基于气动振动器的耐辐射激光清洗照射具及其清洗方法、激光清洗机

摘要

本发明公开了一种基于气动振动器的耐辐射激光清洗照射具及其清洗方法、激光清洗机，耐辐射激光清洗照射具包括气动振镜组件、准直器组件、平面场镜组件以及密封激光光路的壳体组件，其中：气动振镜组件包括气动振动器、转动装配于气动振动器的振动轴上的转动件，端部与转动件滑动连接的摇杆以及固定于摇杆摆动轴上随其摆动的振镜，其中振动轴在由进气管通入的压缩空气驱动伸缩，气动振动器的尾气通过尾气排放管排出，振镜的反射面分别与准直器组件的准直镜和平面场镜组件的平面场镜相对准以反射激光光束。本发明振镜摆动稳定，适用于高剂量辐射环境、强磁、强电磁干扰等特殊环境。

说明书

技术领域

本发明涉及激光微加工技术领域，特别是涉及一种基于气动振动器的耐辐射激光清洗照射具及其清洗方法。

背景技术

激光清洗是近年来新兴的一种清洗方式，具有无需清洗介质、不产生增量的二次污染的特点，非常适合在核工业领域应用，在放射性沾污构件、核设施退役等过程中，能够直接将表面沾污核素剥离并通过吸尘设备收集，有效防止核污染扩散，并减少二次污染降低后期处置成本。

激光清洗机采用脉冲激光器产生脉冲激光，由光纤传导至激光清洗执行装置，一般称为激光照射具、激光清洗头或者称为激光扫描枪，激光清洗头将清洗激光束扫描成线。现有技术的激光清洗照射具采用电驱动的振镜系统作为核心部件，振镜包含驱动线圈和反馈电路，线圈一般采用漆包线，当激光照射具长期处于辐射环境或γ射线剂量较大的场所使用时，漆包线的漆层可能脆化脱落导致线圈短路，反馈电路中含有大量芯片，同样无法抵抗γ射线的破坏，因此一般工业的激光照射具不具备耐辐射特性。除此之外强磁、强电磁干扰等特殊环境也会对现有技术的激光清洗照射具产生不利影响，导致激光清洗设备无法使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的电驱动的振镜系统不适用高辐射环境的问题，而提供一种基于气动振动器的耐辐射激光清洗照射具。利用气动振动器和滑动摇杆机构的气动振镜系统，使激光照射具没有任何电子元器件，适用于强磁、强电磁干扰的环境。

本发明的另一个目的是提供所述耐辐射激光清洗照射具的清洗方法，环保高效。

本发明的另一个目的是提供基于所述气动激光清洗执行器的清洗机，激光清洗主机远离辐射环境。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种基于气动振动器的耐辐射激光清洗照射具，包括气动振镜组件、准直器组件、平面场镜组件以及密封激光光路的壳体组件，其中：

所述气动振镜组件包括气动振动器、转动装配于所述气动振动器的振动轴上的转动件，端部与所述转动件滑动连接的摇杆以及固定于所述摇杆摆动轴上随其摆动的振镜，其中所述振动轴在由进气管通入的压缩空气驱动伸缩，所述气动振动器的尾气通过尾气排放管排出，所述振镜的反射面分别与所述准直器组件的准直镜和平面场镜组件的平面场镜相对准以反射激光光束。

在上述技术方案中，所述摇杆设有一个或多个，每一摇杆的中心均位于所述摆动轴上，所述摇杆设有多个时，多个摇杆端部中心对称组成呈一体结构的星型零件，每一摇杆的两端分别由一个气动振动器驱动，驱动同一摇杆的多个气动振动器的振动轴异步伸缩。

在上述技术方案中，所述转动件为滑轮，每一振动轴上均连接一滑轮，所述摇杆的端部形成有可卡住所述滑轮的滑动槽，驱动同一摇杆的多个气动振动器、振动轴及其连接的滑轮均以摆动轴为轴镜像布置，每一气动振动器及其连接的滑轮均与所述摇杆垂直布置。

在上述技术方案中，所述滑动槽呈腰型孔结构，所述滑轮在滑动槽内滚动。

在上述技术方案中，多个所述气动振动器由同一气路供气且由同一气路排气。

在上述技术方案中，所述振镜包括振镜镜片和固定于所述振镜镜片底部的振镜座，所述振镜镜片和所述振镜座的对称轴均位于摇杆的摆动轴上，所述摇杆中心底部通过摇杆轴承转动连接于壳体组件上，所述振镜座固定于所述摇杆中心的顶部。

在上述技术方案中，所述壳体组件包括振动器底座，以及固定于所述振动器底座上的外壳，所述振动器底座上形成有用于装配所述气动振动器的装配槽，所述气动振动器的本体通过振动器压块压紧安装在振动器底座的装配槽内，所述摇杆的中心通过摇杆轴承转动连接在所述振动器底座上，所述外壳内形成容纳所述振镜和所述气动振动器的空间，所述外壳相邻的两侧壁上分别形成有用于准直器安装孔和平面场镜安装孔以供激光光路穿过。

在上述技术方案中，所述外壳的底部通过密封O型圈密封装配于所述振动器底座上。

在上述技术方案中，所述准直器组件包括准直器壳体、安装在准直器壳体一端内的准直镜，安装在准直器壳体另一端上的光纤。

在上述技术方案中，所述准直器壳体的底部固定有开口对准散热鳍片的散热口，所述散热口的进气口通过散热口快插连接气源。

在上述技术方案中，所述散热口快插与所述尾气排放管相连通。

在上述技术方案中，所述准直器壳体的开口端密封装配在所述壳体组件的准直器安装孔上。

在上述技术方案中，所述散热口的一端固定有法兰座，所述法兰座装配于所述壳体组件上。

在上述技术方案中，所述平面场镜组件包括平面场镜壳体，装配于所述平面场镜壳体内部的平面场镜镜组，以及转配与所述平面场镜壳体前端用于保护平面场镜镜组的保护镜，所述平面场镜壳体的前部形成条形开口，有供激光从保护镜穿出。

在上述技术方案中，所述平面场镜壳体的端部密封装配于所述壳体组件的平面场镜安装孔上，以将振镜反射后的激光束通入平面场镜壳体内。

在上述技术方案中，所述平面场镜壳体包括后部壳体和装配于后部壳体前端的吹扫板，所述吹扫板上形成所述开口，所述吹扫板上形成有用于吹扫保护镜的吹扫通道，所述吹扫板上连接有与所述吹扫通道相连通的吹扫气管。

在上述技术方案中，所述吹扫通道包括形成在所述吹扫板上的匀气槽、形成在所述条形开口底部边缘的吹扫凹台和形成在所述吹扫凹台与所述保护镜之间的吹扫狭缝，其中所述匀气槽与所述吹扫凹台和所述吹扫气管相连通。

在上述技术方案中，所述吹扫板的底部固定有两个及以上的与所述匀气槽相连通的吹扫快插，每一吹扫快插通过分支气管与吹扫分气快插相连通，所述吹扫分气快插上连接所述吹扫气管。

在上述技术方案中，所述吹扫气管与所述气动旋转马达的尾气排放管相连通。

本发明的另一方面，所述耐辐射激光清洗照射具的清洗方法，包括以下步骤：

激光由光纤入射到准直器，由准直器准直后，激光束照射至振镜的反射面上，反射面将激光束进行反射平面场镜，平面场镜将激光束聚焦到清洗平面上进行清洗作业，气动振动器驱动振镜高速振动，聚焦点的轨迹形成直线状清洗线。

本发明的另一方面，一种激光清洗机，包括脉冲激光器和所述的耐辐射激光清洗照射具，所述脉冲激光器通过光纤与所述准直器组件相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于气动振动器的耐辐射激光清洗照射具，能够有效解决一般工业激光照射具无法耐受辐射的问题，通过与现有技术完全不同的气动方案，达到激光照射具无任何电子器件的目的，通过特殊结构设计保证振镜稳定运行。

2.连接激光准直器的光纤和连接气动振动器的进气管具有较远的传输距离，能够将本发明的激光清洗照射具放入强辐射环境使用，而激光清洗主机则设置在远离辐射的安全区域。

3.气动振镜组件排出的尾气被重复利用，一部分用于准直器组件的散热，一部分用于平面场镜的吹扫，实现降温和吹尘，具有节约能源，节约设备空间的优点，同时提高了激光照射具在高温和粉尘环境中使用的适应性，具有一定的实际意义。

4.滑动摇杆结构带动振镜围绕摇杆中心摆动，振镜摆动的两个行程速度一致，尤其是多个气动振动器和曲柄摇杆机构中心对称布置时，多个振动器由于受力平衡达到异步共振效果，能够抵消单振动器壳体由于惯性产生的振动，保证振镜振动更加平稳。

5.振动器和运动机构零件均采用耐辐射的金属材质，润滑脂采用耐辐射特性的材料，采用镜像的多振动器设计，达到振镜高速稳定扫描，并减小振动的特性，提高激光照射具耐辐射能力和稳定性。

附图说明

图1所示为耐辐射激光清洗照射的结构示意图。

图2是图1去除壳体的内部结构图

图3是气动振镜组件的主视图。

图4是气动振镜组件的仰视图。

图5壳体组件的结构示意图。

图6准直器组件的结构示意图。

图7平面场镜组件的结构示意图。

1 气动振镜组件 101 气动振动器A 102 振动轴A

103 滑轮A 104 滑动槽A 105 振镜镜片

106 振镜座 107 摇杆 108 滑轮B

109 滑动槽B 110 气动振动器B 111 振动轴B

112 振动器进气快插 113 振动器排气快插 114 摇杆轴承

2 壳体组件 201 振动器底座 202 外壳

203 密封O型圈 204 准直器安装孔 205 平面场镜安装孔

206 振动器压块 3 准直器组件 301 准直器壳体

302 准直镜 303 散热鳍片 304 光纤

305 散热口 306 散热口快插 307 散热气管

4 平面场镜组件 401 平面场镜壳体 402 平面场镜镜组

403 平面场镜保护镜 404 吹扫板 405 吹扫板匀气槽

406 吹扫凹台 407 吹扫狭缝 408 吹扫快插

409 分支气管 410 吹扫分气快插 411 吹扫气管

5 进气分气快插 6 排气分气快插 7 进气管

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种基于气动振动器的耐辐射激光清洗照射具，包括气动振镜组件1、准直器组件3、平面场镜组件4以及密封激光光路的壳体组件2，其中：

所述气动振镜组件1包括气动振动器、转动装配于所述气动振动器的振动轴上的转动件，端部与所述转动件滑动连接的摇杆107以及固定于所述摇杆107摆动轴上的振镜，其中所述振动轴在由进气管7通入的压缩空气驱动伸缩，所述气动振动器的尾气通过尾气排放管排出，所述振镜的反射面分别与所述准直器组件3的准直镜和平面场镜组件4的平面场镜相对准以反射激光光束。

在放射性去污作业时，激光清洗一般情况下只需要快速振动，通过气动振动器与滑动摇杆机构实现振镜摆动动作，气动振动器振动频率能够达到数千次每分钟，同时能够输出较大的扭矩，如Findeva品牌的气动振动器，驱动气动振动器的压缩空气无需采用脉冲式供气，当供气压力升高时气动振动器的振幅与频率同时增加，反之则下降，因此可以替代传统电驱动振镜，属于一种振幅与频率同步调整的振镜组件。

工作过程：

脉冲激光器产生激光，激光通过光纤传输至激光准直器，准直后的激光束照射到振镜反光面，激光准直器与振镜镜片入射夹角等于平面场镜与振镜镜片出射夹角，反射后的激光束由平面场镜聚焦到清洗平面上，振镜高速振动时，聚焦点的轨迹形成直线状清洗线。

激光清洗作业时，激光束由平面场镜聚焦为直径很小的焦斑，焦斑处具有非常高的激光能量密度，能够使被清洗表面的污染物瞬间气化，形成等离子体冲击波，崩落周围的污染物。

为了保证转动件转动的顺滑性，所述转动件为滑轮，所述摇杆107的端部形成有可卡住所述滑轮的滑动槽，所述滑轮与摇杆107垂直布置。(具体结构是一个转动滑轮嵌入在一个腰型孔的滑动槽内，其运动形式是滑轮在滑动槽内滚动，)

气动振动器进气孔进入压缩空气，驱动气动振动器的振动轴伸缩运动，带动安装在振动轴上的滑轮往复运动，通过滑轮在滑动槽中的滑动，将往复运动变为摇杆的摆动。更进一步的，所述滑动槽呈腰型孔，滑轮可在腰型孔内顺畅转动。

为了保证摇杆107稳定摆动，所述摇杆107设有一个或多个，每一摇杆的中心均位于所述摆动轴上，所述摇杆设有多个时，多个摇杆端部中心对称组成呈一体结构的星型零件。每一摇杆107的两端分别由一个气动振动器驱动，该多个气动振动器的振动轴异步伸缩，且每一振动轴上均连接一滑轮，每个气动振动器、振动轴及其连接的滑轮均以摆动轴为轴镜像布置，每一气动振动器及其连接的滑轮与所述摇杆107相垂直。

当驱动力足够时，可采用两个气动振动器驱动，当驱动力不足时可设置更多的气动振动器(马达)进行驱动。

多个振动器由于受力平衡达到异步共振效果，能够抵消单振动器壳体由于惯性产生的振动，保证振镜振动更加平稳。摇杆设置有多个时，多个摇杆融为一体，摆动中心一致，多个摇杆端部中心对称且融为一体的星型零件，对称方向的气动振动器异步共振，以抵消惯性造成系统的振动。

进一步的，所述气动振动器设有两个，所述摇杆设有一个，每一气动振动器的端部转动连接一滑轮，所述摇杆107的两端均形成一所述滑动槽，两个所述滑动槽分别卡住一所述滑轮，所述摇杆107底部中心通过摇杆轴承114转动连接在所述壳体组件2上，所述振镜固定于所述摇杆107顶部中心。具体的，气动振镜组件包括气动振动器A101，气动振动器A中伸缩振动的振动轴A102，安装在振动轴A上的滑轮A103，卡住滑轮A呈腰型孔的滑动槽A104，连接多个滑动槽摆动运动的摇杆107，摇杆为一体式对称结构，其另一端连接有滑动槽B109，滑动槽B卡住滑轮B108，摇杆中心为摆动回转中心，其上部安装有振镜座106，振镜座上安装有振镜镜片105，一体式摇杆下部有支撑摇杆转动的摇杆轴承114，滑轮B的安装在振动轴B111上，振动轴B在气动振动器B110中伸缩振动，

为了保证振镜的稳定性和拆装便利性，所述振镜包括振镜镜片105和固定于所述振镜镜片105底部的振镜座106，所述振镜镜片和所述振镜座的对称轴均位于摇杆的摆动轴上，所述摇杆中心底部通过摇杆轴承114转动连接于壳体组件上，所述振镜座106固定于所述摇杆中心的顶部。

为了多个气动振动器驱动力一致，多个所述气动振动器由同一气路供气且由同一气路排气。具体的，每一气动振动器上连接一进气支管，所有进气支管连接于一内部联通的进气分气快插，保证多个气动振动器进气压力一致，每一气动振动器上连接一出气支管，所有出气支管连接于一内部联通的排气分气快插上，保证多个气动振动器排气阻力一致。具体的，在两个气动振动器底部均设置有振动器进气快插112和振动器排气快插113，多个振动器进气快插通过进气支管连接至进气分气快插5，多个振动器排气快插通过出气支管连接至排气分气快插6，所述进气分气快插连接有进气管7，所述排气分气快插连接有尾气排放管。

所述振镜镜片105可采用八边形平面镜。八边形平面镜加工方便、重量较小，除此之外还可采用椭圆形等。

实施例2

为了保证激光光路的密封性，所述壳体组件包括振动器底座201，以及固定于所述振动器底座201上的外壳202，所述振动器底座201上形成有用于装配所述气动振动器的装配槽，所述气动振动器的本体通过振动器压块206压紧安装在振动器底座的装配槽内，所述一体式摇杆104的中心通过摇杆轴承110转动连接在所述振动器底座201上，所述外壳202内形成容纳所述振镜和所述气动振动器的空间，所述外壳202相邻的两侧壁上分别形成有用于准直器安装孔204和平面场镜安装孔205以供激光光路穿过。

经由准直器组件3准直后的激光通过准直器安装孔204进入到外壳202内，再由振镜镜片105反射，通过平面场镜安装孔205穿出外壳202，最后由平面场镜组件4聚焦。

作为优选方式，所述外壳202的底部通过密封O型圈203密封装配于所述振动器底座201上，保证壳体的密封性。

实施例3

为了保证良好的准直效果，所述准直器组件3包括准直器壳体301、安装在准直器壳体一端内的准直镜302，安装在准直器壳体301另一端上的光纤304。

准直器壳体301为一一端封口另一端一端开口的筒状结构，所述准直镜302装配在开口一端，所述封口一端形成有安装光纤304的小孔，且光纤304端部位于所述筒状结构内。

激光在准直器中有微量的散射被准直器吸收，长时间使用时会导致准直器发热，因此为了加快准直器的散热速度，所述准直器壳体301的外表面上均布有散热鳍片303。散热鳍片303呈环形，并沿所述准直器壳体301的轴向排布。

为了更进一步提高准直器组件3的散热效果，所述准直器壳体301的底部固定有开口对准散热鳍片的散热口305，所述散热口305的进气口通过散热口快插306连接气源。气流通过散热口快插306进入到散热口305内，并向所述准直器壳体301吹扫，促进散热。所述散热口305为喇叭状，开口为大口径端，进气口为小口径端。

为了节约设备空间及能源，所述散热口快插306通过散热气管307与排气分气快插连接相连接，将气动旋转马达的尾气由排气分气快插引只散热鳍片，通过吹气口向散热鳍片吹气，帮助准直器散热。避免再次引入气路装置，充分利用能源，且节约了本清洗照射具的空间。

为了与壳体组件密封装配，所述准直器壳体301的开口端密封装配在所述壳体组件的准直器安装孔204上。所述散热口305的一端固定有法兰座，所述法兰座装配于所述壳体组件上。

实施例4

为了保证聚焦效果，所述平面场镜组件包括平面场镜壳体401，装配于所述平面场镜壳体401内部的平面场镜镜组402，以及转配与所述平面场镜壳体401前端用于保护平面场镜镜组的保护镜403，所述平面场镜壳体401的前部形成条形开口，有供激光从保护镜403穿出。

激光束经过平面场镜镜组402的聚焦后，从条形开口穿出，条形的开口保证聚焦点的轨迹形成直线状清洗线可从开口穿出，开口处的保护镜403为裸露状态。清洗后产生的尾气含有破碎的污染物粉尘，难以避免少量粉尘扩散和吸附到平面场镜表面，保护镜403可保护平面场镜镜组402防止其受到损坏。

为了与壳体组件密封装配，所述平面场镜壳体401的端部密封装配于所述壳体组件的平面场镜安装孔205上，以将振镜反射后的激光束通入平面场镜壳体401内。

清洗后产生的尾气含有破碎的污染物粉尘，通过除尘装置收集。但是难以避免少量粉尘扩散和吸附到平面场镜表面，对清洗效果产生影响，为了防止平场镜沾染粉尘，对清洗效果产生影响，甚至损坏平面场镜，所述平面场镜壳体401包括后部壳体和装配于后部壳体前端的吹扫板404，所述吹扫板404上形成所述开口，所述吹扫板404上形成有用于吹扫保护镜403的吹扫通道，所述吹扫板404上连接有与所述吹扫通道相连通的吹扫气管。

所述平面场镜镜组402装配于所述后部壳体内，所述保护镜403装配于后部壳体前端，吹扫气管通入吹扫气体，气体经由吹扫通道吹向所述保护镜403，防止粉尘沾染在保护镜403的裸露部分。

为了保证气体均匀的从吹扫通道吹出，所述吹扫通道包括形成在所述吹扫板404上的匀气槽405、形成在所述条形开口底部边缘的吹扫凹台406和形成在所述吹扫凹台406与所述保护镜403之间的吹扫狭缝407，其中所述匀气槽405与所述吹扫气管相连通。

所述匀气槽405联通吹扫凹台406，吹扫凹台与平面场镜保护镜紧贴形成供气体流出的通道，吹扫狭缝中流出的气体流过吹扫板环形开口处的平面场镜保护镜裸露部分，防止裸露部分沾染粉尘，可有效减少灰尘吸附。

为了进一步保证吹扫气体的均匀度，所述吹扫板404的底部固定有两个及以上的与所述匀气槽405相连通的吹扫快插408，每一吹扫快插408通过分支气管409与吹扫分气快插410相连通，所述吹扫分气快插410上连接所述吹扫气管411。

吹扫气体通过所述吹扫气管411进入每一分支气管409内，然后通过多个吹扫快插408向所述匀气槽405内输入吹扫气体，多个输入点，使得吹扫气体更加均匀。

为了节约设备空间和能源，所述吹扫气管411与所述气动旋转马达的排气分气快插相连通，利用气动旋转马达排出的气体进行吹扫，避免再次引入气路装置，充分利用能源，且节约了本清洗照射具的空间。

为了有效耐受辐射的影响，本发明除镜片和气管外的其他零件均采用金属材料，气动振动器内部润滑和滑动摇杆的各轴承均采用二硫化钼润滑。

实施例5

一种激光清洗机，包括脉冲激光器和实施例1-4中任一项所述的耐辐射激光清洗照射具，所述光纤的一端与所述脉冲激光器相连接，另一端与所述准直器组件相连接。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。