实现途径有以下两种。
(1) 直接测量法。通过外加的可调光源, 输入到激光引信的输入窗口, 通过调节光源的功率来测量激光引信的灵敏度。这种方法的优点是光束准直性好、光功率调节简单、一致性和可靠性高。缺点是激光引信要求对输入的光信号宽度、波长、调制频率与激光引信的发射时钟同步, 且满足判别系统的要求。激光器电源设计难度大, 系统时钟同步难度大。
(2) 激光耦合半实物仿真测量。通过光学系统将激光引信发射出来的激光经过衰减后, 送入接收窗口[8]。这种方法的优点是光信号的特征满足判决系统的要求, 而且产品较为成熟, 减少了设计风险, 能最好地模仿实际的目标回波特性。但这种方法的测试精度受到激光耦合光纤的效率和光学系统衰减的影响, 要想提高测试精度, 必须要提高激光耦合光纤的效率。
2 设计方案
发射功率和接收灵敏度测试方法确定后, 总体的设备框图如图1所示。
设备由光学平台、电动旋转台、控制系统、发射光功率光学测试单元和灵敏度光学单元组成。
发射光功率测量采用将光功率探头通过对准机构对准引信的发射窗口的方法进行测量。
灵敏度的测量采用半实物仿真的方法, 通过分光棱镜得到输送到引信接收窗口的准确光功率值。通过调整可调衰减器, 得到激光引信能够正常反应的最小输入光功率值, 从而完成灵敏度的测量。
电信号的测量通过控制系统将信号切换到示波器的不同通道进行电压和频率的测量。
电动旋转台实现引信多个窗口的切换。
2.1 发射光功率测量单元
激光引信输出激光的位置精度由装配位置保证, 其精度不高。激光光功率探头的光敏面一般较小, 激光信号不能完全汇聚到探头的光敏面上。为提高测试精度, 本研究将功率探头放置在3个轴向的调整机构上。Z轴调整探头与发射窗口的距离, 在测试时紧贴产品;X、Y轴调整偏转方向和位置, 保证激光全部落入光功率探头中。
2.2 灵敏度测量单元
灵敏度测量单元的系统图如图2所示。发射耦合透镜将发射激光耦合到光纤中, 并在两者之间加上两片衰减片来进行定量衰减。光纤输出的激光通过分束棱镜分为两束, 一束经过准直物镜将激光束进行准直后, 送入产品接收窗口;另一束通过准直物镜和聚光镜将激光汇聚到光功率探头的光感面上。
这套系统的难点在于如何提高将发射激光耦合到光纤的耦合效率和如何实现准确的衰减。
2.2.1 激光耦合光纤设计
当光由空气传输至光纤时, 根据全反射的条件, 只有当入射角超过临界角时, 才会发生全反射, 只有满足这一条件, 光才能在光纤中传播。根据文献记载, 要求最大的入射角应满足[9]:
式中:amax—最大的入射角度, n1—纤芯的折射率, n2—包层的折射率。
定义数值孔径NA=sin amax, 以表征光纤收集光纤的能力。定义孔径角为2amax, 只有在孔径角的圆锥内的光线才能在光纤中传播。
激光引信采用半导体激光器输出激光, 输出光不是均匀的平面波, 而是一种曲率半径和曲率中心都发生改变的非均匀球面波, 通常称为高斯光束[10], 其传播特性符合[11]:
式中:E (x, y, z) —点 (x, y, z) 处的电矢量, W (z) —z点处的光斑半径, R (z) —z处的波阵面曲率半径, φ (z) —与z有关的相位因子。
其中:
式中:W0—高斯光束的束腰, 是高斯光束的特性参数。
当W0确定后, R (z) 和W (z) 等参数按z值变化并呈特定的函数关系, 因此当高斯光束的束腰确定后, 其高斯光束的传播特性就确定了。
光束在束腰处的光斑半径W0最小, W (z) 随z值的增大而增大, 这表示光束逐渐发散。
当z=πW0/λ时, 则近场发射角为:
通常z=0到此的距离称为高斯光束的准直距离, 在此范围内光束发散角最小。
要想提高激光引信输出激光光纤耦合的效率, 需要将聚光镜放置在激光引信的输出激光束腰处, 聚焦后的光束腰斑应落于光纤端面上, 且入射激光束、耦合透镜和光纤三者的光轴必须同轴。
耦合光路设计如图3所示。
激光引信光学系统受结构限制, 激光管芯位置安装精度较低, 为提高耦合效率, 将激光耦合放置在一个六维调整平台上。
两维位移X、Y实现了水平两维调整, 上面放置高度位移台, 进行Z方向的调整, X、Y、Z都具有非常高的调整精度, 以保证聚焦后的光束腰斑落在光纤端面上。转台和水平调整台位于高度位移台上方, 通过调节其上的细纹螺杆, 实现镜筒的空间角度旋转 (θX、θY、θZ) , 以保证入射激光束和耦合装置以及光纤三者同轴, 从而保证光纤耦合效率的最大, 调整平台的仿真图如图4所示。
2.2.2 衰减设计
整个光路的衰减由衰减器的值、光纤耦合效率、光纤传输损耗、光学器件损耗组成。整个衰减应满足灵敏度测试需要。
光路不带衰减器的传输效率要求高于10%, 为实现对调整精度的控制, 本研究采用衰减片组合的方式来实现衰减调整, 采用单片或多片衰减片调节光强。
2.3 控制系统设计
控制系统主要由:示波器、光功率计、信号控制器、步进电机控制器和工控机组成。
工控机通过通讯接口控制步进电机控制器进行产品测试窗口切换。信号测试控制器将需要的测试信号切换到示波器的测试通道, 示波器将测试结果返回到工控机。光功率计测试激光信号, 将测试结果返回到工控机。工控机采用不同的总线接口与通用设备通讯:
(1) RS232接口。用于步进电机运转的通讯接口;
(2) USB接口。用于将采集到的光功率计读数显示在软件界面上的通讯接口;
(3) GPIB接口。用于将示波器采集到的信号显示在软件界面上的通讯接口。
测控软件采用虚拟仪器开发平台Lab VIEW进行设计, 并采用基于NI Vl SA的仪器驱动。
VISA函数可以通用于基于Ethernet、GPIB、PXI和串口等多种总线的测试系统, 使用者不必再研究各个接口总线特定的API。作为仪器I/O函数库, VISA编程与传统的I/O软件编程基本相同, 主要是通过设备的端口读写操作和属性控制, 实现与仪器的命令及数据的交换。软件流程如图5所示。
3 结果验证
为验证系统的可靠性, 本研究对系统测量结果进行了分析, 并用设备对经过校准的多个激光引信进行测试。发射光功率测试结果与真实值之间的差值小于0.025 m W, 测量精度达到测试要求。
灵敏度测试结果与真实值之间的差值都小于0.6μW, 测试精度达到要求。
接收灵敏度测试时需要进行反复调整, 本研究采用Gage R&R测量系统分析法对测试仪器重复性误差和测试者误差进行评估。具体的方法是:不同操作者对同一发产品进行反复测量, 和同一操作者对不同的产品进行测量, 以此验证测试设备的可靠性和精度。当Gage R&R小于30%, 可区分数大于4时, 表明测量系统可以接受。
本研究采用分析软件minitab对测试结果进行了测量系统分析, 得到的激光引信测试设备接收灵敏度的Gage R&R为16.71%, 可区分数为5, 表明该系统的测量结果是可信的。
分析得到的Xbar图和R极差图如图6所示。
Xbar图上控制线以外的点表示操作者始终能够区别不同的部件。R极差图表示超出在控制上、下限值为非常规值, 通常用这个图了解某些操作者是否比其他人更具有重复性。从图6中可以看出, 测量系统能够区分不同的部件, 而操作者2比操作者1更具备重复性。
从以上的分析来看, 整个系统的测试精度已经达到了设备的技术要求, 但也能看出不同的操作者进行测试时, 测试结果存在一定的差异。其主要原因是测试时需要反复调整耦合单元, 对操作者的水平和熟练程度有较高要求。
4 结束语
本研究提出了基于光纤耦合的激光引信测试设备设计方案。实验结果表明, 通过优化的激光耦合设计, 采取较小的光学测量平台和较少的测量设备, 能够达到较高的光学测量精度。
同时, 笔者发现测试设备对操作者的操作水平有较高要求, 后续研究中需要加强对操作者的培训, 收集和分析测试结果, 减少调整环节, 改善测试方法, 最终将其测试难度降低。
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