CN109226103A - 一种适用于水下环境的激光清洗设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于水下环境的激光清洗设备及方法;主要包括水下载台系统、激光清洗系统和控制系统三部分,其中水下载台系统由驱动模块、照明导航、通讯模块、电源模块和壳体等构成;其可运载激光清洗系统和到水下需要清洗的目标位置。同时,可以完成与地面清洗中心的通信交流。激光清洗系统由激光器模块、光学调整系统等构成,其可以以选定的清洗参数(包括激光功率,脉冲频率,清洗样式和清洗速度参数),控制激光投射到待清洗表面,进而检测完成激光过程。本激光清洗设备实现了激光清洗技术在水下的正常应用,同时水下载台系统可以快速准确定位到待清洗位置,实现水下难清洗物体表面的激光无人清洗,提高了清洗效率和质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光清洗设备,尤其涉及一种适用于水下环境的激光清洗设备及方法。
背景技术
激光清洗技术(Laser Cleaning)是一种新型的清洗方式,与机械摩擦清洗、化学腐蚀清洗、液体固体强力冲击清洗、高频超声清洗等传统清洗方法相比,激光清洗具有明显的优点。(1)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;(2)激光器清洗相对于传统接触式的清洗方法,可以避免对清洗物体表面施加的机械作用,进而避免损伤物体的表面;(3)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;(4)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;(5)激光清洗效率高,节省时间。
激光清洗可以用来清洗有机和无机污染物,包括金属的锈蚀、金属微粒、灰尘等。目前这些技术已比较成熟,并已有广泛应用在模具清洗、武器清洗、飞机除漆、楼房外壁清洗、电子工业清洗、精密机械工业清洗、反应堆管道清洗、文物清洗等方面。水中介质污染物表面的清洗也是一个重要的清洗应用场合,具有广阔的使用前景,具体如船舶水下部分清洗、水中文物清洗等。此外,水下环境相比空气环境更加复杂,对激光清洗设备提出更多苛刻的限制,如防水密封、照明导航、驱动控制、通讯等。但是,目前的激光清洗设备和方法主要面向空气中的污染物,然而对水下污染物的清洗适用性较为欠缺。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足,提供一种适用于水下环境的激光清洗设备及方法。
本发明通过下述技术方案实现:
一种适用于水下环境的激光清洗设备,包括内置在密封壳体1内部的电源模块6、水下载台系统及其控制系统4;电源模块6为水下载台系统及控制系统4提供直流电能;
该水下载台系统包括激光清洗系统、通讯模块7;
所述激光清洗系统包括:用于发生激光的光纤激光器2和与其通过能量光纤8连接的光学调整系统3以及清洗作业辅助系统;
所述清洗作业辅助系统包括清洗照明灯9、测距仪10和CCD摄像机11;
所述密封壳体1前端上侧外壁增设有一开口的防水帘箱13,在防水帘箱13的前缘安装有用于直接于待清洗物19表面形成密封接触的柔性密封圈12;
所述清洗照明灯9、测距仪10和CCD摄像机11安装在对应于防水帘箱13的密封壳体1内壁的前端透明壁面上。
在密封壳体1的尾部设置有推动密封壳体1移动的驱动模块5;
控制系统4控制水下载台系统,并由通讯模块7通过通信线缆21与地面清洗控制中心20之间的通讯。
所述光学调整系统3包括依次连接的扩束镜3-1、聚焦镜3-2、偏转镜3-3、保护镜3-4;所述保护镜3-4可位于密封壳体1前端的透明壁面上,并对应于防水帘箱13;
所述水下载台系统还包括一用于向防水帘箱13内鼓入气体的气泵18;该气泵18通过通气管15连通防水帘箱13;当防水帘箱13前缘的柔性密封圈12与待清洗物19表面接触后,在气泵18通入高压气体的连续注入作用下,防水帘箱13中的水介质通过柔性密封圈12与待清洗物19接触面之间的缝隙排出防水帘箱13之外。
所述密封壳体1前端下侧外壁具有一局部透明壳体;在局部透明壳体内侧安装有航行照明灯16和航行环境拍摄相机17。
密封壳体1外部为流线型结构,以减少其在水中运动阻力。
本发明适用于水下环境的激光清洗设备的运行方法如下:
步骤一:确定目标:通过测距仪10和CCD摄像机11获取待清洗物19位置及形态照片信息,确定清洗目标;
步骤二:趋近目标:控制系统4控制开启航行照明灯16和航行环境拍摄相机17实时检测;开启驱动模块5,驱动密封壳体1避开水中障碍物,并进行待清洗物19目标识别定位,修订运动方向最终到达待清洗物19表面;
步骤三:移动对焦:开启清洗照明灯9、测距仪10和CCD摄像机11,测距仪10测量实际距离并向控制系统4反馈,以控制驱动模块5工作,使密封壳体1前方的柔性密封圈12贴紧待清洗物19的表面待清洗区域,使待清洗物19对应于聚焦面;
步骤四:执行清洗:开启气泵18,以排出防水帘箱13内的水介质;开启光学调整系统3,使光束14聚焦在待清洗物19表面,进而对其表面进行清洗作业;
步骤五:清洗过程检测:通过清洗照明灯9和CCD摄像机11进行清洗过程监测,清洗完一个区域后,驱动模块5移动密封壳体1至下一个区域继续清洗,直到结束;如遇到清洗故障,及时通知控制系统4停止清洗过程。同时负责向地面清洗控制中心20通讯实时反馈清洗过程。
步骤六:完成返回:清洗结束后,驱动模块5在控制系统4的控制下驱动密封壳体1返回水面。
本发明相对于现有技术,具有如下的优点及效果:
本发明适用于水下环境的激光清洗设备,包括了内置在密封壳体1内部的电源模块6、水下载台系统及其控制系统4;水下载台系统包括激光清洗系统以及清洗作业辅助系统;清洗作业辅助系统包括清洗照明灯9、测距仪10和CCD摄像机11;本发明在密封壳体1前端上侧外壁增设有一开口的防水帘箱13,在防水帘箱13的前缘安装有用于直接于待清洗物19表面形成密封接触的柔性密封圈12;当防水帘箱13前缘的柔性密封圈12与待清洗物19表面接触后,在气泵18通入高压气体的连续注入作用下,防水帘箱13中的水介质通过柔性密封圈12与待清洗物19接触面之间的缝隙排出防水帘箱13之外。
上述结构布局,保证了激光清洗设备可潜入水下作业应用,同时水下载台系统可以快速准确定位到待清洗位置,实现水下难清洗物体表面的激光无人清洗,提高了清洗效率,减轻了人类负担。
附图说明
图1为本发明适用于水下环境的激光清洗设备结构示意图。
图2为本发明适用于水下环境的激光清洗设备潜入水下作业时的示意图。
图3为图1中光学调整系统内部结构框图。
图4为本发明适用于水下环境的激光清洗设备清洗作业流程框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1-4所示。本发明公开了一种适用于水下环境的激光清洗设备,包括内置在密封壳体1内部的电源模块6、水下载台系统及其控制系统4;电源模块6为水下载台系统及控制系统4提供直流电能;
该水下载台系统包括激光清洗系统、通讯模块7;
所述激光清洗系统包括:用于发生激光的光纤激光器2和与其通过能量光纤8连接的光学调整系统3以及清洗作业辅助系统;
所述清洗作业辅助系统包括清洗照明灯9、测距仪10和CCD摄像机11;
所述密封壳体1前端上侧外壁增设有一开口的防水帘箱13,在防水帘箱13的前缘安装有用于直接于待清洗物19表面形成密封接触的柔性密封圈12;
所述清洗照明灯9、测距仪10和CCD摄像机11安装在对应于防水帘箱13的密封壳体1内壁的前端透明壁面上;其中,测距仪10可以检测密封壳体1前端至待清洗物19表面的距离,反馈纠正潜入水下的密封壳体1的位置,从而保证清洗焦平面的准确。CCD摄像机11可以拍摄清洗过程以及清洗后的效果,便于地面清洗控制中心20检测清洗状态。
在密封壳体1的尾部设置有推动密封壳体1移动的驱动模块5;驱动模块5为螺旋桨式水下推进器,其能够为搭载有水下载台系统的密封壳体1在水中自由潜行及运动所需的动力,实现水下载台系统的的上升、下潜、转向、前进、后退运动功能。
控制系统4控制水下载台系统,并由通讯模块7通过通信线缆21与地面清洗控制中心20之间的通讯。
所述光学调整系统3包括依次连接的扩束镜3-1、聚焦镜3-2、偏转镜3-3、保护镜3-4;所述保护镜3-4可位于密封壳体1前端的透明壁面上,并对应于防水帘箱13;
所述水下载台系统还包括一用于向防水帘箱13内鼓入气体的气泵18;该气泵18通过通气管15连通防水帘箱13;当防水帘箱13前缘的柔性密封圈12与待清洗物19表面接触后,在气泵18通入高压气体的连续注入作用下,防水帘箱13中的水介质通过柔性密封圈12与待清洗物19接触面之间的缝隙排出防水帘箱13之外,作用是排掉保护镜3-4与待清洗物19表面之间的水,形成一个气密的空间,减少光束14在水中损耗以及清洗时与水的反应。
所述密封壳体1前端下侧外壁具有一局部透明壳体;在局部透明壳体内侧安装有航行照明灯16和航行环境拍摄相机17,其是水下载台系统的重要组成部分,航行照明灯16作为航行环境拍摄相机17的光源,可以为水下载台系统照明周围的环境。航行环境拍摄相机17可以实时拍摄水中载台周围的环境照片,进而分析确定水下清洗设备在水下的位置并反馈给控制系统,进而控制驱动模块使得激光清洗设备避开障碍物,准确到达目标位置。
密封壳体1外部为流线型结构,以减少其在水中运动阻力。
通讯模块7可以实现与地面清洗控制中心20的通信交流,具体表现为可以接受运动指令以及激光清洗参数,同时实时上传反馈水下的设备运动及清洗情况。
电源模块6,能够存储电能,且能够输出多组电压(如24V/12V/5V)的直流电。其负责为水下载台系统、激光清洗系统以及控制系统4等提供电力供应。
光纤激光器2和光学调整系统3,可以以选定的清洗参数(包括激光功率,脉冲频率,清洗样式和清洗速度参数),控制激光投射到待清洗物表面,进而检测完成激光过程。
光纤激光器2是脉冲光纤激光器,其平均输出功率可选择匹配为20W,100W,200W,500W等,其能够输出波长为1046nm的激光,具有较高的峰值功率。能够瞬间清洗掉待清洗物表面的污染物,又不至于伤害基材。
光学调整系统3其主要有扩束镜3-1、聚焦镜3-2、偏转镜3-3和保护镜3-4四部分组成;其作用为对光纤激光器2输出的激光进行一系列的调整,最终输出具有20-200μm左右的激光光斑进行清洗。其中,扩束镜3-1包含一组透镜,实现激光光束直径的扩大以及光束质量的改善,利于下一步的聚焦;聚焦镜3-2可以将扩束后的光束聚焦成在焦平面上保持一定直径大小的光斑;偏转镜3-3,可以控制激光束偏转,从而实现激光光斑在清洗物表面的移动。保护镜3-4,主要是防止水侵入光学调整系统,同时容许激光光束到达清洗物表面。
本发明适用于水下环境的激光清洗设备的运行方法如下:
步骤一:确定目标:通过测距仪10和CCD摄像机11获取待清洗物19位置及形态照片信息,确定清洗目标;
步骤二:趋近目标:控制系统4控制开启航行照明灯16和航行环境拍摄相机17实时检测;开启驱动模块5,驱动密封壳体1避开水中障碍物,并进行待清洗物19目标识别定位,修订运动方向最终到达待清洗物19表面;
步骤三:移动对焦:开启清洗照明灯9、测距仪10和CCD摄像机11,测距仪10测量实际距离并向控制系统4反馈,以控制驱动模块5工作,使密封壳体1前方的柔性密封圈12贴紧待清洗物19的表面待清洗区域,使待清洗物19对应于聚焦面;
步骤四:执行清洗:开启气泵18,以排出防水帘箱13内的水介质;开启光学调整系统3,使光束14聚焦在待清洗物19表面,进而对其表面进行清洗作业;
步骤五:清洗过程检测:通过清洗照明灯9和CCD摄像机11进行清洗过程监测,清洗完一个区域后,驱动模块5移动密封壳体1至下一个区域继续清洗,直到结束;如遇到清洗故障,及时通知控制系统4停止清洗过程。同时负责向地面清洗控制中心20通讯实时反馈清洗过程。
步骤六:完成返回:清洗结束后,驱动模块5在控制系统4的控制下驱动密封壳体1返回水面。
如上所述,便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于水下环境的激光清洗设备,其特征在于:包括内置在密封壳体(1)内部的电源模块(6)、水下载台系统及其控制系统(4);电源模块(6)为水下载台系统及控制系统(4)提供直流电能;
该水下载台系统包括激光清洗系统、通讯模块(7);
所述激光清洗系统包括:用于发生激光的光纤激光器(2)和与其通过能量光纤(8)连接的光学调整系统(3)以及清洗作业辅助系统;
所述清洗作业辅助系统包括清洗照明灯(9)、测距仪(10)和CCD摄像机(11);
所述密封壳体(1)前端上侧外壁增设有一开口的防水帘箱(13),在防水帘箱(13)的前缘安装有用于直接于待清洗物(19)表面形成密封接触的柔性密封圈(12);
所述清洗照明灯(9)、测距仪(10)和CCD摄像机(11)安装在对应于防水帘箱(13)的密封壳体(1)内壁的前端透明壁面上。
在密封壳体(1)的尾部设置有推动密封壳体(1)移动的驱动模块(5);
控制系统(4)控制水下载台系统,并由通讯模块(7)通过通信线缆(21)与地面清洗控制中心(20)之间的通讯。
2.根据权利要求1所述适用于水下环境的激光清洗设备,其特征在于:所述光学调整系统(3)包括依次连接的扩束镜(3-1)、聚焦镜(3-2)、偏转镜(3-3)、保护镜(3-4);所述保护镜(3-4)可位于密封壳体(1)前端的透明壁面上,并对应于防水帘箱(13);
所述水下载台系统还包括一用于向防水帘箱(13)内鼓入气体的气泵(18);该气泵(18)通过通气管(15)连通防水帘箱(13);当防水帘箱(13)前缘的柔性密封圈(12)与待清洗物(19)表面接触后,在气泵(18)通入高压气体的连续注入作用下,防水帘箱(13)中的水介质通过柔性密封圈(12)与待清洗物(19)接触面之间的缝隙排出防水帘箱(13)之外。
3.根据权利要求2所述适用于水下环境的激光清洗设备,其特征在于:所述密封壳体(1)前端下侧外壁具有一局部透明壳体;在局部透明壳体内侧安装有航行照明灯(16)和航行环境拍摄相机(17)。
4.根据权利要求3所述适用于水下环境的激光清洗设备,其特征在于:密封壳体(1)外部为流线型结构,以减少其在水中运动阻力。
5.权利要求4所述适用于水下环境的激光清洗设备的运行方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤一:确定目标:通过测距仪(10)和CCD摄像机(11)获取待清洗物(19)位置及形态照片信息,确定清洗目标;
步骤二:趋近目标:控制系统(4)控制开启航行照明灯(16)和航行环境拍摄相机(17)实时检测;开启驱动模块(5),驱动密封壳体(1)避开水中障碍物,并进行待清洗物(19)目标识别定位,修订运动方向最终到达待清洗物(19)表面;
步骤三:移动对焦:开启清洗照明灯(9)、测距仪(10)和CCD摄像机(11),测距仪(10)测量实际距离并向控制系统(4)反馈,以控制驱动模块(5)工作,使密封壳体(1)前方的柔性密封圈(12)贴紧待清洗物(19)的表面待清洗区域,使待清洗物(19)对应于聚焦面;
步骤四:执行清洗:开启气泵(18),以排出防水帘箱(13)内的水介质;开启光学调整系统(3),使光束(14)聚焦在待清洗物(19)表面,进而对其表面进行清洗作业;
步骤五:清洗过程检测:通过清洗照明灯(9)和CCD摄像机(11)进行清洗过程监测,清洗完一个区域后,驱动模块(5)移动密封壳体(1)至下一个区域继续清洗,直到结束;
步骤六:完成返回:清洗结束后,驱动模块(5)在控制系统(4)的控制下驱动密封壳体(1)返回水面。
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