激光数控加工装置设计及应用

⑴ 激光加工技术的发展应用

激光是本世纪的重大发明之一，具有巨大的技术潜力，专家们认为，电子技术的全胜时期，其主角是计算机，下一代将是光技术时代，其主角是激光。激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点，特别适用于材料加工。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，国外已开发出20多种激光加工技术。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，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。
激光加工技术的应用
已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。
激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。
激光切割技术可广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。
激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。准分子激光打标发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工程。
激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分，使惯性轴与旋转轴重合，以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大功能，可同时进行不平衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺制造领域有广阔的应用前景。对于高精度转子，激光动平衡可成倍提高平衡精度，其质量偏心值的平衡精度可达1%或千分之几微米。
激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产成本，可加工0.125～1微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。
激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达0.01%～0.002%，比传统加工方法的精度和效率高、成本低。激光微调包括薄膜电阻(0.01～0.6微米厚)与厚膜电阻(20～50微米厚)的微调、电容的微调和混合集成电路的微调。
激光存储技术是利用激光来记录视频、音频、文字资料及计算机信息的一种技术，是信息化时代的支撑技术之一。
激光划线技术是生产集成电路的关键技术，其划线细、精度高(线宽为15～25微米，槽深为5～200微米)，加工速度快(可达200毫米/秒)，成品率可达99.5%以上。
激光清洗技术的采用可大大减少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品率。
激光热、表处理技术包括：激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。
激光相变硬化(即激光淬火)是激光热处理中研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺, 适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲劳强度,国外一些工业部门将该技术作为保证产品质量的手段。
激光包覆技术是在工业中获得广泛应用的激光表面改性技术之一, 具有很好的经济性,可大大提高产品的抗腐蚀性。
激光表面合金化技术是材料表面局部改性处理的新方法, 是未来应用潜力最大的表面改性技术之一,适用于航空、航天、兵器、核工业、汽车制造业中需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。
激光退火技术是半导体加工的一种新工艺,效果比常规热退火好得多。激光退火后, 杂质的替位率可达到98%～99%, 可使多晶硅的电阻率降到普通加热退火的1/2～1/3, 还可大大提高集成电路的集成度, 使电路元件间的间隔缩小到0.5微米。
激光冲击硬化技术能改善金属材料的机械性能, 可阻止裂纹的产生和扩展, 提高钢、铝、钛等合金的强度和硬度, 改善其抗疲劳性能。
激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度, 速度比无激光照射快1000倍, 对微型开关、精密仪器零件、微电子器件和大规模集成电路的生产和修补具有重大义意。使用改技术可使电度层的牢固度提高昂100～1000倍。
激光上釉技术对于材料改性很有发展前途, 其成本低, 容易控制和复制, 有利于发展新材料。激光上釉结合火焰喷涂、等离子喷涂、离子沉积等技术, 在控制组织、提高表面耐磨、耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。电子材料、电磁材料和其它电气材料经激光上釉后用于测量仪表极为理想。
二、激光加工技术的发展趋势
1.数控化和综合化
把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。
2.小型化和组合化
国外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，制成激光冲床，它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂外形、打孔、打标、划线等加工。
3.高频度和高可靠性
国外YAG激光器的重复频度已达2000次/秒，二极管阵列泵浦的Nd：YAG激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到1～2万小时。
4.采用激元激光器进行金属加工
这是国外激光加工的一个新课题。激元激光器能发射出波长157～350纳米的紫外激光, 大多数金属对这种激光的反射率很低, 吸收率相应很高, 因此, 这种激光器在金属加工领域有很大的应用价值。
三、应用于牙科的激光系统 依据激光在牙科应用的不同作用，分为几种不同的激光系统。区别激光的重要特征之一是：光的波长，不同波长的激光对组织的作用不同，在可见光及近红外光谱范围的光线，吸光性低，穿透性强，可以穿透到牙体组织较深的部位，例如氩离子激光、二极管激光或Nd：YAG激光(如图1)。而Er：YAG激光和CO，激光的光线穿透性差，仅能穿透牙体组织约0．01毫米。区别激光的重要特征之二是：激光的强度(即功率)，如在诊断学中应用的二极管激光，其强度仅为几个毫瓦特，它有时也可用在激光显示器上。 用于治疗的激光，通常是几个瓦特中等强度的激光。激光对组织的作用，还取决于激光脉冲的发射方式，以典型的连续脉冲发射方式的激光有：氩离子激光、二极管激光、CO2，激光；以短脉冲方式发射的激光有：Er：YAG激光或许多Nd：YAG激光，短脉冲式的激光的强度(即功率)可以达到1,000瓦特或更高，这些强度高、吸光性也高的激光，只适用于清除硬组织。 激光在龋齿的诊断方面的应用 1．脱矿、浅龋 2．隐匿龋 激光在治疗方面的应用 1．切割 2．充填物的聚合，窝洞处理

⑵ 什么是数控主要应用于哪些领域

数控，是数字控制的简称，是指利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。数控存在两个版本，NC（Numerical Control）：代表旧版的、最初的数控技术。CNC（Computerized Numerical Control）：计算机数控技术，数控的首选缩写形式。1970年代以后，计算机逐渐代替硬件电路元件而称为计算机数控系统，一般是采用专用计算机并配有接口电路，可实现多台数控设备动作的控制。因此现在的数控一般都指CNC（计算机数控）。
应用领域：
1、制造行业
机械制造行业是最早应用数控技术的行业，它担负着为国民经济各行业提供先进装备的重任。应该重点研制开发与生产现代化军事装备用的高性能三轴和五轴高速立式加工中心，五坐标加工中心，大型五坐标龙门铣等；汽车行业发动机、变速箱、曲轴柔性加工生产线上用的数控机床和高速加工中心，以及焊接、装配、喷漆机器人、板件激光焊接机和激光切割机等；航空、船舶、发电行业加工螺旋桨、发动机、发电机和水轮机叶片零件用的高速五坐标加工中心、重型车铣复合加工中心等。
2、信息行业
在信息产业中，从计算机到网络、移动通信、遥测、遥控等设备，都需要采用基于超精技术、纳米技术的制造装备，如芯片制造的引线键合机、晶片键合机和光刻机等，这些装备的控制都需要采用数控技术。
3、医疗设备行业
在医疗行业中，许多现代化的医疗诊断、治疗设备都采用了数控技术，如CT诊断仪、全身刀治疗机以及基于视觉引导的微创手术机器人等。
4、军事装备
现代的许多军事装备，都大量采用伺服运动控制技术，如火炮的自动瞄准控制、雷达的跟踪控制和导弹的自动跟踪控制等。
5、其他行业
在轻工行业，采用多轴伺服控制(最多可达50 个运动轴)的印刷机械、纺织机械、包装机械以及木工机械等；在建材行业，用于石材加工的数控水刀切割机；用于玻璃加工的数控玻璃雕花机；用于席梦思加工的数控行缝机和用于服装加工的数控绣花机等。
优、缺点：
（一）数控加工有下列优点：
1、大量减少工装数量，加工形状复杂的零件不需要复杂的工装。如要改变零件的形状和尺寸，只需要修改零件加工程序，适用于新产品研制和改型。
2、加工质量稳定，加工精度高，重复精度高，适应飞行器的加工要求。
3、多品种、小批量生产情况下生产效率较高，能减少生产准备、机床调整和工序检验的时间，而且由于使用最佳切削量而减少了切削时间。
4、可加工常规方法难于加工的复杂型面，甚至能加工一些无法观测的加工部位。
（二）数控加工的缺点是机床设备费用昂贵，要求维修人员具有较高水平。

⑶ 激光加工工艺及应用

激光加工是无接触的方式，不会产生工具与工件表面的摩擦阻力，也不会直接对工件进行冲击，工件几乎不会发生变形，且激光是对局部进行加工，对非激光照射的部分几乎没有影响，所以激光加工是高速、高效、高精度的加工方式。激光加工技术是光与机电技术的结合，激光光束的移动速度、功率密度和方向等都可以调节，易与数控系统配合来对复杂工件进行加工，可由此对其实现不同层面和范围的应用。

一
激光模切技术
激光模切技术是根据在软件中设计好的工件图样，将激光束聚焦后直接对材料表面完成模切或压痕效果的一种切割方法。激光模切技术具有切割精度高、模切产品粗糙度低、模切加工时间短、生产效率高等特点。由于无须更换模切刀版，也可实现不同版式工件之间的快速转换，这样节省了传统模切刀版调整时间，尤其适用于轻薄、异形工件的加工。

典型的激光模切系统应该包括有激光器、扫描系统、控制系统、冷却系统、惰性气体保护室、废料清除系统以及反馈系统。激光在模切加工中扮演“模切刀”的角色，其对最终的加工效果的影响是模切机各组成部分中最大的，目前市场上用于激光加工的激光器主要有YAG激光器、CO2激光器和半导体激光器等。最常使用的是出波长能被非金属很好吸收且能够产生连续激光或非连续激光脉冲的CO2激光器。

二
激光雕刻技术
激光雕刻机的主要组成为：激光器（提供激光光束，包括聚光腔、反射镜）、聚焦系统（使高功率密度的激光能量聚集在小面积上，达到最佳的雕刻效率）、导光系统（改变激光照射方向）、工作台（用于承载或移动被雕刻工件）、控制面板（调整和控制电源及激光器）、水冷系统（调控激光器内的温度）。由于主要是对非金属材料加工，所以激光雕刻与模切一样常选用CO2激光器。为实现高速点阵雕刻和适量雕刻，激光雕刻大多采用振镜式导光系统。三
激光焊接技术
激光焊接技术主要用于对金属及塑料制品进行焊接加工。以前金属焊接大多采用电阻焊接工艺，但电阻焊存在耗电量大、热影响区大、接口不美观、可焊材料厚度受限等问题，所以激光焊接技术的应用越来越广泛。激光焊接金属的作用机理是用激光辐射金属表面，通过激光与金属的耦合作用使待焊接部位在极短时间内瞬间熔化甚至气化，再冷却凝固结晶而形成焊缝。激光焊接可分为热传导焊接和深熔焊两种，前者会发生激光的功率密度较小，辐射能只作用于金属表面，材料下层则靠热传导受热熔化；深熔焊会产生小孔效应，即输入激光能量很大，远大于传导及散热的速率时，照射区域会在极短时间发生气化形成小孔，孔内压力形成动态的平衡，光束可以直接照射到孔底。小孔吸收射入的所有能量使孔壁金属熔化，由此可形成尤其窄而深的焊缝，且改变焊接参数可以使焊缝熔深在较大范围内变化，所以实际更多采用深熔焊接方式。

接下来讨论用于焊接金属的激光器的选择。金属焊接大多采用YAG激光器，因为YAG激光比 CO22激光更易于被金属吸收，且受等离子体影响较小，焊接操作灵活。但YAG激光器运作时易产生大量热损耗，使激光腔温度升高产生激光热透镜效应，从而降低激光功率和能量转化效率。YLR光纤激光器是以光纤为基材，掺杂不同的稀土离子的光纤传输传输，具有体积小、成本低、激光功率高等优点，焊接熔深和速度更高，较YAG激光器更胜一筹。

激光焊接金属过程几乎不会产生碎屑废渣，且无需添加粘合剂，具有速度快、精度高、热影响区小、深宽比大、焊缝美观等优点，易实现自动化，可产生良好的社会和经济效益，已成为金属包装气密性封装等的主要方式。

对于塑料材料工件而言，传统的塑料焊接主要采用超声波焊接、摩擦焊接、振动焊接、热板焊接等技术，而实际时加工既要考虑其密封性能, 又要防止加工过程中会受到污染, 塑料激光焊接的高精度和无接触性正好可以满足这样的要求。