CN111871964A - 一种用于清洗轴对称结构工件表面的激光清洗装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于清洗轴对称结构工件表面的激光清洗装置及方法，包括：根据待清洗工件的各项参确定激光清洗头的功率；获取相关距离数据，实现清洗头的焦距调整；获取待清洗工件表面上各环形区域的颜色数据，在颜色数据与预设值不同时，确定当前进行颜色检测的环形区域为待清洗表面，使激光光斑以对应半径的圆形线轨迹沿该待清洗表面移动，从而对待清洗工件的待清洗表面进行清洗。本发明通过距离传感器获取其与待清洗工件之间的垂直距离数据，实现清洗头的自动调焦，通过检测待清洗工件表面的颜色，以确定待清洗区域的轨迹，通过振镜***控制圆形线光斑沿该轨迹移动，从而实现对待清洗工件的均匀清洗，提高了激光清洗的效率和清洗质量。

Description

一种用于清洗轴对称结构工件表面的激光清洗装置及方法

技术领域

本发明涉及激光清洗技术领域，具体而言，涉及一种用于清洗轴对称结构工件表面的激光清洗装置及方法。

背景技术

现有技术中，为了保持激光能有足够的能量，一般从光纤出来聚焦后的光斑都很小，只有70μm至400μm，这导致清洗面积过小，清洗速度下降。因此，会通过往复转动的振镜，将聚焦后的点光斑高速摆动，形成高速扫描的线光斑，以增加清洗效率，根据使用不同焦距的场镜的光学特性，激光束在聚焦位置一般有1-4mm的焦深，清洗时必须保证焦点位置变化不超过焦深范围，但是，在进行轴对称带弧度物品清洗时并不适用，因为线光斑在弧形物体表面清洗时光斑焦点并不能全部集中在被清洗物表面，严重影响清洗效率和质量。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种激光清洗方法及装置和应用，旨在解决现有技术中对轴对称带弧度物品进行激光清洗时，清洗效率和质量较低的问题。

一个方面，本发明提出了一种激光清洗装置，升降平台、清洗头、距离传感器、颜色传感器和控制单元；其中，清洗头设置在升降平台上，清洗头包括振镜***和激光发生器；距离传感器设置在所述升降平台上，用于获取所述距离传感器与具有轴对称结构的待清洗工件的垂直距离；颜色传感器设置在所述升降平台上，用于获取所述待清洗工件表面上各环形区域的颜色数据；控制单元与所述距离传感器、所述颜色传感器、所述振镜***及所述激光发生器均电性连接，用于接收所述距离传感器获取的垂直距离数据，并根据所述距离数据控制所述升降平台驱动所述清洗头沿竖直方向移动预设距离，以实现所述清洗头与所述待清洗工件之间的焦距调整；以及接收所述颜色传感器获取的颜色数据，并在所述颜色数据与预设值不同时，确定当前进行颜色检测的环形区域为待清洗表面；并控制所述振镜***运动，从而使得所述激光发生器生成的光斑以对应半径的圆形线轨迹沿该环形区域移动，从而对所述待清洗表面进行清洗。

进一步地，上述激光清洗装置中，所述升降平台包括：相连接的竖直移动机构和水平移动机构；其中，所述竖直移动机构的一侧设置有安装座，所述清洗头设置在所述安装座上；所述水平移动机构远离所述竖直移动机构的一端穿设于所述安装座的侧壁并延伸至所述安装座内部，所述距离传感器和所述颜色传感器均设置在所述水平移动平台上，且二者位于所述清洗头底部的一侧。

进一步地，上述激光清洗装置中，所述竖直移动机构包括：丝杆、滑块、滑轨和电机；其中，所述丝杠设置在所述滑轨中，所述滑块套接在所述丝杆上且与所述安装座连接，所述滑块与所述丝杆的接触面上设有与所述丝杆螺纹相配合的螺纹；所述电机的输出轴与所述丝杠连接，用以驱动所述丝杆做旋转转动，以将所述丝杆的旋转运动转化为所述滑块的直线运动，进而带动所述安装座沿竖直方向移动。

进一步地，上述激光清洗装置中，所述水平移动机构为伸缩杆。

进一步地，上述激光清洗装置中，还包括：清洗台；其中，所述清洗台与所述升降平台的底部相连接，用以承载所述待清洗工件。

本发明中，通过距离传感器获取其与待清洗工件之间的垂直距离数据，有利于清洗头在工作过程中有效焦点的保持，避免因失焦导致激光能量不足而清洗效果不佳，高速反应的颜色传感***能保证待清洗设备表面的均匀清洗效果，一方面使激光清洗技术能够进入更多的工业制造领域，使得以前不方便清洗的物件能够使用激光清洗，另一方面提高了清洗的效率，使激光清洗融入自动化设备与智能制造领域。

另一方面，本发明还提出了一种激光清洗方法，包括以下步骤：根据待清洗工件的各项参数确定激光清洗头的功率；获取距离传感器与待清洗工件之间的垂直距离数据，实现所述清洗头与所述待清洗工件之间的焦距调整；获取所述待清洗工件表面上各环形区域的颜色数据，在所述颜色数据与预设值不同时，确定当前进行颜色检测的环形区域为待清洗表面，使激光光斑以对应半径的圆形线轨迹沿该待清洗表面移动，从而对所述待清洗工件的待清洗表面进行清洗。

进一步地，上述清洗方法中，根据所述待清洗工件的各项参数确定激光输出的清除功率密度阈值和损伤功率密度阈值后，根据所述清除功率密度阈值和所述损伤功率密度阈值确定激光清洗头的功率。

进一步地，上述清洗方法中，所述焦距调整步骤中，通过所述距离传感器获取的垂直距离数据控制激光清洗头的激光发生器镜头与所述待清洗工件表面的垂直距离，保证清洗过程中激光焦距波动保持在1mm以内。

进一步地，上述清洗方法中，所述清洗步骤中，在当前所述待清洗表面清洗结束后，继续获取所述待清洗工件表面下一环形区域的颜色数据，以在该环形区域的颜色与所述预设值不同时，使所述激光光斑继续以对应半径的圆形线轨迹沿该环形区域移动。

进一步地，上述清洗方法中，在所述清洗步骤之后，还包括：清除所述待清洗工件表面上经过激光清洗后产生的残余物。

本发明提供的激光清洗方法，通过距离传感器获取其与待清洗工件之间的垂直距离数据，实现清洗头的自动调焦，通过颜色传感器对待清洗工件表面的颜色进行检测，以确定待清洗区域的环形轨迹后，通过振镜***控制圆形线光斑以该轨迹移动，从而实现对待清洗工件的均匀清洗，提高了激光清洗的效率和清洗质量，同时，也能避免清洗过程中，激光束对待清洗工件表面造成损伤。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的激光清洗装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参阅图1，本发明实施例的用于轴对称结构工件表面的激光清洗装置包括：升降平台1、清洗头2、距离传感器3、颜色传感器4和控制单元5；其中，清洗头2设置在升降平台1上，清洗头2包括振镜***和激光发生器；距离传感器3设置在所述升降平台1上，用于获取所述距离传感器3与具有轴对称结构的待清洗工件8的垂直距离；颜色传感器4设置在所述升降平台1上，用于获取所述待清洗工件8表面上各环形区域的颜色数据；控制单元5与所述距离传感器3、所述颜色传感器4、所述振镜***及所述激光发生器均电性连接，用于接收所述距离传感器3获取的垂直距离数据，并根据所述距离数据控制所述升降平台1驱动所述清洗头2沿竖直方向移动预设距离，以实现所述清洗头2与所述待清洗工件8之间的焦距调整；以及接收所述颜色传感器4获取的颜色数据，并在所述颜色数据与预设值不同时，确定当前进行颜色检测的环形区域为待清洗表面；并控制所述振镜***运动，从而使得所述激光发生器生成的光斑以对应半径的圆形线轨迹沿该环形区域移动，从而对所述待清洗表面进行清洗。

具体而言，待清洗工件8可以为具有轴对称结构的设备。本实施例中，待清洗工件8可以为运行一段时间后的涂覆有RTV涂料的绝缘子。本实施例中，待清洗表面是指待清洗工件8表面沿厚度方向的各个横截面的环形区域的边缘。也就是说，待清洗工件8为具有轴对称结构，清洗时可以沿其厚度方向自顶部至底部一圈一圈清洗，直至待清洗工件8表面的颜色与该电力设备的本体颜色一致，即可认为清洗干净。

清洗头2为CO₂连续激光器或光纤激光器。

颜色传感器4可以实时检测待清洗工件8表面正在清洗的区域与尚未清洗的区域的颜色数据，并将获取的各环形区域的颜色数据反馈给控制单元5，控制单元5通过调整清洗头的振镜***，控制清洗光斑沿预设圆形线轨迹移动，即可对需要清洗的区域进行清洗，从而实现待清洗工件8表面的均匀清洗。预设圆形线轨迹是指与当前检测的待清洗部位的环形区域的边缘线。当颜色传感器4获取的正在清洗的区域的颜色数据与电力设备本体的颜色一致时，即可认为该区域清洗干净，可进行下一区域的清洗。

较具体的，颜色传感器4可以是光到光电流转换类型，光到模拟电压转换类型或光到数字转换类型。颜色传感器4的反应时间为200μs。

距离传感器3为激光测距传感器，本实施例中激光测距传感器的线性度小于0.2μm，响应频率不低于10kHz，测量误差不大于0.1mm。距离传感器整体模组的焦点跟踪精度不低于±1mm，跟踪速度不小于200mm/s。

升降平台1可以包括：相连接的竖直移动机构11和水平移动机构12；其中，竖直移动机构11的一侧设置有安装座6，清洗头2设置在安装座6上；水平移动机构远离竖直移动机构的一端穿设于安装座6的侧壁并延伸至安装座6内部，距离传感器3和颜色传感器4均设置在水平移动平台上，且二者位于清洗头2底部的一侧。

更具体的，所述竖直移动机构11包括：丝杆、滑块110、滑轨111和电机；其中，所述丝杠设置在所述滑轨中，所述滑块110套接在所述丝杆上且与所述安装座6连接，所述滑块与所述丝杆的接触面上设有与所述丝杆螺纹相配合的螺纹；所述电机的输出轴与所述丝杠连接，用以驱动所述丝杆做旋转转动，以将所述丝杆的旋转运动转化为所述滑块的直线运动，进而带动所述安装座6沿竖直方向移动。电机可以为伺服电机。通过控制单元5与伺服电机相连接，控制伺服电机正反转，可以驱动丝杆正反转，从而驱动滑块带动上升或者下降，进而使得清洗头2沿竖直方向上下移动。

水平移动机构12可以通过滑块与竖直移动机构连接，竖直移动机构驱动安装座6上下移动时会带动清洗头2、距离传感器3和颜色传感器4上下移动（图中箭头A所示的方向）。

当调焦完成后，清洗头2的位置固定，通过颜色传感器4获取当前镜头对准的环形区域的颜色数据是否与待清洗工件8本体的颜色一致，如果与待清洗工件8的本体颜色一致，则认为该区域清洗干净或者该区域无需清洗；可通过控制单元5控制水平移动机构进行伸缩，以带动颜色传感器4沿水平方向移动，从而进行下一环形区域的颜色检测，直至检测到某一区域的颜色数据与待清洗工件的表面颜色不一致时，即可通过控制单元5控制颜色传感器4停止移动，接着继续通过距离传感器3获取的垂直距离数据进行焦距调整，待焦距调整好之后，即可通过控制单元5控制振镜***对激光光斑进行移动以完成对待清洗表面的清洗，如此依次循环，直至清洗结束。

水平移动机构带动距离传感器3和颜色传感器4向沿水平方向（图中箭头B所示的方向）移动，以便于获取待清洗工件表面上沿厚度方向不同区域的垂直距离数据和颜色数据。

安装座6的结构不做具体限定，能适应不同型号激光清洗头2的安装以及安装位置的调整。水平移动机构上设置有安装支架，其上设置有若干长圆孔，可以将不同型号的颜色传感器4和距离传感器3安装至预设孔位中，并且还可以调整距离传感器3和颜色传感器4在长圆孔中的位置。安装支架上还开设有固定传感器电缆的卡槽。

更具体的，水平移动机构12可以为伸缩杆。安装支架可以设置在伸缩杆的下表面上，从而可以使得距离传感器3和颜色传感器4随着伸缩杆的伸缩沿水平方向移动（图中箭头B所示的方向）。

本实施例中，还包括：清洗台7；其中，清洗台7与升降平台1的底部相连接，用以承载待清洗工件。清洗台可以为方形、圆形等，本实施例对其不作任何限定。

控制单元5为通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。

控制单元5包括存储器和处理器，其中，存储器中存储有清洗头2的焦距数据和待清洗工件本体8的颜色数据，处理器与存储器连接，用以接收清洗头2的焦距数据和待清洗工件本体的颜色数据。

处理器与距离传感器3连接，用以将距离传感器3获取的垂直距离数据与存储器中预先存储的清洗头2的焦距进行比对，以在二者之间的差在1mm以内时，确定调焦完成。

处理器还与颜色传感器4连接，用以将颜色传感器4获取的颜色数据与存储器中预先存储的待清洗设备本身的颜色数据进行比对，当二者不一致时，确定当前进行颜色检测的区域为待清洗表面；当二者一致时，确定当前进行颜色检测的区域已经清洗完毕或无需进行清洗。

存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

控制单元5还包括：壳体；壳体内设置PLC控制器，伺服驱动模块，开关电源等电器元器件。控制箱有外控信号接口，激光器出光接口，外界操作屏接口等。

上述显然可以得出，本实施例中提供的激光清洗装置，通过距离传感器获取其与待清洗工件之间的垂直距离数据，有利于清洗头2在工作过程中有效焦点的保持，避免因失焦导致激光能量不足而清洗效果不佳，高速反应的颜色传感***能保证待清洗设备表面的均匀清洗效果，一方面使激光清洗技术能够进入更多的工业制造领域，使得以前不方便清洗的物件能够使用激光清洗，另一方面提高了清洗的效率，使激光清洗融入自动化设备与智能制造领域。

本发明还提供了一种激光清洗装置的清洗方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据待清洗工件的各项参数确定激光清洗头的功率。

具体而言，根据所述待清洗工件的各项参数确定激光输出的清除功率密度阈值和损伤功率密度阈值后，根据所述清除功率密度阈值和所述损伤功率密度阈值确定激光清洗头的功率。即根据待清洗工件的尺寸、形状、表面污物厚度，以及污物材料性质确定清除功率密度阈值和损伤功率密度阈值。

所述清除功率密度阈值为能够将待清除的污物厚度清除的最小功率密度；所述损伤功率密度阈值为所述待清洗的电力设备表面被激光辐射时能够承受的最大功率密度，超出该最大功率密度将损伤所述待清洗工件的表面。调节激光发生器的频率后，即可将待清洗工件置于清洗台上，通过调焦后，即可输出激光对待清洗物品表面进行扫描清洗。

步骤S2，获取距离传感器与待清洗工件之间的垂直距离数据，实现所述清洗头与所述待清洗工件之间的焦距调整。

具体而言，所述焦距调整步骤中，通过所述距离传感器获取的垂直距离数据控制激光清洗头的激光发生器镜头与所述待清洗工件表面的垂直距离，保证清洗过程中激光焦距波动保持在1mm以内，即使得焦点位置不超过激光束9的焦深范围，可以避免失焦导致激光能量不足，而影响清洗效果。

通过激光测距传感器实时测量清洗头与待清洗表面之间的垂直距离，反馈给控制单元，控制单元通过数据采样比较分析和计算，得出清洗头需要调节的位移量以及时间补偿参数，通过延时控制驱动伺服电机运行，调节激光清洗头的位置，完成自动调焦过程。

步骤S3，获取所述待清洗工件表面上各环形区域的颜色数据，在所述颜色数据与预设值不同时，确定当前进行颜色检测的环形区域为待清洗表面，使激光光斑以对应半径的圆形线轨迹沿该待清洗表面移动，从而对所述待清洗工件的待清洗表面进行清洗。

具体而言，在当前所述待清洗表面清洗结束后，继续获取所述待清洗工件表面下一环形区域的颜色数据，以在该环形区域的颜色与所述预设值不同时，使所述激光光斑继续以对应半径的圆形线轨迹沿该环形区域移动。

通过颜色传感器组件实时监测清洗区域与未清洗区域颜色变化，反馈给控制***，控制***通过调整清洗头振镜***，控制清洗光斑移动变化，实现待清洗工件表面的均匀清洗。

在步骤S3之后，还可以包括步骤S4：清除所述待清洗工件表面上经过激光清洗后产生的残余物。

具体而言，可以根据清除的污物的性质选择合适的除尘设备对其进行清理，以保证清洗台的干净整洁。

方法实施例中与装置实施例的相关之处可互相参照，此处不再赘述。

本发明中，通过距离传感器获取其与待清洗工件之间的垂直距离数据，实现清洗头的自动调焦，通过颜色传感器对待清洗工件表面的颜色进行检测，以确定待清洗区域的环形轨迹后，通过振镜***控制圆形线光斑以该轨迹移动，从而实现对待清洗工件的均匀清洗，提高了激光清洗的效率和清洗质量，同时，也能避免清洗过程中，激光束对待清洗工件表面造成损伤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于清洗轴对称结构工件表面的激光清洗装置，其特征在于，包括：

升降平台；

清洗头，其设置在所述升降平台上，所述清洗头包括振镜***和激光发生器；

距离传感器，其设置在所述升降平台上，用于获取所述距离传感器与具有轴对称结构的待清洗工件的垂直距离；

颜色传感器，其设置在所述升降平台上，用于获取所述待清洗工件表面上各环形区域的颜色数据；

控制单元，其与所述距离传感器、所述颜色传感器、所述振镜***及所述激光发生器均电性连接，用于接收所述距离传感器获取的垂直距离数据，并根据所述距离数据控制所述升降平台驱动所述清洗头沿竖直方向移动预设距离，以实现所述清洗头与所述待清洗工件之间的焦距调整；以及接收所述颜色传感器获取的颜色数据，并在所述颜色数据与预设值不同时，确定当前进行颜色检测的环形区域为待清洗表面；并控制所述振镜***运动，从而使得所述激光发生器生成的光斑以对应半径的圆形线轨迹沿该环形区域移动，从而对所述待清洗表面进行清洗。

2.根据权利要求1所述的激光清洗装置，其特征在于，所述升降平台包括：相连接的竖直移动机构和水平移动机构；其中，

所述竖直移动机构的一侧设置有安装座，所述清洗头设置在所述安装座上；

所述水平移动机构远离所述竖直移动机构的一端穿设于所述安装座的侧壁并延伸至所述安装座内部，所述距离传感器和所述颜色传感器均设置在所述水平移动平台上，且二者位于所述清洗头底部的一侧。

3.根据权利要求2所述的激光清洗装置，其特征在于，所述竖直移动机构包括：丝杆、滑块、滑轨和电机；其中，

所述丝杠设置在所述滑轨中，所述滑块套接在所述丝杆上且与所述安装座连接，所述滑块与所述丝杆的接触面上设有与所述丝杆螺纹相配合的螺纹；所述电机的输出轴与所述丝杠连接，用以驱动所述丝杆做旋转转动，以将所述丝杆的旋转运动转化为所述滑块的直线运动，进而带动所述安装座沿竖直方向移动。

4.根据权利要求2所述的激光清洗装置，其特征在于，所述水平移动机构为伸缩杆。

5.根据权利要求1所述的激光清洗装置，其特征在于，还包括：清洗台；其中，

所述清洗台与所述升降平台的底部相连接，用以承载所述待清洗工件。

6.一种如权利要求1至5中任一项所述的激光清洗装置的清洗方法，其特征在于，包括以下步骤:

根据待清洗工件的各项参数确定激光清洗头的功率；

获取距离传感器与待清洗工件之间的垂直距离数据，实现所述清洗头与所述待清洗工件之间的焦距调整；

获取所述待清洗工件表面上各环形区域的颜色数据，在所述颜色数据与预设值不同时，确定当前进行颜色检测的环形区域为待清洗表面，使激光光斑以对应半径的圆形线轨迹沿该待清洗表面移动，从而对所述待清洗工件的待清洗表面进行清洗。

7.根据权利要求6所述的清洗方法，其特征在于，根据所述待清洗工件的各项参数确定激光输出的清除功率密度阈值和损伤功率密度阈值后，根据所述清除功率密度阈值和所述损伤功率密度阈值确定激光清洗头的功率。

8.根据权利要求6所述的清洗方法，其特征在于，所述焦距调整步骤中，通过所述距离传感器获取的垂直距离数据控制激光清洗头的激光发生器镜头与所述待清洗工件表面的垂直距离，保证清洗过程中激光焦距波动保持在1mm以内。

9.根据权利要求6所述的清洗方法，其特征在于，所述清洗步骤中，在当前所述待清洗表面清洗结束后，继续获取所述待清洗工件表面下一环形区域的颜色数据，以在该环形区域的颜色与所述预设值不同时，使所述激光光斑继续以对应半径的圆形线轨迹沿该环形区域移动。

10.根据权利要求1至6任一项所述的清洗方法，其特征在于，在所述清洗步骤之后，还包括：清除所述待清洗工件表面上经过激光清洗后产生的残余物。

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