CN110653223B - 一种激光清洗监测装置及其监测方法和激光清洗机 - Google Patents

一种激光清洗监测装置及其监测方法和激光清洗机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种激光清洗监测装置及其监测方法和激光清洗机，涉及激光清洗技术领域。其中，这种激光清洗监测装置，包含用以采集声波的时域信号的声波采集机构，以及电连接于声波采集机构且用以将声波时域信号转换为声波频域信号的音频处理机构；音频处理机构包括显示组件；声波采集机构用以采集由激光清洗工件所产生的等离子冲击波所形成的声波；音频处理机构能够依据声波频域信号判断工件清洗程度，并能够在显示组件上显示出清洗程度和/或声波频域信号。通过控制机构将激光清洗监测装置与激光器连为一体组成新型的激光清洗机。其采用了间接分析等离子波的检测方法能够使用简单的设备准确高效的监测到清洗过程。

Description

一种激光清洗监测装置及其监测方法和激光清洗机
技术领域
本发明涉及激光清洗领域，具体而言，涉及一种激光清洗监测装置及其监测方法和配置有该激光清洗监测装置的激光清洗机。
背景技术
激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应和适用于各种材质的物体等清洗特点，被认为是最可靠、最有效的解决办法。同时，激光清洗可以解决采用传统清洗方式无法解决的问题。
目前，激光清洗过程的监测方法主要采用激光诱导击穿光谱(LIBS)、激光诱导荧光光谱(LIF)、表面成像(如CCD相机)、声发射技术和测量表面参数(如表面硬度、粗糙度、表面的电位)等方法实现，但是这些监测方法均需要采用较为复杂且昂贵的设备才能实施，并且这些设备操作麻烦。有鉴于此，发明人在研究了现有的技术后特提出本申请。
发明内容
本发明提供了一种激光清洗监测装置及其监测方法和配置有该激光清洗监测装置的激光清洗机，旨在改善现有技术中监测激光清洗过程的监测设备价格昂贵且操作麻烦的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光清洗监测装置，包含用以采集声波的时域信号的声波采集机构，以及电连接于所述声波采集机构且用以将声波时域信号转换为声波频域信号的音频处理机构；所述音频处理机构包括显示组件；
所述声波采集机构用以采集由激光清洗工件所产生的等离子冲击波所形成的声波；所述音频处理机构能够依据所述声波频域信号判断工件清洗程度，并能够在所述显示组件上显示出清洗程度和/或声波频域信号。
作为进一步优化，所述激光清洗监测装置还包含用以支撑所述声波采集机构的第一活动机构。
作为进一步优化，所述声波采集机构包括麦克风、连接于所述麦克风的音频放大器，以及连接于所述音频放大器的音频采集卡；所述音频处理机构为计算机或工控机。
本申请另提供一种激光清洗机，其包含上述的激光清洗监测装置、激光器，以及控制机构，所述音频处理机构和激光器均电连接于所述控制机构，所述控制机构能够接收来自所述音频处理机构的声波频域信号，并能够依据声波频域信号关停所述激光器。
作为进一步优化，所述激光清洗机还包含用以支撑工件且电连接于所述控制机构的第三活动机构，所述控制机构能够依据所述声波频域信号移动工件。
作为进一步优化，所述激光清洗机还包含用以支撑所述激光器且电连接于所述控制机构的第二活动机构，所述控制机构能够依据所述声波频域信号移动所述激光器。
本申请另提供一种激光清洗的监测方法，该方法针对上述激光清洗监测装置，所述监测方法如下：
调整所述声波采集机构和工件的距离，以使所述声波采集机构能够采集激光清洗工件所产生的声波的时域信号，并将采集到的声波时域信号传输给音频处理机构；
所述音频处理机构把声波时域信号转成声波频域信号，并依据声波频域信号的频率分布和振幅值判断工件是否清洁干净，并由显示组件显示出工件的清洁程度和/或声波频域信号。
作为进一步优化，所述控制机构依据声波频域信号的频率分布和振幅值，判断工件是否清洗干净的步骤如下：
若声波频域信号集中于2000～9000Hz，则激光作用于工件表面的待清洗层，工件未清洗好；
若声波频域信号集中于0～2000Hz，则激光作用于工件表面，工件已清洗好。
作为进一步优化，所述声波采集机构和工件的距离为3～12mm。
通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：本发明的激光清洗监测装置结构简单、造价便宜。其能够实施本发明提供的激光清洗的监测方法，通过监测激光清洗过程中产生的等离子冲击波衰退后形成的声波的时域信号，并对其进行频域分析，能够准确有效的分析出工件处于什么样的清洗程度。并且使用控制机构将激光清洗监测装置与激光器连接在一起，能够使激光器根据激光清洗监测装置的监测数据同步作出调整，使激光清洗的过程更加准确高效。并且激光监测装置的结构很简单，操作方便，价格便宜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明一实施例，激光清洗机的轴测图；
图2是本发明一实施例，激光除漆前后10ms的声波时域分布对比图；(左侧图为清洗过程前10ms，右侧图为清洗过程结束前10ms)
图3是本发明一实施例，激光除漆前后10ms的声波频域分布对比图；(左侧图为清洗过程前10ms，右侧图为清洗过程结束前10ms)
图中标记：1-声波采集机构；2-音频处理机构；3-显示组件；4-第一活动机构；5-第三活动机构；6-第二活动机构；7-激光器；8-数据采集卡；9-麦克风模块。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
激光清洗过程中会存在各种各样的信息，例如光、声发射信号、等离子体，发明人通过大量的实验发现，激光清洗过程产生的等离子体会形成等离子冲击波，该等离子冲击波经过传播会衰退成声波并能够被收集。
由图1所示，在本实施例中，一种激光清洗监测装置，包含用以采集声波的时域信号的声波采集机构1，以及电连接于声波采集机构1且用以将声波时域信号转换为声波频域信号的音频处理机构2；音频处理机构2包括显示组件3；
声波采集机构1用以采集由激光清洗工件所产生的等离子冲击波所形成的声波；音频处理机构2能够依据声波频域信号判断工件清洗程度，并能够在显示组件3上显示出清洗程度和/或声波频域信号。具体地，该声波采集机构1包含麦克风9、电连接于麦克风9的音频放大器，电连接于音频放大器的音频采集卡8。该音频处理机构2为电连接于音频采集卡8的计算机。通过将该检测机构放置于声波传递范围内，使麦克风9接收到等离子体声波，并经过音频放大器传输给音频采集卡8，最后传输给计算机，该计算机将收集到的声波时域信号转换成声波频域信号。
由图2可知这种声波的时域分布图，在工件清洗过程中声波波峰幅值会随工件变干净而减小，但由于噪声和周围物体反射影响，波形变化有起伏，时域分析不能明显区分基底是否清洗干净或被烧蚀。
由图3可知这种声波的频域分布图，激光清洗时和清洗干净并发生烧蚀现象时的频谱有明显不同。激光清洗时高频区域有许多谱峰，随着工件清洗干净甚至发生烧蚀到基底，高频率区域振幅大幅减少。
该激光清洗监测装置能够准确有效的监测激光清洗的过程，并将其实时显示于显示组件3上，且结构简单，不易损坏，成本便宜。
由图1所示，在本实施例中，激光清洗装置还包含用以支撑声波采集机构1的第一活动机构4。具体地，将麦克风9可拆卸的配置在方座支架、铁架台，或机械手上，能够更方便的调整麦克风9的位置，使声波的采集更为方便。
由图1所示，本申请另提供一种激光清洗机，其包含上述的激光清洗监测装置、激光器7，以及控制机构，音频处理机构2和激光器7均电连接于控制机构，控制机构能够接收来自音频处理机构2的声波频域信号，并能够依据声波频域信号关停激光器7。具体地，用控制机构将激光清洗监测装置与激光器7连接在一起，控制机构能够根据激光清洗监测装置的监测信号进行判断并且控制激光器7启停或者调整激光器7的参数，以使激光清洗的过程更为智能化。
由图1所示，在本实施例中，激光清洗机还包含用以支撑工件且电连接于控制机构的第三活动机构5，控制机构能够依据声波频域信号移动工件。激光清洗机还包含用以支撑激光器7且电连接于控制机构的第二活动机构6，控制机构能够依据声波频域信号移动激光器7。具体地，将第一活动机构4、第二活动机构6、第三活动机构5、激光清洗监测装置，以及激光器7电连接于控制机构，使控制机构能够根据激光清洗监测装置的监测结果做出反馈，以关停激光器7，或者将激光器7的焦点移动至工件的未清洗区域，以使激光清洗更为高效快捷。
本申请另提供一种激光清洗的监测方法，该方法针对上述激光清洗监测装置，监测方法如下：
调整声波采集机构1和工件的距离，以使声波采集机构1能够采集激光清洗工件所产生的声波的时域信号，并将采集到的声波时域信号传输给音频处理机构2；
音频处理机构2把声波时域信号转成声波频域信号，并依据声波频域信号的频率分布和振幅值判断工件是否清洁干净，并由显示组件3显示出工件的清洁程度和/或声波频域信号。
由图3所示在本实施例中，控制机构依据声波频域信号的频率分布和振幅值，判断工件是否清洗干净的步骤如下：
若声波频域信号集中于2000～9000Hz，则激光作用于工件表面的待清洗层，工件未清洗好；
若声波频域信号集中于0～2000Hz，则激光作用于工件表面，工件已清洗好。具体地，
上述声波采集机构1和工件的距离为3～12mm。具体地，这个距离可以根据激光等离子体能量、冲击波面距激光作用点的距离计算得出，最小距离要大于激光等离子体冲击波衰减成声波的临界距离。实验测量发现在距声源距离12cm内声波强度基本呈线性变化距离超过12cm后，声波强度快速减小。所以激光除漆声波监测的最佳距离为3～12cm。
本申请另提供一实施例：采用个激光脉冲连续作用于一点进行激光除漆，采集除漆产生的等离子体声波信号，分析声波信号特征与激光清洗质量之间的关系。
实验设备及参数：Nd：YAG脉冲光纤激光器7，波长1064nm，脉宽100ns，功率范围0-200w，频率范围2-50khz，光斑直径0.3mm。
选择的实验参数：平均功率80w，清洗频率2kHz，
可计算能量密度为56.6J/cm2。
实验样品是表面包覆漆层的Q235碳钢，尺寸为10mm*10mm*5mm。
图2所示为激光除漆前后10ms的声波时域分析对比波形图。在激光清洗漆层时，声波波峰幅值会随脉冲数增加而减小，但由于噪声和周围物体反射影响，波形变化有起伏，时域分析不能明显区分基底是否被烧蚀。
图3锁舌为激光除漆前后10ms的声波频域分析对比波形图，激光清洗和激光清洗干净后发生烧蚀的频谱有明显不同，频谱分析来监测基底是否被烧蚀有显著的效果。激光清洗漆层时，声波能量的频率分布范围较广，2000Hz以上有许多谱峰，声波频率主要集中在2000～9000hz；当烧蚀到基底时，声波频率向低频区域移动，高频率区域振幅大幅减少，2000hz以上频率振幅显著减小；随着烧蚀加剧，声波频率集中在0～1000hz，高频区域的峰值继续减小，最终趋于稳定。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光清洗监测装置，其特征在于，包含用以采集声波的时域信号的声波采集机构(1)，以及电连接于所述声波采集机构(1)且用以将声波时域信号转换为声波频域信号的音频处理机构(2)；所述音频处理机构(2)包括显示组件(3)；
所述声波采集机构(1)用以采集由激光清洗工件所产生的等离子冲击波所形成的声波；所述音频处理机构(2)能够依据所述声波频域信号判断工件清洗程度，并能够在所述显示组件(3)上显示出清洗程度，或者同时显示清洗程度和声波频域信号；其中，
若声波频域信号集中于2000～9000Hz，则判断激光作用于工件表面的待清洗层，工件未清洗好；
若声波频域信号集中于0～2000Hz，则判断激光作用于工件表面，工件已清洗好。
2.根据权利要求1所述的激光清洗监测装置，其特征在于，所述激光清洗装置还包含用以支撑所述声波采集机构(1)的第一活动机构(4)。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光清洗监测装置,其特征在于,所述声波采集机构(1)包括麦克风(9)、连接于所述麦克风(9)的音频放大器，以及连接于所述音频放大器的音频采集卡(8)；所述音频处理机构(2)为计算机或工控机。
4.一种激光清洗机，其特征在于，包含权利 要求1至3任一项所述的激光清洗监测装置、激光器(7)，以及控制机构，所述音频处理机构(2)和激光器(7)均电连接于所述控制机构，所述控制机构能够接收来自所述音频处理机构(2)的声波频域信号，并能够依据声波频域信号关停所述激光器(7)。
5.根据权利要求4所述的一种激光清洗机，其特征在于，所述激光清洗机还包含用以支撑工件且电连接于所述控制机构的第三活动机构(5)，所述控制机构能够依据所述声波频域信号移动工件。
6.根据权利要求4所述的一种激光清洗机，其特征在于，所述激光清洗机还包含用以支撑所述激光器(7)且电连接于所述控制机构的第二活动机构(6)，所述控制机构能够依据所述声波频域信号移动所述激光器(7)。
7.一种激光清洗的监测方法，该方法针对权利要求1至3任一项所述的激光清洗监测装置，其特征在于，所述监测方法如下：
调整所述声波采集机构(1)和工件的距离，以使所述声波采集机构(1)能够采集激光清洗工件所产生的声波的时域信号，并将采集到的声波时域信号传输给音频处理机构(2)；其中，所述声波采集机构(1)位于所述工件上方3～12mm处；
所述音频处理机构(2)把声波时域信号转成声波频域信号，并依据声波频域信号的频率分布和振幅值判断工件是否清洁干净，并由显示组件(3)显示出工件的清洁程度和/或声波频域信号；其中，
若声波频域信号集中于2000～9000Hz，则激光作用于工件表面的待清洗层，工件未清洗好；
若声波频域信号集中于0～2000Hz，则激光作用于工件表面，工件已清洗好。
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