激光數控加工裝置設計及應用

⑴ 激光加工技術的發展應用

激光是本世紀的重大發明之一，具有巨大的技術潛力，專家們認為，電子技術的全勝時期，其主角是計算機，下一代將是光技術時代，其主角是激光。激光因具有單色性、相乾性和平行性三大特點，特別適用於材料加工。激光加工是激光應用最有發展前途的領域，國外已開發出20多種激光加工技術。激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大，特別適用於自動化加工。激光加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備，已成為企業實行適時生產的關鍵技術，為優質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。
激光加工技術的應用
已成熟的激光加工技術包括：激光快速成形技術、激光焊接技術、激光打孔技術、激光切割技術、激光打標技術、激光去重平衡技術、激光蝕刻技術、激光微調技術、激光存儲技術、激光劃線技術、激光清洗技術、激光熱處理和表面處理技術。
激光焊接技術具有溶池凈化效應，能純凈焊縫金屬，適用於相同和不同金屬材料間的焊接。激光焊接能量密度高，對高熔點、高反射率、高導熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。
激光切割技術可廣泛應用於金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。脈沖激光適用於金屬材料，連續激光適用於非金屬材料，後者是激光切割技術的重要應用領域。
激光打標技術是激光加工最大的應用領域之一。準分子激光打標發展起來的一項新技術，特別適用於金屬打標，可實現亞微米打標，已廣泛用於微電子工業和生物工程。
激光去重平衡技術是用激光去掉高速旋轉部件上不平衡的過重部分，使慣性軸與旋轉軸重合，以達到動平衡的過程。激光去重平衡技術具有測量和去重兩大功能，可同時進行不平衡的測量和校正，效率大大提高，在陀螺製造領域有廣闊的應用前景。對於高精度轉子，激光動平衡可成倍提高平衡精度，其質量偏心值的平衡精度可達1%或千分之幾微米。
激光蝕刻技術比傳統的化學蝕刻技術工藝簡單、可大幅度降低生產成本，可加工0.125～1微米寬的線，非常適合於超大規模集成電路的製造。
激光微調技術可對指定電阻進行自動精密微調，精度可達0.01%～0.002%，比傳統加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調包括薄膜電阻(0.01～0.6微米厚)與厚膜電阻(20～50微米厚)的微調、電容的微調和混合集成電路的微調。
激光存儲技術是利用激光來記錄視頻、音頻、文字資料及計算機信息的一種技術，是信息化時代的支撐技術之一。
激光劃線技術是生產集成電路的關鍵技術，其劃線細、精度高(線寬為15～25微米，槽深為5～200微米)，加工速度快(可達200毫米/秒)，成品率可達99.5%以上。
激光清洗技術的採用可大大減少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品率。
激光熱、表處理技術包括：激光相變硬化技術、激光包覆技術、激光表面合金化技術、激光退火技術、激光沖擊硬化技術、激光強化電鍍技術、激光上釉技術，這些技術對改變材料的機械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。
激光相變硬化(即激光淬火)是激光熱處理中研究最早、最多、進展最快、應用最廣的一種新工藝, 適用於大多數材料和不同形狀零件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲勞強度,國外一些工業部門將該技術作為保證產品質量的手段。
激光包覆技術是在工業中獲得廣泛應用的激光表面改性技術之一, 具有很好的經濟性,可大大提高產品的抗腐蝕性。
激光表面合金化技術是材料表面局部改性處理的新方法, 是未來應用潛力最大的表面改性技術之一,適用於航空、航天、兵器、核工業、汽車製造業中需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的零件。
激光退火技術是半導體加工的一種新工藝,效果比常規熱退火好得多。激光退火後, 雜質的替位率可達到98%～99%, 可使多晶硅的電阻率降到普通加熱退火的1/2～1/3, 還可大大提高集成電路的集成度, 使電路元件間的間隔縮小到0.5微米。
激光沖擊硬化技術能改善金屬材料的機械性能, 可阻止裂紋的產生和擴展, 提高鋼、鋁、鈦等合金的強度和硬度, 改善其抗疲勞性能。
激光強化電鍍技術可提高金屬的沉積速度, 速度比無激光照射快1000倍, 對微型開關、精密儀器零件、微電子器件和大規模集成電路的生產和修補具有重大義意。使用改技術可使電度層的牢固度提高昂100～1000倍。
激光上釉技術對於材料改性很有發展前途, 其成本低, 容易控制和復制, 有利於發展新材料。激光上釉結合火焰噴塗、等離子噴塗、離子沉積等技術, 在控制組織、提高表面耐磨、耐腐蝕性能方面有著廣闊的應用前景。電子材料、電磁材料和其它電氣材料經激光上釉後用於測量儀表極為理想。
二、激光加工技術的發展趨勢
1.數控化和綜合化
把激光器與計算機數控技術、先進的光學系統以及高精度和自動化的工件定位相結合，形成研製和生產加工中心，已成為激光加工發展的一個重要趨勢。
2.小型化和組合化
國外已把激光切割和模具沖壓兩種加工方法組合在一台機床上，製成激光沖床，它兼有激光切割的多功能性和沖壓加工的高速高效的特點，可完成切割復雜外形、打孔、打標、劃線等加工。
3.高頻度和高可靠性
國外YAG激光器的重復頻度已達2000次/秒，二極體陣列泵浦的Nd：YAG激光器的平均維修時間已從原來的幾百小時提高到1～2萬小時。
4.採用激元激光器進行金屬加工
這是國外激光加工的一個新課題。激元激光器能發射出波長157～350納米的紫外激光, 大多數金屬對這種激光的反射率很低, 吸收率相應很高, 因此, 這種激光器在金屬加工領域有很大的應用價值。
三、應用於牙科的激光系統 依據激光在牙科應用的不同作用，分為幾種不同的激光系統。區別激光的重要特徵之一是：光的波長，不同波長的激光對組織的作用不同，在可見光及近紅外光譜范圍的光線，吸光性低，穿透性強，可以穿透到牙體組織較深的部位，例如氬離子激光、二極體激光或Nd：YAG激光(如圖1)。而Er：YAG激光和CO，激光的光線穿透性差，僅能穿透牙體組織約0．01毫米。區別激光的重要特徵之二是：激光的強度(即功率)，如在診斷學中應用的二極體激光，其強度僅為幾個毫瓦特，它有時也可用在激光顯示器上。 用於治療的激光，通常是幾個瓦特中等強度的激光。激光對組織的作用，還取決於激光脈沖的發射方式，以典型的連續脈沖發射方式的激光有：氬離子激光、二極體激光、CO2，激光；以短脈沖方式發射的激光有：Er：YAG激光或許多Nd：YAG激光，短脈沖式的激光的強度(即功率)可以達到1,000瓦特或更高，這些強度高、吸光性也高的激光，只適用於清除硬組織。 激光在齲齒的診斷方面的應用 1．脫礦、淺齲 2．隱匿齲 激光在治療方面的應用 1．切割 2．充填物的聚合，窩洞處理

⑵ 什麼是數控主要應用於哪些領域

數控，是數字控制的簡稱，是指利用數字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。數控存在兩個版本，NC（Numerical Control）：代表舊版的、最初的數控技術。CNC（Computerized Numerical Control）：計算機數控技術，數控的首選縮寫形式。1970年代以後，計算機逐漸代替硬體電路元件而稱為計算機數控系統，一般是採用專用計算機並配有介面電路，可實現多台數控設備動作的控制。因此現在的數控一般都指CNC（計算機數控）。
應用領域：
1、製造行業
機械製造行業是最早應用數控技術的行業，它擔負著為國民經濟各行業提供先進裝備的重任。應該重點研製開發與生產現代化軍事裝備用的高性能三軸和五軸高速立式加工中心，五坐標加工中心，大型五坐標龍門銑等；汽車行業發動機、變速箱、曲軸柔性加工生產線上用的數控機床和高速加工中心，以及焊接、裝配、噴漆機器人、板件激光焊接機和激光切割機等；航空、船舶、發電行業加工螺旋槳、發動機、發電機和水輪機葉片零件用的高速五坐標加工中心、重型車銑復合加工中心等。
2、信息行業
在信息產業中，從計算機到網路、移動通信、遙測、遙控等設備，都需要採用基於超精技術、納米技術的製造裝備，如晶元製造的引線鍵合機、晶片鍵合機和光刻機等，這些裝備的控制都需要採用數控技術。
3、醫療設備行業
在醫療行業中，許多現代化的醫療診斷、治療設備都採用了數控技術，如CT診斷儀、全身刀治療機以及基於視覺引導的微創手術機器人等。
4、軍事裝備
現代的許多軍事裝備，都大量採用伺服運動控制技術，如火炮的自動瞄準控制、雷達的跟蹤控制和導彈的自動跟蹤控制等。
5、其他行業
在輕工行業，採用多軸伺服控制(最多可達50 個運動軸)的印刷機械、紡織機械、包裝機械以及木工機械等；在建材行業，用於石材加工的數控水刀切割機；用於玻璃加工的數控玻璃雕花機；用於席夢思加工的數控行縫機和用於服裝加工的數控綉花機等。
優、缺點：
（一）數控加工有下列優點：
1、大量減少工裝數量，加工形狀復雜的零件不需要復雜的工裝。如要改變零件的形狀和尺寸，只需要修改零件加工程序，適用於新產品研製和改型。
2、加工質量穩定，加工精度高，重復精度高，適應飛行器的加工要求。
3、多品種、小批量生產情況下生產效率較高，能減少生產准備、機床調整和工序檢驗的時間，而且由於使用最佳切削量而減少了切削時間。
4、可加工常規方法難於加工的復雜型面，甚至能加工一些無法觀測的加工部位。
（二）數控加工的缺點是機床設備費用昂貴，要求維修人員具有較高水平。

⑶ 激光加工工藝及應用

激光加工是無接觸的方式，不會產生工具與工件表面的摩擦阻力，也不會直接對工件進行沖擊，工件幾乎不會發生變形，且激光是對局部進行加工，對非激光照射的部分幾乎沒有影響，所以激光加工是高速、高效、高精度的加工方式。激光加工技術是光與機電技術的結合，激光光束的移動速度、功率密度和方向等都可以調節，易與數控系統配合來對復雜工件進行加工，可由此對其實現不同層面和范圍的應用。

一
激光模切技術
激光模切技術是根據在軟體中設計好的工件圖樣，將激光束聚焦後直接對材料表面完成模切或壓痕效果的一種切割方法。激光模切技術具有切割精度高、模切產品粗糙度低、模切加工時間短、生產效率高等特點。由於無須更換模切刀版，也可實現不同版式工件之間的快速轉換，這樣節省了傳統模切刀版調整時間，尤其適用於輕薄、異形工件的加工。

典型的激光模切系統應該包括有激光器、掃描系統、控制系統、冷卻系統、惰性氣體保護室、廢料清除系統以及反饋系統。激光在模切加工中扮演「模切刀」的角色，其對最終的加工效果的影響是模切機各組成部分中最大的，目前市場上用於激光加工的激光器主要有YAG激光器、CO2激光器和半導體激光器等。最常使用的是出波長能被非金屬很好吸收且能夠產生連續激光或非連續激光脈沖的CO2激光器。

二
激光雕刻技術
激光雕刻機的主要組成為：激光器（提供激光光束，包括聚光腔、反射鏡）、聚焦系統（使高功率密度的激光能量聚集在小面積上，達到最佳的雕刻效率）、導光系統（改變激光照射方向）、工作台（用於承載或移動被雕刻工件）、控制面板（調整和控制電源及激光器）、水冷系統（調控激光器內的溫度）。由於主要是對非金屬材料加工，所以激光雕刻與模切一樣常選用CO2激光器。為實現高速點陣雕刻和適量雕刻，激光雕刻大多採用振鏡式導光系統。三
激光焊接技術
激光焊接技術主要用於對金屬及塑料製品進行焊接加工。以前金屬焊接大多採用電阻焊接工藝，但電阻焊存在耗電量大、熱影響區大、介面不美觀、可焊材料厚度受限等問題，所以激光焊接技術的應用越來越廣泛。激光焊接金屬的作用機理是用激光輻射金屬表面，通過激光與金屬的耦合作用使待焊接部位在極短時間內瞬間熔化甚至氣化，再冷卻凝固結晶而形成焊縫。激光焊接可分為熱傳導焊接和深熔焊兩種，前者會發生激光的功率密度較小，輻射能只作用於金屬表面，材料下層則靠熱傳導受熱熔化；深熔焊會產生小孔效應，即輸入激光能量很大，遠大於傳導及散熱的速率時，照射區域會在極短時間發生氣化形成小孔，孔內壓力形成動態的平衡，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屬熔化，由此可形成尤其窄而深的焊縫，且改變焊接參數可以使焊縫熔深在較大范圍內變化，所以實際更多採用深熔焊接方式。

接下來討論用於焊接金屬的激光器的選擇。金屬焊接大多採用YAG激光器，因為YAG激光比 CO22激光更易於被金屬吸收，且受等離子體影響較小，焊接操作靈活。但YAG激光器運作時易產生大量熱損耗，使激光腔溫度升高產生激光熱透鏡效應，從而降低激光功率和能量轉化效率。YLR光纖激光器是以光纖為基材，摻雜不同的稀土離子的光纖傳輸傳輸，具有體積小、成本低、激光功率高等優點，焊接熔深和速度更高，較YAG激光器更勝一籌。

激光焊接金屬過程幾乎不會產生碎屑廢渣，且無需添加粘合劑，具有速度快、精度高、熱影響區小、深寬比大、焊縫美觀等優點，易實現自動化，可產生良好的社會和經濟效益，已成為金屬包裝氣密性封裝等的主要方式。

對於塑料材料工件而言，傳統的塑料焊接主要採用超聲波焊接、摩擦焊接、振動焊接、熱板焊接等技術，而實際時加工既要考慮其密封性能, 又要防止加工過程中會受到污染, 塑料激光焊接的高精度和無接觸性正好可以滿足這樣的要求。