一种双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置的制作方法

本发明属于激光清洗领域，具体涉及一种双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种能够提高清洗加工精度、质量和效率的双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置，包括工作台、x-y电动模组、旋转台组件、激光清洗组件和z向升降台；

x-y电动模组固定安装在工作台上，旋转台组件安装在x-y电动模组上，可由x-y电动模组带动做x-y二维平面运动；

所述z向升降台安装在工作台上，激光清洗组件安装在z向升降台的升降板上，并位于旋转台组件的上方，激光清洗组件可由升降板带动沿z向上下运动；

所述激光清洗组件包括激光器、传输光纤、吹气喷嘴、激光测距传感器、振镜扫描系统和双波长复合整形系统；

所述激光器发射的激光束经传输光纤的传输，入射至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；

所述激光测距传感器固定安装在振镜扫描系统的侧面，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z向升降台的调节运动提供控制驱动数据；

所述吹气喷嘴安装在振镜组件的侧面，吹气喷嘴连接外部气源，用于在加工过程中同时开启吹气以增强清洗效果；

所述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。

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；底板通过四根立柱与上板连接；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，且a束和b束中的一束沿原方向行进，另一束的行进方向则转折90度，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b束激光经空间合束镜的合束后出射双波长复合整形光束。

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，所述振镜扫描系统包括振镜保护壳、电机驱动的偏转扫描镜片、固定焦距物镜安装套筒和固定焦距物镜，电机驱动的偏转扫描镜片通过定位板固定在振镜保护壳侧壁上，固定焦距物镜安装套筒通过螺纹配合安装在振镜保护壳底部，固定焦距物镜与固定焦距物镜安装套筒通过螺纹配合实现同轴装配。

优选的，所述z向升降台包括伺服电机、升降板、z轴电动模组和底座，其中伺服电机与z轴电动模组相连，升降板与z轴电动模组的螺母座连接，在伺服电机驱动下实现z向升降运动，底座一面连接z轴电动模组，另一面固定安装在工作台上。

优选的，所述旋转台组件包括加工台、固定板、高精密旋转台和千分尺旋钮，高精密旋转台通过固定板安装在y方向电动模组的滑板上，加工台通过孔配合定位在高精密旋转台上，通过调节千分尺旋钮可实现加工台顺逆时针偏转；所述x-y电动模组由y方向电动模组和x方向电动模组组成，x方向电动模组与y方向电动模组垂直交错放置，工件固定在加工台上，并在x-y电动模组装置和高精密旋转台联合作用下可实现x/y方向直线、弧线、不同斜度的激光清洗。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明的双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置，通过将输入的高斯激光束经由分束镜一分为二，一束再由锥透镜组合系统进行光束整形，获得贝塞尔环形激光束，另一束则通过倍频系统，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，随后贝塞尔环形激光束和短波长高斯激光束再由空间合束镜组合为双波长复合整形光束，经振镜扫描系统后聚焦于材料表面完成激光清洗加工。由于采用了这种激光束时空参数特殊调节的双波长复合整形光束，一方面实现了将两种不同波长激光束同时作用于材料表面(典型的波长组合包括1064nm/532nm、1064nm/355nm、532nm/266nm、1064nm/266nm等)，从而使得可以同时对多种成分(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；另一方面实现了将传统激光束的单一高斯能量分布整形为复合能量分布，即由高斯能量分布的内圆短波长激光+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，这种复合能量分布实现了激光清洗扫描路径上的多波长复合清洗，某处污染物先后由长波长的贝塞尔激光束、短波长的高斯激光束、长波长的贝塞尔激光束进行三次重叠扫描，大大增强了清洗的均匀性和精细程度，并且环形间隔有效减小了对材料基底的损伤特性，使清洗质量得到大幅度提高。

2、本发明的双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置，将输入的单一高斯激光束变换为双波长复合整形光束，其中一束由倍频系统变为绿光或紫外超短波长，该部分超短波长激光对常见的高分子有机物等污染物是打破化学键的“冷剥离”作用机理，因此一方面可以提升对该类污染物的清洗质量，还可以有效减小激光束的热累积效应，这可以有效减小对材料基底的损伤特性，使清洗质量得到大幅度提高、清洗深度更加可控，可以胜任复杂污染物的超精细清洗需求。

3、本发明的双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置，将输入的单一高斯激光束变换为双波长复合激光束，由于两束激光传输路径存在光程差，使得在时间特性上，原单一脉冲激光分裂为不同波长的两个脉冲激光的合成，通过设计不同的光程差，可以实现不同的合成脉冲间隔，这种通过光学自变换使得清洗工件的激光束波长、能量的时空分布均得到可控调节的加工光路设计，可以有效提高清洗精度、清洗质量，有效减小对材料基底的损伤特性，从而满足电子、生物等领域的超精密清洗需求。

4、本发明的双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置，不同于传统手持式激光清洗机，采用了多种测控手段以及x-y电动模组、旋转台组件构成了闭环控制，可以实现加工焦距的自适应、高精度控制，并且加工工件由电动工作台装夹驱动，大大减轻了操作强度，提升了清洗加工质量和效率。

5、本发明的双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置采用了x-y电动模组、旋转台组件组合而成的具有三个自由度的工件装夹变位机构，运动精度高，工件空间姿态灵活可调，加上可以独立控制升降的振镜扫描系统(z向升降台控制)，针对不同类型的工件和加工场合，可以实现平面加工，也可以实现斜面加工、异型沟槽面的精密定位、寻焦和清洗加工。

6、本发明的双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置采用了封闭式光路结构，设置了吹气机构增强清洗效果，也同时设置了吸尘机构使得大部分烟尘被同步收集，既保护了加工头免受污染，也保护了操作者的良好工作环境。

7、本发明的双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置，还设置了ccd检测系统，可以对清洗过程进行监控和闭环反馈。因此，结合控制软件的路径规划、姿态自动调整功能，可以实现该双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置针对复杂型面工件的自适应清洗加工。

附图说明

图1为本发明所述双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置的整体结构图；

图2为x-y电动模组和旋转台组件的结构图；

图3为z向升降台的结构图；

图4为激光清洗组件的结构图；

图5为振镜扫描系统的结构图；

图6为双波长复合整形系统的结构图；

图7为锥透镜组合系统的结构图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1-7所示，本发明提供了一种双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置，包括工作台1、x-y电动模组2、旋转台组件3、激光清洗组件4和z向升降台5。

x-y电动模组2固定安装在工作台1上，旋转台组件3安装在x-y电动模组2上，可由x-y电动模组2带动做x-y二维平面运动。

所述z向升降台5安装在工作台1上，激光清洗组件4安装在z向升降台5的升降板502上，并位于旋转台组件3的上方，激光清洗组件4可由升降板502带动沿z向上下运动，这样可以调节激光清洗组件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。

具体的讲，所述z向升降台5包括伺服电机501、升降板502、z轴电动模组503和底座504，其中伺服电机501与z轴电动模组503相连，升降板502与z轴电动模组503的螺母座连接，在伺服电机501驱动下实现z向升降运动，底座504一面连接z轴电动模组503，另一面固定安装在工作台1上。

所述旋转台组件3包括加工台301、固定板302、高精密旋转台303和千分尺旋钮304，高精密旋转台303通过固定板302安装在y方向电动模组201的滑板上，加工台301通过孔配合定位在高精密旋转台303上，通过调节千分尺旋钮304可实现加工台301顺逆时针偏转。

所述x-y电动模组2由y方向电动模组201和x方向电动模组202组成，x方向电动模组202与y方向电动模组201垂直交错放置，工件固定在加工台301上，并在x-y电动模组装置2和高精密旋转台303联合作用下可实现x/y方向直线、弧线、不同斜度的激光清洗。

所述激光清洗组件4包括激光器、传输光纤、吹气喷嘴402、激光测距传感器403、振镜扫描系统404和双波长复合整形系统409。

所述激光器发射的激光束经传输光纤的传输，入射至双波长复合整形系统409。

所述振镜扫描系统404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。

所述激光测距传感器403固定安装在振镜扫描系统404的侧面，激光测距传感器403用于实时反馈振镜扫描系统404与工件表面的相对距离值，为z向升降台5的调节运动提供控制驱动数据。

所述吹气喷嘴402安装在振镜组件40404的侧面，吹气喷嘴402连接外部气源，用于在加工过程中同时开启吹气以增强清洗效果。

所述双波长复合整形系统409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，即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409，经过内部光学变换后输出双波长复合整形光束，即由高斯能量分布的内圆短波长激光+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409的输出端与振镜扫描系统404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404的入射激光束。

优选的，在振镜扫描系统404的侧面还安装有一ccd工业相机组件401，其视场对应于振镜扫描系统404的聚焦加工平面的扫描范围，用于实时监测激光清洗质量。

本实施例中双波长复合整形系统409的外部设置有钣金外壳407，钣金外壳407通过工形法兰406与振镜扫描系统404连接，钣金外壳407的上方安装有两个把手408，即操作者可以通过两个把手408将激光清洗组件4整体提起、移动或者替代z向升降台5的作用。

所述振镜扫描系统404包括振镜保护壳40401、电机驱动的偏转扫描镜片40402(单轴一维或双轴二维)、固定焦距物镜安装套筒40403和固定焦距物镜40404(f-theta镜或远心物镜)，电机驱动的偏转扫描镜片40402通过定位板固定在振镜保护壳40401侧壁上，固定焦距物镜安装套筒40403通过螺纹配合安装在振镜保护壳40401底部，固定焦距物镜40404与固定焦距物镜安装套筒40403通过螺纹配合实现同轴装配。

所述双波长复合整形系统409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通过四根立柱912与上板910连接；光纤接头901通过孔配合安装在钣金外壳407后方通孔处，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。其包括第一锥透镜座9041、第一锥透镜9042、第一滑块9043、导轨9045、第二锥透镜座9046、第二锥透镜9047和第二滑块9048。导轨9045安装在上板910上，第一滑块9043和第二滑块9048均安装在导轨9045上，第一滑块9043和第二滑块9048上均设置有一旋钮9044。第一锥透镜9042通过第一锥透镜座9041安装在第一滑块9043上，第二锥透镜9047通过第二锥透镜座9046安装在第二滑块9048上。所述第一锥透镜9042和第二锥透镜9047的光轴重合。

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902一分为二，可分别称之a束和b束(a束和b束的能量分配比例由分束镜902的反射透射比决定，且a束和b束中的一束沿原方向行进，另一束的行进方向则转折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，即由高斯能量分布的内圆短波长激光+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。

上述双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置，包括了众多标准光学元件，如传输光纤接头、分束镜、转折反射镜、锥透镜组合系统、空间合束镜、偏振扫描镜片、聚焦物镜等等，若无特别说明，均要求其光学镜座带有姿态调整机构，使得激光束沿各光学元件标准工作状态的中心光轴方向入射和出射。

上述双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置的工作原理为：

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902一分为二，一束经由锥透镜组合系统904输出贝塞尔环形激光束入射至空间合束镜905；另一束经由反射镜转折后进入倍频系统908，输出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，再经由反射镜转折后入射至空间合束镜905，经空间合束镜905的合束后出射双波长复合整形光束，再经振镜扫描系统后聚焦于材料表面完成激光清洗加工。

加工过程中，可以通过x-y电动模组2、旋转台组件3、z向升降台5和激光测距传感器403的闭环控制与驱动，使得振镜扫描系统404出射的激光束始终聚焦于工件表面的当前激光束扫描位置。

加工过程中，可以同时开启吹气机构增强清洗效果，本发明还可以增设吸尘机构，使得清洗产生的大部分烟尘被同步收集，还可以开启ccd工业相机组件401对清洗过程进行监控和闭环反馈，结合控制软件的路径规划、姿态自动调整功能，实现该双波长复合能量分布的台式激光精密清洗装置的自适应清洗加工。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。