CN111420938A - 一种多激光头智能化激光清洗方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多激光头智能化激光清洗方法，步骤包括：S1：获取待清洗工件的三维形状并确定待清洗区域；S2：根据待清洗工件的三维形状及待清洗区域确定各个激光头的运动轨迹及扫描方式；S3：选择各个激光头的工艺参数，各个激光头沿运动轨迹运动并发出激光清洗工件表面；S4：实时采集清洗后工件表面的图像，利用图像处理算法对工件表面清洗情况进行检测，如果不满足预设要求，则返回步骤S3，直至检测结果满足预设要求。本发明能实现多个激光头之间相互配合清洗工件表面污物，特别适用于大幅面和形状结构复杂的清洗表面，具有清洗效率高和清洗质量好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光清洗技术领域，尤其涉及一种多激光头智能化激光清洗方法及装置。
背景技术
激光清洗是最近二十年发展起来的一项新型绿色清洗技术，该技术以高频脉冲激光作用在待清洗工件的表面，使污物以气化、燃烧、剥离等方式脱离工件表面，最终达到清洗的目的。在激光清洗过程中，无化学污染、无噪声污染、无空气污染，属于一种典型的绿色制造技术。激光清洗设备采用高频脉冲光纤激光器作为光源，因此设备免维护、无耗材，从产品的全寿命周期来讲，经济效益高，该技术已在工业除锈、除漆和除油污等方面得到了应用。
目前，激光清洗装置主要采用单激光头，通过光学系统将激光束聚焦到待清洗工件的表面，然后通过激光头的移动，达到清洗工件表面的目的。然而，由于单激光头的功率与单激光头扫描速度的限制，单激光头的清洗效率会出现瓶颈。比如：1000W的脉冲激光器清洗厚度为160微米的油漆时，清洗效率仅约为1.5～2.0 m2/h。因此，在针对大幅面或形状复杂的清洗面进行清洗时，单激光头清洗的效率偏低、清洗质量较差，无法达到工业级生产应用的水平。除此之外，单激光头在清洗厚度大于0.2mm的较厚锈层，难以一次性去除，需要激光反复、多次扫描清洗面才能完全清洗干净，清洗效率大大降低。
目前，使用多激光头是提升激光清洗效率的重要方法，如专利“一种大幅面激光清洗装置（申请号：201811655475.9）”提出一种四激光头清洗装置，提升了激光清洗效率，但缺乏智能管理各个激光头，难以最大程度发挥多个激光头的作用。因此，如何合理利用多激光头进行高效清洗，实现智能划分清洗区域、智能分配多激光头运动轨迹及扫描方式、无损化清洗、保障清洗质量，是当前亟待解决的难题。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种多激光头智能化激光清洗方法及装置，多个激光头之间可相互配合清洗工件表面的污物，特别适用于大幅面和形状结构复杂的工件表面，能有效提升激光清洗效率和清洗质量。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种多激光头智能化激光清洗方法，步骤包括：
S1：获取待清洗工件的三维形状并确定待清洗区域；
S2：根据待清洗工件的三维形状及待清洗区域确定各个激光头的运动轨迹及扫描方式；
S3：选择各个激光头的工艺参数，各个激光头沿运动轨迹运动并发出激光清洗工件表面；
S4：实时采集清洗后工件表面的图像，利用图像处理算法对工件表面清洗情况进行检测，如果不满足预设要求，则返回步骤S3，直至检测结果满足预设要求。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S1的具体步骤为：激光清洗前，通过三维扫描机构对待清洗工件的表面进行扫描，获取待清洗工件的三维形状及待清洗区域。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2的具体步骤为：主控计算机1接收三维扫描机构5反馈的待清洗工件的三维形状及待清洗区域信息，确定各个激光头运动轨迹、扫描方式及清洗过程中的偏转角度。
作为本发明的进一步改进：所述各个激光头的扫描方式为协同扫描清洗。
作为本发明的进一步改进：所述多个激光头的光束汇聚成线形、三角形、“8”字形、矩形中的任意一种或多种。
作为本发明的进一步改进：所述各个激光头的扫描方式为独立扫描清洗。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S4的具体步骤为：
S41：通过图像监测机构实时采集清洗后工件表面的颜色、形状以及残留污物区域的大小与位置，利用图像处理算法进行分析，判断工件表面是否有烧损，如有，调整激光器2的工艺参数，降低激光头的功率并加快运动速度；
S42：判断工件表面是否清洗干净，如否，调整激光器2的工艺参数，调高激光头的功率并减缓运动速度，直至检测结果满足预设要求。
本发明还提供了一种多激光头智能化激光清洗装置，技术方案为：
包括主控计算机以及与其连接的多个激光头、激光器、光学系统、图像监测机构、三维扫描机构、转移机构；所述每个激光头分别与单独的激光器、光学系统和转移机构相连；所述图像监测机构和三维扫描机构设置在任意一个激光头上，所述光学系统用于传输激光并在转移机构带动下使激光光斑移动；所述图像监测机构用于采集工件表面的图像信息并发送至主控计算机；所述三维扫描机构在转移机构的带动下扫描待清洗工件的三维形状及待清洗区域信息并发送至主控计算机，所述主控计算机用于计算清洗区域的位置信息并触发激光器使激光头发射激光至待清洗工件表面，并控制转移机构带动激光头沿设定的运动轨迹移动。
作为本发明的进一步改进：还包括陀螺仪，所述陀螺仪设置在所述激光头上，所述陀螺仪与主控计算机连接，用于记录并反馈激光头的偏转角度信息至主控计算机。
作为本发明的进一步改进：所述激光头的数量为2～10个。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明多激光头智能化激光清洗方法，通过先确认待清洗工件的三维形状及所需的待清洗区域，采用多个激光头同时清洗工件表面，自动规划各个激光头的运动路径及扫描方式，使得每条激光束均能辐照整个清洗区域，实现了清洗区域任意位置上污物的同时清洗，可一次清除工件表面的污物，简化了清洗流程，极大地提高了清洗效率和清洗质量。
2、本发明多激光头智能化激光清洗方法，通过实时检测待清洗工件表面的清洗质量，实时反馈、自动调整清洗参数实现循环清洗直至达到预设要求，确保对工件表面无损伤，同时能节约清洗时间，提升清洗效率。
3、本发明多激光头智能化激光清洗装置，设置有多个激光头，且每个激光头独立配套有激光器、光学系统和转移机构，且在任意一个激光头上还设有图像监测机构和三维扫描机构，在转移机构的带动下多个激光头能在工件表面上方进行移动并利用三维扫描机构对工件形状及待清洗区域进行扫描，通过主控计算机接收扫描信息并进行数据处理，自动规划多个激光头的运动路径及扫描方式，并利用图像监测机构对工件表面清洗情况进行实时监测并反馈信息至主控计算机，主控计算机根据监测结果适时调整激光器的工艺参数，调整激光头的功率及运动速度，实现循环清洗直至达到预设要求。
附图说明
图1为本发明多激光头智能化激光清洗方法实现的流程示意图。
图2为本发明的多激光头智能化激光清洗方法装置的结构示意图。
图3为本发明的多个激光头形成矩形光斑的示意图。
图4为本发明的多个激光头形成“8字形”光斑的示意图。
图5为本发明的多个激光头独立清洗的示意图。
图6为本发明的多个激光头形成另一种矩形光斑的示意图。
图例说明：
1、主控计算机；2、激光器；3、光学系统；4、图像监测机构；5、三维扫描机构；6、转移机构；7、陀螺仪。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种多激光头智能化激光清洗方法，步骤包括：
S1：获取待清洗工件的三维形状并确定待清洗区域；
S2：根据待清洗工件的三维形状及待清洗区域确定各个激光头的运动轨迹及扫描方式；
S3：选择各个激光头的工艺参数，各个激光头沿运动轨迹运动并发出激光清洗工件表面；
S4：实时采集清洗后工件表面的图像，利用图像处理算法对工件表面清洗情况进行检测，如果不满足预设要求，则返回步骤S3，直至检测结果满足预设要求。
本发明多激光头智能化激光清洗方法，通过先确认待清洗工件的三维形状及待清洗区域，采用多个激光头同时清洗待清洗工件表面，自动规划各个激光头的运动路径及扫描方式，使得每条激光束均能辐照整个清洗区域，实现了清洗区域任意位置上的污物的多激光头同时清洗，可一次清除工件表面的污物，简化了清洗流程，极大地提高了清洗效率和清洗质量；通过实时检测待清洗工件表面的清洗质量，实时反馈、自动调整激光器2的工艺参数实现循环清洗直至达到预设要求，确保对工件表面无损伤，同时能节约清洗时间，提升清洗效率。
本实施例中，步骤S1的具体步骤为：激光清洗前，通过三维扫描机构5对待清洗工件的表面进行扫描，获取待清洗工件的三维形状及待清洗区域。通过在清洗前利用三维扫描机构5对待清洗工件的表面进行扫描，能获知待清洗工件的三维形状及待清洗区域，特别适用于形状结构复杂的工件表面的清洗，清洗区域不受限，清洗效率高，清洗质量好。
本实施例中，步骤S2的具体步骤为：主控计算机1接收三维扫描机构5反馈的待清洗工件的三维形状及待清洗区域，确定各个激光头的运动轨迹、扫描方式及清洗过程中的偏转角度。进一步的，在优先实施例中，多个激光头的扫描方式可分为两种，一种为多激光头协同扫描清洗，即多激光束斑点汇聚成线形、三角形、“8”字形、矩形或其他任意形状，并且光斑点阵朝某一方向移动进行清洗，主要应用于大幅面激光清洗；另一种为各个激光头独立扫描清洗，即每个激光头负责一片区域，主要应用于复杂形状面激光清洗。
由于本发明采用了多个激光头同时作业，能满足不同形状的工件表面的清洗需求，且多个激光头的扫描方式可根据实际需求进行调整，可选择协同清洗或单独清洗等不同的方式，扫描方式的多样性使得适用范围更广，相比单个激光头其清洗效率更高，可清洗的工件种类更多。
本实施例中，步骤S4的具体步骤为：
S41：通过图像监测机构4实时采集清洗后工件表面的颜色、形状以及残留污物区域的大小与位置，利用图像处理算法进行分析，判断工件表面是否有烧损，如有，调整激光器2的工艺参数，降低激光头的功率并加快运动速度；
S42：判断工件表面是否清洗干净，如否，调整激光器2的工艺参数，调高激光头的功率并减缓运动速度，直至检测结果满足预设要求。
通过图像监测机构4能实时检测待清洗工件表面的清洗质量，并实时反馈、自动调整激光器2的工艺参数实现循环清洗直至达到预设要求，同时还能对工件表面是否有烧损进行检测并自动调整激光器2的工艺参数，确保对工件表面无损伤，同时能节约清洗时间，提升清洗效率。
如图2所示，本发明还提供了一种多激光头智能化激光清洗装置，包括主控计算机1以及与其连接的多个激光头、激光器2、光学系统3、图像监测机构4、三维扫描机构5、转移机构6；每个激光头分别与单独的激光器2、光学系统3和转移机构6相连；图像监测机构4和三维扫描机构5设置在任意一个激光头上，光学系统3用于传输激光并在转移机构6带动下使激光光斑移动；图像监测机构4用于采集工件表面的图像信息并发送至主控计算机1；三维扫描机构5在转移机构6的带动下扫描待清洗工件的三维形状及待清洗区域信息并发送至主控计算机1，主控计算机1用于计算清洗区域的位置信息并触发激光器2使激光头发射激光至待清洗工件表面，并控制转移机构6带动激光头沿设定的运动轨迹移动。
本发明多激光头智能化激光清洗方法装置，设置有多个激光头，且每个激光头独立配套有激光器2、光学系统3和转移机构6，且在任意一个激光头上还设有图像监测机构4和三维扫描机构5，在转移机构6的带动下多个激光头能在工件表面上方进行移动并利用三维扫描机构5对工件形状及待清洗区域进行扫描，通过主控计算机1接收扫描信息并进行数据处理，自动规划多个激光头的运动路径及扫描方法，并利用图像监测机构4对工件表面清洗情况进行实时监测并反馈信息至主控计算机1，主控计算机1根据监测结果适时调整激光器2的清洗参数，调整激光头的功率及运动速度，实现循环清洗直至达到预设要求。
本实施例中，激光头的数量为2个以上，优选为2～10个，具体数量可依据清洗区域面积及待清洗工件的形状进行选择。
本实施例中，转移机构6采用机械臂结构，在其他实施例中，转移机构6可以为龙门式结构等其他类似机构。
本实施例中，还包括陀螺仪7，陀螺仪7设置在激光头上，陀螺仪7与主控计算机1连接，用于记录并反馈激光头的偏转角度。通过设置陀螺仪7可实时反馈激光头的角度，记录激光头的偏转角度并反馈至主控计算机1，主控计算机1调整激光头的偏转角度确保激光头与清洗面始终相垂直，通过激光垂直照射在清洗面上，能保持激光高效率清洗。
本发明还提供了多激光头智能化激光清洗方法四种具体应用场景，具体如下：
以船舶钢板油漆进行激光清洗为例，污物主要为老化的油漆层，清洗面积为40～50m2，其待清洗面为不规则的复杂形状，难以采用常规的激光清洗方法进行清洗；激光头数量设为4个，每个激光头由转移机构6带动进行移动，清洗方法的具体步骤为：
步骤一：在激光清洗前，控制装有三维扫描机构5的激光头移动，对工件清洗面进行扫描，获得船舶钢板的三维形状及待清洗区域的信息；
步骤二：激光头形成光斑形状设置为矩形（如图3所示），激光器2参数设置为：频率为10KHZ，平均功率为850w，扫描速度为1900mm/s，主控计算机1对待清洗区域进行数据处理，然后对激光头的扫描方式和运动路径进行规划，确保在清洗过程中激光头始终垂直照射在清洗面上；
步骤三：多个激光头对工件的表面待清洗区域进行清洗；
步骤四：在清洗过程中，图像监测机构4对清洗过程进行实时监控，根据清洗面的形貌，主控计算机1判断清洗面是否损伤和污物是否清洗干净，根据判断结果实时调整激光器2输出平均功率的大小及激光头的运动速度，直到清洗完成。
采用上述方法对船舶钢板的油漆进行激光清洗，总计清洗用时8h。
以对机车车轴的油漆进行激光清洗为例，被清洗物主要为油漆，清洗面积为0.68m2，其待清洗面为轴类的规则形状，在常规激光清洗方案中难以同时满足高清洗效率和不损伤基材的技术要求，激光头数量设为5个，每个激光头由转移机构6带动进行移动，清洗方法的具体步骤为：
步骤一：由于轴类零件形状比较特殊，在激光清洗前，通过工装夹持和电机让工件进行旋转，而激光头不进行移动，三维扫描机构5对旋转的工件进行扫描，获取机车车轴的三维形状及待清洗区域的信息；
步骤二：激光头形成光斑形状设置为“8字形”（如图4所示），激光器2参数设置为：频率为11kHZ，平均功率为950W，扫描速度为2200mm/s；主控计算机1对待清洗区域进行数据处理，然后对激光头的扫描方式和运动路径进行规划，确保在清洗过程中激光头始终垂直照射在清洗面上；
步骤三：多个激光头对工件的表面待清洗区域进行清洗；
步骤四：在清洗过程中，图像监测机构4对清洗过程进行实时监控，根据清洗面的形貌，主控计算机1判断清洗面是否损伤和污物是否清洗干净，根据判断结果实时调整激光器2输出平均功率的大小及激光头的运动速度，直到清洗完成。
采用上述方法对机车车轴的油漆进行激光清洗，总计清洗用时6min。
以对机车转向架进行激光清洗为例，污物主要为油污和锈迹，清洗面积约为3~5m2，其待清洗面为不规则的复杂形状，难以采用常规的激光清洗方法进行清洗，激光头数量设为3个，每个激光头由转移机构6带动进行移动，清洗方法的具体步骤为：
步骤一：在激光清洗前，控制装有三维扫描机构5的激光头移动，对机车转向架的待清洗面进行扫描，获得机车转向架的三维形状及待清洗区域的信息；
步骤二：每个激光头各自清洗其中一个区域，即每个区域采用单激光光斑清洗（如图5所示），激光器2参数设置为：频率为15kHZ，平均功率为900W，扫描速度为2000mm/s，主控计算机1对待清洗区域进行数据处理，然后对激光头的扫描方式和运动路径进行规划，，确保在清洗过程中激光头始终垂直照射在清洗面上；
步骤三：多个激光头对工件的表面待清洗区域进行清洗；
步骤四：在清洗过程中，图像监测机构4对清洗过程进行实时监控，根据清洗面的形貌，主控计算机1判断清洗面是否损伤和污物是否清洗干净，根据判断结果实时调整激光器2输出平均功率的大小及激光头的运动速度，直到清洗完成。
采用上述方法对机车转向架的油污和锈迹进行激光清洗，总计清洗时间约为30min。
以对飞机中段蒙皮进行激光清洗为例，污物主要为油漆，清洗面积约为50~80m2，清洗面积较大，难以采用常规的激光清洗方法，激光头数量设为6个，每个激光头由转移机构6带动进行移动，清洗方法的具体步骤为。
步骤一：在激光清洗前，控制装有三维扫描机构5的激光头移动，对飞机中段蒙皮的待清洗面进行扫描，获得飞机中段蒙皮的三维形状及待清洗区域的信息；
步骤二：激光头形成光斑形状设置为矩形（如图6所示），激光器2参数设置为：频率为10kHz，平均功率为850W，扫描速度为2000mm/s，主控计算机1对待清洗面进行数据处理，然后对激光头的扫描方式和运动路径进行规划，确保在清洗过程中激光头始终垂直照射在清洗面上；
步骤三：多个激光头对工件的表面待清洗区域进行清洗；
步骤四：在清洗过程中，图像监测机构4对清洗过程进行实时监控，根据清洗面的形貌，主控计算机1判断清洗面是否损伤和污物是否清洗干净，根据判断结果实时调整激光器2输出平均功率的大小及激光头的运动速度，直到清洗完成。
采用上述方法对飞机中段机身蒙皮的污物进行激光清洗，清洗时间约为7h。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多激光头智能化激光清洗方法，其特征在于，步骤包括：
S1：获取待清洗工件的三维形状并确定待清洗区域；
S2：根据待清洗工件的三维形状及待清洗区域确定各个激光头的运动轨迹及扫描方式；
S3：选择各个激光头的工艺参数，各个激光头沿运动轨迹运动并发出激光清洗工件表面；
S4：实时采集清洗后工件表面的图像，利用图像处理算法对工件表面清洗情况进行检测，如果不满足预设要求，则返回步骤S3，直至检测结果满足预设要求。
2.根据权利要求1所述的多激光头智能化激光清洗方法，其特征在于，所述步骤S1的具体步骤为：激光清洗前，通过三维扫描机构对待清洗工件的表面进行扫描，获取待清洗工件的三维形状及待清洗区域。
3.根据权利要求2所述的多激光头智能化激光清洗方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤为：主控计算机（1）接收三维扫描机构（5）反馈的待清洗工件的三维形状及待清洗区域信息，确定各个激光头运动轨迹、扫描方式及清洗过程中的偏转角度。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的多激光头智能化激光清洗方法，其特征在于，所述各个激光头的扫描方式为协同扫描清洗。
5.根据权利要求4所述的多激光头智能化激光清洗方法，其特征在于，所述多个激光头的光束汇聚成线形、三角形、“8”字形、矩形中的任意一种或多种。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的多激光头智能化激光清洗方法，其特征在于，所述各个激光头的扫描方式为独立扫描清洗。
7.根据权利要求1至3任意一项所述的多激光头智能化激光清洗方法，其特征在于，所述步骤S4的具体步骤为：
S41：通过图像监测机构（4）实时采集清洗后工件表面的颜色、形状以及残留污物区域的大小与位置，利用图像处理算法进行分析，判断工件表面是否有烧损，如有，调整激光器（2）的工艺参数，降低激光头的功率并加快运动速度；
S42：判断工件表面是否清洗干净，如否，调整激光器（2）的工艺参数，调高激光头的功率并减缓运动速度，直至检测结果满足预设要求。
8.一种多激光头智能化激光清洗装置，其特征在于，包括主控计算机（1）以及与其连接的多个激光头、激光器（2）、光学系统（3）、图像监测机构（4）、三维扫描机构（5）、转移机构（6）；所述每个激光头分别与单独的激光器（2）、光学系统（3）和转移机构（6）相连；所述图像监测机构（4）和三维扫描机构（5）设置在任意一个激光头上，所述光学系统（3）用于传输激光并在转移机构（6）带动下使激光光斑移动；所述图像监测机构（4）用于采集工件表面的图像信息并发送至主控计算机（1）；所述三维扫描机构（5）在转移机构（6）的带动下扫描待清洗工件的三维形状及待清洗区域信息并发送至主控计算机（1），所述主控计算机（1）用于计算清洗区域的位置信息并触发激光器（2）使激光头发射激光至待清洗工件表面，并控制转移机构（6）带动激光头沿设定的运动轨迹移动。
9.根据权利要求8所述的多激光头智能化激光清洗装置，其特征在于，还包括陀螺仪（7），所述陀螺仪（7）设置在所述激光头上，所述陀螺仪（7）与主控计算机（1）连接，用于记录并反馈激光头的偏转角度信息至主控计算机（1）。
10.根据权利要求9所述的多激光头智能化激光清洗装置，其特征在于，所述激光头的数量为2～10个。
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