CN103878486A - 便携式激光除锈机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式激光除锈机，其包括激光系统、光束调整系统和传导光纤；所述激光系统和光束调整系统通过传导光纤相连接；所述激光系统包括带背带的主机壳、位于主机壳内的激光器、控制板和输出镜；所述控制板的相应输出端接激光器的数据接口；所述激光器的输出端设有输出镜；所述光束调整系统包括光隔离通道和光整形探头；所述光隔离通道包括带把手的光通道壳体和设置于光通道壳体内的隔离套管，所述光通道壳体的一端设有卡环，其另一端连接光整形探头；所述光整形探头内自与光通道壳体连接处依次设有扩束镜、扫描振镜和聚光系统；所述聚光系统包括镜架、F-Q场镜圈和F-Q透镜。本发明的优点是结构简单，使用方便，安全稳定，便于野外作业。

Description

便携式激光除锈机
技术领域
本发明涉及一种便携式激光除锈机，适用于野外移动作业，属于工业除锈技术领域。
背景技术
虽然激光除锈除漆在国内外均有些应用，但是通常都是体积庞大、采用工控计算机控制、多采用二氧化碳激光器，采用水冷技术连续工作时间受限制等不便于携带和野外作业使用；国外也有类似小型化的产品，但是价格昂贵、自身激光功率小（通常不超过20W）、工作效率低下不能满足市场需求，不能得到大范围的使用推广。
目前，市场上激光器通常采用脉冲光纤激光器，在其主振荡级和放大器之间都带有光纤耦合的光学隔离器以保护由于光信号反馈而造成主振荡级的损坏。目前带尾纤能承受2W以上的光学隔离器价格都很高，而且插入损耗大。
传统的激光清洗设备所使用的多是准分子激光器或YAG激光器，不仅体积庞大，还需要配套相应的冷却设施，不便于维护和移动，非专业技术人员不易操作，且运行成本高，应用范围有限，仅在特定环境下使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种结构简单，使用方便，安全稳定，便于野外作业的便携式激光除锈机。
本发明解决其技术问题采用如下技术方案：
本发明包括激光系统、光束调整系统和传导光纤；所述激光系统和光束调整系统通过传导光纤相连接；
所述激光系统包括带有背带的主机壳、位于主机壳内的激光器、控制板以及输出镜；所述控制板的相应输出端接激光器的数据接口；所述激光器的输出端设有输出镜；
所述光束调整系统包括光隔离通道和光整形探头；所述光隔离通道包括带有把手的光通道壳体和设置于光通道壳体内的隔离套管，所述光通道壳体的一端设有卡环，其另一端连接光整形探头；
所述传导光纤的一端通过输出镜连接激光器的输出端，其另一端依次穿过卡环、隔离套管接入光整形探头；所述光整形探头内自与光通道壳体连接处依次设有扩束镜、扫描振镜和聚光系统；
所述聚光系统包括镜架、F-Q场镜圈和F-Q透镜，所述F-Q透镜位于F-Q场镜圈内，所述F-Q场镜圈通过镜架与光整形探头固定；
所述控制板包括FPGA芯片及其外围的线驱动器、光耦、高速光耦和差分驱动器；所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经线驱动器、高速光耦与激光器的相应输入端连接，所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经高速光耦、差分驱动器与扫描振镜的数据接口连接。
所述激光器包括主振荡器和功率放大器；所述主振荡器的输出端接功率放大器的输入端，所述主振荡器采用光纤耦合的声光调制器；所述激光器的调Q方式采用光纤耦合的声光调Q方式；所述主振荡器采用单模Yb双包层光纤，所述功率放大器采用大纤芯的Yb双包层光纤。
所述声光调制器的光纤末端熔接光纤端帽并进行斜面抛光，所述斜面上设有镀膜。
所述光整形探头与光通道壳体之间设有转接板；所述转接板中心设有用于穿过传导光纤的孔，所述孔上设有扩束镜；所述转接板一面与光通道壳体固定，其另一面设有与光整形探头相匹配的连接凸槽，所述光整形探头上设有与之对应的连接凹槽。
所述光整形探头还包括出光保护盖。
所述传导光纤位于激光系统和光束调整系统之间的部分上套有可伸缩的弹簧保护管。
所述光整形探头上安装有LED照明灯，所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经线驱动器、光耦与LED照明灯连接。
所述光通道壳体上设置有用于显示激光参数的LED显示屏，所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经线驱动器、光耦与LED显示屏连接。
本发明还包括移动电源箱，所述移动电源箱顶部设有提手，其底部设有万向轮；所述移动电源箱的输出端与控制板和激光器的电源端相连接。
所述控制板还包括SDRAM存储器、USB接口模块和开关电源芯片；所述SDRAM存储器、USB接口模块与FPGA芯片的相应端口双向数据总线连接；所述FPGA芯片的型号为EP2C20F484，所述SDRAM存储器的型号为IC42S16160C，所述USB接口模块的型号为CY7C68013，所述开关电源芯片的型号为SC4519。
本发明产生的有益效果是：
（1）本发明采用激光除锈除漆方式，与传统工艺相比无噪音、污染小、无损耗配件、精确度高，通过激光系统和光束调整系统的改进解决了激光除锈设备小型化的问题，设备结构设计合理，可单人肩负作业；激光器不仅有激光输出，还设有红外输出，能够清楚准确的对除锈位置预先定位，预览工作区域，使用方便。
（2）本发明使用扩束镜增大了激光光束直径，减小了发散角，使高斯光束聚焦得更好，保证光束的准直性；通过控制板使扫描振镜的反射角度使激光束偏转，使激光聚焦点沿平行或垂直方向扫描输出激光，通过调节扫描振镜的镜头的上下位置，调节激光扫描范围的大小；光通道壳体内设有隔离套管，屏蔽自然光形成暗箱，同时起到汇聚扩束光的作用。
（3）本发明采用光纤耦合的声光调制器，使得主振荡器和一级功率放大器之间无光学隔离器，过去采用半导体激光器要达到足够的激光输出功率，需要多级放大，而每级放大器之间都需要加光学隔离器，本发明节约成本，稳定性高。
（4）本发明中声光调制器的光纤末端熔接光纤端帽并进行斜面抛光，并在斜面上设有镀膜，使光纤末端可以很方便地跟其它光纤元件熔接在一起，且可以很好的抑制光纤内非线性效应，使激光输出更稳定，激光器效率的提升。
（5）本发明中控制板采用嵌入式控制方式，基于ARM+DSP架构，操作简单，设有LED显示屏，交互界面好，效率高性能好。
（6）本发明能够进行输出功率和扫描速度的调节，可针对不同材质加工件调整不同加工功率，有效提高工作效率，减少对加工件的磨损。
（7）根据需要更换不同的光整形探头，不同的光整形探头使得出光方向三维可调，即使在狭小的操作空间也能保证灵活使用，不留死角。
（8）光整形探头上安装有LED照明灯方便夜间作业，设有出光保护盖，避免激光误开造成危险。
附图说明
附图1为本发明的结构原理框图。
附图2为本发明中控制板的结构原理图。
附图3为本发明中光束调整系统的结构示意图。
附图4为本发明中光整形探头的结构示意图。
附图5为本发明中控制板的控制流程图。
其中，1光通道壳体、2光整形探头、3转接板、4隔离套管、5卡环、6扩束镜、7扫描振镜、8镜架、9 F-Q场镜圈、10 F-Q透镜、11出光保护盖、12 LED照明灯、13 LED显示屏、14背带。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明：
由图1~5所示的实施例可知，它包括激光系统、光束调整系统和传导光纤；所述激光系统和光束调整系统通过传导光纤相连接；
所述激光系统包括带有背带的主机壳、位于主机壳内的激光器、控制板以及输出镜；所述控制板的相应输出端接激光器的数据接口；所述激光器的输出端设有输出镜；
所述光束调整系统包括光隔离通道和光整形探头；所述光隔离通道包括带有把手的光通道壳体1和设置于光通道壳体1内的隔离套管4，所述光通道壳体1的一端设有卡环5，其另一端连接光整形探头2；所述卡环5的型号为D24；
所述传导光纤的一端通过输出镜连接激光器的输出端，其另一端依次穿过卡环5、隔离套管4接入光整形探头2；所述光整形探头2内自与光通道壳体1连接处依次设有扩束镜6、扫描振镜7和聚光系统；
所述聚光系统包括镜架8、F-Q场镜圈9和F-Q透镜10，所述F-Q透镜10位于F-Q场镜圈9内，所述F-Q场镜圈9通过镜架8与光整形探头2固定；
所述控制板包括FPGA芯片及其外围的线驱动器、光耦、高速光耦和差分驱动器；所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经线驱动器、高速光耦与激光器的相应输入端连接，所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经高速光耦、差分驱动器与扫描振镜7的数据接口连接。
所述激光器包括主振荡器和功率放大器；所述主振荡器的输出端接功率放大器的输入端，所述主振荡器采用光纤耦合的声光调制器；所述激光器的调Q方式采用光纤耦合的声光调Q方式；所述主振荡器采用单模Yb双包层光纤，所述功率放大器采用大纤芯的Yb双包层光纤。
虽然Yb双包层光纤对的976nm光源具有更高的吸收系数和转换效率，但需要恒温控制，故所述激光器选用915nm半导体激光器，所述激光器采用侧边耦合技术。
从大功率全光纤激光器的发展趋势来看，要求泵浦耦合器件在将泵浦光耦合到内包层的同时，尽量不影响和损害双包层光纤的纤芯，因为只有这样才能在不影响信号激光的产生和传输的情况下实现级联泵浦，实现超大功率的输出。
对于高功率的脉冲光纤激光器，诸多的非线性放应，如受激布里渊散射，受激拉曼散射，自相位调制等，不但带来激光输出的不稳定，而且会造成激光器效率的下降，通过对声光调制器尾纤的特殊设计，如在光纤末端熔接光纤端帽并进行斜面抛光、在斜面上镀膜等，达到抑制光纤内非线性效应的目的。
由于脉冲展宽效应，从放大级输出的脉冲相对于主振荡级的脉冲形状有比较明显的展宽，甚至会出现次脉冲，这就直接导致了激光器峰值功率的降低。通过对主振荡级的信号进行精密调节，获得了理想的高斯脉冲，并具有较小的脉冲宽度和较高的麻涌峰值功率。
目前通常的脉冲光纤激光器，在其主振荡级和放大器之间都带有光纤耦合的光学隔离器以保护由于光信号反馈而造成主振荡级的损坏。目前带尾纤能承受2W以上的光学隔离器价格在$1500上，而且插入损耗大。本实施例提高主振荡级的输出功率以降低放大比；在输出光纤端头熔接endcap以降低放大器反馈信号的强度，从而去掉了in-line光学隔离器而降低成本。
主振荡级增益的控制影响着功率放大器的设计和重复频率的调节方式，当主振荡级输出功率太小时，不仅需要多级放大来达到50瓦的平均功率输出，而且需要in-line光学隔离器来隔离反馈信号，更主要的是无法在脉冲光纤激光器工作的条件下来调节重复频率。通过选择主振荡级Yb光纤，光纤长度的优化，选择调制信号的脉冲宽度等来达到对主振荡级增益的控制。该技术具备如下优势：
(a)去掉了in-line光学隔离器；
(b) 只需两级放大可达到50瓦平均功率输出； 
(c) 在工作条件下变化重复频率。
所述声光调制器的光纤末端熔接光纤端帽并进行斜面抛光，所述斜面上设有镀膜。
所述光整形探头2与光通道壳体1之间设有转接板3；所述转接板3中心设有用于穿过传导光纤的孔，所述孔上设有扩束镜6；所述转接板3一面与光通道壳体1固定，其另一面设有与光整形探头2相匹配的连接凸槽，所述光整形探头2上设有与之对应的连接凹槽。
所述光整形探头2还包括出光保护盖11。
所述传导光纤位于激光系统和光束调整系统之间的部分上套有可伸缩的弹簧保护管。
所述光整形探头2上安装有LED照明灯12，所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经线驱动器、光耦与LED照明灯12连接。
所述光通道壳体1上设置有用于显示激光参数的LED显示屏13，所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经线驱动器、光耦与LED显示屏13连接。
所述光通道壳体1上设有可拆卸的背带14，便于工作人员携带。
所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经线驱动器、光耦与外部开关或显示屏或指示灯连接。
本发明还包括移动电源箱，所述移动电源箱顶部设有提手，其底部设有万向轮；所述移动电源箱的输出端与控制板和激光器的电源端相连接。
所述控制板还包括SDRAM存储器、USB接口模块和开关电源芯片；所述SDRAM存储器、USB接口模块与FPGA芯片的相应端口双向数据总线连接；所述FPGA芯片的型号为EP2C20F484，所述SDRAM存储器的型号为IC42S16160C，所述USB接口模块的型号为CY7C68013，所述开关电源芯片的型号为SC4519。
一般的光整形探头2为向正前方出光来处理加工件，这种方式在一些场合会不适用；比如要处理车辆底盘的锈渍，由于车辆底盘有限，高度不足以使带把手的光通道壳体1保持垂直，给操作带来不便。为解决这个问题，采用更换光整形探头2的方式来变更激光出光方向，从而实现全方位除锈的目的。
所述主机壳上设置有钥匙开关K1、启动开关K2和电源开关K3，所述主机壳上还设有用于调整激光扫描速度的旋钮A和控制激光器输出功率的旋钮B，所述光通道壳体1或光整形探头2上设置有激光扫描宽度调整旋钮C，所述光通道壳体1上设有扳机开关K4；所述钥匙开关K1、启动开关K2、电源开关K3、扳机开关K4和旋钮A~C分别依次经所述光耦、线驱动器与FPGA芯片的相应I/O单向接口连接。
所述激光器内设有红外线发射源。
本发明采用肩负式移动，手持方式作业；传导光纤需要有一定硬度的保护管保护才能在工业场所移动作业，没有保护管的光纤容易折断或者弯折堵塞光路，传导光纤过短的话，操作人员手持激光头不便于灵活操作；如果传导光纤过长，激光传输会产生一定的损耗，另外多余部分的传导光纤会从背负主机拖到地面，在加工器件和工具密集的车间容易绊挂，带来潜在的隐患，经过实验，将所述传导光纤的长度设计为2.8米，是激光器的标配值，且所述传导光纤上套有可伸缩的弹簧保护管。
本发明可提供50W的激光功率输出、工作效率高；所有配件均采用国内配套生产和研发，自主性强；采用光纤激光器风冷支持持续工作；成本相对较低，批量生产预计是国外类似产品价格的三分之一；由于所有部件均为国内生产，可批量生产迅速应用在各种野外除锈除漆作业场所。
为了避免在激光除锈过程中，光反馈造成系统的损坏，输出端带有光纤耦合的光学隔离器。
本发明为市电供电，通过不同输出电源及功率的开关电源集成在电源线供电，供电采用多芯软线传输，采用航空快接插头连接及拔插。
本发明的控制板采用板卡式设计，硬件编程处理数据，速度、精度极高；支持切换YAG/CO2方式打标，能发送PWM信号，支持国外所有射频激励激光管；两路16位高速模拟量输出用于控制振镜；一路0~5模拟量输出用于调节Q频率，一路0~9.5V模拟量输出用于调节泵浦电源电流，一路TTL信号（LASER）用于控制激光器的开关，两路方向/脉冲信号，可控制两路步进马达/伺服电机，一路硬件START信号用于连接外部的扳机开关，一路并行接口控制LED显示13屏数据显示。
所述控制板通过各种接口与光整形探头2、激光器、功率调节旋钮、宽度调节旋钮、LED显示屏13、LED照明灯12和辅助作业照明灯连接控制。通过在光整形探头2中通过增加反射镜改变光路，据此制作出不同出光方向的光整形探头2。
本实施例的工作过程：
系统启动后，控制板自检系统各个部分正常后显示当前数据，当扣动扳机开关1次时，激光系统发射红光，并实时通讯检测输出情况，再次扣动扳机开关，激光系统停止发射红光，进入初始状态。当连续扣动扳机开关2次时，激光系统发射激光，并实时通讯检测输出情况，再次扣动扳机开关，激光器停止发射激光，进入初始状态。
在激光或者红光发射状态时，激光系统将自动按照当前记忆的功率与扫描速度控制光束整形系统进行处理输出到加工件；当需要调节输出功率或扫描宽度时，只需要关闭激光输出，打开红光调节模式即可进行旋钮的实时调节，调节完成后，重新启动激光输出即可。
本发明可大大减轻操作人员工作强度，操作简单，不需要专业技能学习；虽然一次性成本较高，但是产期使用损耗及维护成本低，综合成本低。可处理精密及对灰尘要求高的加工件，可将上面附着物瞬间气化。本发明应用前景广泛，可在工业生产、军工制造、装备维护、设备翻新等各种领域发挥重要作用。

Claims (10)

1. 一种便携式激光除锈机，其特征在于：包括激光系统、光束调整系统和传导光纤；所述激光系统和光束调整系统通过传导光纤相连接；
所述激光系统包括带有背带的主机壳、位于主机壳内的激光器、控制板以及输出镜；所述控制板的相应输出端接激光器的数据接口；所述激光器的输出端设有输出镜；
所述光束调整系统包括光隔离通道和光整形探头；所述光隔离通道包括带有把手的光通道壳体（1）和设置于光通道壳体（1）内的隔离套管（4），所述光通道壳体（1）的一端设有卡环（5），其另一端连接光整形探头（2）；
所述传导光纤的一端通过输出镜连接激光器的输出端，其另一端依次穿过卡环（5）、隔离套管（4）接入光整形探头（2）；所述光整形探头（2）内自与光通道壳体（1）连接处依次设有扩束镜（6）、扫描振镜（7）和聚光系统；
所述聚光系统包括镜架（8）、F-Q场镜圈（9）和F-Q透镜（10），所述F-Q透镜（10）位于F-Q场镜圈（9）内，所述F-Q场镜圈（9）通过镜架（8）与光整形探头（2）固定；
所述控制板包括FPGA芯片及其外围的线驱动器、光耦、高速光耦和差分驱动器；所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经线驱动器、高速光耦与激光器的相应输入端连接，所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经高速光耦、差分驱动器与扫描振镜（7）的数据接口连接。
2.根据权利要求1所述的便携式激光除锈机，其特征在于：所述激光器包括主振荡器和功率放大器；所述主振荡器的输出端接功率放大器的输入端，所述主振荡器采用光纤耦合的声光调制器；所述激光器的调Q方式采用光纤耦合的声光调Q方式；所述主振荡器采用单模Yb双包层光纤，所述功率放大器采用大纤芯的Yb双包层光纤。
3.根据权利要求2所述的便携式激光除锈机，其特征在于：所述声光调制器的光纤末端熔接光纤端帽并进行斜面抛光，所述斜面上设有镀膜。
4.根据权利要求1或3所述的便携式激光除锈机，其特征在于：所述光整形探头（2）与光通道壳体（1）之间设有转接板（3）；所述转接板（3）中心设有用于穿过传导光纤的孔，所述孔上设有扩束镜（6）；所述转接板（3）一面与光通道壳体（1）固定，其另一面设有与光整形探头（2）相匹配的连接凸槽，所述光整形探头（2）上设有与之对应的连接凹槽。
5.根据权利要求4所述的便携式激光除锈机，其特征在于：所述光整形探头（2）还包括出光保护盖（11）。
6.根据权利要求4所述的便携式激光除锈机，其特征在于：所述传导光纤位于激光系统和光束调整系统之间的部分上套有可伸缩的弹簧保护管。
7.根据权利要求4所述的便携式激光除锈机，其特征在于：所述光整形探头（2）上安装有LED照明灯（12），所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经线驱动器、光耦与LED照明灯（12）连接。
8.根据权利要求4所述的便携式激光除锈机，其特征在于：所述光通道壳体（1）上设置有用于显示激光参数的LED显示屏（13），所述FPGA芯片的相应I/O单向接口依次经线驱动器、光耦与LED显示屏（13）连接。
9.根据权利要求1所述的便携式激光除锈机，其特征在于：其还包括移动电源箱，所述移动电源箱顶部设有提手，其底部设有万向轮；所述移动电源箱的输出端与控制板和激光器的电源端相连接。
10.根据权利要求1所述的便携式激光除锈机，其特征在于：所述控制板还包括SDRAM存储器、USB接口模块和开关电源芯片；所述SDRAM存储器、USB接口模块与FPGA芯片的相应端口双向数据总线连接；所述FPGA芯片的型号为EP2C20F484，所述SDRAM存储器的型号为IC42S16160C，所述USB接口模块的型号为CY7C68013，所述开关电源芯片的型号为SC4519。
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