CN116550688A - 针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置及方法，包括激光发生器、输出光纤、激光清洗加工头、冷水机、三轴运动机构、电气控制系统；冷水机用于冷却激光发生器和激光清洗加工头；激光发生器通过输出光纤传输激光能量到激光清洗加工头上；电气控制系统用于给激光发生器、冷水机和三轴运动机构提供电气控制。本发明通过的激光清洗加工头，并搭配运动机构和电气控制系统，解决了大电流金具端子表面硫化污染无法带电清洗，只能通过停机作业的问题，实现清洗除污工艺多样化的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可生成更致密的钝化膜提高抗硫化污染的能力。

Description

针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置及方法
技术领域
本发明属于激光清洗加工技术领域，特别涉及一种针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置及方法。
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。
发明内容
鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置及方法，通过的激光清洗装置，并搭配运动机构和电气控制系统，解决了大电流金具端子表面硫化污染无法带电清洗，只能通过停机作业的问题；实现清洗除污工艺多样化，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可生成更致密的钝化膜提高抗硫化污染的能力。
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：
一种针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置，包括激光发生器、冷却器和电气控制系统，激光发生器通过输出光纤传输激光能量至激光清洗加工头上，激光清洗加工头安装在三轴运动机构上；电气控制系统用于给激光发生器、冷却器和三轴运动机构提供电气控制，冷却器用于对激光发生器和激光清洗加工头进行冷却。
激光发生器发出的激光束经由所述输出光纤与所述激光清洗加工头的光纤接头连接后，依次经由准直光学镜组、二维振镜模组、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二维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，另外所述准直光学镜组可通过控制前后移动实现焦距长短、光斑直径大小和焦深可控，再配合所述三轴运动机构实现所选区域的清洗除污工艺多样化。激光发生器为脉冲光纤式激光发生器，更具体的是波长为1064nm的纳秒脉冲光纤式激光发生器。所述激光发生器的激光平均功率不高于1kw，输出光纤的芯径范围25μm-200μm可选，输出光纤的长度不超过25m。光纤接头包括QCS、QBH、QD等规格型式。
优选的方案中，所述的冷却器为冷水机，冷水机通过激光发生器冷却水管连接到激光发生器上，冷水机通过激光清洗加工头冷却水管连接到激光清洗加工头上，电气控制系统通过激光发生器控制电缆控制激光发生器输出激光能量束能量大小和开关；电气控制系统通过激光清洗加工头控制电缆控制激光激光清洗加工头动作；电气控制系统通过三轴运动机构控制电缆控制三轴运动机构动作；电气控制系统通过冷水机电缆给冷水机供电。
电气控制系统通过激光发生器控制电缆控制所述激光发生器输出激光能量束能量大小和开关、平均功率、脉冲宽度、重复频率等参数；所述电气控制系统通过激光清洗加工头控制电缆控制所述激光激光清洗加工头二维振镜摆动速度、填充间距等参数，以及电动位移台移动距离；所述电气控制系统通过三轴运动机构控制电缆控制所述三轴运动机构运动控制轨迹和速度；所述电气控制系统通过冷水机电缆给所述冷水机供电。
优选的方案中，所述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。
所述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。
优选的方案中，所述的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，所述的电气控制系统包括三个伺服驱动器，三个伺服驱动器分别用于驱动三轴运动机构X轴模组、三轴运动机构Y轴模组和三轴运动机构Z轴模组动作。
优选地，针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置的清洗方法，清洗方法如下：电气控制系统包括示教器，示教器为激光带电清洗装置的手持操作控制器；
操作方法如下：
S1：依次打开冷水机、电气控制系统和激光发生器的电源开关，通过示教器操作三轴运动机构，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；
S2：启动激光清洗加工头的二维振镜模组，二维振镜模组包括平面X方向和Y方向的带电机动态偏转控制的二维偏转振镜，即X轴振镜和Y轴振镜，采用XY空间法线方向交错结构排列；调节XY扫描幅度至金具端子合适清洗范围；
S3：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；
S4：通过示教器调试控制激光发生器的激光功率大小、脉冲宽度、重复频率工艺参数，同时控制二维振镜模组的XY扫描幅度范围、扫描速度、填充形式和填充间距，从而控制激光清洗扫描区域范围，如果清洗扫描区域范围无法完全覆盖金具端子需要清洗的区域，则通过三轴运动机构带着激光清洗加工头移动进行调节补偿，直到确认激光清洗加工头的扫描范围完全覆盖住金具端子需要清洗的区域；
S5：启动激光发生器发射激光，根据步骤S4调试的激光功率、脉冲宽度、重复频率工艺参数通过手动模式进行区域清洗验证，观察金具端子表面硫化污染清洗是否合格，不合格则重复步骤S4改变清洗区域能量分布后再次进行清洗验证，直到金具端子表面清洗效果经观察合格为止；
S6：金具端子待清洗区域清洗合格后，通过示教器调整三轴运动机构将激光清洗加工头移动到另一个需要清洗的金具端子附近，再次重复S3、S4和S5步骤直到该金具端子表面硫化污染清洗合格。
本发明可达到以下有益效果：
1、本发明利用了激光清洗无接触柔性化的优势避免了接触式清洗方式不能带电作业的局限性，同时激光清洗有着热输入可控、不损伤基材的特点，替代原机械打磨、化学清洗工艺，清洗效率高、绿色环保、无环境污染。
2、本发明结合激光清洗工艺，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。
3、本发明为移动式、模块化设计，方便存储和运输，可以在需要进行现场清洗作业时，迅速部署到现场，节省检修维护时间。
4、本发明采用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。
5、本发明采用三轴运动机构，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。
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是本发明所述的示意图；
图2是本发明所述的接线示意图；
图3是采用本发明激光清洗加工头示意图；
图4是采用本发明激光清洗加工头内双轴振镜光路示意图；
图5是采用本发明激光清洗加工头光路示意图；
图6是采用本发明直线模组三维示意图；
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6所示，一种针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置，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。
进一步地，如图2所示，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。
进一步地，如图3所示，激光清洗加工头2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用于与激光发生器4的输出光纤1连接锁紧，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，保证光束直径与激光清洗加工聚焦镜组件18直径匹配；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，准直组件14包括准直光学镜组21，聚焦镜组件18包括聚焦光学镜组23，反射镜组件16包括反射镜片22。
进一步地，如图4所示，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。
进一步地，如图5所示为激光清洗加工头2内部光路结构示意图，包括准直光学镜组21、反射镜片22、X轴振镜19、Y轴振镜20、聚焦光学镜组23、电动位移台15; 由输出光纤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；其中电动位移台15与准直组件14结构一体化集成设计，电动位移台15可以带动准直光学镜组21前后实现一定范围内移动，使经过准直光学镜组21后的光束呈现发散或收敛状态，实现改焦距长短、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。其准直光学镜组移动距离可根据实际加工需求选择，准直光学镜组移动距离选择范围在±15mm。
进一步地，如图5所示，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，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。
进一步地，本发明还公开了一种大电流金具端子表面硫化污染的激光带电清洗方法，包括步骤如下：
电气控制系统6包括示教器，示教器为激光带电清洗装置的手持操作控制器；
电气控制柜、控制系统和示教器，电气控制柜为本激光带电清洗装置提供电源及电气控制，控制系统集成进示教器内；操作方法如下：
S1：依次打开冷水机5、电气控制系统6和激光发生器4的电源开关，通过示教器操作三轴运动机构3，将激光清洗加工头2的激光光束聚焦点位于工件表面±1mm以内；
S2：启动激光清洗加工头2的二维振镜模组17，二维振镜模组17包括平面X方向和Y方向的带电机动态偏转控制的二维偏转振镜，即X轴振镜19和Y轴振镜20，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；
S3：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；
S4：通过示教器调试控制激光发生器4的激光功率大小、脉冲宽度、重复频率工艺参数，同时控制二维振镜模组17的X-Y扫描幅度范围、扫描速度、填充形式和填充间距，从而控制激光清洗扫描区域范围，如果清洗扫描区域范围无法完全覆盖金具端子需要清洗的区域，则通过三轴运动机构3带着激光清洗加工头2移动进行调节补偿，直到确认激光清洗加工头2的扫描范围完全覆盖住金具端子需要清洗的区域；
通过示教器调试控制激光发生器4的激光功率大小、脉冲宽度、重复频率等工艺参数，同步启动激光发生器4发射指示红光，通过示教器设定激光清洗加工头2二维振镜模组17的X-Y扫描幅度范围、扫描速度、填充形式、填充间距等参数去控制激光清洗扫描区域范围，如果清洗扫描区域范围无法完全覆盖金具端子需要清洗的区域，则通过三轴运动机构3带着激光清洗加工头2移动进行调节补偿，直到确认激光清洗加工头2的扫描范围完全覆盖住金具端子需要清洗的区域，完成设置后通过示教器对以上所述参数进行保存；
S5：启动激光发生器4发射激光，根据步骤S4调试的激光功率、脉冲宽度、重复频率工艺参数通过手动模式进行区域清洗验证，观察金具端子表面硫化污染清洗是否合格，不合格则重复步骤S4改变清洗区域能量分布后再次进行清洗验证，直到金具端子表面清洗效果经观察合格为止；
S6：金具端子待清洗区域清洗合格后，通过示教器调整三轴运动机构3将激光清洗加工头移动到另一个需要清洗的金具端子附近，再次重复S3、S4和S5步骤直到该金具端子表面硫化污染清洗合格。
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 (7)

1.一种针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置，其特征在于：包括激光发生器（4）、冷却器和电气控制系统（6），激光发生器（4）通过输出光纤（1）传输激光能量至激光清洗加工头（2）上，激光清洗加工头（2）安装在三轴运动机构（3）上；电气控制系统（6）用于给激光发生器（4）、冷却器和三轴运动机构（3）提供电气控制，冷却器用于对激光发生器（4）和激光清洗加工头（2）进行冷却。
2.根据权利要求1所述的针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置，其特征在于：冷却器为冷水机（6），冷水机（6）通过激光发生器冷却水管（7）连接到激光发生器（4）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，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）动作；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）动作；电气控制系统（6）通过冷水机电缆10给冷水机（5）供电。
3.根据权利要求2所述的针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置，其特征在于：激光清洗加工头（2）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。
4.根据权利要求3所述的针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置，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。
5.根据权利要求4所述的针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置，其特征在于：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。
6.根据权利要求5所述的针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置，其特征在于：电气控制系统（6）包括三个伺服驱动器，三个伺服驱动器分别用于驱动三轴运动机构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）动作。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的针对金具端子表面硫化污染的激光带电清洗装置的清洗方法，其特征在于：电气控制系统（6）包括示教器，示教器为激光带电清洗装置的手持操作控制器；
操作方法如下：
S1：依次打开冷水机（5）、电气控制系统（6）和激光发生器（4）的电源开关，通过示教器操作三轴运动机构（3），将激光清洗加工头（2）的激光光束聚焦点位于工件表面±1mm以内；
S2：启动激光清洗加工头（2）的二维振镜模组（17），二维振镜模组（17）包括平面X方向和Y方向的带电机动态偏转控制的二维偏转振镜，即X轴振镜（19）和Y轴振镜（20），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；
S3：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；
S4：通过示教器调试控制激光发生器（4）的激光功率大小、脉冲宽度、重复频率工艺参数，同时控制二维振镜模组（17）的X-Y扫描幅度范围、扫描速度、填充形式和填充间距，从而控制激光清洗扫描区域范围，如果清洗扫描区域范围无法完全覆盖金具端子需要清洗的区域，则通过三轴运动机构（3）带着激光清洗加工头（2）移动进行调节补偿，直到确认激光清洗加工头（2）的扫描范围完全覆盖住金具端子需要清洗的区域；
S5：启动激光发生器（4）发射激光，根据步骤S4调试的激光功率、脉冲宽度、重复频率工艺参数通过手动模式进行区域清洗验证，观察金具端子表面硫化污染清洗是否合格，不合格则重复步骤S4改变清洗区域能量分布后再次进行清洗验证，直到金具端子表面清洗效果经观察合格为止；
S6：金具端子待清洗区域清洗合格后，通过示教器调整三轴运动机构（3）将激光清洗加工头移动到另一个需要清洗的金具端子附近，再次重复S3、S4和S5步骤直到该金具端子表面硫化污染清洗合格。
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