CN111408587A - 一种激光清洗装置及激光清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种激光清洗装置及激光清洗方法，该激光清洗装置包括：用于发射激光、对活塞头进行清洗的激光清洗器和吹气外罩，激光清洗器包括激光器、机械臂模组以及激光发射枪，激光发射枪搭载在机械臂模组上由机械臂模组对激光发射枪的位置进行调整，以便免除人工操作，实现自动化清洗；该保护气装置具有配装在激光发射枪上的吹气外罩，吹气外罩设置至少一组吹气块以及容使激光光束射入吹气外罩内的上开口和射出吹气外罩的下开口；本发明通过利用激光对活塞头表面的积碳油污进行高速扫描，使积碳油污加热气化、振动脱落，可实现激光完全无损清洗，同时，针对碳钢材质等易氧化变色的零件采用惰性气体保护，有效消除表面氧化条纹痕迹。
Description
技术领域
本申请涉及一种激光清洗技术，特别是利用激光对船舶、轨道交通、五金器件等领域进行清洗，具体是涉及一种激光清洗装置及激光清洗方法。
背景技术
积碳是指燃料与串入燃烧室的润滑油在不能完全燃烧时产生的胶质(主要成分是羟基酸、沥青质、加油质等)，胶质粘附在活塞顶部经过发动机反复高温的作用下，不断积累形成的硬质胶结碳。胶碳有吸纳燃油的特性，被吸收的燃油再被烧成胶碳形成更厚的积碳，更厚的积碳再吸收更多的燃油，如此恶性循环直到进气门因积碳过多，以致无法紧闭，使引擎无法运作为止。为避免船舶在航海时出现引擎无法工作的故障，船用活塞头需要定期拆卸进行检修，去除活塞头积累的积碳。
目前，活塞头积碳采用的清洗方法为化学清洗、超声波清洗与机械打磨。化学清洗法存在化学药剂难以储存、运输，容易对操作人员造成身体伤害，浸泡时间长，废液污染环境等问题；超声波清洗法清洗效率低、难以完全清洗干净；机械打磨法易对基材造成损伤，导致零件报废。为解决上述技术问题，亟需一种适用于活塞头积碳油污清洗的方法。
发明内容
本发明主要针对以上问题，本发明提出一种激光清洗装置及激光清洗方法，利用高功率激光器来清洗活塞头积碳油污，实现活塞头的高效无损清洗。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
根据一方面，本发明提供了一种激光清洗装置，包括：
激光清洗器，其用于发射激光，对工件进行清洗；以及
保护气装置，其具有配装在激光清洗器上的吹气外罩，所述吹气外罩设置至少一组吹气块以及容使激光光束射入吹气外罩内的上开口和射出吹气外罩的下开口。
作为本发明用于激光清洗装置的一种改进，所述的激光清洗器包括激光器、机械臂模组以及激光发射枪，所述激光发射枪搭载在机械臂模组上与激光器之间通过线束连接,对所述激光器发射的光束进行整合聚焦。
作为本发明用于激光清洗装置的一种改进，所述的激光发射枪包括外壳，所述外壳内配装有振镜组，在外壳前端开设光束射出的出射窗口，在外壳的侧端开设光束进入的入射窗口，所述的入射窗口安装准直镜组，所述的出射窗口安装场镜组。
作为本发明用于激光清洗装置的一种改进，所述的激光发射枪还包括CCD模组、测距仪以及吸尘器。
作为本发明用于激光清洗装置的一种改进，所述吹气外罩大致为上开口与下开口平行、其余各面均为四边形的多面体结构。
作为本发明用于激光清洗装置的一种改进，其上开口具有用于衔接所述场镜组的圆形罩体，下开口配装用于调节开口大小的挡光板。
作为本发明用于激光清洗装置的一种改进，所述吹气外罩与外壳之间通过调节块连接，在调节块上设置用于调节圆形罩体与场镜组之间距离的安装孔。
根据另一方面，本发明还提供了一种激光清洗方法，包括以下步骤：
将工件放置到旋转载具中，控制机械臂模组搭载的CCD模组对工件进行检测，得到工件待清洗区域位置；
根据CCD模组检测到的待清洗区域位置，控制机械臂模组对激光发射枪的位置进行调整；
控制测距仪检测工件待清洗区域与激光发射枪的距离，移动机械臂模组，使工件待清洗区域与激光发射枪的距离为激光清洗工作焦距；
控制放置工件的载具开始旋转，启动激光清洗器对工件进行清洗，测距仪实时检测工件待清洗区域与激光发射枪枪头的距离，并根据激光工作焦距调整枪头位置；
CCD模组实时监测工件待清洗区域的残留情况，待清除干净后，关闭激光，控制机械臂模组至下一检测区域，重复上述步骤，直至所有区域清洗干净。
作为本发明用于激光清洗方法的一种改进，还包括利用振镜组在激光清洗过程中控制激光光束来回扫描。
作为本发明用于激光清洗方法的一种改进，还包括利用吸尘器对激光清洗过程产生的粉尘进行收集、过滤。
作为本发明用于激光清洗方法的一种改进，还包括利用保护气装置在激光清洗过程中向所述工件施加保护气体。
依据上述技术方案，可以得知，本发明提出的激光清洗装置及激光清洗方法，相对于活塞头现有清洗技术，具有以下诸多技术和经济效益上的优势：
1、绿色环保：本发明使用的是高功率光纤脉冲激光器，光纤激光器的光束通过柔性光纤传输到光学系统，光束经过光学系统整合聚焦，照射活塞头表面的积碳油污，使积碳油污发生燃烧气化、振动脱落，整个清洗过程中，无需添加耗材，不会造成二次污染；
2、自动化操作：整个激光清洗活塞过程中，仅有上下活塞头需操作人员完成，其他操作可实现无人化、全自动作业，操作人员启动设备后，设备可自动完成清洗操作，节省人力；
3、清洗效果好：对于某些材质的活塞头，激光清洗后表面存在轻微发黄变色现象，可在激光清洗头安装保护气装置，清洗过程中通过增加惰性保护气，隔离空气中的氧气，保护活塞头在清洗过程不被氧化变色，解决激光清洗出现变色的问题；
4、易操作免维护：设备可一键启动，自动完成清洗操作，无消耗性物品，无需定期维护。
附图说明
图1为本申请激光清洗装置的结构示意图。
图2为保护气装置与激光发射枪的结构示意图。
图3为外壳的结构示意图。
图4为吹气块的剖面示图。
图5为激光清洗活塞头积碳的方法流程示意图。
图6为活塞头清洗前后效果图。
图7为活塞头吹气保护效果图。
图中所示的附图标记：
100、激光清洗装置；10、机械臂模组；20、激光发射枪；21、外壳；22、准直镜组；23、场镜组；24、CCD模组；25、测距仪；26、吸尘器；27、反光镜组；210、出射窗口；211、入射窗口；30、保护气装置；40、线束；31、吹气外罩；32、吹气块；33、圆形罩体；34、挡光板；35、调节块；310、下开口；340、调节孔；350、安装孔；3101、安装部；3102、螺纹孔；
200、旋转载具；
300、活塞头。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
请参考图1-图4，本实施例提供了一种激光清洗装置，该激光清洗装置100包括：用于发射激光、对活塞头300进行清洗的激光清洗器，所述的激光清洗器包括激光器(未图示)、机械臂模组10以及激光发射枪20，所述激光发射枪20搭载在机械臂模组10上由机械臂模组10对激光发射枪20的位置进行调整，以便免除人工操作，实现自动化清洗。
具体的是，该激光发射枪20包括外壳21，所述外壳21内部配装有振镜组(未图示)，在外壳21前端开设光束射出的出射窗口210，在外壳21的侧端开设光束进入的入射窗口211，然后于入射窗口211上依次配置反光镜组27和准直镜组22，使其通过柔性线束40与激光器连为一体；于出射窗口210配置场镜组23，显然，当激光器采用高功率光纤脉冲激光器并发射光束时，光束通过柔性线束40传输到准直镜组22，由准直镜组22对光束进行准直，然后再依次通过反光镜组27进入外壳21内，在振镜组和场镜组23的作用下进行光学系统整合聚焦，最后照射至活塞头300表面的积碳油污，使积碳油污发生燃烧气化、振动脱落。
在上述实施例中，针对碳钢材质等易氧化变色的零件，本申请在光束射出前配置保护气装置30，对不同材质的活塞头300分别采用有惰性气体保护与无惰性气体保护的清洗方式。
如图2所示，该保护气装置30具有配装在激光发射枪20上的吹气外罩31，该吹气外罩31的整体形状大致是：具有相互平行两端面、以及其余各面均为四边形的多面体结构，两端面分别开设上开口和下开口310；上开口具有用于衔接所述场镜组23的圆形罩体33，下开口310具有用于调节下开口310大小的挡光板34；在吹气外罩31的其余面上设置至少一组吹气块32，吹气块32结构可以参照图4所示，但并不限于此。
另外，该激光发射枪20还包括CCD模组24、测距仪25以及吸尘器26，所述CCD模组24用于在初始阶段时，检测活塞头300要清洗的区域；测距仪25用来检测激光发射枪20与活塞头300清洗区域的距离；吸尘器26用于对激光清洗过程产生的粉尘进行收集、过滤。吸尘器26包括吸尘罩、吸尘管及抽风机，吸尘罩位于下开口的310侧边，其末端与产品表面距离为10-30mm，吸尘管一端与吸尘罩连通，另一端与抽风机连通。
优选的，所述下开口310的两侧具有安装部3101，所述安装部3101开设有螺纹孔3102，挡光板34上设置有调节孔340，当两挡光板34通过螺栓固定在安装部3101上时，形成V型结构，可以达到调节下开口310大小的目的；此外吹气外罩31与外壳21之间通过调节块35连接，该调节块35上开设有可调节圆形罩体33与场镜组23之间距离的条形安装孔350。
本发明是利用高功率脉冲纳秒光纤激光器能量密度大、光束质量好、峰值功率高、脉宽与频率范围广的优势，采用振镜高速来回扫描的方式，控制激光脉冲能量照射积碳油污，使其快速气化、振动脱落，从而达到去除的目的。同时，针对碳钢等材质活塞头清洗采用惰性气体保护的方式进行清洗，有效消除活塞头表面氧化条纹。本发明使用的高功率1000W脉冲激光器最大出光频率可达50KHz，最大峰值功率1000kW，单脉冲能量最大达到100mJ，脉宽可调节范围25-100ns，多种波形可选。振镜扫描速度最大可达10000mm/s。
请参照图5，本发明实施还提供了一种激光清洗活塞头积碳的方法，整个清洗过程自动化操作，清洗精度高，大大提升效率，节约人力，包括以下步骤：
S1：将活塞头300放置到旋转载具200中，控制机械臂模组将机械臂上搭载的CCD模组移动至感应区域，CCD检测活塞需要清洗区域；
S2：根据CCD模组检测到的待清洗区域位置，控制机械臂模组对激光发射枪的位置进行调整；
S3：控制测距仪检测工件待清洗区域与激光发射枪的距离，移动机械臂模组，使工件待清洗区域与激光发射枪的距离为激光清洗工作焦距；
S4：控制放置工件的载具开始旋转，启动激光清洗器对工件进行清洗，测距仪实时检测工件待清洗区域与激光发射枪枪头的距离，并根据激光工作焦距调整枪头位置；
S5：CCD模组实时监测工件待清洗区域的残留情况，待清除干净后，关闭激光，控制机械臂模组至下一检测区域，重复上述步骤S2-S5，直至所有区域清洗干净。
优选的，还包括利用振镜组在激光清洗过程中控制激光光束来回扫描。
优选的，还包括利用吸尘器对激光清洗过程产生的粉尘进行收集、过滤。
对于某些材质的活塞头，激光清洗后表面存在轻微发黄变色现象，可在激光清洗过程中向所述活塞头施加保护气装置，清洗过程中通过增加惰性保护气，保护气体可选用纯度99.99％氩气或者99.99％氮气，用来隔离空气中的氧气，保护活塞头在清洗过程不被氧化变色，解决激光清洗出现变色的问题。
上述实施例，通过激光照射使积碳油污发生燃烧气化、振动脱落，可完全清除表面积碳油污，裸露金属基材，配备的高速扫描振镜，扫描速度可达到10000mm/s，极大提高清洗速度与清洗效果。
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例一：本实例针对直径为600mm，高度为300mm，材质为碳钢的船用主机活塞头，清洗过程中不需要采用惰性气体保护装置。将活塞头放置在旋转卡盘中心，设置激光参数，扫描宽度为20-120mm，扫描速度5000-10000mm/s，激光功率900W，频率20KHZ，脉宽100ns。按下启动清洗按钮，机械臂模组将CCD模组移动至感应区域，CCD模组检测活塞头需要清洗积碳的区域。将激光发射枪移动至CCD模组检测出来的待清洗区域，测距仪检测活塞头清洗区域与激光发射枪的距离，移动机械臂模组，使活塞头清洗区域与激光发射枪的距离为激光清洗工作焦距。控制放置活塞头的载具开始旋转，启动激光清洗装置对活塞头积碳进行清洗。测距仪实时检测活塞头清洗区域与激光发射枪枪头的距离，并根据激光工作焦距进行调整枪头位置。CCD模组实时监测活塞头积碳情况，积碳清除干净后，关闭激光，控制机械臂模组至下一检测区域并控制与枪头的距离，根据激光工作焦距进行调整枪头的位置。重复上述步骤，直至所有积碳清洗完成。清洗前后效果对比如图6所示。
实施例二：本实例针对直径为100mm，高度为150mm，材质为特种钢的船用小活塞头，清洗过程中采用惰性气体保护装置。分别在吹惰性气体保护情况下和不吹惰性气体保护情况下进行活塞头清洗，将活塞头放置在旋转卡盘中心，旋转卡盘设置相同的旋转速度和旋转角度。设置相同的激光参数，激光扫描宽度为20mm，扫描速度6000mm/s，激光功率800W，频率20KHz，脉宽100ns。然后，设置好预定清洗程序进行清洗，清洗结果如图7所示(左半区为吹气保护下的效果，右半区为未吹气保护下的效果)。吹气保护方式下活塞表面呈金属亮白色泽，表面为基材本身固有纹路。未吹气保护方式下活塞表面氧化出现发黄变色，表面呈现明显的横条纹，不同于基材本身固有的纹路。由此结果可知，采用吹气保护装置清洗易氧化活塞头能够有效改善清洗效果。
本技术发明不局限于上述实施方式，只要是说明书中提及的方案均落在本发明的保护范围之内。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种激光清洗装置，其特征在于，包括：
激光清洗器，其用于发射激光，对工件进行清洗；以及
保护气装置，其具有配装在激光清洗器上的吹气外罩，所述吹气外罩设置至少一组吹气块以及容使激光光束射入吹气外罩内的上开口和射出吹气外罩的下开口。
2.根据权利要求1所述的一种激光清洗装置，其特征在于，所述的激光清洗器包括激光器、机械臂模组以及激光发射枪，所述激光发射枪搭载在机械臂模组上与激光器之间通过线束连接,对所述激光器发射的光束进行整合聚焦。
3.根据权利要求2所述的一种激光清洗装置，其特征在于，所述的激光发射枪包括外壳，所述外壳内配装有振镜组，在外壳前端开设光束射出的出射窗口，在外壳的侧端开设光束进入的入射窗口，所述的入射窗口安装准直镜组，所述的出射窗口安装场镜组。
4.根据权利要求2或3所述的一种激光清洗装置，其特征在于，所述的激光发射枪还包括CCD模组、测距仪以及吸尘器。
5.根据权利要求3所述的一种激光清洗装置，其特征在于，所述吹气外罩大致为上开口与下开口平行、其余各面均为四边形的多面体结构；其上开口具有用于衔接所述场镜组的圆形罩体，下开口配装用于调节开口大小的挡光板。
6.根据权利要求5所述的一种激光清洗装置，其特征在于，所述吹气外罩与外壳之间通过调节块连接，在调节块上设置用于调节圆形罩体与场镜组之间距离的安装孔。
7.一种激光清洗方法，其特征在于，包括以下步骤：
将工件放置到旋转载具中，控制机械臂模组搭载的CCD模组对工件进行检测，得到工件待清洗区域位置；
根据CCD模组检测到的待清洗区域位置，控制机械臂模组对激光发射枪的位置进行调整；
控制测距仪检测工件待清洗区域与激光发射枪的距离，移动机械臂模组，使工件待清洗区域与激光发射枪的距离为激光清洗工作焦距；
控制放置工件的载具开始旋转，启动激光清洗器对工件进行清洗，测距仪实时检测工件待清洗区域与激光发射枪枪头的距离，并根据激光工作焦距调整枪头位置；
CCD模组实时监测工件待清洗区域的残留情况，待清除干净后，关闭激光，控制机械臂模组至下一检测区域，重复上述步骤，直至所有区域清洗干净。
8.根据权利要求7所述的一种激光清洗方法，其特征在于，还包括利用振镜组在激光清洗过程中控制激光光束来回扫描。
9.根据权利要求7所述的一种激光清洗方法，其特征在于，还包括利用吸尘器对激光清洗过程产生的粉尘进行收集、过滤。
10.根据权利要求7所述的一种激光清洗方法，其特征在于，还包括利用保护气装置在激光清洗过程中向所述工件施加保护气体。
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