CN217071143U - 一种基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置 - Google Patents

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刘士鹏
李峰西
邢振宏
崔炳军
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Abstract

本实用新型提供一种基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置,属于激光清洗装置技术领域,其包括激光器,所述激光器所发射激光的激光传输光路上依次设置有多边形扫描转镜、扫描振镜、f‑θ聚焦透镜,所述多边形扫描转镜传动连接有转轴一,所述转轴一传动连接有旋转驱动组件一;所述扫描振镜传动连接有转轴二,所述转轴二传动连接有旋转驱动组件二,所述f‑θ聚焦透镜位于扫描振镜的下方,所述f‑θ聚焦透镜的下方设置有靶材。本实用新型的有益效果在于,其不仅增大了静态清洗幅面,还大大提高了激光清洗的清洗精度和清洗效率。

Description

一种基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置
技术领域
本实用新型属于激光清洗装置技术领域,具体涉及一种基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置。
背景技术
当设备表面所涂覆的涂层在长期服役下发生老化脱漆现象时,其一般需要先对旧的涂层进行彻底清洗,然后再涂敷新的涂层。另外,对于一些易氧化的材料,尤其是经常作为飞机或高铁蒙皮的铝合金材料,由于其表面极其容易形成氧化膜,所以在工艺加工中也需要先对其表面的氧化膜进行清洗。
目前,激光清洗作为一种新型清洗方法,其利用激光的高能量,通过光剥离、光分解等原理清除材料表面的污染物。而且由于其相比于传统的化学清洗和传统的物理清洗技术,具有绿色环保、高效、无研磨、非接触、无热效应等优点,其具有广阔的应用前景。
但现有的激光清洗装置还存在以下问题:1、现有的手持激光清洗机重量较大,不适合人工长期作业;2、现有的基于振镜扫描系统的激光清洗装置虽然能够提高激光清洗效率,但由于其内部振镜扫描系统的抗损伤阈值低、匹配激光器能量低,以及振镜扫描速度低,其无法实现更高效率的激光清洗;3、现有的基于多边形扫描转镜的激光清洗装置虽然能够实现激光高速偏转,并使其扫描速度达到振镜扫描系统的几十倍甚至上百倍,但是现有的基于多边形扫描转镜的激光清洗装置大多数只能实现一维激光高速清洗,从而使激光清洗效率受到限制;另外,若其想要实现二维激光清洗,其需要额外设置一组用来驱动承载平台或激光清洗装置进行对应方向移动的同步机械驱动装置来实现,但是这样很难精确地保证激光扫描场的失真。
实用新型内容
为了克服上述不足,本实用新型提供一种基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置,以解决目前激光清洗装置单位清洗面积小、清洗效率低、清洗精度低的问题。
为了解决上述技术问题,本实用新型所提供的技术方案为:一种基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置,其包括激光器,所述激光器所发射激光的激光传输光路上依次设置有多边形扫描转镜、扫描振镜、f-θ聚焦透镜,所述多边形扫描转镜传动连接有转轴一,所述转轴一传动连接有旋转驱动组件一;所述扫描振镜传动连接有转轴二,所述转轴二传动连接有旋转驱动组件二,所述f-θ聚焦透镜位于扫描振镜的下方,所述f-θ聚焦透镜的下方设置有靶材。这样在激光清洗过程中,激光器所发射的激光束先打在多边形扫描转镜上,然后在多边形扫描转镜的高速旋转下使得激光束沿一条重复扫描路径快速偏转,偏转后的激光束打在置于多边形扫描转镜斜下方的扫描振镜上,并在扫描振镜的作用下使得激光束沿另一个垂直于上述扫描路径的方向快速偏转,且每完成一条线的扫描后扫描振镜偏转一次;最后经扫描振镜快速偏转后的激光束通过f-θ聚焦透镜聚焦后打在需要清洗的靶材表面上,从而实现基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗。
进一步地,还包括中央控制器,所述中央控制器通信连接有激光器控制单元,所述激光器控制单元用来控制激光器的工作状态;所述中央控制器还通信连接有旋转控制单元,所述旋转控制单元用来控制旋转驱动组件一和旋转驱动组件二的工作状态。这样在激光清洗过程中,本实用新型中的中央控制器可以在高速接收、处理激光束清洗位置信息后,传递对应的信息给激光器控制单元和旋转控制单元,并使激光器控制单元控制激光器开关和/或改变调制激光的频率信号,从而实现高速同步扫描和清洗,即实现清洗速度与激光脉冲频率的同步,以确保本装置在高速、高效激光清洗时的绝对精度。
进一步地,所述多边形扫描转镜的上方设置有光电监测器,所述光电监测器与中央控制器通信连接。这样本装置可以通过光电监测器实时监测激光束在多边形扫描转镜上的照射位置,并将照射位置信息传送给中央控制器,从而使本装置能够在激光束打在多边形扫描转镜的面楞上时,快速地将激光器关断,并避免激光束损坏设备。
进一步地,所述激光器和多边形扫描转镜之间设置有光束整形器,且所述光束整形器采用伽利略式结构。这样激光器所发射的激光束经过光束整形器整形扩束后才能够打在多边形扫描转镜的表面上,并使得处理后的激光束成为高斯光束,且当其经过f-θ聚焦透镜聚焦后能够在靶材上形成半径为50μm,M2=1.2的光斑,并实现激光能量均匀分布。
进一步地,所述多边形扫描转镜为八边形十六面双锥棱镜,而且这种多边形扫描转镜可以有效降低激光扫描场失真,并确保激光扫描、清洗过程中的重复定位精度更精确。
进一步地,所述激光器为高频率纳秒光纤激光器,从而进一步地提高激光清洗速度和实现激光高效划线清洗。
进一步地,所述中央控制器为FPGA中央处理器,且其能够在5ns之内高速处理清洗位置信息、激光脉冲频率信息和其他反馈信息等等。
进一步地,所述靶材的下方设置有X-Y移动承载工作台,所述X-Y移动承载工作台传动连接有X轴驱动组件和Y轴驱动组件,所述X轴驱动组件和Y轴驱动组件均与中央控制器通信连接。这样在对较大面积的靶材表面进行清洗时,本装置可以在完成一个单元的清洗任务后,通过中央控制器控制X轴驱动组件和Y轴驱动组件驱使X-Y移动承载工作台和靶材进行对应的移动,以实现动态同步跟踪清洗。
从以上技术方案可以看出,本实用新型具有以下优点:本实用新型所提供的基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置能够在多边形扫描转镜和扫描振镜的配合下直接实现二维大幅面高速激光清洗,而且相比于传统的一维高速扫描转镜系统,本装置不仅增大了静态清洗幅面,还大大提高了整个装置的清洗精度和清洗效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型的技术方案,下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,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,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型具体实施方式的结构示意图(X-Y移动承载工作台和光束整形器未画出)。
图中:1、激光器,2、光电监测器,3、多边形扫描转镜,4、扫描振镜,5、f-θ聚焦透镜,6、靶材。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示,本实用新型提供了一种基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置,其包括激光器1,所述激光器1所发射激光的激光传输光路上依次设置有光束整形器、多边形扫描转镜3、扫描振镜4和f-θ聚焦透镜5,而且所述激光器1、光束整形器和多边形扫描转镜3水平设置,所述扫描振镜4位于多边形扫描转镜3的斜下方,所述f-θ聚焦透镜5位于扫描振镜4的下方,靶材位于f-θ聚焦透镜5的下方。另外,所述多边形扫描转镜3还传动连接有转轴一,所述转轴一传动连接有旋转驱动组件一,并通过旋转驱动组件一驱使转轴一和多边形扫描转镜3绕其轴线匀速转动,且其转速最高可达到11400rpm,最快扫描速度1000m/s。所述扫描振镜4传动连接有转轴二,所述转轴二传动连接有旋转驱动组件二,并通过旋转驱动组件二驱使转轴二和扫描振镜4绕对应轴线进行摆动。
这样在激光清洗过程中,激光器1所发射的激光束先经光束整形器整形后打在多边形扫描转镜3上,然后在多边形扫描转镜3的高速旋转下使得激光束沿一条重复扫描路径快速偏转,偏转后的激光束打在置于多边形扫描转镜3斜下方所设置的扫描振镜4上,并在扫描振镜4的作用下使得激光束沿另一个垂直于上述扫描路径的方向快速偏转,且每完成一条线的扫描后扫描振镜4偏转一次;最后经扫描振镜4快速偏转后的激光束通过f-θ聚焦透镜5聚焦后打在需要清洗的靶材表面上,从而实现基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗。
另外,本实用新型还包括中央控制器,所述中央控制器优选为FPGA中央处理器,而且所述中央控制器通信连接有激光器控制单元和旋转控制单元,其中,所述激光器控制单元用来控制激光器1的工作状态,所述旋转控制单元用来控制旋转驱动组件一和旋转驱动组件二的工作状态。另外,所述中央控制器还通信连接有用来实时监测激光束在多边形扫描转镜3上照射位置的光电监测器2,且所述光电监测器2设置在多边形扫描转镜3的上方。这样本实用新型中的中央控制器可以在高速接收、处理激光在靶材上的清洗位置后,控制激光器1开关和/或改变调制激光的频率信号,从而实现高速同步清洗。另外,本实用新型中的中央控制器还能够在激光束打在多边形扫描转镜3的面楞上时,控制激光器1快速地关断,并避免激光束损坏设备。
此外,为了进一步地提高本实用新型的清洗效率和清洗精度,以及扩大本实用新型的清洗面积,本实用新型中的多边形扫描转镜3优选为八边形十六面双锥棱镜,本实用新型中的f-θ聚焦透镜5的焦距优选长焦距,本实用新型中的激光器1优选为激光脉冲重复频率≥500kHz高频率纳秒光纤激光器,且其激光发射参数优选为:输出功率为1kW、脉冲重复频率1MHz、单脉冲能量为1MJ。
为了方便本实用新型对大面积的靶材进行激光清洗,本实用新型还在靶材下方设置有X-Y移动承载工作台,且所述X-Y移动承载工作台传动连接有X轴驱动组件和Y轴驱动组件,所述X轴驱动组件和Y轴驱动组件均与中央控制器通信连接,且所述X-Y移动承载工作台能够在X轴驱动组件和Y轴驱动组件的作用下实现二维水平移动,以实现动态同步跟踪清洗。此外,由于X-Y移动承载工作台为本领域较为成熟的技术,所以在此不做详细描述。
下面提供一个采用上述装置的加工实验例,以说明本实用新型的有益效果:当利用本实用新型所提供的基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置清洗100mm×100mm铝合金表面的氧化铝薄膜时,单位激光清洗面积为100mm×100mm,光斑直径为100微米,光斑距离为50微米,激光频率为2MHz,激光功率为1000W,单脉冲能量为0.5MJ,清洗速度可以以达到100m/s。
本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置,其特征在于,包括激光器(1),所述激光器(1)所发射激光的激光传输光路上依次设置有多边形扫描转镜(3)、扫描振镜(4)、f-θ聚焦透镜(5),所述多边形扫描转镜(3)传动连接有转轴一,所述转轴一传动连接有旋转驱动组件一;所述扫描振镜(4)传动连接有转轴二,所述转轴二传动连接有旋转驱动组件二,所述f-θ聚焦透镜(5)位于扫描振镜(4)的下方,所述f-θ聚焦透镜(5)的下方设置有靶材。
2.根据权利要求1所述的基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置,其特征在于,还包括中央控制器,所述中央控制器通信连接有激光器控制单元,所述激光器控制单元用来控制激光器(1)的工作状态;所述中央控制器还通信连接有旋转控制单元,所述旋转控制单元用来控制旋转驱动组件一和旋转驱动组件二的工作状态。
3.根据权利要求2所述的基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置,其特征在于,所述多边形扫描转镜(3)的上方设置有光电监测器(2),所述光电监测器(2)与中央控制器通信连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置,其特征在于,所述激光器(1)和多边形扫描转镜(3)之间设置有光束整形器。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置,其特征在于,所述多边形扫描转镜(3)为八边形十六面双锥棱镜。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置,其特征在于,所述激光器(1)为高频率纳秒光纤激光器。
7.根据权利要求2或3所述的基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置,其特征在于,所述中央控制器为FPGA中央处理器。
8.根据权利要求2或3所述的基于扫描转镜的二维大幅面激光高速清洗装置,其特征在于,所述靶材的下方设置有X-Y移动承载工作台,所述X-Y移动承载工作台传动连接有X轴驱动组件和Y轴驱动组件,所述X轴驱动组件和Y轴驱动组件均与中央控制器通信连接。
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