CN115415251A - 一种音圈电机转镜激光清洗系统及其清洗方法 - Google Patents

一种音圈电机转镜激光清洗系统及其清洗方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种音圈电机转镜激光清洗系统及其清洗方法，该系统包括：激光发射器、前聚焦扫描振镜、音圈电机以及双轴快速转向镜；激光发射器，用于产生初始激光并经过激光通道照射至所述前聚焦扫描振镜；前聚焦扫描振镜，用于对初始激光进行聚焦得到清洗激光；音圈电机，用于根据待清洗部位调整双轴快速转向镜的倾斜角度；双轴快速转向镜，用于反射所述清洗激光将所述清洗激光照射至待清洗部位进行清洗。本发明提供的一种音圈电机转镜激光清洗系统及其清洗方法，可以通过音圈电机根据实际需要调整双轴快速转向镜的角度，以改变清洗部位。

Description

一种音圈电机转镜激光清洗系统及其清洗方法
技术领域
本发明涉及激光清洗技术领域，尤其涉及一种音圈电机转镜激光清洗系统及其清洗方法。
背景技术
随着工业生产的发展，工业设备逐渐增多，但是工业设备在使用的过程中其表面会沉积灰尘、油污等污染物，而使用的管道，尤其是环形管道，因为其尺寸和形状容易堆积油污等污染物，工业设备堆积的污染物不及时清洗不仅会降低工业生产的效率，甚至会使得工业生产出现故障。
目前，在工业设备的大幅面清洗任务中，普遍依靠工人手执锤子、铲子等传统机械工具进行对设备表面的污染物进行清洗，对于环形管道的清洗，工人作业时需要不断转动环形管道或激光清洗设备才能将环形管道清洗干净。
但是，通过人工清洗工业设备的大幅面清洗任务时，工人的劳动强度大，而且耗时长、效率低，对于环形管道的清洗，由于需要不断转动环形管道，清洗操作复杂。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种音圈电机转镜激光清洗系统及其清洗方法，用以解决现有技术中在人工清洗大幅面清洗任务时，劳动强度大、效率低且在清洗管道时操作复杂的问题。
为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种音圈电机转镜激光清洗系统，包括：激光发射器、前聚焦扫描振镜、音圈电机以及双轴快速转向镜；
激光发射器，用于产生初始激光并经过激光通道照射至前聚焦扫描振镜；
前聚焦扫描振镜，用于对初始激光进行聚焦得到清洗激光；
音圈电机，用于根据待清洗部位调整双轴快速转向镜的倾斜角度；
双轴快速转向镜，用于反射清洗激光将清洗激光照射至待清洗部位进行清洗。
第二方面，本发明还提供了一种音圈电机转镜激光清洗方法，基于如上述的音圈电机转镜激光清洗系统，方法包括：
获取待清洗部位，通过激光发射器产生初始激光并经过激光通道照射至前聚焦扫描振镜；
通过前聚焦扫描振镜将初始激光进行聚焦得到清洗激光；
通过音圈电机根据待清洗部位调整双轴快速转向镜的倾斜角度；
通过双轴快速转向镜反射清洗激光将清洗激光照射至待清洗部位进行清洗。
优选的，通过音圈电机根据待清洗部位调整双轴快速转向镜的倾斜角度，包括：
基于L1自适应控制算法建立音圈电机控制系统，获取音圈电机控制系统的系统参数和扰动参数；
根据系统参数和扰动参数建立音圈电机模型；
通过音圈电机模型和待清洗部位调整双轴快速转向镜的角度。
优选的，根据系统参数和扰动参数建立音圈电机模型，包括：
根据音圈电机控制系统、系统参数和扰动参数建立音圈电机数学模型；
根据音圈电机数学模型、系统参数和扰动参数建立音圈电机动态模型。
优选的，通过音圈电机模型和待清洗部位调整双轴快速转向镜的倾斜角度，包括：
根据系统参数、音圈电机动态模型和待清洗部位确定音圈电机的输出信号；
根据音圈电机的输出信号调整双轴快速转向镜的角度。
优选的，根据系统参数、音圈电机动态模型和待清洗部位确定音圈电机的输出信号，包括：
获取音圈电机转镜激光清洗系统的增益常量，根据增益常量和系统参数确定状态反馈矩阵；
根据状态反馈矩阵和音圈电机动态模型得到状态预测模型；
根据状态预测模型和待清洗部位得到音圈电机的输出信号。
优选的，根据状态预测模型和待清洗部位得到音圈电机的输出信号，还包括：
根据状态预测模型和待清洗部位确定音圈电机转镜激光清洗系统的输入信号的约束条件；
通过低通滤波消除约束条件中的干扰。
优选的，通过低通滤波消除约束条件中的干扰，包括：根据扰动消除公式消除约束条件中的扰动，得到无扰动输入信号。
优选的，扰动消除公式为：
Figure BDA0003847735340000031
其中，k为低通滤波系数，s为复频率，c(s)为消除增益。
优选的，通过双轴快速转向镜反射清洗激光将清洗激光照射至待清洗部位进行清洗，包括：
根据清洗激光和双轴快速转向镜的角度，确定清洗激光的传输直径；
根据洗激光的传输直径覆盖待清洗部位进行清洗。
采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的一种音圈电机转镜激光清洗系统及其清洗方法，通过激光发射器产生初始激光，由前聚焦扫描振镜将初始激光进行聚焦，提升激光的能量，得到清洗激光，由音圈电机根据待清洗部位的位置调整双轴快速转向镜的偏斜角度，当清洗激光照射到双轴快速转向镜时，改变清洗激光的路径，使得清洗激光能够覆盖在待清洗部位上，从而实现清洗。本发明通过前聚焦扫描振镜将初始激光进行聚焦，提高了激光的能量，对于顽固污染物的清洗效果更好，由音圈电机根据待清洗部位调节双轴快速转向镜的偏斜角度，从而改变了清洗激光的路径，使得清洗激光能够覆盖在待清洗部位上，对污染物实现精准清洗，也增加了清洗激光的偏转范围，从而扩大激光清洗的幅面，不需要在清洗的过程中转动待清洗设备，从而提高了清洗效率，本发明通过激光对工业设备的污染物进行清洗，降低了清洗过程中的污染，也进一步提高了清洗效率。
附图说明
图1为本发明提供的音圈电机转镜激光清洗系统的一实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的音圈电机转镜激光清洗方法的一实施例的流程示意图；
图3为本发明提供的双轴快速转向镜改变清洗激光的传输角度的一实施例的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明提供了一种音圈电机转镜激光清洗系统及其清洗方法，以下分别进行说明。
请参阅图1，图1为本发明提供的音圈电机转镜激光清洗系统的一实施例的结构示意图，本发明的一个具体实施例，公开了一种音圈电机转镜激光清洗系统，包括：激光发射器10、前聚焦扫描振镜20、音圈电机以及双轴快速转向镜30；
激光发射器10，用于产生初始激光并经过激光通道照射至前聚焦扫描振镜；
前聚焦扫描振镜20，用于对初始激光进行聚焦得到清洗激光；
音圈电机，用于根据待清洗部位调整双轴快速转向镜30的倾斜角度；
双轴快速转向镜30，用于反射清洗激光将清洗激光照射至待清洗部位进行清洗。
在上述实施例中，激光发射器10根据清洗需要，发射出能够满足清洗需要的初始激光，该初始激光对污染物具有清洗作用，并将该初始激光传输至前聚焦扫描振镜20。需要说明的是，激光通道为图1中激光发射器10和前聚焦扫描振镜20中间的部位，激光通道为激光的传输通道。
前聚焦扫描振镜20满足对于小光斑大尺寸加工范围的应用要求，并在使用相同扫描振镜的状况下改变工作范围，距离和光斑大小。需要说明的是，前聚焦扫描振镜20的数量可以根据实际情况进行选择，前聚焦扫描振镜20的数量增加时，激光的功率也进一步提高，也即提高清洗的效果。
音圈电机(在图1中未示出)与双轴快速转向镜30连接，音圈电机还配套有控制器，控制器可以获取待清理部位，根据待清理部位的位置信息生成控制信号驱动音圈电机来调节双轴快速转向镜30的倾斜角度。
双轴快速转向镜30固定在一个转动装置上，音圈电机与该转动装置连接，音圈电机通过转动该转动转轴，实现改变双轴快速转向镜30的倾斜角度。
需要说明的是，控制器可以是单片机等具有控制功能的装置或设备，而获取待清理部位可以根据图像识别等手段实现，对于控制器如何控制以及如何获取待清理部位都有现有技术进行说明，其实现是清楚的，本发明在此不需要赘述。转动装置可以是转轴，也可以是角轴等结构，本发明对此不做进一步限制，只要求能固定双轴快速转向镜30且可以进行一定的转动即可。
双轴快速转向镜30是带位置反馈的双轴快速转向镜30，即双轴快速转向镜30将激光反射之后会得到激光照射的位置信息，控制器通过反馈的位置信息可以调整音圈电机从而调整激光覆盖的区域。需要说明的是，带位置反馈的双轴快速转向镜30本身就具有位置反馈功能，现有技术中具有带位置反馈的双轴快速转向镜30，可以直接使用。
与现有技术相比，本实施例提供的一种音圈电机转镜激光清洗系统，通过激光发射器10产生初始激光，由前聚焦扫描振镜20将初始激光进行聚焦，提升激光的能量，得到清洗激光，由音圈电机根据待清洗部位的位置调整双轴快速转向镜30的偏斜角度，当清洗激光照射到双轴快速转向镜30时，改变清洗激光的路径，使得清洗激光能够覆盖在待清洗部位上，从而实现清洗。本发明通过前聚焦扫描振镜20将初始激光进行聚焦，提高了激光的能量，对于顽固污染物的清洗效果更好，由音圈电机根据待清洗部位调节双轴快速转向镜30的偏斜角度，从而改变了清洗激光的路径，使得清洗激光能够覆盖在待清洗部位上，对污染物实现精准清洗，也增加了清洗激光的偏转范围，从而扩大激光清洗的幅面，不需要在清洗的过程中转动待清洗设备，从而提高了清洗效率，本发明通过激光对工业设备的污染物进行清洗，降低了清洗过程中的污染，也进一步提高了清洗效率。
请参阅图2，图2为本发明提供的音圈电机转镜激光清洗方法的一实施例的流程示意图，本发明还提供了一种音圈电机转镜激光清洗方法，基于如上述的音圈电机转镜激光清洗系统，包括：
S201、获取待清洗部位，通过激光发射器产生初始激光并经过激光通道照射至前聚焦扫描振镜；
S202、通过前聚焦扫描振镜将初始激光进行聚焦得到清洗激光；
S203、通过音圈电机根据待清洗部位调整双轴快速转向镜的倾斜角度；
S204、通过双轴快速转向镜反射清洗激光将清洗激光照射至待清洗部位进行清洗。
在上述实施例中，通过图像识别技术对设备的表面进行识别，确定待清洗部分，然后通过激光发射器10产生初始激光并传输初始激光，该初始激光对污染物具有清洗作用，并将该初始激光传输至前聚焦扫描振镜20。
初始激光在传输的过程中可能会比较分散，因此其具有的能量也会比较分散，前聚焦扫描振镜20实现将初始激光进行聚焦，得到清洗激光，从而提高了清洗激光的能量，以实现将待清洗部位的污染物进行清洗，提高了清洗的效果。
音圈电机与双轴快速转向镜30连接，可以驱动双轴快速转向镜30转动，改变其倾斜角度，当清洗激光照射到双轴快速转向镜30时，由于双轴快速转向镜30倾斜角度的改变，也就改变了清洗激光的传输路径，实现将清洗激光传输至待清洗部位进行清洗。
在本发明的一些实施例中，通过音圈电机根据待清洗部位调整双轴快速转向镜30的倾斜角度，包括：
基于L1自适应控制算法建立音圈电机控制系统，获取音圈电机控制系统的系统参数和扰动参数；
根据系统参数和扰动参数建立音圈电机模型；
通过音圈电机模型和待清洗部位调整双轴快速转向镜30的角度。
在上述实施例中，A、b为音圈电机控制系统的系统参数，σ为系统产生的扰动参数，将音圈电机的模型相关参数用A表示，信号输入的相关参数用b表示。
需要说明的是，A、b为音圈电机在实际运行过程中的固有参数，与音圈电机的结构和运行状态有关，可以通过测量得到。
音圈电机模型能够模拟音圈电机的运行过程，通过音圈电机模型可以了解模型的输入和输出的关系，从而更好的控制音圈电机的工作，也即调节清洗激光可以覆盖到的范围，实现大范围的污染物的清洗。
在本发明的一些实施例中，根据系统参数和扰动参数建立音圈电机模型，包括：
根据音圈电机控制系统、系统参数和扰动参数建立音圈电机数学模型；
根据音圈电机数学模型、系统参数和扰动参数建立音圈电机动态模型。
在上述实施例中，音圈电机数学模型如下：
Figure BDA0003847735340000091
音圈电机动态模型如下：
Figure BDA0003847735340000092
其中，x(t)∈Rn为输入信号的状态向量，是已知参数，u(t)∈Rn为约束条件，b、c∈Rn为已知的常数向量，A为已知的n×n矩阵，要求(A,b)是必须是可控的模型参数，未知参数θ∈Rn，它是提前设定的紧凸集θ∈Ω，σ(t)是时变干扰，y(t)∈R为系统输出信号，
Figure BDA0003847735340000093
是音圈电机数学模型的总输入信号，
Figure BDA0003847735340000094
是音圈电机动态模型的总输入信号。
在本发明的一些实施例中，通过音圈电机模型和待清洗部位调整双轴快速转向镜30的倾斜角度，包括：
根据系统参数、音圈电机动态模型和待清洗部位确定音圈电机的输出信号；
根据音圈电机的输出信号调整双轴快速转向镜30的角度。
在上述实施例中，通过公式(2)可以计算出音圈电机的输出信号，音圈电机根据输出信号运行，实现调整双轴快速转向镜30的角度。
在本发明的一些实施例中，根据系统参数、音圈电机动态模型和待清洗部位确定音圈电机的输出信号，包括：
获取音圈电机转镜激光清洗系统的增益常量，根据增益常量和系统参数确定状态反馈矩阵；
根据状态反馈矩阵和音圈电机动态模型得到状态预测模型；
根据状态预测模型和待清洗部位得到音圈电机的输出信号。
在上述实施例中，状态反馈矩阵的计算公式如下：
Am＝A-bKT； (3)
其中，K是增益常量，KT为K的转置，Am为状态反馈矩阵。
根据公式(2)和公式(3)可得状态预测模型为：
Figure BDA0003847735340000101
其中，
Figure BDA0003847735340000102
分别为音圈电机动态模型中x、θ、σ的相关估计值，其他类似表示同理。
在本发明的一些实施例中，根据状态预测模型和待清洗部位得到音圈电机的输出信号，还包括：
根据状态预测模型和待清洗部位确定音圈电机转镜激光清洗系统的输入信号的约束条件；
通过低通滤波消除约束条件中的干扰。
在上述实施例中，当系统的工作时间趋于无穷时,为了满足
Figure BDA0003847735340000103
有约束条件如公式(5)所示：
Figure BDA0003847735340000104
对公式(4)中的输出信号做拉普拉斯变换并考虑公式(5)可得：
Figure BDA0003847735340000105
在本发明的一些实施例中，通过低通滤波消除约束条件中的干扰，包括：根据扰动消除公式消除约束条件中的扰动，得到无扰动输入信号。
在本发明的一些实施例中，扰动消除公式为：
Figure BDA0003847735340000106
其中，k为低通滤波系数，s为复频率，c(s)为消除增益。
在上述实施例中，通过设置低通滤波器消除系统中的高频扰动，通过公式(5)和公式(7)消除扰动，可得：
Figure BDA0003847735340000111
通过公式(6)和公式(8)可得系统在无扰动时的输出信号。
请参阅图3，图3为本发明提供的双轴快速转向镜改变清洗激光的传输角度的一实施例的原理示意图，在本发明的一些实施例中，通过双轴快速转向镜30改变清洗激光的传输角度，将清洗激光照射至待清洗部位进行清洗，包括：
根据清洗激光和双轴快速转向镜30的角度，确定清洗激光的传输直径；
根据洗激光的传输直径覆盖待清洗部位进行清洗。
在上述实施例中，清洗激光以一定的角度照射到双轴快速转向镜30，该角度为入射角，双轴快速转向镜30还可以调整其自身的角度，入射角和双轴快速转向镜30的角度不同，允许传输的清洗激光的直径也不同。
入射度的范围是0-90°，是清洗激光平行打入和垂直照射至双轴快速转向镜30平面的角度范围，双轴快速转向镜30的倾斜角范围是+/-25°，可以实现高达+/-50°的光学偏转，这是在紧凑外形中实现大偏转应用的理想选择。
需要说明的是，对于双轴快速转向镜30的倾斜角的调节是根据实际清洗时的待清洗部位的位置信息实现的，其调节通过音圈电机实现，在音圈点解和双轴快速转向镜30的共同作用下，提高了激光清洗的范围，只需要根据待清洗部位的位置，改变双轴快速转向镜30的倾斜角即可实现。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种音圈电机转镜激光清洗系统，其特征在于，包括：激光发射器、前聚焦扫描振镜、音圈电机以及双轴快速转向镜；
所述激光发射器，用于产生初始激光并经过激光通道照射至所述前聚焦扫描振镜；
所述前聚焦扫描振镜，用于对所述初始激光进行聚焦得到清洗激光；
所述音圈电机，用于根据待清洗部位调整所述双轴快速转向镜的倾斜角度；
所述双轴快速转向镜，用于反射所述清洗激光将所述清洗激光照射至所述待清洗部位进行清洗。
2.一种音圈电机转镜激光清洗方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的音圈电机转镜激光清洗系统，所述方法包括：
获取待清洗部位，通过所述激光发射器产生初始激光并经过激光通道照射至所述前聚焦扫描振镜；
通过所述前聚焦扫描振镜将所述初始激光进行聚焦得到清洗激光；
通过所述音圈电机根据所述待清洗部位调整所述双轴快速转向镜的倾斜角度；
通过所述双轴快速转向镜反射所述清洗激光将所述清洗激光照射至所述待清洗部位进行清洗。
3.根据权利要求2所述的音圈电机转镜激光清洗方法，其特征在于，所述通过所述音圈电机根据所述待清洗部位调整所述双轴快速转向镜的倾斜角度，包括：
基于L1自适应控制算法建立音圈电机控制系统，获取所述音圈电机控制系统的系统参数和扰动参数；
根据所述系统参数和所述扰动参数建立音圈电机模型；
通过所述音圈电机模型和所述待清洗部位调整所述双轴快速转向镜的角度。
4.根据权利要求3所述的音圈电机转镜激光清洗方法，其特征在于，所述根据所述系统参数和所述扰动参数建立音圈电机模型，包括：
根据所述音圈电机控制系统、所述系统参数和所述扰动参数建立音圈电机数学模型；
根据所述音圈电机数学模型、所述系统参数和所述扰动参数建立音圈电机动态模型。
5.根据权利要求4所述的音圈电机转镜激光清洗方法，其特征在于，所述通过所述音圈电机模型和所述待清洗部位调整所述双轴快速转向镜的倾斜角度，包括：
根据所述系统参数、所述音圈电机动态模型和所述待清洗部位确定音圈电机的输出信号；
根据所述音圈电机的输出信号调整所述双轴快速转向镜的角度。
6.根据权利要求5所述的音圈电机转镜激光清洗方法，其特征在于，所述根据所述系统参数、所述音圈电机动态模型和所述待清洗部位确定音圈电机的输出信号，包括：
获取所述音圈电机转镜激光清洗系统的增益常量，根据所述增益常量和所述系统参数确定状态反馈矩阵；
根据所述状态反馈矩阵和所述音圈电机动态模型得到状态预测模型；
根据所述状态预测模型和所述待清洗部位得到音圈电机的输出信号。
7.根据权利要求6所述的音圈电机转镜激光清洗方法，其特征在于，所述根据所述状态预测模型和所述待清洗部位得到音圈电机的输出信号，还包括：
根据所述状态预测模型和所述待清洗部位确定所述音圈电机转镜激光清洗系统的输入信号的约束条件；
通过低通滤波消除所述约束条件中的干扰。
8.根据权利要求7所述的音圈电机转镜激光清洗方法，其特征在于，所述通过低通滤波消除所述约束条件中的干扰，包括：根据扰动消除公式消除所述约束条件中的扰动，得到无扰动输入信号。
9.根据权利要求8所述的音圈电机转镜激光清洗方法，其特征在于，所述扰动消除公式为：
Figure FDA0003847735330000031
其中，k为低通滤波系数，s为复频率，c(s)为消除增益。
10.根据权利要求2所述的音圈电机转镜激光清洗方法，其特征在于，所述通过所述双轴快速转向镜反射所述清洗激光将所述清洗激光照射至所述待清洗部位进行清洗，包括：
根据所述清洗激光和所述双轴快速转向镜的角度，确定清洗激光的传输直径；
根据所述洗激光的传输直径覆盖所述待清洗部位进行清洗。
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