CN209124551U - 基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，所述的管道内壁激光清洗装置包括支撑管、管内爬行机构和激光清洗头，所述的激光清洗头包括与所述的支撑管固定连接的壳体，设置在所述的壳体内的光束聚焦部件和受驱动绕光轴旋转的至少一个圆楔形棱镜，以及驱动所述的圆楔形棱镜的驱动组件，光纤的出光点、光束聚焦部件及圆楔形棱镜同光轴设置。本实用新型通过与现有技术完全不同的居中定位式管内爬行机构和无振镜方案激光清洗头，居中定位式管内爬行机构的连杆座间均具有三至四组双连杆组合，形成滑块连杆机构，连杆的活动关节向外并安装有支撑轮，三至四组双连杆组合形成均布的支撑结构，连杆座间通过收紧弹簧相互靠拢，使支撑轮向外支撑可实现随直径变化的调整并实时居中。

Description

基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置

技术领域

本实用新型属于激光清洗技术领域，具体涉及一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置。

背景技术

激光清洗是一种新兴的表面处理技术，其利用高能量激光束照射待清洗工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发、气化或剥离，高速有效地清除对象表面附着物或表面涂层，从而达到清洁工件表面的目的。激光清洗具有清洗效果好、控制精度高、应用范围广、运行成本低等优点，因而得到越来越广泛的关注。

现有的激光清洗装置被应用于管道内壁清洗时，存在以下缺陷：

一方面，由于激光清洗加工头上集成有激光源输入端、光束传输系统、振镜扫描系统、冷却系统以及控制系统等，因此往往具有较大体积，不易实现在管道内的自由运动以及激光束聚焦位置的调整，进而较难进行管道内壁的清洗；

另一方面，对于直径发生变化的管道进行清洗时尤其操作复杂，不能保证清洗效果。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，采用圆楔形棱镜旋转使光束发生偏折和位移形成圆环形清洗轨迹，并且利用管内爬行机构实现居中定位，整体结构简单，易于控制。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

包括支撑管、管内爬行机构和激光清洗头，所述的管内爬行机构包括与所述的支撑管固定连接的定连杆座，间隔且可前后移动地套设在所述的支撑管上的至少两个动连杆座，以及对应设置在定连杆座和动连杆座或两相邻动连杆座间的连杆支撑机构，所述的连杆支撑机构包括两端分别与定连杆座或动连杆座固定连接的拉簧，多个支撑轮，以及端部分别与所述的支撑轮对应铰接的多个连杆，所述的连杆的另一端对应地与所述的定连杆座或动连杆座铰接以将所述的支撑轮定位在所述的定连杆座和动连杆座之间或者两相邻的连杆座之间；

所述的激光清洗头包括与所述的支撑管固定连接的壳体，设置在所述的壳体内的光束聚焦部件和受驱动绕光轴旋转的至少一个圆楔形棱镜，以及驱动所述的圆楔形棱镜的驱动组件，光纤的出光点、光束聚焦部件及圆楔形棱镜同光轴设置。

所述的光束聚焦部件包括聚焦镜，所述的聚焦镜固定设置在所述的圆楔形棱镜与光纤的出光点间并同轴。

3.根据权利要求1所述的基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：所述的光束聚焦部件包括准直镜和平面场镜，所述的圆楔形棱镜位于准直镜和平面场镜之间并同轴。

还包括对应与所述的圆楔形棱镜固定连接且外部通过轴承与所述的壳体连接的轮环，所述的驱动组件包括驱动电机，以及与所述的轮环齿轮传动或皮带传动的主动轮。

所述的轮环内形成有台肩，所述的楔形棱镜通过楔形垫环和压环匹配地固定在所述的轮环内。

所述的圆楔形棱镜为两个，两个所述的圆楔形棱镜分别由对应的驱动组件单独驱动。

所述的壳体包括尾部与所述的光纤固定连接且其内固定有聚焦镜或准直镜的尾壳，以及与所述的圆楔形棱镜一一对应的并依次与所述的尾壳固定连接的镜壳，所述的镜壳包括用以定位所述的轴承的镜腔，以及用于定位主动轮的传动腔，所述的驱动电机设置在镜壳外部并与所述的主动轮传动连接。

包括至少两个所述的镜壳，所述的镜壳前后设置并使得圆楔形棱镜同光轴，所述的传动腔交错设置以布局所述的驱动电机。

每组包括3-6个沿支撑管周向均布的支撑轮。

在所述的定连杆座上还固定设置有行走电机，所述的行走电机与所述的支撑轮传动连接。

其中至少一个所述的支撑轮为驱动轮，与所述的驱动轮对应的连杆为形成有U型架，所述的驱动轮与所述的行走电机皮带传动连接。

包括两个相对设置的驱动轮。

在上述技术方案中，包括多组所述的管内爬行机构，所述的动连杆座位于定连接杆座后部或者位于定连杆座两侧。

在上述技术方案中，在定连杆座上还安装有至少一个连杆角度传感器，其电位器轴与一个连杆对应固定连接以实现转角测量。

一种所述的基于楔形棱镜扫描机构的基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置的清洗方法，包括以下步骤，

1)将基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置深入管道内部，管内爬行机构将激光清洗头居中定位并携带其前行；

2)激光清洗头发出清扫轨迹线对管道内进行行进时清洗；

其中，当采用一片圆楔形棱镜旋转时，清扫轨迹线为与管道直径对应的圆环，改变驱动组件转速则改变清扫扫描速度；

当采用两片圆楔形棱镜同向旋转时，驱动组件同速旋转，改变两片棱镜较厚边缘的初始位置则改变清扫轨迹线圆环直径以适应管道直径变化；驱动组件不同速旋转，清扫轨迹线圆环发生收缩扩张的变化以对管道端部法兰进行清洗。

在上述技术方案中，还包括根据连杆角度传感器的角度计算管道直径并调整两片圆楔形棱镜初始位置，实时调整清洗轨迹以适应管道直径的步骤。

本实用新型的优点和有益效果为：

本实用新型通过与现有技术完全不同的居中定位式管内爬行机构和无振镜方案激光清洗头，居中定位式管内爬行机构的连杆座间均具有三至四组双连杆组合，形成滑块连杆机构，连杆的活动关节向外并安装有支撑轮，三至四组双连杆组合形成均布的支撑结构，连杆座间通过收紧弹簧相互靠拢，使支撑轮向外支撑可实现随直径变化的调整并实时居中，激光清洗头采用一片或多片圆楔形棱镜定速旋转，使光束发生偏折和位移，保持系统运转的能量相对较小，减小了整体结构的尺寸，进而能够适应更大直径的光束，其入射光与出射光同轴的结构，减小了整套系统的空间尺寸。与此同时，由于采用了定速旋转的方案，相对于往复运动的振镜系统，减少了驱动产生的发热，提高清洗头系统的稳定性和抗干扰能力，降低了电机驱动控制的难度，而且明通过不同的楔形棱镜组合和转动方案，提供了多种圆环形清洗扫描路径以满足不同管道的清洗要求。

附图说明

图1是本实用新型基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置的结构示意图，其为聚焦镜方案中且具有两个楔形棱镜。

图2是图1所示的局部结构放大图；

图3所示为图1中激光清洗头结构示意图；

图4所示为图3所示的局部剖面结构示意图。

图5所示为聚焦镜方案中具有单个楔形棱镜的激光清洗头的结构爆炸示意图。

图6所示为图5所示的局部剖面结构示意图。

图7所示为本实用新型基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置的准直镜和平面场镜方案中具有一个楔形棱镜的激光清洗头的结构示意图。

图8所示为本实用新型基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置的结构示意图，其中激光清洗头为准直镜和平面场镜方案且具有两个楔形棱镜。

图9所示为图8的局部剖面示意图。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例一

本实用新型的基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，包括由硬质材料制成的支撑管91、管内爬行机构和激光清洗头，所述的管内爬行机构包括与所述的支撑管前端固定连接的定连杆座98，两个可前后移动地套设在所述的支撑管上的动连杆座97、92，如通过直线轴承93设置在支撑管上，以及对应设置在定连杆座和动连杆座以及两相邻动连杆座间的连杆支撑机构，所述的连杆支撑机构包括两端分别与定连杆座或动连杆座固定连接的拉簧96，8个支撑轮95，以及端部分别与所述的支撑轮铰接的连杆94，所述的连杆的另一端对应地与所述的定连杆座或动连杆座铰接以将所述的支撑轮按分组定位在所述的定连杆座和动连杆座之间或者两相邻的连杆座之间并与管道内壁相滚动接触；即，采用前后两组八个支撑轮实现管道内的居中支撑，当然，还可采用中间为定连杆座前后两端分别布置动连杆座的方式，基本结构与此相似，不再展开描述。其中，基本设计思想为每两个相邻动连杆座或定连杆座和动连杆座间均有一组由连杆支撑的滚轮，拉簧提供向外伸出的应力。

所述的激光清洗头包括与连接外部激光器的光纤1固定连接并且固定设置在支撑管前端部的壳体，设置在所述的壳体内的光束聚焦部件和至少受驱动绕光轴旋转的一个圆楔形棱镜4，以及驱动所述的圆楔形棱镜的驱动组件，所述的光纤的出光点、光束聚焦部件及圆楔形棱镜同光轴设置且对应间隔设置在预定长度内。所述的第一连接杆连接座与所述的壳体对应固定连接或第一连接杆连接座和壳体分别与支撑管固定连接。

其中，所述的圆楔形棱镜为一个或两个，优选地两个圆楔形棱镜时所述的圆楔形棱镜分别由对应的驱动组件5单独驱动。

本实用新型通过与现有技术完全不同的居中定位式管内爬行机构和无振镜方案激光清洗头，居中定位式管内爬行机构的连杆座间均具有三至四组双连杆组合，形成滑块连杆机构，连杆的活动关节向外并安装有支撑轮，三至四组双连杆组合形成均布的支撑结构，连杆座间通过收紧弹簧相互靠拢，使支撑轮向外支撑可实现随直径变化的调整并实时居中，激光清洗头采用一片或多片圆楔形棱镜定速旋转，使光束发生偏折和位移，保持系统运转的能量相对较小，减小了整体结构的尺寸，进而能够适应更大直径的光束，其入射光与出射光同轴的结构，减小了整套系统的空间尺寸。与此同时，由于采用了定速旋转的方案，相对于往复运动的振镜系统，减少了驱动产生的发热，提高清洗头系统的稳定性和抗干扰能力，降低了电机驱动控制的难度，而且明通过不同的楔形棱镜组合和转动方案，提供了多种圆环形清洗扫描路径以满足不同管道的清洗要求。

具体地，为提高操控效果，在所述的定连杆座上还固定设置有行走电机，如减速电机105，所述的行走电机与所述的支撑轮传动连接，如其中至少一个，优选对称设置的两个所述的支撑轮为双轮式驱动轮10，与所述的驱动轮对应的连杆为形成有U型架式连杆103，所述的驱动轮与所述的行走电机皮带，如通过与减速电机同轴传动连接的主同步带轮105和同步带104以及双轮式驱动轮10的两轮体101中间的从动同步带轮102实现传动连接，当然，也可采用其他方式的传动连接。

进一步地，为提高整体适应性，如满足长管道的清洗需求，包括多组所述的管内爬行机构，所述的管内爬行机构沿支撑管间隔设置或相邻设置，以满足长管道的清洗要求，尤其是中部布局的管内爬行机构，定连杆座易位于动连杆座中间。

进一步地，在定连杆座98或动连杆座上还安装有至少一个连杆角度传感器99，其电位器轴与一个连杆对应固定连接以实现转角测量。连杆角度传感器99是一种单圈的电位器元件，连杆94围绕安装点转动时带动电位器轴转动，形成位置角度向电位器值的转换。

实施例二

具体地，所述的光束聚焦部件包括聚焦镜31，所述的聚焦镜固定设置在所述的楔形棱镜部件与光纤的出光点间并同轴。即，所述的光纤1安装在壳体8末端，聚焦镜31安装在壳体8内，光纤1发出的光束2通过聚焦镜31汇聚至聚焦点6，光束2在经过一片或多片圆楔形棱镜4时发生偏折，由于驱动组件5驱动圆楔形棱镜4旋转，光束的偏折方向随之发生改变，最终聚焦点6移动的轨迹形成轨迹线7，轨迹线7既是清扫系统的清扫轨迹线。

所述的光束整形组件还可采用准直镜31与平面场镜32组合的形式，所述的一片或多片圆楔形棱镜位于准直镜31与平面场镜32之间，激光光束由光纤射出后先经过准直镜，再经过楔形棱镜，最后经过平面场镜，同样能实现所述的清扫轨迹线。

所述的壳体包括尾部与所述的光纤固定连接且其内固定有聚焦镜或准直镜的尾壳8，以及与所述的圆楔形棱镜一一对应的并依次与所述的尾壳固定连接的镜壳52，所述的镜壳由后壳和前盖59扣合固定而成以构成相对密封的空间，保护内部的传动机构，所述的镜壳包括用以定位所述的轴承53的镜腔，以及用于定位主动轮的传动腔，所述的驱动电机设置在镜壳外部并与所述的主动轮传动连接。

对应地，还包括内对应与所述的楔形棱镜固定连接且外部通过轴承与所述的壳体连接的轮环56，所述的驱动组件包括驱动电机，以及与所述的轮环啮合传动或皮带传动的主动轮，所述的轮环内形成有台肩，所述的楔形棱镜通过压环58匹配地嵌装在所述的轮环内。同时，在轮环内还设置有楔形垫环57，楔形垫环没有螺纹，其与楔形棱镜相对设置以把楔形棱镜的斜面垫成平面，这样压环具有螺纹结构在轮环内壁上旋转可以旋转将楔形棱镜压实定位。

其中，包括至少两个所述的镜壳，所述的镜壳前后设置并使得圆楔形棱镜同光轴，所述的传动腔交错设置以布局所述的驱动电机51。

实施例三

在辐射环境下，伽马射线严重影响电子元气件的使用寿命，因此带有反馈电路和元件的振镜电机不适合在辐射环境下使用。本实用新型中所述的驱动电机为单向旋转无芯片的普通电机，可采用防辐射电机，所述的轴承及传动机构的表面镀有二硫化钼。即，轴承53、从动轮54和主动轮56表面镀有二硫化钼作为润滑剂。金属、镜片都能够耐受较大量的辐射，而振镜电机的反馈电路和元件、普通润滑剂、电机漆包线受辐射却会失效，本实用新型的最大优点是结构降低了电机的要求，由振镜电机降为普通电机，防辐射电机则是在普通电机的基础上采用了防辐射的漆包线和润滑，有效控制了制造成本和使用成本。

本实用新型根据圆楔形棱镜的旋转方案，设置一个内部没有电子元器件的防辐射电机或多个防辐射电机单独驱动，一个防辐射电机驱动一片圆楔形棱镜，而且本实用新型的传动组件和轴承均采用了二硫化钼镀层为润滑方式，有效消除了辐射对激光清洗头的影响。

实施例四

一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤，

1)将基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置深入管道内部，管内爬行机构将激光清洗头居中定位并携带其前行；

2)激光清洗头发出清扫轨迹线对管道内进行行进时清洗；具体地，激光束从光纤出口出射，经聚焦镜或准直镜汇聚；激光束通过圆楔形棱镜，激光束汇聚于聚焦点或平面场镜，同时光束向棱镜较厚的边缘偏折；驱动组件转动圆楔形棱镜，激光束偏折方向随之改变，聚焦点随激光束偏折方向移动，轨迹形成清扫轨迹线；

其中，当采用一片圆楔形棱镜旋转时，清扫轨迹线为固定直径的圆环，改变驱动组件转速则改变清扫扫描速度；适合表面质量要求较低的粗清洗，也适合固定管径的管内壁清洗；

当采用两片圆楔形棱镜同向旋转时，清扫轨迹线为直径可变的圆环，驱动组件同速旋转，改变两片棱镜较厚边缘的初始位置则改变清扫轨迹线圆环直径；驱动组件不同速旋转，清扫轨迹线圆环发生收缩扩张的变化；即，当本实用新型采用两片圆楔形棱镜4同向旋转时，轨迹线7为直径随初始位置改变可变的圆环，适合不同管径的管内壁清洗。当驱动两片圆楔形棱镜4旋转的驱动组件5转速不同时，轨迹线7呈现一个圆环由中心点向四周扩散或收缩的形式，适合法兰焊口清洗等特殊需求。

同时，在定连杆座98上还安装有至少一个连杆角度传感器99，其电位器轴与一个连杆对应固定连接以实现转角测量。连杆角度传感器的角度计算管道直径并调整两片圆楔形棱镜初始位置，实时调整清洗轨迹以适应管道直径。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。

Claims (14)

1.一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于，包括支撑管、管内爬行机构和激光清洗头，所述的管内爬行机构包括与所述的支撑管固定连接的定连杆座，间隔且可前后移动地套设在所述的支撑管上的至少两个动连杆座，以及对应设置在定连杆座和动连杆座或两相邻动连杆座间的连杆支撑机构，所述的连杆支撑机构包括两端分别与定连杆座或动连杆座固定连接的拉簧，多个支撑轮，以及端部分别与所述的支撑轮对应铰接的多个连杆，所述的连杆的另一端对应地与所述的定连杆座或动连杆座铰接以将所述的支撑轮定位在所述的定连杆座和动连杆座之间或者两相邻的连杆座之间；

所述的激光清洗头包括与所述的支撑管固定连接的壳体，设置在所述的壳体内的光束聚焦部件和受驱动绕光轴旋转的至少一个圆楔形棱镜，以及驱动所述的圆楔形棱镜的驱动组件，光纤的出光点、光束聚焦部件及圆楔形棱镜同光轴设置。

2.根据权利要求1所述的一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：所述的光束聚焦部件包括聚焦镜，所述的聚焦镜固定设置在所述的圆楔形棱镜与光纤的出光点间并同轴。

3.根据权利要求1所述的基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：所述的光束聚焦部件包括准直镜和平面场镜，所述的圆楔形棱镜位于准直镜和平面场镜之间并同轴。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：还包括对应与所述的圆楔形棱镜固定连接且外部通过轴承与所述的壳体连接的轮环，所述的驱动组件包括驱动电机，以及与所述的轮环齿轮传动或皮带传动的主动轮。

5.根据权利要求4所述的一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：所述的轮环内形成有台肩，所述的楔形棱镜通过楔形垫环和压环匹配地固定在所述的轮环内。

6.根据权利要求1所述的一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：所述的圆楔形棱镜为两个，两个所述的圆楔形棱镜分别由对应的驱动组件单独驱动。

7.根据权利要求4所述的一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：所述的壳体包括尾部与所述的光纤固定连接且其内固定有聚焦镜或准直镜的尾壳，以及与所述的圆楔形棱镜一一对应的并依次与所述的尾壳固定连接的镜壳，所述的镜壳包括用以定位所述的轴承的镜腔，以及用于定位主动轮的传动腔，所述的驱动电机设置在镜壳外部并与所述的主动轮传动连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：包括至少两个所述的镜壳，所述的镜壳前后设置并使得圆楔形棱镜同光轴，所述的传动腔交错设置以布局所述的驱动电机。

9.根据权利要求1所述的一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：所述的连杆支撑机构包括3-6个沿支撑管周向均布的支撑轮。

10.根据权利要求9所述的一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：在所述的定连杆座上还固定设置有行走电机，所述的行走电机与所述的支撑轮传动连接。

11.根据权利要求10所述的一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：其中至少一个所述的支撑轮为驱动轮，与所述的驱动轮对应的连杆为形成有U型架，所述的驱动轮与所述的行走电机皮带传动连接。

12.根据权利要求11所述的一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：包括两个相对设置的驱动轮。

13.根据权利要求1、9、10、11或12所述的一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：包括多组所述的管内爬行机构，所述的动连杆座位于定连接杆座后部或者位于定连杆座两侧。

14.根据权利要求1所述的一种基于楔形棱镜扫描机构的管道内壁激光清洗装置，其特征在于：在定连杆座（98）上还安装有至少一个连杆角度传感器（99），其电位器轴与一个连杆对应固定连接以实现转角测量。