CN107309221A - 一种双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，包括激光器、传输光纤、升降对焦组件、激光测距传感器、振镜扫描系统、升降导向电驱组件和双波长复合整形系统；所述振镜扫描系统用于实现将入射的激光束聚焦于工件表面，并使激光束按设定轨迹在工件表面进行扫描运动；在振镜扫描系统的激光束出射端下方设置有升降对焦组件，在振镜扫描系统的侧面固定安装有激光测距传感器，双波长复合整形系统的输入端与激光器之间通过传输光纤相连，经过内部光学变换后输出双波长复合整形光束，其输出端与振镜扫描系统的激光束入射端固定连接。本发明可大大增强清洗的均匀性和精细程度，使清洗质量得到大幅度提高。

Description

一种双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置

技术领域

本发明属于激光清洗领域，具体涉及一种双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置。

背景技术

清洗是针对材料表面的污物、锈斑或涂层，利用化学或物理原理使其发生瞬间蒸发或剥离，即达到清除对象表面附着物或表面涂层，获得清洁的材料表面。

目前国内外的表面清洗技术主要有化学清洗和物理清洗两类。化学清洗主要是利用化学反应去除污物中的主要化学成分，由于清洗不彻底及清洗时排放大量酸、盐等，既污染环境又腐蚀设备，所以应用的范围较小。相比之下，物理清洗方法是在污垢处施加物理作用(如热、搅拌摩擦、研磨、压力等)使其脱落，主要有以下几种方法：

1)干冰清洗：将干冰颗粒作为喷射介质用于清理各种顽固的油脂及混合附着物。研究表明，干冰清洗应用于从金属物质上清除非金属污垢时效果最为明显，因此大量用于清洗精密零件和模具的有机残留物或污染物，不足之处在于对顽固的金属氧化物则难以清洗彻底。

2)气体爆破清洗：一般以惰性气体或氮气作为工作介质，当储存在密闭容器内的压缩气体被突然释放时，压缩气体将通过气体排放口向外快速流动同时气体体积发生膨胀，产生的震动和冲击波可以把附着在材料表面的污染物震落，随压缩气体一起离开材料表面。气体爆破清洗对于各类油墨、油漆和涂料等顽固污渍表现出良好的性能，波音、空客等著名航空制造公司以及美国空军均在使用气体爆破法清洗技术为飞机脱漆，但是其不足之处在于耗材成本较高、清洗深度有限，存在微观残留及机械应力变形等问题。

3)高压水射流清洗：具有很大穿透能力的高速水射流，通过冲蚀、切割、崩裂、剥离等原理来清除各类管道、冷换设备、容器、反应釜、反应塔等设备及材料表面上的高聚物、水垢、沉积物等。在各种清洗作业中，水射流清洗技术较之其它方式因具有明显的成本低、速度快、质量高(洗净率达99％以上)等诸多优点而受到青睐。一些重要工业部门，如石油石化企业、制糖业、火力发电厂等，已推广应用了高压水射流清洗技术，并取得了显著成效。但是，高压水射流清洗的重要不足在于会产生大量污染、有毒废水，以及也存在微观残留及机械应力变形等问题。

4)超声波清洗：利用超声波在介质中传播时产生的穿透性和空化冲击波来实现除油、防锈和磷化等，配合化学试剂调节溶液的酸碱度，具有清洁度高、清洗速度快的特点。超声波清洗技术的不足之处在于受限于清洗池设备尺寸，一般只适用于小型零部件的车间内清洗，难以做到大型零件的在线清洗，并且同样会产生大量污染、有毒废水。

激光清洗是近年来兴起的一种新型绿色环保表面清洗技术。它通过无机械接触的方式，使激光直接作用在污染物/氧化层上，使污染物直接发生气化、烧蚀、光分解，最终实现精确可控的表面污染物/氧化层薄层去除，具有清洗质量高、无耗材、效率高且不产生污染废水的突出优点。激光清洗不需使用任何化学药剂和清洗液，清洗下来的废料基本上都是固体粉末，体积小、易于存放、可回收，可以轻易解决化学清洗带来的环境污染问题；激光可以通过光纤传输，与机器手和机器人相配合，方便地实现远距离操作，能清洗传统方法不易达到的部位，这在一些危险的场所使用可以确保人员的安全；激光清洗能够清除各种材料表面的各种类型的污染物，达到常规清洗无法达到的清洁度。而且还可以在不损伤材料表面的情况下有选择性地清洗材料表面的污染物。目前，激光清洗已经成功应用于碳钢表面除锈、青铜类/石质类文物除污、飞机表面除漆、橡胶模具表面除残留物、印刷电路板清洗等众多领域。

然而，目前市面上各种激光清洗设备，仍然存在着诸多不足之处：

1)大部分的激光清洗机为手持式设备，操控方式完全依赖操作者手持清洗加工头，并依靠人眼(或借助距离传感器)保持激光束在工件表面的合理聚焦范围，精度差、体力耗费大，清洗效率不高。

2)一般均采用单一波长的脉冲激光器进行清洗加工，完全依赖高斯激光束的重叠扫描将材料表面的污染物烧蚀去除，受限于不同材料对单一波长激光能量的吸收率以及激光与物质相互作用机理差异，难以针对多种成分(金属锈蚀、有机高分子附着物、无机氧化物等)的复合型污染物进行彻底清除，清洗质量不高，不能胜任复杂污染物的超精细清洗需求。

3)如何控制激光能量和扫描策略，防止对材料基底的损伤仍然是激光清洗领域需要解决的重要技术难题。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种能够提高清洗加工质量和效率的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，包括激光器、传输光纤、升降对焦组件、激光测距传感器、振镜扫描系统、升降导向电驱组件和双波长复合整形系统；

所述振镜扫描系统用于实现将入射的激光束先后经由电机驱动的偏转扫描镜片反射和固定焦距物镜透射后出射，聚焦于工件表面，并使激光束按设定轨迹在工件表面进行扫描运动；在振镜扫描系统的激光束出射端下方设置有升降对焦组件，在振镜扫描系统的侧面固定安装有激光测距传感器，升降对焦组件用于调节振镜扫描系统出射端与工件表面的相对距离以保持出射激光束始终聚焦于工件表面的当前激光束扫描位置；激光测距传感器用于实时反馈振镜扫描系统与工件表面的相对距离值，为升降对焦组件的调节运动提供控制驱动数据；双波长复合整形系统作为光路子系统具有输入端和输出端，其中输入端与激光器之间通过传输光纤相连，激光器输出的单波长高斯激光束经由传输光纤进入双波长复合整形系统，经过内部光学变换后输出双波长复合整形光束，所述双波长复合整形光束是由高斯能量分布的内圆短波长激光和贝塞尔能量分布的外环形长波长激光构成的环形中心激光束；双波长复合整形系统的输出端与振镜扫描系统的激光束入射端固定连接，使得双波长复合整形光束成为振镜扫描系统的入射激光束；升降导向电驱组件设置在双波长复合整形系统的底部下方，用于支撑双波长复合整形系统。

优选的，在振镜扫描系统的侧面还安装有一CCD工业相机组件，其视场对应于振镜扫描系统的聚焦加工平面的扫描范围，用于实时监测激光清洗质量。

优选的，在振镜扫描系统的侧面还安装有一空间角度陀螺仪，用于检测当前扫描加工头的空间姿态倾斜角度。

优选的，所述双波长复合整形系统包括光纤接头、分束镜、第一安装架、锥透镜组合系统、空间合束镜、第二安装架、第一45度反射镜、倍频系统、第二45度反射镜、上板、底板和立柱；底板通过多根立柱与上板连接；分束镜通过第一安装架安装在上板上，空间合束镜通过第二安装架安装在上板上，锥透镜组合系统设置在分束镜与空间合束镜之间并固定在上板上，三者光轴重合；第一45度反射镜、倍频系统、第二45度反射镜依次设置在底板上，第一45度反射镜与第二45度反射镜的光轴重合；所述锥透镜组合系统用于进行光束整形，获得贝塞尔环形激光束；所述光纤接头、分束镜、第一安装架、锥透镜组合系统、空间合束镜、第一45度反射镜、倍频系统和第二45度反射镜的安装方位应使得：由光纤接头接入的单波长高斯激光束入射至分束镜，经由分束镜分为A束和B束，A束入射至锥透镜组合系统，通过锥透镜组合系统输出贝塞尔环形激光束，再入射至空间合束镜；B束入射至第一45度反射镜，经第一45度反射镜的转折后入射至倍频系统，获得波长变为原输入激光束1/2、1/3或1/4波长的短波长高斯激光束，再经第二45度反射镜转折入射至空间合束镜；A束和B束激光经空间合束镜的合束后出射双波长复合整形光束。

优选的，所述升降对焦组件包括支撑腿、三耳法兰、三耳套筒、阶梯套筒和角接触球轴承；支撑腿共三组，分别通过三个螺栓固定安装在三耳法兰上；阶梯套筒与三耳套筒通过内外螺纹连接实现同轴配合，角接触球轴承设置在阶梯套筒与三耳套筒之间，其上表面接触阶梯套筒轴阶端面，下表面接触三耳套筒底面内侧，且角接触球轴承外环、内环分别与三耳套筒的内壁面和阶梯套筒的外壁面过盈配合，三耳法兰的内螺纹与阶梯套筒外螺纹配合安装；

所述支撑腿包括保护罩、调整螺杆、七星锁紧螺母座、圆柱形齿条、快插接头、直线轴承、升降板、齿轮安装架、凸肩型直齿轮、第一阶梯轴、刻度旋转把手、万向轮底座、牛眼万向轮、吹气喷嘴和标尺；所述牛眼万向轮通过孔配合安装在万向轮底座的下表面；保护罩呈半圆柱形，上表面开有通孔，底部通过三个螺纹孔安装在万向轮底座上，侧面开设有U型通槽，表面印制有刻度；调整螺杆与七星锁紧螺母座组成调整限位装置，调整螺杆穿过保护罩上表面的通孔，一端连接七星锁紧螺母座，另一端连接升降板；圆柱形齿条与凸肩型直齿轮相互啮合并组成一对齿轮副，圆柱形齿条穿过直线轴承，下端与万向轮底座中心的螺纹孔配合安装，直线轴承通过孔配合安装在升降板上，凸肩型直齿轮通过齿轮安装架和第一阶梯轴安装在升降板的下表面，第一阶梯轴伸出端与刻度旋转把手连接；升降板分为两层，前后分别设有两个通孔，中间设有螺纹孔，前一个通孔通过孔配合与直线轴承同轴配合装配，后一个通孔通过螺栓与三耳法兰上同轴配合装配，螺纹孔上下连接两个快插接头，吹气喷嘴与下方的快插接头连接并指向待加工区域，标尺通过孔配合安装在升降板上，两侧对称设置的箭头分别指示保护罩上的刻度。

优选的，振镜扫描系统包括振镜保护壳、电机驱动的偏转扫描镜片、固定焦距物镜安装套筒和固定焦距物镜，电机驱动的偏转扫描镜片通过定位板固定在振镜保护壳侧壁上，固定焦距物镜安装套筒通过螺纹配合安装在振镜保护壳底部，固定焦距物镜与固定焦距物镜安装套筒通过螺纹配合实现同轴装配。

优选的，所述升降导向电驱组件包括手动调节升降组件、升降底座、工形转接件、滚轮、轴承座、从动锥齿轮、主动锥齿轮、螺纹沟槽式联轴器、电机支架、伺服电机、从动锥齿轮安装阶梯轴、三组轴承和主动锥齿轮安装阶梯轴；手动调节升降组件设置在升降底座上表面，电机支架和工形转接件分别通过螺纹孔配合安装在升降底座下表面，工形转接件下端与轴承座连接，轴承座为一立方体结构，其三个相邻侧面分别安装有三组轴承；从动锥齿轮安装阶梯轴贯穿轴承座，一侧同轴装配有从动锥齿轮；滚轮为一对，对称设置在从动锥齿轮安装阶梯轴两侧；伺服电机通过孔配合安装在电机支架上，并通过螺纹沟槽式联轴器和主动锥齿轮安装阶梯轴与主动锥齿轮实现同轴连接，从动锥齿轮与主动锥齿轮组成一对齿轮副。

优选的，所述手动调节升降组件包括支撑板、第一连杆、第二连杆、丝杠、两个丝杠螺母组、第三连杆和第四连杆，第四连杆居中设置在升降底座的上表面，所述第二连杆、第三连杆各为一对，对称设置在第四连杆两侧，第三连杆一端与第四连杆铰接，另一端与第二连杆的一端以及一个丝杠螺母组铰接在一起；第二连杆的另一端与第一连杆铰接；丝杠与丝杠螺母组组成丝杠副，将旋转运动转为直线运动，进而实现手动调节升降组件的高度；支撑板设置在第一连杆上方，并安装在双波长复合整形系统的下方。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，通过将输入的高斯激光束经由分束镜一分为二，一束再由锥透镜组合系统进行光束整形，获得贝塞尔环形激光束，另一束则通过倍频系统，获得波长变为原输入激光束1/2、1/3或1/4波长的短波长高斯激光束，随后贝塞尔环形激光束和短波长高斯激光束再由空间合束镜组合为双波长复合整形光束，经振镜扫描系统后聚焦于材料表面完成激光清洗加工。由于采用了这种激光束时空参数特殊调节的双波长复合整形光束，一方面实现了将两种不同波长激光束同时作用于材料表面(典型的波长组合包括1064nm/532nm、1064nm/355nm、532nm/266nm、1064nm/266nm等)，从而使得可以同时对多种成分(金属锈蚀、有机高分子附着物、无机氧化物等)的复合型污染物进行彻底清除；另一方面实现了将传统激光束的单一高斯能量分布整形为复合能量分布，即由高斯能量分布的内圆短波长激光+贝塞尔能量分布的外环形长波长激光构成的环形中心激光束，这种复合能量分布实现了激光清洗扫描路径上的多波长复合清洗，某处污染物先后由长波长的贝塞尔激光束、短波长的高斯激光束、长波长的贝塞尔激光束进行三次重叠扫描，大大增强了清洗的均匀性和精细程度，并且环形间隔有效减小了对材料基底的损伤特性，使清洗质量得到大幅度提高。

2、本发明的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，将输入的单一高斯激光束变换为双波长复合整形光束，其中一束由倍频系统变为绿光或紫外超短波长，该部分超短波长激光对常见的高分子有机物等污染物是打破化学键的“冷剥离”作用机理，因此一方面可以提升对该类污染物的清洗质量，还可以有效减小激光束的热累积效应，这可以有效减小对材料基底的损伤特性，使清洗质量得到大幅度提高，可以胜任复杂污染物的超精细清洗需求。

3、本发明的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，将输入的单一高斯激光束变换为双波长复合整形光束，由于两束激光传输路径存在光程差，使得在时间特性上，原单一脉冲激光分裂为不同波长的两个脉冲激光的合成，通过设计不同的光程差，可以实现不同的合成脉冲间隔，这种通过光学自变换使得清洗工件的激光束波长、能量的时空分布均得到可控调节的加工光路设计，可以有效提高清洗精度、清洗质量，有效减小对材料基底的损伤特性，从而满足电子、生物等领域的超精密清洗需求。

4、本发明的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，采用了多种测控手段以及自动电机调节升降的支撑腿构成闭环控制，可以实现加工焦距的自适应、高精度控制，并且无需操作者承担全部加工头重量，大大减轻了操作强度，提升了清洗加工质量和效率。

5、本发明的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置采用了三个特殊设计的支撑腿及万向轮，各个支撑腿可以灵活拆卸、独立控制，针对不同类型的工件和加工场合，既可以实现平面加工(三个支撑腿均设置相同高度，三点确定加工平面)，也可以实现斜面加工(三个支撑腿设置不同高度)、异型沟槽面加工(三个支撑腿自动编程升降)；操作者也可以灵活使用单腿、双腿、三腿的操作方式，配合手持姿态调节，实现各种特殊方位、燕尾沟槽面的清洗加工。

6、本发明的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置采用了封闭式光路结构，设置了吹气机构增强清洗效果，也同时设置了吸尘机构使得大部分烟尘被同步收集，既保护了加工头免受污染，也保护了操作者的良好工作环境。

7、本发明的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，还采用的自支撑行走机构，三个特殊设计的支撑腿底部的万向滚动机构，主要承载了整个设备的部分重量，可以按照手推的路径进行移动；同时还设置了自动升降导向电驱组件，与万向滚动机构相配合，当伺服电机进行正反转时，可实现整个装置的自主前进与后退；此外，还设置了CCD检测系统，可以对清洗过程进行监控和闭环反馈。因此，结合控制软件的路径规划、姿态自动调整功能，可以实现该双波长复合光束整形的手持式激光清洗装置的自适应清洗加工。

附图说明

图1为本发明所述双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置的整体结构图；

图2为升降对焦组件的结构图；

图3为三耳套筒部分的剖面图；

图4为支撑腿的结构图；

图5为振镜扫描系统的结构图；

图6为升降导向电驱组件的结构图；

图7为手动调节升降组件的结构图；

图8为轴承座的结构图；

图9为双波长复合整形系统的结构图；

图10为锥透镜组合系统的结构图；

图中各标号的含义如下：

升降对焦组件1、CCD工业相机组件2、激光测距传感器3、振镜扫描系统4、空间角度陀螺仪5、工形法兰6、钣金外壳7、升降导向电驱组件8、双波长复合整形系统9、把手10、支撑腿101、三耳法兰102、螺栓103、三耳套筒104、阶梯套筒105、角接触球轴承106、保护罩10101、调整螺杆10102、七星锁紧螺母座10103、圆柱形齿条10104、快插接头10105、直线轴承10106、升降板10107、齿轮安装架10108、凸肩型直齿轮10109、第一阶梯轴10110、刻度旋转把手10111、万向轮底座10112、牛眼万向轮10113、吹气喷嘴10114、标尺10115、振镜保护壳401、偏转扫描镜片402、固定焦距物镜安装套筒403、固定焦距物镜404、手动调节升降组件801、升降底座802、工形转接件803、滚轮804、轴承座805、从动锥齿轮806、主动锥齿轮807、螺纹沟槽式联轴器808、电机支架809、伺服电机810、从动锥齿轮安装阶梯轴811、轴承812、支撑板8011、第一连杆8012、第二连杆8013、丝杠8014、丝杠螺母组8015、第三连杆8016、第四连杆8017、光纤接头901、分束镜902、第一安装架903、锥透镜组合系统904、空间合束镜905、第二安装架906、第一45度反射镜907、倍频系统908、第二45度反射镜909、上板910、底板911、立柱912、第一锥透镜座9041、第一锥透镜9042、第一滑块9043、旋钮9044、导轨9045、第二锥透镜座9046、第二锥透镜9047、第二滑块9048。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1-10所示，本发明提供了一种双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，包括激光器、传输光纤、升降对焦组件1、激光测距传感器3、振镜扫描系统4、升降导向电驱组件8和双波长复合整形系统9。

所述振镜扫描系统4用于实现将入射的激光束先后经由电机驱动的偏转扫描镜片反射和固定焦距物镜透射后出射，聚焦于工件表面，并使激光束按设定轨迹在工件表面进行扫描运动；在振镜扫描系统4的激光束出射端下方设置有升降对焦组件1，在振镜扫描系统4的侧面固定安装有激光测距传感器3，升降对焦组件1用于调节振镜扫描系统4出射端与工件表面的相对距离以保持出射激光束始终聚焦于工件表面的当前激光束扫描位置，而激光测距传感器3则实时反馈振镜扫描系统4与工件表面的相对距离值，为升降对焦组件1的调节运动提供控制驱动数据；双波长复合整形系统9作为光路子系统具有输入端和输出端，其中输入端与激光器之间通过传输光纤相连，即激光器输出的单波长高斯激光束经由传输光纤进入双波长复合整形系统9，经过内部光学变换后输出双波长复合整形光束，即由高斯能量分布的内圆短波长激光+贝塞尔能量分布的外环形长波长激光构成的环形中心激光束，双波长复合整形系统9的输出端与振镜扫描系统4的激光束入射端固定连接，使得双波长复合整形光束成为振镜扫描系统4的入射激光束。

升降导向电驱组件8设置在双波长复合整形系统9的底部下方，用于支撑双波长复合整形系统9，由于双波长复合整形系统9与振镜扫描系统4、振镜扫描系统4与升降对焦组件1之间均为固定连接关系，当升降对焦组件1调节振镜扫描系统4出射端与工件表面的相对距离时，升降导向电驱组件8将相应配合调整双波长复合整形系统9的高度，以保持该双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置的整体平衡，从而无需操作者承担加工头重量。

优选的，在振镜扫描系统4的侧面还安装有一CCD工业相机组件2，其视场对应于振镜扫描系统4的聚焦加工平面的扫描范围，用于实时监测激光清洗质量。

优选的，在振镜扫描系统4的侧面还安装有一空间角度陀螺仪5，用于检测当前扫描加工头的空间姿态倾斜角度，当对已知斜面或异形面进行清洗加工时，可以根据检测到加工头的空间姿态倾斜角度(亦即振镜扫描系统的角度)，从而人工实时对照调整和控制振镜倾斜一定空间角度，以确定的空间姿态进行清洗扫描，从而保证可以清洗到侧壁或底部。

本实施例中双波长复合整形系统9的外部设置有钣金外壳7，钣金外壳7通过工形法兰6与振镜扫描系统4连接，钣金外壳7的上方安装有便于手持的两个把手10，即操作者可以通过两个把手10将双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置整体提起、移动或者替代升降导向电驱组件8的作用。

具体的讲，所述升降对焦组件1包括支撑腿101、三耳法兰102、三耳套筒104、阶梯套筒105和角接触球轴承106。支撑腿101共三组，分别通过三个螺栓103固定安装在三耳法兰102上。阶梯套筒105与三耳套筒104通过内外螺纹连接实现同轴配合，角接触球轴承106设置在阶梯套筒105与三耳套筒104之间，其上表面接触阶梯套筒105轴阶端面，下表面接触三耳套筒104底面内侧，且角接触球轴承106外环、内环分别与三耳套筒104的内壁面和阶梯套筒105的外壁面过盈配合，三耳法兰102的内螺纹与阶梯套筒105外螺纹配合安装。

所述支撑腿101包括保护罩10101、调整螺杆10102、七星锁紧螺母座10103、圆柱形齿条10104、快插接头10105、直线轴承10106、升降板10107、齿轮安装架10108、凸肩型直齿轮10109、第一阶梯轴10110、刻度旋转把手10111、万向轮底座10112、牛眼万向轮10113、吹气喷嘴10114和标尺10115。所述牛眼万向轮10113通过孔配合安装在万向轮底座10112的下表面。保护罩10101呈半圆柱形，上表面开有通孔，底部通过三个螺纹孔安装在万向轮底座10112上，侧面开设有U型通槽，表面印制有刻度。调整螺杆10102与七星锁紧螺母座10103组成调整限位装置，调整螺杆10102穿过保护罩10101上表面的通孔，一端连接七星锁紧螺母座10103，另一端连接升降板10107。圆柱形齿条10104与凸肩型直齿轮10109相互啮合并组成一对齿轮副，圆柱形齿条10104穿过直线轴承10106，下端与万向轮底座10112中心的螺纹孔配合安装，直线轴承10106通过孔配合安装在升降板10107上，凸肩型直齿轮10109通过齿轮安装架10108和第一阶梯轴10110安装在升降板10107的下表面，第一阶梯轴10110伸出端与刻度旋转把手10111连接。升降板10107呈8字形，分为两层，前后分别设有两个通孔，中间设有螺纹孔，前一个通孔通过孔配合与直线轴承10106同轴配合装配，后一个通孔通过螺栓103与三耳法兰102上同轴配合装配，螺纹孔上下连接两个快插接头10105，吹气喷嘴10114与下方的快插接头10105连接并指向待加工区域，标尺10115通过孔配合安装在升降板10107上，两侧对称设置的箭头分别指示此处保护罩10101上的刻度。

振镜扫描系统4包括振镜保护壳401、电机驱动的偏转扫描镜片402(单轴一维或双轴二维)、固定焦距物镜安装套筒403和固定焦距物镜404(F-theta镜或远心物镜)，电机驱动的偏转扫描镜片402通过定位板固定在振镜保护壳401侧壁上，固定焦距物镜安装套筒403通过螺纹配合安装在振镜保护壳401底部，固定焦距物镜404与固定焦距物镜安装套筒403通过螺纹配合实现同轴装配。所述升降对焦组件1中的三耳套筒104与固定焦距物镜404同轴配合，并通过孔配合安装在振镜保护壳401下表面。

所述升降导向电驱组件8包括手动调节升降组件801、升降底座802、工形转接件803、滚轮804、轴承座805、从动锥齿轮806、主动锥齿轮807、螺纹沟槽式联轴器808、电机支架809、伺服电机810、从动锥齿轮安装阶梯轴811、三组轴承812和主动锥齿轮安装阶梯轴。手动调节升降组件801设置在升降底座802上表面，电机支架809和工形转接件803分别通过螺纹孔配合安装在升降底座802下表面，工形转接件803下端与轴承座805连接，轴承座805为一立方体结构，其三个相邻侧面分别安装有三组轴承812。从动锥齿轮安装阶梯轴811贯穿轴承座805，一侧同轴装配有从动锥齿轮806。滚轮804为一对，对称设置在从动锥齿轮安装阶梯轴811两侧。伺服电机810通过孔配合安装在电机支架809上，并通过螺纹沟槽式联轴器808和主动锥齿轮安装阶梯轴与主动锥齿轮807实现同轴连接，从动锥齿轮806与主动锥齿轮807组成一对齿轮副，当伺服电机810进行正反转时，可实现升降导向电驱组件8前进与后退。

所述手动调节升降组件801包括支撑板8011、第一连杆8012、第二连杆8013、丝杠8014、两个丝杠螺母组8015、第三连杆8016和第四连杆8017，第四连杆8017居中设置在升降底座802的上表面，所述第二连杆8013、第三连杆8016各为一对，对称设置在第四连杆8017两侧，第三连杆8016一端与第四连杆8017铰接，另一端与第二连杆8013的一端以及一个丝杠螺母组8015铰接在一起；第二连杆8013的另一端与第一连杆8012铰接。丝杠8014与丝杠螺母组8015组成丝杠副，将旋转运动转为直线运动，进而实现手动调节升降组件801的高度。支撑板8011设置在第一连杆8012上方，并安装在双波长复合整形系统9的下方。

双波长复合整形系统9包括光纤接头901、分束镜902、第一安装架903、锥透镜组合系统904、空间合束镜905、第二安装架906、第一45度反射镜907、倍频系统908、第二45度反射镜909、上板910、底板911和立柱912。底板911通过四根立柱912与上板910连接；光纤接头901通过孔配合安装在钣金外壳7后方通孔处，分束镜902通过第一安装架903安装在上板910上，空间合束镜905通过第二安装架906安装在上板910上，锥透镜组合系统904设置在分束镜902与空间合束镜905之间并固定在上板910上，三者光轴重合。第一45度反射镜907、倍频系统908、第二45度反射镜909依次设置在底板911上，第一45度反射镜907与第二45度反射镜909的光轴重合。

所述锥透镜组合系统904用于进行光束整形，获得贝塞尔环形激光束。其包括第一锥透镜座9041、第一锥透镜9042、第一滑块9043、导轨9045、第二锥透镜座9046、第二锥透镜9047和第二滑块9048。导轨9045安装在上板910上，第一滑块9043和第二滑块9048均安装在导轨9045上，第一滑块9043和第二滑块9048上均设置有一旋钮9044。第一锥透镜9042通过第一锥透镜座9041安装在第一滑块9043上，第二锥透镜9047通过第二锥透镜座9046安装在第二滑块9048上。所述第一锥透镜9042和第二锥透镜9047的光轴重合。

所述光纤接头901、分束镜902、第一安装架903、锥透镜组合系统904、空间合束镜905、第一45度反射镜907、倍频系统908和第二45度反射镜909的安装方位应使得由光纤接头901接入的单波长高斯激光束入射至分束镜902，经由分束镜902一分为二，可分别称之A束和B束(A束和B束的能量分配比例由分束镜902的反射透射比决定，且A束和B束中的一束沿原方向行进，另一束的行进方向则转折90度)，A束入射至锥透镜组合系统904，通过锥透镜组合系统904输出贝塞尔环形激光束，再入射至空间合束镜905；B束入射至第一45度反射镜907，经第一45度反射镜907的转折后入射至倍频系统908，获得波长变为原输入激光束1/2、1/3或1/4波长的短波长高斯激光束，再经第二45度反射镜909转折入射至空间合束镜905；A束和B束激光经空间合束镜905的合束后出射双波长复合整形光束，即由高斯能量分布的内圆短波长激光+贝塞尔能量分布的外环形长波长激光构成的环形中心激光束。

上述双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，包括了众多标准光学元件，如传输光纤接头、分束镜、转折反射镜、锥透镜组合系统、空间合束镜、偏振扫描镜片、聚焦物镜等等，若无特别说明，均要求其光学镜座带有姿态调整机构，使得激光束沿各光学元件标准工作状态的中心光轴方向入射和出射。

上述双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置的工作原理为：

由光纤接头901接入的单波长高斯激光束入射至分束镜902，经由分束镜902一分为二，一束经由锥透镜组合系统904输出贝塞尔环形激光束入射至空间合束镜905；另一束经由反射镜转折后进入倍频系统908，输出波长变为原输入激光束1/2、1/3或1/4波长的短波长高斯激光束，再经由反射镜转折后入射至空间合束镜905，经空间合束镜905的合束后出射双波长复合整形光束，再经振镜扫描系统后聚焦于材料表面完成激光清洗加工。

加工过程中，可以通过升降对焦组件1、激光测距传感器3以及升降导向电驱组件8的闭环控制与驱动，使得振镜扫描系统4出射的激光束始终聚焦于工件表面的当前激光束扫描位置，针对不同类型的工件和加工场合，既可以实现平面加工(升降对焦组件1的三个支撑腿101均设置相同高度，三点确定加工平面)，也可以实现斜面加工(升降对焦组件1的三个支撑腿101设置不同高度)、异型沟槽面加工(升降对焦组件1的三个支撑腿101自动编程升降)，升降导向电驱组件8将相应配合调整双波长复合整形系统9的高度，以保持该双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置的整体平衡，从而无需操作者承担加工头重量；操作者也可以灵活使用单腿、双腿、三腿的操作方式，配合手持姿态调节，实现各种特殊方位、燕尾沟槽面的清洗加工。

加工过程中，可以同时开启吹气机构增强清洗效果，本发明还可以增设吸尘机构，使得清洗产生的大部分烟尘被同步收集，还可以开启CCD工业相机组件2对清洗过程进行监控和闭环反馈，结合控制软件的路径规划、姿态自动调整功能，实现该双波长复合光束整形的手持式激光清洗装置的自适应清洗加工。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (8)

1.一种双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，包括激光器、传输光纤、升降对焦组件(1)、激光测距传感器(3)、振镜扫描系统(4)、升降导向电驱组件(8)和双波长复合整形系统(9)；

所述振镜扫描系统(4)用于实现将入射的激光束先后经由电机驱动的偏转扫描镜片反射和固定焦距物镜透射后出射，聚焦于工件表面，并使激光束按设定轨迹在工件表面进行扫描运动；在振镜扫描系统(4)的激光束出射端下方设置有升降对焦组件(1)，在振镜扫描系统(4)的侧面固定安装有激光测距传感器(3)，升降对焦组件(1)用于调节振镜扫描系统(4)出射端与工件表面的相对距离以保持出射激光束始终聚焦于工件表面的当前激光束扫描位置；激光测距传感器(3)用于实时反馈振镜扫描系统(4)与工件表面的相对距离值，为升降对焦组件(1)的调节运动提供控制驱动数据；双波长复合整形系统(9)作为光路子系统具有输入端和输出端，其中输入端与激光器之间通过传输光纤相连，激光器输出的单波长高斯激光束经由传输光纤进入双波长复合整形系统(9)，经过内部光学变换后输出双波长复合整形光束，所述双波长复合整形光束是由高斯能量分布的内圆短波长激光和贝塞尔能量分布的外环形长波长激光构成的环形中心激光束；双波长复合整形系统(9)的输出端与振镜扫描系统(4)的激光束入射端固定连接，使得双波长复合整形光束成为振镜扫描系统(4)的入射激光束；升降导向电驱组件(8)设置在双波长复合整形系统(9)的底部下方，用于支撑双波长复合整形系统(9)。

2.根据权利要求1所述的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，在振镜扫描系统(4)的侧面还安装有一CCD工业相机组件(2)，其视场对应于振镜扫描系统(4)的聚焦加工平面的扫描范围，用于实时监测激光清洗质量。

3.根据权利要求1所述的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，在振镜扫描系统(4)的侧面还安装有一空间角度陀螺仪(5)，用于检测当前扫描加工头的空间姿态倾斜角度。

4.根据权利要求1所述的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，所述双波长复合整形系统(9)包括光纤接头(901)、分束镜(902)、第一安装架(903)、锥透镜组合系统(904)、空间合束镜(905)、第二安装架(906)、第一45度反射镜(907)、倍频系统(908)、第二45度反射镜(909)、上板(910)、底板(911)和立柱(912)；底板(911)通过多根立柱(912)与上板(910)连接；分束镜(902)通过第一安装架(903)安装在上板(910)上，空间合束镜(905)通过第二安装架(906)安装在上板(910)上，锥透镜组合系统(904)设置在分束镜(902)与空间合束镜(905)之间并固定在上板(910)上，三者光轴重合；第一45度反射镜(907)、倍频系统(908)、第二45度反射镜(909)依次设置在底板(911)上，第一45度反射镜(907)与第二45度反射镜(909)的光轴重合；所述锥透镜组合系统(904)用于进行光束整形，获得贝塞尔环形激光束；所述光纤接头(901)、分束镜(902)、第一安装架(903)、锥透镜组合系统(904)、空间合束镜(905)、第一45度反射镜(907)、倍频系统(908)和第二45度反射镜(909)的安装方位应使得：由光纤接头(901)接入的单波长高斯激光束入射至分束镜(902)，经由分束镜(902)分为A束和B束，且A束和B束中的一束沿原方向行进，另一束的行进方向转折90度；A束入射至锥透镜组合系统(904)，通过锥透镜组合系统(904)输出贝塞尔环形激光束，再入射至空间合束镜(905)；B束入射至第一45度反射镜(907)，经第一45度反射镜(907)的转折后入射至倍频系统(908)，获得波长变为原输入激光束1/2、1/3或1/4波长的短波长高斯激光束，再经第二45度反射镜(909)转折入射至空间合束镜(905)；A束和B束激光经空间合束镜(905)的合束后出射双波长复合整形光束。

5.根据权利要求1所述的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，所述升降对焦组件(1)包括支撑腿(101)、三耳法兰(102)、三耳套筒(104)、阶梯套筒(105)和角接触球轴承(106)；支撑腿(101)共三组，分别通过三个螺栓(103)固定安装在三耳法兰(102)上；阶梯套筒(105)与三耳套筒(104)通过内外螺纹连接实现同轴配合，角接触球轴承(106)设置在阶梯套筒(105)与三耳套筒(104)之间，其上表面接触阶梯套筒(105)轴阶端面，下表面接触三耳套筒(104)底面内侧，且角接触球轴承(106)外环、内环分别与三耳套筒(104)的内壁面和阶梯套筒(105)的外壁面过盈配合，三耳法兰(102)的内螺纹与阶梯套筒(105)外螺纹配合安装；

所述支撑腿(101)包括保护罩(10101)、调整螺杆(10102)、七星锁紧螺母座(10103)、圆柱形齿条(10104)、快插接头(10105)、直线轴承(10106)、升降板(10107)、齿轮安装架(10108)、凸肩型直齿轮(10109)、第一阶梯轴(10110)、刻度旋转把手(10111)、万向轮底座(10112)、牛眼万向轮(10113)、吹气喷嘴(10114)和标尺(10115)；所述牛眼万向轮(10113)通过孔配合安装在万向轮底座(10112)的下表面；保护罩(10101)呈半圆柱形，上表面开有通孔，底部通过三个螺纹孔安装在万向轮底座(10112)上，侧面开设有U型通槽，表面印制有刻度；调整螺杆(10102)与七星锁紧螺母座(10103)组成调整限位装置，调整螺杆(10102)穿过保护罩(10101)上表面的通孔，一端连接七星锁紧螺母座(10103)，另一端连接升降板(10107)；圆柱形齿条(10104)与凸肩型直齿轮(10109)相互啮合并组成一对齿轮副，圆柱形齿条(10104)穿过直线轴承(10106)，下端与万向轮底座(10112)中心的螺纹孔配合安装，直线轴承(10106)通过孔配合安装在升降板(10107)上，凸肩型直齿轮(10109)通过齿轮安装架(10108)和第一阶梯轴(10110)安装在升降板(10107)的下表面，第一阶梯轴(10110)伸出端与刻度旋转把手(10111)连接；升降板(10107)分为两层，前后分别设有两个通孔，中间设有螺纹孔，前一个通孔通过孔配合与直线轴承(10106)同轴配合装配，后一个通孔通过螺栓(103)与三耳法兰(102)上同轴配合装配，螺纹孔上下连接两个快插接头(10105)，吹气喷嘴(10114)与下方的快插接头(10105)连接并指向待加工区域，标尺(10115)通过孔配合安装在升降板(10107)上，两侧对称设置的箭头分别指示保护罩(10101)上的刻度。

6.根据权利要求1所述的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，振镜扫描系统(4)包括振镜保护壳(401)、电机驱动的偏转扫描镜片(402)、固定焦距物镜安装套筒(403)和固定焦距物镜(404)，电机驱动的偏转扫描镜片(402)通过定位板固定在振镜保护壳(401)侧壁上，固定焦距物镜安装套筒(403)通过螺纹配合安装在振镜保护壳(401)底部，固定焦距物镜(404)与固定焦距物镜安装套筒(403)通过螺纹配合实现同轴装配。

7.根据权利要求1所述的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，所述升降导向电驱组件(8)包括手动调节升降组件(801)、升降底座(802)、工形转接件(803)、滚轮(804)、轴承座(805)、从动锥齿轮(806)、主动锥齿轮(807)、螺纹沟槽式联轴器(808)、电机支架(809)、伺服电机(810)、从动锥齿轮安装阶梯轴(811)、三组轴承(812)和主动锥齿轮安装阶梯轴；手动调节升降组件(801)设置在升降底座(802)上表面，电机支架(809)和工形转接件(803)分别通过螺纹孔配合安装在升降底座(802)下表面，工形转接件(803)下端与轴承座(805)连接，轴承座(805)为一立方体结构，其三个相邻侧面分别安装有三组轴承(812)；从动锥齿轮安装阶梯轴(811)贯穿轴承座(805)，一侧同轴装配有从动锥齿轮(806)；滚轮(804)为一对，对称设置在从动锥齿轮安装阶梯轴(811)两侧；伺服电机(810)通过孔配合安装在电机支架(809)上，并通过螺纹沟槽式联轴器(808)和主动锥齿轮安装阶梯轴与主动锥齿轮(807)实现同轴连接，从动锥齿轮(806)与主动锥齿轮(807)组成一对齿轮副。

8.根据权利要求7所述的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，所述手动调节升降组件(801)包括支撑板(8011)、第一连杆(8012)、第二连杆(8013)、丝杠(8014)、两个丝杠螺母组(8015)、第三连杆(8016)和第四连杆(8017)，第四连杆(8017)居中设置在升降底座(802)的上表面，所述第二连杆(8013)、第三连杆(8016)各为一对，对称设置在第四连杆(8017)两侧，第三连杆(8016)一端与第四连杆(8017)铰接，另一端与第二连杆(8013)的一端以及一个丝杠螺母组(8015)铰接在一起；第二连杆(8013)的另一端与第一连杆(8012)铰接；丝杠(8014)与丝杠螺母组(8015)组成丝杠副，将旋转运动转为直线运动，进而实现手动调节升降组件(801)的高度；支撑板(8011)设置在第一连杆(8012)上方，并安装在双波长复合整形系统(9)的下方。