CN114850655A - 一种利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置及方法，其装置包括机械手、用于出射激光的激光头和旋转装置，所述旋转装置设置在机械手下方的外部载体上，并可周向转动，待加工的螺旋桨设置于所述旋转装置上，并可随着所述旋转装置一同周向转动，所述激光头转动设置在所述机械手的末端，且所述激光头出射的激光可照射至下方的所述螺旋桨的桨叶表面。本发明通过所述机械手驱动所述激光头运动，以使得激光头出射的激光对螺旋桨的桨叶表面进行加工，可以快速高效地完成对螺旋桨的桨叶表面改性处理，并在所述螺旋桨的桨叶表面形成复合微观结构，降低螺旋桨在淡水、海水中工作的噪音，结构简单，加工速度快，绿色环保无污染。

Description

一种利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置及方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置及方法。
背景技术
螺旋桨噪声是舰船噪声的三大主要噪声之一，螺旋桨运动时伴随着噪声，其成分可以分为流噪声与机械振动诱发的噪声。随着科学技术的不断发展，机械加工的精度得到了极大地改善，螺旋桨与轴、主机之间的装配精度也达到了一定的高度，这就大大的减少了机械传动时伴随着的振动噪声。因此，流噪声自然而然的成为了当前螺旋桨产生噪声的主要声源。随着舰船、水下航行体等不断向重型高速发展，其水下辐射噪声引起的海洋噪声污染和自身声隐身性能下降的问题也日益严重。军事领域，在1千赫到5千赫范围内，辐射噪声每提10分贝，对方声呐探测距离可提高一倍。螺旋桨噪声是影响水声侦察船、扫雷舰船等技术性能的关键因素，限制该类舰船的效能。综上，舰船辐射噪声对舰船生存和作战性能有着相当大的影响，如何降低舰船噪声已成为刻不容缓的课题。
目前，螺旋桨表面改性主要通过附着涂层的方法，随着防污涂层对环境有害以及人们环保意识的增强，有机锡防污涂层和无锡自抛光防污涂层逐渐被环境友好的附着释放型防污涂层替代。虽然附着释放型防污涂层表现出较为优异的防生物粘附效果，然而涂层使用本身对螺旋桨效率的影响也有待明确。同时随着海生物的附着，涂层会一层一层的脱离，降低保护效果，持久性得不到保证，脱离的涂层依旧会对海洋环境造成影响。因此，开发一种工艺简单，绿色环保无污染，能耗少，成本低效率高的一种降噪船舶螺旋桨表面改性的加工方式，是目前科研工作者亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置，包括机械手、用于出射激光的激光头和旋转装置，所述旋转装置设置在机械手下方的外部载体上，并可周向转动，待加工的螺旋桨设置于所述旋转装置上，并可随着所述旋转装置一同周向转动，所述激光头转动设置在所述机械手的末端，且所述激光头出射的激光可照射至下方的所述螺旋桨的桨叶表面。
本发明的有益效果是：本发明的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置，通过所述机械手驱动所述激光头运动，以使得激光头出射的激光对螺旋桨的桨叶表面进行加工，可以快速高效地完成对螺旋桨的桨叶表面改性处理，并在所述螺旋桨的桨叶表面形成复合微观结构，降低螺旋桨在淡水、海水中工作的噪音，结构简单，加工速度快，绿色环保无污染。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述激光头的驱动末端设置有转向机构，所述激光有通过所述转向机构设置在所述激光头的驱动末端，且所述有转向机构可驱动所述激光头转动，以使得所述激光头出射的激光与所述螺旋桨的桨叶表面之间相互垂直。
上述进一步方案的有益效果是：通过设置所述转向机构，可以比较方便地调节所述激光头的激光出射方向，从而使得所述激光头出射的激光与所述螺旋桨的桨叶表面之间相互垂直，从而便于控制所述激光头出射的激光对螺旋桨的桨叶表面进行精准扫描，同时，有利于提高激光的能量利用率。
进一步：所述激光头还出射指示光，且所述激光头出射的指示光在所述螺旋桨的桨叶表面形成的光斑与所述激光头出射的激光在所述螺旋桨的桨叶表面形成的光斑重合。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述激光头出射的指示光可以方便在加工开始前调节所述激光头的位置时起到辅助作用，同时也方便调节所述激光测距仪的姿态，以便于测量所述激光头与所述螺旋桨的桨叶表面之间的距离。
进一步：所述激光头与所述螺旋桨的桨叶表面之间的距离保持动态不变，且所述激光头出射的激光的焦点位于所述螺旋桨的桨叶表面所在平面内。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述机械手带动所述激光头运动，并配合所述转向机构驱动所述激光头转动，可以使得所述激光头与所述螺旋桨的桨叶表面之间的距离保持动态不变，并与所述激光头出射的激光的焦距相等，这样，所述螺旋桨的桨叶表面始终位于激光的焦平面上，提高了加工效率和激光的能量利用率。
本发明还提供了一种利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法,其采用所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置，所述方法包括如下步骤：
S1:将所述螺旋桨的桨叶表面待加工区域清洗干净并吹干；
S2:调整所述机械手和转向机构的初始位置和姿态，使得所述激光头的出射的激光的光斑位于所述螺旋桨的桨叶表面待加工区域；
S3：控制所述激光头出射指示光，并调整所述激光测距仪的姿态，使得所述激光头出射的指示光在所述螺旋桨的桨叶表面形成的光斑与所述激光测距仪出射的激光在所述螺旋桨的桨叶表面形成的光斑重叠；
S4：开启所述激光头，并控制所述机械手驱动所述激光头运动，以对所述螺旋桨的桨叶表面均匀来回移动扫描并形成复合微结构；
S5：控制所述旋转装置驱动所述螺旋桨水平转动，并将未加工的螺旋桨的桨叶转动至所述激光头的下方，并重复上述步骤S2-S4，直至完成所述螺旋桨的所有桨叶的加工。
本发明的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法，通过所述机械手驱动所述激光头运动，以使得激光头出射的激光对螺旋桨的桨叶表面进行加工，同时通过所述激光测距仪可以方便所述机械手调节所述激光头与螺旋桨的桨叶表面之间的距离，从而可以快速高效地完成对螺旋桨的桨叶表面改性处理，并在所述螺旋桨的桨叶表面形成复合微观结构，降低螺旋桨在淡水、海水中工作的噪音，工艺简单，加工速度快，绿色环保无污染。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述S4中，所述激光头采用重复来回直线扫描，且扫描速度为800mm/s-2000mm/s。
进一步：所述S4还包括：
动态调节所述激光头，以使得所述激光头与所述螺旋桨的桨叶表面之间的距离保持与所述激光头出射的激光焦距相等。
上述进一步方案的有益效果是：通过控制所述激光头与所述螺旋桨的桨叶表面之间的距离保持与所述激光头出射的激光焦距相等，可以使得所述螺旋桨的桨叶表面始终位于激光的焦平面上，提高了加工效率和激光的能量利用率。
进一步：所述激光头出射的激光在所述螺旋桨的桨叶表面形成的光斑沿着垂直于激光来回移动扫描方向的移动线速度V为：
Figure BDA0003558121030000041
其中，L为所述激光头出射的激光在所述螺旋桨的桨叶表面形成的光斑来回直线扫描长度，d为所述激光头的激光光斑直径，v为所述激光头出射的激光来回移动扫描的扫描速度。
上述进一步方案的有益效果是：通过控制所述激光头出射的激光在所述螺旋桨的桨叶表面形成的光斑沿着垂直于激光来回移动扫描方向的移动线速度，可以使得加工完成后形成的复合微观结构具备更好的降噪效果。
本发明还提供了一种低噪音船用螺旋桨，采用所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法制得。
附图说明
图1为本发明一实施例的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置的正视结构示意图；
图2为本发明一实施例的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置的立体结构示意图；
图3为本发明一实施例的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法流程示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、机械手，2、激光头，3、螺旋桨，4、旋转装置，5、转向机构，6、激光测距仪。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和图2所示，一种利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置,包括机械手1、用于出射激光的激光头2和旋转装置4，所述旋转装置4设置在机械手1下方的外部载体上，并可周向转动，待加工的螺旋桨3设置于所述旋转装置4上，并可随着所述旋转装置4一同周向转动，所述激光头2转动设置在所述机械手1的末端，且所述激光头2出射的激光可照射至下方的所述螺旋桨3的桨叶表面。
本发明的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置，通过所述机械手1驱动所述激光头2运动，以使得激光头2出射的激光对螺旋桨3的桨叶表面进行加工，可以快速高效地完成对螺旋桨3的桨叶表面改性处理，并在所述螺旋桨3的桨叶表面形成复合微观结构，降低螺旋桨在淡水、海水中工作的噪音，结构简单，加工速度快，绿色环保无污染。
在本发明的一个或多个实施例中，所述激光头2的驱动末端设置有转向机构5，所述激光有2通过所述转向机构5设置在所述激光头2的驱动末端，且所述有转向机构5可驱动所述激光头2转动，以使得所述激光头2出射的激光与所述螺旋桨3的桨叶表面之间相互垂直。通过设置所述转向机构5，可以比较方便地调节所述激光头2的激光出射方向，从而使得所述激光头2出射的激光与所述螺旋桨3的桨叶表面之间相互垂直，从而便于控制所述激光头2出射的激光对螺旋桨3的桨叶表面进行精准扫描，同时，有利于提高激光的能量利用率。
可选地，在本发明的一个或多个实施例中，所述激光头2还出射指示光，且所述激光头2出射的指示光在所述螺旋桨3的桨叶表面形成的光斑与所述激光头2出射的激光在所述螺旋桨3的桨叶表面形成的光斑重合。通过所述激光头2出射的指示光可以方便在加工开始前调节所述激光头2的位置时起到辅助作用，同时也方便调节所述激光测距仪6的姿态，以便于测量所述激光头2与所述螺旋桨3的桨叶表面之间的距离。
可选地，在本发明的一个或多个实施例中，所述激光头2与所述螺旋桨3的桨叶表面之间的距离保持动态不变，且所述激光头2出射的激光的焦点位于所述螺旋桨3的桨叶表面所在平面内。通过所述机械手1带动所述激光头2运动，并配合所述转向机构5驱动所述激光头2转动，可以使得所述激光头2与所述螺旋桨3的桨叶表面之间的距离保持动态不变，并与所述激光头2出射的激光的焦距相等，这样，所述螺旋桨3的桨叶表面始终位于激光的焦平面上，提高了加工效率和激光的能量利用率。
本发明还提供了一种利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法,其采用所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置，所述方法包括如下步骤：
S1:将所述螺旋桨3的桨叶表面待加工区域清洗干净并吹干；
S2:调整所述机械手1和转向机构5的初始位置和姿态，使得所述激光头2的出射的激光的光斑位于所述螺旋桨3的桨叶表面待加工区域；
S3：控制所述激光头2出射指示光，并调整所述激光测距仪6的姿态，使得所述激光头2出射的指示光在所述螺旋桨3的桨叶表面形成的光斑与所述激光测距仪6出射的激光在所述螺旋桨3的桨叶表面形成的光斑重叠；
S4：开启所述激光头2，并控制所述机械手1驱动所述激光头2运动，以对所述螺旋桨3的桨叶表面均匀来回移动扫描并形成复合微结构；
S5：控制所述旋转装置4驱动所述螺旋桨3水平转动，并将未加工的螺旋桨3的桨叶转动至所述激光头2的下方，并重复上述步骤S2-S4，直至完成所述螺旋桨3的所有桨叶的加工。
本发明的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法，通过所述机械手1驱动所述激光头2运动，以使得激光头2出射的激光对螺旋桨3的桨叶表面进行加工，同时通过所述激光测距仪6可以方便所述机械手1调节所述激光头2与螺旋桨3的桨叶表面之间的距离，从而可以快速高效地完成对螺旋桨3的桨叶表面改性处理，并在所述螺旋桨3的桨叶表面形成复合微观结构，降低螺旋桨在淡水、海水中工作的噪音，工艺简单，加工速度快，绿色环保无污染。
在本发明的一个或多个实施例中，所述S4中，所述激光头2采用重复来回直线扫描，且扫描速度为800mm/s-2000mm/s。
可选地，在本发明的一个或多个实施例中，所述S4还包括：
动态调节所述激光头2，以使得所述激光头2与所述螺旋桨3的桨叶表面之间的距离保持与所述激光头2出射的激光焦距相等。
通过控制所述激光头2与所述螺旋桨3的桨叶表面之间的距离保持与所述激光头2出射的激光焦距相等，可以使得所述螺旋桨3的桨叶表面始终位于激光的焦平面上，提高了加工效率和激光的能量利用率。
在本发明的一个或多个实施例中，所述激光头2出射的激光在所述螺旋桨3的桨叶表面形成的光斑沿着垂直于激光来回移动扫描方向的移动线速度V为：
Figure BDA0003558121030000081
其中，L为所述激光头2出射的激光在所述螺旋桨3的桨叶表面形成的光斑来回直线扫描长度，d为所述激光头2的激光光斑直径，v为所述激光头2出射的激光来回移动扫描的扫描速度。
通过控制所述激光头2出射的激光在所述螺旋桨3的桨叶表面形成的光斑沿着垂直于激光来回移动扫描方向的移动线速度，可以使得加工完成后形成的复合微观结构具备更好的降噪效果。
本发明中，待加工螺旋桨3的直径为160mm，高48mm，材料为9442铜合金，桨叶共3片。将清洗干净的螺旋桨3自然风干后装夹在旋转装置4上，待加工螺旋桨3与旋转装置4键连接，旋转装置4由电机驱动，在激光刻蚀过程中，旋转装置4不工作，激光头2焦距为160mm，光斑直径0.05mm，将激光头2安装在机械手1上，将激光测距仪6安装在激光头2一侧，激光头2与机械手1之间、激光测距仪6与激光头2之间均为螺栓连接，开启激光头2指示光，调整机械手1垂直高度，调整转向机构5转向角度，使激光头2对焦于待加工螺旋桨3桨叶表面，调整激光测距仪6出射光线方向，使出射光线与激光头2对焦处指示光的光斑在桨叶表面重合，激光测距仪6显示距离为171mm。
设置激光扫描参数为扫描速度1320mm/s，重频132kHz，重复来回直线扫描长度为10mm，设置机械手1移动线速度为6.06mm/s，开启激光，机械手1把持激光头2始终与螺旋桨3桨叶表面保持160mm的距离进行刻蚀，期间激光测距仪6保持读数171mm。
加工完第一片桨叶后，激光头2停止出光，机械手1把持激光头2返回初始对焦位置，旋转装置4控制螺旋桨3顺时针旋转120°并固定，激光头2再次出光，重复上述步骤，即可在所述螺旋桨3所有桨叶上制备具有降噪的特殊微观复合结构。
本发明还提供了一种低噪音船用螺旋桨，采用所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法制得。
本发明的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法制得的螺旋桨有如下优点:
(1)本发明采用的激光制备方法工艺简单；
(2)采用本发明处理后得到螺旋桨相较于未处理的螺旋桨在旋转时会有更小的噪音。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置,其特征在于：包括机械手(1)、用于出射激光的激光头(2)和旋转装置(4)，所述旋转装置(4)设置在机械手(1)下方的外部载体上，并可周向转动，待加工的螺旋桨(3)设置于所述旋转装置(4)上，并可随着所述旋转装置(4)一同周向转动，所述激光头(2)转动设置在所述机械手(1)的末端，且所述激光头(2)出射的激光可照射至下方的所述螺旋桨(3)的桨叶表面。
2.根据权利要求1所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置,其特征在于：所述激光头(2)的驱动末端设置有转向机构(5)，所述激光有(2)通过所述转向机构(5)设置在所述激光头(2)的驱动末端，且所述有转向机构(5)可驱动所述激光头(2)转动，以使得所述激光头(2)出射的激光与所述螺旋桨(3)的桨叶表面之间相互垂直。
3.根据权利要求1所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置,其特征在于：所述激光头(2)还出射指示光，且所述激光头(2)出射的指示光在所述螺旋桨(3)的桨叶表面形成的光斑与所述激光头(2)出射的激光在所述螺旋桨(3)的桨叶表面形成的光斑重合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置,其特征在于：还包括激光测距仪(6)，所述激光测距仪(6)设置在所述激光头(2)上，并可随着所述激光头(2)一同运动，用于测量所述激光头(2)与所述螺旋桨(3)的桨叶表面之间的距离，且所述激光头(2)出射的激光在所述螺旋桨(3)的桨叶表面形成的光斑与所述激光测距仪(6)出射的激光在所述螺旋桨(3)的桨叶表面形成的光斑重叠。
5.根据权利要求4所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置,其特征在于：所述激光头(2)与所述螺旋桨(3)的桨叶表面之间的距离保持动态不变，且所述激光头(2)出射的激光的焦点位于所述螺旋桨(3)的桨叶表面所在平面内。
6.一种利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法,其采用权利要求1-4所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的装置，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1:将所述螺旋桨(3)的桨叶表面待加工区域清洗干净并吹干；
S2:调整所述机械手(1)和转向机构(5)的初始位置和姿态，使得所述激光头(2)的出射的激光的光斑位于所述螺旋桨(3)的桨叶表面待加工区域；
S3：控制所述激光头(2)出射指示光，并调整激光测距仪(6)的姿态，使得所述激光头(2)出射的激光在所述螺旋桨(3)的桨叶表面形成的光斑与所述激光测距仪(6)出射的指示光在所述螺旋桨(3)的桨叶表面形成的光斑重叠；
S4：开启所述激光头(2)，并控制所述机械手(1)驱动所述激光头(2)运动，以对所述螺旋桨(3)的桨叶表面均匀来回移动扫描并形成复合微结构；
S5：控制所述旋转装置(4)驱动所述螺旋桨(3)水平转动，并将未加工的螺旋桨(3)的桨叶转动至所述激光头(2)的下方，并重复上述步骤S2-S4，直至完成所述螺旋桨(3)的所有桨叶的加工。
7.根据权利要求6所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法,其特征在于：所述S4中，所述激光头(2)采用重复来回直线扫描，且扫描速度为800mm/s-2000mm/s。
8.根据权利要求6所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法,其特征在于：所述S4还包括：
动态调节所述激光头(2)，以使得所述激光头(2)与所述螺旋桨(3)的桨叶表面之间的距离保持与所述激光头(2)出射的激光焦距相等。
9.根据权利要求5-7任一项所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法,其特征在于：所述激光头(2)出射的激光在所述螺旋桨(3)的桨叶表面形成的光斑沿着垂直于激光来回移动扫描方向的移动线速度V为：
Figure FDA0003558121020000031
其中，L为所述激光头(2)出射的激光在所述螺旋桨(3)的桨叶表面形成的光斑来回直线扫描长度，d为所述激光头(2)的激光光斑直径，v为所述激光头(2)出射的激光来回移动扫描的扫描速度。
10.一种低噪音船用螺旋桨，其特征在于：采用权利要求5-8任一项所述的利用脉冲激光刻蚀降低船用螺旋桨噪音的方法制得。
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