CN109719086B - 一种双激光清洗装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双激光清洗装置，包括双激光束动态复合装置，两种激光束分别输入所述双激光束动态复合装置，所述双激光束动态复合装置用于输出射入工件表面的可变间距的平行激光。两种激光束分别通过第一反射镜和第二反射镜射入棱柱反射镜，通过棱柱反射镜平移输出可变间距的平行激光。本发明通过两种不同脉宽的激光束对基体表面复杂待除物进行高效去除，第一激光束使用长脉宽激光参数对大部分的表面待除物进行清洗，第二激光束使用短脉宽激光参数并利用第一激光束的热量积累对残余待除物进行完全清洗，大幅提高激光清洗效率，节约能源并有效地避免烧蚀基体表面，显著提高激光清洗后的基体表面质量。

Description

一种双激光清洗装置及其方法

技术领域

本发明涉及激光清洗技术领域，特别涉及一种双激光清洗装置及其方法。

背景技术

随着激光清洗技术的快速发展，这种新型的清洗技术凭借着更加高效环保的优势越来越广泛地应用于工业中对金属表面的锈层或漆层进行大范围去除。目前，在对于飞机蒙皮表面涂层进行激光清洗面临技术难题。由于飞机蒙皮表面的涂层系统复杂，主要包括蒙皮基材预处理层、底漆层、面漆层，在飞机大修时需要把表面涂层全部去除，不仅是为了重新涂装新的涂层，更是为检测蒙皮表面的缺陷或者疲劳裂纹并进行修复，从而避免飞机蒙皮发生疲劳破坏引起的事故。但通常对于飞机蒙皮表面的涂层系统一般使用化学试剂，机械打磨，高压水射流等方式去除，这些方法均容易损伤基体表面且工作环境恶劣。激光除漆凭借其清洁，易操作，可精确定位等优势被越来越多的机构进行研究，目前激光除漆在工业领域的困境是难以利用激光进行高效的清洗，需要进行多次扫描去除，严重影响清洗效率且极易烧蚀基体表面，降低清洗质量。所以，提高激光清洗效率，尤其是对于基体表面多涂层系统的清洗，并且降低清洗后基体表面的损伤程度是激光清洗领域目前尚需解决的关键问题。

目前，对于提高激光清洗效率已经发展了许多工艺。例如中国发明专利公开了一种去除薄膜或涂层的激光加工方法及设备，该方法先测量获取薄膜或涂层的厚度值，再根据获取的厚度值，调整激光的参数进行清洗，重复之前步骤使激光在薄膜或涂层表面扫描，直至薄膜或涂层去除，此方法通过实时测量薄膜或涂层的厚度，并以此调节激光参数，使其达到最优去除效果，快速精准，但是该方法在清洗过程中对同一区域至少扫描两次，效率较低，因此不适用于大规模工业应用。中国的发明专利公开了一种钢板表面氧化层的激光清除装置及方法，该发明将钢板水平置于可前后移动的承载平台上，使用多个分光镜将水平激光束进行分束且向下反射，除锈头与多个分光镜一一对应并将反射光进行聚焦后散射在钢板表面，其中多个除锈头沿着与钢板运动方向垂直的阵列式分布，使得钢板在移动过程整个表面均被多个除锈头散射的激光覆盖，该方法大大提高激光清洗的面积，但是无法精确保证清洗效果，且无法对飞机蒙皮或船体等大曲面进行清洗，应用范围仅限于对平面板材的激光清洗。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种双激光清洗装置及其方法，将两种不同脉宽的激光束复合对基体表面复杂待除物进行高效去除，第一激光束使用长脉宽激光的高热效应对大部分的表面待除物如飞机蒙皮面漆层进行清洗，第二激光束使用短脉宽激光并利用第一激光束的热量积累对残余待除物如底漆层和基体预处理层进行完全清洗，在激光清洗过程中，可通过双激光束动态复合装置动态调节两道激光束的间距，控制第一激光束的热量积累对第二激光清洗的影响效果，达到精确控制激光清洗效果和保护基体表面的作用。节约能源大幅提高激光清洗效率，并有效地避免烧蚀基体表面，显著提高激光清洗后的基体表面质量。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种双激光清洗装置，包括双激光束动态复合装置，两种激光束分别输入所述双激光束动态复合装置，所述双激光束动态复合装置用于输出射入工件表面的可变间距的平行激光。

进一步，所述双激光束动态复合装置包括棱柱反射镜、外壳、第一反射镜、第二反射镜和平移机构；所述外壳内部设有升降机构，所述升降机构安装棱柱反射镜；所述外壳两内侧壁面分别设有第一反射镜和第二反射镜；两种激光束分别通过第一反射镜和第二反射镜射入棱柱反射镜，通过棱柱反射镜平移输出可变间距的平行激光。

进一步，所述棱柱反射镜的横截面为等腰三角形，所述棱柱反射镜的两侧面为反射镜；所述棱柱反射镜的等腰三角形底面与平移机构连接。

进一步，所述棱柱反射镜的等腰三角形顶角处设有黑色挡光板，用于防止损坏光学器件。

进一步，一种所述激光束为长脉宽激光束，用于对大部分的表面待除物进行清洗；另一种所述激光束为短脉宽激光束，用于清除基体表面少量残余待除物且不损伤表面。

进一步，还包括吹气集尘装置，所述吹气集尘装置用于收集工件表面清洗过程中产生的碎屑。

进一步，还包括高性能CCD图像传感器和工控机，所述高性能CCD图像传感器用于实时拍摄被清洗工件表面图像，所述工控机分析判断所述图像，并控制双激光束动态复合装置调整平行激光的间距。

一种双激光清洗装置的方法，包括如下步骤：

双激光清洗：两种激光束分别通过双激光束动态复合装置平行射入工件表面，通过工控机控制双激光束动态复合装置在工件表面平移，一种所述长脉宽激光束用于对大部分的表面待除物进行清洗；另一种所述短脉宽激光束用于清除基体表面少量残余待除物且不损伤表面；

双激光束间距调整：所述高性能CCD图像传感器实时拍摄被清洗工件表面处理的图像，所述工控机分析判断所述图像，并控制双激光束动态复合装置调整平行激光的间距。

进一步，所述双激光束间距调整具体为：当所述工控机分析所述图像得出被清洗工件表面杂质面积超过1％，控制所述双激光束动态复合装置将两平行激光的间距调小；当所述工控机分析所述图像得出被清洗工件蒙皮表面烧蚀面积超过1％，控制所述双激光束动态复合装置将两平行激光的间距调大。

进一步，所述双激光束动态复合装置控制两平行激光的间距范围2cm～10cm。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的双激光清洗装置及其方法，通过使用两种不同脉宽的激光束对基体表面复杂待除物进行高效去除，第一激光束使用长脉宽激光参数对大部分的表面待除物进行清洗，第二激光束使用短脉宽激光参数并利用第一激光束的热量积累对残余待除物进行完全清洗，大幅提高激光清洗效率，节约能源并有效地避免烧蚀基体表面，显著提高激光清洗后的基体表面质量。

2.本发明所述的双激光清洗装置及其方法，通过双激光束动态复合装置可在激光清洗过程中动态调节两道激光束的间距，控制第一激光束的热积累对第二激光清洗的影响效果，达到精确控制激光清洗效果和保护基体表面的作用，保证最佳的清洗质量和效率。

3.本发明所述的双激光清洗装置，通过黑色挡光板用于防止棱柱反射镜位置过高导致两激光束沿原光路返回损坏光学器件。

4.本发明所述的双激光清洗装置，结构简单，操作方便且成本低廉。

附图说明

图1为本发明所述的双激光清洗装置结构示意图。

图2为本发明所述的双激光束动态复合装置结构图。

图3为本发明所述的双激光清洗装置的原理图。

图4a和图4b为本发明所述双激光清洗方法的效果对比图。

图中：

1-工作台；2-集尘装置；3-吸嘴；4-工件；5-高性能CCD图像传感器；6-双激光束动态复合装置；7-振镜扫描装置；8-工控机；9-短脉宽激光器；10-长脉宽激光器；11-传导光纤；12-工业机器人；13-保护气瓶；14-喷嘴；15-控制柜；16-液压/电气动力装置；17-高透光平面玻璃；18-第二反射镜；19-棱柱反射镜；20-定位销；21-外壳；22-端盖；23-黑色挡光板；24-第一反射镜；25-丝杆；26-电动丝杆；27-螺钉；28-垫片；29-螺母；30-第一激光束；31-聚氨酯面漆；32-环氧树脂底漆；33-铝板；34-第二激光束；35-阳极氧化膜。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的双激光清洗装置，包括双激光束动态复合装置6、短脉宽激光器9、长脉宽激光器10、工作台1、高性能CCD图像传感器5、振镜扫描装置7、吹气集尘装置和工业机器人12。所述长脉宽激光器10用于产生第一激光束30，所述短脉宽激光器9用于产生第二激光束34，所述第二激光束34和第一激光束30分别通过传导光纤11与振镜扫描装置7进入双激光束动态复合装置6。所述工业机器人12用于控制所述双激光束动态复合装置6的移动，所述工控机8可通过控制液压/电气动力装置16和控制柜15内的元器件，从而控制工业机器人12的动作。所述工控机8可控制长脉宽激光器10和短脉宽激光器9产生不同参数的激光束。所述工作台1上放置工件4，所述双激光束动态复合装置6用于输出射入工件4表面的可变间距的平行激光。所述高性能CCD图像传感器用于实时拍摄被清洗工件4表面图像，所述工控机8分析判断所述图像，并控制双激光束动态复合装置6调整平行激光的间距。

所述吹气集尘装置包括集尘装置2、吸嘴3、保护气瓶13和喷嘴14；所述吸嘴3和喷嘴14位于工件4表面，所述喷嘴14与保护气瓶13连接，用于在清洗过程中持续吹气将碎屑吹离工件，所述吸嘴3与集尘装置2连接，用于将碎屑吸入回收容器中，防止碎屑污染环境和进入紧密仪器中。

如图2所示，所述双激光束动态复合装置6包括棱柱反射镜19、外壳21、端盖22、第一反射镜24、第二反射镜18和电动丝杆26；所述端盖22通过螺钉27、螺母29和垫片28固定于外壳21内部；所述电动丝杆26安装在端盖22上，所述电动丝杆26的丝杆25一端安装棱柱反射镜19，通过电动丝杆26可以使棱柱反射镜19上下移动。定位销20用于限制电动丝杆26的螺母不会在端盖22中转动；第一反射镜24和第二反射镜18分别45°固定于外壳21内侧壁面，将第一激光束30和第二激光束34水平向棱柱反射镜19反射。所述棱柱反射镜19的横截面为底角为45°的等腰三角形，棱柱反射镜19的两侧面为反射镜。所述棱柱反射镜19可通过电动丝杆26控制升降，升降速度为1mm/μm，进而可在激光清洗过程中精确快速地动态调整两激光束之间的距离，控制第一激光束30残留热量对第二激光束34清洗的影响。所述棱柱反射镜19的等腰三角形顶角处设有黑色挡光板23，用于防止棱柱反射镜19位置过高导致两激光束沿原光路返回损坏光学器件。高透光平面玻璃17安装于外壳21底部，用于保护装置内的元件不被清洗过程中的粉尘和碎屑污染。高透光平面玻璃17安装于外壳21底部，所述第一激光束30和第二激光束34通过高透光平面玻璃17射入工件4表面。

实施例1，通过使用双激光器复合的高效激光清洗方法对飞机蒙皮表面漆层进行去除。飞机蒙皮表面的涂层系统复杂，主要包括蒙皮基材预处理层、底漆层、面漆层。如图3所示，待清洗的飞机蒙皮材料为2024铝合金，涂层的面漆层采用聚氨酯面漆31，厚度为45～60μm；底漆层为环氧树脂底漆32，厚度为15～30μm；阳极氧化膜36厚度为5～15μm，基体为铝板33。

通过复合长短两种脉宽的激光束对基体表面多涂层系统旧漆和厚度较大的待除层进行激光清洗，大幅提高激光清洗效率和质量，且有效保护基体表面不被烧蚀，其特征包括以下步骤：

A)将待清洗的飞机蒙皮部件置于工作台1上，并调节工业机器人12将双激光束动态复合装置6定位到初始清洗位置；

B)开启工控机8设置长脉宽激光器10脉冲宽度为10ms，功率参数为100W，短脉宽激光器9脉冲宽度为100ns，功率参数30W，双激光束动态复合装置6的初始光束间距4cm，清洗过程中双光束的距离可调小或增大，以控制第一激光束30残余热量对第二激光束34清洗的影响程度；

C)启动激光器与吹气集尘装置开始进行激光清洗，清洗的同时保护气瓶13与喷嘴14在清洗过程中持续吹气将碎屑吹离工件，吸嘴3与集尘装置2的将碎屑吸入回收容器中，设置集尘装置真空度20kPa，保证激光清洗过程中工件表面清洁，由工控机8和控制柜15控制机器人的清洗路线；在清洗路线中确保第一激光束30在前，第二激光束34在后。

D)高性能CCD图像传感器5实时拍摄被清洗表面图像，检测存在的杂质的数量、大小、颜色、位置，图像识别处理时采取相应的算法，提取杂质的特征，进行识别分析，确定被清洗表面质量是否在技术要求范围内，并根据结果控制双激光束动态复合装置6动态调整光束间距2cm～10cm，控制第一激光束残留热量对第二激光束清洗的影响，被清洗表面杂质面积超过1％，即表面仍有残余待除物，可控制双激光束动态复合装置6实时将双光束距离调小，利用更多的残余热量，提升第二激光束的清洗效率，若被清洗表面烧蚀面积超过1％，将双光束距离调大，减少第一激光束的残余热量对第二激光束的影响，降低基体表面烧蚀程度，保证最佳的清洗质量和效率。

E)当激光清洗完成后，关闭激光器，并取下无漆层物质残留且表面质量良好的飞机蒙皮部件。

其中，高性能CCD图像传感器5实时拍摄被清洗蒙皮表面图像，检测存在的杂质的数量、大小、颜色、位置，图像识别处理时采取相应的算法，提取杂质的特征，进行识别分析，这是现有技术，在此不再叙述。

图4a为未使用本发明的清洗效果图，由于单道激光束难以一次性将涂层完全清理，因此清洗后的表面仍然残留部分漆层。而使用本发明的方法对试样进行清洗后发现，基体表面的涂层被完全清洗干净，且表面没有发现烧蚀现象，如图4b所示。由此可以说明本发明所述的装置及系统可明显提高激光清洗的效率，对清洗的效果有显著的改善效果且切实可行。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双激光清洗装置，其特征在于，包括双激光束动态复合装置（6），两种激光束分别输入所述双激光束动态复合装置（6），所述双激光束动态复合装置（6）用于输出射入工件（4）表面的可变间距的平行激光；一种所述激光束为长脉宽激光束，用于对大部分的表面待除物进行清洗；另一种所述激光束为短脉宽激光束，用于清除基体表面少量残余待除物且不损伤表面；

所述双激光束动态复合装置（6）包括棱柱反射镜（19）、外壳（21）、第一反射镜（24）、第二反射镜（18）和升降机构；所述外壳（21）内部设有升降机构，所述升降机构安装棱柱反射镜（19）；所述外壳（21）两内侧壁面分别设有第一反射镜（24）和第二反射镜（18）；两种激光束分别通过第一反射镜（24）和第二反射镜（18）射入棱柱反射镜（19），通过棱柱反射镜（19）平移输出可变间距的平行激光；

所述棱柱反射镜（19）的横截面为等腰三角形，所述棱柱反射镜（19）的两侧面为反射镜；所述棱柱反射镜（19）的等腰三角形底面与升降机构连接。

2.根据权利要求1所述的双激光清洗装置，其特征在于，所述棱柱反射镜（19）的等腰三角形顶角处设有黑色挡光板（23），用于防止损坏光学器件。

3.根据权利要求1所述的双激光清洗装置，其特征在于，还包括吹气集尘装置，所述吹气集尘装置用于收集工件（4）表面清洗过程中产生的碎屑。

4.根据权利要求1-3任一项所述的双激光清洗装置，其特征在于，还包括高性能CCD图像传感器和工控机（8），所述高性能CCD图像传感器用于实时拍摄被清洗工件（4）表面图像，所述工控机（8）分析判断所述图像，并控制双激光束动态复合装置（6）调整平行激光的间距。

5.一种根据权利要求4所述的双激光清洗装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

双激光清洗：两种激光束分别通过双激光束动态复合装置（6）平行射入工件（4）表面，通过工控机（8）控制双激光束动态复合装置（6）在工件（4）表面平移，一种所述长脉宽激光束用于对大部分的表面待除物进行清洗；另一种所述短脉宽激光束用于清除基体表面少量残余待除物且不损伤表面；

双激光束间距调整：所述高性能CCD图像传感器实时拍摄被清洗工件（4）表面处理的图像，所述工控机（8）分析判断所述图像，并控制双激光束动态复合装置（6）调整平行激光的间距。

6.根据权利要求5所述的双激光清洗装置的方法，其特征在于，所述双激光束间距调整具体为：当所述工控机（8）分析所述图像得出被清洗工件（4）表面杂质面积超过1%，控制所述双激光束动态复合装置（6）将两平行激光的间距调小；当所述工控机（8）分析所述图像得出被清洗工件（4）蒙皮表面烧蚀面积超过1%，控制所述双激光束动态复合装置（6）将两平行激光的间距调大。

7.根据权利要求5所述的双激光清洗装置的方法，其特征在于，所述双激光束动态复合装置（6）控制两平行激光的间距范围2cm~10cm。

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