CN110587148A - 用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备及方法。通过采用激光器、扫描系统、机械臂和车载平台作为载具移动到需要刻字的装备面前，通过小型手持控制器来遥控机械臂自动调整位置和姿态，并通过智能化控制在石油机械装备金属表面本体指定位置进行连续可控的深度雕刻加工，达到减少工人操作劳动强度和提高生产效率，实现装备的正规化和规范化管理的目的，解决了石油机械装备行业因为刻字深度不足或易腐蚀易磨损后字体模糊不清导致的失去追溯性问题。

Description

用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备及方法

技术领域

本发明涉及激光雕刻领域，特别是涉及一种用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备及方法。

背景技术

石油机械装备是石油行业各种机械部件及装备的统称，大致包括：防喷器系列，接头系列，油管系列，抽油机系列，过滤器系列，抽油泵系列等，石油机械装备的最大特点是：体积笨重，品种繁杂，外形各异，维修复杂，使用环境恶劣，重量从几百公斤到几十吨不等，搬运不易且极不方便。

目前，公知的API石油机械装备的打标方式绝大部分是采用老式的气动刻字机手持刻字的方式进行标记，传统老式气动刻字机的方式在装备的外金属表面用高压空气作为动力带动钢针打点标刻印记；气动刻字在石油机械金属表面深度只能达到0.2mm左右，因为深度太浅，导致耐磨性较差，在石油钻探现场等恶劣环境使用一段时间后可辨识度差，装备出现质量问题或管理维修，则无法追溯。

现有技术存在以下不足：

1)由于装备表面平整度弧度不同，导致刻出来的字体深浅不一，极不规范，并且深度有限大约0.2-0.3毫米，深度达不到现在行业标准和客户对1-2毫米的深度要求；

2)工人劳动强度较大，效率很低，需要工人长时间依靠人力手持刻字机头在刻字部位保持不动姿态，容易出现晃动导致字体模糊；

3)气动刻字机在装备金属表面刻字由于深度比较浅，在表面喷漆等工艺处理后深度不明显，不易辨识，耐久性不够；

4)产品在油田钻探等恶劣环境使用一段时间后，由于恶劣外部环境及各种石油腐蚀和机械摩擦等不确定因素，导致石油机械装备上刻字信息模糊或者丢失，进而导致产品失去追溯性。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备及方法，能够解决在石油机械装备行业金属本体表面进行快速高效灵活的深度雕刻技术难题，从根源上一次性解决产品终身的标识问题和可追溯性问题；减少石油装备机械金属深雕工作对人的依赖和工作量过大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备，包括：车载平台、机械臂、激光器、扫描系统和触屏工控一体机，所述机械臂、所述激光器、所述扫描系统和所述触屏工控一体机位于所述车载平台上，所述机械臂用于根据所述触屏工控一体机发出的信号进行移动，所述扫描系统位于所述机械臂的末端位置，所述扫描系统用于对所述被雕刻物体进行扫描，所述激光器安装在所述机械臂末端的光路基座上，所述激光器与所述扫描系统构成整个光路部分，所述激光器与所述触屏工控一体机连接，所述激光器用于根据所述触屏工控一体机内设置的雕刻参数对所述被雕刻物体进行雕刻。

可选的，所述触屏工控一体机包括触控一体机显示器、触摸屏工控主机和输入设备，所述触摸屏工控主机分别与所述触控一体机显示器和所述输入设备连接，所述触摸屏工控主机与所述激光器连接。

可选的，所述激光器采用超大功率脉冲激光器，所述激光器的功率为200W或500W或1000W。

可选的，还包括激光电源，所述激光电源与所述激光器连接。

可选的，还包括双温控水冷机，所述双温控水冷机分别与所述扫描系统和所述激光器连接，所述双温控水冷机用于为所述扫描系统和所述激光器保持恒温。

可选的，所述机械臂采用六轴机械臂，所述六轴机械臂臂展为1.5m，承载重量为20KG，所述六轴机械臂底部四周设置安全保护光栅。

可选的，所述扫描系统采用水冷高速扫描系统。

可选的，所述机械臂末端设置扫描系统专用转接板，所述转接板上设置扫描系统、0-90度红光辅助系统和0-180度可调式激光水平尺和激光光路。

一种用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻方法，包括：

将车载平台移动到被雕刻物体前方，控制机械臂调节扫描系统的位置，通过辅助定位装置到达预定被雕刻位置；

在触屏工控一体机上输入加工内容：字体型号、字体高度、字体长度，雕刻深度；

调整激光在石油机械装备被雕刻表面的焦距，开启激光器，开始打标雕刻；

打标结束后，激光器自动停止工作。

可选的，所述微调整激光在石油机械装备被雕刻表面的焦距，开启激光器，开始打标雕刻，包括：

调整激光焦距，当激光的焦距在160mm或254mm时开启激光器，进行1-2mm的400平方厘米深度打标，当激光的焦距在330mm或420mm时开启激光器，进行0.3-0.8mm深度、1225cm²面积打标。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明采用激光器、扫描系统、机械臂和车载平台作为载具移动到需要刻字的装备面前，通过小型手持控制器来遥控机械臂自动调整位置和姿态，并通过智能化控制在石油机械装备金属表面本体指定位置进行连续可控的深度雕刻加工，达到减少工人操作劳动强度和提高生产效率，实现装备的正规化和规范化管理的目的，尤其是解决了石油机械装备行业因为刻字深度不足易腐蚀易磨损后字体模糊不清失去追溯性问题。

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为本发明用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备结构图；

图2为本发明用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻方法流程图；

图3为在喷漆前深雕效果图；

图4为在喷漆后深雕效果图。

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。

本发明的目的是提供一种用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备及方法，能够解决在石油机械装备行业金属本体表面进行快速高效灵活的深度雕刻技术难题，从根源上一次性解决产品终身的标识问题和可追溯性问题；减少石油装备机械金属深雕工作对人的依赖和工作量过大的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备结构图。如图1所示，一种用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备包括：车载平台1、机械臂2、激光器3、扫描系统4和触屏工控一体机5，机械臂2、激光器3、扫描系统4和触屏工控一体机5位于车载平台1上，机械臂2用于根据触屏工控一体机5发出的信号进行移动，扫描系统4位于机械臂2的末端位置，扫描系统4用于对被雕刻物体进行扫描，激光器3安装在机械臂2末端的光路基座上，与扫描系统4构成整个光路部分，激光器3与触屏工控一体机5连接，激光器3用于根据触屏工控一体机5内设置的雕刻参数对被雕刻物体进行雕刻。

触屏工控一体机5包括触控一体机显示器、触摸屏工控主机和输入设备，触摸屏工控主机分别与触控一体机显示器和输入设备连接，触摸屏工控主机与激光器连接。打标内容在触屏工控一体机5上编辑好后直接打标，随时可以修改，在使用中不产生任何其他耗材费用。

激光器3采用超大功率脉冲激光器，激光器功率采用200W或500W或1000W三种型号。该用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备还包括激光电源，激光电源与激光器连接。该用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备还包括双温控水冷机，双温控水冷机通过水管分别与激光器和扫描系统连接，双温控水冷机主要作用是分别给激光器和扫描系统降温，保证运转过程中的恒温控制，该用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备还包括辅助定位装置，辅助定位装置与转接板连接，辅助定位装置用于将机械臂到达预定被雕刻位置。

机械臂2采用六轴机械臂，六轴机械臂臂展为1.5m，承载重量为20KG，六轴机械臂底部四周设置安全保护光栅。

扫描系统4采用水冷高速扫描系统。机械臂2末端设置扫描系统专用转接板，转接板上设置扫描系统、0-90度红光辅助系统和0-180度可调式激光水平尺和激光光路，以上各个部分均安装在转接板上，独立运作，没有直接连接关系，独立发挥相应功能；扫描系统和激光光路连接在一条中心线上形成激光扫描光路，红光辅助系统和激光水平尺主要作用是辅助激光定位，辅助保障激光扫描紫外的正确性。扫描系统设计有一个可调式激光红光指示器固定座，在扫描系统内设计有双红光激光焦距辅助装置，并在转接机构上设计有0-180度可调式激光水准仪，这些辅助装置保证了六轴机械臂在不同位置、不同空间、不同姿态均能够准确快速调整激光扫描系统和被雕刻物体的相对位置，使得大面积雕刻以及内容深度能够保持统一和一致性。

图2为本发明用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻方法流程图。如图2所示，一种用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻方法，包括：

步骤201：将车载平台移动到被雕刻物体前方，控制机械臂调节扫描系统的位置，通过辅助定位装置到达预定被雕刻位置，打标部位不能有水和油等污染物，避免影响刻字效果；

步骤202：在触屏工控一体机上输入加工内容：字体型号、字体高度、字体长度，雕刻深度；

步骤203：调整激光在石油机械装备被雕刻表面的焦距，开启激光器，开始打标雕刻；

步骤204：打标结束后，激光器自动停止工作。

调整激光在石油机械装备被雕刻表面的焦距，开启激光器，开始打标雕刻，包括：

调整激光焦距，当激光的焦距在160mm或254mm时开启激光器，进行1-2mm的400平方厘米深度打标，当激光的焦距在330mm或420mm时开启激光器，进行0.3-0.8mm深度、1225cm²面积打标。

雕刻幅面：20cm*20cm＝400平方厘米，雕刻深度：1-2毫米的快速深度雕刻的参数设置为：

焦距：160mm或254mm；脉冲宽度：200ns；脉冲频率：500KHz；激光功率：100％；激光频率：50-1000KHz；扫描速度：大于7000mm/s；雕刻次数：100次；是否填充：填充；填充角度：90°；填充线分布：平均分布；距四周各：0mm。

雕刻幅面：30cm*30cm＝1225平方厘米，雕刻深度：0.3-0.9毫米的快速大幅面深度雕刻的参数设置为：

焦距：330mm或420mm；脉冲宽度：200ns；脉冲频率：400KHz；激光功率：95％；激光频率：160-500KHz；移动速度：10000mm/s；是否填充：填充；填充角度：360°；填充线分布：平均分布；距四周各：0mm。

在石油机械装备金属本体表面深雕1-2毫米深度后，不管喷漆处理前后，字体依然规范，清晰可见，十分醒目，由于字体深度达到足够深，因此不管在各种恶劣环境和腐蚀环境下，产品信息也不容易被磨损腐蚀，有效地保护了产品的追溯性，由于石油机械装备是多年重复维护且重复使用的特种装备，本激光雕刻设备的激光深雕效果可以保障石油机械产品的多次维护表面处理，而不需要重复再次打标，经过多次除锈表面处理喷漆后依然深度清晰可见。

由于金属本体深雕深度很深，可以雕刻完毕后喷漆，避免了雕刻金属本体凹坑腐蚀介质的堆积造成的腐蚀凹坑。

利用本发明打标全过程实现了操作人员和机器的脱离，大大降低了工人的工作强度，同时成倍提高了工作效率，如表1所示。

表1 2种打标方式性能及效果比较

喷漆前深雕：在石油机械装备加工完成后，喷漆前进行，激光深雕1-2毫米加工后无毛刺，不需打磨处理，深雕完成后再喷漆，深度依然达到0.9-1.9毫米，图文字符等深度依然足够深并且效果清晰可见，图3为在喷漆前深雕效果图。

喷漆后激光深雕：在石油机械装备加工完成并且表面处理喷漆后进行，深雕后可对刻字部位单独喷漆处理，或不喷漆直接涂抹防锈油即可，此方法依然足以保证1-2毫米深度，效果清晰可见，图4为在喷漆后深雕效果图。

本发明的优点：

1)雕刻深度大并且可控，最大可达2毫米深度，远远超过现有所有打标雕刻方式的0.3毫米最大深度。

2)雕刻效率高，刻1mm深度内容，比现有技术效率提高3-5倍；

3)雕刻幅面大，单次工作幅面最大可达3500mm*3500mm；

4)设备移动方便，六轴机械臂可以无障碍方便任何角度和位置调整雕刻姿态，无需利用吊车搬运每个石油机械装备，提高生产效率，减少工作环节和劳动强度；

5)工人劳动强度极小，效率高，无需操作人员长时间依靠人力手持刻字机头在刻字部位保持长时间不动姿态；

6)本发明使用寿命长达10万小时以上，终身无耗材，免维护，无需高压气体，无需润滑油切削液，占地面积小，环保无污染。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备，其特征在于，包括：车载平台、机械臂、激光器、扫描系统和触屏工控一体机，所述机械臂、所述激光器、所述扫描系统和所述触屏工控一体机位于所述车载平台上，所述机械臂用于根据所述触屏工控一体机发出的信号进行移动，所述扫描系统位于所述机械臂的末端位置，所述扫描系统用于对所述被雕刻物体进行扫描，所述激光器安装在所述机械臂末端的光路基座上，所述激光器与所述扫描系统构成整个光路部分，所述激光器与所述触屏工控一体机连接，所述激光器用于根据所述触屏工控一体机内设置的雕刻参数对所述被雕刻物体进行雕刻。

2.根据权利要求1所述的用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备，其特征在于，所述触屏工控一体机包括触控一体机显示器、触摸屏工控主机和输入设备，所述触摸屏工控主机分别与所述触控一体机显示器和所述输入设备连接，所述触摸屏工控主机与所述激光器连接。

3.根据权利要求1所述的用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备，其特征在于，所述激光器采用超大功率脉冲激光器，所述激光器的功率为200W或500W或1000W。

4.根据权利要求1所述的用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备，其特征在于，还包括激光电源，所述激光电源与所述激光器连接。

5.根据权利要求1所述的用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备，其特征在于，还包括双温控水冷机，所述双温控水冷机分别与所述扫描系统和所述激光器连接，所述双温控水冷机用于为所述扫描系统和所述激光器保持恒温。

6.根据权利要求1所述的用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备，其特征在于，所述机械臂采用六轴机械臂，所述六轴机械臂臂展为1.5m，承载重量为20KG，所述六轴机械臂底部四周设置安全保护光栅。

7.根据权利要求1所述的用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备，其特征在于，所述扫描系统采用水冷高速扫描系统。

8.根据权利要求1所述的用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备，其特征在于，所述机械臂末端设置扫描系统专用转接板，所述转接板上设置扫描系统、0-90度红光辅助系统和0-180度可调式激光水平尺和激光光路。

9.一种用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻方法，所述方法应用于权利要求1-8任一项所述的用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻设备，其特征在于，包括：

将车载平台移动到被雕刻物体前方，控制机械臂调节扫描系统的位置，通过辅助定位装置到达预定被雕刻位置；

在触屏工控一体机上输入加工内容：字体型号、字体高度、字体长度，雕刻深度；

调整激光在石油机械装备被雕刻表面的焦距，开启激光器，开始打标雕刻；

打标结束后，激光器自动停止工作。

10.根据权利要求9所述的用于石油机械装备金属本体的激光深度雕刻方法，其特征在于，所述微调整激光在石油机械装备被雕刻表面的焦距，开启激光器，开始打标雕刻，包括：

调整激光焦距，当激光的焦距在160mm或254mm时开启激光器，进行1-2mm的400平方厘米深度打标，当激光的焦距在330mm或420mm时开启激光器，进行0.3-0.8mm深度、1225cm²面积打标。