一种光学元件挥发溶剂循环回收利用的自动清洗方法与流程

本发明涉及一种光学元件的清洗技术领域，特别是一种光学元件挥发溶剂的超声辅助自动清洗方法。

背景技术：

大尺寸光学玻璃及晶体类元件广泛地应用在各类光学和非光学设备上，各种新型和尖端设备上的光学元件质量要求极高，例如：纳米级的表面粗糙度和平面度，极小的波前畸变和极高的洁净度，特殊的光学玻璃类元件如KDP晶体、氟化钙晶体等具有硬度低、易碎、易潮解的特性，对超精密加工和后续的清洗清洁工艺及设备都提出了很大的挑战。该类特殊的大尺寸高精度光学类元件的加工通常采用先进的磁流变抛光、化学机械抛光、无磨料水溶解精密抛光及离子束抛光等精加工技术与方法。由于该类光学元件软脆易潮解等特性，在加工后的光学晶体元件表面往往会残留有金属离子、抛光液、有机杂质等污染物，对诸如镀膜等后续的工程应用造成困难，因此，需要对该类光学元件进行清洗。而象手工擦拭和水基清洗液等传统清洗方法对此类软脆易潮解光学元件则明显不适用，特别是对于尺寸较大且经过光学超精密加工后具有高质量的光学功能表面。同时传统的清洗方法劳动强度大，稳定性差，对劳动者素质要求较高，甚至一些有害的清洗剂会对劳动者本人造成伤害，因此可操作性差，具有一定的局限性，不能适应现代生产中规模化对高洁净度大尺寸光学晶体类元件的需求。

在以往关于软脆易潮解光学晶体类元件的清洗方法的专利发明中，有以下不同类型的例子：

中国专利CN102990480A公开了“基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法”，该方法基于低能离子溅射原理的离子束抛光方法，并对单点金刚石车削或者磁流变抛光后的光学元件进行均匀扫略的清洗方法，该方法是利用离子束的能量将原子从工件表面剥离从而改善表面粗糙度，或者将嵌入的铁粉颗粒剥离而降低光学工件表面的粗糙度，该方法本质上是一种光学领域的超精密加工方法，相当于对已加工的超精密光学表面进行了二次的超精密光学加工。

中国专利CN106140671A公开了一种KDP晶体磁流变抛光后的清洗方法，主要是采用对抛光后的KDP晶体进行射流冲洗和复合超声频率组合溶剂清洗相结合的方法，该方法可高效去除KDP晶体磁流变抛光产生的油膜和颗粒等各种污染，能获得较低的粗糙度，但由于颗粒物的存在，使用超声振动清洗对软脆存在一定风险。

中国专利CN104588353A公开了一种大尺寸KDP晶体表面磁-射流清洗装置及清洗工艺，它将与抛光液相溶的低分子化学溶剂加压后，注入磁性清洗装置，利用清洗剂射流的冲蚀加速清洗剂对抛光液的溶解同时去除KDP晶体表面被清洗剂溶解的抛光液和游离的铁粉等残留物，而磁性清洗装置的磁力吸引帮助拔出、去除附着在KDP晶体表面的铁粉，该发明为大尺寸KDP晶体磁流变抛光表面提供了一种可靠、高效的残留物去除技术，但对清洗设备的精度和成本要求较高，不利于推广应用。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既能可靠、高效去除残留物，又不改变已加工超精密光学元件表面精度，同时对清洗设备要求不高且价格低廉的光学元件挥发溶剂循环回收利用的自动清洗方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种光学元件挥发溶剂循环回收利用的自动清洗方法，所述的光学元件为无磨料水溶解超精密抛光后的KDP光学晶体元件，以下简称工件，具体方法包括以下步骤：

A、上料

旋动锁紧把手B，打开进料口门，操作人员将盛有待清洗工件的清洗篮放入进料槽，然后关闭进料口门，旋动锁紧把手B将进料口门关闭，打开工作开关启动清洗过程；处于初始位置的提拉气缸伸出气缸缸杆至进料槽，连接在其底部的吊篮架上的挂钩钩住清洗篮，然后提拉气缸缸杆缩回至上极限位置，同时带动整个清洗篮及工件向上移动，并给控制系统发出信号；控制系统检测到信号后使隔门气缸A带动隔门A向沿隔门滑轨A下运动将隔门打开，同时无杆气缸水平移动，带动提拉气缸进入超声清洗工位。

B、超声清洗

清洗开关开启之前，超声清洗槽中已经注满了专用的清洗液；当控制系统检测到无杆气缸运动至超声清洗槽上方时，隔门A在隔门气缸A的带动下关闭，超声清洗槽被单独隔离开来，同时超声清洗槽中的超声波振子开始振动；提拉气缸缸杆缓慢将工件放入超声清洗槽的清洗液中，工件悬浮在超声清洗槽中进行超声波清洗，清洗时间可自行设定；清洗完成后，超声振动停止，提拉气缸将工件向上提至上极限位置，隔门气缸B向下运动将超声清洗槽和喷淋清洗槽之间的隔门B沿隔门滑轨B向下打开，然后无杆气缸带动提拉气缸和工件移向喷淋清洗工位。

C、喷淋清洗

当控制系统检测到无杆气缸带动工件运动至喷淋清洗槽上方时，隔门B在隔门气缸B的带动下关闭，喷淋清洗槽被单独隔离开来；提拉气缸将工件缓慢放入喷淋清洗槽中，此时位于喷淋清洗槽前后壁上的喷淋清洗头喷射出专用清洗液对工件进行喷淋清洗，喷淋压力和喷淋时间均设置可调，工件在提拉气缸的带动进行上下往复运动实现均匀清洗；清洗完成后，喷淋清洗头停止喷射清洗液，提拉气缸带动工件运动至上极限位置，同时位于喷淋清洗槽和烘干出料槽之间的隔门C打开，无杆气缸带动提拉气缸和工件移向烘干出料工位。

D、烘干出料

当控制系统检测到无杆气缸带动工件运动至烘干出料槽上方时，隔门C关闭，烘干出料槽被单独隔离开来；提拉气缸将工件缓慢放入烘干出料槽中，此时送风管A和送风管B吹出纯净干燥的氮气将残留在工件表面的易挥发的清洗液带走，风淋的温度、时间和气压大小均设置可调；待工件被烘干后，蜂鸣器发出警报提醒操作人员进行出料；操作人员此时旋动出料口门上的锁紧把手A打开出料口门取出盛有被清洗工件的清洗篮，然后关闭出料口门，锁紧门把手A，并给控制系统发出信号进行复位动作；控制系统接收到复位动作后，提拉气缸开始向上运动至上极限位置，同时隔门A、隔门B、隔门C在各自隔门气缸的带动下打开，从而使主体内所有腔室连通，此时无杆气缸带动提拉气缸和清洗吊篮架回复至起始位置，然后隔门A、隔门B、隔门C在各自隔门气缸向的带动下关闭，继续保持各个工位隔离密闭；如此完成一个完整的清洗过程。

E、循环回收

清洗准备阶段，储液箱中的清洗液通过液泵经过滤器将干净的专用清洗液注入超声清洗槽；喷淋清洗时，储液箱中的清洗液通过液泵经过滤器将干净的专用清洗液通入喷淋清洗槽前后壁上的喷淋清洗头，喷头喷出具有一定压力的清洗液喷淋被清洗工件；烘干时，气源将干净的氮气通入位于烘干出料槽内壁的吹风管A和吹风管B，加速被清洗工件表面清洗液的挥发，实现烘干过程；清洗过程中，位于超声清洗槽、喷淋清洗槽和烘干出料槽上方的排气管道将挥发出来的废气导流至冷凝室，冷凝室内布置有冷凝铜管，压缩机提供的冷媒经过冷凝管形成低温，废气接触冷凝管被液化经冷凝室底部的排液管流至废液箱；清洗产生的废液分别经超声清洗槽的排液口A和喷淋清洗槽底部的排液口B流入废液箱，以便回收利用。

进一步地，步骤B所述的超声清洗的频率为80～120kHz，清洗时间为0～10min；步骤C所述的喷淋压力为0.04～0.4MPa，喷淋时间为0～10min；步骤D所述的风淋的温度为20～50℃，风淋时间为0～10min，风淋气压大小为0.1～0.6MPa。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明能够有效解决对无磨料水溶解超精密抛光后的诸如KDP类的光学晶体元件的清洗问题。

2、由于本发明清洗过程中没有固体颗粒物质，使用高频超声的冲刷作用和风淋等非接触式的清洗措施，防止了外力对软脆光学元件造成损害，保证了清洗元件的表面质量。

3、本发明实现了对光学元件的多工位自动化清洗，并且将清洗过程中易挥发清洗液产生的挥发废气和清洗废液引导入循环回收系统，进行冷凝液化后回收再利用，实现环保无排放清洗，减少了浪费，防止了环境污染，提高了经济性。

4、本发明的清洗参数实时可调，使清洗过程易于控制，同时使其针对不同清洗对象具有广泛的适应性，对设备精度和成本要求不高，过程安全可靠，操作方便，易于推广使用。

附图说明

图1是本发明所使用清洗装置的整体外观示意图。

图2是图1的左侧视图。

图3是清洗装置主体结构示意图。

图4是A-A截面示意图。

图5是B-B截面示意图。

图6是清洗流程示意图。

图7是主体和循环回收系统关系图。

图8是抛光后未清洗的KDP晶体表面原子力显微镜图。

图9是清洗后的KDP晶体表面原子力显微镜图。

图中：1、进料槽，2、提拉气缸，3、隔板，4、吊篮架，5、挂钩，6、气缸安装块A，7、无杆气缸滑块，8、无杆气缸，9、超声清洗槽，10、超声波振子，11、排液口A，12、注液口，13、隔门A，14、隔门B，15、隔门气缸A，16、隔门气缸B，17、防腐密封条A，18、防腐密封条B，19、防腐密封条C，20、防腐密封条D，21、喷淋清洗槽，22、气缸安装块B，23、喷淋清洗头，24、排液口B，25、隔门C，26、烘干出料槽，27、送风管A，28、送风管B，29、出料口门，30、防腐密封圈A，31、铰链A，32、锁紧把手A，33、活动门A，34、活动门B，35、玻璃窗口A，36、玻璃窗口B，37、玻璃窗口C，38、玻璃窗口D，39、隔门滑轨A，40、隔门滑轨B，41、隔门滑轨C，42、进料口门，43、防腐密封圈B，44、铰链B，45、锁紧把手B，46、排气管道，47、支脚，48、抠手A，49、抠手B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。本发明清洗的对象是无磨料水溶解超精密抛光后的KDP光学晶体元件，清洗流程如图6所示，具体清洗方法的工艺步骤如下：

上料：旋动锁紧把手B45，打开进料门，将盛有待清洗光学晶体元件的清洗篮放入进料槽1，然后关闭进料口门42，旋动进料门锁紧把手B45将门关闭，进料口门42的内侧四周粘附防腐密封圈B43，通过一侧的铰链B44连接在主体上；打开工作开关启动清洗过程，处于初始位置的提拉气缸2伸出气缸缸杆至下极限位置，连接在其底部的吊篮架4上的吊篮钩会钩住清洗篮，然后提拉气缸2杆缩回至上极限位置，同时带动整个清洗篮及工件向上移动，并给控制系统发出信号；系统检测到信号后使隔门气缸A15带动隔门A13沿隔门滑轨A39向下运动将隔门打开，此时隔门A13上部边沿处的防腐密封条C19将缝隙堵住，防止气体和液体泄露；同时无杆气缸8水平移动，带动提拉气缸2进入下一个工位。

超声清洗：清洗开关开启之前，超声清洗槽9中已经注满了专用的清洗液；当检测到无杆气缸8运动至超声清洗槽9上方时，隔门A13在隔门气缸A15的带动下关闭，隔门A13下部卡板上的防腐密封条A17将缝隙堵住，从而使超声清洗槽9被单独隔离开来，，同时清洗槽中的超声波振子10开始振动；提拉气缸2杆缓慢将工件放入超声清洗槽9的清洗液中，工件悬浮在超声清洗槽9中进行超声波清洗，超声清洗的频率为80～120kHz可设，清洗功率大小可调，清洗时间为0～10min可调；清洗完成后，超声振动停止，提拉气缸2将工件向上提出至上极限位置，隔门气缸B16向下运动将超声清洗槽9和喷淋清洗槽21之间的隔门B14沿隔门滑轨B40向下打开，隔门B14上部边沿处的防腐密封条D20将缝隙堵住，然后无杆气缸8带动提拉气缸2和工件移向喷淋清洗工位。

喷淋清洗：当控制系统检测到无杆气缸8带动工件运动至喷淋清洗槽21上方时，隔门B14在隔门气缸的带动下关闭，喷淋清洗槽21被单独隔离开来；提拉气缸2将工件缓慢放入喷淋清洗槽21中，此时位于喷淋清洗槽21前后壁上的喷淋清洗头23喷射出专用清洗液对工件进行冲淋清洗，喷淋压力为0.04～0.4MPa可调，喷淋时间为0～10min可调，为保证对样件的均匀清洗，样件在提拉气缸2的带动进行上下往复运动使得整个工件都能够被清洗到；清洗完成后，喷淋清洗头23停止喷射清洗液，提拉气缸2带动样件运动至上极限位置，同时位于喷淋清洗槽21和烘干出料槽26之间的隔门C25打开，无杆气缸8带动工件移向烘干出料工位。

烘干出料：当控制系统检测到无杆气缸8带动工件运动至烘干出料槽26上方时，隔门C25关闭，烘干出料槽26被单独隔离开来；提拉气缸2将工件缓慢放入烘干出料槽26中，此时送风管A27和送风管B28吹出纯净干燥的氮气将残留在工件表面的易挥发的清洗液带走，风淋的温度为20～50℃可调，时间为0～10min可调，气压大小为0.1～0.6MPa可调；待工件被烘干后，蜂鸣器发出警报提醒操作人员进行出料；操作人员此时旋动锁紧把手A32打开出料口门29取出盛有被清洗工件的清洗篮，然后关闭出料口门29，锁紧门把手A，并给控制系统发出信号进行复位动作；出料口门29的内侧四周粘附防腐密封圈A30，通过一侧的铰链A31连接在主体上；控制系统接收到复位动作后，提拉气缸2开始向上运动至上极限位置，同时隔门A13、隔门B14、隔门C25在各自隔门气缸的带动下打开，从而使主体内所有腔室连通，此时无杆气缸8带动提拉气缸2和清洗吊篮架4回复至起始位置，然后隔门A13、隔门B14、隔门C25在各自隔门气缸向的带动下关闭，继续保持各个工位隔离密闭；如此完成一个完整的清洗过程。

循环回收：循环回收系统负责整个过程中的供液和供气以及废液和废气的回收如图7所示；清洗准备阶段，储液箱中的清洗液通过液泵经过滤器将干净的专用清洗液注入超声清洗槽9；喷淋清洗时，储液箱中的清洗液通过液泵经过滤器将干净的专用清洗液通入喷淋清洗槽21前后壁上的喷淋清洗头23，喷头喷出具有一定压力的清洗液冲淋被清洗工件；烘干时，气源将干净的氮气通入位于烘干出料槽26内壁的吹风管A和吹风管B，加速被清洗样件表面清洗液的挥发，实现烘干过程；清洗过程中，位于超声清洗槽9、喷淋清洗槽21和烘干出料槽26工位上方排气管道46将挥发出来的废气导流至冷凝室，冷凝室内布置有冷凝铜管，压缩机提供的冷媒经过冷凝管形成低温，废气接触冷凝管被液化经冷凝室底部的排液管流至废液箱；清洗产生的废液分别经超声清洗槽9的排液口A11和喷淋清洗槽21底部的排液口B24流入废液箱，以便回收利用。

如图1-5所示，本发明清洗时采用的装置为光学元件挥发溶剂循环回收利用的自动清洗装置，包括主体和循环回收系统，所述的主体内设置上料工位、超声清洗工位、喷淋清洗工位和下料工位；主体顶部通过排气管道46与循环回收系统连接；

所述的主体为上中下三段式结构；下部设有四个工位槽，从左至右依次为进料槽1、超声清洗槽9、喷淋清洗槽21和烘干出料槽26，中部为提拉运送机构活动空间，上部安装有提拉运送机构，上部与中部之间通过隔板3隔开；

所述的提拉运送机构包括提拉气缸2、无杆气缸8、吊篮架4和挂钩5，所述的提拉气缸2为单杆不回转气缸，缸杆通过隔板3中间开设的运动轨道伸入进料槽1；提拉气缸2的缸杆末端装有吊篮架4，吊篮架4上有挂钩5，用于钩吊盛有工件的清洗篮；提拉气缸2通过气缸安装块A6安装在无杆气缸滑块7上，无杆气缸滑块7初始位置为左极限位置，无杆气缸8通过气缸安装块B22固定在主体上；提拉气缸2带动清洗篮上下运动，无杆气缸8带动提拉气缸2水平运动，两者相互配合，完成对工件的吊取和移位；

所述的上料工位包括进料槽1，进料槽1的前侧设有进料口，进料口外侧的主体上安装进料口门42，进料口门42的内侧四周粘附防腐密封圈B43；

所述的超声清洗工位包括超声清洗槽9和超声波振子10，超声清洗槽9底部安装有超声波振子10，底部设有排液口A11，用于排走废液，超声清洗槽9后侧设有注液口12，用于加注清洗液；超声清洗槽9左右两侧边沿上分别设有隔门A13和隔门B14，隔门A13和隔门B14分别由隔门气缸A15和隔门气缸B16带动、沿着立柱上的隔门滑轨A39和隔门滑轨B40上下运动；所述的隔门滑轨A39和隔门滑轨B40的上下极限位置设有位置传感器；当隔门气缸A15和隔门气缸B16运动至上极限位置时，隔门A13和隔门B14关闭，隔门A13和隔门B14上部顶住隔板3、隔门A13和隔门B14下部卡板上的防腐密封条A17和防腐密封条B18将缝隙堵住，从而使超声清洗工位形成单独的密闭空间；当隔门气缸A15和隔门气缸B16运动至下极限位置时，隔门A13和隔门B14打开，隔门A13和隔门B14上部边沿处的防腐密封条C19和防腐密封条D20将缝隙堵住，防止液体和气体泄漏；无杆气缸8带动提拉气缸2运动至此工位时将工件放入超声清洗槽9进行超声波清洗；

所述的喷淋清洗工位包括喷淋清洗槽21和喷淋清洗头23；喷淋清洗槽21前后内壁上分别安装有喷淋清洗头23；喷淋清洗槽21底部设有排液口B24，喷淋清洗后的液体从此处流走；喷淋清洗槽21左右两侧边沿上分别设有隔门B14和隔门C25，隔门B14和隔门C25的运动形式和超声清洗工位的隔门A13和隔门B14的运动形式相同，使喷淋清洗工位在清洗时形成单独的密闭空间；无杆气缸8带动提拉气缸2将工件移送至此工位，喷淋清洗头23喷出专用清洗液对其进行喷淋清洗，提拉气缸2带动清洗篮上下往复运动实现均匀清洗；

所述的下料工位包括烘干出料槽26；烘干出料槽26的前面设有出料口，出料口外侧安装出料口门29，出料口门29的内侧四周粘附防腐密封圈A30；所述的烘干出料槽26内部左右侧对称位置分别安装有送风管A27和送风管B28；工件在此工位实现风淋烘干，提拉气缸2将工件放入烘干出料槽26后在无杆气缸8带动下移动至初始位置；

所述的循环回收系统包括原液箱、废液箱和冷凝室；原液箱里盛放干净的清洗液，通过液泵连接管道经不锈钢过滤器注入超声清洗槽9，清洗废液再经过相应管道流入废液箱；原液箱里的清洗液通过液泵连接管道经不锈钢过滤器通入喷淋清洗槽21，清洗液由喷淋清洗头23喷出对被清洗工件进行喷淋清洗；废液经过喷淋清洗底部的排液口A11排出流入到废液箱；清洗过程中产生的有害废气经过主体顶部的排气管道46输送至冷凝室，冷凝室内布置冷凝管，由压缩机提供低温，废气在冷凝室里面液化成液体，经过冷凝室底部的排液口流入废液箱。

进一步地，所述的提拉运送机构在上料工位、超声清洗工位、喷淋清洗工位和下料工位处的无杆气缸8一侧分别设有光电传感器，用于控制相应工位处的运动。

进一步地，所述的主体前侧在上料工位、超声清洗工位、喷淋清洗工位和下料工位对应位置开有透明的玻璃窗口A35、玻璃窗口B36、玻璃窗口C37和玻璃窗口D38。

进一步地，所述的进料口门42的一侧通过铰链B44连接在主体上；进料口门42的另一侧的主体上安装锁紧把手B45，当进料口门42关闭时，旋动锁紧把手B45将进料口门42锁紧；所述的出料口门29的一侧通过铰链A31连接在主体上；出料口门29的另一侧的主体上安装锁紧把手A32，当出料口门29关闭时，旋动锁紧把手A32将出料口门29锁紧。

进一步地，所述的送风管A27和送风管B28分别固定在烘干出料槽26内的后壁的左右两侧上。

进一步地，所述的超声清洗槽9底部中间位置设有排液口A11；所述的喷淋清洗槽21底部中间位置设有排液口B24。

进一步地，所述的喷淋清洗槽21前后内壁上的喷淋清洗头23安装位置前后相对。

进一步地，整个装置为整体矩形结构，底部设置支脚47。

进一步地，整个装置包括控制系统，所述的控制系统通过数据线分别与各光电传感器、位置传感器和各气缸连接。

进一步地，所述的超声清洗槽9和喷淋清洗槽21对应工位前侧的主体上分别设置活动门A33和活动门B34，所述的活动门A33和活动门B34上分别设置抠手A48和抠手B49。

在实际使用本装置时，操作人员需在准备阶段打开循环回收系统中的液泵预先将超声清洗槽9注满专用清洗液，待注液完成后旋动锁紧把手B45，打开进料口门42，将盛有被清洗元件的清洗篮放入进料槽1，然后关闭进料口门42，锁紧门把手B，按下开关启动装置；整个超声清洗、喷淋清洗和烘干过程为全自动进行；待所有工序完成，听到系统下料报警响起后，操作人员旋动锁紧把手A32，打开出料口门29，将盛有被清洗样件的清洗篮取出，关闭出料口门29，锁紧门把手A，即完成一次清洗过程。如有工件继续清洗，重复此过程即可完成自动清洗。如不需继续清洗，打开排液阀，将超声清洗槽9清洗液排放干净，最后关闭装置开关。

例如：针对尺寸为100x100mm的经过无磨料水溶解超精密抛光的KDP元件，采用超声清洗频率80kHz，超声清洗时间5min，喷淋清洗压力0.2MPa，喷淋清洗时间6min，烘干风淋的压力0.1MPa，风淋温度和时间为20℃和10min的参数组合对其进行自动清洗。使用原子力显微镜检测清洗前后晶体元件表面的油污去除情况，图8是抛光后未清洗的表面，光学元件表面有残留油污附着，表面呈现凹凸不平的起伏，表面质量较差，图9是使用本发明方法清洗后的表面，可以看到光学元件表面的油污已被去除掉，表面干净平整，粗糙度略有下降，露出了超精密抛光后的原始超光滑表面。从而证明本发明方法能够去除粘附在晶体元件表面的顽固油污，有效提升了清洗后光学元件的表面质量。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。