一种转速角度可控式激光切割冰芯的装置

摘要

本实用新型提出了一种转速角度可控式激光切割冰芯的装置，属于极地工程装备领域，包括控温保温箱、激光器、导光臂、激光切割头、导轨、工作平台、螺杆驱动件、螺杆、冰芯运动控制装置和融水导流区，螺杆有左右两组，两侧均有螺杆驱动件控制，所述螺杆驱动件为涡轮蜗杆减速电机，螺杆驱动件与螺杆通过联轴器相连接，可驱动螺杆控制冰芯运动控制装置同步向左、向右运动，也可单独控制一个向左、向右运动，使得冰芯运动控制装置更多自由度，其不受冰芯长度地制约。在保证原有激光切割冰芯优势的同时可以实现对冰芯转速和角度的实时控制，并保证冰芯切割过程中稳定与精度。

说明书

技术领域

本实用新型属于极地工程装备领域，特别是涉及一种转速角度可控式激光切割冰芯的装置。

背景技术

极地冰芯样品对于获取地球古气候信息具有很高的研究价值。钻取冰芯后要对冰芯进行切割以及分析处理，由于获取难度大、样品珍贵，传统机械切割方式极易使冰芯受扰动而产生破碎，给冰芯分析带来不便。对此，人们引入了激光切割冰芯的方式。该方式可以有效避免传统机械式切割所带来的冰样破碎、污染等问题。而以往的激光切割装置，如中国专利文献中涉及的“一种用于低温环境下的冰芯旋转激光切割装置”，公开号CN213764533U，在切割过程中，虽然避免了传统机械式切割所带来的冰样破碎、污染等问题，但是由于冰芯融化，致使滚轴不能始终稳定有效地控制冰芯的转速和角度，造成较大的实验误差。

实用新型内容

针对以往激光切割冰芯装置虽有效解决了传统机械切割对冰芯扰动大、冰芯损失量大、存在污染、速度慢等问题，但在切割过程中存在冰芯融水使滚轴不能稳定控制冰芯转动、冰芯融水不能有组织排出、导光臂易因震动或人为误触偏移、冰芯运动方向单一等问题，而提出了一种转速角度可控式激光切割冰芯的装置，不仅保持了以往激光切割冰芯装置的优点，而且可以在切割过程中满足对冰芯转速和角度的实时控制、冰芯融水有组织排出、导光臂稳定定位、冰芯运动更加灵活且稳定等要求，适合在极地和山地冰川等低温环境下的使用。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种转速角度可控式激光切割冰芯的装置，包括控温保温箱、激光器、导光臂、激光切割头、导轨和工作平台，所述控温保温箱的顶部一侧设置有立板，控温保温箱内部设有温度传感器和加热器；所述激光器设置在控温保温箱内部；所述导光臂与激光器连接，导光臂的出光口正对激光切割头的入光口；所述激光切割头安装在导光臂上；所述导轨安装在所述立板上；所述工作平台安装在控温保温箱的顶部；其特征在于，还包括：螺杆驱动件、螺杆、冰芯运动控制装置和融水导流区，螺杆驱动件、螺杆和冰芯运动控制装置数量均为两个且一一对应，螺杆驱动件为涡轮蜗杆减速电机，螺杆驱动件与螺杆通过联轴器相连接，同时螺杆驱动件与主控制器连接，螺杆驱动件用于驱动螺杆旋转；两个所述螺杆同轴心设置；每个所述冰芯运动控制装置包括滑块、电机、齿形带轮、传动带、卡爪控制器和冰芯卡爪，滑块与导轨啮合连接，同时滑块穿套在对应的螺杆上，滑块的内壁上设有与螺杆螺纹连接的内螺纹；电机安装在滑块底部，电机与主控制器电连接，齿形带轮设置在电机的输出轴上，所述齿形带轮与设置在卡爪控制器上的传动齿轮通过传动带连接；卡爪控制器安装在滑块内侧，卡爪控制器与主控制器电连接，每个卡爪控制器内部都设置有一个卡爪气缸，所述卡爪气缸与冰芯卡爪连接，冰芯卡爪作为卡爪气缸的卡爪手指，卡爪气缸通过内部气动活塞控制冰芯卡爪的开合幅度；所述融水导流区设置在工作平台上，位于激光融冰区域的下方区域，融水导流区具有2％的导流坡度。

进一步，所述激光器设置在激光器安置台上。

进一步，所述导光臂由导光臂支架架设在工作平台上。

进一步，所述的转速角度可控式激光切割冰芯的装置，其特征在于：还包括用于托举冰芯的冰芯托架，所述冰芯托架设置在工作平台上。

进一步，所述的转速角度可控式激光切割冰芯的装置，其特征在于：还包括融水收集系统，所述融水收集系统设置在融水导流区的导流出口。

进一步，两个所述螺杆驱动件通过两个固定端头分别固定在同轴心设置的两个螺杆的外端。

进一步，所述冰芯卡爪内部与冰芯接触面处安装有压力传感器，所述压力传感器与主控制器连接。

通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：

1、在保证原有激光切割冰芯优势的同时可以实现对冰芯转速和角度的实时控制，并保证冰芯切割过程中稳定与精度。

2、本实用新型提出的装置可以实现冰芯径向转动和轴向移动两个方向的运动模式，克服了以往激光切割冰芯时，冰芯受滚轴限制，只能进行旋转切割的问题。

3、本实用新型提出的装置通过冰芯卡爪内部的压力传感器传输信号，根据不同深度的极地冰芯密度限制最大夹取力度，可有效防止夹取压力过大造成冰芯破碎损失。

4、本实用新型提出的装置中的螺杆有左右两组，两侧均有螺杆驱动件控制，所述螺杆驱动件为涡轮蜗杆减速电机，涡轮蜗杆减速电机与螺杆通过联轴器相连接，可驱动螺杆控制冰芯运动控制装置同步向左、向右运动，也可单独控制一个向左、向右运动。使得冰芯运动控制装置具有更多自由度，从而使其不受冰芯长度地制约。

5、本实用新型提出的装置中的融水导流区可以及时排走工作平台上的冰芯融水，避免对切割过程产生不利影响。

6、本实用新型提出的装置中的导光臂支架配合工作平台限制导光臂位移，有效避免了因人为误碰导致导光臂偏移产生误差问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型示意性实施例及其说明用于理解本实用新型，并不构成本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为本实用新型所述的转速角度可控式激光切割冰芯的装置整体结构示意图；

图2为本实用新型所述的转速角度可控式激光切割冰芯的装置的局部结构示意图；

图3为激光在本实用新型所述的转速角度可控式激光切割冰芯的装置中的光线路径图。

图中各标记如下：1-控温保温箱；2-激光器安置台；3-激光器；4-导光臂；5-激光切割头；6-螺杆驱动件；7-固定端头；8-导轨；9-螺杆；10-冰芯运动控制装置；11-融水导流区；12-冰芯托架；13-导光臂支架；14-冷却液循环箱；15-冷却液进水管；16-冷却液回水管；17-融水收集系统；18-工作平台；1001-滑块；1002-电机；1003-齿形带轮；1004-传动带；1005-卡爪控制器；1006-冰芯卡爪。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

如图1所示，一种转速角度可控式激光切割冰芯的装置，包括控温保温箱1、激光器安置台2、激光器3、导光臂4、激光切割头5、螺杆驱动件6、固定端头7、导轨8、螺杆9、冰芯运动控制装置10、融水导流区11、冰芯托架12、导光臂支架13、融水收集系统17和工作平台18，所述控温保温箱1内部设有温度传感器和加热器，进行控温保温，保证位于其内部的激光器3在工作温度范围下进行工作；所述激光器3设置在激光器安置台2上；所述导光臂4与激光器3连接，并由导光臂支架13架设在工作平台18上，导光臂4用于将激光器3射出的激光导入激光切割头5，导光臂4的出光口正对激光切割头5的入光口；所述激光切割头5安装在导光臂4上。

工作过程：激光器3作为激光光源，发射激光，激光导入导光臂4，导光臂4中至少具有两个激光反光镜，上一个激光反光镜将激光反射至下一个激光反光镜，最后射出进入激光切割头5，经激光切割头5出射后射向由冰芯运动控制装置10和冰芯托架12共同固定的冰芯，通过冰芯运动控制装置10带动冰芯进行旋转、横向切割，详见图3，图3中a代表激光光线路径。

如图2所示，所述冰芯运动控制装置10包括滑块1001、电机1002、齿形带轮1003、传动带1004、卡爪控制器1005和冰芯卡爪1006，滑块1001安装在导轨8上，并与导轨8啮合连接，同时滑块1001穿套在对应的螺杆9上，滑块1001的内壁上设有与螺杆9螺纹连接的内螺纹，并在螺杆驱动件6的作用下控制滑块1001做横向移动；电机1002安装在滑块1001底部，齿形带轮1003设置在电机1002的输出轴上；所述齿形带轮1003与设置在卡爪控制器1005上的传动齿轮通过传动带1004连接；卡爪控制器1005安装在滑块1001内侧，每个卡爪控制器1005内部都设置有一个卡爪气缸，所述卡爪气缸与冰芯卡爪1006连接，冰芯卡爪1006作为卡爪气缸的卡爪手指，卡爪气缸通过内部气动活塞控制冰芯卡爪1006的开合幅度；冰芯卡爪1006用于夹取冰芯做轴向旋转或横向移动，当完成冰芯径向旋转切割后，利用螺杆驱动件6驱动螺杆9带动滑块1001做横向移动进行冰芯轴向切割，为避免激光切割冰芯深度过大，存在激光融冰产生的融水得不到及时排出的问题，对激光融冰效果产生不利影响，导致激光继续向下传播时能量损耗增加，切割速率大大降低，可在轴向切割深度达到冰芯轴线处时，电机1002通过传动带1004带动传动齿轮控制卡爪控制器1005和冰芯卡爪1006将冰芯旋转180°，完成另一半冰芯轴向切割；安装在滑块1001底部的电机1002与主控制器电连接，用于调整冰芯卡爪1006转速及旋转角度；所述卡爪控制器1005与主控制器电连接，卡爪控制器1005内部设置有卡爪气缸，通过主控制器控制卡爪气缸，进而控制冰芯卡爪1006运动；所述融水导流区11设置在工作平台18上，位于激光融冰区域的下方区域，设置有2％的导流坡度，用于将激光切割冰芯融水导进融水收集系统17排出，融水导流区11经过打毛处理，使融水滴落后不易溅射。所述冰芯托架12设置在工作平台18上，用于托举冰芯，防止冰芯弯矩过大折断；所述导光臂支架13设置在工作平台18上，用于托举、固定导光臂4；所述融水收集系统17设置在工作平台18上融水导流区11的导流出口，用于排出冰芯融水；所述主控制器安装在工作平台18上。

所述的转速角度可控式激光切割冰芯的装置还包括冷却液循环箱14、冷却液进水管15和冷却液回水管16，冷却液进水管15的一端与冷却液循环箱14连接，另一端与激光器3连接；冷却液回水管16的一端与冷却液循环箱14连接，另一端与激光器3连接；冷却液循环箱14、冷却液进水管15和冷却液回水管16构成冷却循环系统，用于对激光器3内部进行冷却。

综上，本实用新型提供了一种转速角度可控式激光切割冰芯的装置，激光器3发出的激光经导光臂4导向后进入激光切割头5，由激光切割头5发射激光对冰芯进行切割，通过冰芯运动控制装置10控制冰芯做旋转、横向移动，完成快速、无扰动圆周及轴向切割。为保证实验的精度和稳定性，本装置将所述螺杆9分为左右两组，使两个冰芯运动控制装置10机动性更强；工作平台18上设置导光臂支架13，防止激光切割冰芯过程中导光臂4发生扰动；工作平台18上设置有2％的融水导流区11，用于切割完毕后及时排出冰芯融水。冰芯卡爪1006内部安装有压力传感器，有效避免夹取冰芯时压力过大造成冰芯损坏。该装置通过卡爪控制器1005控制冰芯卡爪1006的开合幅度夹取冰芯旋转，可以在切割过程中实现对冰芯转速和角度的实时控制。同时可以实现冰芯径向转动和轴向移动两个方向的运动模式，完成两个方向的切割。该部分有效解决了以往激光切割冰芯时冰芯融水导致冰芯与滚轴转速不匹配的问题，使实验数据更加准确。本实用新型提出的装置解决了传统机械式冰芯切割过程中切口较大、机械振动、切割速度慢以及以往激光切割装置冰芯转速和角度控制不稳定的现象。