激光清洗加工系统技术方案.docx
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激光清洗加工系统技术方案
激光清洗加工系统
技
术
方
案
公司：
江苏中科四象激光科技有限公司
电话：
：
传真：
网址：
地址：
江苏省丹阳市高新技术产业集中区8号邮编：
212300
激光清洗加工系统技术方案
1.系统技术方案
1.1.方案概述
传统工业清洗方法包括机械摩擦清洗法、化学腐蚀清洗法、液体固体喷射清洗法和高频超声清洗法，尽管它们在工业清洗行业得到了广泛的应用，但在我国环境保护法规要求越来越严格和高精密器件应用越来越广泛的情况下传统清洗方法的应用受到了很大的限制。
机械方法清洁度高，但易损伤基材，化学腐蚀清洗方法属于无应力清洗，但污染较重，特别是当污垢成分复杂时，必须选用多种清洗剂反复清洗才能满足表面清洁度的要求。
液体固体喷射清洗灵活度较高，但相对成本较高，需要消耗大量的水及固体掺杂物，后期废液处理工作也较复杂；高频超声波清洗法尽管清洗效果不错，但对附着力强的亚微米级污粒的清洗无能为力，清洗槽的尺寸限制了被清洗工件尺寸范围，而且清洗后的干燥亦是一大难题。
激光清洗是一种高效、绿色清洗技术，相对于化学清洗，其不需任何化学药剂和清洗液；相对于机械清洗，其无研磨、无应力、无耗材，对基体损伤极小（文物字画清洗）；激光可利用光纤传输引导，清洗不易达到的部位，适用范围广（核管道清洗）；适用对象也比较广泛，除锈、除漆、除泥污、晶片表面处理；清洁度高（能清除纳米级以下污染微粒），该技术国际已应用于各领域（模具清洗，战机涂层清洗），而国内刚刚起步。
目前国内关于激光清洗技术研究仍然处于参数和机理研究阶段，在应用方面还处于起步阶段，国产相关成熟装备更是不多见。
激光光源是限制其国产化的主要因素之一，高峰值功率纳秒级全固态激光器是激光清洗用优选光源，目前乙方已实现600W高峰值功率纳秒级全固态激光输出，该技术目前处于国内领先地位。
已实现的激光清洗结果
激光清洗系统一般主要分为手持激光清洗系统和机械自动式激光清洗系统。
两者的主要区别在于激光清洗枪运动轨迹是由人手控制还是由机械手/机床控制。
Cleanlaser公司手持式激光清洗机机械式激光清洗机执行机构
手持式激光清洗机的关键部件是手持式的激光清洗枪，可广泛应用于非标不规则的除漆除锈去污去氧化皮等。
其优点是操作灵活方便，可移动式作业，其缺点是人工操作，精确度较差，一致性较差，劳动强度大，很难批量化作业。
机械式激光清洗机的激光清洗枪安装在运动机械装置上（如机器人、机械手、机床等），由机械装置自动完成预设的运动轨迹。
其优点是精度高，可大批量作业，对操作人员的技术要求和劳动强度不高。
其缺点是很难完成不规则轨迹的运动。
1.2.主要设备配置
（1）主要设备配置表
机型
型号
数量
说明
厂家
激光器
IS0604QCW
1套
激光器功率：
平均功率50~600W连续可调
中科四象
光纤
400um@10m
1套
芯径：
400μm，长度10m（根据需要定制）
Optoskand
水冷机
标配
1台
制冷量：
13kW，双温控制，低温液控温精度：
±0.5℃，为激光器及外光路系统提供水冷却
无锡沃尔得
清洗枪
ZKSX-Q30P70/100
1套
工作距离：
100/160mm，扫描宽度70/100mm连续可调
中科四象
机器人系统
MOTOMAN-MH24
1
六轴机器人本体：
负荷24kg，最大作用半径1730mm，重复定位精度：
±0.06mm，控制系统：
DX200
安川
四象集成
机器人外部轴
外部轴
1
1个外部轴模块及驱动，实现机器人、变位机的联动
安川
四象集成
变位机
MOTOPOSDB500B
1
额定载重：
500kg，重复定位精度±0.1mm（R=250mm），扭力：
392N·m。
安川
四象集成
卡盘
K11-400
1
三爪机械卡盘，与用于变位机对工件的夹持，夹持直径范围：
40-400mm
国产
四象集成
工业相机/CCD
1
网口工业相机，16mm定焦镜头，定制化光源，四口光源控制器，12寸工业显示器，三口网卡，工业相机专用定制防水罩，激光波段滤光片，RS232通信线
国产
四象集成
不锈钢水槽
定制
1
1500mm*1500mm*750mm，耐腐蚀不锈钢，底部排水管最大流量20L/min
中科四象
稳压电源
SBW-100kVA
1
选配（客户可自备），为激光器提供稳定交流供电，防止电网强烈波动引起激光器的损坏。
德力西
空压机
W0.9/8：
7.5KW10HP
1
选配（客户可自备），提供压缩空气
国产
冷冻式干燥机
10HP，1.5立方
1
选配（客户可自备），过滤压缩空气
国产
发机配件
1
见附件清单（下表）
中科四象
（2）随机配置清单
序号
名称
规格型号
单位
数量
备注
激光器供电电缆
三相四线，3*6+1*4
米
5
冷水机供电电缆
三相四线，3*6+1*4
米
5
冷水机信号线
根
2
机器人电缆
套
1
光纤保护套管
米
2
主路水管
Φ32
米
20
辅路水管
Φ10
米
10
气管
Φ6
米
10
喉箍
40-43
个
10
氮气减压阀
个
1
加工头转接头
10转6、Φ6三通、Φ6直通
个
5
说明书
激光器、机器人等说明书
本
1
发货清单
张
1
其他文件
操作简介、高反光材料加工注意事项、高湿高温注意事项
张
各1
2.主要设备介绍
2.1.激光器
全固态准连续（QCW）激光器，采用半导体二极管列阵侧面泵浦Nd:
YAG、光纤耦合输出的技术方案实现高功率、高效率准连续激光输出，其主要优点：
高性能半导体侧泵单元模块，无惧背反射光损坏芯片；高光束质量控制技术；高效级联串接功率放大技术，最高准连续激光输出功率≥1kW；高效光纤耦合技术：
耦合效率大于96%；DSP数字化电源与系统控制；电动光闸功能及机械式缓升缓降功能；智能化控制，操作界面友好、简洁；工控标准接口，极易与各类机床、机器人实现集成，可以实现智能化、自动化、柔性化操作等。
基于该系列激光器的加工装备可广泛应用于汽车、铁路、船舶、冶金、石化、国防以及航空航天等领域的激光清洗、表面毛化等工艺中。
●相对光纤脉冲激光器的优点
Ø光纤脉冲激光器：
为脉宽变化激光器，其脉宽、峰值功率、单脉冲能量相互影响，不能同时达到最优值；
Ø全固态准连续激光器：
脉宽为固定值，峰值功率、单脉冲能量能同时达到最大值。
●相对灯泵脉冲激光器的优点
Ø灯泵激光器：
电光效率低（~3%）；需要经常更换泵浦灯；驱动电源成本高；冷却系统庞大。
Ø全固态准连续激光器：
电光效率高（~15%），几乎没有维护成本；体积较小，易于集成化。
●激光器参数表：
全固态准连续激光器特性参数
型号
IS-0604QCW
调制频率
20～50kHz
波长
1064nm
额定平均功率
600W
操作模式
脉冲
最大峰值功率
～300kW（@20kHz）
脉冲宽度
～100ns
最大单脉冲能量
30mJ
输出光纤芯径
400μm
电光效率
15%
长宽高
1450*720*1260mm
清洗扫描宽度
70/100mm（连续可调）
●激光器运行要求
序号
项目
条件/要求
特别要求
场地
<1>地面平整，四周无震荡源，必要时挖防震沟；
<2>支撑面必须能够承受至少1吨的重量；
<3>四周留出至少1.5m的安装维修空间；
严禁激光器暴露于室外
环境
<4>干净、清洁、防腐蚀，无高浓度挥发气体；
<5>温度范围10°C-40°C，湿度小于70%；
建立空调房，以保证洁净室温环境要求
供电
<6>三相四线制，380VAC±10%，50Hz
使用三相稳压电源
激光器
供电电缆
<7>激光器：
线径≥4mm2
额定功耗：
6.5kW
光纤
<8>弯曲半径：
≥0.5m
<9>长度：
10-20m
需提前定制
工作气体
<1>高纯氮气99.99%一瓶；
<2>常用压力范围200kPa-500kPa
PU气管管径Φ6mm
2.2.光纤系统及加工头
激光传输系统的功能就是将激光器发出的激光束经切换传导至激光加工头。
导光系统组成为光纤、清洗枪，清洗枪安装于机器人第六轴上。
光纤：
在进行激光加工时，通过光纤将激光传输到清洗头上，使用Optskand传能光纤。
光纤带标准QBH接头，可以和不同的加工头方便拆装，快速更换，传输能量时光纤具有完善的自保护功能，规格如下：
芯径400um-1000μm可选，长度10-15米（根据需求可选）。
清洗枪：
通过清洗枪将激光传导到工件表面进行激光加工，其作用是将光纤传输出来的激光整形成满足激光工艺要求的形状和大小等。
手持式激光清洗枪示意图
2.3.专用冷水机
专为激光加工机激光器及光路冷却而设计的精密水冷却机，能为激光器提供稳定精确的水温控制，是激光设备冷却的最佳选择。
序号
项目
条件/要求
备注
冷水机
供电
<1>冷水机：
线径≥2.5mm2
额定功耗：
13kW
冷却水
<2>水质：
去离子水/蒸馏水/纯净水
更换频率：
1次/月
<3>水量：
100L。
2.4.机器人系统
机器人系统实现激光加工头运动轨迹的承载，实现双工位或多工位加工，提升加工效率。
该方案选配了安川公司的高精度六轴机器人MOTOMAN-MH24，包括机器人本体、机器人控制柜、示教盒。
机器人技术参数：
2.5.变位机
DKP双轴变位机，负荷：
500kg；重复定位精度：
±0.1mm；
机器人外部轴系统采用模块化、柔性的设计理念，采用与机器人同一系列电机、减速机为外部轴核心部件模块化设计机构，可以根据客户实际的需要，通过双轴变位机与机器人实现不同柔性的外部轴系统。
变位机参数表
载荷
500kg
试样
标准型
带转动接头
型号
YR-MPD500-A00
YR-MPD500-B00
旋转轴
旋转角度
±200°
±370°
最大旋转速度
2.80rad/s（160°/s）
允许力矩
392N·m
允许惯性力矩
44kg·m2
倾斜轴
倾斜角度
±135°
最大倾斜速度
1.4rad/s（80°/s）
允许力矩
1274N·m
允许惯性力矩
200kg·m2
重复定位精度
±0.1mm（R-250mm）
毛重
240kg
内置输入输出线
34根
6根
内置空气软管
1根
2根
卡盘是机床上用来夹紧工件的机械装置。
利用均布在卡盘体上的活动卡爪的径向移动，把工件夹紧和定位的机床附件。
卡盘一般由卡盘体、活动卡爪和卡爪驱动机构3部分组成。
2.6.辅助设备
（1）稳压源
由于电力系统的故障或电压波动引起的电脑关键数据的丢失以及生产线的停顿都将造成不可弥补的损失，所以电压稳定是设备安全运行的保障，对于工业电网电压波动较大、不稳定的情况，稳压电源可以在设备运行过程中有效的控制输出电压，为重要设备提供有效及可靠的保护，将电网电压波动对关键设备造成的损坏降到最低。
具有慢启动、过压、过流保护；响应速度快；稳压精度高；滤波性能好；抗干扰性能强，可抑制输入尖峰、浪涌、下陷等干扰。
稳压电源主要参数见下表：
稳压电源主要参数表
序号
项目
参数
1
输入电压
单相170-260V，三相342-418V
2
输出电压
220V/380V
3
频率
50Hz/60Hz
4
稳定精度
±2%
5
额定功率
50kVA
（2）压缩机及冷式干燥机
压缩机和冷式干燥机的功能主要是提供干燥的焊接保护气。
3.安全防护：
本激光加工系统涉及4类激光安全，使用、操作、维修、维护均落实以下安全措施：
（1）激光器安全防护：
Ø激光器内部均按4类激光安全标准执行，激光器内部光路均终止于专门设计的激光吸收体上。
Ø激光器外壳罩周围符合激光辐射安全要求，出光位置标识。
Ø激光器控制系统符合钥匙管理要求：
光闸、紧急开关、报警装置，安全互锁等。
（2）作业工位安全防护：
Ø激光加工工位设计安全防护罩，四周挡板将加工时激光反射、杂散光等终止于防护罩内部。
Ø加工系统设计外部急停、报警和安全互锁。
Ø外壳罩周围符合激光辐射安全要求，出光位置标识。
Ø防护罩顶端加装抽风系统，将加工过程产生的烟尘抽出。
（3）作业过程安全防护
Ø当出光加工时，防护罩门紧锁，如防护罩门未锁，则激光无法发射，形成安全互锁。
Ø上下料过程无激光输出或激光输出位置与上下料区防护隔离。
Ø加工过程，加工人员穿戴防护用品，如防护眼镜、高温手套等。
4.备环境要求、使用成本及制造周期
4.1.设备运行环境须具备以下条件
1）激光器运行环境：
序号
项目
条件/要求
特别要求
场地
<10>地面平整，四周无震荡源，必要时挖防震沟；
<11>支撑面必须能够承受至少1吨的重量；
<12>四周留出至少1.5m的安装维修空间；
严禁激光器暴露于室外
环境
<13>干净、清洁、防腐蚀，无高浓度挥发气体；
<14>温度范围10°C-40°C，湿度小于70%；
建立空调房，以保证洁净室温环境要求
供电
<15>三相四线制，380VAC±10%，50Hz
使用三相稳压电源
激光器
供电电缆
<16>3kW激光器：
线径≥6mm2
额定功耗：
20kW
光纤
<17>弯曲半径：
≥0.5m
<18>长度：
10-20m
需提前定制
工作气体
<3>高纯氮气99.999%一瓶；
<4>常用压力范围200kPa-500kPa
PU气管管径Φ6mm
a）在规划场地时须充分考虑硬件配置摆放、加工上下料、搬运及空调房等之间的协调性。
2）辅助气体
a）激光器除湿氮气：
纯度99.99％以上，压力可调，常用压力：
200-500kPa。
b）保护气体：
氩气或氮气，纯度99.99％以上。
首先检查焊接专用气瓶上的铭牌，是否符合使用气体的要求，如纯度和压力等要求。
其次用正确的方法将气瓶的气体引入到气体入口。
c）压缩空气。
3）供电电源要求
a）电源规格：
三相380V50Hz。
b）电源质量：
三相不平衡度<2.5%，线电压波动<10%。
4.2.制造周期
本产品制造周期为1.5个月，可以根据客户需求做相应调整。
5.安装与服务
5.1.安装调试
1）江苏中科四象激光科技有限公司总负责设备的安装和调试。
2）在签订合同后江苏中科四象激光科技有限公司在最短时间了解客户的厂房的安装地理位置，确定设备的具体安装位置。
3）安装调试前，客户应根据江苏中科四象激光科技有限公司要求，确保安装场地的配置符合设备安装要求。
4）货物到达用户交货现场后，江苏中科四象激光科技有限公司人员即自带必要工具进行设备的安装调试工作。
5）安装调试及所派人员的一切费用由江苏中科四象激光科技有限公司承担。
6）合同中所提供的所有设备全部由江苏中科四象激光科技有限公司负责指导完成安装及调试，客户须积极配合完成设备的安装调试。
设备安装调试完成后，江苏中科四象激光科技有限公司先对设备进行自检并在各项技术指标达到合同技术要求后，供需双方再对设备进行验收及使用。
7）在安装调试过程中江苏中科四象激光科技有限公司的技术人员将对客户技术人员说明设备的安装步骤和应该注意的事项，安装的每一件设备应作安装详细记录。
江苏中科四象激光科技有限公司的技术人员在安装过程中造成的设备损坏，均由江苏中科四象激光科技有限公司承担责任。
5.2.包装运输
1）包装：
标准木箱包装，防潮、防锈、防震。
可用于整体吊装，并注明起吊重心和吊装部位。
包装箱内附质量合格证、设备说明书及其它文件和资料，包装箱外附装箱单。
2）运输方式：
汽车运输，由江苏中科四象激光科技有限公司负责全部职责，包括运费和保险。
3）交货地点：
客户的安装现场。
5.3.设备验收
按照江苏中科四象激光科技有限公司和客户签订技术协议进行预验收和最终验收。
1）预验收
江苏中科四象激光科技有限公司完成产品设计、生产、调试后，在江苏中科四象激光科技有限公司进行预验收，验收内容包括：
a）设备各配置型号、规格是否符合技术协议要求。
b）检查工艺质量。
c）都满足协议要求后，双方签订预验收报告。
2）终验收
江苏中科四象激光科技有限公司在客户现场完成设备的安装、调试和自检后，进行终验收，设备满足技术要求后，双方签署最终验收报告。
终验收内容如下：
a）对全部货物的数量、型号规格、功能、技术指标等进行检验验收。
b）对客户提供的样件进行激光加工。
c）双方做好验收情况的记录，并对验收结果给出评价。
3）最终验收的其它说明
a）如因场地辅助设施故障（电源、周边环境等）和环境不符合设备正常工作的要求而造成测试验收中断，客户方面应立即修复，确保设备正常工作的条件。
b）在验收过程中，若发现设备有短缺、损坏或不符合合同条款和质量标准的情况，江苏中科四象激光科技有限公司将负责补齐、更换，由此引起一切费用由江苏中科四象激光科技有限公司承担。
5.4.培训
阶段1：
整套加工系统生产完成至预调试及预验收期间，客户可以派出人员前往江苏中科四象激光科技有限公司接受培训。
江苏中科四象激光科技有限公司将在培训中心对客户操作人员进行免费技术培训，直至操作人员达到基本正常使用该设备为止。
阶段2：
江苏中科四象激光科技有限公司在机器到达客户现场的一月内完成安装调试，并对客户人员再次培训。
培训结束后。
5.5.售后服务
1）设备验收后，整机质量保证期为12个月。
系统已包括一年的服务和零部件保质期，如果保质期内系统的零部件出现质量问题，江苏中科四象激光科技有限公司受过良好训练的服务工程师将随时提供电话或现场服务。
2）设备质保期内，由于设备本身质量原因造成的任何损伤或损坏，江苏中科四象激光科技有限公司负责进行免费更换零件及服务，但常规消耗品（光纤、保护镜片、气嘴等）以及属于用户违规操作责任事故者除外。
3）江苏中科四象激光科技有限公司对所提供产品提供终生维护服务，并随时提供设备相关的日常咨询与指导。
质保期外，依然为用户提供广泛而优惠的技术支持及备件供应。
可保证4小时内响应，24小时内人员到位。
4）设备出厂后，江苏中科四象激光科技有限公司即建立“用户档案卡”，跟踪记录用户使用该设备的相关信息。
在设备维修服务完成后，将故障成因、补救措施、完成维修及恢复正常的时间和日期等报告给客户，报告一式两份，以备查用。
5）江苏中科四象激光科技有限公司承诺及时向用户通报软件升级情况，并免费提供软件升级服务。
6）江苏中科四象激光科技有限公司备有充足的备件、配件，可及时向用户提供技术服务和备件服务，满足设备维修需要。
7）江苏中科四象激光科技有限公司将不定期安排项目工程师到用户现场进行免费技术回访服务。
8）江苏中科四象激光科技有限公司积极配合客户产品的焊接工艺改进。
江苏中科四象激光科技有限公司
6.附件：
公司介绍
江苏中科四象激光科技有限公司成立于2010年9月，注册资本1亿元，是中国科学院半导体研究所和江苏天坤集团共同组建的高新技术企业，地处江苏省丹阳市高新技术园区，专业从事高功率全固态激光器的研制、生产和销售。
公司规划建设用地300亩，已建成现代化的超净光学车间、电控车间、精密机械加工车间、激光加工中心和办公区共计两万多平方米。
公司的主要产品是1~5kW系列高功率光纤输出全固态激光器，采用半导体二极管列阵侧面泵浦Nd:
YAG晶体棒的技术方案，实现高功率光纤耦合输出，具有效率高、寿命长、光束质量好、可柔性传输等优点，被列为科技部重点产品，已实现批量化生产。
公司拥有完全自主知识产权的核心技术、专业的光学、机械、电气设计团队和全套先进的生产和检验设备，产品质量居国内领先水平。
智能化的数控操作系统，界面简洁，接口简单通用，极易与各类机床或机器人加工系统实现集成。
基于该系列激光器的加工装备可广泛应用于汽车、铁路、船舶、冶金、石化、国防以及航空航天等领域的激光焊接、表面淬火和熔覆等工艺中。
公司秉承“诚信、认真、勤奋、创新”的企业核心文化，以资本为基础、科技创新为平台、市场需求为导向，以振兴民族工业为己任，定位于高端高功率全固态激光器的研发生产，争创国际一流品牌，生产一流产品，提供一流服务。
6.1.焊接系列激光器
型号
ZKSX-0802
ZKSX-10D4
ZKSX-1502
ZKSX-2502
ZKSX-3003
额定功率（kW）
0.8
1.0
1.5
2.5
3.0
光纤芯径（μm）
200
双光路400
200/300/400
300/400
400
光束质量
8-16
功率稳定性
±2%
波长（nm）
1064
冷却方式
水冷
供电
三相四线制，AC380V±10%，50Hz
工作环境
温度：
5℃～45℃，湿度：
＜80%（无凝露）
长宽高（mm）
850*450*480
950*500*500
1710*830*1320
6.2.熔覆/淬火系列产品
型号
ZKSX-1008
ZKSX-2008
ZKSX-3008
ZKSX-4008
额定功率（kW）
1.0
2.0
3.0
4.0
光纤芯径（μm）
400-1000
800-1000
1000
光束质量
32-64
功率稳定性
±2%
波长（nm）
1064
冷却方式
水冷
供电
三相四线制，AC380V±10%，50Hz
工作环境
温度：
5℃～45℃，湿度：
＜80%（无凝露）
长宽高（mm）
950*500*500
1710*830*1320
2100*9300*1320
6.3.激光加工头产品
（1）旁轴焊接头/熔覆头
（2）同轴焊接头（3）同轴熔覆头（4）迷你型焊接头
（5）旁轴宽带光斑熔覆、淬火头（6）带CCD监视加工头
（7）内孔熔覆头
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