CN112676267A - 脉冲激光清洗方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种脉冲激光清洗方法，包括分别对第一电机和第二电机施加第一周期信号和第二周期信号，以驱动第一振镜和第二振镜进行第一方向和第二方向扫描；第一周期信号周期为第二周期信号周期的两倍，在第二周期信号一个周期内，第一周期信号与第二周期信号具有相同的两个第一时间区间和一个第二时间区间；第一周期信号在第二时间区间内波形斜率为零，其在第一时间区间内波形斜率的绝对值与第二周期信号在第二时间区间内波形斜率的绝对值相等，且第二周期信号在两时间区间内波形斜率的绝对值不相等；采用脉冲激光器对待清洗件表面进行激光扫描处理，利用工业机器人带动激光加工头在第二方向移动，以实现对待清洗件表面的清洗。

Description

脉冲激光清洗方法

技术领域

本公开涉及激光加工领域，尤其是涉及一种脉冲激光清洗方法。

背景技术

激光清洗是近年来新兴的一种清洗方式。相较于传统的机械清洗、化学清洗和高压水射流清洗，激光清洗有着以下优点：1)无接触式清洗，不会损伤基材；2)不使用化学药剂，对人体危害小；3)清洗过程中产生的废物较少，对环境污染小；4)通过使用光纤和加工头，可以对各种形状的工件进行清洗，灵活方便。基于以上优点，激光清洗一经推出便受到了人们的广泛关注，到目前为止，激光清洗已经被应用于工业、文物保护以及微电子等领域。

激光清洗设备通过加工头进行激光输出，加工头内部装有一个一维振镜，来回摆动使激光呈横向的线形输出。激光清洗设备在实际使用时，为了实现较大的清洗面积以及降低工人的劳动强度，往往需要配备工业机器人，工业机器人带动加工头进行纵向移动便可实现矩形面积的清洗。这种清洗方式使得激光实际扫过的路径为“之”字形，导致光斑重叠率在清洗区域的不同位置是不相同的，清洗效果非常不均匀，这一问题亟待解决。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种脉冲激光清洗方法，用于解决上述技术问题的至少之一。

本公开提供了一种脉冲激光清洗方法，包括：

分别对激光加工头中的第一电机和第二电机施加第一周期信号和第二周期信号，以驱动第一振镜和第二振镜进行第一方向和第二方向扫描；其中，第一周期信号的周期为第二周期信号周期的两倍，且在第二周期信号的一个周期内，第一周期信号与第二周期信号具有相同的两个第一时间区间和一个第二时间区间；第一周期信号在第二时间区间内的波形斜率为零，第一周期信号在第一时间区间内波形斜率的绝对值与第二周期信号在第二时间区间内波形斜率的绝对值相等，且第二周期信号在第一时间区间和第二时间区间内波形斜率的绝对值不相等；采用脉冲激光器对待清洗件表面进行激光扫描处理，利用工业机器人带动激光加工头在第二方向移动，以实现对待清洗件表面的清洗。

可选地，通过调整第一时间区间和第二时间区间的比值与第一周期信号的振幅和频率，以控制激光光斑在第一方向上的移动速度；以及，通过调整第一时间区间和第二时间区间的比值与第二周期信号的振幅和频率，以控制激光光斑在第二方向上的移动速度。

可选地，当工业机器人带动激光加工头移动时，激光光斑根据第一周期信号和第二周期信号经过四次扫描形成“弓”字形的扫描路径；其中，激光清洗开始时，工业机器人带动激光加工头进行第二方向的移动；在第一次和第三次扫描时，激光光斑在第一方向上的速度与激光光斑实际扫描速度相等，在第二方向上的速度大小与工业机器人移动的速度大小相等，且速度方向相反；在进行第二次和第四次扫描时，激光光斑在第二方向上的速度与激光光斑实际扫描速度相等，在第一方向上的速度为零。

可选地，工业机器人移动的速度小于或等于50mm/s。

可选地，激光光斑实际扫描速度为小于13m/s。

可选地，第一振镜的旋转角大小范围为-11°～11°，第二振镜的旋转角大小范围为-0.07°～0.07°。

可选地，脉冲激光器波长为1064nm，平均功率小于或等于800W，重复频率大于或等于12kHz。

可选地，第一振镜与第二振镜之间的间距范围为25～40mm。

可选地，上述方法还包括：在采用脉冲激光器进行激光扫描处理前，将待清洗件的表面置于脉冲激光器激光光斑的工作平面位置。

可选地，激光扫描处理中激光器发出的脉冲激光依次经过准直透镜、第一振镜和第二振镜以及场镜后射向工作平面；其中，第一振镜、第二振镜分别固定于第一电机和第二电机输出轴的转动轴心线上；第一电机的轴线垂直于工作平面，第二电机的轴线平行于工作平面，第一振镜对激光进行第一次反射，第二振镜对激光进行第二次反射，以控制激光光斑在第一方向和第二方向内循环扫描。

本公开提出了一种脉冲激光清洗方法，该方法通过调控对二维振镜系统施加的周期信号使激光光斑在实际清洗过程中扫过的路径为“弓”字形，从而实现工件表面的均匀清洗，解决了现有技术中“之”字形清洗方式导致的清洗效果不均匀的问题。

附图说明

图1示出了现有技术中“之”字形清洗方式实际光斑扫描路径示意图；

图2示出了本公开实施例中“弓”字形清洗方式实际光斑扫描路径示意图；

图3示出了本公开实施例中实现“弓”字形清洗方式的激光清洗设备整体示意图；

图4示出了本公开实施例中的激光加工头内部结构以及光束传播路径示意图；

图5示意性示出了本公开实施例中提出的脉冲激光清洗方法的流程图；

图6示出了本公开实施例中对第一电机和第二电机分别施加的周期信号波形图；

图7示意性示出了本公开实施例中工业机器人不移动时，激光光斑根据第一周期信号和第二周期信号扫描形成的“8”字形扫描路径；

图8示出了本公开实施例中工业机器人不移动时光斑实际扫描路径示意图；

图9示出了本公开实施例中工业机器人不移动时光斑扫描速度分解示意图；

图10示出了本公开实施例工业机器人带动激光加工头在第二方向移动的示意图。

附图标记说明

1-激光清洗机；2-光纤；3-激光加工头；4-工业机器人；5-待清洗件；6-加工台；7-准直透镜；8-第一电机；9-第一振镜；10-第二电机；11-第二振镜；12-场镜；13-第一周期信号；14-第二周期信号；15-第一扫描路径；16-第二扫描路径；17-第三扫描路径；18-第四扫描路径。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体细节，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”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，或者是使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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公开的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本公开的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中的激光清洗设备加工头内部装有一个一维振镜，来回摆动使激光呈横向的线形输出。激光清洗设备在实际使用时，工业机器人带动加工头进行纵向移动以实现矩形面积的清洗，这种清洗方式使得激光实际扫过的路径为“之”字形(如图1所示)，导致光斑重叠率在清洗区域的不同位置是不相同的，清洗效果非常不均匀。基于此，本公开提出了一种脉冲激光清洗方法，可以使激光在实际清洗过程中扫过的路径为“弓”字形(实际光斑扫描路径如图2所示)，从而实现待清洗工件表面的均匀清洗。

图3示出了本公开实施例中实现“弓”字形清洗方式的激光清洗设备整体示意图。如图3所示，该激光清洗设备包括：激光清洗机1、激光加工头3、工业机器人4、加工台6。其中，加工台6用于固定待清洗件5。激光加工头3安装于工业机器人4上，由工业机器人4带动激光加工头3进行第二方向的移动，以实现对待清洗件5表面的清洗。激光清洗机1内部设有激光器(图中未示出)，激光清洗机1用于控制激光发射、关闭以及设置激光功率大小。激光器发出的激光通过光纤2导入激光加工头3，激光加工头3利用该激光对待清洗件5的表面进行激光扫描清洗。此外，激光清洗机1的内部还安装有信号发生控制装置和电机驱动板，用于产生周期信号，控制激光加工头3内部的电机。

进一步地，图4示出了本公开实施例中的激光加工头3内部结构以及光束传播路径示意图。

如图4所示，激光加工头3包括：准直透镜7、二维振镜系统和场镜12。其中，二维振镜系统包括第一电机8、第一振镜9、第二电机10和第二振镜11。第一振镜9和第二振镜11分别固定于第一电机8和第二电机10输出轴的转动轴心线上，第一电机8和第二电机10分别驱动第一振镜9和第二振镜11左右来回摆动，使激光光束来回摆动，进而实现二维扫描清洗。第一电机8的轴线垂直于工作平面，第二电机10的轴线平行于工作平面。当激光清洗机1对两个电机分别施加周期信号后，第一电机8和第二电机10分别带动第一振镜9和第二振镜11进行第一方向和第二方向的扫描，进而实现激光光斑在工作平面内循环扫描。准直透镜7用于将入射的激光变成平行的准直激光光束，并射向二维振镜系统，场镜12用于接收经二维振镜系统反射后从不同方向入射的光束，并聚焦于工作平面上，形成光斑。

具体地，如图4所示，当激光清洗机1中的激光器发出的激光经光纤2导入激光加工头3后，激光在激光加工头3中传播路径为：沿激光传播方向，激光经过准直透镜7之后，得到平行的准直激光光束，第一振镜9对激光光束进行第一次反射，第二振镜11对激光光束进行第二次反射，最后经过场镜12后聚焦于工作平面。

根据本公开实施例，准直透镜7的焦距可根据实际激光清洗加工情况进行选择。

根据本公开实施例，场镜12离工作平面的位置范围取决于所选的场镜12的焦距，焦距越长，聚焦后激光的光斑越大，但是焦深越长；焦距越短，聚焦后激光的光斑越小，但是焦深越短，场镜12焦距的选择需要根据实际激光清洗加工情况权衡光斑大小以及焦深进行选择。

根据本公开实施例，第一振镜9的旋转角度范围为-11°～11°，第二振镜11的旋转角度范围为-0.07°～0.07°。第一振镜9与第二振镜11之间的间距范围为25～40mm。

为了便于理解，本公开实施例中将脉冲激光清洗路径设置于三维直角坐标系(即xyz直角坐标系)中进行示例性说明。以下将结合图3中的激光清洗设备以及图4中的激光加工头对本公开提出的脉冲激光清洗方法进行详细说明。

具体地，可以参考图4所示，在直角坐标系中，上述第一方向可以理解为x方向，上述第二方向可以理解为y方向，上述工作平面(即待清洗件5固定平面)可以理解为x0y平面，与第一振镜9相连的第一电机8的轴线垂直于x0y平面，与第二振镜11相连的第二电机10的轴线垂直于y0z平面。激光从激光加工头3出射后，在x0y平面(工作平面)上聚焦形成适合加工情况的光斑。

图5示意性示出了本公开实施例中提出的一种脉冲激光清洗方法的流程图。如图5所示，本公开中的一种脉冲激光清洗方法包括步骤S1～S2。

在步骤S1中，分别对激光加工头3中的第一电机8和第二电机10施加第一周期信号和第二周期信号，第一电机8和第二电机10分别驱动第一振镜9和第二振镜11进行第一方向和第二方向扫描。其中，第一周期信号的周期为第二周期信号周期的两倍，且在第二周期信号的一个周期内，第一周期信号与第二周期信号具有相同的两个第一时间区间(t₁)和一个第二时间区间(t₂)；第一周期信号在t₂内的波形斜率为零，第一周期信号在t₁内波形斜率的绝对值与第二周期信号在t₂内波形斜率的绝对值相等，且第二周期信号在t₁和t₂内波形斜率的绝对值不相等。

图6示意性示出了本公开实施例中对第一电机8和第二电机10分别施加的周期信号波形图。需要说明的是，本公开实施例示例性给出的周期信号波形图仅为本领域技术人员更好地理解本公开实施例中的内容，并非用于限制本公开的保护范围。

在本公开实施例，当工业机器人4不带动激光加工头3移动时，例如可以对第一电机8施加如图6所示的第一周期信号13，对第二电机10施加如图6所示的第二周期信号14。可以理解的是，对第一电机8和第二电机10分别施加上述周期信号后，第一电机8和第二电机10分别驱动第一振镜9和第二振镜11在第一方向(例如x方向)和第二方向(例如y方向)进行循环扫描。

图7示意性示出了本公开实施例中工业机器人不移动时，激光光斑根据第一周期信号和第二周期信号扫描形成的“8”字形扫描路径，如图7所示，可以看到，上述“8”字形扫描路径由第一扫描路径15、第二扫描路径16、第三扫描路径17和第四扫描路径18构成，激光光斑根据上述施加的信号经过这四次扫描实际形成的扫描路径也为“8”字形(如图8所示)。

图9示出了本公开实施例中工业机器人不移动时光斑扫描速度分解示意图。如图9所示，在工业机器人4不带动激光加工头3移动时，此时光斑的扫描速度v扫由其在第一方向(例如x方向)速度v_x和在第二方向(例如y方向)v_y叠加而成。图6中所示信号波形的斜率的大小可以理解为速度的大小，信号波形斜率的正负可以理解为速度的方向。根据本公开实施例，通过调整如图6中第一周期信号和第二周期信号中t₁和t₂的比值与第一周期信号的振幅和频率，可以控制激光光斑在第一方向(例如x方向)上的移动速度v_x；以及通过调整t₁和t₂的比值与第二周期信号的振幅和频率，可以控制激光光斑在第二方向(例如y方向)上的移动速度v_y。通过该方法可以根据实际清洗加工情况调控加工参数，进而实现对待清洗件的均匀清洗。

在步骤S2中，采用脉冲激光器对待清洗件5表面进行激光扫描处理，利用工业机器人4带动激光加工头3在第二方向移动，以实现对待清洗件5表面的清洗。

对上述电机施加如图6所示的周期信号后，采用脉冲激光器对待清洗件5的表面进行激光扫描处理，利用工业机器人4带动激光加工头3在第二方向(例如y方向)移动。图10示出了本公开实施例中工业机器人带动激光加工头移动示意图。如图10所示，工业机器人4带动激光加工头3移动的过程中，其产生一个移动速度v机。

根据本公开实施例，当工业机器人4带动激光加工头3移动时，激光光斑根据上述第一周期信号和第二周期信号经过四次扫描形成“弓”字形的扫描路径(如图2所示)。其中，激光清洗开始时，工业机器人4带动激光加工头3进行第二方向(例如y方向)的移动。光斑在第一次和第三次扫描(例如图8中的第一次扫描路径15和第三次扫描路径17)时，速度关系满足v_x＝v_清，v_x与v_清方向相同，v_y＝v_机，v_y与v_机的方向相反；光斑在第二次和第四次扫描(例如图8中的第二次扫描路径16和第四次扫描路径18)时，速度关系满足：v_y＝v_清，v_x＝0。其中v_清为工业机器人4移动时光斑实际扫描速度，v_清控制实际加工过程光斑实际扫描的重叠率，v_清越大，则光斑重叠率越小，反之亦然，具体可以根据实际待清洗件加工情况进行调整。

参考图8所示，当工业机器人4以v_机的速度进行移动时，由于进行第一、三次扫描时v_y与v_机相抵消，因此此时光斑实际扫描路径为沿着x方向的一条直线；而进行第二、四次扫描时，v_x＝0，因此此时光斑实际扫描路径为沿着y方向的一条直线。这样，使得光斑在整个清洗过程中实际扫描路径为一“弓”字形，具体如图2所示，可以看到，不管是在扫描路径中心还是两侧，光斑重叠率都一致，清洗效果较为均匀。

根据本公开实施例，工业机器人4移动的速度v_机≤50mm/s。

根据本公开实施例，激光光斑实际扫描速度v_清＜13m/s。

根据本公开实施例，脉冲激光器波长为1064nm，平均功率小于或等于800W，重复频率大于或等于12kHz。

根据本公开实施例，上述脉冲激光清洗方法还包括：步骤S0，在采用脉冲激光器进行激光扫描处理前，将待清洗件5的表面置于脉冲激光器激光光斑的工作平面位置。

具体地，在激光扫描处理之前，将待清洗件5固定于加工台6上，并调整使其表面置于脉冲激光器激光光斑的工作平面位置，以便后续进行激光清洗加工。

以下将结合具体的实施例对本公开所提出的脉冲激光清洗方法进行说明。

实施例

本公开实施例中脉冲激光清洗方法采用如图3所示的激光清洗设备和图4所示的激光加工头内部结构。如图4所示，该激光加工头包括一准直透镜7、第一电机8、第二电机10、第一振镜9、第二振镜11和场镜12，其中准直透镜7的焦距为50mm，场镜12的焦距为80mm。第一振镜9与第二振镜11之间的间距为25mm，第二振镜11与场镜12之间的间距25mm。激光波长为1064nm，平均功率为300w，重复频率为20kHz。激光通过芯径为400μm的光纤导入激光加工头3。在激光加工头3中，激光光束依次经过准直透镜7、第一振镜9、第二振镜11以及场镜12，最终出射，在工作平面处聚焦成一直径为640μm的光斑。

对激光加工头3中的第一电机8和第二电机10分别加载如图6所示的周期信号，控制照射在工作平面上的光斑循环扫描如图7所示的“8”字形。进行第一、三次扫描时，通过控制信号使得v_x＝10m/s，v_y＝50mm/s。进行第二、四次扫描时，v_x＝0，v_y＝10m/s。控制工业机器人以v_机＝50mm/s的速度进行移动，此时，工作平面处的光斑实际扫描路径为一“弓”字形。

综上所述，本公开提出了一种脉冲激光清洗方法，该方法基于二维振镜系统，并通过调控对二维振镜系统施加的周期信号可以使激光在实际清洗过程中扫过的路径为“弓”字形，从而实现工件表面的均匀清洗，解决了现有技术中“之”字形清洗方式导致的清洗效果不均匀的问题。

以上的实施例仅仅是对本公开的优选实施方式进行描述，并非对本公开的范围进行限定，在不脱离本公开设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本公开的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本公开权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种脉冲激光清洗方法，其特征在于，包括：

分别对激光加工头(3)中的第一电机(8)和第二电机(10)施加第一周期信号和第二周期信号，以驱动第一振镜(9)和第二振镜(11)进行第一方向和第二方向扫描；其中，所述第一周期信号的周期为所述第二周期信号周期的两倍，且在所述第二周期信号的一个周期内，所述第一周期信号与所述第二周期信号具有相同的两个第一时间区间和一个第二时间区间；所述第一周期信号在所述第二时间区间内的波形斜率为零，所述第一周期信号在所述第一时间区间内波形斜率的绝对值与所述第二周期信号在所述第二时间区间内波形斜率的绝对值相等，且所述第二周期信号在所述第一时间区间和所述第二时间区间内波形斜率的绝对值不相等；

采用脉冲激光器对待清洗件表面进行激光扫描处理，利用工业机器人(4)带动所述激光加工头(3)在所述第二方向移动，以实现对所述待清洗件表面的清洗。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过调整所述第一时间区间和所述第二时间区间的比值与所述第一周期信号的振幅和频率，以控制所述激光光斑在所述第一方向上的移动速度；以及，通过调整所述第一时间区间和所述第二时间区间的比值与所述第二周期信号的振幅和频率，以控制所述激光光斑在所述第二方向上的移动速度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述工业机器人(4)带动所述激光加工头(3)移动时，所述激光光斑根据所述第一周期信号和所述第二周期信号经过四次扫描形成“弓”字形的扫描路径；其中，激光清洗开始时，所述工业机器人(4)带动所述激光加工头(3)进行所述第二方向的移动；在第一次和第三次扫描时，所述激光光斑在所述第一方向上的速度与所述激光光斑实际扫描速度相等，在所述第二方向上的速度大小与所述工业机器人(4)移动的速度大小相等，且速度方向相反；在进行第二次和第四次扫描时，所述激光光斑在所述第二方向上的速度与所述激光光斑实际扫描速度相等，在所述第一方向上的速度为零。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述工业机器人(4)移动的速度小于或等于50mm/s。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光光斑实际扫描速度小于13m/s。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一振镜(9)的旋转角大小范围为-11°～11°，所述第二振镜(11)的旋转角大小范围为-0.07°～0.07°。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光器波长为1064nm，平均功率小于或等于800W，重复频率大于或等于12kHz。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一振镜(9)与所述第二振镜(11)之间的间距范围为25～40mm。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在采用所述脉冲激光器进行激光扫描处理前，将所述待清洗件的表面置于所述脉冲激光器激光光斑的工作平面位置。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光扫描处理中激光器发出的脉冲激光依次经过准直透镜(7)、所述第一振镜(9)和所述第二振镜(11)以及场镜(12)后射向工作平面；其中，所述第一振镜(9)、所述第二振镜(11)分别固定于所述第一电机(8)和所述第二电机(10)输出轴的转动轴心线上；所述第一电机(8)的轴线垂直于所述工作平面，所述第二电机(10)的轴线平行于所述工作平面，所述第一振镜(9)对所述激光进行第一次反射，所述第二振镜(11)对所述激光进行第二次反射，以控制所述激光光斑在所述第一方向和所述第二方向内循环扫描。

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