CN116422652A - 应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头及方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头及方法，包括光纤接头、准直组件、电动位移台、反射镜组件、二维振镜模组和聚焦镜组件；光纤接头用于与输出光纤连接锁紧，光纤接头与准直组件连接，准直组件与反射镜组件连接，反射镜组件与二维振镜模组连接，二维振镜模组上设有聚焦镜组件；准直组件用于使输出光纤输送的激光光束进行扩束和准直，保证激光光束直径与聚焦镜组件直径匹配；电动位移台安装在准直组件上。本发明激光清洗加工头的准直光学镜组可沿轴向前后一定范围移动，使经过准直镜组后的光束呈现发散或收敛状态，最终改变聚焦光斑的大小和焦深，满足多样化清洗工艺需求。

Description

应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头及方法

技术领域

本发明属于激光清洗加工技术领域，特别涉及一种应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头及方法。

背景技术

大电流的金具端子（金具端子一般为紫铜材质，价格低、导电及导热性好）是大型水轮发电机电气回路中重要的导电部件,主要用于连通在两段封闭母线导体之间，由于在使用中受空气硫化影响，金具端子的导电触面一旦被硫化污染长时间附着后会显著增加发热量，严重会导致金具端子发热变形，大大降低了其使用寿命，严重的会引起停机，造成电量损失。而现有的清洗方式无论是人工打磨或是干冰清洗都无法实现带电作业，需要机组停机断电才能进行清洗作业，且清洗后需要收集清扫作业区域周边的粘附残余物，存在效率低下、污染严重等缺点。因此亟需一种非接触式、环保高效的清洗方式解决带电清洗大电流金具端子表面硫化污染的难题，同时具备能在清洗完表面硫化污染后金具端子导电触面表面后可生成更致密的钝化膜提高抗硫化污染的能力。针对上述问题，很多企业正在开发了激光清洗设备，现阶段缺少可控的激光清洗加工头。

发明内容

鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头及方法，激光清洗加工头的准直光学镜组可沿轴向前后一定范围移动，使经过准直镜组后的光束呈现发散或收敛状态，最终改变聚焦光斑的大小和焦深，满足多样化清洗工艺需求。

为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：

一种应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头，包括光纤接头、准直组件、电动位移台、反射镜组件、二维振镜模组和聚焦镜组件；光纤接头用于与输出光纤连接锁紧，光纤接头与准直组件连接，准直组件与反射镜组件连接，反射镜组件与二维振镜模组连接，二维振镜模组上设有聚焦镜组件；准直组件用于使输出光纤输送的激光光束进行扩束和准直，保证激光光束直径与聚焦镜组件直径匹配；电动位移台安装在准直组件上。

优选的方案中，所述的准直组件包括准直光学镜组；

反射镜组件包括反射镜片；

二维振镜模组包括X轴振镜和Y轴振镜；

聚焦镜组件包括聚焦光学镜组；

输出光纤输送的激光光束依次经过准直光学镜组、反射镜片、X轴振镜、Y轴振镜、聚焦光学镜组后到达金具端子表面进行清洗；电动位移台用于驱动准直光学镜组移动。

电动位移台可选用电动推杆。本发明中的其它直线模组均可采用电动推杆结构。

优选的方案中，所述的激光清洗加工头用于安装在三轴运动机构上，三轴运动机构包括三轴运动机构X轴模组、三轴运动机构Y轴模组和三轴运动机构Z轴模组；激光清洗加工头安装在三轴运动机构X轴模组上。

优选的方案中，所述的X轴振镜由平面X方向的带电机动态偏转控制，Y轴振镜由Y方向的带电机动态偏转控制，X轴振镜和Y轴振镜构成了二维偏转振镜。

激光发生器输出激光依次经由所述光纤接头、所述准直光学镜组、所述扫描镜模块、所述聚焦光学镜组后输出辐照到待清洗工件表面形成聚焦光斑，同步由所述电气控制系统控制所述扫描镜模块的偏转扫描角度实现聚焦光斑极快速移动扫描-填充形成设定形状的填充图形，实现所选区域的清洗除污。所述准直光学镜组可以通过所述电动位移台带动沿轴向在一定范围内移动，使经过所述准直光学镜组后的光束呈现发散或收敛状态，实现改变焦距长短、聚焦光斑直径大小和焦深的效果，满足多样化清洗工艺需求。聚焦光学镜组为限定激光扫描场区域的透镜组，所述聚焦光学镜组模块由一片或多片光学聚焦镜片构成，其镜组结构和材料包括但不限于透射聚焦式的熔融石英镀膜光学镜。其准直焦距可根据实际加工需求选择，准直焦距选择范围在40mm-150mm。准直光学镜组移动距离可根据实际加工需求选择，所述准直光学镜组移动距离选择范围在±15mm。

优选地，所述的应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头的清洗方法，包括以下步骤：

S1：进行清洗前的设备组装：将激光清洗加工头安装在三轴运动机构的三轴运动机构X轴模组上，光纤接头通过输出光纤连接激光发生器，激光发生器与电气控制系统电连接，电气控制系统与激光清洗加工头和三轴运动机构电连接；

S2：操作三轴运动机构，将激光清洗加工头的激光光束聚焦点位于工件表面±1mm以内；

S3：启动激光清洗加工头的二维振镜模组，采用X-Y空间法线方向交错结构排列；调节X-Y扫描幅度至金具端子合适清洗范围；

S4：通过控制三轴运动机构X轴模组、三轴运动机构Y轴模组和三轴运动机构Z轴模组的位置，将金具端子的清洗区域预运行数次；若在运行过程中发生报警请立即停止运动，解除报警后再运行，并在运行过程中时刻注意模组顺滑运动，不得出现卡顿状况；

S5：启动激光发生器发射指示红光，按照步骤S3方法，启动激光清洗加工头的二维振镜模组调节X-Y扫描幅度直至指示红光覆盖金具端子合适清洗范围，再次按照步骤S4方法进行试运行，确保指示红光在试运行过程中能完全覆盖住金具端子的清洗区域，不得出现遗漏和超出金具端子的清洗区域；

S6：启动激光发生器发射激光，运行步骤S5的过程，同时通过电气控制系统调整激光发生器的激光功率、脉冲宽度、重复频率参数进行手动清洗验证，观察金具端子表面硫化污染清洗是否合格，若不合格则通过电动位移台调整准直光学镜组前后移动一定位置，改变清洗区域能量分布，再次进行区域清洗验证，直到合格为止；

S7：金具端子清洗合格后再次运行步骤S5的清洗工作流程和步骤S6的清洗流程，对金具端子清洗区域进行完整清洗。

本发明可达到以下有益效果：

1、激光清洗加工头的准直光学镜组可沿轴向前后一定范围移动，使经过准直镜组后的光束呈现发散或收敛状态，最终改变聚焦光斑的大小和焦深，满足多样化清洗工艺需求。采用三轴运动机构，可以实现高精度空间直线插补运动和圆弧插补运动，满足大电流金具端子激光清洗工艺需要的运动要求。

2、通过配运动机构和电气控制系统实现金具端子表面硫化污染带电清除的同时利用激光的热积累达到清洗区域不同程度的返热钝化效果，生成更致密的钝化膜层，实现了无接触带电清洗的同时提高了金具端子表面抗硫化污染的能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明激光清洗加工头示意图；

图2为本发明激光清洗加工头内双轴振镜光路示意图;

图3为本发明激光清洗加工头光路示意图；

图4为本发明直线模组三维示意图；

图5为本发明激光清洗加工头应用于激光带电清洗装置上的系统图图一；

图6为本发明激光清洗加工头应用于激光带电清洗装置上的系统图图二。

图中：1-输出光纤；2-激光清洗加工头；3-三轴运动机构；4-激光发生器；5-冷水机；6-电气控制系统；7-激光发生器冷却水管；8-激光清洗加工头冷却水管；9-激光发生器控制电缆；10-冷水机电缆；11-三轴运动机构控制电缆；12-激光清洗加工头控制电缆；13-光纤接头；14-准直组件；15-电动位移台；16-反射镜组件；17-二维振镜模组；18-聚焦镜组件；19-X轴振镜；20-Y轴振镜；21-准直光学镜组；22-反射镜片；23-聚焦光学镜组；24-三轴运动机构X轴模组；25-三轴运动机构Y轴模组；26-三轴运动机构Z轴模组。

具体实施方式

实施例1：

优选的方案如图1至图4所示，一种应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头，包括光纤接头13、准直组件14、电动位移台15、反射镜组件16、二维振镜模组17和聚焦镜组件18；光纤接头13用于与输出光纤1连接锁紧，光纤接头13与准直组件14连接，准直组件14与反射镜组件16连接，反射镜组件16与二维振镜模组17连接，二维振镜模组17上设有聚焦镜组件18；准直组件14用于使输出光纤1输送的激光光束进行扩束和准直，保证激光光束直径与聚焦镜组件18直径匹配；电动位移台15安装在准直组件14上。

进一步地，准直组件14包括准直光学镜组21；

反射镜组件16包括反射镜片22；

二维振镜模组17包括X轴振镜19和Y轴振镜20；

聚焦镜组件18包括聚焦光学镜组23；

输出光纤1输送的激光光束依次经过准直光学镜组21、反射镜片22、X轴振镜19、Y轴振镜20、聚焦光学镜组23后到达金具端子表面进行清洗；电动位移台15用于驱动准直光学镜组21移动。

反射镜组件16用于改变光路方向，使激光清洗头结构更加紧凑的同时便于现场加工；二维振镜模组17可以通过控制系统控制扫描镜模块的偏转扫描角度实现聚焦光斑极快速移动扫描；聚焦镜组件18可以将准直光束进行汇聚，便于清洗加工。

进一步地，激光清洗加工头用于安装在三轴运动机构3上，三轴运动机构3包括三轴运动机构X轴模组24、三轴运动机构Y轴模组25和三轴运动机构Z轴模组26；激光清洗加工头安装在三轴运动机构X轴模组24上。

三轴运动机构3包括三轴运动机构X轴模组24、三轴运动机构Y轴模组25和三轴运动机构Z轴模组26；激光清洗加工头2安装在三轴运动机构X轴模组24上。激光清洗加工头2安装在三轴运动机构3上，可以平行于金具端子1表面进行运动。激光清洗加工头2运动时，激光清洗加工头2、三轴运动机构3、输出光纤1等都不会和金具端子上任何部位发生碰撞。

进一步地，X轴振镜19由平面X方向的带电机动态偏转控制，Y轴振镜20由Y方向的带电机动态偏转控制，X轴振镜19和Y轴振镜20构成了二维偏转振镜。

二维振镜模组17包括X轴振镜19和Y轴振镜20；X轴振镜19和Y轴振镜20分别为X方向和Y方向的带高精度电机动态偏转控制的反射镜组，采用X-Y空间法线方向交错结构排列，其二维偏转振镜偏转角度最大范围为±15°，光束通过电气控制系统6依次经过X轴振镜19和Y轴振镜20后可以在X和Y方向上实现聚焦光斑极快速移动扫描。

二维振镜模组17包括X轴振镜19和Y轴振镜20；X轴振镜19和Y轴振镜20分别为X方向和Y方向的带高精度电机动态偏转控制的反射镜组，采用X-Y空间法线方向交错结构排列，其二维偏转振镜偏转角度最大范围为±15°，光束通过电气控制系统6依次经过X轴振镜19和Y轴振镜20后可以在X和Y方向上实现聚焦光斑极快速移动扫描。

实施例2：

如图5-6所示，本激光清洗加工头运用于激光带电清洗装置的效果图如图5-6所示，包括激光发生器4、输出光纤1、激光清洗加工头2、冷水机5、三轴运动机构3、电气控制系统6。冷水机5用于冷却激光发生器4和激光清洗加工头2；激光发生器4通过输出光纤1传输激光能量到激光清洗加工头2上；电气控制系统6用于给激光发生器4、冷水机5和三轴运动机构3提供电气控制。冷水机5通过激光发生器冷却水管7连接到激光发生器4上，提供冷却水，维持激光发生器4工作，使激光发生器4能够持续产生激光能量束；激光发生器4通过输出光纤1连接到激光清洗加工头2上，传输激光能量束到激光清洗加工头2上；冷水机5通过激光清洗加工头冷却水管8连接到激光清洗加工头2上，提供冷却水，提供冷却水，保持激光清洗加工头2工作时热平衡，防止激光清洗加工头2因温度过高而损坏；电气控制系统6通过激光发生器控制电缆9控制激光发生器4输出激光能量束能量大小和开关；电气控制系统6通过激光清洗加工头控制电缆12控制激光激光清洗加工头2振镜摆动和电动位移台移动距离；电气控制系统6通过三轴运动机构控制电缆11控制三轴运动机构3运动控制轨迹和速度；电气控制系统6通过冷水机电缆10给冷水机5供电。

进一步的，冷水机5、激光发生器4、和电气控制系统6摆放在金具端子1下方地面上，三轴运动机构3固定安装在金具端子附近的平台上。激光清洗加工头2安装在三轴运动机构3上。金具端子是本装置清洗的对象。

电气控制系统6通过三轴运动机构控制电缆11连接到三轴运动机构3上，提供电气控制。在电气控制系统6中包含三个伺服驱动器，分别驱动每个直线模组。包含有一个运动控制器，能够执行运动程序，控制三轴运动机构3进行运动。三轴运动机构3能够进行三维空间的直线插补运动和圆弧插补运动，这两个运动方式是完成金具端子表面硫化清洗所必须的基本运动方式。

优选地，所述的应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头的清洗方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：进行清洗前的设备组装：将激光清洗加工头安装在三轴运动机构3的三轴运动机构X轴模组24上，光纤接头13通过输出光纤1连接激光发生器4，激光发生器4与电气控制系统6电连接，电气控制系统6与激光清洗加工头和三轴运动机构3电连接；

S2：操作三轴运动机构3，将激光清洗加工头的激光光束聚焦点位于工件表面±1mm以内；

S3：启动激光清洗加工头2的二维振镜模组17，采用X-Y空间法线方向交错结构排列；调节X-Y扫描幅度至金具端子合适清洗范围；

S4：通过控制三轴运动机构X轴模组24、三轴运动机构Y轴模组25和三轴运动机构Z轴模组26的位置，将金具端子的清洗区域预运行数次；若在运行过程中发生报警请立即停止运动，解除报警后再运行，并在运行过程中时刻注意模组顺滑运动，不得出现卡顿状况；

S5：启动激光发生器4发射指示红光，按照步骤S3方法，启动激光清洗加工头2的二维振镜模组17调节X-Y扫描幅度直至指示红光覆盖金具端子合适清洗范围，再次按照步骤S4方法进行试运行，确保指示红光在试运行过程中能完全覆盖住金具端子的清洗区域，不得出现遗漏和超出金具端子的清洗区域；

此次试运行完成，保存三轴运动机构3进行此次试运行的移动程序以及二维振镜模组17所调节X-Y扫描幅度的参数作为清洗工作程序。

S6：启动激光发生器4发射激光，运行步骤S5的过程，同时通过电气控制系统6调整激光发生器的激光功率、脉冲宽度、重复频率参数进行手动清洗验证，观察金具端子表面硫化污染清洗是否合格，若不合格则通过电动位移台15调整准直光学镜组21前后移动一定位置，改变清洗区域能量分布，再次进行区域清洗验证，直到合格为止；

保存清洗验证合格时的激光功率、脉冲宽度、重复频率参数作为清洗工艺程序;

S7：金具端子清洗合格后再次运行步骤S5的清洗工作流程和步骤S6的清洗流程，对金具端子清洗区域进行完整清洗。

完整清洗可以将手动清洗验证过程中因激光功率、脉冲宽度、重复频率等参数调整造成的清洗效果差异和波动纹路全部进行覆盖式清洗，从而保持清洗效果一致性。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头，其特征在于：包括光纤接头（13）、准直组件（14）、电动位移台（15）、反射镜组件（16）、二维振镜模组（17）和聚焦镜组件（18）；光纤接头（13）用于与输出光纤（1）连接锁紧，光纤接头（13）与准直组件（14）连接，准直组件（14）与反射镜组件（16）连接，反射镜组件（16）与二维振镜模组（17）连接，二维振镜模组（17）上设有聚焦镜组件（18）；准直组件（14）用于使输出光纤（1）输送的激光光束进行扩束和准直，保证激光光束直径与聚焦镜组件（18）直径匹配；电动位移台（15）安装在准直组件（14）上。

2.根据权利要求1所述的应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头，其特征在于：准直组件（14）包括准直光学镜组（21）；

反射镜组件（16）包括反射镜片（22）；

二维振镜模组（17）包括X轴振镜（19）和Y轴振镜（20）；

聚焦镜组件（18）包括聚焦光学镜组（23）；

输出光纤（1）输送的激光光束依次经过准直光学镜组（21）、反射镜片（22）、X轴振镜（19）、Y轴振镜（20）、聚焦光学镜组（23）后到达金具端子表面进行清洗；电动位移台（15）用于驱动准直光学镜组（21）移动。

3.根据权利要求2所述的应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头，其特征在于：激光清洗加工头用于安装在三轴运动机构（3）上，三轴运动机构（3）包括三轴运动机构X轴模组（24）、三轴运动机构Y轴模组（25）和三轴运动机构Z轴模组（26）；激光清洗加工头安装在三轴运动机构X轴模组（24）上。

4.根据权利要求3所述的应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头，其特征在于：X轴振镜（19）由平面X方向的带电机动态偏转控制，Y轴振镜（20）由Y方向的带电机动态偏转控制，X轴振镜（19）和Y轴振镜（20）构成了二维偏转振镜。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的应用于金具端子表面激光清洗的激光清洗加工头的清洗方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：进行清洗前的设备组装：将激光清洗加工头安装在三轴运动机构（3）的三轴运动机构X轴模组（24）上，光纤接头（13）通过输出光纤（1）连接激光发生器（4），激光发生器（4）与电气控制系统（6）电连接，电气控制系统（6）与激光清洗加工头和三轴运动机构（3）电连接；

S2：操作三轴运动机构（3），将激光清洗加工头的激光光束聚焦点位于工件表面±1mm以内；

S3：启动激光清洗加工头（2）的二维振镜模组（17），采用X-Y空间法线方向交错结构排列；调节X-Y扫描幅度至金具端子合适清洗范围；

S4：通过控制三轴运动机构X轴模组（24）、三轴运动机构Y轴模组（25）和三轴运动机构Z轴模组（26）的位置，将金具端子的清洗区域预运行数次；若在运行过程中发生报警请立即停止运动，解除报警后再运行，并在运行过程中时刻注意模组顺滑运动，不得出现卡顿状况；

S5：启动激光发生器（4）发射指示红光，按照步骤S3方法，启动激光清洗加工头（2）的二维振镜模组（17）调节X-Y扫描幅度直至指示红光覆盖金具端子合适清洗范围，再次按照步骤S4方法进行试运行，确保指示红光在试运行过程中能完全覆盖住金具端子的清洗区域，不得出现遗漏和超出金具端子的清洗区域；

S6：启动激光发生器（4）发射激光，运行步骤S5的过程，同时通过电气控制系统（6）调整激光发生器的激光功率、脉冲宽度、重复频率参数进行手动清洗验证，观察金具端子表面硫化污染清洗是否合格，若不合格则通过电动位移台（15）调整准直光学镜组（21）前后移动一定位置，改变清洗区域能量分布，再次进行区域清洗验证，直到合格为止；

S7：金具端子清洗合格后再次运行步骤S5的清洗工作流程和步骤S6的清洗流程，对金具端子清洗区域进行完整清洗。

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