CN111054702B - 一种用于环形构件表面处理的激光清洗设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于环形构件表面处理的激光清洗设备，该设备包括柔性装夹转盘、外侧清洗机械臂、内侧清洗机械臂、外表面激光清洗头、内表面激光清洗头。柔性装夹转盘可对不同直径环形构件进行柔性装夹，外侧清洗机械臂执行末端搭载外表面激光清洗头，内侧清洗机械臂执行末端搭载内表面激光清洗头。外侧清洗机械臂、内侧清洗机械臂、柔性装夹转盘三者联动，外表面激光清洗头和内表面激光清洗头开启激光，可实现环形构件内、外表面的自动清洗。本发明采用激光清洗的方式，可实现环形构件内、外表面的高效自动化处理，可避免手工操作，提升清洗效率、提高表面处理质量一致性，避免环境污染和人身健康伤害。

Description

一种用于环形构件表面处理的激光清洗设备

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种用于环形构件表面处理的激光清洗设备。

背景技术

环形构件广泛应用于航空、航天等领域，为保证工程安全性和可靠性。在使用前需要对环形构件表面的机加液、油污等杂质进行去除、清洗等表面处理。目前，环形构件表面处理均采用化学处理方法。即首先用有机溶剂、碱液分别进行清洗，然后采用酸蚀法对进行化学处理，最后用水清洗后进行烘干。清洗过程及酸膏配制、涂抹过程均为手工操作。过程质量控制困难，产品一致性难以保证，且人工操作强度较大生产效率较低。同时化学处理中采用的有机溶剂、酸膏等对环境污染较大，对操作人员也存在较大的职业健康风险。所以迫切需要一种高效且对环境无污染的连接裙表面处理方法。

目前环形构件表面处理处理主要采用酸洗、打磨等人工作业，存在效率低、一致性差、环境污染大等问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的上述不足，提供用于环形构件表面处理的激光清洗设备，利用该设备，将激光清洗技术应用到环形构件表面除污、除锈、毛化等工艺中，实现自动化激光清洗。

本发明的技术解决方案是：一种用于环形构件表面处理的激光清洗设备，该设备包括柔性装夹转盘、外侧清洗机械臂、内侧清洗机械臂、外表面激光清洗头、内表面激光清洗头；

所述柔性装夹转盘用于对不同直径环形构件进行柔性装夹，固定环形构件；

所述外侧清洗机械臂执行末端搭载外表面激光清洗头；

所述内侧清洗机械臂执行末端搭载内表面激光清洗头；

所述外侧清洗机械臂、内侧清洗机械臂、柔性装夹转盘三者联动，外表面激光清洗头和内表面激光清洗头开启激光，可实现环形构件内、外表面的自动化清洗。

所述柔性装夹转盘包括转盘基座、旋转运动伺服电机、回转减速机、托盘、N套夹持组件，N≥3；

转盘基座安装在地面上，旋转运动伺服电机驱动回转减速机带动托盘整周旋转，N套夹持组件位于托盘上，均布在环形构件周边，共同夹持环形构件。

所述夹持组件包括直线模组、卡爪、驱动电机、第一支撑台和第二支撑台；

第一支撑台与第二支撑台平行固定在托盘上，中间形成凹槽，直线模组位于凹槽内，卡爪下端中部固定安装在直线模组的动子上，伺服电机安装在个直线模组驱动末端，驱动卡爪动子进行直线运动。

所述环形构件安放在卡爪的上表面，所述卡爪的上表面设有一个凸台立面，与环形构件接触，用于抵住环形构件立面，卡爪两侧的下表面可在支撑台上表面滑动。

所述卡爪上表面、卡爪下表面、支撑台上表面、卡爪凸台均采用聚四氟乙烯材料制成，摩擦系数为0.02～0.04。

所述外侧清洗机械臂通过外侧清洗机械臂底座安装在地面上，外表面激光清洗头通过第一转接法兰安装在外侧清洗机械臂本体执行末端，实现6自由度的运动。

所述外表面激光清洗头包括第一振镜镜头、第一上位测距仪、第一下位测距仪、第一CCD相机；

第一上位测距仪、第一振镜镜头、第一下位测距仪沿竖直方向依次布置，第一上位测距仪与第一振镜镜头间距等于第一振镜镜头与第一下位测距仪间距；

第一CCD相机、第一振镜镜头水平直方向依次布置，用于实时监测外表面激光清洗头的工作状态。

内侧清洗机械臂通过内侧清洗机械臂底座安装在地面上，内表面激光清洗头通过第二转接法兰安装在内侧清洗机械臂本体执行末端，负责对环形构件内表面的激光清洗，可实现6自由度的运动。

所述内表面激光清洗头包括第二振镜镜头、第二上位测距仪、第二下位测距仪、第二CCD相机。

第二上位测距仪、第二振镜镜头、第二下位测距仪沿竖直方向依次布置，第二上位测距仪与第二振镜镜头间距等于第二振镜镜头与第二下位测距仪间距；

第二CCD相机、第二振镜镜头水平直方向依次布置，用于实时监测外表面激光清洗头的工作状态。

所述外表面激光清洗头振镜镜头、内表面激光清洗头振镜镜头发射的激光能够在±30°范围内进行摆动、可在环形构件表面形成长度40～100mm的竖直光斑作为加工激光，采用波长655～1064nm的光纤激光器作为激光光源。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明采用自动化操作模式，无需人工进行二次辅助加工，在工程应用中可以大幅提升环形构件内、外表面的效率，具有较强的实用性。

(2)、本发明利用双测距仪和机械臂实现清洗头的位姿反馈调整功能，保证清洗激光可适应不同的表面特征，确保清洗效果的一致性。

(3)、本发明操作过程不采用任何脱漆剂等化学试剂，避免了化学污染和化学损伤。

附图说明

图1为本发明一种用于环形构件表面处理的激光清洗设备外观图；

图2为本发明柔性装夹转盘侧视图；

图3为本发明柔性装夹转盘外观图；

图4为本发明卡爪外观图；

图5为本发明外表面激光清洗组件外观图；

图6为本发明外表面激光清洗头外观图；

图7为本发明内表面激光清洗组件外观图；

图8为本发明内表面激光清洗头外观图；

图9为本发明外表面激光清洗头振镜出光示意图；

图10为本发明内表面激光清洗头振镜出光示意图；

图11为本发明激光清洗头针对倒角面进行位姿调整示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

激光清洗是一种近几十年才新兴的清洗技术，它是指把高能量激光束聚焦到清洗工件的表面，通过材料吸收光能转化为热能，利用材料发生热膨胀产生的热应力克服污染物微粒与材料表面吸附力，从而达到清洗的目的。

本发明提供了一种用于环形构件表面处理的激光清洗设备。如图1所示，该激光清洗设备包括柔性装夹转盘1、外侧清洗机械臂2、内侧清洗机械臂3、外表面激光清洗头4、内表面激光清洗头5。

其中：

所述柔性装夹转盘1用于对不同直径环形构件6进行柔性装夹，固定环形构件6；

所述外侧清洗机械臂2执行末端搭载外表面激光清洗头4；

所述内侧清洗机械臂3执行末端搭载内表面激光清洗头5；

所述外侧清洗机械臂2、内侧清洗机械臂3、柔性装夹转盘1三者联动，外表面激光清洗头4和内表面激光清洗头5开启激光，可实现环形构件6内、外表面的自动化清洗。

如图2所示为本发明柔性装夹转盘侧视图，如图3所示为本发明柔性装夹转盘外观图。

所述柔性装夹转盘1包括转盘基座11、旋转运动伺服电机12、回转减速机13、托盘14、N套夹持组件，N≥3；

转盘基座11安装在地面上，旋转运动伺服电机12驱动回转减速机13带动托盘14整周旋转，N套夹持组件位于托盘14上，均布在环形构件周边，共同夹持环形构件。

所述夹持组件包括直线模组15、卡爪17、驱动电机16、第一支撑台18-1和第二支撑台18-2；

第一支撑台18-1与第二支撑台18-2平行固定在托盘4上，中间形成凹槽，直线模组15位于凹槽内，卡爪17下端中部固定安装在直线模组15的动子上，伺服电机16安装在4个直线模组15驱动末端，驱动卡爪动子17进行直线运动。

在本发明的某一具体实施例中，包括4套夹持组件，4套夹持组件呈90°分布，4个卡爪17安装在直线模组15的动子上、4个伺服电机16安装在4个直线模组15驱动末端，驱动4个卡爪17进行直线运动。

柔性装夹转盘1可实现直径Ф500mm～Ф2500mm范围内的环形构件6的装夹。

如图4所示为本发明卡爪外观图。所述环形构件6安放在卡爪的上表面171，所述卡爪的上表面171设有一个凸台立面173，与环形构件6接触，用于抵住环形构件6立面，卡爪两侧的下表面172可在支撑台18上表面滑动。卡爪上表面171、卡爪下表面172、支撑台18上表面、卡爪凸台173均为聚四氟乙烯材料，摩擦系0.02～0.04。

如图5所示为本发明外表面激光清洗组件外观图，如图6所示为本发明外表面激光清洗头外观图。外侧清洗机械臂2通过外侧清洗机械臂底座21安装在地面上，外表面激光清洗头4通过转接法兰41安装在外侧清洗机械臂本体22执行末端，负责对环形构件6外表面的激光清洗，可实现6自由度的运动。

所述外表面激光清洗头4包括第一振镜镜头42、第一上位测距仪43、第一下位测距仪44、第一CCD相机45；

第一上位测距仪43、第一振镜镜头42、第一下位测距仪44沿竖直方向依次布置，第一上位测距仪43与第一振镜镜头42间距等于第一振镜镜头42与第一下位测距仪44间距；

第一CCD相机45、第一振镜镜头42水平直方向依次布置，用于实时监测外表面激光清洗头4的工作状态。

如图7所示为本发明内表面激光清洗组件外观图，如图8所示为本发明内表面激光清洗头外观图。内侧清洗机械臂3通过内侧清洗机械臂底座31安装在地面上，内表面激光清洗头5通过转接法兰51安装在内侧清洗机械臂本体32执行末端，负责对环形构件6内表面的激光清洗，可实现6自由度的运动。

所述内表面激光清洗头5包括第二振镜镜头52、第二上位测距仪53、第二下位测距仪54、第二CCD相机55。

第二上位测距仪53、第二振镜镜头52、第二下位测距仪54沿竖直方向依次布置，第二上位测距仪53与第二振镜镜头52间距等于第二振镜镜头52与第二下位测距仪54间距；

第二CCD相机55、第二振镜镜头52水平直方向依次布置，用于实时监测内表面激光清洗头5的工作状态。

如图9所示，为本发明外表面激光清洗头振镜出光示意图。外表面激光清洗头第一振镜镜头42发射的激光能够在±30°范围内进行摆动、可在环形构件6表面形成长度40～100mm的竖直光斑作为加工激光，采用波长655～1064nm的光纤激光器作为激光光源。

如图10所示，为本发明内表面激光清洗头振镜出光示意图。内表面激光清洗头的第二振镜镜头52发射的激光能够在±30°范围内进行高频摆动、可在环形构件6表面形成长度40～100mm的竖直光斑作为加工激光，采用波长655～1064nm的光纤激光器作为激光光源。

如图11为本发明激光清洗头针对倒角面进行位姿调整示意图。以外表面清洗为例，环形构件6表面上存在倒角面61等非竖直面，第一上位测距仪43测距数值d1和第一下位测距仪44测距数值d2反馈给外侧清洗机械臂本体22，外侧清洗机械臂本体22驱动执行末端调整姿态进行补偿，使得d1＝d2，确保加工激光完全作用于倒角面61上。

采用上述设备对环形构件表面处理的激光清洗方法，具体操作为：

柔性装夹转盘1对直径Ф500mm～Ф2500mm范围内的环形构件6的进行装夹后，外侧清洗机械臂2执行末端搭载外表面激光清洗头4到达外侧清洗位置，内侧清洗机械臂3执行末端搭载内表面激光清洗头5到达内侧清洗位置，旋转运动伺服电机12带动托盘14上环形构件6进行整周旋转。外表面激光清洗头4、内表面激光清洗头5同时开启长度80mm的激光进行自动清洗。

若环形构件6高度大于80mm，在托盘14旋转360°后，外表面激光清洗头4、内表面激光清洗头5同时沿竖直方向下移，对下一层进行整周清洗。以此类推，直至完成环形构件6内、外表面所有位置的激光清洗。

本发明利用激光对环形构件内外表面的油污、机加液、氧化层等进行清洗操作，创新性地实现对环形构件的表面处理操作，拓展了激光加工的应用领域。同时，通过结构的巧妙设计和反馈控制算法实现对环形构件内外表面的全范围清洗。本发明一种用于环形构件表面处理的激光清洗设备与现有技术相比，采用自动化操作模式，无需人工进行二次辅助加工，在工程应用中可以大幅提升环形构件内、外表面的效率，具有较强的实用性；利用双测距仪和机械臂实现清洗头的位姿反馈调整功能，保证清洗激光可适应不同的表面特征，确保清洗效果的一致性；操作过程不采用任何脱漆剂等化学试剂，避免了化学污染和化学损伤。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种用于环形构件表面处理的激光清洗设备，其特征在于包括柔性装夹转盘(1)、外侧清洗机械臂(2)、内侧清洗机械臂(3)、外表面激光清洗头(4)、内表面激光清洗头(5)；

所述柔性装夹转盘(1)用于对不同直径环形构件(6)进行柔性装夹，固定环形构件(6)；

所述外侧清洗机械臂(2)执行末端搭载外表面激光清洗头(4)；

所述内侧清洗机械臂(3)执行末端搭载内表面激光清洗头(5)；

所述外侧清洗机械臂(2)、内侧清洗机械臂(3)、柔性装夹转盘(1)三者联动，外表面激光清洗头(4)和内表面激光清洗头(5)开启激光，可实现环形构件(6)内、外表面的自动化清洗；

所述外表面激光清洗头(4)包括第一振镜镜头(42)、第一上位测距仪(43)、第一下位测距仪(44)、第一CCD相机(45)；

第一上位测距仪(43)、第一振镜镜头(42)、第一下位测距仪(44)沿竖直方向依次布置，第一上位测距仪(43)与第一振镜镜头(42)间距等于第一振镜镜头(42)与第一下位测距仪(44)间距；

第一CCD相机(45)、第一振镜镜头(42)水平直方向依次布置，用于实时监测外表面激光清洗头(4)的工作状态；

环形构件(6)表面上存在倒角面(61)非竖直面，第一上位测距仪(43)测距数值d1和第一下位测距仪(44)测距数值d2反馈给外侧清洗机械臂本体，外侧清洗机械臂本体驱动执行末端调整姿态进行补偿，使得d1＝d2，确保加工激光完全作用于倒角面(61)上。

2.根据权利要求1所述的用于环形构件表面处理的激光清洗设备，其特征在于所述柔性装夹转盘(1)包括转盘基座(11)、旋转运动伺服电机(12)、回转减速机(13)、托盘(14)、N套夹持组件，N≥3；

转盘基座(11)安装在地面上，旋转运动伺服电机(12)驱动回转减速机(13)带动托盘(14)整周旋转，N套夹持组件位于托盘(14)上，均布在环形构件周边，共同夹持环形构件。

3.根据权利要求2所述的用于环形构件表面处理的激光清洗设备，其特征在于所述夹持组件包括直线模组(15)、卡爪(17)、驱动电机(16)、支撑台(18)；支撑台(18)包括第一支撑台(18-1)和第二支撑台(18-2)；

第一支撑台(18-1)与第二支撑台(18-2)平行固定在托盘(14)上，中间形成凹槽，直线模组(15)位于凹槽内，卡爪(17)下端中部固定安装在直线模组(15)的动子上，驱动电机(16)安装在4个直线模组(15)驱动末端，驱动卡爪(17)进行直线运动。

4.根据权利要求3所述的用于环形构件表面处理的激光清洗设备，其特征在于：所述环形构件(6)安放在卡爪的上表面(171)，所述卡爪的上表面(171)设有一个凸台(173)，与环形构件(6)接触，用于抵住环形构件(6)立面，卡爪两侧的下表面(172)可在支撑台(18)上表面滑动。

5.根据权利要求3所述的用于环形构件表面处理的激光清洗设备，其特征在于卡爪的上表面(171)、卡爪的下表面(172)、支撑台(18)的上表面、卡爪的凸台(173)均采用聚四氟乙烯材料制成，摩擦系数为0.02～0.04。

6.根据权利要求1所述的用于环形构件表面处理的激光清洗设备，其特征在于外侧清洗机械臂(2)通过外侧清洗机械臂底座(21)安装在地面上，外表面激光清洗头(4)通过第一转接法兰(41)安装在外侧清洗机械臂本体(22)执行末端，实现6自由度的运动。

7.根据权利要求1所述的用于环形构件表面处理的激光清洗设备，其特征在于：内侧清洗机械臂(3)通过内侧清洗机械臂底座(31)安装在地面上，内表面激光清洗头(5)通过第二转接法兰(51)安装在内侧清洗机械臂本体(32)执行末端，负责对环形构件(6)内表面的激光清洗，可实现6自由度的运动。

8.根据权利要求1所述的用于环形构件表面处理的激光清洗设备，其特征在于：

所述内表面激光清洗头(5)包括第二振镜镜头(52)、第二上位测距仪(53)、第二下位测距仪(54)、第二CCD相机(55)；

第二上位测距仪(53)、第二振镜镜头(52)、第二下位测距仪(54)沿竖直方向依次布置，第二上位测距仪(53)与第二振镜镜头(52)间距等于第二振镜镜头(52)与第二下位测距仪(54)间距；

第二CCD相机(55)、第二振镜镜头(52)水平直方向依次布置，用于实时监测内表面激光清洗头(5)的工作状态。

9.根据权利要求8所述的用于环形构件表面处理的激光清洗设备，其特征在于：外表面激光清洗头的第一振镜镜头(42)、内表面激光清洗头的第二振镜镜头(52)发射的激光能够在±30°范围内进行摆动、可在环形构件(6)表面形成长度40～100mm的竖直光斑作为加工激光，采用波长655～1064nm的光纤激光器作为激光光源。

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