一种复杂结构面的激光清洗方法及清洗装置

1.本发明涉及一种清洗装置及清洗方法，特别涉及一种复杂结构面的激光清洗方法及清洗装置，属于激光清洗技术领域。


背景技术：

2.传统清洗工业有各种各样的清洗方式，多是利用化学药剂和机械方法进行清洗。在我国环境保护法规要求越来越严格、人们环保和安全意识日益增强的2020年以后，工业生产清洗中可以使用的化学药品种类将变得越来越少。如何寻找更清洁，且不具损伤性的清洗方式是我们不得不考虑的问题。而激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应和适用于各种材质的物体等清洗特点，被认为是最可靠、最有效的解决办法。同时，激光清洗可以解决采用传统清洗方式无法解决的问题。
3.在船舶制造业，激光清洗技术是一种新颖的表面处理方法，具有基材损伤小，对人体危害小，环境友好等优势，应用前景好。
4.在船舶制造领域，船体等大型结构部分由多个小型船用钢板等工件焊接而成。由于构成船体的工件结构多样，被清洗区域面不仅仅是以平面形式存在，以及各个工件焊接处的不规则焊缝，这些被清洗区域面更多的是以叠加、交错、曲面等方式出现，激光清洗效果很难保持一致。船体内部结构狭小，尤其是机舱区域，各种结构部件与设备、管件交错布置，并且对于一些限制区域清洗质量的一致性存在较高要求。
5.对于这些船用工件的复杂表面和不规则焊缝的清洗，通常采用手持式激光清洗机，可以通过肉眼观察激光焦点的距离保证清洗的效果，但在工件的结构和形状差异较大时，人工校准的方法精确度较差，导致清洗效率较低。
6.目前采用机械臂和激光清洗头的配合，可以实现复杂结构面的工件和限制性区域的清洗。但是人工通过刻度尺和一些简单工具来测量复杂结构表面的高度差和表面曲率，再将测得的数据编译后导入控制系统操作机械手清洗，存在误差大、准确率低等问题，严重影响了激光清洗的质量和效率。


技术实现要素：

7.发明目的：本发明的目的是针对现有技术中存在的激光清洗质量不稳定和效率低的问题，提出一种复杂结构面的激光清洗方法及清洗装置。本发明通过测量复杂结构面的轮廓数据，根据轮廓数据即时调节激光清洗系统的清洗焦距，搭配机械手的精准定位，实现特殊工件和限制区域等复杂结构面的高效高质激光清洗，具有灵活方便、定位准确、去除精度高、效率高等突出优势。
8.技术方案：一种复杂结构面的激光清洗方法，包括以下步骤：
9.步骤一、工件表面预处理，去除表面易脱落物质；
10.步骤二、设备调试，确定清洗区域，确定测量与清洗的起始位置，并匹配工作环境进行轮廓测量系统测量参数设定；
11.步骤三、清洗区域轮廓参数测绘，通过轮廓测量系统对清洗区域内整体形貌参数进行测量，并存入数据库；
12.步骤四、设备清洗参数设定，确定测量数据与路径的优化匹配，规划最佳激光清洗路径轨迹，根据工件轮廓确定清洗激光的参数；
13.步骤五、工件清洗，启动清洗设备，根据设备参数协同控制清洗设备各系统单元对工件进行清洗。
14.本发明能够准确测量工件轮廓数据，并合理制定限制性区域的清洗路线，根据测量数据的准确性，完成限制性区域的清洗路线的精准清洗，减少反复清洗次数。保证了清洗范围保持在激光器焦距内，在不损害工件基体的同时保证工件的全面清洗作业，具有提高其清洗精度与效率的效果。
15.优选项，为完成数据的采集，所述步骤二中完成设备调试后，确定需清洗区域，以及测量与清洗的起始位置，通过坐标系的方式进行数据的采集；以线激光传感器发出的测量激光线长度为x轴，测量激光线移动方向为y轴，工件表面的高度数据为z轴，初始位置则为设定坐标系的原点。通过坐标系匹配工作环境进行轮廓测量系统测量参数设定。
16.优选项，为了便于将所测轮廓参数的存储，所述步骤三中清洗区域轮廓参数以测量激光线长度为x轴，测量激光线移动方向为y轴，工件表面的高度数据为z轴，轮廓测量数据存储为(x，y，z)；
17.x轴上从原点开始各采集点之间的间距d，y轴单位时间内纵向采样点之间的间距为s；
18.初始位置存储为(0，0，h
11
)，第n条轮廓线上的点坐标为((n-1)d，(n-1)s，h
nn
)，
19.其中，h
11
为初始位置轮廓线测量点工件的高度，h
nn
为第n条轮廓线最终测量点工件的高度。
20.优选项，为了获得精确的三维的轮廓曲线，所述轮廓测量系统包括线激光传感器、光电探测器、会聚透镜和成像透镜，线激光传感器发出测量激光，经过会聚透镜垂直入射到工件表面，经过漫反射后通过成像透镜进入光电探测器中，当工件发生移动，表面入射光线发生变化时，光电探测器接收反射光点移动后检测出轮廓数据；
21.测量轮廓时，线激光传感器、光电探测器和透镜的位置均为固定值，d1和d2分别为物距和像距，α为两条漫反射光路之间的夹角，θ为入射光轴和成像光轴之间的夹角，为成像物镜光轴和光电探测器之间的夹角，h为光电探测器上的光点移动距离；则所测得工件高度可以表示为：
[0022][0023]
则数据库中存储的位置坐标值为形成三维的轮廓曲线。
[0024]
优选项，为了将测量所得轮廓数据坐标与激光清洗路径优化匹配，所述测量数据与路径的优化匹配方法为：
[0025]
设置清洗激光光束的起始点与轮廓测量系统的初始位置重合；
[0026]
设置清洗激光光束的单位时间横向移动间距与轮廓测量系统存储的单位时间测量间距相同；
[0027]
设置清洗激光光束的初始位置为(0，0，z
11
)，则第n条轮廓线上清洗激光光束位置的点坐标为((n-1)d，(n-1)s，z
nn
)；
[0028]
优选项，为了进一步对激光清洗路径的优化，所述根据工件轮廓确定清洗激光的参数的方法为：
[0029]
设定清洗激光光束的焦深为d；每条轮廓线的初始位置处清洗激光光束的聚焦点位于清洗工件表面；
[0030]
在第n条轮廓线上，如果|h
nn-h
n1
|《d/2，式中h
n1
为第n条轮廓线起始测量点工件的高度，则该轮廓线上清洗激光光束所有的位置均设置为((n-1)d，(n-1)s，z
n1
)；此时轮廓线上高度满足焦深，无需改变清洗激光光束在z轴上位置；
[0031]
在第n条轮廓线上，如果|h
nn-h
n1
|》d/2，式中h
n1
为第n条轮廓线起始测量点工件的高度，轮廓线上高度大于焦深，需改变清洗激光光束在z轴上位置；设n＝[(h
nn-h
n1
)/d/2](其中[]为取整符号)，则这条轮廓线上清洗激光光束位置设置为((n-1)d，(n-1)s，z
n1
n*d/2)；
[0032]
清洗激光光束z轴方向的数值为：
[0033][0034]
优选项，为了进一步提高清洗与测量的精度，步骤一至五为完整的测量与清洗过程；首次清洗完成后，根据所需清洗与测量的精度要求，重复步骤三到步骤五的步骤，完成工件表面复杂结构的分步清洗。
[0035]
一种实现复杂结构面的激光清洗方法的清洗装置，包括运动载体、轮廓测量系统、激光清洗系统、控制器和操作系统，所述轮廓测量系统和激光清洗系统分别安装在运动载体上，所述运动载体带动轮廓测量系统和激光清洗系统同时沿工件表面逐行扫描；
[0036]
轮廓测量系统发出的测量激光线与激光清洗系统的指示光重合；
[0037]
控制器通过通信接口与运动载体、轮廓测量系统和激光清洗系统连接；
[0038]
操作系统与控制器连接，操作系统通过控制器获取测量数据同时设定清洗参数。
[0039]
本发明能够准确测量工件轮廓数据，并合理制定限制性区域的清洗路线，根据测量数据的准确性，完成限制性区域的清洗路线的精准清洗，减少反复清洗次数。保证了清洗范围保持在激光器焦距内，在不损害工件基体的同时保证工件的全面清洗作业，具有提高其清洗精度与效率的效果。
[0040]
优选项，为了获得精确的三维的轮廓曲线，所述轮廓测量系统包括线激光传感器、光电探测器、会聚透镜和成像透镜，线激光传感器发出测量激光，经过会聚透镜垂直入射到工件表面，经过漫反射后通过成像透镜进入光电探测器中，当工件发生移动，表面入射光线发生变化时，光电探测器接收反射光点移动后检测出轮廓数据。
[0041]
优选项，为了获得更高的精度，同时区分测量激光线与指示光，所述轮廓测量系统发出的测量激光线波长为360到480纳米之间的蓝光；所述激光清洗系统的指示光波长为
632纳米的红光。
[0042]
优选项，为了满足不同需求的清洗方式，所述激光清洗系统3发出的清洗激光波长为1064纳米或532纳米。
[0043]
有益效果：本发明能够准确测量工件轮廓数据，并合理制定限制性区域的清洗路线，根据测量数据的准确性，完成限制性区域的清洗路线的精准清洗，减少反复清洗次数。保证了清洗范围保持在激光器焦距内，在不损害工件基体的同时保证工件的全面清洗作业，具有提高其清洗精度与效率的效果。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0045]
图1为本发明清洗方法的流程图；
[0046]
图2为本发明清洗装置的结构示意图；
[0047]
图3为本发明轮廓测量组件的示意图
[0048]
图4为本发明轮廓坐标系示意图；
[0049]
图5为本发明路径规划示意图；
[0050]
图6为本发明轮廓测量实验图。
具体实施方式
[0051]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0053]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0054]
如图1所示，一种复杂结构面的激光清洗方法，包括以下步骤：
[0055]
步骤一、工件表面预处理，去除表面易脱落物质；
[0056]
在对工件进行数据测量前，先对其进行预处理。使用空气压缩机等高压吹气装置将工件表面易剥落等物质进行剥离，从而减少测量误差。
[0057]
步骤二、设备调试，确定清洗区域，确定测量与清洗的起始位置，并匹配工作环境进行轮廓测量系统测量参数设定；
[0058]
步骤三、清洗区域轮廓参数测绘，通过轮廓测量系统对清洗区域内整体形貌参数进行测量，并存入数据库；
[0059]
步骤四、设备清洗参数设定，确定测量数据与路径的优化匹配，规划最佳激光清洗路径轨迹，根据工件轮廓确定清洗激光的参数；
[0060]
步骤五、工件清洗，启动清洗设备，根据设备参数协同控制清洗设备各系统单元对工件进行清洗。
[0061]
本发明能够准确测量工件轮廓数据，并合理制定限制性区域的清洗路线，根据测量数据的准确性，完成限制性区域的清洗路线的精准清洗，减少反复清洗次数。保证了清洗范围保持在激光器焦距内，在不损害工件基体的同时保证工件的全面清洗作业，具有提高其清洗精度与效率的效果。
[0062]
参照图1对复杂结构面的清洗方法，对其装置做进一步说明。如图2所示，一种实现复杂结构面的激光清洗方法的清洗装置，包括机械手1、轮廓测量系统2、激光清洗系统3、控制器4和操作系统5，所述轮廓测量系统2和激光清洗系统3分别安装在机械手1上，所述机械手1带动轮廓测量系统2和激光清洗系统3同时沿工件表面逐行扫描；
[0063]
轮廓测量系统2发出的测量激光线6与激光清洗系统3的指示光7重合；
[0064]
控制器4通过通信接口与机械手1、轮廓测量系统2和激光清洗系统3连接；
[0065]
操作系统5与控制器4连接，操作系统5通过控制器4获取测量数据同时设定清洗参数。
[0066]
本发明能够准确测量工件轮廓数据，并合理制定限制性区域的清洗路线，根据测量数据的准确性，完成限制性区域的清洗路线的精准清洗，减少反复清洗次数。保证了清洗范围保持在激光器焦距内，在不损害工件基体的同时保证工件的全面清洗作业，具有提高其清洗精度与效率的效果。
[0067]
如图3所示，为了获得精确的三维的轮廓曲线，所述轮廓测量系统2包括线激光传感器8、光电探测器9、会聚透镜10和成像透镜11，线激光传感器8发出测量激光，经过会聚透镜10垂直入射到工件表面，经过漫反射后通过成像透镜11进入光电探测器9中，当工件发生移动，表面入射光线发生变化时，光电探测器9接收反射光点移动后检测出轮廓数据。测量过程中机械手1移动时，工件表面入射光线发生变化时，光电探测器9接收反射光后，通过光点移动检测出轮廓数据。数据由控制器4接收和计算，根据判断模型调整清洗用激光光束的路径。
[0068]
线测试激光器8发出蓝色测量激光线6，经过会聚透镜10入射到工件表面，当工件表面移动，高度发生变化时，光点在光电探测器9的接收面上的像点相应移动，通过光点的移动可以测出工件的表面轮廓数据。
[0069]
为了保证数据测量的高效性，线激光传感器8作为测试激光发射工具，可以同时测量一条线上的轮廓。
[0070]
为了获得更高的精度，同时区分测量激光线与指示光，所述轮廓测量系统1发出的测量激光线6波长为360到480纳米之间的蓝光；所述激光清洗系统3的指示光7波长为632纳米的红光。
[0071]
为了满足不同需求的清洗方式，所述激光清洗系统3发出的清洗激光波长为1064纳米或532纳米。
[0072]
如图4所示，为完成数据的采集，所述步骤二中完成设备调试后，确定需清洗区域，以及测量与清洗的起始位置，通过坐标系的方式进行数据的采集；以线激光传感器发出的测量激光线长度为x轴，测量激光线移动方向为y轴，工件表面的高度数据为z轴，初始位置则为设定坐标系的原点。通过坐标系匹配工作环境进行轮廓测量系统测量参数设定。
[0073]
每个激光点的距离为固定值，可根据测量精度改变线激光间距为2毫米到10毫米。
[0074]
机械手1沿y轴的运动距离可根据测量与清洗精度设置，所述参数距离为1毫米到2毫米。
[0075]
为了便于将所测轮廓参数的存储，所述步骤三中清洗区域轮廓参数以测量激光线长度为x轴，测量激光线移动方向为y轴，工件表面的高度数据为z轴，轮廓测量数据存储为(x，y，z)；
[0076]
x轴上从原点开始各采集点之间的间距d，y轴单位时间内纵向采样点之间的间距为s；
[0077]
初始位置存储为(0，0，h
11
)，即第一条线上的第一个激光点测量坐标；第一条轮廓线上测量点的三维坐标存储为((n-1)d，0，h
1n
)，即第一条线激光点的坐标；第n条轮廓线上的点坐标为((n-1)d，(n-1)s，h
nn
)，即通过移动后每条激光点的测量坐标。
[0078]
如图3所示，为了获得精确的三维的轮廓曲线所述轮廓测量系统2包括线激光传感器8、光电探测器9、会聚透镜10和成像透镜11，线激光传感器8发出测量激光，经过会聚透镜10垂直入射到工件表面，经过漫反射后通过成像透镜11进入光电探测器9中，当工件发生移动，表面入射光线发生变化时，光电探测器9接收反射光点移动后检测出轮廓数据。
[0079]
测量轮廓时，线激光传感器8、光电探测器9、会聚透镜10和成像透镜11的位置均为固定值，d1和d2分别为物距和像距，α为两条漫反射光路之间的夹角，θ为入射光轴和成像光轴之间的夹角，为成像物镜光轴和光电探测器之间的夹角，h为光电探测器上的光点移动距离；则所测得工件高度可以表示为：
[0080][0081]
则数据库中存储的位置坐标值为形成三维的轮廓曲线。
[0082]
如图6所示，为复杂表面工件的测量实验图，图中为一条线激光上的点坐标形成的表面轮廓。通过上述步骤3中的测量方法得到的数据轮廓，此轮廓数据图中激光线为x轴，工件表面的高度数据为z轴。
[0083]
为了将测量所得轮廓数据坐标与激光清洗路径优化匹配，所述测量数据与路径的优化匹配方法为：
[0084]
设置清洗激光光束的起始点与轮廓测量系统的初始位置重合；
[0085]
设置清洗激光光束的单位时间横向移动间距与轮廓测量系统存储的单位时间测量间距相同；
[0086]
设置清洗激光光束的初始位置为(0，0，z
11
)，则第n条轮廓线上清洗激光光束位置的点坐标为((n-1)d，(n-1)s，z
nn
)；
[0087]
在每条轮廓线的初始位置，机械手1位置设置保证激光清洗系统3的聚焦点位于材料清洗表面，每条轮廓线的初始位置坐标为(0，(n-1)s，z
n1
)。为简化激光清洗机械手1的移动步骤，优化激光清洗路径。
[0088]
如图5所示，将每条激光线上的数据点x1到xn设置为进行逐一分析，若两个相邻激光点的高度差小于焦深的一半，则不需要改变激光的清洗路径。若两个相邻激光点的高度差大于焦深的一半，则需要通过机械手的上下移动控制激光焦点位于工件的表面。
[0089]
为了进一步对激光清洗路径的优化，所述根据工件轮廓确定清洗激光的参数的方法为：
[0090]
设定清洗激光光束的焦深为d；每条轮廓线的初始位置处清洗激光光束的聚焦点位于清洗工件表面；
[0091]
在第n条轮廓线上，如果|h
nn-h
n1
|《d/2，式中h
n1
为第n条轮廓线起始测量点工件的高度，则该轮廓线上清洗激光光束所有的位置均设置为((n-1)d，(n-1)s，z
n1
)；此时轮廓线上高度满足焦深，无需改变清洗激光光束在z轴上位置；f
[0092]
在第n条轮廓线上，如果|h
nn-h
n1
|》d/2，式中h
n1
为第n条轮廓线起始测量点工件的高度，轮廓线上高度大于焦深，需改变清洗激光光束在z轴上位置；设n＝[(h
nn-h
n1
)/d/2](其中[]为取整符号)，则这条轮廓线上清洗激光光束位置设置为((n-1)d，(n-1)s，z
n1
n*d/2)；
[0093]
清洗激光光束z轴方向的数值为：
[0094][0095]
通过这种路径优化，减少了机械手1在调整焦距上的复杂路径，优化的激光清洗的步骤与时间。将此优化方法后的路径通过编译，完成提供与机械手1识别的数控语言。
[0096]
所述步骤五：保证开始清洗时激光焦点位于所测量的工件轮廓坐标原点的高度处。将激光清洗所需参数结合路径优化后的数据通过数控编译传输到机械手1控制器中，通过机械手1进行对清洗工件的精准定位。所述激光清洗所用的激光器采用大焦深激光头，以减少机械手1在清洗过程中的非必要性的移动，优化了机械手1的激光清洗路径。
[0097]
为了进一步提高清洗与测量的精度，步骤一至五为完整的测量与清洗过程；首次清洗完成后，根据所需清洗与测量的精度要求，重复步骤三到步骤五的步骤，完成工件表面复杂结构的分步清洗。
[0098]
通过上述技术方案，本发明能够准确测量工件轮廓数据，并合理制定限制性区域的清洗路线，根据测量数据的准确性，完成限制性区域的清洗路线的精准清洗，减少反复清洗次数。保证了清洗范围保持在激光器焦距内，在不损害工件基体的同时保证工件的全面清洗作业，具有提高其清洗精度与效率的效果。
[0099]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置
而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0100]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本说明书中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。