CN107138858A - 大型工件激光清洗设备 - Google Patents

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周子翔
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Abstract

本发明涉及激光设备技术领域，特别涉及一种大型工件激光清洗设备，包括：轨道梁、横梁、升降立柱、机械手、激光扫描单元、光纤激光器、第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置及控制台。横梁设置在轨道梁上，升降立柱设置在横梁上。机械手与升降立柱连接。激光扫描单元与机械手连接，光纤激光器与激光扫描单元连接。控制台与第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、激光扫描单元、光纤激光器及机械手电性连接。本发明提供的大型工件激光清洗设备，适用于大面积的清洗覆盖及复杂工件表面的无死角清洗。

Description

大型工件激光清洗设备
技术领域
本发明涉及激光设备技术领域，特别涉及一种大型工件激光清洗设备。
背景技术
在航天、高铁、海洋等领域，经常使用大型金属工件，大型金属工件的清洗由于工件面积大、清洗质量要求高，成为一项极其关键与繁重的工作。工业上对金属工件的清洗，应用较多的是采用化学药剂清洗和机械清洗的方法，化学药剂容易造成环境污染，且对基材产生一定的腐蚀与损伤，同时用量大导致成本高昂；机械清洗通过实施于工件表面的机械作用实现清洗，同样容易损伤工件表层，此外，大型工件的机械清洗费时费力，且清洗过程产生二次污染，产生的金属粉尘容易被工人吸入体内影响身体健康。激光清洗技术采用高能激光束照射于工件表面，使其表面的锈斑、腐蚀、附着物或涂层等发生瞬间蒸发或剥离，达到工件表面洁净化，具有环保、无接触、清洗效率高的特点。对于航天、高铁、海洋等领域大型金属工件的清洗，可极大程度的提高清洗效率和降低清洗成本，且清洗过程绿色无污染。目前出现的手持式激光清洗器及激光清洗装置，由于结构限制、清洗模式单一，只能实现小幅面单一化的清洗，不能适用于大面积的清洗覆盖及复杂工件表面的无死角清洗，不具有清洗多样化工件表面的普适能力。
发明内容
本发明实施例通过提供一种大型工件激光清洗设备，解决了现有技术中难以对复杂工件表面进行激光清洗的技术问题，适用于大面积的清洗覆盖及复杂工件表面的无死角清洗，具有清洗多样化工件表面的能力。
本发明提供了一种大型工件激光清洗设备，包括：轨道梁、横梁、升降立柱、机械手、激光扫描单元、光纤激光器、第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置及控制台；
所述横梁设置在所述轨道梁上，通过所述第一驱动装置驱动所述横梁沿所述轨道梁在X轴方向上移动；
所述升降立柱设置在所述横梁上，通过所述第二驱动装置驱动所述升降立柱沿所述横梁在Y轴方向上移动；
所述机械手与所述升降立柱连接，通过所述第三驱动装置驱动所述机械手沿所述升降立柱在Z轴方向上移动；
所述激光扫描单元与所述机械手连接，所述机械手对所述激光扫描单元的位置进行调节；所述光纤激光器与所述激光扫描单元连接；
所述控制台与所述第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、激光扫描单元、光纤激光器及所述机械手电性连接。
进一步地，还包括：支撑架；
所述轨道梁固定在所述支撑架上。
进一步地，还包括：工作平台；
所述工作平台设置在所述支撑架的内侧下方，所述工作平台用于放置待清洗工件。
进一步地，还包括：电源设备；
所述电源设备与所述光纤激光器及控制台连接。
进一步地，所述第三驱动装置为通过电机驱动的齿轮齿条机构。
进一步地，所述激光扫描单元包括：扫描装置及聚焦装置；
所述控制台与所述扫描装置连接；
所述扫描装置内设置有一个或两个振镜，所述振镜用于一维或二维扫描；
所述光纤激光器发出的激光束经所述扫描装置入射至所述聚焦装置，所述聚焦装置将所述扫描装置扫描输出的光斑聚焦于待清洗工件表面。
进一步地，所述扫描装置内设的所述振镜的扫描角度范围为0～±30°。
进一步地，还包括：防护罩；
所述防护罩与所述激光扫描单元连接；
所述防护罩开设有出光口，所述出光口上设置有保护玻璃，所述聚焦装置输出的光斑经所述出光口入射至待清洗工件表面。
进一步地，所述激光扫描单元还包括：吸尘装置；
所述吸尘装置吸尘端口设置在所述出光口的一侧或两侧。
进一步地，所述光纤激光器输出的光斑为方形。
本发明实施例提供的一种或多种技术方案，至少具备以下有益效果或优点：
本发明实施例提供的大型工件激光清洗设备，第一驱动装置驱动横梁沿轨道梁在X轴方向上移动，第二驱动装置驱动升降立柱沿横梁在Y轴方向上移动，第三驱动装置驱动机械手沿升降立柱在Z轴方向上移动，可实现激光扫描单元在X、Y及Z轴上进行大范围的三维移动，同时机械手对激光装置的位置进一步进行调节，可实现小范围内激光扫描单元的高精度三维移动，适用于大面积的清洗覆盖及复杂工件表面的无死角清洗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的大型工件激光清洗设备结构示意图；
图2为本发明实施例提供的激光扫描单元内部结构示意图；
图3为本发明实施例提供的防护罩结构示意图；
图4为本发明实施例提供的激光扫描单元的出光面结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种大型工件激光清洗设备，解决了现有技术中难以对复杂工件表面进行激光清洗的技术问题，适用于大面积的清洗覆盖及复杂工件表面的无死角清洗，具有清洗多样化工件表面的能力。
参见图1，本发明实施例提供了一种大型工件激光清洗设备，包括：轨道梁4、横梁5、升降立柱6、机械手7、激光扫描单元8、光纤激光器10、第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置及控制台9。
横梁5设置在轨道梁4上，通过第一驱动装置驱动横梁5沿轨道梁4在X轴方向上移动；升降立柱6设置在横梁5上，通过第二驱动装置驱动升降立柱6沿横梁5在Y轴方向上移动；机械手7与升降立柱6连接，通过第三驱动装置驱动机械手7沿升降立柱6在Z轴方向上移动。
激光扫描单元8与机械手7连接，机械手7对激光扫描单元8的位置进行调节；光纤激光器10与激光扫描单元8连接；控制台9与第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置及机械手7电性连接。
接上述方案，本发明实施例提供的大型工件激光清洗设备还包括：支撑架2；轨道梁4固定在支撑架2上。
接上述方案，本发明实施例提供的大型工件激光清洗设备还包括：工作平台1；工作平台1设置在支撑架2的内侧下方，工作平台1用于放置待清洗工件。
接上述方案，本发明实施例提供的大型工件激光清洗设备还包括：电源设备11；电源设备11与光纤激光器10及控制台9连接。
接上述方案，第三驱动装置为电机驱动的齿轮齿条机构。
接上述任一方案，参见图1及图2，激光扫描单元8包括：扫描装置81及聚焦装置82。控制台9与扫描装置81连接；扫描装置81内设置有一个或两个振镜，振镜用于一维或二维扫描；光纤激光器10发出的激光束经扫描装置81入射至聚焦装置82，聚焦装置82将扫描装置81扫描输出的光斑聚焦于待清洗工件表面。
接上述方案，扫描装置81内设的振镜的扫描角度范围为0～±30°。
接上述方案，参见图3，所述激光扫描单元8还包括：防护罩83。防护罩83设置在聚焦装置83前端；防护罩83设有出光口84，出光口84上设置有保护玻璃，聚焦装置82输出的光斑经出光口84入射至待清洗工件表面。
接上述方案，参见图4，激光扫描单元8还包括：吸尘装置85；吸尘装置85吸尘端口设置在出光口84的一侧或两侧。
接上述任一方案，光纤激光器10输出的光斑为方形。
下面结合具体的实施例对本发明提供的大型工件激光清洗设备进行说明：
参见图1，本实施例提供的大型工件激光清洗设备，包括：工作平台1、支撑架2、轨道梁4、横梁5、升降立柱6、机械手7、激光扫描单元8、光纤激光器10、第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、控制台9及电源设备11。
其中，参见图1，工作平台1设置在支撑架2的内侧下方，工作平台1用于放置待清洗工件。轨道梁4为两根，两根轨道梁4平行固定在支撑架2上。横梁5的一端设置在一根轨道梁4上，横梁5的另一端设置在另一根轨道梁4上，横梁5可沿轨道梁4滑动。通过第一驱动装置驱动横梁5沿轨道梁4在X轴方向上移动。升降立柱6垂直连接在横梁5上，通过第二驱动装置驱动升降立柱6沿横梁5在Y轴方向上移动。机械手7与升降立柱6连接，通过第三驱动装置驱动机械手7沿升降立柱6在Z轴方向上移动，具体的：第三驱动装置为电机驱动的齿轮齿条机构，电机驱动齿轮齿条结构的啮合实现激光扫描单元8垂直方向(即Z轴)的运动，具有行程长、运行平稳的特点。
参见图1及图2，激光扫描单元8与机械手7固定连接，机械手7为多自由度机械手7，机械手7带动激光扫描单元8实现360°全方位运动。其中，激光扫描单元8包括：扫描装置81、聚焦装置82、防护罩83及吸尘装置85；控制台9与扫描装置81连接；扫描装置81内设置有用于扫描的振镜，控制台9可对扫描装置81的扫描角度进行0～100％范围内的调整，振镜的扫描角度范围为0～±30°，实现面积可调的扫描聚焦光斑输出，较小的输出光斑面积满足工件表面轮廓复杂的局部清洗，较大的输出光斑面积满足工件表面轮廓简单的大面积清洗，通过多种清洗模式提高清洗效率和质量。参见图3及图4，防护罩83设置在聚焦装置82前端；防护罩83设有出光口84，出光口84上设置有可拆卸的保护玻璃，以保护光学元件不受清洗环境中颗粒和粉尘的影响，延长光学元件使用寿命。光纤激光器10发出的激光斑经扫描装置81入射聚焦装置82，聚焦装置82将扫描装置81扫描输出的光斑聚焦后经出光口84入射至待清洗工件表面。吸尘装置85吸尘端口设置在出光口84的一侧或两侧，吸尘装置85与激光清洗作业同步进行，吸尘装置85对工作中的清洗表面进行作用，用于吸除在激光清洗过程中产生的微小颗粒和粉尘。光纤激光器10输出的光斑为方形，相应的可获得边缘锐利的扫描光斑。
参见图1，光纤激光器10通过传导光纤与激光扫描单元8连接，光纤激光器10的输出功率为50～10000W，脉宽为1ns～1ms，频率为20～200kHz，可调整输出频率和输出功率来实现不同工件表面的多样化清洗。光纤激光器10工作波长为950～1100um，适合各种金属板材表面锈斑、腐蚀、油渍等污染物的清洗，同时对待清洗工件无损伤。电源设备11通过导线与光纤激光器10及控制台9连接，导线采用铜芯塑料绝缘导线穿管埋地敷设，以提高设备使用和环境安全性。控制台9与第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、激光扫描单元8、光纤激光器10及机械手7电性连接；控制台9用于给第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、激光扫描单元8、光纤激光器10及机械手7供电，和提供控制信号控制第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置移动，以及控制光纤激光器10的开关、激光输出模式的调整以及激光扫描单元8的振镜扫描状态。
本实施例提供的大型工件激光清洗设备的工作过程如下：参见图1，在应用时，将工件放置在工作平台1上，通过轮廓扫描装置对工件待清洗部分的三维轮廓进行扫描，并将轮廓数据导入控制台9。其中，三维轮廓数据可通过三维激光雷达来获取高精度面型轮廓数据，具有非接触、获取速度快、操作简单的特点。另外，三维轮廓数据也可通过光学非接触测量方式进行获取，采用数字图像相关技术及双目立体视觉系统来实现工件曲面轮廓的三维测量，对于超出量程的工件面积可采用图像拼接的方法实现整个工件面积的轮廓覆盖。控制台9接收轮廓数据后分析处理得到对应工件的清洗轨迹，并发出控制信号控制第一驱动装置、第二驱动装置及第三驱动装置运行。第一驱动装置驱动横梁5沿轨道梁4在X轴方向上移动，第二驱动装置驱动升降立柱6沿横梁5在Y轴方向上移动，第三驱动装置驱动机械手7沿升降立柱6在Z轴方向上移动；实现激光扫描单元8在X、Y及Z轴上进行大范围的三维移动，同时机械手7对激光装置的位置进一步进行调节，可实现小范围内激光扫描单元8的高精度三维移动，使激光扫描单元8准确定位并按照清洗轨迹移动。光纤激光器10发出的激光斑经扫描装置81入射至聚焦装置82，聚焦装置82将扫描装置81扫描输出的光斑聚焦后经出光口84入射至待清洗工件表面。控制台9控制扫描装置81内振镜的扫描角度范围，实现面积可调的聚焦光斑输出。光纤激光器10输出的光斑为方形，相应的可获得边缘锐利的扫描光斑，结合机械手7带动激光扫描单元8实现360°全方位运动，获得优于10um的清洗精度。
本发明提供的一种或多种技术方案，至少具备以下有益效果或优点：
参见图1，本发明实施例提供的大型工件激光清洗设备，第一驱动装置驱动横梁5沿轨道梁4在X轴方向上移动，第二驱动装置驱动升降立柱6沿横梁5在Y轴方向上移动，第三驱动装置驱动机械手7沿升降立柱6在Z轴方向上移动，可实现激光扫描单元8在X、Y及Z轴上进行大范围的三维移动，同时机械手7对激光装置的位置进一步进行调节，可实现小范围内激光扫描单元8的高精度三维移动，适用于大面积的清洗覆盖及复杂工件表面的无死角清洗。通过工件的三维轮廓数据导入控制台9进行清洗轨迹控制，可实现清洗自动化；通过调整激光输出模式和激光扫描装置扫描角度满足不同表面状态的清洗及复杂轮廓的高精度清洗，实现了激光清洗设备应用多样化。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种大型工件激光清洗设备，其特征在于，包括：轨道梁、横梁、升降立柱、机械手、激光扫描单元、光纤激光器、第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置及控制台；
所述横梁设置在所述轨道梁上，通过所述第一驱动装置驱动所述横梁沿所述轨道梁在X轴方向上移动；
所述升降立柱设置在所述横梁上，通过所述第二驱动装置驱动所述升降立柱沿所述横梁在Y轴方向上移动；
所述机械手与所述升降立柱连接，通过所述第三驱动装置驱动所述机械手沿所述升降立柱在Z轴方向上移动；
所述激光扫描单元与所述机械手连接，所述机械手对所述激光扫描单元的位置进行调节；所述光纤激光器与所述激光扫描单元连接；
所述控制台与所述第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置、激光扫描单元、光纤激光器及所述机械手电性连接。
2.如权利要求1所述的大型工件激光清洗设备，其特征在于，还包括：支撑架；所述轨道梁固定在所述支撑架上。
3.如权利要求2所述的大型工件激光清洗设备，其特征在于，还包括：工作平台；所述工作平台设置在所述支撑架的内侧下方，所述工作平台用于放置待清洗工件。
4.如权利要求1所述的大型工件激光清洗设备，其特征在于，还包括：电源设备；所述电源设备与所述光纤激光器及控制台连接。
5.如权利要求1所述的大型工件激光清洗设备，其特征在于，所述第三驱动装置为通过电机驱动的齿轮齿条机构。
6.如权利要求1-5任一项所述的大型工件激光清洗设备，其特征在于，所述激光扫描单元包括：扫描装置及聚焦装置；
所述控制台与所述扫描装置连接；
所述扫描装置内设置有一个或两个振镜，所述振镜用于一维或二维扫描；
所述光纤激光器发出的激光束经所述扫描装置入射所述聚焦装置，所述聚焦装置将所述扫描装置扫描输出的光斑聚焦于待清洗工件表面。
7.如权利要求6所述的大型工件激光清洗设备，其特征在于，所述扫描装置内设的所述振镜的扫描角度范围为0～±30°。
8.如权利要求6所述的大型工件激光清洗设备，其特征在于，还包括：防护罩；所述防护罩与所述激光扫描单元连接；所述防护罩设有出光口，所述出光口上设置有保护玻璃，所述聚焦装置输出的光斑经所述出光口入射至待清洗工件表面。
9.如权利要求8所述的大型工件激光清洗设备，其特征在于，所述激光扫描单元还包括：吸尘装置；所述吸尘装置吸尘端口设置在所述出光口的一侧或两侧。
10.如权利要求1-5任一项所述的大型工件激光清洗设备，其特征在于，所述光纤激光器输出的光斑为方形。
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