CN112975133A - 一种用激光对材料表面快速改性的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用激光对材料表面快速改性的装置，其包括样品室、激光光源、控制箱和触控显示屏，样品室顶部设有窗口片，激光光源置于窗口片的正上方，所述样品室内部且在窗口片的正下方设有X‑Y滑台，待改性的样品放置于X‑Y滑台上，由X‑Y滑台带动样品移动；所述X‑Y滑台、第一智能控制阀、第二智能控制阀和第三智能控制阀分别电连接控制箱，所述控制箱连接有树莓并通过树莓派进行控制，所述触控显示屏上设有基于树莓派开发的控制软件。本发明采用基于树莓派的控制系统对整个改性装置进行智能控制，从而实现样品在改性过程中的多参数智能化控制，从而有效改善样品的材料性能。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工领域，尤其涉及一种用激光对材料表面快速改性的装置。
背景技术
目前的各类材料的自身属性已经不能满足实验或者工业制造的需求，因此必须对材料进行改性处理。随科技的发展，已经使用大量跨领域的技术来对材料进行改性，如采用纳米涂层技术在材料表面形成一层膜；采用掺杂、修饰、包覆等改性手段提高材料催化性能；以及采用表面淬火、磁控溅射镀金属等使材料实现新的机械化和自动化性能。而这些技术在材料改性上只是一些简单的表面镀金属，更多应用于在单件、大型零件，并且质量不稳定。
激光改性是一种新型的材料改性技术，与其他技术相比较，具有众多的技术优势。它是借助于激光与物质相互作用，将激光束作用于材料表面，实现改变材料表层结构和组分，从而达到改善力学性能和物理化学性能的目的。激光改性的效果依赖于脉冲激光参数（激光波长、脉冲能量、脉冲宽度等）、材料特性、环境气体等因素。因此通过选择合适参数的脉冲激光、以及环境气体等，可灵活地对不同类型及形状的材料进行非接触式表面改性，达到改善材料性能的目的。由于脉冲激光改性仅借助于光学光路系统即可在真空下以及惰性气体氛围下进行，因此加工精度高、效率高，材料无变形，无氧化，表面状态保存良好。
现有的激光加工材料改性装置构造多复杂，且多对材料进行整体改性，会造成材料改性的不均匀，现有的激光改性装置工作成本较高，且设备的自动化程度不够，效率低下，难以满足现代技术发展下的加工要求。
在专利号为CN202010704718.4 的专利中，该专利通过激光改性制得有机玻璃基保护涂层有效改善镁合金激光改性加工过程中出现的表面氧化等缺陷，但是只提出了激光改性方法，对于激光改性镁合金时没有提出智能控制的方法。具有智能控制的装置能够满足于不同实验的不同需求。比如若能够控制激光在样品上轰击的频率，对于在镁合金上激光改性制得的保护涂层，通过能够智能控制的装置用于在镁合金表面生成均匀的保护涂层是非常有必要的，因此设计一种多参数控制的脉冲激光材料表面均匀快速改性装置对材料加工意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用激光对材料表面快速改性的装置，以实现智能控制。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用激光对材料表面快速改性的装置，其包括样品室、激光光源、控制箱和触控显示屏，样品室顶部设有窗口片，激光光源置于窗口片的正上方，所述样品室内部且在窗口片的正下方设有X-Y滑台，待改性的样品放置于X-Y滑台上，由X-Y滑台带动样品移动；
所述样品室的侧壁下部设有进气口，进气口连接有气瓶和真空泵，所述气瓶连接至进气口的管道上连接有第一智能控制阀，所述真空泵连接至进气口的管道上连接有第二智能控制阀，所述样品室的侧壁上部设有排气口，排气口连接的管道上连接有第三智能控制阀；
所述样品室内设有用于检测其内部气压的压力传感器，压力传感器电连接至触控显示屏，以将样品室内的气压值显示于触控显示屏上；
所述X-Y滑台、第一智能控制阀、第二智能控制阀和第三智能控制阀分别电连接控制箱，所述控制箱连接有树莓并通过树莓派进行控制，所述触控显示屏上设有基于树莓派开发的控制软件。
进一步的，所述激光光源包括激光装置和扩束整形装置，所述激光装置发射的激光引入扩束整形装置，经扩束整形后的激光穿过窗口片作用于样品室内的样品。
进一步的，所述X-Y滑台包括底板，底板上设有X轴导轨，X轴导轨上滑动连接有X轴滑座，该X轴滑座由X轴驱动机构带动在X轴导轨上移动，所述X轴滑座上设有与X轴导轨垂直设置的Y轴导轨，Y轴导轨上滑动连接有Y轴滑座，该Y轴滑座由Y轴驱动机构带动在Y轴导轨上移动，所述Y轴滑座的上端面用于放置待改性的样品。
进一步的，所述X轴驱动机构为由X轴步进电机驱动的X轴丝杆螺母副，所述Y轴驱动机构为由Y轴步进电机驱动的Y轴丝杆螺母副。
进一步的，所述真空泵的出气口和样品室排气口分别连接至废气箱。
进一步的，所述压力传感器连接有分线器，分线器具有两条支路，一条支路电连接至触控显示屏，另一条支路电连接至报警器。
本发明具有以下有益技术效果：
1、本发明采用基于树莓派的控制系统对整个改性装置进行智能控制，从而实现样品在改性过程中的多参数智能化控制，从而有效改善样品的材料性能；
2、触控显示屏上可设置X-Y滑台的X轴速度和Y轴速度以及工作模式，X-Y滑台有两种工作模式，一个是连续模式，另一个是非连续工作模式，其中连续工作模式即每过一个激光脉冲时间滑台移动一个激光脉冲直径的距离，非连续工作模式即根据自己的工作需求，在材料样品的同一个位置让激光轰击多次以上才移动一个脉冲激光直径的距离，以得到材料表面更深地方的信息，有利于更好的了解材料的特性。
3、X-Y滑台带动样品实现二维平移改性，从而实现样品表面均匀改性，精确度高、速度快且操作简单。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明的结构框图；
图2为触控显示屏的控制界面图；
图3为X-Y滑台的立体图。
具体实施方式
如图1-3之一所示，本发明一种用激光对材料表面快速改性的装置，其包括样品室1、激光光源、控制箱2和触控显示屏3，样品室1顶部设有窗口片5，激光光源置于窗口片5的正上方，样品室1内部且在窗口片5的正下方设有X-Y滑台6，待改性的样品放置于X-Y滑台6上，由X-Y滑台6带动样品移动；
样品室1的侧壁下部设有进气口7，进气口7连接有气瓶8和真空泵9，气瓶8连接至进气口7的管道上连接有第一智能控制阀10，真空泵9连接至进气口7的管道上连接有第二智能控制阀11，样品室1的侧壁上部设有排气口12，排气口12连接的管道上连接有第三智能控制阀13；
样品室1内设有用于检测其内部气压的压力传感器14，压力传感器14电连接至触控显示屏3，以将样品室1内的气压值显示于触控显示屏3上；本发明中，压力传感器14连接有分线器15，分线器15具有两条支路，一条支路电连接至触控显示屏3，另一条支路电连接至报警器16。当样品室1内的气压高于到某一限度时，报警器16会报警并会触发负反馈机制，还会通过短信提醒负责该实验的工作人员。
X-Y滑台6、第一智能控制阀10、第二智能控制阀11和第三智能控制阀13分别电连接控制箱2，控制箱2连接有树莓并通过树莓派4进行控制，触控显示屏3上设有基于树莓派4开发的控制软件。
激光光源包括激光装置17和扩束整形装置18，激光装置17发射的激光引入扩束整形装置18，经扩束整形后的激光穿过窗口片5作用于样品室1内的样品。扩束整形装置18对激光扩束并整形，提高了激光的均匀性，使材料表面改性更加均匀。
X-Y滑台6包括底板61，底板61上设有X轴导轨62，X轴导轨62上滑动连接有X轴滑座63，该X轴滑座63由X轴驱动机构带动在X轴导轨62上移动，X轴滑座63上设有与X轴导轨62垂直设置的Y轴导轨66，Y轴导轨66上滑动连接有Y轴滑座67，该Y轴滑座67由Y轴驱动机构带动在Y轴导轨66上移动，Y轴滑座67的上端面用于放置待改性的样品。
优选的，X轴驱动机构为由X轴步进电机64驱动的X轴丝杆螺母副65，Y轴驱动机构为由Y轴步进电机68驱动的Y轴丝杆螺母副69，两个丝杆螺母副65中所用到的丝杆均为滚珠丝杆，这样精度有保障。
真空泵9的出气口和样品室1的排气口12分别连接至废气箱19、20，用于对实验后的气体进行处理回收。
本发明的工作原理：
实验人员将样品材料固定于X-Y滑台6上，在触控显示屏通过点击“开真空阀”按钮，触控显示屏上有通过树莓派4开发控制软件，在点击“开真空阀”按钮后，真空泵9的第二智能控制阀11打开，真空泵9开始工作对样品室1进行抽真空，样品室1内的气压值可以在触控显示屏3上实时显示。在达到真空环境下后在触控显示屏3上点击“关真空阀”按钮，则第二智能控制阀11关闭，真空泵9停止工作。同样地，在触控显示屏3上点击“开气体阀”按钮，气瓶8的第一智能控制阀10打开，使气瓶8内的气体通入样品室1，当样品室1内气压达到实验所要求的气压时，点击“关闭气体阀”按钮，终止气瓶8内的气体的通入。当样品室1内的气压高于某一限定值时，报警器16会报警，然后会触发负反馈机制，即当气体内的气压过高时，处于真空泵9处的第二智能控制阀11打开，抽出气体进入废气箱，并且会给实验人员发送短信，防止由于样品室1内的气压过高而发生安全事故。当气压达到工作要求后，在触控显示屏上点击“关气体阀”的按钮。
触控显示屏3上可设置X-Y滑台6的X轴速度和Y轴速度以及工作模式。X-Y滑台6有两种工作模式，一个是连续模式，另一个是非连续工作模式，其中连续工作模式即每过一个激光脉冲时间滑台移动一个激光脉冲直径的距离，非连续工作模式即根据自己的工作需求，在材料样品的同一个位置让激光轰击多次以上才移动一个脉冲激光直径的距离，以得到材料表面更深地方的信息，有利于更好的了解材料的特性。
在触控显示屏3上点击“启动滑台”，Y轴步进电机68动作，带动Y轴滑座67一起向靠近Y轴步进电机68的方向移动，激光装置17发射激光束，扩束整形后的激光束对样品材料表面进行第一横向改性，第一横向改性结束，Y轴步进电机68动作，带动X轴滑座63一起向靠近X轴步进电机64的方向移动，激光束对样品材料进行第二横向改性，实现二维平移改性，从而实现样品表面均匀改性，精确度高、速度快且操作简单。另外在X-Y滑台6快速运动的时候，当X-Y滑台6运动到X轴或Y轴运动的最大位移时，激光装置17停止运作，X-Y滑台6向着X轴步进电机64或Y轴步进电机68方向移动一个脉冲激光直径，随后激光装置17和X-Y滑台6继续运作。当X轴步进电机64、Y轴步进电机68都停止运作，激光装置17同时停止。当激光装置17停止运作，X轴步进电机64、Y轴步进电机68均停止运作。工作完成后打开出气口的第三智能控制阀13，样品室1内的气体会收集到废气箱并进行废气处理。
上面结合附图对本发明的实施加以描述，但是本发明不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式是示意性而不是加以局限本发明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (6)
1.一种用激光对材料表面快速改性的装置，其特征在于：其包括样品室、激光光源、控制箱和触控显示屏，样品室顶部设有窗口片，激光光源置于窗口片的正上方，所述样品室内部且在窗口片的正下方设有X-Y滑台，待改性的样品放置于X-Y滑台上，由X-Y滑台带动样品移动；
所述样品室的侧壁下部设有进气口，进气口连接有气瓶和真空泵，所述气瓶连接至进气口的管道上连接有第一智能控制阀，所述真空泵连接至进气口的管道上连接有第二智能控制阀，所述样品室的侧壁上部设有排气口，排气口连接的管道上连接有第三智能控制阀；
所述样品室内设有用于检测其内部气压的压力传感器，压力传感器电连接至触控显示屏，以将样品室内的气压值显示于触控显示屏上；
所述X-Y滑台、第一智能控制阀、第二智能控制阀和第三智能控制阀分别电连接控制箱，所述控制箱连接有树莓并通过树莓派进行控制，所述触控显示屏上设有基于树莓派开发的控制软件。
2.根据权利要求1所述的一种用激光对材料表面快速改性的装置，其特征在于：所述激光光源包括激光装置和扩束整形装置，所述激光装置发射的激光引入扩束整形装置，经扩束整形后的激光穿过窗口片作用于样品室内的样品。
3.根据权利要求1所述的一种用激光对材料表面快速改性的装置，其特征在于：所述X-Y滑台包括底板，底板上设有X轴导轨，X轴导轨上滑动连接有X轴滑座，该X轴滑座由X轴驱动机构带动在X轴导轨上移动，所述X轴滑座上设有与X轴导轨垂直设置的Y轴导轨，Y轴导轨上滑动连接有Y轴滑座，该Y轴滑座由Y轴驱动机构带动在Y轴导轨上移动，所述Y轴滑座的上端面用于放置待改性的样品。
4.根据权利要求3所述的一种用激光对材料表面快速改性的装置，其特征在于：所述X轴驱动机构为由X轴步进电机驱动的X轴丝杆螺母副，所述Y轴驱动机构为由Y轴步进电机驱动的Y轴丝杆螺母副。
5.根据权利要求1所述的一种用激光对材料表面快速改性的装置，其特征在于：所述真空泵的出气口和样品室排气口分别连接至废气箱。
6.根据权利要求1所述的一种用激光对材料表面快速改性的装置，其特征在于：所述压力传感器连接有分线器，分线器具有两条支路，一条支路电连接至触控显示屏，另一条支路电连接至报警器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210618 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |