CN105033449A - 一种无人机高空焊接和切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自蔓延反应与无人机焊接和切割技术，具体地说是涉及一种基于自蔓延反应的无人机焊接和切割方法。整个焊接/切割过程利用自蔓延化学反应放热，完全（或部分）不需要外热源。焊接中通过快速自动波燃烧的自维持反应得到所需成份和结构的产物。利用无人机搭载自蔓延设备，可快速到达危险或人工难以到达的区域。通过携带不同种类的自蔓延粉末，可实现不同材质的焊接/切割。将自蔓延反应焊接/切割与无人机相结合，提高了整体焊接/切割效率，一经点燃不需要持续供能，耗能更少。并且设备简单，不需要工作人员抵达工作现场，操作安全。可进行不同材料的焊接和切割，适用范围广。

Description

一种无人机高空焊接和切割方法

技术领域

本发明属于高处焊接与切割领域，涉及自蔓延技术和焊接切割技术，具体地说是涉及一种无人机高空焊接和切割方法。

背景技术

目前，高处焊接和切割十分常见。由国家标准GB/T3608-2008《高处作业分级》规定：“凡在坠落高度基准面2m以上（含2m）有可能坠落的高处进行作业，都称为高处作业”。

随着工业生产能力的不断加强和人们审美水平的提高以及对于生产生活环境要求的不断增加，越来越多的领域需要脱离地面进行高处焊接或切割作业。例如建筑外墙的装饰，绝缘架线和维修，消防救援，飞机维护检查，路灯维护等涉及到金属材料固定、链接的情况都离不开高处焊接；随着人类生活方式多元化的增加，事故、灾害无法避免，很多发生在人力无法快速到达区域，越来越多的领域需要脱离地面进行切割焊接作业。例如市政建筑、抢险救灾、公安破拆、路桥建设、房屋拆迁、园林作业、电力抢修等涉及到金属材料去除和破坏的情况都离不开高处切割。

现有的高处焊接方法主要为人工搭乘作业平台进行手工焊接，工作十分危险。搭建焊接平台复杂，工况不同焊接平台设计差异较大，工作准备时间长。无论是熔焊、压焊还是钎焊，都需要携带专用设备，受限于工作状况，很不方便。并且根据高空焊接作业规定，高空焊接人员需要长时间专门培训，人才紧缺。

现有的高处切割方法主要为人工靠近使用手提切割机等设备进行人工切割。受限于工作环境，工作或抢险人员很难及时靠近工作区域，同时难以运送设备。并且灾难现场往往伴随着二次灾害，工作人员进驻十分危险。

自蔓延是利用化学反应自身放热合成材料的一种技术，又被称为燃烧合成（CombustionSynthesis）。自蔓延技术利用化学反应自身放出大量的热，完全（或部分）不需要外热源。通过自动波快速燃烧的自维持反应得到所需要的成分和结构的产物。通过改变热的释放和传输速度来控制过程的速度、温度、转化率和产物的成分及结构。

无人驾驶飞机，简称无人机（UAV），是一种处在迅速发展中的新概念飞行器，其具有机动灵活、反应快速、无人飞行、操作要求低的优点。无人机通过搭载多类传感器，可以实现影像实时传输、高危地区探测功能，是卫星遥感与传统航空遥感的有力补充。目前，无人机的使用范围已经扩宽到军事、科研、民用三大领域，具体在电力、通信、气象、农业、海洋、勘探、摄影、防灾减灾、农作物估产、缉毒缉私、边境巡逻、治安反恐等领域应用甚广。

针对目前高处焊接切割技术的缺陷，发明人欲提供一种无人机高空焊接和切割方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种无人机高空焊接和切割方法，将自蔓延反应与无人机技术相结合，提高工作效率，保护工作人员安全。

一种无人机高空焊接和切割方法，采用无人机焊接/切割设备，所述无人机焊接/切割设备，包括无人机、机载环境监测模块、机载摄像头、机载控制器、搭载在无人机上的自蔓延反应设备和平衡自蔓延反应设备的配重；还包括地面控制器和地面环境检测模块；

包括以下步骤：

步骤一：检查无人机各项参数是否正常，以判断能否作业。

步骤二：通过地面环境检测模块监测周边环境条件，以判断是否适宜无人机飞行。

步骤三：在判定环境条件允许的情况下，操纵所述无人机飞达目标工作区域。

步骤四：通过机载环境监测模块监测工作区域环境条件，判定是否可以进行焊接/切割作业；

步骤五：在判定工作区域环境条件允许的情况下，操纵无人机进行悬停，通过机载摄像头观察工作区域具体情况；

步骤六：操纵无人机返回，根据待工作区的材质、大小，配制自蔓延反应材料，装载于无人机上的自蔓延反应设备中，制定焊接/切割计划。

步骤七：操纵无人机飞至工作区域悬停，缓慢移动调整位置，找准工作起始点。

步骤八：按焊接/切割计划进行焊接/切割，并实时反馈焊接/切割情况。

步骤九：操纵无人机返回，拆除自蔓延反应设备，检查无人机并入库保存。

步骤二中周边环境条件包括：天气条件、湿度、能见度及风速。步骤四中工作区域环境条件包括：风速，湿度、能见度及有无遮挡物。周边环境不能是雨、雪、沙尘暴等极端天气。工作区域不能有干扰飞行的遮挡物。环境湿度不高于60%。环境风速不高于1m/s。环境能见度不低于600m。无人机飞行及工作过程利用GPS定位，可在夜间工作。

步骤二中的周边环境条件监测是由地面监测系统执行的，而所述步骤四中的工作区域环境条件监测是由所述的地面监测系统与无人机上的机载环境监测系统共同执行的。

步骤六中制定焊接/切割计划包括：1）对需要焊接/切割区域的工件进行分析，根据分析结果选择自蔓延焊接材料，并将其装载在所述的自蔓延设备中；2）对焊接/切割路线进行设计，选择最优焊接/切割方案。

步骤八焊接过程包括：1）开启自蔓延反应部分，点燃粉末，引导金属溶液流动进行焊缝填充或引导放热方向进行焊接；2）自蔓延反应进行的同时，沿焊接/切割路径缓慢移动无人机，实现焊接/切割。

步骤六和步骤九无人机返回包括两种情况：①完成预定任务后操纵所述无人机返回地面；②当监测到所述环境已经不适宜作业时，操纵所述无人机返回地面。

本发明方法可焊接金属材料，切割金属材料和有机材料等。

无人机可选用现有功率合适的旋翼无人机。

本发明的有益效果是：

1.整个焊接/切割过程利用自蔓延化学反应放热，完全（或部分）不需要外热源。

2.反应过程绿色环保，无污染物排放。

3.焊接中通过快速自动波燃烧的自维持反应得到所需成份和结构的产物。

4.利用无人机搭载自蔓延设备，可快速到达危险或人工难以到达的区域。

5.通过携带不同种类的自蔓延粉末，可实现不同材质的焊接/切割。

6.设备操作简单、使用方便，安全可靠。

7.自蔓延设备重量轻，满足无人机载重要求。

本发明将自蔓延反应焊接/切割与无人机相结合，提高了整体焊接/切割效率，一经点燃不需要持续供能，耗能更少。并且设备简单，不需要工作人员抵达工作现场，操作安全。可进行不同材料的焊接和切割，适用范围广。

附图说明

图1是基于自蔓延反应的无人机焊接和切割方法工作流程示意图；

图2是利用基于自蔓延反应的无人机焊接和切割方法进行建筑外墙焊接作业的简略示意图；

图3是基于自蔓延反应的无人机焊接和切割方法的控制及监测系统的示意图；

图4-5是基于自蔓延反应的无人机焊接和切割方法设备的结构示意图。

附图标记说明

1.无人机焊接和切割设备；2焊缝；3.楼房外墙；11.无人机；12.机载环境监测模块；13.机载摄像头；14.机载控制器；15.自蔓延反应设备；16.配重；41.地面控制器；42.地面环境检测模块。

具体实施方式

本发明的基本思想是将自蔓延燃烧反应焊接和切割与无人机相结合以安全高效的在多种无法或不利于人工操作的场合进行焊接或切割。

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

具体地，如图2对25m高处楼房外墙上待焊接区域应用基于自蔓延反应的无人机焊接和切割方法进行焊接的操作过程为：

选择沈阳自动化所的Servoheli-120无人机，检查电池电量充足。电机、传感器和检测器工作正常，机架、固定架各紧固件固定良好，螺旋桨、活塞泵润滑充分。使用地面环境检测模块42监测周边环境条件，由反馈至地面控制器41，得到温度22℃，风速0.2m/s，空气湿度30%，天气晴朗，楼房外墙无干扰物，经判断可以作业。开启无人机11，通过地面控制器41发出信号，机载控制器14接收信号，利用GPS定位，控制无人机11飞达楼房外墙25m高处悬停。机载环境监测模块12监测工作区域环境，通过机载摄像头13观察工作区域状况，监测信息反馈至机载控制器14，再传至地面控制器41，得到温度22℃，风速0.3m/s，空气湿度30%，待焊接区域长500mm，宽10mm。经判断可以进行焊接作业。地面控制器41发出信号，机载控制器14接收信号，控制无人机飞返回。结合楼房外墙施工资料和现场分析资料得出外墙待焊接区域材料为低合金钢。根据待焊接区域面积计算配制2kg铁基自蔓延铝-钢焊接粉末，具体配比按质量分数分别为16.7%-25.9%的Al粉、55.1%-70.3%的Cu₂O粉、10.2%-14.8%的SnO₂粉、1.7%-2.5%的Zn粉和1.1%-1.7%的CaF₂粉组成，所有粉体粒径为20nm-500μm，装入自蔓延反应设备15中，将自蔓延反应设备15装配在无人机11上，并将配重16调整至平衡标准。计划焊接从右向左进行。经检验安装稳定可靠，再次通过地面控制器41发出信号，机载控制器14接收信号，利用GPS定位，控制无人机11飞达工作区域，调整正对待焊接区域，细调无人机位置，直至对准最右端焊接起始位置。地面控制器41发出信号开启自蔓延反应设备15，使用电子打火，引燃引线，引线引燃自蔓延粉末，同时控制无人机11向左缓慢移动，进行自蔓延焊接过程。整个焊接过程中机载控制器14接收GPS位置信息实时修正路线，防止焊偏。工作人员根据机载摄像头13反馈情况，发现焊接情况良好。焊接结束，地面控制器41发出信号控制无人机11返回。彻底清除机架上残留的粉末、灰尘，最好进行干燥处理。限量充电，避免电子元件老化。对固定架和自蔓延反应设备15进行涂漆，避免腐蚀。对零动部件如螺旋桨、活塞泵等进行润滑处理。机具的入库放置在室内，并垫木块或遮盖物。

参见附图4-5，附图4-5示出了现有的旋翼无人机的结构示意图。它们均适用于本发明的无人机自蔓延焊接/切割。图中所示的无人机为单旋翼机（直升机）和多旋翼机。换言之，本发明的基于自蔓延反应的无人机焊接和切割方法适用于大部分现有的旋翼无人机。旋翼无人机目前常见的型号有解放军总参60所的Z-5、Z-3；沈阳自动化所的Servoheli-120；潍坊天翔的V-750；无锡汉和的CD-10；中航工业自控所的AR-100/AF811；北方天途的RH-2、EH-3；博航联合的BH330-200；珠海羽人的YR-H-15等。

如图4-5所示，这些自蔓延反应的无人机焊接/切割设备主要包括：.无人机11、机载环境监测模块12、机载摄像头13、机载控制器14、自蔓延焊接/切割设15、.配重16等重要部件，该自蔓延反应设备15负责执行自蔓延焊接/切割。

再如图3所示，该无人机焊接/切割的控制及监测系统，即，机载控制及监测系统，其包括：机载环境监测模块12、机载摄像头13、机载控制器14等。除此之外，该无人机自蔓延反应设备还包括地面控制及监测系统。所述地面控制与监测系统又包括：地面控制器41以及一个或若干个地面环境检测模块42等，以配合无人机的作业。由于无人机的控制反馈结构为本领域中早已公知，因而此处不再对其进行详细的描述。

图2示出了无人机1在楼房外墙3上空进行焊接的简略示意图。更具体地，如图1中所示，该图示出了根据本发明的基于自蔓延反应的无人机焊接和切割方法的一个实施方式的流程示意图。在利用无人机自蔓延设备进行作业之前，将自蔓延反应材料装载在无人机的自蔓延反应设备中。用于焊接的自蔓延材料为按一定比例配制的铁基自蔓延粉末、铝基自蔓延粉末、铜基自蔓延粉末等包括高热剂、合金剂、造渣剂。原料都是较常用的，在市场上可以买到。

利用现有的环境监测设备对周边的环境条件，如湿度、温度及风速等进行监测，以判断环境条件，特别是风速和湿度是否适宜进行自蔓延焊接作业。适宜进行自蔓延焊接作业环境条件为：湿度小于60％，温度范围为20℃-30℃，风速为小于1m/秒。通常，为了满足湿度的要求，优先地选择晴朗午后工作。需要注意的，环境监测设备是在整个作业过程中一直工作的，以获取大气环境条件的实时信息。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人机高空焊接和切割方法，其特征在于：采用无人机焊接/切割设备，所述无人机焊接/切割设备，包括无人机(11)、机载环境监测模块(12)、机载摄像头（13）、机载控制器（14）、搭载在无人机上的自蔓延反应设备（15）和平衡自蔓延反应设备的配重（16）；还包括地面控制器（41）和地面环境检测模块（42）；

包括以下步骤：

步骤一：检查无人机各项参数是否正常，以判断能否作业；

步骤二：通过地面环境检测模块监测周边环境条件，以判断是否适宜无人机飞行；

步骤三：在判定环境条件允许的情况下，操纵所述无人机飞达目标工作区域；

步骤四：通过机载环境监测模块监测工作区域环境条件，判定是否可以进行焊接/切割作业；

步骤五：在判定工作区域环境条件允许的情况下，操纵无人机进行悬停，通过机载摄像头观察工作区域具体情况；

步骤六：操纵无人机返回，根据待工作区的材质、大小，配制自蔓延反应材料，装载于无人机上的自蔓延反应设备中，对焊接/切割路线进行设计，制定焊接/切割计划；

步骤七：操纵无人机飞至工作区域悬停，缓慢移动调整位置，找准工作起始点；

步骤八：按焊接/切割计划进行焊接/切割，并实时反馈焊接/切割情况；

步骤九：操纵无人机返回，拆除自蔓延反应设备，检查无人机并入库保存。

2.根据权利要求1所述的焊接和切割方法，其特征在于，所述步骤二中周边环境条件包括：天气条件、湿度、能见度及风速。

3.根据权利要求1所述的焊接和切割方法，其特征在于，所述步骤四中工作区域环境条件包括：风速，湿度、能见度及有无遮挡物。

4.根据权利要求1所述的焊接和切割方法，其特征在于，无人机飞行及工作过程利用GPS定位，可在夜间工作。

5.根据权利要求1或2或3所述的焊接和切割方法，其特征在于，所述环境湿度不高于60%。

6.根据权利要求1或2或3所述的焊接和切割方法，其特征在于，所述环境风速不高于1m/s。

7.根据权利要求1或2或3所述的焊接和切割方法，其特征在于，所述环境能见度不低于600m。