一种研究激光破岩技术的多自由度实验平台的制作方法

1.本发明涉及激光破岩技术领域，具体为一种研究激光破岩技术的多自由度实验平台。


背景技术：

2.地下储藏的油气资源十分丰富，然而随着长时间的开采，对地下矿产资源的开发逐渐走向深部化，面对深部地层高地应力、岩石高硬度、地层复杂等特点，传统的钻探技术难以有效解决深部复杂地层的钻探问题。激光破岩技术也因其低成本、高效率、高可靠性等的优势在深部资源开采中展现了良好的应用前景，成为近年来研究的热点。此外，激光作为一种高能量密度的破岩利器，不同的参数如功率、功率密度等对于不同岩石样品的破坏机理均不相同，现有的激光破岩实验均在实验台上进行，由于激光具有较高的能量，为避免激光打偏造成设备或人员的损伤，激光破岩前需要进行激光校对，而现有的实验台只具有简单夹持岩石样品的功能，不能调节岩石样品与激光的相对位置，导致激光破岩设备的安装困难，同时激光容易作用在实验台上造成实验台的损坏。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种研究激光破岩技术的多自由度实验平台，光学实验平台可多角度的调节矩形岩石样品与光纤准直聚焦头之间的相对位置关系，便于光纤准直聚焦头的安装校对，避免光纤准直聚焦头的安装偏差造成光学实验平台的损伤。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种研究激光破岩技术的多自由度实验平台，包括光学实验平台、实验腔体和激光发生装置，所述实验腔体设置在所述光学实验平台上，所述激光发生装置设置在所述实验腔体内；所述光学实验平台包括安装平台、滑动平台和实验台，所述安装平台底部的四角均固定有支脚，所述滑动平台滑动设置在所述安装平台的下方，所述滑动平台的滑动方向平行于所述安装平台，所述实验台通过三组多角度调节机构与所述滑动平台连接，三组所述多角度调节机构呈圆周均布，所述安装平台上开设有供所述实验台穿过的通孔；所述多角度调节机构包括两组平行并排设置有升降机构，所述升降机构包括第一基座、第二基座、丝杆、滑座、连杆和光杆，所述丝杆设置在所述第一基座与第二基座之间，所述丝杆的一端与所述第一基座转动连接，另一端与所述第二基座转动连接，所述丝杆的两侧均设置有光杆，所述光杆与所述丝杆平行设置，所述光杆的一端与所述第一基座固定连接，另一端与所述第二基座固定连接，所述滑座螺纹连接在所述丝杆上，所述滑座滑动套设在所述光杆上，所述连杆的两端均固定有球体，所述滑座上固定有球座，所述连杆的一端与所述球座球型铰接，另一端与所述实验台球型铰接，所述滑动平台上设置有电机，所述电机的输出轴与所述丝杆的一端传动连接；所述实验腔体的底部设有安装开口，所述实验腔体的顶部采用透明材质制成，所
述安装平台平行固定有两组t型滑轨，两组所述t型滑轨对称分布在所述通孔的两侧，所述实验腔体的底部开设有两组与所述t型滑轨相适配的t型滑槽，所述实验腔体的滑动方向垂直于所述滑动平台的滑动方向；所述实验腔体内腔的中部固定有激光座，所述激光座底部的中心开设有圆槽，所述圆槽内设置有定位灯光。
5.进一步地，所述激光发生装置包括光纤激光器以及与光纤激光器连接的光纤准直聚焦头，所述光纤激光器用于发射不同功率的激光，所述光纤准直聚焦头的底座通过螺钉固定在所述激光座上。
6.进一步地，所述安装平台上设置有夹持机构，所述夹持机构用于对实验台上的矩形岩石样品进行夹持。
7.进一步地，所述夹持机构包括两组限位夹持机构和两组夹持机构，两组限位夹持机构和两组夹持机构分别对矩形岩石样品的四个侧面进行夹持，所述限位夹持机构包括第一气缸和第一施压板，所述第一气缸的底座固定设置在所述光学实验平台上，所述第一施压板球形铰接在所述第一气缸的伸缩轴上，所述第一施压板与矩形岩石样品的侧壁贴合，所述夹持机构包括第二气缸和第二施压板，所述第二气缸的底座固定设置在所述光学实验平台上，所述第二施压板球形铰接在所述第二气缸的伸缩轴上，所述第二施压板与矩形岩石样品的侧壁贴合。
8.进一步地，所述光纤准直聚焦头的侧壁设置有距离传感器，所述距离传感器用于检测矩形岩石样品与光纤准直聚焦头之间的破岩间距。
9.进一步地，所述光学实验平台的一侧设置有气体罐，所述气体罐的出气口连接有吹气管，所述吹气管远离所述气体罐的一端设置在所述光纤准直聚焦头的侧壁上。
10.进一步地，所述实验腔体的内腔为长方体形状，成像相机、红外测温仪和两组红外成像仪分别设置在所述实验腔体的四个内侧壁上，所述实验腔体的侧壁还设置有功率测试探头。
11.进一步地，所述安装平台的下方平行设置有传动丝杆和限位光杆，所述传动丝杆垂直于所述t型滑轨，所述传送丝杆与所述支脚转动连接，所述限位光杆与所述支脚固定连接，所述滑动平台与传动丝杆螺纹连接，所述滑动平台与所述限位光杆滑动连接，所述支脚上设置有驱动电机，所述驱动电机的输出轴与所述传动丝杆的一端传动连接。
12.进一步地，所述激光发生装置还包括激光器水冷机，所述激光器水冷机与所述光纤激光器连接用于对所述光纤激光器进行冷却。
13.本发明的有益效果是：1、一种研究激光破岩技术的多自由度实验平台，通过滑动平台的移动带动实验台移动，实验腔体可在光学实验平台上移动用于带动激光发生装置移动，从而便于调节激光发生装置与实验台之间的相对位置关系，使激光发生装置作用在实验台上的矩形岩石样品上，三组角度调节机构上的滑座同步滑动，从而带动实验台上下移动，用于调节矩形岩石样品与激光发生装置之间的间距，三组角度调节机构上的滑座差速滑动，从而使实验台产生偏转，进而使实验台上的矩形岩石样品以倾斜的角度进行激光破岩实验，实现对不同离焦量以及岩样旋转半径的破岩机制的研究。
14.2、通过定位灯光对光纤准直聚焦头的作用位置进行校对，开启定位灯光，调节定
位灯光与实验台之间的相对位置关系，使定位灯光的光照位置作用在实验台上，记录实验腔体在光学实验平台上的安装位置，然后再将实验腔体拆下进行激光发生装置的安装，最后再将实验腔体安装在记录的位置进行激光实验，从而可避免激光打偏造成光学实验平台损坏的情况。
附图说明
15.图1为本发明一种研究激光破岩技术的多自由度实验平台的整体结构示意图；图2为本发明一种研究激光破岩技术的多自由度实验平台中多角度调节机构的立体图；图3为图1中a处放大图；图4为本发明一种研究激光破岩技术的多自由度实验平台中光学实验平台的俯视图；图5为本发明一种研究激光破岩技术的多自由度实验平台中光学实验平台的左视图；图6为本发明一种研究激光破岩技术的多自由度实验平台中检测设备在实验腔体的分布示意图；图中，1
‑
光学实验平台，2
‑
实验腔体，3
‑
安装平台，4
‑
滑动平台，5
‑
实验台，6
‑
支脚，7
‑
通孔，8
‑
升降机构，9
‑
第一基座，10
‑
第二基座，11
‑
丝杆，12
‑
滑座，13
‑
连杆，14
‑
光杆，15
‑
球座，16
‑
球体，17
‑
t型滑轨，18
‑
t型滑槽，19
‑
激光座，20
‑
圆槽，21
‑
定位灯光，22
‑
光纤激光器，23
‑
光纤准直聚焦头，24
‑
限位夹持机构，25
‑
夹持机构，26
‑
第一气缸，27
‑
第一施压板，28
‑
电机，29
‑
第二气缸，30
‑
第二施压板，31
‑
距离传感器，32
‑
气体罐，33
‑
吹气管，34
‑
成像相机，35
‑
红外测温仪，36
‑
红外成像仪，37
‑
功率测试探头，38
‑
传动丝杆，39
‑
限位光杆，40
‑
激光器水冷机，41
‑
驱动电机。
具体实施方式
16.下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
17.如图1至图6所示，一种研究激光破岩技术的多自由度实验平台，包括光学实验平台1、实验腔体2和激光发生装置，实验腔体2设置在光学实验平台1上，激光发生装置设置在实验腔体2内；通过改变激光发生装置的输出频率、脉冲宽度和输出功率，从而研究不同重复频率、不同脉冲宽度、不同功率作用下的激光破岩过程和机制，为激光破岩提供数据支持；光学实验平台1包括安装平台3、滑动平台4和实验台5，安装平台3底部的四角均固定有支脚6，滑动平台4滑动设置在安装平台3的下方，滑动平台4的滑动方向平行于安装平台4，实验台5通过三组多角度调节机构与滑动平台4连接，三组多角度调节机构呈圆周均布，安装平台3上开设有供实验台5穿过的通孔7，通过多角度调节机构实现实验台5的升降及偏转，当安装实验腔体2前，先通过多角度调节机构将实验台5移至安装平台3的下方，从而避免实验腔体2与实验台5产生干涉，实验腔体2安装完成后，再将实验台5上升至实验腔体2内进行激光破岩实验；参照图2，多角度调节机构包括两组平行并排设置有升降机构8，升降机构8包括第一基座9、第二基座10、丝杆11、滑座12、连杆13和光杆14，第一基座9和第二基座
10均通过螺栓固定在滑动平台4上，丝杆11设置在第一基座9与第二基座10之间，丝杆11的一端与第一基座9转动连接，另一端与第二基座10转动连接，丝杆11的两侧均设置有光杆14，光杆14与丝杆11平行设置，光杆14的一端与第一基座9固定连接，另一端与第二基座10固定连接，滑座12螺纹连接在丝杆11上，滑座12滑动套设在光杆14上，连杆13的两端均固定有球体16，滑座12上固定有球座15，连杆13的一端与球座15球型铰接，另一端与实验台5球型铰接，滑动平台3上设置有电机28，电机28的输出轴与丝杆11的一端传动连接；电机28带动丝杆11转动，通过光杆14限制滑座12的旋转自由度，使滑座12只能沿着丝杆11的轴向方向做直线运动，从而通过连杆13拉动实验台5，连杆13的两端均与实验台5和滑座12采用球型铰接，使实验台5能够灵活的偏转，具体为，三组角度调节机构上的滑座12同步滑动（即滑动速度相同），从而带动实验台5上下移动，用于调节矩形岩石样品与激光发生装置之间的间距，三组角度调节机构上的滑座12差速滑动一定距离，从而使实验台5产生偏转，进而使实验台5上的矩形岩石样品以倾斜的角度进行激光破岩实验，实现对不同离焦量以及岩样旋转半径的破岩机制的研究；如图1和图3所示，实验腔体2的底部设有安装开口，实验腔体2的顶部采用透明材质制成（如采用玻璃制成），安装平台3平行固定有两组t型滑轨17，两组t型滑轨17对称分布在通孔7的两侧，实验腔体2的底部开设有两组与t型滑轨17相适配的t型滑槽18，实验腔体2的滑动方向垂直于滑动平台4的滑动方向，将实验腔体2从t型滑轨17的一端滑入，从而将实验腔体2快速的滑动安装在t型滑轨17上，从实验腔体2的顶部观察实验台5的位置，将实验腔体2滑至实验台5处，此为实验腔体2的大致调节，然后再进行实验腔体2和实验台5的精确调节，具体为，实验腔体2内腔的中部固定有激光座19，激光座19底部的中心开设有圆槽20，圆槽20内设置有定位灯光21，激光发生装置包括光纤激光器22以及与光纤激光器22连接的光纤准直聚焦头23，光纤激光器22用于发射不同功率的激光，光纤准直聚焦头23的底座通过螺钉固定在激光座19上，通过定位灯光21对光纤准直聚焦头23的破岩位置进行校对，开启定位灯光21，滑动实验腔体2并通过滑动平台4移动实验台5，调节定位灯光21与实验台5之间的相对位置关系，使定位灯光21的光照位置作用在实验台5上，此过程为实验台5和实验腔体2的精确调节，记录实验腔体2在光学实验平台上的安装位置，然后再将实验腔体2拆下进行激光发生装置的安装，将光纤准直聚焦头23安装在激光座19上，从而使定位灯光21的照射位置即为光纤准直聚焦头23的破岩位置，最后再将实验腔体2安装在记录的位置进行激光实验，从而可避免激光打偏造成光学实验平台1损坏的情况；滑动平台4的具体移动方式为：安装平台3的下方平行设置有传动丝杆38和限位光杆39，传动丝杆38垂直于t型滑轨17，传送丝杆38与支脚6转动连接，限位光杆39与支脚6固定连接，滑动平台4与传动丝杆38螺纹连接，滑动平台4与限位光杆39滑动连接，支脚6上设置有驱动电机41，驱动电机41的输出轴与传动丝杆38的一端传动连接，驱动电机41带动传动丝杆38转动，通过限位光杆39限制滑动平台4的旋转自由度，使滑动平台4只能沿着传动丝杆38的轴向方向做直线运动，从而通过多角度调节机构带动实验台5平移，实现实验台5的移动。
18.进一步地，如图1和图4所示，安装平台3上设置有夹持机构，夹持机构用于对实验台5上的矩形岩石样品进行夹持，夹持机构包括两组限位夹持机构24和两组夹持机构25，两组限位夹持机构24和两组夹持机构25分别对矩形岩石样品的四个侧面进行夹持，限位夹持机构24包括第一气缸26和第一施压板27，第一气缸26的底座固定设置在光学实验平台1上，
第一施压板27球形铰接在第一气缸26的伸缩轴上，第一施压板27与矩形岩石样品的侧壁贴合，夹持机构25包括第二气缸29和第二施压板30，第二气缸29的底座固定设置在光学实验平台1上，第二施压板30球形铰接在第二气缸29的伸缩轴上，第二施压板30与矩形岩石样品的侧壁贴合，第一气缸26伸长带动第一施压板27与岩石样品接触，第二气缸29伸长带动第二施压板30与岩石样品接触，从而通过两个第一施压板27和两个第二施压板30分别压紧矩形岩石样品的四个侧壁，完成岩石样品的夹持，第一施压板27和第二施压板30的高度均大于岩石样品的高度，从而使实验台5上升改变光纤准直聚焦头23的离焦量时，第一施压板27与第二施压板30仍能夹持岩石样品；当需要偏移一定角度夹持岩石样品进行激光破岩实验时，现将第一施压板27与第二施压板30移动至靠近岩石样品但不与岩石样品接触，在偏转实验台5对岩石样品进行偏转时，当偏转角度过渡岩石样品在实验台5上滑动时可通过第一施压板27或第二施压板30进行支撑，可避免岩石样品从实验台5上滑落至光学实验平台1上，角度调节完成后，第一施压板27与第二施压板30靠近岩石样品进行夹持动作，由于第一施压板27球形铰接在第一气缸26的伸缩轴上且第二施压板30球形铰接在第二气缸29的伸缩轴上，从而在夹持的过程中第一施压板27与第二施压板30将发生偏转挤压在岩石样品上，使夹持机构对偏转的岩石样品仍具有较好的夹持效果。
19.进一步地，光纤准直聚焦头23的侧壁设置有距离传感器31，距离传感器31用于检测矩形岩石样品与光纤准直聚焦头23之间的破岩间距，用于测得光纤准直聚焦头23的离焦量；实验腔体2的内腔为长方体形状，成像相机34、红外测温仪35和两组红外成像仪36分别设置在实验腔体2的四个内侧壁上，实验腔体2的侧壁还设置有功率测试探头37，通过成像相机34对激光的破岩过程进行拍摄，得到岩石样品表面的破岩形态，通过功率测试探头37测量岩石样品的反射功率，从而得到岩石样品的吸收能量，从而得到光纤准直聚焦头23在不同功率下岩石样品的能量吸收情况，从而使实验装置可研究激光的不同参数对破岩的影响，为实际破岩提供实验数据支持，便于实际破岩过程中根据激光的破岩实验参数选择合适参数的激光，保证具有较高的破岩效果，通过红外测温仪35和两组红外成像仪36从不同角度对岩石样品的破岩过程进行检测；光学实验平台1的一侧设置有气体罐32，气体罐32的出气口连接有吹气管33，吹气管33远离气体罐32的一端设置在光纤准直聚焦头23的侧壁上，气体罐32上设有压力阀和流量阀，可调节吹出气体的气压和吹气量，吹气管33可通过绑丝固定在光纤准直聚焦头23上，通过吹气管33吹出的气体将破岩过程中的杂质吹走，防止杂质对实验过程造成影响，同时避免破岩杂质遮挡岩石样品影响成像相机34的拍摄效果以及红外测温设备的检测结果，通孔7可及时排出气体，避免气体完成激光破岩后对实验腔体环境造成影响。
20.进一步地，激光发生装置还包括激光器水冷机40，激光器水冷机40与光纤激光器22连接用于对光纤激光器22进行冷却。
21.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。