一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种激光清洗装置和方法，具体涉及一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗方法及装置，解决现有激光清洗方法存在无法克服的人工手持抖动以及工件表面结构复杂所带来的清洗效果不佳的问题。本发明专利技术方法中，通过清洗激光与测距激光共轴传输，聚焦到工件表面，工件漫射反射回来的激光经二向色分光平片分离后，测距激光被光电探测装置接收，获得工件实时距离改变量，将其转换为电信号来控制光学元件之间的距离变化，精确调控动态透镜组焦距大小。同时，本发明专利技术还提出了基于该方法的激光清洗装置，包括激光共轴传输和分离系统、动态透镜组及数字控制电路，通过实时改变动态透镜组凸透镜与场镜之间的距离实现焦距自动调节。

【技术实现步骤摘要】
一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗方法及装置
本专利技术涉及一种激光清洗方法及装置，具体涉及一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗方法及装置。
技术介绍
工业生产过程中，材料表面受到化学、物理或者生物相互作用容易形成污染层或者覆盖层，影响生产效率、质量，乃至引发生产安全事故。因此，选择合适的清洗技术对于保证产品的质量、安全性和寿命具有重要意义。通常采用机械打磨、喷砂清洗法、高压水洗、化学腐蚀法以及高频超声波等方法进行材料表面清洗。这些传统的清洗技术都存在或多或少的缺点，如喷砂清洗法会造成严重的粉尘污染，容易对材料表面造成损伤；高压水洗需要消耗大量的水，且难以回收再利用，造成水资源的巨大浪费；化学腐蚀法虽然应用范围比较广，却是一种环境不友好的技术，同时也会对操作人员的身心健康产生危害；高频超声波法难以清除次微米级以下的污染物颗粒。随着激光技术的发展，激光清洗技术应运而生。激光清洗是一种通过无机械接触的方式，将激光作用在材料表面污染物上，污染物吸收激光能量后，会产生振动、熔化、烧蚀、气化、激光诱发等离子、光分解等一系列复杂的物理化学相互作用，最终使污染物脱离材料表面。激光清洗技术具有无机械接触、选择性局域清洗、无损伤、自动化程度高、噪音低、可实现远距离操控、满足环保的迫切要求等优点，使其在工业模具清洗、微电子器件清洗、船舶除锈、飞机除漆、文物修复、建筑清洗等领域具有广阔的应用前景。激光清洗过程中，一般采用场镜对激光进行聚焦从而作用于工件上，而当聚焦光斑超过一定的离焦量后，其光斑便会快速增大，导致清洗工件上的激光功率密度下降，从而影响了激光清洗的效果。针对这一问题，2017年，扬州恒德工业科技有限公司所提出的中国专利技术专利《一种自动对焦式激光清洗机》(公开号CN109382373A，公开日2019-02-26)中将激光清洗头固定在与升降结构相连接的固定座内，通过测量与工件的距离，控制升降机构动作，从而实现自动对焦。2017年，武汉金顿激光科技有限公司在所提出的中国技术专利《自动激光清洗装置》(公开号CN207013390U，公开日2018-02-16)中同样采用测距方法，通过六轴机器人手臂来实现激光清洗装置的自动对焦。这些专利技术中的激光清洗装置都是固定焦距，采用外部机械结构来调整其与工件的距离，从而实现自动对焦的功能。以上专利技术针对平板等表面结构较为简单的工件具有较好的清洗效果，但是，目前针对较为复杂的工件结构主要还是采用人工手持式激光清洗技术。人工手持式激光清洗面临两个主要问题为：1)表面复杂的工件增加了手持式激光清洗的难度；2)由于人工手持抖动导致手持式激光清洗过程中无法保证聚焦光斑始终位于工件的表面。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有激光清洗方法存在无法克服的人工手持抖动以及工件表面结构复杂所带来的清洗效果不佳的问题，提出一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗方法及装置。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗方法，其特殊之处在于：步骤1、清洗激光与测距激光相互垂直，分别入射至二向色分光平片，清洗激光与测距激光经二向色分光平片合束后共轴传输；步骤2、共轴传输的清洗激光和测距激光依次通过凸透镜、第一扫描振镜、第二扫描振镜以及场镜后聚焦到工件表面上；步骤3、经工件漫反射后，部分清洗激光和测距激光反向共轴传输，再次通过二向色分光平片后分离；步骤4、经二向色分光平片分离的测距激光入射至光电探测装置，获得测距激光从出射位置到工件表面的初始距离；步骤5、测量凸透镜与场镜之间的距离d；步骤6、工件位置变化时，数字控制电路根据光电探测装置获得的测距激光从出射位置到工件表面的实时距离与所述初始距离，计算需要调整的凸透镜与场镜之间的距离变化量Δd；步骤7、根据变化量Δd，实时调整凸透镜与场镜之间的距离，使清洗激光聚焦到工件表面，实现激光清洗装置焦距的实时可调。进一步地，步骤1具体为：测距激光经过光纤耦合准直系统准直出射；清洗激光与测距激光相互垂直，分别入射至二向色分光平片；分别调节光纤耦合准直系统和/或二向色分光平片的位置及偏转角，使清洗激光与测距激光经二向色分光平片合束后共轴输出。进一步地，步骤4中，所述测距激光经二向色分光平片分离后，通过光纤耦合准直系统收集，然后入射至光电探测装置，提高了测距激光的收集功率，提升信噪比，进而提高了系统的抗干扰能力；所述测距激光从出射位置到工件表面的初始距离通过以下方式获得：数字控制电路利用相位测距法进行距离的测量，通过数字控制电路对出射测距激光进行调制，与光电探测装置接收的测距激光进行混频处理，获得相位变化信息，进而获得测距激光从出射位置到工件表面的距离。进一步地，步骤6中，所述凸透镜与场镜之间距离的变化量Δd通过如下计算得到：式中，f1为凸透镜的焦距；f2为场镜的焦距；ΔF为动态透镜组焦距的改变量，等于测距激光从出射位置到工件表面距离的变化量。进一步地，为了达到高效、稳定和自动化的特点，步骤7中，所述凸透镜固定在电动滑台上，利用数字控制电路将凸透镜与场镜之间距离的变化量Δd转化为电信号，控制电动滑台运动，以调整凸透镜与场镜之间的距离。进一步地，步骤1中，采用对清洗激光高透、对测距激光高反的二向色分光平片实现清洗激光与测距激光共轴传输。同时，本专利技术还提出基于上述激光清洗方法的一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗装置，其特殊之处在于：包括激光共轴传输和分离系统、动态透镜组及数字控制电路13；所述激光共轴传输和分离系统包括清洗激光器1、二向色分光平片2、测距激光器5和光电探测装置6；所述清洗激光器1的出射激光与所述测距激光器5的出射激光相互垂直，分别入射到二向色分光平片2，经二向色分光平片2合束后共轴传输；所述动态透镜组包括沿光路依次设置的凸透镜组件、第一扫描振镜9、第二扫描振镜10以及场镜11；所述数字控制电路13的输入端与光电探测装置6的输出端相连，对光电探测装置6接收的测距激光进行混频处理；数字控制电路13的一个输出端与测距激光器5相连，用于对测距激光进行调制处理；数字控制电路13的另一输出端连接凸透镜组件，用于控制凸透镜组件相对于场镜11之间的距离。进一步地，所述激光共轴传输和分离系统还包括光纤耦合准直系统3，用于将测距激光器5出射的激光进行准直后入射至二向色分光平片2，并将经二向色分光平片2分离的测距激光收集，然后入射至光电探测装置6；所述二向色分光平片2的位置和偏转角可调节；所述光纤耦合准直系统3的位置和偏转角可调节。进一步地，所述激光共轴传输和分离系统还包括光纤环形器4；所述光纤环行器4的端口①连接测距激光器5，光纤环行器4的端口②与光纤耦合准直系统3连接，光纤环行器4的端口③连接光电探测装置6，这种设计结构在节省空间的同时提高了测距激光的信噪比。进一步地，所述凸透镜组件包括凸透镜7和电动滑台8；所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗方法，其特征在于：/n步骤1、清洗激光与测距激光相互垂直，分别入射至二向色分光平片，清洗激光与测距激光经二向色分光平片合束后共轴传输；/n步骤2、共轴传输的清洗激光和测距激光依次通过凸透镜、第一扫描振镜、第二扫描振镜以及场镜后聚焦到工件表面上；/n步骤3、经工件漫反射后，部分清洗激光和测距激光反向共轴传输，再次通过二向色分光平片后分离；/n步骤4、经二向色分光平片分离的测距激光入射至光电探测装置，获得测距激光从出射位置到工件表面的初始距离；/n步骤5、测量凸透镜与场镜之间的距离d；/n步骤6、工件位置变化时，数字控制电路根据光电探测装置获得的测距激光从出射位置到工件表面的实时距离与所述初始距离，计算需要调整的凸透镜与场镜之间的距离变化量Δd；/n步骤7、根据变化量Δd，实时调整凸透镜与场镜之间的距离，使清洗激光聚焦到工件表面，实现激光清洗装置焦距的实时可调。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗方法，其特征在于：
步骤1、清洗激光与测距激光相互垂直，分别入射至二向色分光平片，清洗激光与测距激光经二向色分光平片合束后共轴传输；
步骤2、共轴传输的清洗激光和测距激光依次通过凸透镜、第一扫描振镜、第二扫描振镜以及场镜后聚焦到工件表面上；
步骤3、经工件漫反射后，部分清洗激光和测距激光反向共轴传输，再次通过二向色分光平片后分离；
步骤4、经二向色分光平片分离的测距激光入射至光电探测装置，获得测距激光从出射位置到工件表面的初始距离；
步骤5、测量凸透镜与场镜之间的距离d；
步骤6、工件位置变化时，数字控制电路根据光电探测装置获得的测距激光从出射位置到工件表面的实时距离与所述初始距离，计算需要调整的凸透镜与场镜之间的距离变化量Δd；
步骤7、根据变化量Δd，实时调整凸透镜与场镜之间的距离，使清洗激光聚焦到工件表面，实现激光清洗装置焦距的实时可调。


2.根据权利要求1所述的一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗方法，其特征在于，步骤1具体为：测距激光经过光纤耦合准直系统准直出射；清洗激光与测距激光相互垂直，分别入射至二向色分光平片；调节光纤耦合准直系统和/或二向色分光平片的位置及偏转角，使清洗激光与测距激光经二向色分光平片合束后共轴传输。


3.根据权利要求2所述的一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗方法，其特征在于：步骤4中，所述测距激光经二向色分光平片分离后，通过光纤耦合准直系统收集，然后入射至光电探测装置；
所述测距激光从出射位置到工件表面的初始距离通过以下方式获得：
数字控制电路利用相位测距法进行距离的测量，通过数字控制电路对出射测距激光进行调制，并与光电探测装置接收的测距激光进行混频处理，获得相位变化信息，进而获得测距激光从出射位置到工件表面的距离。


4.根据权利要求3所述的一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗方法，其特征在于，步骤6中，所述凸透镜与场镜之间距离的变化量Δd通过如下计算得到：



式中，f1为凸透镜的焦距；
f2为场镜的焦距；
ΔF为动态透镜组焦距的改变量，等于测距激光从出射位置到工件表面距离的变化量。


5.根据权利要求4所述的一种基于共轴测距和焦距实时可调的激光清洗方法，其特征在于：步骤7中，所述凸透镜固定在电动滑台上，利用数字控制电路将凸透镜与场镜之间距离的变化量Δd...

【专利技术属性】
技术研发人员：俱沛，范文慧，高卫，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61