聚晶金刚石复合片数控激光切割机床的研究

2 光学系统的研究与开发

　　光学系统的主要功能是将激光输送到加工部位，通过调整辐射参数，构成高功率密度的光束。光路系统原理设计如图4 所示，可分为激光束参数变换系统和观测定位光学系统两大部分。

图4 光路系统设计原理图

　　2.1 激光束参数变换系统

　　Nd: YAG 激光器输出的1 064 nm 波长的激光极易被金刚石材料吸收，且峰值功率高、热影响区小、结构紧凑，非常适合PDC 的切割加工。本文选择Nd:YAG 固体激光器作为PDC 数控激光切割机床的激光发生器，工作物质选用为8 mm × 180 mm 的特优级Nd: YAG 晶体棒，谐振腔腔长为330 mm，腔型为平凹腔，选用氙灯泵浦，聚光腔为双椭圆柱腔。

　　一般激光切割机床都采用单极激光器输出，产生的激光功率密度较低，切割PDC 的最大厚度只能达到2 ～ 3 mm，且切割速度较慢，无法完全满足刀具制造企业的要求。为了增大输出激光的功率密度，本文提出了一种“一级震荡，一级放大”结构的两级激光输出技术，如图4 所示。通过震荡YAG 激光器调节激光脉冲宽度、光束发散角等模参数，由放大YAG 激光器调节脉冲能量或功率，由两级激光器输出的激光束，经过扩束镜将激光束的直径扩大，通过反射镜将扩大后的光束引导至聚焦镜表面，经聚焦后，在被加工件表面得到满足加工使用要求的激光功率密度和光斑直径。采用两级激光输出技术，可大大提高激光的输出功率，其功率可达到一般激光切割机床的2 ～ 3 倍，并使激光具有更好的光斑模式，光束发散角小于0. 8mrad，从而使激光切割PDC 的最大厚度从3 mm 提高到5 mm 左右，同时极大提高PDC 的切割效率。

　　2.2 观测定位光学系统

　　激光切割PDC 时，操作人员可在观测定位光学系统的协助下定期观察PDC 的成形情况，同时实时调整激光瞄准定位。观测定位光学系统包括高清CCD、监视器和监控软件。激光束照射到PDC 表面上，可见光被加工表面反射，并通过聚焦镜、反射镜、物镜进入CCD 摄像机，操作者便可通过观察屏幕装置，实时观察PDC 激光切割过程，并可按切割情况实时调整设备的工作状态，避免产生废片，保证切割的质量。

3 激光切割数控机床结构设计

　　为了对PDC 进行激光精密切割，必须确保机床床身有足够的刚度、不易受环境温度影响，同时还需能精确定位，准确进给的精密工作台与之配合。机械传动链必须满足运动灵活、传动平稳、系统精度高等要求。PDC 数控激光切割机床的机械结构如图5 所示，主要包括机床床身、数控工作台、Z 轴调焦系统、激光器支架等部件。

图5 PDC 数控激光切割机床的设计

　　3.1 机床床身

　　根据PDC 切割精度及光路系统要求对机床床身机械结构进行设计如图5 所示，确保整机实现精确定位、平稳运行和高可靠性。

　　3.2 数控工作台

　　在激光切割机床对PDC 材料进行激光切割时，数控工作台可以实现工件精确定位和切割加工。数控工作台采用高精度导轨、小螺距丝杠，确保各轴运动的平行度、直线度及垂直度。通过机床专用的工控计算机对电动机进行精确控制，保证激光光束与材料的精确相对位置和加工线条的流畅性。

　　3.3 Z 轴调焦系统

　　配备激光头升降系统，采用可调节高度的Z 轴结构设计。在PDC 激光切割过程中，根据工件不同的厚度和加工要求，调节Z 轴调焦系统，使激光的焦点处于最佳位置。

4 数控激光切割系统

　　激光切割的优点之一就是便于与数控系统整合，易于实现加工自动化，使机床具有更好的加工柔性。用户只需将PDC 形状、光斑直径、切削参数以及辅助功能按照规定的图形或数据格式输入到数控系统中，数控激光切割自动编程软件系统就能自动编写加工程序单，控制激光的运动路径、激光器的开关、激光功率的大小、辅助气体的压强和冷却系统的开关等等。使加工过程完全实现自动化，提高了加工精度和生产效率，保证了产品质量的稳定性，满足将来大规模工业生产的要求。

5 结语

　　本文对PDC 数控激光切割机床进行了研究和开发，实现了对PDC 的高精度激光切割。提出了一种“一级振荡、一级放大”的两级激光输出技术，其功率可达到一般激光切割机的2 ～ 3 倍，提高了激光切割PDC 的最大厚度，同时提升PDC 的切割效率。根据高精度切割要求，设计了数控激光切割机床的整体结构，并开发了适用于PDC 切割的数控系统，保证了机床的自动、精确、平稳的运行。