CN211247615U - 激光清洗装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光清洗装置，包括：工作台；工装，为三自由度工装，所具备的三个自由度的回转轴线间相互垂直；激光器，该激光器的导光臂安装在工作台一侧，且导光臂上的出射透镜位于工装的上方；驱动总成，用于驱动所述工装；以及控制器，输出连接所述驱动总成；其中，出射镜头上具有位于该出射镜头中心的出射透镜和围绕出射透镜设置的接收透镜，反射自待清洗工件的反射光经由所述接收透镜为探测器所接收，该探测器输出连接至所述控制器，以确定反射光的偏斜角度。依据本实用新型的激光清洗装置对工件表面形状适应能力更强。

Description

激光清洗装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光清洗装置。

背景技术

激光清洗出现在20世纪60年代，但直到20世纪90年代才逐渐成熟，并很快地被应用到具体的产业中去，当前，激光清洗技术已经成为非常成熟的技术。

区别于机械清洗、化学清洗，激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应的特点，并且适应于几乎所有材质物体的清洗，尤其是激光清洗精度极高，在清洗领域具有比较高的地位。

激光清洗的原理是激光器出射的光束照射到待处理的工件表面上，工件表面上的污染层吸收激光能量而产生急剧的膨胀，生成等离子体，等离子体形成冲击波将污染层破坏。所适配的激光器为脉冲激光器，可以有效的避免工件表面因热积聚而损坏。可以理解的是，在进行激光清洗前，需要对工件类型及污染物做出分析，从而确定两个能量密度阈值，其中一个能量密度阈值是底限阈值，激光脉冲能量密度应高于这个底限阈值，以使污染层能够被清洗掉；另外一个能量密度阈值为高限阈值，相应地，激光脉冲能量密度不应高于这个高限阈值，从而避免工件表面被破坏。对于前述的两个能量密度阈值的确定，属于本领域的常规技术手段，在激光清洗工艺已经非常成熟的条件下，属于本领域的常识，在此不再赘述。

需要进一步说明的是，对于相对平整的工件表面，在激光头出射激光能量密度确定的条件下，使作用于工件表面的能量密度介于底限阈值与高限阈值之间相对容易控制。当工件表面不平整，或者表面结构复杂的情况下，因入射角度的影响，可能会使用的作用于工件表面的能量密度超限。

典型地，如中国专利文献CN109719088A，其公开了一种具有两个光路的激光清洗装置，其中一个光路为脉冲激光，另外一个光路为连续激光，两个光路通过合束镜合为出射激光。其中，连续激光可对工件表面预热，而脉冲激光则产生清洗作用。原则上属于通过预热以提高清洗效率的激光清洗装置，但可以理解的是，一方面，该种合束方式并没有从根本上改变出射光与工件表面角度的确定性问题；另一方面，激光清洗的原理是利用等离子爆冲效应，原则上工件表面温度低，产生爆冲的概率越高，其通过连续激光预热的方式是否能够产生更好的效果有待于验证。

中国专利文献CN108325946A公开了一种激光清洗装置，该激光清洗装置包括一个用于定位工件的工装，该工装为翻转工装，即该工装通过转轴安装在支撑架上，在激光器出射激光角度确定的条件下，可以通过调整翻转工装的转角，使出射激光角度与工件表面保持合适的入射角度。由于翻转工装只有一个自由度，只能在一个方向上进行工件表面上激光入射角度的调整，而工件表面往往难以与单一自由度进行适配，即便是简单的球型，也属于至少三个自由度才能适配的形状，因此，单纯的翻转工装仍然无法适应工件表现形状种类繁多的实际情况。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种对工件表面形状适应能力更强的激光清洗装置。

本实用新型的实施例提供一种激光清洗装置，包括：

工作台；

工装，为三自由度工装，所具备的三个自由度的回转轴线间相互垂直；

激光器，该激光器的导光臂安装在工作台一侧，且导光臂上的出射透镜位于工装的上方；

驱动总成，用于驱动所述工装；以及

控制器，输出连接所述驱动总成；

其中，出射镜头上具有位于该出射镜头中心的出射透镜和围绕出射透镜设置的接收透镜，反射自待清洗工件的反射光经由所述接收透镜为探测器所接收，该探测器输出连接至所述控制器，以确定反射光的偏斜角度。

可选地，出射透镜配有焦距调节圆柱凸轮机构；

提供用于驱动所述圆柱凸轮机构的第一伺服电机；

所述控制器输出连接所述第一伺服电机，以根据探测器采样到的距离调整焦距。

可选地，提供一通过回转支承安装在工作台上的支撑轴，该支撑轴提供工装的第一自由度，并由包含于驱动总成的第二伺服电机驱动；

工装通过万向节或第一轴、第二轴安装在支撑轴上；以提供工装的第二自由度、第三自由度，并由包含于驱动总成的第三伺服电机、第四伺服电机驱动。

可选地，出射镜头用于安装出射透镜的部分为一头锥下端；

所述接收透镜围绕头锥底部设置。

可选地，头锥的锥度为1:1~1:3。

可选地，工作台下构造出仪器舱，所述激光器的本体位于仪器舱内；

仪器舱舱壁开有格栅，并设有冷却风机。

可选地，激光器为Nd：YAG激光器，出射激光的波长为1064nm。

可选地，出射激光垂直投射在工件上的光斑直径为0.5~2mm。

在本实用新型的实施例中，激光清洗装置所配工装为三自由度工装，相当于支撑工装本体的结构部分为三自由度机械臂，三个自由度均为转动自由度，三个自由度的回转轴线间相互垂直，相当于对中国专利文献CN108325946A的进一步扩展，从而实现工件上表面的全面清理。进而，配合激光器出射激光的在水平面内的移动，可以对工件的上表面进行有效清理。

附图说明

图1为一实施例中激光清洗装置结构原理图。

图2为激光头结构示意图。

图3为激光器出射光路图。

图4为校正光路图。

图5为表面不平整工件清洗原理图。

图中：1.格栅，2.机箱，3.风扇口，4.导光臂，5.工装，6.激光头，7.工作台，8.支撑轴，9.控制面板，10.全反射镜，11.工作介质，12.半反射镜，13.振镜，14.待清洗工件，15.阵列探测器，16.处理器，17.工装驱动总成。

61.出射透镜，62.头锥，63.接收镜，64.安装盘。

具体实施方式

中国专利文献CN108325946A侧重于在工装上引入一个自由度，其适应性相对较差。在本实用新型的实施例中，引入三个旋转自由度。

可以理解的是，对于激光清洗装置而言，激光头6通常在水平面内具有横向和纵向两个维度的移动能力，而部分激光头6还具有竖向移动的能力。但激光头6较难实现5轴或以上的运动能力，对于激光头6而言，通常小于等于三个自由度，或者说三轴。

相对的，在本实用新型的实施例中，为工装5配置三轴，结合激光头6的二轴或者三轴，即可实现对表面形状复杂的待清洗工件14的清洗。

在本实用新型的实施例中，所使用的激光器的导光臂4上安装激光头6的部分可由二自由度平台驱动，在一些实施例中可以采用三自由度平台驱动。

在一些实施例中，在图1所示的工作台7上设置例如纵向轨道，所述激光头6通过龙门架安装在纵向轨道上，提供纵向移动自由度。

进而，龙门架上安装横向轨道，激光头则通过滑块安装在横向轨道上，提供横向自由度。

在一些实施例中，激光头还可通过竖向滑块安装在所述滑块上，滑块上则安装有竖向轨道，从而提供竖向自由度。

在前述的实施例中，激光头6的两个或者三个自由度均可使用伺服电机驱动来实现，一般所使用的驱动机构为丝母丝杠机构，丝母安装在相应的滑块上，伺服电机拖动丝母丝杠机构实现精确的拖动。

关于激光头6的拖动，属于本领域的常规结构，在此不再赘述，此处注明激光头6具有两个或者三个自由度。

对于工装5而言，则提供三个旋转自由度，使定位在工装5上的待清洗工件14适应其表面形状而变动三轴，不使照射在待清洗工件14上的激光功率密度超差。

如前所述，对于工作台7而言，由于待清洗工件14的定位装夹由工装5实现，对工作台7的形状要求不高，通常采用带有中心孔的T型槽工作台，并且工作台7的相对的两边安装有直线轨道，以提供前述的激光头6的自由度。

可以理解的是，激光清洗相对于其他清洗方式，对工件的装夹可靠性要求相对较低，可以采用快速的装夹方式，例如对于磁性工件而言可以采用电磁铁工装。对于非磁性材料，适配工件形状，确定工装即可，此为机械领域的一般常识，在此不再赘述。

图1中，激光器的本体安装在工作台7下方的机箱2内，光路由导光臂4引出，为适应激光头6的移动，导光臂内用于引出激光的部件采用光纤。

在一些实施例中，激光器可以直接安装在例如前述的龙门架上，光路的引出结构复杂度相对较低。

一般而言，待清洗工件14定位装夹在工装5上，激光头6自上而下朝向待清洗工件5。

在本实用新型的实施例中，关于驱动部分，主要包括两个部分，第一部分是驱动激光头6的部分，为前述的两个或者三个移动副及其驱动装置，第二部分是驱动工装于三个自由度内运动，第一部分为本领域的常规结构，在前文中已经提及，第二部分为适应三自由度工装的部分。

图1中，支撑轴8通过回转支撑安装在工作台7，支撑轴8由第二伺服电机驱动，支撑轴8上端可以配置一对转轴，其中的第一转轴的轴线与支撑轴8的轴线垂直，第二转轴的轴线与支撑轴8和第一转轴垂直。进一步地，提供一个转座，转座通过第一转轴安装在支撑轴8上，而工装5则通过第二转轴安装在转座上。

进而，转座使用第三伺服电机驱动，工装5则使用第四伺服电机驱动。

在本实用新型的实施例中提供控制器，控制器用于控制前述的各个伺服电机，以对待清洗工件14进行清洗。

可以理解的是，工件表面通常具有规则的外形，因此，对于工件的清洗，可以预先设定清洗程序，类似于工件表面的激光成形程序，据此，本领域的技术人员易于实现。在图1所示的结构中，还提供了控制面板9，可以作为加工程序的输入面板。

使用加工程序进行加工时，对工件定位精度要求较高，在本实用新型的实施例中采用类似于闭环的加工控制方式，具体参见说明书附图2和附图5，图中，激光头6的出射镜头上具有位于该出射镜头中心的出射透镜61，同时围绕出射透镜61还设置了一圈接收透镜63，接收透镜63内设有探测器，如图4中所示的探测器阵列，探测器可为光敏元件阵列，例如光敏二极管。由此，反射自待清洗工件14的反射光经由所述接收透镜63为探测器所接收，该探测器输出连接至所述控制器，以确定反射光的偏斜角度。其原理可见于图5所示的光路图中，当反射光线偏斜角度（即反射角）较小时，通常并不会导致光斑能量密度超出清洗所设定的阈值，偏斜角度相对较大时，反射光线会进入接收透镜63，工装翻转，使反射光线的偏斜角度归零。

加以对应的，接收透镜63的设置位置，决定了反射光线的最大偏斜角度，根据设定的阈值易于确定，换言之，反射光线产生偏斜时，投射到待清洗工件14上的光斑面积会变大，导致光斑能量密度变小，根据阈值易于确定接收透镜63的安装位置。

在图2和图5所示的结构中，出射镜头用于安装出射透镜61的部分为一头锥62下端；头锥62为上大下小的锥体。

相应地，所述接收透镜63围绕头锥62底部设置。

头锥62的锥度决定了反射光被采样到的最小偏斜角度，进一步地，头锥62的锥度为1:1~1:3。

图3所示的激光器是Nd：YAG激光器，其出射激光的波长为1064nm，属于近红外激光器（不可见光激光器），热效应较高。

图3是激光器的一般原理，图中所示的全反射镜10和半反射镜12以及工作介质11构成激光谐振腔，对于激光器的基本原理，属于激光器领域的一般常识，在此不再赘述。

在一些实施例中，控制出射激光垂直投射在工件上的光斑直径为0.5~2mm，易于控制走刀。

在图1所示的结构中，工作台7下构造出仪器舱，即图中所示的机箱2，所述激光器的本体位于仪器舱内；

仪器舱舱壁开有格栅1，并设有冷却风机，冷却风机设置在图中所示的风扇口3处。

Claims (8)

1.一种激光清洗装置，其特征在于，包括：

工作台；

工装，为三自由度工装，所具备的三个自由度的回转轴线间相互垂直；

激光器，该激光器的导光臂安装在工作台一侧，且导光臂上的出射透镜位于工装的上方；

驱动总成，用于驱动所述工装；以及

控制器，输出连接所述驱动总成；

其中，出射镜头上具有位于该出射镜头中心的出射透镜和围绕出射透镜设置的接收透镜，反射自待清洗工件的反射光经由所述接收透镜为探测器所接收，该探测器输出连接至所述控制器，以确定反射光的偏斜角度。

2.根据权利要求1所述的激光清洗装置，其特征在于，出射透镜配有焦距调节圆柱凸轮机构；

提供用于驱动所述圆柱凸轮机构的第一伺服电机；

所述控制器输出连接所述第一伺服电机，以根据探测器采样到的距离调整焦距。

3.根据权利要求1所述的激光清洗装置，其特征在于，提供一通过回转支承安装在工作台上的支撑轴，该支撑轴提供工装的第一自由度，并由包含于驱动总成的第二伺服电机驱动；

工装通过万向节或第一轴、第二轴安装在支撑轴上；以提供工装的第二自由度、第三自由度，并由包含于驱动总成的第三伺服电机、第四伺服电机驱动。

4.根据权利要求1所述的激光清洗装置，其特征在于，出射镜头用于安装出射透镜的部分为一头锥下端；

所述接收透镜围绕头锥底部设置。

5.根据权利要求4所述的激光清洗装置，其特征在于，头锥的锥度为1:1~1:3。

6.根据权利要求1所述的激光清洗装置，其特征在于，工作台下构造出仪器舱，所述激光器的本体位于仪器舱内；

仪器舱舱壁开有格栅，并设有冷却风机。

7.根据权利要求1所述的激光清洗装置，其特征在于，激光器为Nd：YAG激光器，出射激光的波长为1064nm。

8.根据权利要求7所述的激光清洗装置，其特征在于，出射激光垂直投射在工件上的光斑直径为0.5~2mm。

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