CN113798664B - 一种用于不粘锅内表面处理的加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于不粘锅内表面处理的加工装置及方法，包括位于工作台面上的激光发生机构和激光转向机构，激光发生机构通过第一龙门架连接在工作台面上，激光转向机构通过二轴运动机构连接在工作台面上；激光发生机构包括连接在一起的飞秒激光器和3D振镜，飞秒激光器连接在激光器支架上，激光器支架与第一龙门架滑动连接，3D振镜的激光发射镜头垂直向下，工作台面位于3D振镜的激光发射镜头下方空间；激光转向机构包括与二轴运动机构连接的转向支架，转向支架末端连接激光转向镜，激光转向镜所在的高度不高于3D振镜所在的高度。能够在多种材质的锅胚内表面进行微结构成型，成型的网格状微结构具有良好的防粘性能，满足对于不粘锅性能的要求。

Description

一种用于不粘锅内表面处理的加工装置及方法

技术领域

本发明涉及锅具表面加工领域，具体为一种用于不粘锅内表面处理的加工装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

传统的不粘锅利用内表面涂覆的聚四氟乙烯材料实现不粘的性能，基于聚四氟乙烯优异的耐热性、耐腐蚀性、易清洁性和无毒性克服了传统锅具难以清洗和易糊锅的缺点，但作为涂层材料的聚四氟乙烯因与锅具本体的结合强度不高而导致涂层无法完全包覆不粘锅内表面，会随着制作酸性食物导致寿命下降，且由于不粘锅的涂层为了确保传热性能通常厚度较薄，这又使得涂层的抗划伤性能较低。

现有技术中已经出现了利用陶瓷涂层实现不粘锅具的制造，但受限于其较高的生产成本目前尚未大规模推广。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种用于不粘锅内表面处理的加工装置及方法，利用飞秒激光在锅具内表面形成纳米级网格状的微结构，代替了原有的不粘涂层锅具，形成非涂层不粘锅提高了锅具在高温情况下的稳定性，且加工装置结构简单，使得获得的不粘锅使用寿命得到有效延长。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种用于不粘锅内表面处理的加工装置，包括位于工作台面上的激光发生机构和激光转向机构，激光发生机构通过第一龙门架连接在工作台面上，激光转向机构通过二轴运动机构连接在工作台面上；

激光发生机构包括连接在一起的飞秒激光器和3D振镜，飞秒激光器连接在激光器支架上，激光器支架与第一龙门架滑动连接，3D振镜的激光发射镜头垂直向下，工作台面位于3D振镜的激光发射镜头下方空间；激光转向机构包括与二轴运动机构连接的转向支架，转向支架末端连接激光转向镜，激光转向镜所在的高度不高于3D振镜所在的高度。

工作台面上表面具有转台，转台具有夹具且转台与转台传动机构连接，转台传动机构带动转台和夹具旋转。

第一龙门架设有横向布置的可调滑轨，激光器支架连接在可调滑轨上，激光器支架利用可调滑轨带动飞秒激光器沿可调滑轨方向水平运动；激光器支架具有纵向运动机构，纵向运动机构带动飞秒激光器沿竖直方向运动，纵向运动机构依据加工需求调整飞秒激光器的安装高度。

3D振镜的镜头中心点在垂直方向上与转台中心点处于同一直线，3D振镜和飞秒激光器通过激光器支架带动沿水平方向运动至设定位置时，3D振镜的镜头中心点与转台中心点在垂直方向上重合。

二轴运动机构包括第二龙门架，第二龙门架的顶梁具有连接板，连接板与第二龙门架的顶梁平行布置。

连接板远离第二龙门架顶梁的一侧设有平行布置的横向导轨，支座与横向导轨活动连接，支座利用横向导轨实现转向支架和激光转向镜在水平方向的运动，改变水平方向上激光转向镜与转台的相对位置。

支座设有纵向导槽，纵向导槽连接转向支架，转向支架利用纵向导槽沿垂直方向运动，改变垂直方向上激光转向镜与转台的相对位置。

转向支架一端连接在支座的纵向导槽内，另一端连接激光转向镜，形成开口向下的倒U型结构，使得连接激光转向镜的一端在垂直方向运动后能够伸入到待加工工件的内部，对工件的内侧壁进行加工。

本发明的第一个方面提供一种基于上述装置实现不粘锅内表面处理的加工方法，包括以下步骤：

工件装入转台中的夹具，激光器支架带动飞秒激光器和3D振镜运动，使3D振镜的镜头中心在垂直方向上与转台的旋转中心重合；

转台旋转，飞秒激光器启动，3D振镜改变激光的射出方向与作用在工件上的位置实现工件内底面加工；

飞秒激光器关闭，转台停止，二轴运动机构带动激光转向镜沿水平方向运动至3D振镜的镜头正下方，依据加工需求调节激光转向镜的旋转角度，二轴运动机构带动激光转向镜依据加工需求沿垂直方向运动至加工起始点；

转台旋转，飞秒激光器启动，二轴运动机构带动激光转向镜依据加工需求沿垂直方向运动至加工终点，实现工件内侧壁加工。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、能够在多种材质的锅胚内表面进行微结构成型，成型的网格状微结构具有良好的防粘性能，满足对于不粘锅性能的要求。

2、加工后获得的纳米级网格状结构克服了传统涂层材料结合力不强的缺陷，且在金属表面成型的微结构具有良好的抗划伤性，克服了传统不粘锅使用寿命不长的问题，在取代使用不粘涂层的同时，也避免了不粘涂层在高温下产生有害物质的隐患。

3、夹持工件的转台位置固定，激光器在支架带动下进行的往复直线运动轨迹落在垂直方向上转台的旋转中心，一方面使锅具装入和拆卸夹具的过程不需要复杂的定位过程，另一方面基于激光器支架的直线运动、转台的旋转运动和3D振镜改变激光射出方向与作用在工件上的位置，最终实现锅具内壁底面的纳米网格状微结构成型，成型过程更加简单。

4、利用激光器在锅具内底面加工出所需的纳米级网格状微结构之后，在激光器位置不变的情况下，仅通过改变激光转向镜的旋转角度和位置即可满足对锅具内侧壁的加工需求，成型过程更加简单。

5、激光发生装置采用飞秒激光器，相对于传统激光器，采用飞秒激光器使得加工过程更加的高效，对加工环境无特殊要求，可顺利集成进现有流水线加工过程中，且减少了微裂纹的产生呈现出极高的微结构品质。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的俯视视角下的整体结构示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的侧视视角下的整体结构示意图；

图4是本发明一个或多个实施例提供的二轴运动机构与激光转向镜相配合的结构示意图；

图5是本发明一个或多个实施例提供的转台结构示意图；

图中：1、飞秒激光器，2、3D振镜，3、转台，31、夹具，32、转台传动机构，4、激光器支架，41、第一龙门架，5、转向支架，6、激光转向镜，7、二轴运动机构，8、工作台面，10、待加工锅体，71、第二龙门架，72、连接板，73、横向导轨，74、支座，75、纵向导槽。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所描述的，现有的不粘锅通过在锅体内表面涂覆特定材料的涂层实现不粘，涂层材料会随着使用逐步降低寿命，同时涂层材料自身的导热性能弱于锅具本体，也会加速不粘效果的下降。而在锅体内表面利用激光器加工出纳米级的网格状微结构同样能够实现不粘，因此以下实施例给出了一种用于不粘锅内表面处理的加工装置，利用激光器搭配3D振镜和激光转向镜，产生飞秒激光在锅具内侧壁和内底面形成纳米级网格状的微结构，代替了原有的不粘涂层锅具，形成的非涂层不粘锅提高了锅具在高温情况下的稳定性，且加工装置结构简单，使得获得的不粘锅使用寿命得到有效延长。

实施例一：

如图1-5所示，本实施例的目的是提供一种用于不粘锅内表面处理的加工装置，包括位于工作台面8上的激光发生机构和激光转向机构，激光发生机构通过第一龙门架41连接在工作台面8上，激光转向机构通过二轴运动机构7连接在工作台面8上；

激光发生机构包括连接在一起的飞秒激光器1和3D振镜2，飞秒激光器1连接在激光器支架4上，激光器支架4与第一龙门架41滑动连接，3D振镜2的激光发射镜头垂直向下，工作台面8位于3D振镜2的激光发射镜头下方空间；激光转向机构包括与二轴运动机构7连接的转向支架5，转向支架5末端连接激光转向镜6，激光转向镜6所在的高度不高于3D振镜2所在的高度。

工作台面8上表面具有转台3，转台3具有夹具31且转台3与转台传动机构31连接，转台传动机构31带动转台3和夹具31旋转，本实施例中，夹具31为三爪卡盘，用于待加工工件(锅具)的夹持固定，使得转台传动机构31带动转台3、夹具31和被夹持的工件旋转。

本实施例中，转台3具有凸轮分割器确保旋转运动的精度满足加工要求。

第一龙门架41设有横向布置的可调滑轨，激光器支架4连接在可调滑轨上，激光器支架4利用可调滑轨沿水平方向运动带动飞秒激光器1沿可调滑轨方向水平运动；激光器支架4具有纵向运动机构，纵向运动机构带动飞秒激光器1沿竖直方向运动；纵向运动机构能够根据使用要求调整激光器的安装高度。

3D振镜2安装于飞秒激光器1的激光发射端，镜头朝向为垂直向下。垂直方向上，3D振镜2的镜头中心点与转台3中心点处于同一直线，3D振镜2和飞秒激光器1被激光器支架4带动沿水平方向运动至设定位置时，3D振镜2的镜头中心点与转台3中心点重合，使3D振镜2进行可控的激光扫描。

二轴运动机构7包括第二龙门架71，第二龙门架71的顶梁具有连接板72，连接板72与第二龙门架71的顶梁平行布置，连接板72远离第二龙门架71顶梁的一侧设有平行布置的横向导轨73，支座74与横向导轨73活动连接，支座74设有纵向导槽75，纵向导槽75连接转向支架5。

支座74利用横向导轨73实现转向支架5和激光转向镜6在水平方向的运动(Y轴)，改变水平方向上激光转向镜6与转台3的相对位置，同时也改变水平方向上激光转向镜6与待加工工件所在的位置；

转向支架5在纵向导槽75内沿垂直方向运动(Z轴)，改变垂直方向上激光转向镜6与转台3的相对位置，同时也改变垂直方向上激光转向镜6与待加工工件所在的位置。

转向支架5一端连接在支座74的纵向导槽75内，另一端端连接激光转向镜6，形成开口向下的倒U型，使得连接激光转向镜6的一端在垂直方向运动后能够伸入到待加工工件的内部，对工件的内侧壁进行加工。

本实施例中，基于不粘锅具备多种形态内表面的特点，为满足部分不粘锅(例如高压电饭锅)垂直内表面(内侧壁)的加工需求，激光转向镜6固定于转向镜夹具上，与工件底面呈45°夹角，转向镜夹具与转向支架5相连，转向支架可根据不同加工环境柔性调整，目的是辅助二轴运动机构7将激光转向镜探入工件内部，并保证激光转向镜6与二轴运动机构7的相对位置处于工件内部；同时转向支架5与支座74形成的倒U型结构，使转向支架5连接转向镜的一端与工件内部顶面基本平齐，由此，利用二轴运动机构7是激光转向镜6在Y、Z两轴方向上的移动，确保转向镜可以准确的探入或脱离工件内部，同时利用激光转向镜6将3D振镜2发出的垂直向下的激光转换到所需的工件加工面上；

本实施例中，转向镜夹具与工件底面呈45°夹角，则激光转向镜6将3D振镜2发出的垂直向下的激光转换到水平方向，实现工件内侧壁的加工，还可以根据工件的形状改变夹角的角度，满足工件内部的加工需求；

例如，当工件为侧壁和底面弧形圆滑过渡的锅具时，转向镜夹具与工件底面之间的夹角在一定范围内改变，实现工件内部的加工需求。

同样的，纵向导槽75使得激光转向镜6转换出的激光高度发生变化，进而应对工件内侧壁不同高度的加工需求。

对于二轴运动机构7，在本实施例中，是由Y、Z两轴构成的二轴龙门模组，固定于工作台面8上。

可以理解的是，在对(工件)锅体进行定位夹持后，二轴运动机构7带动激光转向机构运动过程中对工件位置进行避让，防止装置出现损伤。

激光器支架4在镜头中心定位完成、镜头高度定位完成后结束运动，加工过程中激光器支架在水平方向上固定不动，通过3D振镜的作用使激光在工件底面完成扫描加工。3D振镜改变激光的射出方向与作用在工件上的位置，不再需要激光器支架的水平运动作用。

工作台面8表面采用柔性加工实验台，为实现面向多种锅体内表面的柔性加工调整。

通过激光发生机构中3D振镜2对激光在底面上的可控扫描、激光转向机构对光的反射与夹具转台3带动工件整周旋转三者相结合，实现激光对锅胚内部侧表面全面精密加工。

夹持工件(待加工锅具)的转台位置固定，激光器在支架带动下进行的往复直线运动轨迹，落在垂直方向上转台的旋转中心，一方面使锅具装入和拆卸夹具的过程不需要复杂的定位过程，另一方面基于激光器支架的直线运动、转台的旋转运动实现锅具内壁底面的纳米网格状微结构成型，成型过程更加简单。

利用飞秒激光器在锅具内底面加工出所需的纳米级网格状微结构之后，在飞秒激光器位置不变的情况下，仅通过改变激光转向镜的旋转角度和位置即可满足对锅具内侧壁的加工需求，加工装置结构简单。

能够在多种材质的锅胚内表面进行微结构成型，成型的网格状微结构具有良好的防粘性能，满足对于不粘锅性能的要求。

克服了传统涂层材料结合力不强的缺陷，且在金属表面成型的微结构具有良好的抗划伤性，克服了传统不粘锅使用寿命不长的问题，在取代使用不粘涂层的同时，也避免了不粘涂层在高温下产生有害物质的隐患。

激光发生装置采用飞秒激光器，相对于传统激光器，采用飞秒激光器使得加工过程更加的高效，对加工环境无特殊要求，可顺利集成进现有流水线加工过程中，且减少了微裂纹的产生呈现出极高的微结构品质。

实施例二：

本实施例的目的是提供一种基于实施例一中的装置实现不粘锅内表面处理的加工方法，包括以下步骤：

工件装入转台中的夹具，激光器支架带动飞秒激光器和3D振镜运动，使3D振镜的镜头中心在垂直方向上与转台的旋转中心重合；

转台旋转，飞秒激光器启动，3D振镜改变激光的射出方向与作用在工件上的位置实现工件内底面加工；

飞秒激光器关闭，转台停止，二轴运动机构带动激光转向镜沿水平方向运动至3D振镜的镜头正下方，依据加工需求调节激光转向镜的旋转角度，二轴运动机构带动激光转向镜依据加工需求沿垂直方向运动至加工起始点；

转台旋转，飞秒激光器启动，二轴运动机构带动激光转向镜依据加工需求沿垂直方向运动至加工终点，实现工件内侧壁加工。

具体如下：

基于待加工锅体10的形状选择夹具尺寸，调节激光发生机构的高度，通过转台3中的夹具动作对工件进行定位夹紧，工作位置校准无误后将计算机中锅体数据导入控制系统中。

首先进行激光对工件底面的扫描加工，飞秒激光器1与3D振镜2接收控制信号协同工作在底面进行纳米级网格状微结构成型加工，该过程由飞秒激光器1控制激光的发生，并由3D振镜2控制激光在X-Y平面的作用位置，此时激光转向镜6受二轴运动机构7牵引远离光路工作位置。

随着工件底面加工结束，飞秒激光器1关闭。针对存在垂直或较大角度侧面的锅形，激光转向镜6在二轴运动机构7作用下探入锅体内部，并使激光转向镜底部与锅底内表面基本持平，镜面与工件底面呈45°夹角。开启激光发生机构，并传输适当的控制信号，激光由振镜射出在激光转向镜反射由Z向转变为Y向配合夹具转台3的旋转实现对锅体垂直内表面的加工。

可以理解的是，根据锅体形状的差异，在部分不存在较大角度侧面的锅形中无需引入激光转向机构或需要对各加工数据(例如激光转向镜安装角度等)进行柔性调整，以完成面向多种锅形的内表面精密加工处理。

上述过程可以根据锅胚尺寸形态调整夹具，加工装置主体具有良好的普适性，且加工过程经济便捷，符合绿色制造的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于不粘锅内表面处理的加工装置，其特征在于：包括位于工作台面上的激光发生机构和激光转向机构，激光发生机构通过第一龙门架连接在工作台面上，激光转向机构通过二轴运动机构连接在工作台面上；

激光发生机构包括连接在一起的飞秒激光器和3D振镜，飞秒激光器连接在激光器支架上，激光器支架与第一龙门架滑动连接，3D振镜的激光发射镜头垂直向下，工作台面位于3D振镜的激光发射镜头下方空间；激光转向机构包括与二轴运动机构连接的转向支架，转向支架末端连接激光转向镜，激光转向镜所在的高度不高于3D振镜所在的高度；

所述二轴运动机构包括第二龙门架，第二龙门架的顶梁具有连接板，连接板与第二龙门架的顶梁平行布置；

所述连接板远离第二龙门架顶梁的一侧设有平行布置的横向导轨，支座与横向导轨活动连接，支座利用横向导轨实现转向支架和激光转向镜在水平方向的运动；

所述支座设有纵向导槽，纵向导槽连接转向支架，转向支架利用纵向导槽沿垂直方向运动；

所述转向支架一端连接在支座的纵向导槽内，另一端连接激光转向镜，形成开口向下的倒U型结构，使得连接激光转向镜的一端在垂直方向运动后能够伸入到待加工工件的内部，对工件的内侧壁进行加工。

2.如权利要求1所述的一种用于不粘锅内表面处理的加工装置，其特征在于：所述工作台面上表面具有转台，转台具有夹具且转台与转台传动机构连接，转台传动机构带动转台和夹具旋转。

3.如权利要求1所述的一种用于不粘锅内表面处理的加工装置，其特征在于：所述第一龙门架设有横向布置的可调滑轨，激光器支架连接在可调滑轨上，激光器支架利用可调滑轨带动飞秒激光器沿可调滑轨方向水平运动。

4.如权利要求3所述的一种用于不粘锅内表面处理的加工装置，其特征在于：所述激光器支架具有纵向运动机构，纵向运动机构带动飞秒激光器沿竖直方向运动，纵向运动机构依据加工需求调整飞秒激光器的安装高度。

5.如权利要求1所述的一种用于不粘锅内表面处理的加工装置，其特征在于：所述3D振镜的镜头中心点在垂直方向上与转台中心点处于同一直线，3D振镜和飞秒激光器通过激光器支架带动沿水平方向运动至设定位置时，3D振镜的镜头中心点与转台中心点在垂直方向上重合。

6.基于权利要求1-5任一所述的装置实现不粘锅内表面处理的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

工件装入转台中的夹具，激光器支架带动飞秒激光器和3D振镜运动，使3D振镜的镜头中心在垂直方向上与转台的旋转中心重合；

转台旋转，飞秒激光器启动，3D振镜改变激光的射出方向与作用在工件上的位置实现工件内底面加工；

飞秒激光器关闭，转台停止，二轴运动机构带动激光转向镜沿水平方向运动至3D振镜的镜头正下方，依据加工需求调节激光转向镜的旋转角度，二轴运动机构带动激光转向镜依据加工需求沿垂直方向运动至加工起始点；

转台旋转，飞秒激光器启动，二轴运动机构带动激光转向镜依据加工需求沿垂直方向运动至加工终点，实现工件内侧壁加工。

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