一种双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种能双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，包括激光器、传输光纤、升降对焦组件、激光测距传感器、振镜扫描系统、升降导向电驱组件和双波长复合整形系统；所述振镜扫描系统用于实现将入射的激光束聚焦于工件表面，并使激光束按设定轨迹在工件表面进行扫描运动；在振镜扫描系统的激光束出射端下方设置有升降对焦组件，在振镜扫描系统的侧面固定安装有激光测距传感器，双波长复合整形系统的输入端与激光器之间通过传输光纤相连，经过内部光学变换后输出双波长复合整形光束，其输出端与振镜扫描系统的激光束入射端固定连接。本发明专利技术可大大增强清洗的均匀性和精细程度，使清洗质量得到大幅度提高。

Hand held adaptive laser cleaning device with dual wavelength composite beam shaping

The invention provides a handheld laser cleaning device can adaptive dual wavelength composite beam shaping, including lasers, optical fiber transmission, lifting focus component, laser ranging, galvanometer scanning system, lifting electric drive component and dual wavelength composite shaping system; the galvanometer scanning system for the realization of the incident laser beam focusing on the surface of the workpiece, and the laser beam according to set track scanning on the surface of the workpiece; a lifting assembly is arranged below the transmitter focus in laser beam scanning system, the side mirror scanning system is fixedly provided with a laser range sensor, between the input shaping system with composite dual wavelength laser by transmission optical fiber connected through internal optical transformation, dual wavelength output composite beam shaping, laser beam end and the output end of the galvanometer scanning system Fixed connection. The invention can greatly enhance the uniformity and fine degree of cleaning, and greatly improve the cleaning quality.

【技术实现步骤摘要】
一种双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置
本专利技术属于激光清洗领域，具体涉及一种双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置。
技术介绍
清洗是针对材料表面的污物、锈斑或涂层，利用化学或物理原理使其发生瞬间蒸发或剥离，即达到清除对象表面附着物或表面涂层，获得清洁的材料表面。目前国内外的表面清洗技术主要有化学清洗和物理清洗两类。化学清洗主要是利用化学反应去除污物中的主要化学成分，由于清洗不彻底及清洗时排放大量酸、盐等，既污染环境又腐蚀设备，所以应用的范围较小。相比之下，物理清洗方法是在污垢处施加物理作用(如热、搅拌摩擦、研磨、压力等)使其脱落，主要有以下几种方法：1)干冰清洗：将干冰颗粒作为喷射介质用于清理各种顽固的油脂及混合附着物。研究表明，干冰清洗应用于从金属物质上清除非金属污垢时效果最为明显，因此大量用于清洗精密零件和模具的有机残留物或污染物，不足之处在于对顽固的金属氧化物则难以清洗彻底。2)气体爆破清洗：一般以惰性气体或氮气作为工作介质，当储存在密闭容器内的压缩气体被突然释放时，压缩气体将通过气体排放口向外快速流动同时气体体积发生膨胀，产生的震动和冲击波可以把附着在材料表面的污染物震落，随压缩气体一起离开材料表面。气体爆破清洗对于各类油墨、油漆和涂料等顽固污渍表现出良好的性能，波音、空客等著名航空制造公司以及美国空军均在使用气体爆破法清洗技术为飞机脱漆，但是其不足之处在于耗材成本较高、清洗深度有限，存在微观残留及机械应力变形等问题。3)高压水射流清洗：具有很大穿透能力的高速水射流，通过冲蚀、切割、崩裂、剥离等原理来清除各类管道、冷换设备、容器、反应釜、反应塔等设备及材料表面上的高聚物、水垢、沉积物等。在各种清洗作业中，水射流清洗技术较之其它方式因具有明显的成本低、速度快、质量高(洗净率达99％以上)等诸多优点而受到青睐。一些重要工业部门，如石油石化企业、制糖业、火力发电厂等，已推广应用了高压水射流清洗技术，并取得了显著成效。但是，高压水射流清洗的重要不足在于会产生大量污染、有毒废水，以及也存在微观残留及机械应力变形等问题。4)超声波清洗：利用超声波在介质中传播时产生的穿透性和空化冲击波来实现除油、防锈和磷化等，配合化学试剂调节溶液的酸碱度，具有清洁度高、清洗速度快的特点。超声波清洗技术的不足之处在于受限于清洗池设备尺寸，一般只适用于小型零部件的车间内清洗，难以做到大型零件的在线清洗，并且同样会产生大量污染、有毒废水。激光清洗是近年来兴起的一种新型绿色环保表面清洗技术。它通过无机械接触的方式，使激光直接作用在污染物/氧化层上，使污染物直接发生气化、烧蚀、光分解，最终实现精确可控的表面污染物/氧化层薄层去除，具有清洗质量高、无耗材、效率高且不产生污染废水的突出优点。激光清洗不需使用任何化学药剂和清洗液，清洗下来的废料基本上都是固体粉末，体积小、易于存放、可回收，可以轻易解决化学清洗带来的环境污染问题；激光可以通过光纤传输，与机器手和机器人相配合，方便地实现远距离操作，能清洗传统方法不易达到的部位，这在一些危险的场所使用可以确保人员的安全；激光清洗能够清除各种材料表面的各种类型的污染物，达到常规清洗无法达到的清洁度。而且还可以在不损伤材料表面的情况下有选择性地清洗材料表面的污染物。目前，激光清洗已经成功应用于碳钢表面除锈、青铜类/石质类文物除污、飞机表面除漆、橡胶模具表面除残留物、印刷电路板清洗等众多领域。然而，目前市面上各种激光清洗设备，仍然存在着诸多不足之处：1)大部分的激光清洗机为手持式设备，操控方式完全依赖操作者手持清洗加工头，并依靠人眼(或借助距离传感器)保持激光束在工件表面的合理聚焦范围，精度差、体力耗费大，清洗效率不高。2)一般均采用单一波长的脉冲激光器进行清洗加工，完全依赖高斯激光束的重叠扫描将材料表面的污染物烧蚀去除，受限于不同材料对单一波长激光能量的吸收率以及激光与物质相互作用机理差异，难以针对多种成分(金属锈蚀、有机高分子附着物、无机氧化物等)的复合型污染物进行彻底清除，清洗质量不高，不能胜任复杂污染物的超精细清洗需求。3)如何控制激光能量和扫描策略，防止对材料基底的损伤仍然是激光清洗领域需要解决的重要技术难题。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，提供了一种能够提高清洗加工质量和效率的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，包括激光器、传输光纤、升降对焦组件、激光测距传感器、振镜扫描系统、升降导向电驱组件和双波长复合整形系统；所述振镜扫描系统用于实现将入射的激光束先后经由电机驱动的偏转扫描镜片反射和固定焦距物镜透射后出射，聚焦于工件表面，并使激光束按设定轨迹在工件表面进行扫描运动；在振镜扫描系统的激光束出射端下方设置有升降对焦组件，在振镜扫描系统的侧面固定安装有激光测距传感器，升降对焦组件用于调节振镜扫描系统出射端与工件表面的相对距离以保持出射激光束始终聚焦于工件表面的当前激光束扫描位置；激光测距传感器用于实时反馈振镜扫描系统与工件表面的相对距离值，为升降对焦组件的调节运动提供控制驱动数据；双波长复合整形系统作为光路子系统具有输入端和输出端，其中输入端与激光器之间通过传输光纤相连，激光器输出的单波长高斯激光束经由传输光纤进入双波长复合整形系统，经过内部光学变换后输出双波长复合整形光束，所述双波长复合整形光束是由高斯能量分布的内圆短波长激光和贝塞尔能量分布的外环形长波长激光构成的环形中心激光束；双波长复合整形系统的输出端与振镜扫描系统的激光束入射端固定连接，使得双波长复合整形光束成为振镜扫描系统的入射激光束；升降导向电驱组件设置在双波长复合整形系统的底部下方，用于支撑双波长复合整形系统。优选的，在振镜扫描系统的侧面还安装有一CCD工业相机组件，其视场对应于振镜扫描系统的聚焦加工平面的扫描范围，用于实时监测激光清洗质量。优选的，在振镜扫描系统的侧面还安装有一空间角度陀螺仪，用于检测当前扫描加工头的空间姿态倾斜角度。优选的，所述双波长复合整形系统包括光纤接头、分束镜、第一安装架、锥透镜组合系统、空间合束镜、第二安装架、第一45度反射镜、倍频系统、第二45度反射镜、上板、底板和立柱；底板通过多根立柱与上板连接；分束镜通过第一安装架安装在上板上，空间合束镜通过第二安装架安装在上板上，锥透镜组合系统设置在分束镜与空间合束镜之间并固定在上板上，三者光轴重合；第一45度反射镜、倍频系统、第二45度反射镜依次设置在底板上，第一45度反射镜与第二45度反射镜的光轴重合；所述锥透镜组合系统用于进行光束整形，获得贝塞尔环形激光束；所述光纤接头、分束镜、第一安装架、锥透镜组合系统、空间合束镜、第一45度反射镜、倍频系统和第二45度反射镜的安装方位应使得：由光纤接头接入的单波长高斯激光束入射至分束镜，经由分束镜分为A束和B束，A束入射至锥透镜组合系统，通过锥透镜组合系统输出贝塞尔环形激光束，再入射至空间合束镜；B束入射至第一45度反射镜，经第一45度反射镜的转折后入射至倍频系统，获得波长变为原输入激光束1/2、1/3或1/4波长的短波长高斯激光束，再经第二45度反射镜转折入射至空间合束镜；A束和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，包括激光器、传输光纤、升降对焦组件(1)、激光测距传感器(3)、振镜扫描系统(4)、升降导向电驱组件(8)和双波长复合整形系统(9)；所述振镜扫描系统(4)用于实现将入射的激光束先后经由电机驱动的偏转扫描镜片反射和固定焦距物镜透射后出射，聚焦于工件表面，并使激光束按设定轨迹在工件表面进行扫描运动；在振镜扫描系统(4)的激光束出射端下方设置有升降对焦组件(1)，在振镜扫描系统(4)的侧面固定安装有激光测距传感器(3)，升降对焦组件(1)用于调节振镜扫描系统(4)出射端与工件表面的相对距离以保持出射激光束始终聚焦于工件表面的当前激光束扫描位置；激光测距传感器(3)用于实时反馈振镜扫描系统(4)与工件表面的相对距离值，为升降对焦组件(1)的调节运动提供控制驱动数据；双波长复合整形系统(9)作为光路子系统具有输入端和输出端，其中输入端与激光器之间通过传输光纤相连，激光器输出的单波长高斯激光束经由传输光纤进入双波长复合整形系统(9)，经过内部光学变换后输出双波长复合整形光束，所述双波长复合整形光束是由高斯能量分布的内圆短波长激光和贝塞尔能量分布的外环形长波长激光构成的环形中心激光束；双波长复合整形系统(9)的输出端与振镜扫描系统(4)的激光束入射端固定连接，使得双波长复合整形光束成为振镜扫描系统(4)的入射激光束；升降导向电驱组件(8)设置在双波长复合整形系统(9)的底部下方，用于支撑双波长复合整形系统(9)。...

【技术特征摘要】
1.一种双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，包括激光器、传输光纤、升降对焦组件(1)、激光测距传感器(3)、振镜扫描系统(4)、升降导向电驱组件(8)和双波长复合整形系统(9)；所述振镜扫描系统(4)用于实现将入射的激光束先后经由电机驱动的偏转扫描镜片反射和固定焦距物镜透射后出射，聚焦于工件表面，并使激光束按设定轨迹在工件表面进行扫描运动；在振镜扫描系统(4)的激光束出射端下方设置有升降对焦组件(1)，在振镜扫描系统(4)的侧面固定安装有激光测距传感器(3)，升降对焦组件(1)用于调节振镜扫描系统(4)出射端与工件表面的相对距离以保持出射激光束始终聚焦于工件表面的当前激光束扫描位置；激光测距传感器(3)用于实时反馈振镜扫描系统(4)与工件表面的相对距离值，为升降对焦组件(1)的调节运动提供控制驱动数据；双波长复合整形系统(9)作为光路子系统具有输入端和输出端，其中输入端与激光器之间通过传输光纤相连，激光器输出的单波长高斯激光束经由传输光纤进入双波长复合整形系统(9)，经过内部光学变换后输出双波长复合整形光束，所述双波长复合整形光束是由高斯能量分布的内圆短波长激光和贝塞尔能量分布的外环形长波长激光构成的环形中心激光束；双波长复合整形系统(9)的输出端与振镜扫描系统(4)的激光束入射端固定连接，使得双波长复合整形光束成为振镜扫描系统(4)的入射激光束；升降导向电驱组件(8)设置在双波长复合整形系统(9)的底部下方，用于支撑双波长复合整形系统(9)。2.根据权利要求1所述的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，在振镜扫描系统(4)的侧面还安装有一CCD工业相机组件(2)，其视场对应于振镜扫描系统(4)的聚焦加工平面的扫描范围，用于实时监测激光清洗质量。3.根据权利要求1所述的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，在振镜扫描系统(4)的侧面还安装有一空间角度陀螺仪(5)，用于检测当前扫描加工头的空间姿态倾斜角度。4.根据权利要求1所述的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，所述双波长复合整形系统(9)包括光纤接头(901)、分束镜(902)、第一安装架(903)、锥透镜组合系统(904)、空间合束镜(905)、第二安装架(906)、第一45度反射镜(907)、倍频系统(908)、第二45度反射镜(909)、上板(910)、底板(911)和立柱(912)；底板(911)通过多根立柱(912)与上板(910)连接；分束镜(902)通过第一安装架(903)安装在上板(910)上，空间合束镜(905)通过第二安装架(906)安装在上板(910)上，锥透镜组合系统(904)设置在分束镜(902)与空间合束镜(905)之间并固定在上板(910)上，三者光轴重合；第一45度反射镜(907)、倍频系统(908)、第二45度反射镜(909)依次设置在底板(911)上，第一45度反射镜(907)与第二45度反射镜(909)的光轴重合；所述锥透镜组合系统(904)用于进行光束整形，获得贝塞尔环形激光束；所述光纤接头(901)、分束镜(902)、第一安装架(903)、锥透镜组合系统(904)、空间合束镜(905)、第一45度反射镜(907)、倍频系统(908)和第二45度反射镜(909)的安装方位应使得：由光纤接头(901)接入的单波长高斯激光束入射至分束镜(902)，经由分束镜(902)分为A束和B束，且A束和B束中的一束沿原方向行进，另一束的行进方向转折90度；A束入射至锥透镜组合系统(904)，通过锥透镜组合系统(904)输出贝塞尔环形激光束，再入射至空间合束镜(905)；B束入射至第一45度反射镜(907)，经第一45度反射镜(907)的转折后入射至倍频系统(908)，获得波长变为原输入激光束1/2、1/3或1/4波长的短波长高斯激光束，再经第二45度反射镜(909)转折入射至空间合束镜(905)；A束和B束激光经空间合束镜(905)的合束后出射双波长复合整形光束。5.根据权利要求1所述的双波长复合光束整形的手持式自适应激光清洗装置，其特征在于，所述升降对焦组件(1)包括支撑腿(101)、三耳法兰(102)、三耳套筒(104)、阶梯套筒(105)和角接触球轴承(106)；支撑腿(101)共三组，分别通过三个螺栓(103)固定安装在三耳法兰(102)上；阶梯套筒(105)与三耳套筒(104)通过内外螺纹连接实现同轴配合，角接触球轴承(106)设置在阶梯套筒(105)与三耳套筒(104)之间，其上表面接触阶梯套筒(105)轴阶端面，下表面接触三耳套筒(104)底面内侧，且角接触球轴承(106)外环、内环分别与三耳套筒(104)的内壁面和阶梯套筒(105)的外壁面过盈配合，三耳法...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宇，孙轲，于艳玲，魏鑫磊，周宏明，
申请(专利权)人：温州大学激光与光电智能制造研究院，
类型：发明
国别省市：浙江,33