激光切割机光路系统设计

1 引言

激光切割与传统切割机床相比具有更好的加工柔性，而且加工速度快、效率高、无振动及噪声等[1]。近年来，激光切割技术正以前所未有的速度发展，每年都以15%～20%的速度增长。我国自1985年以来，更是以每年近25%的速度增长[2]。

激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，将材料快速加热至汽化温度，蒸发形成小孔洞后，再使光束与材料相对移动，从而获得窄的连续切缝[3]。激光切割的质量和精度受众多因素的影响，有一些影响因素在切割生产中是可调节的,如激光功率、切割速度、辅助气体气压、焦距和焦点位置等；另外还有一些切割影响因素是预先确定的,如激光器的性能、光束传输的光路系统等。其中，实践表明，光束传输的光路系统对激光切割质量具有重要影响。

本文结合我公司TL3015 三维激光切割机的研发项目，通过对光束的传输特性、光路系统的传输环境等方面进行系统分析，总结阐述了光路系统的设计要点和使用方法，对激光切割机的光路系统设计具有指导意义。

2 光路设计

在激光切割过程中，受到诸多因素影响，可能导致不能获得稳定的切割质量，出现切口表面粗糙、切缝宽度不一致、切口挂渣、切不透等现象。在光路设计中，要尽量排除干扰切割质量因素。其中主要应考虑两方面因素,即光束传输特性、光路系统的防护。

2.1 光束的传输特性

不同厂家的激光器产生光束的传输特性不同，其光路设计也不尽相同。光束的传输特性在设计上主要考虑两方面，即光束的发散特性以及光束的偏振特性。

2.1.1 光束的发散特性及补偿措施

由于光束具有发散特性，机床在不同行程位置切割时，光束的直径会随光束传输距离的变化而变化，其带来聚焦点的变化使切割质量不稳定。激光光束特性对聚焦点的影响，如图1 所示，光束直径越大通过透镜后得到的聚焦点将越小。为了在切割大幅面板材时保持切割范围内前后切割质量一致，需要采取一定的补偿措施。目前通常采用以下三种方案。

（1）扩束镜。如图2 所示，扩束镜是一种由凸透镜和凹透镜组成的光学系统，该装置能改变光束的大小和发散特性。扩束镜的原理是先对光束进行扩展，再将其聚焦，可以得到更小的焦点。扩束镜可以改善光束的准直特性，使得光束直径在切割范围内基本保持一致。使用该装置可以获得前后基本一致的切割质量，并可提高切缝与板材表面的垂直精度。

（2）变曲率半径镜平片（VRM）。VRM 闭环控制系统原理是：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，从而改变聚焦透镜的曲率半径。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，以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采用这种光路补偿措施。但就目前国内整体技术水平而言，难以达到预期的使用效果[4]。

（3）恒定光程系统。恒定光程是指从激光器到加工板面的光束传输距离恒定。下面介绍两种实现恒定光路的方案。①如图3 所示，该方式为单独使用一台伺服电机控制两块将光束反射回去的光学镜片来取得恒定的光路长度，参见图中U 轴处。因为光束存在束腰和发散角，不同的光程有不同的特征，如模式形状等。该方案能够实现可调的光路长度，可满足不同的光程长度的多种加工性能要求。②如图4 所示，该方式为使用一个可以旋转的光学镜片和传输光束的导光臂来取得恒定的光路长度。该方案可以使用最少的镜片来实现恒定的光路长度，而且光路的调节简单。

2.1.2 光束的偏振特性

大部分激光器发出的激光束是在垂直于传播方向的平面内光矢量只沿一个固定方向振动的线偏振光。在实际激光切割中存在着不同方向切割的切缝质量不一致、高反射率金属(铜、黄铜、铝)难以切割等问题。我们在光路设计中利用其光束的偏振特性配合使用了不同的光学镜片,很好地解决了上述问题。

（1）在激光切割实验中发现，切缝质量取决于相对于切割方向的光偏振方向。由于相对于金属切割面呈S 偏振的光比呈P 偏振的光更容易被切缝表面反射，切缝质量会在不同切割方向上产生差异。我们使用反射式相位延迟圆偏振镜片（RPR）来消除切缝的这种变化，其作用是把激光器发出的光束由线偏振光转换为圆偏振光。圆偏振光在任何光束方向上都是由等量的S 偏振和P 偏振组成的，因此在所有的轴向都会具有相同成分的偏振，无论切割方向如何，都将以均一的方式去除材料。

圆偏镜的使用安装方法如图5 所示。入射光束的偏振方向必须与传输面成45°角，且以90°角反射出去。在激光切割机的使用中圆偏镜应该尽可能靠近激光器安装，以便取得一个准确的入射角，避免入射角不准确导致切缝倾斜。

（2）在激光切割高反射率金属穿孔时，光束的一部分会被反射偏离金属表面并进入激光器腔体，引起光束模式和光束能量不稳定，从而干扰激光器的正常运行。同时其中被反射回来的光束将可能在激光器腔体内放大，然后集中于下一光束中同时照射在光学镜片上，引起光学镜片的损害。我们在切高反射率金属的过程中使用了吸收薄膜反射镜片即ATFR 镜片，其特点是对S 偏振光的高反射率（通常为 99%）和P 偏振光的低反射率（通常小于1%）。例如在切割铜、黄铜、铝时，其表面反射回来的光束将被ATFR 镜片吸收。

ATFR 镜片的使用方法：①如图6 所示，先确定激光器射出的光束的偏振方向，然后再确定ATFR镜片的安装位置，使照射到ATFR 镜片上的光束为S 偏振光。例如：射出光束水平偏振时，光束需经过ATFR 镜片向上或向下垂直反射；射出光束垂直偏振时，光束需经过ATFR 镜片向左或向右水平反射；射出光束45°偏振时，光束需经过ATFR 镜片向上斜45°或向下斜45°反射。②如图7 所示，激光切割机中需要在ATFR 镜片与切割金属之间的适当位置安装PRP 镜片。

2.2 光束的传输环境

光束从激光器射出经过气体介质的传输到达切割金属，在传输过程中会受到传输介质的影响，不良的传输介质会影响切割质量。我们分析了传输环境的各个因素对光束的影响，在设计光路中使用了净化装置和洁净密封的设计。实践证明，该设计能够很好地控制传输环境对光束的影响，并且有效减少了其对反射镜片的污染，对切割质量的提高起到了显著作用。

2.2.1 光路中的灰尘、油雾、水汽

如图8 所示，当光束通过带有灰尘、油雾、水汽的空气时，光束有部分能量会被吸收，光束的扩散角度将被扩大，从而影响最终到达切割板材的光束质量。如图9 所示，随着光束的发散角的增大，聚焦点的高度将会降低。针对上述问题，我们设计安装了灰尘、油雾和水汽的过滤装置，只有经过过滤的空气才可以进入通光管道。

2.2.2 光路中的二氧化碳

光束传输时，通道内的二氧化碳会吸收部分光束的能量使传输通道变热，同样二氧化碳也会引起光束扩散角度的扩大。切割时间越长对切割质量的影响越明显，其影响也会随着激光功率的增大和光路长度的增加而增加。

控制光束传输通道内二氧化碳比例的方法一般采用以下两种：①采用二氧化碳过滤器（也可采用吸附二氧化碳的空气干燥器），控制光束传输通道内二氧化碳的比例。②采用PSA 氮气发生器获得高纯度的氮气，使得光束在单一氮气中传输以获得更好的质量。PSA 制氮设备原理是：PSA 空分制氮设备，以空气为原料，以碳分子筛为吸附剂，运用变压吸附原理（PSA），利用充满微孔的分子筛，对空气进行选择性吸附，从而达到氧氮分离的目的[5]。当干燥纯净压缩空气进入碳分子筛时，空气中的O2、CO2和H2O被选择吸附进入分子筛的微孔中，而未被吸附的N2穿过吸附区成为输出气体。当碳分子筛吸附O2、CO2和H2O 达到饱和时，利用减压解吸将其排入大气中。如图10 所示。

2.2.3 光路通道内吹气的安装

为了获得良好的光束质量，我们在设计中尽可能保证光束传输部分的密封性，并保持光束传输部分被连续地吹入净化的空气，避免外界污染物进入传输通道内。

2.2.4 运动部件的防护

大部分厂家都使用可拉伸的防护护罩作为运动部件的光路防护腔体，其直径通常需要大于光束直径的3 倍，以避免干涉到光束的传输。

以下为不同种类防护护罩性能的对比：

圆形护罩容易受重力的影响而下垂，在运动中也非常容易受振动的影响，从而可能会干涉到光束。

望远镜型护罩通光口的大小会受到其长度的限制，而且这种类型所使用的润滑油可能进入其内部，润滑油蒸发后对光束的传输会有严重影响。

风琴型护罩的性能要优于前两种类型的护罩，其内部需要有骨架支撑，并且每隔几折需要有PVC骨架与导向零件的连接。

根据三种防护护罩的特点对比，结合公司TL3015 系列的结构特点，我们采用了风琴型的方式防护，很好地保持了光束传输环境的洁净。

3 结束语

作为当代最先进和最重要的材料裁切方法，激光切割在现代工业中得到广泛应用。本文针对光束传输的物理特性、传输环境对激光切割机光路的影响进行了分析和研究，提出了光路系统设计的方法和要点。

[1]余先照，朱华炳，冯 霄，等.数控激光切割机床开发及其关键技术分析[J].机电产品开发与创新，2011，24（3）：176-178.

[2]徐红丽，王 霄，蔡 兰．新型激光切割并联机床的研究[J].煤矿机械，2007，28（10）：128-130.

[3]张国顺.现代激光制造技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

[4]周鹏飞，胡金龙，季 鹏，等.数控激光切割机光路补偿措施的探讨[J].锻压装备与制造技术，2009，44（5）：50-53.

[5]于迎芳．PSA——空分制氮工艺的应用[J].科技资讯，2005，26：26-27.

[6]陶 晔，陈树明，赵志超.大功率激光切割机的导光系统设计要点[J].锻压装备与制造技术，2004，39（5）：46-47.

[7]李宇顺，罗敬文.中国大功率激光装备的发展[J].锻压装备与制造技术，2008，43（3）：9-12.