一种用于多尺寸内径管道内壁清洗的装置
阅读说明：本技术 一种用于多尺寸内径管道内壁清洗的装置 (Be used for abluent device of many sizes internal diameter pipeline inner wall ) 是由 杨焕 曹宇 郑秀宏 何承志 王萌 李春波 杨灿 伍叶全 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于多尺寸内径管道内壁清洗的装置,包括运动控制单元和激光传输扫描单元；所述运动控制单元包括可移动主机平台、垂直固定支杆、水平支杆、第一伺服电机和第一滚珠丝杆；所述激光传输扫描单元包括光纤激光器、传输光纤、激光头、支架、凹透镜、凸透镜、第二伺服电机、第二滚珠丝杆、丝杠滑块、镜架、反射镜、反射镜架、扫描振镜、锥反镜、石英罩、支板和可调节旋钮。本发明采用新颖的基于前聚焦振镜系统的管道内表面激光清洗新技术,结合锥反镜将激光焦平面转换成为沿管道内侧的环形面,巧妙地将三维曲面加工分解成二维扫描,将整个加工过程进行简化,解决了传统激光清洗技术难以应用于管道内表面清洗的瓶颈难题。(The invention provides a device for cleaning the inner wall of a pipeline with multiple inner diameters, which comprises a motion control unit and a laser transmission scanning unit, wherein the motion control unit is connected with the laser transmission scanning unit; the motion control unit comprises a movable host platform, a vertical fixed supporting rod, a horizontal supporting rod, a first servo motor and a first ball screw; the laser transmission scanning unit comprises a fiber laser, a transmission fiber, a laser head, a support, a concave lens, a convex lens, a second servo motor, a second ball screw, a screw rod sliding block, a mirror bracket, a reflecting mirror bracket, a scanning vibrating mirror, a cone reflecting mirror, a quartz cover, a support plate and an adjustable knob. The invention adopts a novel pipeline inner surface laser cleaning technology based on a front focusing galvanometer system, combines a cone reflecting mirror to convert a laser focal plane into an annular surface along the inner side of the pipeline, ingeniously processes and decomposes a three-dimensional curved surface into two-dimensional scanning, simplifies the whole processing process, and solves the bottleneck problem that the traditional laser cleaning technology is difficult to be applied to pipeline inner surface cleaning.)
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及用于管道内壁涂层、污垢、氧化层和其他有害物质去除的一种用于多尺寸内径管道内壁清洗的装置。
背景技术
管道内表面清洗技术广泛应用于当今生活或工业生产设备维护等领域。例如城市供水、供暖设备管道内表面的清洗，还有现代工业输油管道、化工反应管道的清洗，甚至炮管内膛粘结残留物的清洗、核反应循环管道的放射物清洗等等。激光技术由于其清洗质量高、无耗材、效率高且不产生污染废水等优点，已逐步取代干冰喷射清洗、气体爆破清洗、高压水射流清洗、化学酸洗等传统的管道内壁的清洗技术。
激光清洗工程应用案例的共同特征是都是被清洗对象具有易于施展激光填充扫描的开放表面，而对于管道内表面来说，受限于其管径尺寸以及非开放式回转内壁外形，一般的激光清洗加工头由于复杂的光束扫描运动机构尺寸较大而难以伸入到管道内部。已有的管道内壁激光清洗技术，一般采用自由曲面投影式激光拼接加工方案或者是管道旋转配合振镜扫描的加工方案，前者方案需要采集管道内壁的点云数据，大面积的管道内壁还需要采取拼接清洗加工，比较耗费时间而且对拼接精度要求较高，增大了加工成本；而后者方案而言，完全依赖于伺服电机驱动管道旋转来实现管内壁清洗，由于受到管道旋转速度的限制，该方案加工效率较低，达不到高效清洗内壁的目的。而且有些管道不便于拆卸，方案受到一定的应用对象限制。
发明内容
本发明针对已有激光清洗技术的不足，提供了一种用于多尺寸内径管道内壁清洗的装置；其采用新颖的基于前聚焦振镜系统的管道内表面激光清洗新技术，结合锥反镜将激光焦平面转换成为沿管道内侧的环形面，巧妙地将三维曲面加工分解成二维扫描，解决了如何对复杂曲面进行分解加工的难题，通过外部平台驱动激光扫描头纵向运动，可实现沿管道纵深处的逐层环形扫描，该技术完全摒弃了传统三维加工的思路，将整个加工过程进行简化，整个加工过程中无须加工头或管道自旋，解决了传统激光清洗技术难以应用于管道内表面清洗的瓶颈难题。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种用于多尺寸内径管道内壁清洗的装置，包括运动控制单元和激光传输扫描单元；
所述运动控制单元包括可移动主机平台、垂直固定支杆、水平支杆、第一伺服电机和第一滚珠丝杆；
所述垂直固定支杆固定在可移动主机平台上，水平支杆位于激光清洗管道的中轴线处，第一伺服电机固定在水平支杆上，并通过联轴器与第一滚珠丝杆的一端连接，第一滚珠丝杆通过丝杆滑块与垂直固定支杆连接，通过第一伺服电机驱动第一滚珠丝杆能够使水平支杆水平运动；
所述激光传输扫描单元包括光纤激光器、传输光纤、激光头、支架、凹透镜、凸透镜、第二伺服电机、第二滚珠丝杆、丝杠滑块、镜架、反射镜、反射镜架、扫描振镜、锥反镜、石英罩、支板和可调节旋钮；
所述光纤激光器安装固定在可移动主机平台上，通过传输光纤将激光束导入激光头，传输光纤固定在水平支杆上，激光头通过支架固定在水平支杆上，激光束经激光头出射后通过凹透镜扩束后再经过凸透镜进行聚焦；凹透镜通过丝杆滑块安装在滚珠丝杠上，凸透镜通过镜架固定在水平支杆上，通过固定在水平支杆上的第二伺服电机驱动第二滚珠丝杆转动可控制凹透镜和凸透镜之间的距离，从而控制激光束经过凸透镜后的聚焦角度，以便控制激光束最终的光斑尺寸和聚焦位置；
所示扫描振镜安装在水平支杆的一端，且扫描振镜的零点光轴与电动水平支杆的中心轴重合；
所述反射镜通过反射镜支架安装固定在扫描振镜上，沿管道轴向传播的激光束经反射镜反射进入扫描振镜，通过扫描振镜实现对激光束聚焦光斑的运动控制；
所述锥反镜为圆锥状，且圆锥面镀有反射薄膜，所述反射薄膜要求对激光束的反射率高于99.5％；扫描振镜出射的聚焦光束经锥反镜沿管道的径向反射后，实现光束在管道内壁处的聚焦；
所述石英罩为单边开口另外一边封闭的石英管，且侧壁对激光束的透过率要求高于99％，石英罩右侧封闭端用于固定锥反镜，石英罩左侧开口端连接两个可调节旋钮，其中一个可调节轩钮直接固定在扫描振镜上，另外一个可调节轩钮通过支板固定在扫描振镜上，通过可调节旋钮可以控制锥反镜与扫描振镜之间的距离，从而实现不同内径尺寸管道的清洗。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过锥反镜将激光焦平面转换成为沿管道内侧的环形面，在振镜进行环形扫描的同时结合伺服电机驱动滚珠丝杆使振镜沿管道轴向运动，巧妙得将复杂的三维曲面分解成二维图形进行加工，解决了如何对复杂曲面进行分解加工的难题，与已有的曲面激光加工系统相比，本发明无需复杂的多轴三维控制或平面投影，数据分割简单，系统控制也极为简便；
2、常规激光清洗系统中因聚焦系统光学像差导致焦平面为弧面，扫描清洗过程中光斑尺寸的变化会导致不同区域清洗厚度的不同，本发明专利利用锥反镜将聚焦面转换为环形弧面，当振镜进行环形扫描清洗时，光斑尺寸始终保持不变，可明显提高清洗质量和精度；
3、本发明有两种方式实现不同内径管道内壁的清洗，系统适应性强，一种是通过锥反镜位置的移动，在这种模式下，激光聚焦光斑的尺寸不会发生变化，另外一种是采用振镜的三维模块，通过改变前聚焦系统中通过凸透镜后激光的聚焦角度来改变激光的聚焦位置，这种模式下激光聚焦光斑的尺寸也会发生改变；
4、本发明通过振镜三维模块的运动，可实现聚焦位置沿轴向的实时控制，将振镜扫描图案由圆形转换成椭圆形、方形或任意形状的非规则图形可以实现椭圆形管道、方形管道或任意非规则管道的内壁清洗，系统兼容性强；
5、本发明通过将环形扫描更改为部分弧形扫描，通过改变圆弧的长度，可以实现管道内壁任意位置局部区域的清洗，从而克服污染物分布不均匀导致的清洗困难，具有极好的适应性；
5、本发明满足了对各种管道内壁进行清洗的技术需要，具有精度高、清洗效率高、加工质量好，设备原理简单清楚，适用性好，操作简单。
附图说明
图1为本发明所述用于多尺寸内径管道内壁清洗的装置的结构示意图；
图2为本发明所述用于多尺寸内径管道内壁清洗的装置的清洗策略示意图；
图3为管道内径改变后的清洗策略一；
图4为管道内径改变后的清洗策略二。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计；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、2所示，本发明提供了一种用于多尺寸内径管道内壁清洗的装置，包括运动控制单元和激光传输扫描单元。
所述运动控制单元包括可移动主机平台1、垂直固定支杆2、水平支杆3、第一伺服电机4和第一滚珠丝杆5。
所述可移动主机平台1用于承载整个激光清洗系统，且平台底部装有带有锁止功能的橡胶轮，从而简单实现整个系统的移动和固定。
所述垂直固定支杆2固定在可移动主机平台1上，水平支杆3位于激光清洗管道20的中轴线处，第一伺服电机4固定在水平支杆3上，并通过联轴器与第一滚珠丝杆5的一端连接，第一滚珠丝杆5通过丝杆滑块与垂直固定支杆2连接，通过第一伺服电机4驱动第一滚珠丝杆5可使水平支杆3水平运动。
所述激光传输扫描单元包括光纤激光器6、传输光纤7、激光头8、支架9、凹透镜10、凸透镜14、第二伺服电机11、第二滚珠丝杆12、丝杠滑块13、镜架15、反射镜17、反射镜架18、扫描振镜19、锥反镜21、石英罩22、支板23和可调节旋钮24。
所述光纤激光器6安装固定在可移动主机平台1上，通过传输光纤7将激光束16导入激光头8，传输光纤7固定在水平支杆3上，激光头8通过支架9固定在水平支杆3上，激光束16经激光头8出射后通过凹透镜10扩束后再经过凸透镜14进行聚焦，凹透镜10通过丝杆滑块13安装在滚珠丝杠12上，凸透镜14通过镜架15固定在水平支杆3上，通过固定在水平支杆3上的第二伺服电机11驱动第二滚珠丝杆12转动可控制凹透镜10和凸透镜14之间的距离，从而控制激光束16经过凸透镜14后的聚焦角度，以便控制激光束16最终的光斑尺寸和聚焦位置。
所示扫描振镜19安装在水平支杆3的一端，且扫描振镜19的零点光轴与电动水平支杆3的中心轴重合。
所述反射镜17通过反射镜支架18安装固定在扫描振镜19上，沿管道20轴向传播的激光束16经反射镜17反射进入扫描振镜19，通过扫描振镜19实现对激光束16聚焦光斑的运动控制。
所述锥反镜21为圆锥状，且圆锥面镀有对激光束16具有极高反射率(反射率要求高于99.5％)的反射薄膜，扫描振镜19出射的聚焦光束经锥反镜21沿管道20的径向反射后，实现光束在管道20内壁处的聚焦。
所述石英罩22为单边开口另外一边封闭的石英管，且侧壁对激光束16具有极高的透过率(透过率要求高于99％)，石英罩22右侧封闭端用于固定锥反镜21，石英罩22左侧开口端连接两个可调节旋钮24，其中一个可调节轩钮24直接固定在扫描振镜19上，另外一个可调节轩钮24通过支板23固定在扫描振镜19上，通过可调节旋钮24可以控制锥反镜21与扫描振镜19之间的距离，从而实现不同内径尺寸管道的清洗，当二者距离较远时，对应管道20的内径较小，当管道20的内径增加时，可减小锥反镜21与扫描振镜19之间的距离。
利用上述装置对管道内壁污垢进行清洗的具体步骤如下：
(1)将管道20水平放置并进行固定，使水平支杆3位于管道20的中心轴处；
(2)依据管道20的内径数据调节可调节轩钮24，控制锥反镜21与扫描振镜19之间的距离，从而使激光束16的光斑聚焦于管道20的内壁，如图3所示；或根据管道20的内径数据控制第二伺服电机11调节凹透镜10和凸透镜14之间的距离，从而控制激光束16经过凸透镜14后的聚焦角度，使激光束16的光斑聚焦于管道20的内壁，如图4所示。
(3)通过程序控制第一伺服电机4驱动水平支杆3运动使激光束16的焦平面位于污垢25的起点处，出射激光束16并开启扫描振镜19，控制激光束16的聚焦光斑作环形运动，实现聚焦光斑在管道20内壁的扫描，实现污垢25的去除。若管道20为方形管道或椭圆形管道时，清洗过程中，在激光束16进行单个环形扫描周期内，可控制第二伺服电机11运动驱动凹透镜10前后运动从而实现激光束16经凸透镜14后聚焦角度的控制，进而实现聚焦光斑沿管道20径向位置的实时控制，使激光束16的聚焦轨迹由圆环转变为方形或圆弧形，实现对方形或椭圆形管道内壁的清洗。
(4)更换清洗管道后，当管道20内径发生变化时，重复以上(2)到(3)步骤，可实现管道内壁的高质量清洗。
本发明可改变为多种方式，这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。
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