CN109158384A - 一种适用于不平整金属表面的激光清洗设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光清洗装置，尤其是一种适用于不平整金属表面的激光清洗设备，属于激光清洗技术领域。包括支撑机构、X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构、激光清洗器、夹持机构、杂质收纳盒、挡板。本发明的控制系统根据清洗路径自动控制第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机协调运动来分别驱动X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构的直线运动来带动激光清洗器的激光清洗头完成清洗任务；控制系统通过激光焦点追踪系统实时调节与待清洗物体表面之间的距离，使其始终保持在最佳清洗距离，使得激光与被清洗物表面之间的距离能够精确控制，能够适用于不平整金属表面的激光清洗，且能够保持较为理想的清洗效果、提高清洗效率。

Description

一种适用于不平整金属表面的激光清洗设备

技术领域

本发明涉及一种激光清洗装置，尤其是一种适用于不平整金属表面的激光清洗设备，属于激光清洗技术领域。

背景技术

金属工件传统的清洗方式包括化学药剂清洗和机械式清洗。随着人们对环保和安全意识的日益加强，我国对工业环境保护的要求也越来越高，在达到环保要求的情况下，工业生产清洗中可以使用的化学药剂种类越来越少。机械式清洗采用接触式清洗，对被清洗物表面有机械作用力，容易损伤被清洗物的表层，也容易产生二次污染，并且接触式清洗产生的金属粉尘容易被工人吸入，影响工人的身体健康。激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应、适用于各种材质物体表面的清洗，是最可靠、最有效的金属清洗方式。

截至目前，对金属表面进行激光清洗已经开始得以应用，但因激光与被清洗物表面之间的距离控制要求很高，实施难度较大，所以激光清洗难以适用于不平整金属表面的清洗工作。常用的手持式激光清洗器，由于受其结构的限制，清洗范围较小且清洗效率低下，因此不能适用于大面积的清洗；而且手持式激光清洗器与金属表面之间的距离不易精确控制，常会导致清洗不均匀、清洗效果差的弊端，远远达不到人们的要求。因此，如何提供一种适用于不平整金属表面的激光清洗设备是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种适用于不平整金属表面的激光清洗设备。其采用的技术方案如下：

一种适用于不平整金属表面的激光清洗设备，包括支撑机构、X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构、激光清洗器、夹持机构、杂质收纳盒、挡板；所述支撑机构包括底板、支座、第一滑槽、矩形槽、第二滑槽、清洗区域、杂质排泄孔、容纳槽，所述底板下端面对称设置有四个圆柱形状的支座以及一个用于安装杂质收纳盒的容纳槽，所述底板上端面设置有一个用于降低水平移动横梁与底板之间摩擦力的矩形槽，所述矩形槽两端分别设置有一个用于安装水平移动横梁的第一滑槽，所述底板上端面还设置有两个平行设置的用于安装活动夹板的第二滑槽，所述清洗区域设置于两个第二滑槽之间，所述清洗区域设置有均匀分布的杂质排泄孔，所述容纳槽设置于清洗区域正下方，所述第一滑槽的横截面均为T形，所述第二滑槽的横截面均为L形，所述清洗区域为矩形区域，其长宽尺寸分别与容纳槽的长宽尺寸相等，所述杂质排泄孔为圆形通孔；

所述X轴运动机构包括第一驱动电机、水平移动横梁、第一齿轮、第一齿条，所述第一驱动电机为步进电机且固定安装在水平移动横梁上，所述第一驱动电机的输出端穿过水平移动横梁的第一通孔与第一齿轮通过键连接，所述第一齿轮与第一齿条相互啮合，所述第一齿条固定安装在支撑机构的底板上，所述水平移动横梁滑动安装在支撑机构的第一滑槽内，所述第一齿轮通过与第一齿条的啮合运动带动水平移动横梁在第一滑槽内滑动，进而实现激光清洗器沿X轴方向运动；

所述Y轴运动机构包括第二驱动电机、移动滑块、第二齿轮、第二齿条，所述第二驱动电机为步进电机且固定安装在移动滑块上，所述移动滑块滑动安装在竖直移动横梁上，所述第二驱动电机与第二齿轮通过键连接，所述第二齿轮穿过移动滑块的矩形通孔与第二齿条相互啮合，所述第二齿条安装在竖直移动横梁的矩形安装槽内，所述第二齿轮通过与第二齿条的啮合运动带动移动滑块在竖直移动横梁上滑动，进而实现激光清洗器沿Y轴方向运动；

所述Z轴运动机构包括第三驱动电机、竖直移动横梁、第三齿轮、第三齿条、支撑架、支架螺钉，所述第三驱动电机为步进电机且固定安装在竖直移动横梁上，所述第三驱动电机的输出端穿过竖直移动横梁的第二通孔与第三齿轮通过键连接，所述第三齿轮与第三齿条相互啮合，所述第三齿条固定安装在支撑架上，所述竖直移动横梁滑动安装在支撑架上，所述支撑架通过支架螺钉固定安装在X轴运动机构的水平移动横梁上，所述第三齿轮通过与第三齿条的啮合运动带动竖直移动横梁在支撑架上滑动，进而实现激光清洗器沿Z轴方向运动；

所述激光清洗器包括工作台、控制系统、激光清洗头、位置传感器、激光焦点追踪系统、图像传感器、警报器、安装螺钉，所述激光清洗头包括激光器、扫描振镜、场镜，所述激光器输出端与扫描振镜连接，所述扫描振镜输出端与场镜连接，所述工作台通过安装螺钉安装在Y轴运动机构的移动滑块上，所述控制系统、激光清洗头、警报器均安装在工作台上表面，所述位置传感器、激光焦点追踪系统、图像传感器均安装在工作台前端侧面，所述控制系统、警报器分别安装在激光清洗头的左右两侧，所述位置传感器、激光焦点追踪系统、图像传感器自左向右依次安装在工作台前端侧面中间；所述激光清洗头、位置传感器、激光焦点追踪系统、图像传感器、警报器分别与控制系统通过导线或信号连接，所述第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机分别与控制系统通过导线连接，所述激光器为光纤激光器用于发射激光，所述扫描振镜用来对激光进行准确定位，所述场镜用来对光纤进行聚焦，所述位置传感器为光电传感器，用于检测待清洗物体是进入清洗区域并将检测结果传输给控制器系统，所述激光焦点追踪系统包括焦点测量单元、反馈显示单元，所述焦点测量单元与所述反馈显示单元通过导线连接，所述焦点测量单元用于测量激光清洗头输出的激光焦点与待清洗物体之间的距离信息，所述反馈显示单元用于从焦点测量单元获取距离信息，并实时显示距离的数值，所述图像传感器用于获取待清洗物体在激光清洗前以及激光清洗后的图像，并将图像信息传输给控制系统，所述警报器用于根据控制系统对激光清洗后图像的判断结果进行报警，所述控制系统用于控制第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机的运动与停止，所述控制系统还用于对位置传感器的检测结果进行判断，确定待清洗物体是否进入清洗区域，若待清洗物体进入清洗区域，则控制激光清洗头对待清洗物体进行激光清洗，所述控制系统还用于分析图像传感器获取的激光清洗前以及激光清洗后的图像，通过分析激光清洗前的图像确定清洗路径，通过分析激光清洗后的图像对清洗结果进行判断，所述控制系统还用于控制警报器根据清洗结果进行报警，所述控制系统还用于通过激光焦点追踪系统实时调节与待清洗物体表面之间的距离，使其始终保持在最佳清洗距离，保持理想的清洗效果、提高清洗效率；

所述夹持机构包括支撑座、空心螺纹套、传动螺杆、三角接头、活动夹板，所述支撑座通过螺钉安装在支撑机构的底板上，所述空心螺纹套固连在支撑座上端且二者为一体式结构，所述空心螺纹套的内圆柱面设置有普通粗牙螺纹，所述传动螺杆安装在空心螺纹套内且二者之间为螺纹连接，所述传动螺杆的一端安装在三角接头内且二者之间可相对转动，所述三角接头焊接在活动夹板上，所述活动夹板滑动安装在第二滑槽内，并根据传动螺杆的转动在第二滑槽内滑动实现对待清洗物体的夹紧；

所述杂质收纳盒包括收纳盒本体、收纳盒连杆、收纳盒凸台，所述收纳盒本体为上端开口的矩形壳体，所述收纳盒连杆固连在收纳盒本体上，所述收纳盒凸台固连在收纳盒连杆上，所述收纳盒凸台为阶梯轴，其上端直径大于下端直径，以便于对杂质收纳盒进行安装与拆卸，所述收纳盒本体的外廓尺寸与支撑机构的容纳槽尺寸相等，以保证清洗下的杂质完全进入杂质收纳盒，所述杂质收纳盒安装在支撑机构的容纳槽内，且二者之间为过盈配合；

所述挡板包括挡板把手、挡板本体、挡板插头，所述挡板安装在支撑机构上，所述挡板把手固连在挡板本体的一个端面的中间位置，所述挡板插头设有两个，其固连在挡板本体的另一个端面的两端且为对称设置，所述挡板插头的截面尺寸与支撑机构的第一滑槽截面尺寸相等。

所述水平移动横梁包括水平梁本体、水平梁滑动头、第一通孔，所述水平梁本体上对称设置有两个水平梁滑动头，所述水平梁本体的两端分别设置有一个第一通孔，且两个第一通孔在水平梁本体上对称设置，两个水平梁滑动头位于两个第一通孔的内侧，所述水平梁滑动头的结构尺寸与支撑机构的第一滑槽的结构尺寸相适应。

所述移动滑块包括滑块支架、滑块承载台、矩形通孔，所述滑块支架与滑块承载台为一体成型，所述滑块承载台中间设置有一个矩形通孔，所述矩形通孔的长度大于第二齿轮的齿顶圆直径，矩形通孔的宽度大于第二齿轮的厚度。

所述竖直移动横梁包括竖直梁本体、矩形安装槽、第二通孔，所述竖直梁本体上端面设置有一个矩形安装槽，所述矩形安装槽用于安装固定Y轴运动机构的第二齿条，所述矩形安装槽的长宽高尺寸与第二齿条的长宽高尺寸相适应，所述第二通孔设有两个且对称设置在竖直梁本体上，所述矩形安装槽的两侧分别设置有一个矩形挡板，前端矩形挡板与后端矩形挡板的高度相同，前端矩形挡板长度小于后端的矩形挡板，便于第三齿轮与第三齿条的安装与拆卸，且前端矩形挡板的厚度、重量均大于后端的矩形挡板，确保竖直移动横梁在负载运动过程中可以受力平衡，使得竖直移动横梁运动平稳以及保持第三齿轮与第三齿条能够有效啮合，既能够提升运动精度又能够降低零部件间的磨损提高使用寿命。

所述传动螺杆包括转动手柄、圆柱螺杆、锥形卡头，所述圆柱螺杆的一端与转动手柄固连在一起，另一端与锥形卡头固连在一起，所述锥形卡头为圆台状结构，其大端与圆柱螺杆固连，所述转动手柄的周向设置有均匀分布的用于提高摩擦力的凹槽，所述圆柱螺杆的外圆柱面设置有与空心螺纹套内螺纹相配合的普通粗牙螺纹。

所述三角接头包括三角板、圆柱凸台、中心套、台阶孔，所述三角板的三个角上分别设置有一个圆柱凸台，且每个圆柱凸台上设置有一个圆顶，所述三角板的中心位置设置有一个中心套，所述中心套中心位置设置有一个台阶孔，所述台阶孔的上端孔径小、下端孔径大，其中上端孔径小于锥形卡头的大端直径，下端孔径等于锥形卡头的大端直径。

所述活动夹板包括活动夹板本体、活动夹板滑动块，所述活动夹板本体与活动夹板滑动块为一体式结构，所述活动夹板本体为矩形平板，所述活动夹板滑动块为L形平板，所述活动夹板滑动块的结构尺寸与支撑机构的第二滑槽的结构尺寸相适应。

本发明具有如下优点：

1、激光清洗与传统的机械式清洗和化学药剂清洗相比，能够避免对工件表面造成损伤、减小对环境造成的污染、避免金属粉尘被工人吸入从而保证工人的身体健康。

2、夹持机构的空心螺纹套与传动螺杆构成螺旋传动，通过螺旋传动驱动活动夹板运动实现对待清洗物体的夹紧，夹紧力便于提调节、可靠性高。

3、控制系统能够分析图像传感器获取的激光清洗前以及激光清洗后的图像，通过分析激光清洗前的图像自动确定清洗路径，可有效提高工作效率、自动化程度高；通过分析激光清洗后的图像对清洗结果进行判断，若清洗结果不合格则再进行一次清洗任务，直至合格为止，确保得到理想的清洗效果。

4、控制系统根据清洗路径自动控制第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机协调运动来分别驱动X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构的直线运动来带动激光清洗器的激光清洗头完成清洗任务，能够适用于清洗表面的大面积清洗。其中，X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构的直线运动均通过齿轮齿条传动实现，精度较高。

5、激光清洗器的警报器根据清洗结果进行报警，具体为报警器为大功率LED灯。当清洗结果为合格时，控制系统控制报警器发绿光；当清洗结果为不合格时，控制系统控制报警器发红光。提醒工人及时获知清洗结果并进行下一步操作，可以缩短反应时间，提高工作效率。

6、控制系统通过激光焦点追踪系统实时调节与待清洗物体表面之间的距离，使其始终保持在最佳清洗距离，使得激光与被清洗物表面之间的距离能够精确控制，能够适用于不平整金属表面的激光清洗，且能够保持较为理想的清洗效果、提高清洗效率。

7、竖直移动横梁在负载运动过程中可以受力平衡，保证竖直移动横梁运动平稳以及保持第三齿轮与第三齿条能够有效啮合，既能够提升运动精度又能够降低零部件间的磨损提高使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明的结构示意图；

图2：本发明的立体结构图；

图3：本发明的支撑机构的结构示意图；

图4：本发明的支撑机构的立体结构图；

图5：本发明的X轴运动机构处的结构示意图；

图6：本发明的Y轴运动机构处的结构示意图；

图7：本发明的Z轴运动机构处的结构示意图；

图8：本发明的激光清洗器的结构示意图；

图9：本发明的夹持机构的结构示意图；

图10：本发明的杂质收纳盒的结构示意图；

图11：本发明的挡板的结构示意图；

图12：本发明的水平移动横梁的结构示意图；

图13：本发明的移动滑块的结构示意图；

图14：本发明的竖直移动横梁的结构示意图；

图15：本发明的传动螺杆的结构示意图；

图16：本发明的三角接头的结构示意图；

图17：本发明的活动夹板的结构示意图；

图18：本发明的激光清洗路径示意图；

符号说明：

1、支撑机构，2、X轴运动机构，3、Y轴运动机构，4、Z轴运动机构，5、激光清洗器，6、夹持机构，7、杂质收纳盒，8、挡板，101、底板，102、支座，103、第一滑槽，104、矩形槽，105、第二滑槽，106、清洗区域，107、杂质排泄孔，108、容纳槽，201、第一驱动电机，202、水平移动横梁，203、第一齿轮，204、第一齿条，301、第二驱动电机，302、移动滑块，303、第二齿轮，304、第二齿条，401、第三驱动电机，402、竖直移动横梁，403、第三齿轮，404、第三齿条，405、支撑架，406、支架螺钉，501、工作台，502、控制系统，503、激光器，504、扫描振镜，505、场镜，506、位置传感器，507、激光焦点追踪系统，508、图像传感器，509、警报器，510、安装螺钉，601、支撑座，602、空心螺纹套，603、传动螺杆，604、三角接头，605、活动夹板，701、收纳盒本体，702、收纳盒连杆，703、收纳盒凸台，801、挡板把手，802、挡板本体，803、挡板插头，2021、水平梁本体，2022、水平梁滑动头，2023、第一通孔，3021、滑块支架、3022、滑块承载台，3023、矩形通孔，4021、竖直梁本体，4022、矩形安装槽，4023、第二通孔，6031、转动手柄，6032、圆柱螺杆，6033、锥形卡头，6041、三角板，6042、圆柱凸台，6043、中心套，6044、台阶孔，6051、活动夹板本体，6052、活动夹板滑动块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1-18所示，一种适用于不平整金属表面的激光清洗设备，包括支撑机构1、X轴运动机构2、Y轴运动机构3、Z轴运动机构4、激光清洗器5、夹持机构6、杂质收纳盒7、挡板8；所述支撑机构1包括底板101、支座102、第一滑槽103、矩形槽104、第二滑槽105、清洗区域106、杂质排泄孔107、容纳槽108，所述底板101下端面对称设置有四个圆柱形状的支座102以及一个用于安装杂质收纳盒7的容纳槽108，所述底板101上端面设置有一个用于降低水平移动横梁202与底板101之间摩擦力的矩形槽104，所述矩形槽104两端分别设置有一个用于安装水平移动横梁202的第一滑槽103，所述底板101上端面还设置有两个平行设置的用于安装活动夹板605的第二滑槽105，所述清洗区域106设置于两个第二滑槽105之间，所述清洗区域106设置有均匀分布的杂质排泄孔107，所述容纳槽108设置于清洗区域106正下方，所述第一滑槽103的横截面均为T形，所述第二滑槽105的横截面均为L形，所述清洗区域106为矩形区域，其长宽尺寸分别与容纳槽108的长宽尺寸相等，所述杂质排泄孔107为圆形通孔；

所述X轴运动机构2包括第一驱动电机201、水平移动横梁202、第一齿轮203、第一齿条204，所述第一驱动电机201为步进电机且固定安装在水平移动横梁202上，所述第一驱动电机201的输出端穿过水平移动横梁202的第一通孔2023与第一齿轮203通过键连接，所述第一齿轮203与第一齿条204相互啮合，所述第一齿条204固定安装在支撑机构1的底板101上，所述水平移动横梁202滑动安装在支撑机构1的第一滑槽103内，所述第一齿轮203通过与第一齿条204的啮合运动带动水平移动横梁202在第一滑槽103内滑动，进而实现激光清洗器5沿X轴方向运动；

所述Y轴运动机构3包括第二驱动电机301、移动滑块302、第二齿轮303、第二齿条304，所述第二驱动电机301为步进电机且固定安装在移动滑块302上，所述移动滑块302滑动安装在竖直移动横梁402上，所述第二驱动电机301与第二齿轮303通过键连接，所述第二齿轮303穿过移动滑块302的矩形通孔3023与第二齿条304相互啮合，所述第二齿条304安装在竖直移动横梁402的矩形安装槽4022内，所述第二齿轮303通过与第二齿条304的啮合运动带动移动滑块302在竖直移动横梁402上滑动，进而实现激光清洗器5沿Y轴方向运动；

所述Z轴运动机构4包括第三驱动电机401、竖直移动横梁402、第三齿轮403、第三齿条404、支撑架405、支架螺钉406，所述第三驱动电机401为步进电机且固定安装在竖直移动横梁402上，所述第三驱动电机401的输出端穿过竖直移动横梁402的第二通孔4023与第三齿轮403通过键连接，所述第三齿轮403与第三齿条404相互啮合，所述第三齿条404固定安装在支撑架405上，所述竖直移动横梁402滑动安装在支撑架405上，所述支撑架405通过支架螺钉406固定安装在X轴运动机构2的水平移动横梁202上，所述第三齿轮403通过与第三齿条404的啮合运动带动竖直移动横梁402在支撑架405上滑动，进而实现激光清洗器5沿Z轴方向运动；

所述激光清洗器5包括工作台501、控制系统502、激光清洗头、位置传感器506、激光焦点追踪系统507、图像传感器508、警报器509、安装螺钉510，所述激光清洗头包括激光器503、扫描振镜504、场镜505，所述激光器503输出端与扫描振镜504连接，所述扫描振镜504输出端与场镜505连接，所述工作台501通过安装螺钉510安装在Y轴运动机构3的移动滑块302上，所述控制系统502、激光清洗头、警报器509均安装在工作台501上表面，所述位置传感器506、激光焦点追踪系统507、图像传感器508均安装在工作台501前端侧面，所述控制系统502、警报器509分别安装在激光清洗头的左右两侧，所述位置传感器506、激光焦点追踪系统507、图像传感器508自左向右依次安装在工作台501前端侧面中间；所述激光清洗头、位置传感器506、激光焦点追踪系统507、图像传感器508、警报器509分别与控制系统502通过导线或信号连接，所述第一驱动电机201、第二驱动电机301、第三驱动电机401分别与控制系统502通过导线连接，所述激光器503为光纤激光器用于发射激光，所述扫描振镜504用来对激光进行准确定位，所述场镜505用来对光纤进行聚焦，所述位置传感器506为光电传感器，用于检测待清洗物体是进入清洗区域106并将检测结果传输给控制器系统，所述激光焦点追踪系统507包括焦点测量单元、反馈显示单元，所述焦点测量单元与所述反馈显示单元通过导线连接，所述焦点测量单元用于测量激光清洗头输出的激光焦点与待清洗物体之间的距离信息，所述反馈显示单元用于从焦点测量单元获取距离信息，并实时显示距离的数值，所述图像传感器508用于获取待清洗物体在激光清洗前以及激光清洗后的图像，并将图像信息传输给控制系统502，所述警报器509用于根据控制系统502对激光清洗后图像的判断结果进行报警，所述控制系统502用于控制第一驱动电机201、第二驱动电机301、第三驱动电机401的运动与停止，所述控制系统502还用于对位置传感器506的检测结果进行判断，确定待清洗物体是否进入清洗区域106，若待清洗物体进入清洗区域106，则控制激光清洗头对待清洗物体进行激光清洗，所述控制系统502还用于分析图像传感器508获取的激光清洗前以及激光清洗后的图像，通过分析激光清洗前的图像确定清洗路径，通过分析激光清洗后的图像对清洗结果进行判断，所述控制系统502还用于控制警报器509根据清洗结果进行报警，所述控制系统502还用于通过激光焦点追踪系统507实时调节与待清洗物体表面之间的距离，使其始终保持在最佳清洗距离，保持理想的清洗效果、提高清洗效率；

所述夹持机构6包括支撑座601、空心螺纹套602、传动螺杆603、三角接头604、活动夹板605，所述支撑座601通过螺钉安装在支撑机构1的底板101上，所述空心螺纹套602固连在支撑座601上端且二者为一体式结构，所述空心螺纹套602的内圆柱面设置有普通粗牙螺纹，所述传动螺杆603安装在空心螺纹套602内且二者之间为螺纹连接，所述传动螺杆603的一端安装在三角接头604内且二者之间可相对转动，所述三角接头604焊接在活动夹板605上，所述活动夹板605滑动安装在第二滑槽105内，并根据传动螺杆603的转动在第二滑槽105内滑动实现对待清洗物体的夹紧；

所述杂质收纳盒7包括收纳盒本体701、收纳盒连杆702、收纳盒凸台703，所述收纳盒本体701为上端开口的矩形壳体，所述收纳盒连杆702固连在收纳盒本体701上，所述收纳盒凸台703固连在收纳盒连杆702上，所述收纳盒凸台703为阶梯轴，其上端直径大于下端直径，以便于对杂质收纳盒7进行安装与拆卸，所述收纳盒本体701的外廓尺寸与支撑机构1的容纳槽108尺寸相等，以保证清洗下的杂质完全进入杂质收纳盒7，所述杂质收纳盒7安装在支撑机构1的容纳槽108内，且二者之间为过盈配合；

所述挡板8包括挡板把手801、挡板本体802、挡板插头803，所述挡板8安装在支撑机构1上，所述挡板把手801固连在挡板本体802的一个端面的中间位置，所述挡板插头803设有两个，其固连在挡板本体802的另一个端面的两端且为对称设置，所述挡板插头803的截面尺寸与支撑机构1的第一滑槽103截面尺寸相等。

如图12所示，所述水平移动横梁202包括水平梁本体2021、水平梁滑动头2022、第一通孔2023，所述水平梁本体2021上对称设置有两个水平梁滑动头2022，所述水平梁本体2021的两端分别设置有一个第一通孔2023，且两个第一通孔2023在水平梁本体2021上对称设置，两个水平梁滑动头2022位于两个第一通孔2023的内侧，所述水平梁滑动头2022的结构尺寸与支撑机构1的第一滑槽103的结构尺寸相适应。

如图13所示，所述移动滑块302包括滑块支架3021、滑块承载台3022、矩形通孔3023，所述滑块支架3021与滑块承载台3022为一体成型，所述滑块承载台3022中间设置有一个矩形通孔3023，所述矩形通孔3023的长度大于第二齿轮303的齿顶圆直径，矩形通孔3023的宽度大于第二齿轮303的厚度。

如图14所示，所述竖直移动横梁402包括竖直梁本体4021、矩形安装槽4022、第二通孔4023，所述竖直梁本体4021上端面设置有一个矩形安装槽4022，所述矩形安装槽4022用于安装固定Y轴运动机构3的第二齿条304，所述矩形安装槽4022的长宽高尺寸与第二齿条304的长宽高尺寸相适应，所述第二通孔4023设有两个且对称设置在竖直梁本体4021上，所述矩形安装槽4022的两侧分别设置有一个矩形挡板，前端矩形挡板与后端矩形挡板的高度相同，前端矩形挡板长度小于后端的矩形挡板，便于第三齿轮403与第三齿条404的安装与拆卸，且前端矩形挡板的厚度、重量均大于后端的矩形挡板，确保竖直移动横梁402在负载运动过程中可以受力平衡，使得竖直移动横梁402运动平稳以及保持第三齿轮403与第三齿条404能够有效啮合，既能够提升运动精度又能够降低零部件间的磨损提高使用寿命。

如图15所示，所述传动螺杆603包括转动手柄6031、圆柱螺杆6032、锥形卡头6033，所述圆柱螺杆6032的一端与转动手柄6031固连在一起，另一端与锥形卡头6033固连在一起，所述锥形卡头6033为圆台状结构，其大端与圆柱螺杆6032固连，所述转动手柄6031的周向设置有均匀分布的用于提高摩擦力的凹槽，所述圆柱螺杆6032的外圆柱面设置有与空心螺纹套602内螺纹相配合的普通粗牙螺纹。

如图16所示，所述三角接头604包括三角板6041、圆柱凸台6042、中心套6043、台阶孔6044，所述三角板6041的三个角上分别设置有一个圆柱凸台6042，且每个圆柱凸台上设置有一个圆顶，所述三角板6041的中心位置设置有一个中心套6043，所述中心套6043中心位置设置有一个台阶孔6044，所述台阶孔6044的上端孔径小、下端孔径大，其中上端孔径小于锥形卡头6033的大端直径，下端孔径等于锥形卡头6033的大端直径。

如图17所示，所述活动夹板605包括活动夹板本体6051、活动夹板滑动块6052，所述活动夹板本体6051与活动夹板滑动块6052为一体式结构，所述活动夹板本体6051为矩形平板，所述活动夹板滑动块6052为L形平板，所述活动夹板滑动块6052的结构尺寸与支撑机构1的第二滑槽105的结构尺寸相适应。

本发明工作前，本发明的X轴运动机构2、Y轴运动机构3、Z轴运动机构4、夹持机构6、杂质收纳盒7、挡板8均位于初始位置，X轴运动机构2的初始位置为第一齿轮203与第一齿条204的中间位置相啮合，Y轴运动机构3的初始位置为第二齿轮303与第二齿条304的中间位置相啮合，Z轴运动机构4的初始位置为第三齿轮403与第三齿条404的中间位置相啮合，夹持机构6的初始位置为滑动到清洗区域106外边界，杂质收纳盒7的初始位置为完全插入容纳槽108，挡板8的初始位置为完全插入第一滑槽103。

本发明的清洗步骤如下：

(1)将待清洗物体放在支撑机构1上端面中间位置，并通过夹持机构6夹紧。空心螺纹套602与传动螺杆603构成螺旋传动，通过螺旋传动驱动活动夹板605运动实现对待清洗物体的夹紧，夹紧力便于提调节、可靠性高。

(2)通过位置传感器506检测待清洗物体是否完全进入清洗区域106。其中，待清洗物体的边界尺寸小于清洗区域的边界尺寸，将待清洗物体夹紧后再启动位置传感器506。

(3)若待清洗物体完全进入清洗区域106，图像传感器508便获取待清洗物体在激光清洗前的图像并将图像信息传输给控制系统502，通过控制系统502分析激光清洗前的图像来确定清洗路径。其中，清洗路径需要根据清洗区间确定。

如图18所示，清洗区间的确定方法如下：通过待清洗物体上的待清洗区域的上、下极限位置确定两条水平线，通过待清洗物体上的待清洗区域的左、右极限位置确定两条竖直线，由四条直线围成的区域即为清洗区间。将上水平线与左竖直线交点定义为清洗起点，将下水平线与右竖直线交点定义为清洗终点。清洗路径确定方法如下：由清洗起点开始竖直向下清洗，到达下水平线后水平向右清洗，到达控制系统502设定的水平清洗间距后再竖直向上清洗，到达上水平线后水平向右清洗，到达控制系统502设定的水平清洗间距后再竖直向下清洗，重复上述过程，直至完成整个待清洗区域的清洗并在到达清洗终点时停止清洗。

(4)控制系统502根据清洗路径控制第一驱动电机201、第二驱动电机301、第三驱动电机401协调运动来分别驱动X轴运动机构2、Y轴运动机构3、Z轴运动机构4的直线运动，进而带动激光清洗器5的激光清洗头完成对待清洗物体待清洗区域的清洗任务。其中，X轴运动机构2、Y轴运动机构3、Z轴运动机构4的直线运动均通过齿轮齿条传动实现，精度较高。

(5)激光清洗器5的图像传感器508获取待清洗物体清洗后的图像并将图像信息传输给控制系统502，通过控制系统502分析激光清洗后的图像并对清洗结果进行判断。判断方式如下：a、通过控制系统502对待清洗物体清洗后的图像进行灰度处理，得到灰度值图像；b、将所述灰度值图像与待清洗物体表面干净时图像的灰度值图像进行对比，判断二者的符合度是否达到设定值；c、若达到设定值则判断清洗结果为合格，若没有达到设定值则判断清洗结果为不合格，所述设定值为90％且可根据需要进行调整。

(6)控制系统502根据判断结果确定清洗是否结束。若清洗结果为合格，则清洗结束；若清洗结果为不合格，则再进行一次清洗任务，直至合格为止。

(7)对被激光清洗器5清洗下的杂物进行手动清理。将掉落在支撑机构1的底板101上表面的杂物进行清理；对落入杂质收纳盒7内的杂物进行手动清理。

(8)将X轴运动机构2、Y轴运动机构3、Z轴运动机构4、夹持机构6、杂质收纳盒7、挡板8返回初始位置。其中，X轴运动机构2、Y轴运动机构3、Z轴运动机构4在控制系统502的控制下自动返回初始位置，夹持机构6、杂质收纳盒7、挡板8则通过人工操作手动返回初始位置。

本发明激光清洗器5的警报器509根据清洗结果进行报警，具体为报警器509为大功率LED灯。当清洗结果为合格时，控制系统502控制报警器509发绿光；当清洗结果为不合格时，控制系统502控制报警器发红光。

本发明激光清洗器5的激光焦点追踪系统507包括用于测量激光清洗头输出的激光焦点与待清洗物体之间的距离信息的焦点测量单元以及用于从焦点测量单元获取距离信息，并实时显示距离的数值的反馈显示单元，控制系统502通过激光焦点追踪系统507能够实时调节与待清洗物体表面之间的距离，使其始终保持在最佳清洗距离，对于不规则、不平整的表面也能够保持较为理想的清洗效果、提高清洗效率，使得激光清洗器5能够适用于规则以及不规则物体表面的清洗任务。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种适用于不平整金属表面的激光清洗设备，其特征在于：包括支撑机构、X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构、激光清洗器、夹持机构、杂质收纳盒、挡板；所述支撑机构包括底板、支座、第一滑槽、矩形槽、第二滑槽、清洗区域、杂质排泄孔、容纳槽，所述底板下端面对称设置有四个圆柱形状的支座以及一个用于安装杂质收纳盒的容纳槽，所述底板上端面设置有一个用于降低水平移动横梁与底板之间摩擦力的矩形槽，所述矩形槽两端分别设置有一个用于安装水平移动横梁的第一滑槽，所述底板上端面还设置有两个平行设置的用于安装活动夹板的第二滑槽，所述清洗区域设置于两个第二滑槽之间，所述清洗区域设置有均匀分布的杂质排泄孔，所述容纳槽设置于清洗区域正下方，所述第一滑槽的横截面均为T形，所述第二滑槽的横截面均为L形，所述清洗区域为矩形区域，其长宽尺寸分别与容纳槽的长宽尺寸相等，所述杂质排泄孔为圆形通孔。

所述X轴运动机构包括第一驱动电机、水平移动横梁、第一齿轮、第一齿条，所述第一驱动电机为步进电机且固定安装在水平移动横梁上，所述第一驱动电机的输出端穿过水平移动横梁的第一通孔与第一齿轮通过键连接，所述第一齿轮与第一齿条相互啮合，所述第一齿条固定安装在支撑机构的底板上，所述水平移动横梁滑动安装在支撑机构的第一滑槽内，所述第一齿轮通过与第一齿条的啮合运动带动水平移动横梁在第一滑槽内滑动，进而实现激光清洗器沿X轴方向运动；

所述Y轴运动机构包括第二驱动电机、移动滑块、第二齿轮、第二齿条，所述第二驱动电机为步进电机且固定安装在移动滑块上，所述移动滑块滑动安装在竖直移动横梁上，所述第二驱动电机与第二齿轮通过键连接，所述第二齿轮穿过移动滑块的矩形通孔与第二齿条相互啮合，所述第二齿条安装在竖直移动横梁的矩形安装槽内，所述第二齿轮通过与第二齿条的啮合运动带动移动滑块在竖直移动横梁上滑动，进而实现激光清洗器沿Y轴方向运动；

所述Z轴运动机构包括第三驱动电机、竖直移动横梁、第三齿轮、第三齿条、支撑架、支架螺钉，所述第三驱动电机为步进电机且固定安装在竖直移动横梁上，所述第三驱动电机的输出端穿过竖直移动横梁的第二通孔与第三齿轮通过键连接，所述第三齿轮与第三齿条相互啮合，所述第三齿条固定安装在支撑架上，所述竖直移动横梁滑动安装在支撑架上，所述支撑架通过支架螺钉固定安装在X轴运动机构的水平移动横梁上，所述第三齿轮通过与第三齿条的啮合运动带动竖直移动横梁在支撑架上滑动，进而实现激光清洗器沿Z轴方向运动；

所述激光清洗器包括工作台、控制系统、激光清洗头、位置传感器、激光焦点追踪系统、图像传感器、警报器、安装螺钉，所述激光清洗头包括激光器、扫描振镜、场镜，所述激光器输出端与扫描振镜连接，所述扫描振镜输出端与场镜连接，所述工作台通过安装螺钉安装在Y轴运动机构的移动滑块上，所述控制系统、激光清洗头、警报器均安装在工作台上表面，所述位置传感器、激光焦点追踪系统、图像传感器均安装在工作台前端侧面，所述控制系统、警报器分别安装在激光清洗头的左右两侧，所述位置传感器、激光焦点追踪系统、图像传感器自左向右依次安装在工作台前端侧面中间；所述激光清洗头、位置传感器、激光焦点追踪系统、图像传感器、警报器分别与控制系统通过导线或信号连接，所述第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机分别与控制系统通过导线连接，所述激光器为光纤激光器用于发射激光，所述扫描振镜用来对激光进行准确定位，所述场镜用来对光纤进行聚焦，所述位置传感器为光电传感器，用于检测待清洗物体是进入清洗区域并将检测结果传输给控制器系统，所述激光焦点追踪系统包括焦点测量单元、反馈显示单元，所述焦点测量单元与所述反馈显示单元通过导线连接，所述焦点测量单元用于测量激光清洗头输出的激光焦点与待清洗物体之间的距离信息，所述反馈显示单元用于从焦点测量单元获取距离信息，并实时显示距离的数值，所述图像传感器用于获取待清洗物体在激光清洗前以及激光清洗后的图像，并将图像信息传输给控制系统，所述警报器用于根据控制系统对激光清洗后图像的判断结果进行报警，所述控制系统用于控制第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机的运动与停止，所述控制系统还用于对位置传感器的检测结果进行判断，确定待清洗物体是否进入清洗区域，若待清洗物体进入清洗区域，则控制激光清洗头对待清洗物体进行激光清洗，所述控制系统还用于分析图像传感器获取的激光清洗前以及激光清洗后的图像，通过分析激光清洗前的图像确定清洗路径，通过分析激光清洗后的图像对清洗结果进行判断，所述控制系统还用于控制警报器根据清洗结果进行报警，所述控制系统还用于通过激光焦点追踪系统实时调节与待清洗物体表面之间的距离。

所述夹持机构包括支撑座、空心螺纹套、传动螺杆、三角接头、活动夹板，所述支撑座通过螺钉安装在支撑机构的底板上，所述空心螺纹套固连在支撑座上端且二者为一体式结构，所述空心螺纹套的内圆柱面设置有普通粗牙螺纹，所述传动螺杆安装在空心螺纹套内且二者之间为螺纹连接，所述传动螺杆的一端安装在三角接头内且二者之间可相对转动，所述三角接头焊接在活动夹板上，所述活动夹板滑动安装在第二滑槽内，并根据传动螺杆的转动在第二滑槽内滑动实现对待清洗物体的夹紧；

所述杂质收纳盒包括收纳盒本体、收纳盒连杆、收纳盒凸台，所述收纳盒本体为上端开口的矩形壳体，所述收纳盒连杆固连在收纳盒本体上，所述收纳盒凸台固连在收纳盒连杆上，所述收纳盒凸台为阶梯轴，其上端直径大于下端直径，所述收纳盒本体的外廓尺寸与支撑机构的容纳槽尺寸相等，所述杂质收纳盒安装在支撑机构的容纳槽内，且二者之间为过盈配合；

所述挡板包括挡板把手、挡板本体、挡板插头，所述挡板安装在支撑机构上，所述挡板把手固连在挡板本体的一个端面的中间位置，所述挡板插头设有两个，其固连在挡板本体的另一个端面的两端且为对称设置，所述挡板插头的截面尺寸与支撑机构的第一滑槽截面尺寸相等。

2.根据权利要求1所述的一种适用于不平整金属表面的激光清洗设备，其特征在于：所述水平移动横梁包括水平梁本体、水平梁滑动头、第一通孔，所述水平梁本体上对称设置有两个水平梁滑动头，所述水平梁本体的两端分别设置有一个第一通孔，且两个第一通孔在水平梁本体上对称设置，两个水平梁滑动头位于两个第一通孔的内侧，所述水平梁滑动头的结构尺寸与支撑机构的第一滑槽的结构尺寸相适应。

3.根据权利要求1所述的一种适用于不平整金属表面的激光清洗设备，其特征在于：所述移动滑块包括滑块支架、滑块承载台、矩形通孔，所述滑块支架与滑块承载台为一体成型，所述滑块承载台中间设置有一个矩形通孔，所述矩形通孔的长度大于第二齿轮的齿顶圆直径，矩形通孔的宽度大于第二齿轮的厚度。

4.根据权利要求1所述的一种适用于不平整金属表面的激光清洗设备，其特征在于：所述竖直移动横梁包括竖直梁本体、矩形安装槽、第二通孔，所述竖直梁本体上端面设置有一个矩形安装槽，所述矩形安装槽用于安装固定Y轴运动机构的第二齿条，所述矩形安装槽的长宽高尺寸与第二齿条的长宽高尺寸相适应，所述第二通孔设有两个且对称设置在竖直梁本体上，所述矩形安装槽的两侧分别设置有一个矩形挡板，前端矩形挡板与后端矩形挡板的高度相同，前端矩形挡板长度小于后端的矩形挡板，便于第三齿轮与第三齿条的安装与拆卸，且前端矩形挡板的厚度、重量均大于后端的矩形挡板，确保竖直移动横梁在负载运动过程中可以受力平衡，使得竖直移动横梁运动平稳以及保持第三齿轮与第三齿条能够有效啮合。

5.根据权利要求1所述的一种适用于不平整金属表面的激光清洗装置，其特征在于：所述传动螺杆包括转动手柄、圆柱螺杆、锥形卡头，所述圆柱螺杆的一端与转动手柄固连在一起，另一端与锥形卡头固连在一起，所述锥形卡头为圆台状结构，其大端与圆柱螺杆固连，所述转动手柄的周向设置有均匀分布的用于提高摩擦力的凹槽，所述圆柱螺杆的外圆柱面设置有与空心螺纹套内螺纹相配合的普通粗牙螺纹。

6.根据权利要求1所述的一种适用于不平整金属表面的激光清洗装置，其特征在于：所述三角接头包括三角板、圆柱凸台、中心套、台阶孔，所述三角板的三个角上分别设置有一个圆柱凸台，且每个圆柱凸台上设置有一个圆顶，所述三角板的中心位置设置有一个中心套，所述中心套中心位置设置有一个台阶孔，所述台阶孔的上端孔径小、下端孔径大，其中上端孔径小于锥形卡头的大端直径，下端孔径等于锥形卡头的大端直径。

7.根据权利要求1所述的一种适用于不平整金属表面的激光清洗装置，其特征在于：所述活动夹板包括活动夹板本体、活动夹板滑动块，所述活动夹板本体与活动夹板滑动块为一体式结构，所述活动夹板本体为矩形平板，所述活动夹板滑动块为L形平板，所述活动夹板滑动块的结构尺寸与支撑机构的第二滑槽的结构尺寸相适应。