CN105127150A - 一种基于机器人控制的激光清洗系统及其清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述基于机器人控制的激光清洗系统及清洗方法。包括计算机系统、激光器、保护罩、传感系统、光束整形系统、废料处理器、光谱分析仪和待清洗工件；还包括机器人，所述激光器、机器人均与计算机系统连接；光束整形系统通过光纤与激光器连接，传感系统和光束整形系统均固定在保护罩中，传感系统与计算机系统连接；保护罩固定在机器人手臂上，光谱分析仪与计算机系统连接。本发明的激光清洗系统及清洗方法，不仅能对任意大小、任意形状待清洗工件进行清洗；还能对清洗结果实时分析，实现闭环控制；通过图像处理和光谱分析共同评判清洗效果，其判断准确，清洗效果好；所述机器人自动化控制提高了系统适应性和稳定性。

Description

一种基于机器人控制的激光清洗系统及其清洗方法

技术领域

本发明属于激光清洗技术领域，具体涉及一种基于机器人控制的激光清洗系统及其清洗方法。

背景技术

传统清洗工件的方法应用种类比较多，包括超声波清洗法、机械清洗法以及湿化学清洗法，但它们都存在局限性。超声波清洗法是利用超声波产生振动去除工件表面残留物，工件需要放入到清洗液中，清洗后很难干燥，而且对纳米级残留物的去除效果很差；机械清洗法是采用机械的手段去除工件表面残留物，如喷砂、擦刷刮等，这种方法很容易使工件损伤，且无法满足所要求的清洁度；湿化学清洗法是通过侵泡、淋喷等措施结合有机清洗剂去除工件表面附着物，这种方法的清洁度和清洗效率不但达不到所需要求，而且还容易造成环境的污染。

随着激光器技术不断完善和发展，激光清洗技术得到快速发展。利用激光清洗工件表面残留物省时省力、安全可靠、经济实效；因而激光清洗技术已经逐渐应用于环境保护、文物保护、工业清洗、生活医疗等方面。激光清洗其成本低、耗时短、清洗效果好、效率高、清洗范围广、能自动进行清洗并对清洗效果进行实时判断以进行反馈闭环控制等的激光清洗技术成为研究的热点。公开号为CN103817113A的专利申请公开了“一种金属表面污物激光清除系统和方法”，使用振镜系统代替传统X-Y平移台，通过振镜控制整形光束的摆动，提高了清洗速率，最高可达到8000mm/s。但此种系统及方法只能实现二维的扫描，且振镜扫描角度有限，当所需清洗工件形状不规则时，不能进行大面积清洗和任意角度清洗，使清洗效果受到了很大限制和影响。虽然公开号为CN103056517A的专利申请公开了“一种三维激光清洗装置”，使用两个扫描振镜组成二维扫描振镜系统，能在清洗过程中进行x、y、z三个方向的位置调整，实现三维清洗。但是，其振镜扫描角度仍然有一定的限制，难以实现在三维空间内对任意位置进行清洗，且很难在实际场合应用，更难应用于庞大的待清洗工件，如飞机的清洗等；其操作较困难，适应性很差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于机器人控制的激光清洗系统及其清洗方法，该系统能对任意大小、任意形状的待清洗工件实现三维任意角度的扫描清洗，不仅提高了清洗效率，节约了清洗时间，清洗效果好；而且提高了系统的适应性，稳定性。

本发明所述基于机器人控制的激光清洗系统，包括计算机控制系统、激光器、保护罩、传感系统、光束整形系统、光谱分析仪、待清洗工件和废料处理器；其特征在于还包括机器人，所述激光器、机器人分别与计算机控制系统连接，由计算机控制系统控制其工作；所述传感系统和光束整形系统均固定在保护罩中，所述光束整形系统通过光纤与激光器连接，由激光器发出的激光通过光纤传送至光束整形系统以对光束进行调整；所述传感系统与计算机控制系统连接，所述保护罩固定在机器人手臂上，所述光谱分析仪与计算机控制系统连接；所述待清洗工件和废料处理器独立摆放。

上述基于机器人控制的激光清洗系统，所述机器人为六轴机器人。

上述基于机器人控制的激光清洗系统，所述激光器为光纤激光器、固体激光器、半导体激光器、气体激光器中的一种。

上述基于机器人控制的激光清洗系统，所述光束整形系统由凹透镜、凸透镜和柱透镜组成，由激光器发出的激光经光纤传送至凹透镜，再依次经过凸透镜和柱透镜形成线光光束。

上述基于机器人控制的激光清洗系统，所述传感系统由距离传感器和图像传感器构成，所述距离传感器和图像传感器分别与计算机控制系统相连。

本发明利用上述基于机器人控制的激光清洗系统进行激光清洗的方法，包括以下步骤：

(1)打开激光器电源使激光器预热达到符合输出激光的条件，设定其初始输出参数；再打开机器人、传感器、光谱分析仪和废料处理器电源，使它们均处于待工作状态，设定好机器人的工作参数；

(2)将机器人手臂调整到待清洗工件所需要清洗的位置，并调整光束整形系统，使出射激光经光纤进入光束整形系统后以得到所需的线光光束；

(3)通过计算机控制系统控制机器人手臂运作，以控制激光光束对待清洗工件进行多角度扫描清洗；清洗的过程中使用废料处理器将清洗时所产生的废料收集处理；

(4)通过传感系统中的距离传感器将待清洗工件的清洗面到激光出射口的距离反馈到计算机控制系统，以便通过计算机控制系统对待清洗工件的清洗面到激光出射口的距离进行调整；通过传感系统中的图像传感器采集待清洗区域图片，并将该清洗区域的清洗情况反馈到计算机控制系统，以便判断清洗效果；通过光谱分析仪采集待清洗工件表面化学元素的谱线图，将该谱线图峰值的变化反馈到计算机控制系统，以便判断清洗效果；

(5)通过计算机控制系统对接收到的清洗信息进行处理，得到实时分析清洗结果，计算机控制系统根据清洗结果给出下一指令，继续控制机器人手臂运作：

(6)当待清洗工件所需清洗部位已被清洗干净时，将机器人手臂移动到下一个待清洗部位；当待清洗部位未被清洗干净时，将机器人手臂移动到未被清洗干净的部位再次对待清洗工件进行清洗，如此循环，直到待清洗工件完全被清洗干净。本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益的技术效果：

1、本发明所述基于机器人控制的激光清洗系统中的机器人是六轴机器人，涉及空间大，自动化强；将保护罩固定于机器人手臂上，通过计算机控制系统控制机器人手臂动作，使由激光器出射的激光经光束整形系统调整形成线光束在待清洗工件上进行扫描，并能进行多角度无死角扫描，能对任意大小、任意形状的待清洗工件实现三维任意角度扫描清洗，即使待清洗工件处在不可视位置或是无法用人工直接辐照的清洗位置，也能进行较好效果的清洗，适用范围广，适应性强。

2、本发明所述基于机器人控制的激光清洗方法及系统可以对清洗效果进行实时分析，实现闭环控制，通过图像处理和光谱分析共同评判清洗效果，将评判的清洗效果的精确信息反馈到计算机控制系统，控制机器人及其它系统工作，避免工件本身受到损伤以达到很好的清洗效果和系统稳定性。

3、本发明所述基于机器人控制的激光清洗系统通过计算机控制系统设置激光器所需的初始输出参数，激光器和机器人的工作参数，就能高效率、大面积的清洗工件各处的附着物，其操作简单、稳定可靠。

附图说明

图1为本发明所述基于机器人控制的激光清洗系统的结构框图；

图2为本发明所述基于机器人控制的激光清洗系统中光束整形系统的光路图；

图3为利用本发明所述基于机器人控制的激光清洗系统进行激光清洗的工作流程图；

图4为方形铝块清洗前后对比图，其中，a为清洗前的方形铝块示图，b为清洗后的方形铝块示图；

图5为方形铝块清洗后的局部显微放大图；

图6为另一种不规则工件清洗前后对比图，其中，a为清洗前不规则工件示图，b为清洗后不规则工件示图。

图中，1为凹透镜，2为凸透镜，3为柱透镜，4为线光光束。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明所述基于机器人控制的激光清洗系统及清洗方法做进一步详细说明，但并不意味着是对本发明保护内容的任何限定。

所述基于机器人控制的激光清洗系统，其结构如图1所示，包括计算机控制系统、激光器、保护罩、传感系统、光束整形系统、光谱分析仪、待清洗工件和废料处理器；按照本发明，还包括机器人，所述机器人为六轴机器人。所述激光器、机器人分别与计算机控制系统连接，由计算机控制系统控制其工作；所述传感系统和光束整形系统均固定在保护罩中，所述光束整形系统通过光纤与激光器连接，由激光器发出的激光通过光纤传送至光束整形系统以对光束进行调整到所需要的线光光束；所述传感系统由距离传感器和图像传感器构成，所述距离传感器和图像传感器分别与计算机系统相连；所述保护罩固定在机器人手臂上，所述光谱分析仪与计算机系统连接；所述待清洗工件和废料处理器为单独摆放，配合激光清洗系统的清洗工作。本发明的激光清洗系统通过图像处理和光谱分析共同评判清洗效果，并将评判的清洗效果的精确信息反馈到计算机控制系统，控制机器人及其它系统工作；既达到很好的清洗效果，且系统稳定性好。

所述光束整形系统其结构如图2所示，由凹透镜1、凸透镜2和柱透镜3组成，所述凹透镜1的焦距f₁为-5cm，所述凸透镜2的焦距f₂为10cm，柱透镜3的焦距f₃为10cm。按照光路描述：由激光器发出的激光经光纤传送至凹透镜1，经过凸透镜2形成扩大的光束，其直径为1cm，扩大的光束再经过柱透镜3形成线光光束4，扩大的光束经柱透镜3聚焦成线光光束4，线光光束的宽度约为200μm。

所述计算机控制系统为一般通用计算机；所述机器人购于安川(中国)电机有限公司，型号为六轴垂直多关节MOTOMAN-MH6；所述激光器是相干(北京)商业有限公司MATRIX系列产品1064-10-30，其输出功率最高为10W，激光脉冲重复率100kHz内可调。所述保护罩为耐高温石英玻璃材质，且边长为15cm的方体形盒子，其壁厚为10mm，对532nm和1064nm波长无吸收峰，透过率大于85％。所述图像传感器采用UP-1830-12B型工业相机，通过摄像系统采集实时的清洗区域图片。所述距离传感系统为夏普GP2Y0A02YK0F红外激光测距传感器模块，量程20-150cm，配备10位AD转换器的单片机控制，精度达0.1cm。所述光谱分析仪使用的是上海辰昶仪器ES2000高速高分辨率光谱分析仪，光谱分析仪的探头型号为SonyILX554BlinearSiCCDarray，探测范围200-1100nm；废料处理器使用欧普尼尔工业吸尘器NRX803C-30L，功率1800W。

实施例1

利用上述基于机器人控制的激光清洗系统进行激光清洗的方法，包括以下步骤：

(1)按照图1所述基于机器人控制的激光清洗系统的结构框图连接好各部件仪器，打开激光器电源使激光器预热，再打开机器人、传感系统、光谱分析仪和废料处理器电源，使它们均处于待工作状态，设定好激光器工作的参数：其波长1064nm，脉冲重复率30kHz，输出功率10W；设定好机器人的工作参数，使保护罩中的激光出射口与待清洗工件的清洗面的距离为10cm，设定扫描速度5mm/s，摆动范围设为0.5m；

(2)将机器人手臂调整到待清洗工件所需要清洗的位置，并调整光束整形系统，使出射激光经光纤进入光束整形系统以得到长1cm，宽约200μm的线光光束，该线光光束交接扫描，其重复宽度为0.2mm；

(3)通过计算机控制系统控制机器人手臂运作，以控制激光光束对待清洗工件进行多角度扫描清洗；将方形铝块拍照并通过计算机控制系统进行灰度处理得到方形铝块本身基底灰度值图片，作为清洗对比图片，然后对方形铝块涂覆一层油漆，油漆厚度约为100～200μm；油漆干后的方形铝块如图4(a)所示，然后用机器人手臂控制激光线光光束对图4(a)所示的方形铝块进行多个角度扫描，对方形铝块上的油漆层进行多角度清洗；清洗的过程中使用欧普尼尔工业吸尘器将清洗废料收集处理；

(4)判断清洗效果：在清洗过程中，通过传感系统中的距离传感器将方形铝块清洗面到激光出射口的距离反馈到计算机控制系统，以便计算机控制系统对该距离进行实时调整，使该距离保持为10cm；通过传感系统中的图像传感器采集清洗区域图片，并将该清洗区域的情况传送至计算机控制系统，计算机控制系统对采集到的图片进行灰度处理，再与所述基底灰度值图片，判断其清洗效果；所述光谱分析仪通过探头采集待清洗方形铝块表面化学元素谱线图，将该谱线图峰值的变化反馈给计算机控制系统，看是否出现Al特征谱线，以判断其清洗效果；

(5)通过计算机控制系统对接收到的清洗信息进行处理，得到实时分析清洗结果，计算机控制系统根据清洗结果给出下一指令，继续控制机器人手臂运作：

(6)当图像传感器采集到的图片与基底灰度值图片的吻合度达95％以上时，表明待清洗铝块已被清洗干净，此时移动机器人手臂到下一个需要清洗部位，否则继续清洗正在清洗而没有被清洗干净的区域；当所述光谱分析仪采集到的谱线图出现Al特征谱线时，则移动机器人手臂到下一个待清洗部位，否则继续清洗正在清洗而没有被清洗干净区域；如此循环，直到待清洗工件完全被清洗干净。

清洗结果测试：

清洗后的方形铝块如图4(b)所示，从图中可以看出，方形铝块各个面的油漆层均得到清洗，且清洗效果较好。为了探究方形铝块本身损害与否，通过数字显微镜观察被清洗铝面情况，如图5所示的显微放大图，底部均匀，没有检测到损坏现象的产生，并且可清晰的看出其清洗效果较干净。

实施例2

按照实施例1的清洗方法及操作过程，对图6(a)所示的不规则工件上的油漆层进行清洗。其清洗后的效果如图6(b)所示。

Claims (7)

1.一种基于机器人控制的激光清洗系统，包括计算机控制系统、激光器、保护罩、传感系统、光束整形系统、光谱分析仪、待清洗工件和废料处理器；其特征在于还包括机器人，所述激光器、机器人分别与计算机控制系统连接，由计算机控制系统控制其工作；所述传感系统和光束整形系统均固定在保护罩中，所述光束整形系统通过光纤与激光器连接，由激光器发出的激光通过光纤传送至光束整形系统以对光束进行调整；所述传感系统与计算机控制系统连接，所述保护罩固定在机器人手臂上，所述光谱分析仪与计算机控制系统连接。

2.根据权利要求1所述基于机器人控制的激光清洗系统，其特征在于所述机器人为六轴机器人。

3.根据权利要求1或2所述基于机器人控制的激光清洗系统，其特征在于所述激光器为光纤激光器、固体激光器、半导体激光器、气体激光器中的一种。

4.根据权利要求1或2所述基于机器人控制的激光清洗系统，其特征在于所述光束整形系统由凹透镜(1)、凸透镜(2)和柱透镜(3)组成，由激光器发出的激光经光纤传送至凹透镜(1)，再依次经过凸透镜(2)和柱透镜(3)形成线光光束(4)。

5.根据权利要求3所述基于机器人控制的激光清洗系统，其特征在于所述光束整形系统由凹透镜(1)、凸透镜(2)和柱透镜(3)组成，由激光器发出的激光经光纤传送至凹透镜(1)，再依次经过凸透镜(2)和柱透镜(3)形成线光光束(4)。

6.根据权利要求1所述基于机器人控制的激光清洗系统，其特征在于所述传感系统由距离传感器和图像传感器构成，所述距离传感器和图像传感器分别与计算机控制系统连接。

7.一种利用权利要求1～6任一项所述基于机器人控制的激光清洗系统进行激光清洗的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)打开激光器电源使激光器预热达到符合输出激光的条件，设定其初始输出参数；再打开机器人、传感系统、光谱分析仪和废料处理器电源，使它们均处于待工作状态，设定好机器人的工作参数；

(2)将机器人手臂调整到待清洗工件所需要清洗的位置，并调整光束整形系统，使出射激光经光纤进入光束整形系统以得到所需的线光光束；

(3)通过计算机控制系统控制机器人手臂运作，以控制激光光束对待清洗工件进行多角度扫描清洗；清洗的过程中使用废料处理器将清洗时所产生的废料收集处理；

(4)通过传感系统中的距离传感器将待清洗工件的清洗面到激光出射口的距离反馈到计算机控制系统，通过计算机控制系统对该距离进行实时调整；通过传感系统中的图像传感器采集清洗区域图片，并将该清洗区域清洗情况反馈到计算机控制系统，以便判断清洗效果；通过光谱分析仪采集待清洗工件表面化学元素的谱线图，将该谱线图峰值的变化反馈到计算机控制系统，以便判断清洗效果；

(5)通过计算机控制系统对接收到的清洗信息进行处理，得到实时分析清洗结果，计算机控制系统根据清洗结果给出下一指令，继续控制机器人手臂运作；

(6)当待清洗工件所需清洗部位已被清洗干净时，将机器人手臂移动到下一个待清洗部位；当待清洗部位未被清洗干净时，将机器人手臂移动到未被清洗干净的部位再次对待清洗工件进行清洗，如此循环，直到待清洗工件完全被清洗干净。