低功率小型化自动稳定激光除锈装置及方法

1.本发明属于激光加工技术领域，涉及一种低功率小型化自动稳定激光除锈装置，本发明还涉及一种低功率小型化自动稳定激光除锈方法。


背景技术：

2.过烧蚀或欠烧蚀问题主要来源于：(1)如果待除锈区域具有起伏不平的表面，则在逐行扫描式除锈过程中，激光出光口与待除锈表面的距离一直发生变化；(2)即使待除锈区为一个绝对平面，但如果用户手难以保持稳定，则在逐行扫描式除锈过程中，激光出光口与待除锈表面的距离也会一直发生变化；(3)光斑功率密度过高且光斑移动速度过慢，导致过度烧蚀伤及到下面的金属层。
3.现有的手持型在线激光除锈装置出射光都具有一定的发散角，依赖用户人眼去观察工件表面气化发光的色温以及烧蚀痕，依赖用户经验判断是否对金属过度烧蚀(简称“过烧蚀”)或对锈层烧蚀减薄速度太慢(简称“欠烧蚀”)，一旦发现过烧蚀/欠烧蚀，需要用户手持设备向后移动/向前移动一小段距离，使落在待烧蚀表面的光斑面积增大/缩小，从而使得单位面积光功率密度降低/增高，以保证高效率去除氧化层的同时不伤及下面的金属层。
4.上述操作过程对人工操作的专注度要求非常高，使操作人员的工作强度非常大，且依赖用户经验进行过烧蚀/欠烧蚀判断的准确度也较低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种低功率小型化自动稳定激光除锈装置，解决了现有除锈方式过度依赖人工操作，导致的劳动强度大及判断准确度低下的问题。
6.本发明的另一目的是提供一种低功率小型化自动稳定激光除锈方法。
7.本发明所采用的第一种技术方案是，低功率小型化自动稳定激光除锈装置，包括激光光源模块，激光光源模块发射的激光通过光纤进入手持器模块内部，手持器模块内部设有位移可调的光路传输组件，激光经过所述光路传输组件反射后从手持器模块射出，激光射出的手持器模块端部设有紫外传感器。
8.本发明第一种方案的特点还在于：
9.手持器模块为l形中空筒状结构，光纤从手持器模块的底部入口进入手持器模块内部。
10.光路传输组件包括沿激光入射方向依次设置的扩束镜、反射镜及凸透镜，扩束镜位于手持器模块竖直方向筒体内，反射镜位于手持器模块的l形拐角位置处，凸透镜安装在位于手持器模块的水平方向筒体内的电动滑台上。
11.反射镜与水平方向呈45
°
设置，凸透镜的中心与反射镜的中心处于同一水平线上。
12.紫外传感器的数量为三个，三个紫外传感器两两之间呈120
°
分布在手持器模块的出光口端部。
13.三个紫外传感器均与光电信号采集电路电连接，光电信号采集电路的输出端与滞
回比较电路的输入端电连接，滞回比较电路的输出端与电机驱动器的输入端电连接，电机驱动器的输出端与电动滑台的输入端电连接。
14.本发明采用的第二种技术方案为，低功率小型化自动稳定激光除锈方法，具体包括如下步骤：
15.步骤1，打开激光光源模块，激光经光纤入射至扩束镜，再依次经过反射镜和凸透镜从手持器模块发出，此时，紫外传感器开始探测，将手持器模块逐渐靠近待除锈表面，在此过程中烧蚀产生的等离子体辐射从无到有，因此紫外辐射强度v3从零逐渐开始变大，当0≤v3≤αv
th
时，滞回比较电路的输出电压v
out
值为-vk，因此电动滑台载着凸透镜开始朝向始端移动，致使焦点朝向待除锈表面移动，使光斑变小，光斑功率密度变大，v3随之变大，直至v3首次升高至βv
th
；
16.步骤2，移动手持器模块，使光斑逐行扫描式移动，当v3从βv
th
升高至αv
th
，意味着即将发生过烧蚀，则v
out
值会阶跃变化为+vk，使电动滑台载着凸透镜开始朝向终端移动，致使光斑变大，光斑功率密度变小，导致v3随之变小；
17.步骤3，继续移动手持器模块，使光斑逐行扫描式移动，当v3从αv
th
下降至βv
th
，意味着即将发生欠烧蚀，则v
out
值会阶跃变化为-vk，使电动滑台载着凸透镜开始朝向始端移动，致使光斑变小，光斑功率密度变大，导致v3随之变大；
18.步骤4，重复执行步骤2～步骤3直至除锈完成。
19.本发明的有益效果是，本发明将激光整形为聚焦光束并通过监测烧蚀气化辐射光强来自动调整焦点与待除锈面的距离，通过响应快成本低的滞回曲线方法对烧蚀光斑功率密度进行负反馈控制，从而实现高效率且低损伤的激光除锈，解决了现有在线手持式激光除锈装置容易发生过烧蚀和欠烧蚀的问题。
附图说明
20.图1是本发明低功率小型化自动稳定激光除锈装置实施例1的结构示意图；
21.图2是本发明低功率小型化自动稳定激光除锈装置实施例1中紫外传感器安装位置示意图；
22.图3是本发明低功率小型化自动稳定激光除锈装置实施例1中紫外传感器信号强度随离焦量变化关系图；
23.图4是本发明低功率小型化自动稳定激光除锈装置实施例1中滞回比较电路的滞回曲线示意图；
24.图5是本发明低功率小型化自动稳定激光除锈装置实施例3中滞回比较电路输出信号随紫外辐射强度信号变化关系图；
25.图6是本发明低功率小型化自动稳定激光除锈装置实施例3所用滞回比较电路结构示意图；
26.图7是采用本发明低功率小型化自动稳定激光除锈装置实施例3的除锈效果图。
27.图中，1.电动滑台，3.手持器模块，4.反射镜，5.激光光源模块，7.光纤，8.扩束镜，10.凸透镜，11.激光，14.紫外传感器，20.光电信号采集电路，21.滞回比较电路，22.电机驱动器。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
29.实施例1
30.本发明低功率小型化自动稳定激光除锈装置，结构如图1所示，包括手持器模块3、激光光源模块5以及二者之间的光纤7。手持器模块3内部有凸透镜10、电动滑台1、反射镜4和扩束镜8。手持器模块3的外形是l形套筒状结构。
31.光纤7从激光光源模块5引出，从手持器模块3的底部进光口进入，连接手持器模块3内部的扩束镜8，扩束镜8的正上方有45
°
安装的反射镜4，手持器模块3的内部下方安装着电动滑台1。电动滑台1的始端位于手持器模块3的出光口位置，电动滑台1的终端位于手持器模块3的l形拐角处，凸透镜10安装在电动滑台1上，凸透镜10的中心与反射镜4的中心处于同一水平线；
32.手持器模块3的出光口安装着三颗相同型号的紫外传感器14，这三颗之间彼此间隔120
°
(如图2所示)。三颗紫外传感器14均与光电信号采集电路20电连接，光电信号采集电路20的输出端与滞回比较电路21的输入端电连接，滞回比较电路21的输出端与电机驱动器22的输入端电连接，电机驱动器22的输出端与电动滑台23的输入端电连接。
33.激光11从激光光源模块5沿光纤7传送到扩束镜8，整形为均匀光束，经过反射镜4反射，再经过凸透镜10射出手持器模块3。
34.根据线性光学可知，设电动滑台1的行程最大长度l，小于等于凸透镜10的焦距f的2倍，以避免凸透镜10移动到电动滑台1的终端时，凸透镜10的出射光束在手持器模块3的出光口处的直径大于手持器模块3的出光口内径，造成出光遮挡。
35.因为实际操作中，手持器模块3所发出的激光束与待除锈曲面朝向并不能保持一致，为了适应不同曲面朝向，根据最少三点才能构成一个平面的几何原则，采用三颗紫外传感器14，以构成一个紫外接收面。
36.光电信号采集电路20有三个输入端口和一个输出端口，功能是将三个电流相加并线性转为电压输出，属于常规的电流-电压转化模拟电子电路结构。三颗紫外传感器14的光电流分别作为光电信号采集电路20的三个输入信号，由光电信号采集电路20实现光电流相加并线性转换为一个电压输出信号(即紫外光电响应强度v3)。
37.烧蚀气化会产生等离子体，绝大多数金属的等离子体辐射光谱主峰在紫外波段，而氧的等离子体辐射光谱主峰在极紫外波段且峰值小于铁，因此市面上常见的algan、gan、sic紫外传感器14对铁金属元素辐射敏感，对氧元素辐射不敏感。因为锈层内含丰富氧元素，所以当激光11烧蚀锈层时紫外传感器14输出的光电响应强度明显小于当激光11烧蚀无锈金属表面时的光电响应强度。以algan光电二极管作为紫外传感器14，实测1064nm波长激光烧蚀铁工件，结果如图3所示，v3信号在有锈和无锈时幅值差异明显，当金属锈层和凸透镜10的距离为凸透镜10焦距f的1倍大小时(即离焦量为零处)，将所测得的v3信号值，称为过烧蚀阈值，以v
th
表示。
38.当v3大于v
th
时，意味着锈层已经被烧蚀掉，开始烧蚀锈层下面的金属，即处于“过烧蚀”工作状态。由实践经验(如图3所示)知，当v3小于0.2倍的v
th
时，意味着光斑光功率密度过低，除锈效率低，即处于“欠烧蚀”工作状态。因此要实现高效率且低损伤的除锈，必须使v3∈(0.2v
th
，v
th
)。
39.滞回比较电路21的输入和输出信号分别是v3和v
out
，滞回比较电路21的功能是：
[0040][0041]
式中，α为取值在0.7-0.9范围内的一个常系数，β为取值在0.3-0.5范围内的一个常系数。滞回比较电路21的滞回曲线如图4所示。滞回曲线表征的是由v3升降状态(即由正负)决定v
out
跃迁取值路径的特性。v
out
的滞回区间上限为αv
th
，下限为βv
th
，因此其中心点电位v
mid
为：
[0042][0043]
之所以令滞回曲线的上限小于v
th
，且下限大于0.2v
th
，是因为实际工程中，从电机驱动器22接收到v
out
信号发生改变，到电动机运动方向实际发生改变(例如正转减速才能开始反转)，必然客观存在一定的延迟响应时间，因此需要留有过冲余量。(v
th-αv
th
)和(βv
th-0.2v
th
)就是为烧蚀反馈控制系统预留的过冲余量。
[0044]
电机驱动器22的功能是：为电动滑台1内部的电机提供驱动电流且根据电机驱动器22的输入信号v
out
指定电动滑台1内部电机的正转/反转方向，当v
out
是正电压时电机正转，使电动滑台1朝向终端方向移动。当v
out
是负电压时电机反转，使电动滑台1朝向始端方向移动。
[0045]
实施例2
[0046]
实施过程中，使v3升高的可能原因是：1)如果当前v
out
值为-vk，则会因为电动滑台1朝向始端移动使光斑变小而引起v3升高；2)如果当前手持器模块3和有锈曲面之间距离变小，则会因光斑变小而引起v3升高；3)如果某处锈层已被烧蚀掉但手持器未及时被移动到紧邻的其他待烧蚀扫描区，则会因直接烧蚀了无锈金属而引起v3急速升高(如图3所示)。
[0047]
实施过程中，使v3降低的可能原因是：1)如果当前v
out
值为+vk，则会因为电动滑台1朝向终端移动使光斑变大而引起v3降低；2)如果当前手持器模块3和有锈曲面之间距离变大，则会因光斑变大而引起v3降低。
[0048]
在实施例1的基础上，本发明低功率小型化自动稳定激光除锈装置的除锈方法，具体包括如下步骤：
[0049]
步骤1，打开激光光源模块5，激光11从手持器模块3发出，且紫外传感器14开始探测，将手持器模块3逐渐靠近待除锈表面，在此过程中烧蚀产生的等离子体辐射从无到有，因此紫外辐射强度v3从零逐渐开始变大，如图5所示，当0≤v3≤αv
th
时，滞回比较电路21的输出电压v
out
值为-vk，因此电动滑台1载着凸透镜10开始朝向始端移动，致使焦点朝向待除锈表面移动，使光斑变小，光斑功率密度变大，v3随之变大，直至v3首次升高至βv
th
；
[0050]
步骤2，移动手持器模块3，使光斑逐行扫描式移动，当v3从βv
th
升高至αv
th
，意味着即将发生过烧蚀，则v
out
值会阶跃变化为+vk，使电动滑台1载着凸透镜10开始朝向终端移动，致使光斑变大，光斑功率密度变小，导致v3随之变小。
[0051]
步骤3，继续移动手持器模块3，使光斑逐行扫描式移动，当v3从αv
th
下降至βv
th
，意味着即将发生欠烧蚀，则v
out
值会阶跃变化为-vk，使电动滑台1载着凸透镜10开始朝向始端
移动，致使光斑变小，光斑功率密度变大，导致v3随之变大；
[0052]
步骤4，重复执行步骤2～步骤3直至除锈完成。
[0053]
综上可知，电动滑台1如此往复，能自动补偿手持器模块3和有锈曲面之间距离随时间的变化，也能对底层金属被烧蚀损伤问题提供快速降低光功率密度的自动响应措施，因此能保持烧蚀光斑功率密度总是介于“欠烧蚀”和“过烧蚀”之间，即实现高效率的低损伤除锈。
[0054]
实施例3
[0055]
激光光源模块5采用型号为mfp-30w的光纤激光器，其激光波长为1064nm，光脉冲宽度为100ns，输出功率30w，重复工作频率60khz。凸透镜10采用焦距f为15cm的凸透镜，表面镀有针对1064nm波长的增透膜。反射镜4为k9玻璃全反镜，表面镀有针对1064nm波长的增反膜。紫外传感器14采用ltk-g3535sgh光电二极管。扩束镜8为5倍扩束石英玻璃镜。待除锈金属板为生锈铁板。电动滑台1为gx28滑台，其行程为10cm。电机驱动器22采用rz7886双向马达驱动器ic。光电信号采集电路20为kdt860id-amp三通道电流加法器。
[0056]
滞回比较电路21采用经典的同相滞回比较电路，电路结构如图6所示，其中，v3信号接电阻r1，r1接运算放大器a的同相输入端，r1接电阻r2，r2接双向稳压管dz(其元件稳幅电压值为
±vk
)，dz接地。正偏置电压源v
cc
接滑线变阻器rh的一个不可调端，rh的另一个不可调端接地，rh的可调端接运算放大器a的反向输入端。运算放大器a的输出端接限流电阻r，r接dz的非接地端，dz的非接地端电压为滞回比较电路21的输出信号v
out
。
[0057]vmid
的值由rh可调端的电位v
rh
、r1和r2共同决定：
[0058][0059]
滞回区间的宽度(αv
th-βv
th
)由vk、r1、r2共同决定：
[0060][0061]
实测铁锈的过烧蚀阈值v
th
＝2v，则设置滞回比较电路21的其滞回区间的上限为(αv
th
)＝1.6v，滞回区间的下限为(βv
th
)＝0.8v，运算放大器a采用lm358运放。
[0062]
手持器模块3出光口朝向待除锈表面，打开激光光源模块5，激光11从手持器模块3发出，将手持器模块3逐渐靠近待除锈表面，则紫外辐射强度v3逐渐从零变大，如图5所示，直至v3升高至αv
th
(意味着即将过烧蚀)，则电动滑台1朝向终端移动，使得v3下降，直至v3降低至βv
th
(意味着即将欠烧蚀)，则电动滑台1朝向始端移动，使得v3上升，电动滑台1载着凸透镜10不停如此往复移动，就保持了烧蚀光斑功率密度总是介于“欠烧蚀”和“过烧蚀”之间，即实现高效率的低损伤除锈。
[0063]
实施效果如图7所示，在有手持器模块3的出光口距铁板的距离有小幅变化(变化幅度小于2.5cm)的情况下，铁锈层能被彻底清除且铁锈层下的铁金属无明显削薄耗损。

技术特征：
1.低功率小型化自动稳定激光除锈装置，其特征在于：包括激光光源模块(5)，激光光源模块(5)发射的激光(11)通过光纤(7)进入手持器模块(3)内部，手持器模块(3)内部设有位移可调的光路传输组件，激光(11)经过所述光路传输组件反射后从手持器模块(3)射出，激光(11)射出的手持器模块(3)端部设有紫外传感器(14)。2.根据权利要求1所述的低功率小型化自动稳定激光除锈装置，其特征在于：所述手持器模块(3)为l形中空筒状结构，光纤(7)从手持器模块(3)的底部入口进入手持器模块(3)内部。3.根据权利要求2所述的低功率小型化自动稳定激光除锈装置，其特征在于：所述光路传输组件包括沿激光(11)入射方向依次设置的扩束镜(8)、反射镜(4)及凸透镜(10)，扩束镜(8)位于手持器模块(3)竖直方向筒体内，反射镜(4)位于手持器模块(3)的l形拐角位置处，凸透镜(10)安装在位于手持器模块(3)的水平方向筒体内的电动滑台(1)上。4.根据权利要求3所述的低功率小型化自动稳定激光除锈装置，其特征在于：所述反射镜(4)与水平方向呈45
°
设置，凸透镜(10)的中心与反射镜(4)的中心处于同一水平线上。5.根据权利要求3所述的低功率小型化自动稳定激光除锈装置，其特征在于：所述紫外传感器(14)的数量为三个，三个紫外传感器(14)两两之间呈120
°
分布在手持器模块(3)的出光口端部。6.根据权利要求5所述的低功率小型化自动稳定激光除锈装置，其特征在于：三个所述紫外传感器(14)均与光电信号采集电路(20)电连接，光电信号采集电路(20)的输出端与滞回比较电路(21)的输入端电连接，滞回比较电路(21)的输出端与电机驱动器(22)的输入端电连接，电机驱动器(22)的输出端与电动滑台(1)的输入端电连接。7.根据权利要求1～6任一权利要求所述的低功率小型化自动稳定激光除锈装置的除锈方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1，打开激光光源模块(5)，激光(11)经光纤(7)入射至扩束镜(8)，再依次经过反射镜(4)和凸透镜(10)从手持器模块(3)发出，此时，紫外传感器(14)开始探测，将手持器模块(3)逐渐靠近待除锈表面，在此过程中烧蚀产生的等离子体辐射从无到有，因此紫外辐射强度v3从零逐渐开始变大，当0≤v3≤αv
th
时，滞回比较电路(21)的输出电压v
out
值为-vk，因此电动滑台(1)载着凸透镜(10)开始朝向始端移动，致使焦点朝向待除锈表面移动，使光斑变小，光斑功率密度变大，v3随之变大，直至v3首次升高至βv
th
；步骤2，移动手持器模块(3)，使光斑逐行扫描式移动，当v3从βv
th
升高至αv
th
，意味着即将发生过烧蚀，则v
out
值会阶跃变化为+v
k
，使电动滑台(1)载着凸透镜(10)开始朝向终端移动，致使光斑变大，光斑功率密度变小，导致v3随之变小；步骤3，继续移动手持器模块(3)，使光斑逐行扫描式移动，当v3从αv
th
下降至βv
th
，意味着即将发生欠烧蚀，则v
out
值会阶跃变化为-v
k
，使电动滑台(1)载着凸透镜(10)开始朝向始端移动，致使光斑变小，光斑功率密度变大，导致v3随之变大；步骤4，重复执行步骤2～步骤3直至除锈完成。

技术总结
本发明公开了一种低功率小型化自动稳定激光除锈装置，包括激光光源模块，激光光源模块发射的激光通过光纤进入手持器模块内部，手持器模块内部设有位移可调的光路传输组件，激光经过所述光路传输组件反射后从手持器模块射出，激光射出的手持器模块端部设有紫外传感器。本发明还公开了上述除锈装置的除锈方法，本发明解决了现有除锈方式过度依赖人工操作，导致的劳动强度大及判断准确度低下的问题。导致的劳动强度大及判断准确度低下的问题。导致的劳动强度大及判断准确度低下的问题。


技术研发人员：王雨 王晟鑫 沙琦亮 宋超 侯楚轲 王灵韵 王馨梅 季瑞瑞
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/8/14