CN107377530A - 激光焦点控制***及其应用、激光清洗头 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种激光焦点控制***，所述激光焦点控制***包括激光测距仪、场镜和计算显示单元；所述激光测距仪发出的测距激光束通过所述场镜后照射到工件表面并测距；所述激光测距仪与所述计算显示单元电连接，所述激光测距仪与所述计算显示单元输入测距结果，并由所述计算显示单元输出至少一种信号。该***能够实时监控离焦距离，其应用于激光清洗领域，能够实现非接触式的激光清洗，尤其是狭窄空间的清洗，提高清洗的质量和效率。本申请公开了上述激光焦点控制***的应用和激光清洗头。
Description
技术领域
本申请涉及一种激光焦点控制***及其应用和激光焦点控制***以及应用、激光清洗头，属于激光领域。
背景技术
随着科技的不断发展，激光被不断应用到材料的加工、制造以及清洗等各个领域，其中，激光清洗技术是一种绿色环保的清洗技术，在航空航天、精密机械、五金等领域应用前景广阔。而手持式激光清洗设备以其灵活、方便的特点，成为未来激光清洗设备发展的主流。手持式激光清洗头是该设备的核心部件。由于激光清洗是利用激光聚焦后光斑完成污渍的去除，清洗光斑离焦过大会导致清洗效果不佳，因此必须把清洗光斑控制在焦点附近。由于人手在清洗过程中会不断的上下浮动，而清洗光斑的离焦情况又无法通过肉眼判断，因此清洗效果欠佳，需要多次重复清洗，造成人力和能源的浪费。为了保证清洗工件在焦点附近，目前最常用的方法是在手持清洗头上加上一个滚轮机构，滚轮在待清洗工件表面运动，可保证焦点始终在工件表面。但由于受到滚轮的影响，这种清洗头无法实现狭窄空间的清洗，而且清洗过程是接触式的，无法满足特殊要求的产品的清洗。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种激光焦点控制***，该***能够实时监控离焦距离，其应用于激光清洗领域，能够实现非接触式的激光清洗，尤其是狭窄空间的清洗，提高清洗的质量和效率。
所述激光焦点控制***包括激光测距仪、场镜和计算显示单元；
所述激光测距仪发出的测距激光束通过所述场镜后照射到工件表面并测距；
所述激光测距仪与所述计算显示单元电连接，所述激光测距仪与所述计算显示单元输入测距结果，并由所述计算显示单元输出至少一种信号。
本申请中，所述场镜是指工作在物镜焦平面附近、可以有效减小探测器尺寸的透镜，也称为F-Theta镜或F-θ镜。
优选地，所述计算显示单元通过对比所述激光测距仪输入测距结果与预设参数，输出所述测距结果是否在预设范围内。
优选地，所述计算显示单元通过对比获得的测量距离与设定距离，确定离焦量。
优选地，所述计算显示单元通过对比获得的测量距离与设定距离，确定待测激光的焦点位置与待激光处理材料的位置是否合适；
优选地，所述计算显示单元通过显示不同的颜色来对应待测激光的焦点位置与待激光处理材料的位置合适/不合适。
优选地，所述计算显示单元判定待测激光的焦点位置与待激光处理材料的位置合适的计算准则为-ΔF≤L-(L1+L2+F)≤ΔF；
其中，L是计算显示单元中的获得的实际测量的距离；
F为F-Theta镜的焦距；
ΔF为完成激光处理允许的最大离焦量；
L1为激光测距仪与振镜***发出光束之间的距离；
L2为扫描振镜与F-Theta镜之间的距离。
优选地，所述F和ΔF的数值通过计算显示单元进行设定。
作为一个优选的实施方式，所述激光测距仪向所述计算显示单元输入的测距结果L满足L-(L0+F)＞ΔF，所述计算显示单元输出第一信号。
作为一个优选的实施方式，所述激光测距仪向所述计算显示单元输入的测距结果L满足-ΔF≤L-(L0+F)≤ΔF，所述计算显示单元输出第二信号。
作为一个优选的实施方式，所述激光测距仪向所述计算显示单元输入的测距结果L满足L-(L0+F)＜-ΔF，所述计算显示单元输出第三信号。
其中，F为场镜的焦距；
ΔF为所述激光焦点控制***预设的允许的最大离焦量；
L0为激光测距仪与场镜之间的光路距离。
进一步优选地，所述计算显示单元输出的第一信号、第二信号和第三信号，通过不同的颜色、文字、图案中的一种或多种组合的形式区别显示。
进一步优选地，激光焦点控制******包括加工激光器、扫描振镜和分光镜；
所述加工激光器发出的加工激光与所述激光测距仪发出的测距激光通过所述分光镜耦合在同一个光路上，依次通过所述扫描振镜和场镜照射到工件表面；
L0＝L1+L2，其中L1为激光测距仪与扫描振镜之间的光路距离，L2为扫描振镜与场镜之间的光路距离。
优选地，所述激光焦点控制***包括滤波器，所述激光测距仪发出的测距激光首先通过滤波器。
优选地，所述计算显示单元包括至少一个数字逻辑运算单元。
根据本申请的另一个方面，提供了上述激光焦点控制***中的至少一种在激光切割、激光清洗、激光表面毛化、激光焊接、激光冲击强化、激光熔覆、激光淬火中至少一个方面的应用。本申请提供的激光焦点控制***，在激光切割、激光清洗、激光表面毛化、激光焊接、激光冲击强化、激光熔覆、激光淬火方面，具有简单快速反馈是否在设定距离范围内的功能。
根据本申请的又一个方面，提供了一种激光清洗头，包括上述激光焦点控制***中的至少一种，所述激光焦点控制***测量并显示所述激光清洗头与待清洗表面的距离是否在预设范围内。
优选地，所述激光清洗头为手持非接触式激光清洗头，所述激光清洗头包括清洗激光、激光测距仪、滤波器、扫描振镜、场镜和计算显示单元；
所述激光测距仪发出的测距激光束通过滤波器后，与所述清洗激光同光路射向扫描振镜，经所述扫描振镜反射后通过所述场镜照射到待清洗工件表面并得到测距结果L；
所述激光清洗头测得的测距结果L满足L-(L1+L2+F)＞ΔF，则所述计算显示单元显示不符合信号并提示操作者将所述激光清洗头靠近待清洗工件；
或者，所述激光清洗头测得的测距结果L满足
-ΔF≤L-(L1+L2+F)≤ΔF，则所述计算显示单元显示符合信号，提示操作者此距离可以进行激光清洗；
或者，所述激光清洗头测得的测距结果L满足L-(L1+L2+F)＜-ΔF，则所述计算显示单元显示不符合信号并提示操作者将所述激光清洗头远离待清洗工件；
其中，F为场镜的焦距；
ΔF为所述激光焦点控制***预设的允许的最大离焦量；
L1为激光测距仪与扫描振镜之间的光路距离，L2为扫描振镜与场镜之间的光路距离。
优选地，所述激光清洗头是手持式激光清洗设备的核心部件。
作为一种具体的实施方式，将所述激光焦点控制***应用于手工清洗头，包括：
(1)测距激光与加工激光通过分光镜耦合在一个光路上，经过扫描振镜、F-Theta镜作用下到达待清洗工件表面；
(2)激光测距仪前置一个滤波器，用于过滤掉其他波段的干扰光，保证激光测距的准确性；
(3)激光测距仪获得距离数据传输给计算显示单元，计算显示单元根据测量距离与设定距离的对比计算，确定待清洗工件是否在可清洗范围之内，如果在可清洗范围内，绿灯亮；若不在可清洗范围内，则红灯亮；其中，计算显示单元绿灯亮的运算准则为：-ΔF≤L-(L1+L2+F)≤ΔF；
其中，L是实际测量得到的距离；
F为F-Theta镜的焦距；
ΔF为完成激光清洗可允许的最大离焦量；
L1为激光测距仪与振镜***发出光束之间的距离；
L2为扫描振镜与F-Theta镜之间的距离；
计算显示单元红灯亮，表示激光头离工件太远，即L-(L1+L2+F)＞ΔF；或者是表示激光头离工件太近，即L-(L1+L2+F)＜-ΔF。
所述ΔF通过激光清洗实际质量检测、对比测量得到；若更换F-Theta镜后，F和ΔF都会改变，ΔF需要进一步重新测量；
所述计算显示单元可以是一个简单的数字逻辑运算单元，通过该单元可以设定ΔF和F的数值。
所述待清洗工件选自金属材料(如不锈钢、碳钢、铝合金、高温合金、钛合金等)、非金属材料(如玻璃、陶瓷、塑料、复合材料、织物、木料等)中的一种。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的激光焦点控制***，克服了现有技术中“清洗光斑的离焦情况无法通过肉眼判断导致清洗效果欠佳，需要多次重复清洗，造成人力和能源的浪费”的缺陷。
2)本申请所提供的激光焦点控制***，可实时监控离焦距离，用于手持式清洗头，能够实现非接触式的高质量激光清洗，尤其是狭窄空间的清洗，提高清洗的质量和效率。
3)本申请所提供的激光焦点控制***，可实时监控离焦量，用于激光加工，提高激光加工的质量和效率。
4)本申请所提供的激光焦点控制***应用于激光清洗/加工，具有安全环保，操作简单，实施方便，成本低的优势。
附图说明
图1为本申请中涉及的激光焦点控制***示意图。
附图标记：
20-激光测距仪；22-滤波器；24-计算显示单元；
40-分光镜；42-扫描振镜；44-场镜
6-待处理工件；8-工作激光。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料和部件均通过商业途径购买。
所述手持式激光清洗装置的型号为IIILaserClean-50，厂家为宁波大艾激光科技有限公司。
实施例1激光清洗
本实施例中的激光焦点控制***如图1中所述，包括：包括激光测距仪20、滤波器22、计算显示单元24、分光镜40、扫描振镜42、场镜44、工作激光8。本实施例中工作激光8为清洗激光。
具体而言，激光测距仪20发出的测距激光束经过滤波器22后，穿过分光镜40与经分光镜40反射的工作激光8同光路射向扫描振镜42，由扫描振镜42反射后穿过场镜44照射到待处理工件6的表面并测距，得到测距结果L。本实施例中待处理工件6为待清洗工件。
其中，计算显示单元24是一个数字逻辑运算单元。
本实施例采用手持式激光清洗装置对镁铝合金表面的油漆进行清洗；所述手持式激光清洗装置的清洗头采用上述激光焦点控制***，具体工作模式如下所述：
(1)开启发射测距激光的激光器以及手持式激光清洗装置，然后通过分光镜40将测距激光与清洗激光8耦合在一个光路上，经过扫描振镜42、场镜44到达待清洗工件6的表面；
其中，产生清洗激光的激光器为波长1064nm的纳秒激光器；
(2)激光测距仪20出射的测距激光先通过一个滤波器22，用于过滤掉其他波段的干扰光，保证激光测距的准确性；
(3)激光测距仪20获得距离数据L传输给计算显示单元24，计算显示单元24根据测量距离L与设定距离的对比计算，确定待清洗工件6是否在可清洗范围之内，如果在可清洗范围内，绿灯亮；若不在可清洗范围内，则红灯亮并提示应远离还是靠近；其中，计算显示单元绿灯亮的运算准则为：-ΔF≤L-(L1+L2+F)≤ΔF；
其中，L是实际测量得到的距离；
F为场镜的焦距；
ΔF为完成激光清洗可允许的最大离焦量；
L1为激光测距仪与振镜***发出光束之间的距离；
L2为扫描振镜与F-Theta镜之间的距离。
具体为：
当-ΔF≤L-(L1+L2+F)≤ΔF，计算显示单元24亮绿灯，表示激光头离工件距离在工作范围内，可以进行激光清洗；
当L-(L1+L2+F)＞ΔF，计算显示单元24红灯亮并显示为一个降低的箭头，表示激光头离工件太远，应靠近；
当L-(L1+L2+F)＜-ΔF，计算显示单元24红灯亮并显示为一个升高的箭头，表示激光头离工件太近，应远离；
所述ΔF通过激光清洗实际质量检测、对比测量得到；
所述ΔF和F的数值通过计算显示单元进行设定；
即，当操作者手持激光清洗头进行清洗作业时，如果计算显示单元24绿灯亮时，直接进行激光清洗；如果计算显示单元24红灯亮时，根据提示移动手持激光清洗头的位置或者是调节待清洗材料的位置，至计算显示单元绿灯亮，然后进行激光清洗。
实施例2激光清洗
采用手持式激光清洗装置对生锈的碳钢材料进行清洗，更换场镜44，根据新的场镜44的焦距F和待清洗材料重新设定ΔF即可。
所述手持式激光清洗装置的清洗头采用激光焦点控制***，其示意图如图1所示，其工作模式同实施例1。
实施例3激光毛化
本实施例中的激光焦点控制***如图1中所述，包括：包括激光测距仪20、滤波器22、计算显示单元24、分光镜40、扫描振镜42、场镜44、工作激光8。本实施例中工作激光8为加工激光。
具体而言，激光测距仪20发出的测距激光束经过滤波器22后，穿过分光镜40与经分光镜40反射的工作激光8同光路射向扫描振镜42，由扫描振镜42反射后穿过场镜44照射到待处理工件6的表面并测距，得到测距结果L。本实施例中待处理工件6为待加工材料。
其中，计算显示单元24是一个数字逻辑运算单元。
采用激光加工装置对模具钢材料进行表面毛化；所述激光加工装置的激光扫描头采用上述激光焦点控制***，具体工作模式如下所述。
(1)开启发射测距激光的激光器以及激光加工装置，然后通过分光镜40将测距激光与加工激光8通过耦合在一个光路上，经过扫描振镜42、场镜44到达待加工材料6的表面；
其中，产生加工激光的激光器为功率50W，波长532nm的纳秒脉冲激光器。
(2)激光测距仪20出射的测距激光先通过一个滤波器22，用于过滤掉其他波段的干扰光，保证激光测距的准确性；
(3)激光测距仪20获得距离数据L传输给计算显示单元24，计算显示单元24根据测量距离L与设定距离的对比计算，确定待加工材料6是否在可进行有效的激光加工的距离范围之内，如果在可有效进行激光加工范围内，绿灯亮；若不在可有效进行激光加工范围内，则红灯亮并提示应远离还是靠近；其中，计算显示单元绿灯亮的运算准则为：-ΔF≤L-(L1+L2+F)≤ΔF；
其中，L是实际测量得到的距离；
F为场镜的焦距；
ΔF为完成激光清洗可允许的最大离焦量；
L1为激光测距仪与振镜***发出光束之间的距离；
L2为扫描振镜与F-Theta镜之间的距离。
具体为：
当-ΔF≤L-(L1+L2+F)≤ΔF，计算显示单元24亮绿灯，表示激光头离工件距离在工作范围内，可以进行激光加工；
当L-(L1+L2+F)＞ΔF，计算显示单元24红灯亮并显示为一个降低的箭头，表示激光头离工件太远，应靠近；
当L-(L1+L2+F)＜-ΔF，计算显示单元24红灯亮并显示为一个升高的箭头，表示激光头离工件太近，应远离；
所述ΔF通过激光清洗实际质量检测、对比测量得到；
所述ΔF和F的数值通过计算显示单元进行设定；
即，当操作者手持激光加工头进行激光加工作业时，如果计算显示单元24绿灯亮时，直接进行激光加工；如果计算显示单元24红灯亮时，根据提示移动手持激光加工头的位置或者是调节待清洗材料的位置，至计算显示单元绿灯亮，然后进行激光加工。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种激光焦点控制***，其特征在于，所述激光焦点控制***包括激光测距仪、场镜和计算显示单元；
所述激光测距仪发出的测距激光束通过所述场镜后照射到工件表面并测距；
所述激光测距仪与所述计算显示单元电连接，所述激光测距仪与所述计算显示单元输入测距结果，并由所述计算显示单元输出至少一种信号。
2.根据权利要求1所述的激光焦点控制***，其特征在于，所述计算显示单元通过对比所述激光测距仪输入测距结果与预设参数，输出所述测距结果是否在预设范围内。
3.根据权利要求1所述的激光焦点控制***，其特征在于，所述激光测距仪向所述计算显示单元输入的测距结果L满足
L-(L0+F)＞ΔF，所述计算显示单元输出第一信号；
或者，所述激光测距仪向所述计算显示单元输入的测距结果L满足
-ΔF≤L-(L0+F)≤ΔF，所述计算显示单元输出第二信号；
或者，所述激光测距仪向所述计算显示单元输入的测距结果L满足
L-(L0+F)＜-ΔF，所述计算显示单元输出第三信号；
其中，F为场镜的焦距；
ΔF为所述激光焦点控制***预设的允许的最大离焦量；
L0为激光测距仪与场镜之间的光路距离。
4.根据权利要求3所述的激光焦点控制***，其特征在于，所述计算显示单元输出的第一信号、第二信号和第三信号，通过不同的颜色、文字、图案中的一种或多种组合的形式区别显示。
5.根据权利要求3所述的激光焦点控制***，其特征在于，激光焦点控制***包括加工激光器、扫描振镜和分光镜；
所述加工激光器发出的加工激光与所述激光测距仪发出的测距激光通过所述分光镜耦合在同一个光路上，依次通过所述扫描振镜和场镜照射到工件表面；
L0＝L1+L2，其中L1为激光测距仪与扫描振镜之间的光路距离，L2为扫描振镜与场镜之间的光路距离。
6.根据权利要求1所述的激光焦点控制***，其特征在于，所述激光焦点控制***包括滤波器，所述激光测距仪发出的测距激光首先通过滤波器。
7.根据权利要求1所述的激光焦点控制***，其特征在于，所述计算显示单元包括至少一个数字逻辑运算单元。
8.权利要求1至7任一项所述的激光焦点控制***中的至少一种，在激光切割、激光清洗、激光表面毛化、激光焊接、激光冲击强化、激光熔覆、激光淬火中至少一个方面的应用。
9.一种激光清洗头，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述激光焦点控制***中的至少一种，所述激光焦点控制***测量并显示所述激光清洗头与待清洗表面的距离是否在预设范围内。
10.根据权利要求9所述的激光清洗头，其特征在于，所述激光清洗头为手持非接触式激光清洗头，所述激光清洗头包括清洗激光、激光测距仪、滤波器、扫描振镜、场镜和计算显示单元；
所述激光测距仪发出的测距激光束通过滤波器后，与所述清洗激光同光路射向扫描振镜，经所述扫描振镜反射后通过所述场镜照射到待清洗工件表面并得到测距结果L；
所述激光清洗头测得的测距结果L满足L-(L1+L2+F)＞ΔF，则所述计算显示单元显示不符合信号并提示操作者将所述激光清洗头靠近待清洗工件；
或者，所述激光清洗头测得的测距结果L满足
-ΔF≤L-(L1+L2+F)≤ΔF，则所述计算显示单元显示符合信号，提示操作者此距离可以进行激光清洗；
或者，所述激光清洗头测得的测距结果L满足L-(L1+L2+F)＜-ΔF，则所述计算显示单元显示不符合信号并提示操作者将所述激光清洗头远离待清洗工件；
其中，F为场镜的焦距；
ΔF为所述激光焦点控制***预设的允许的最大离焦量；
L1为激光测距仪与扫描振镜之间的光路距离，L2为扫描振镜与场镜之间的光路距离。
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