CN110227689A - 一种高能量清洗修复一体化设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高能量清洗修复一体化设备，包括高能量束发生装置和控制系统，其特征在于：设有巡线机器人、锈蚀检测传感器和修复系统，所述锈蚀检测传感器、高能量束发生装置和修复系统分别设置在巡线机器人上，锈蚀检测传感器的输出信号端与控制系统的输入端口连接，控制系统的输出端口分别连接高能量束发生装置和修复系统的控制端口，所述控制系统根据锈蚀检测传感器的检测信号，控制高能量束发生装置对被清洗设备表面进行清洗，当被清洗设备表面腐蚀程度超过设定阈值时，在完成清洗后，所述控制系统控制修复系统对设备表面被腐蚀位置进行表面防护修复作业。本发明将高能量束发生装置和表面防护系统结合，实现了金属除锈清洗和腐蚀部位修复的一体化作业设备，特别适用于大型钢结构设备例如铁塔、货轮等设备的清洗和修复恢复。

Description

一种高能量清洗修复一体化设备及方法
技术领域
本发明涉及一种对金属设备进行清洗及修复的装置，具体涉及一种采用高能量束进行除锈清洗与材料修复的一体化加工设备。
背景技术
使用金属材料制作的设备或工件，例如铁塔、铁轨、货轮和火车车体等，在长时间使用后不可避免地会产生锈蚀现象。因此，在使用一定时间后，需要对这类设备进行清洗除锈操作，以延长设备的使用寿命，而其中腐蚀严重的部分还需要利用熔覆等方式进行修复。
现有技术中常用的清洗方式有：机械摩擦清洗、化学腐蚀清洗、高压液体流清洗等。这些清洗方式都是接触式清洗，通常会对设备表面产生一定的损伤，同时，由于需要采用化学药剂，清洗过程中会对环境产生污染。
近年来，出现了激光清洗技术。激光清洗方法是利用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，高速有效地清除清洁对象表面附着物或表面涂层，从而达到洁净的工艺过程。相比传统清洗方法，因其绿色环保、清洁效率高、不会对被清洗物表面造成损伤等优点而受到人们欢迎。
在前期的小型或背带式清洗设备的基础上，也出现了一些大型激光清洗设备。例如，中国发明专利申请CN107755362A公开了一种激光清洗设备，包括机架、设置在机架上的工件传送装置、设置在机架上并且覆盖工件传送装置的一部分的罩壳以及设置在机架上的激光清洗系统，该激光清洗系统用于对通过工件传送装置传送的待清洗工件进行激光清洗。该方案通过将激光清洗系统设置在机架上，配合传送装置实现了较大型金属材料，例如大幅面金属板材的清洗，解决了现有技术清洗设备只能进行人工手动操作导致的问题。
然而，上述设备仍然存在应用上的问题：1、由于设备是设置在机架上配合传送装置运作的，难以用于大型钢结构设备例如铁塔、铁轨、货轮和火车车体等的清洗；2、设备仅能用于表面清洗，对于腐蚀程度较高的金属装置无法实现修复，需要另外采用例如电焊等方式进行修复作业。
因此，如何方便地实现对大型钢结构设备例如铁塔、铁轨、货轮和火车车体等的清洗和修复，是现有技术中急需解决的问题。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种高能量清洗修复一体化设备，实现对大型钢结构设备的锈蚀程度的自动判别处理；本发明的另一发明目的是提供一种采用这种设备进行清洗修复加工的方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种高能量清洗修复一体化设备，包括高能量束发生装置和控制系统，其特征在于：设有巡线机器人、锈蚀检测传感器和修复系统，所述锈蚀检测传感器、高能量束发生装置和修复系统分别设置在巡线机器人上，锈蚀检测传感器的输出信号端与控制系统的输入端口连接，控制系统的输出端口分别连接高能量束发生装置和修复系统的控制端口，所述控制系统根据锈蚀检测传感器的检测信号，控制高能量束发生装置对被清洗设备表面进行清洗，当被清洗设备表面腐蚀程度超过设定阈值时，在完成清洗后，所述控制系统控制修复系统对设备表面被腐蚀位置进行表面防护修复作业。
优选的技术方案，所述高能量束发生装置是具有发射功率密度>104W/cm2的能量源。
上述技术方案中，创造性地将高能量束发生装置与表面修复系统一起加载到巡线机器人上，利用高能量束进行除绣作业，利用表面修复系统实现对材料腐蚀部位的填充和修复，从而能采用一台设备自动实现移动式清洗与修复。其中，所述高能量束为激光、电子束、等离子束中的一种或几种。
优选地，高能量束发生装置可以采用激光清洗系统，修复系统可以采用激光熔覆系统，以实现激光清洗和修复一体化。
上述技术方案中，所述巡线机器人至少由一移动机器人构成，所述移动机器人上设有多自由度机械手，高能量束发生装置中的高能量束发射器和表面修复系统中的作业部分别由所述多自由度机械手定位导向，由控制系统控制运动路径实现对待处理的表面的处理。
为了能够应用于不同的场合，进一步的技术方案，所述巡线机器人可以是无人机、陆地机器人、水下机器人以及水面机器人中的一种，移动机器人上加载有机器视觉检测仪器。
或者，所述巡线机器人由一移动机器人和一自动检测装置构成，所述移动机器人为无人机、陆地机器人、水下机器人以及水面机器人中的一种，所述自动检测装置上加载有机器视觉检测仪器，自动检测装置也可分为无人机，自动船舶和自动潜艇，自动检测装置和移动机器人经无线通信连接，实现自动导航。
采用无人机配合进行检测，可以用于如铁塔、大型烟囱等高度较高的处理对象；采用自动船舶、自动潜水艇配合进行检测，可以用于如大型船舶、码头等位于水面或具有水下部分的处理对象。
优选的技术方案，所述巡线机器人的机器视觉检测仪器中包括有非接触式几何形状探知传感器，例如激光传感器。
优选的技术方案，所述修复系统为激光熔覆系统，所述激光熔覆系统具有熔覆材料自动供料装置。
一般来说，所述控制系统与巡线机器人的控制系统可以共用同一硬件，实现整个设备的一体化控制。但是根据实际需要，也可以在通用型的巡线机器人上另外加装控制系统以接收传感信息，控制清洗系统和熔覆系统的运作。
利用上述设备，本发明同时提供了一种采用高能量清洗修复一体化设备进行加工的方法，包括以下步骤：
(1) 巡线机器人根据预设路径沿被清洗设备的周边巡检，并通过锈蚀检测传感器进行锈蚀情况判断；
(2) 当发现锈蚀情况时，首先获取锈蚀部分的外部几何轮廓，然后进行除锈路径规划；
(3) 启动高能量束发生装置，按照步骤(2)的除锈路径进行高能量束除锈清洗作业，同时记录除锈作业的时间和能耗；
(4) 根据步骤(3)获得的除锈作业的时间和能耗数据进行腐蚀情况判断，如果腐蚀情况超过设定阈值，启动修复系统，对相应部分进行表面防护修复作业；
(5) 重复上述步骤至完成整个设备的检测、除锈、修复作业。
上述技术方案中，步骤(2)中，外部几何形状由预设的设备外形数据库中获取，或者，由巡线机器人加载的非接触式几何形状探知传感器检测获取。
步骤(4)中，腐蚀情况判断采用经验数据库、人工智能模型或者机器学习模型实现。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明将表面防护系统与高能量束清洗装置结合，尤其是优选将激光熔覆技术结合到金属清洗设备中，实现了金属除锈清洗和腐蚀部位修复的一体化作业设备。
2、结合巡检机器人，本发明实现了金属清洗和金属修复的自动化作业，特别适用于大型钢结构设备例如铁塔、货轮等设备的清洗和修复恢复。
3、本发明中的巡检机器人可以由移动机器人配合无人机、自动船舶或自动潜水艇实现，从而可以适应各种场合（例如高塔、货轮、码头等）的应用需求。
附图说明
图1是本发明实施例一的设备硬件构成框图；
图2是本发明实施例一的处理过程原理图；
图3是实施例一的巡线示意图；
图中，1、巡线机器人；2、除锈加工头；3、熔覆加工头；4、锈蚀检测传感器；5、被清洗设备。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，一种高能束清洗修复一体化设备，包括巡线机器人、清洗系统和熔覆系统，巡线机器人的控制系统作为整个设备的控制系统。巡线机器人分别连接有锈蚀检测传感器、熔覆质量检测传感器；巡线机器人上具有多自由度机械手，清洗系统中的除锈加工头和熔覆系统中的熔覆加工头分别由所述多自由度机械手导向定位。
本实施例中，巡线机器人以移动机器人为本体，加载有机器视觉检测仪器和自动导航系统，由此实现对被清洗设备的自动巡检。如附图3所示，巡线机器人1根据规划路径围绕被清洗设备5进行巡检，在此过程中，锈蚀检测传感器4检测锈蚀部位，当检测到具体锈蚀部位后，清洗系统中的除锈加工头2发出高能束（例如激光）进行除锈作业，如果锈蚀程度严重，则熔覆系统中的熔覆加工头配合熔覆材料进行修复作业。
参见附图2，以石化工厂的大型金属反应器群为例，进行定期检修时，自动巡线机器人按照设置好的路线，沿着反应器周边巡检，发现有锈蚀现象，通过自身携带的外形数据库，获取该反应器的几何形状，如是新增未知种类设备，则启动非接触式几何形状探知传感器（譬如，激光等）获取几何形状，然后进行除锈路径规划，开始除锈。通过除锈的时间和高能束的能耗等，在车载的腐蚀判断系统（譬如经验数据库、人工智能模型和机器学习模型等）判断腐蚀情况，如腐蚀超过标准，针对相应部位进行熔覆，达到修复效果。
实施例二：一种激光清洗修复一体化设备，包括巡线机器人、激光清洗系统和激光熔覆系统，巡线机器人的控制系统作为整个设备的控制系统。巡线机器人分别连接有锈蚀检测传感器、熔覆质量检测传感器；巡线机器人上具有多自由度机械手，激光清洗系统中的除锈激光头和激光熔覆系统中的熔覆激光头分别由所述多自由度机械手导向定位。
本实施例中，巡线机器人由一台移动机器人和一台潜水艇构成，移动机器人和潜水艇上分别加装有机器视觉检测仪器，潜水艇经无线通信设备由移动机器人控制。
以货轮外壳为例，进入船坞检修时，移动机器人按照设置好的路线，沿着船身巡检，对于水面以下部分，控制潜水艇进行巡检。发现有锈蚀现象，通过自身携带的船型的外形数据库，获取几何形状，如是未知船型，则启动非接触式几何形状探知传感器（譬如，激光等）获取几何形状，然后进行除锈路径规划，开始除锈。通过除锈的时间和激光的能耗等，在车载的腐蚀判断系统（譬如经验数据库、人工智能模型和机器学习模型等）判断腐蚀情况，如腐蚀超过标准，针对相应部位进行激光熔覆，达到修复效果。
实施例三：一种高能量清洗修复一体化设备，包括高能束发生装置、熔覆系统和控制系统，其中，高能束发生装置采用高能量等离子束发生装置。设有巡线机器人、锈蚀检测传感器，所述锈蚀检测传感器、高能束发生装置和熔覆系统都设置在巡线机器人上，所述控制系统根据锈蚀检测传感器的检测信号，控制高能束发生装置对高铁的铁轨表面进行清洗，当被清洗设备表面腐蚀程度超过设定阈值时，在完成清洗后，所述控制系统控制等离子熔覆系统对设备表面被腐蚀位置进行表面防护修复作业，所述高能量等离子束发生装置发射功率密度>104W/cm2。

Claims (10)

1.一种高能量清洗修复一体化设备，包括高能量束发生装置和控制系统，其特征在于：设有巡线机器人、锈蚀检测传感器和修复系统，所述锈蚀检测传感器、高能量束发生装置和修复系统分别设置在巡线机器人上，锈蚀检测传感器的输出信号端与控制系统的输入端口连接，控制系统的输出端口分别连接高能量束发生装置和修复系统的控制端口，所述控制系统根据锈蚀检测传感器的检测信号，控制高能量束发生装置对被清洗设备表面进行清洗，当被清洗设备表面腐蚀程度超过设定阈值时，在完成清洗后，所述控制系统控制修复系统对设备表面被腐蚀位置进行表面防护修复作业。
2.根据权利要求1所述的高能量清洗修复一体化设备，其特征在于：所述高能量束发生装置是具有发射功率密度>104W/cm2的能量源。
3.根据权利要求1所述的高能量清洗修复一体化设备，其特征在于：所述高能量束为激光、电子束、等离子束中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的高能量清洗修复一体化设备，其特征在于：所述巡线机器人至少由一移动机器人构成，所述移动机器人上设有多自由度机械手，高能量束发生装置中的高能量束发射器和修复系统中的作业部分别由所述多自由度机械手定位导向，由控制系统控制运动路径实现对待处理表面的处理。
5.根据权利要求4所述的高能量清洗修复一体化设备，其特征在于：所述巡线机器人由一移动机器人和一自动检测装置构成，所述自动检测装置为无人机、自动船舶、自动潜水艇中的一种，所述自动检测装置上加载有机器视觉检测仪器，自动检测装置和移动机器人经无线通信连接，实现自动导航；或者，所述巡线机器人由一移动机器人构成，移动机器人上加载有机器视觉检测仪器。
6.根据权利要求5所述的高能量清洗修复一体化设备，其特征在于：所述机器视觉检测仪器中包括有非接触式几何形状探知传感器。
7.根据权利要求1所述的高能量清洗修复一体化设备，其特征在于：表面防护系统为熔覆系统，所述熔覆系统具有熔覆材料自动供料装置。
8.采用权利要求1至7中任一高能量清洗修复一体化设备进行加工的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 巡线机器人根据预设路径沿被清洗设备的周边巡检，并通过锈蚀检测传感器进行锈蚀情况判断；
(2) 当发现锈蚀情况时，首先获取锈蚀部分的外部几何轮廓，然后进行除锈路径规划；
(3) 启动高能量束发生装置，按照步骤(2)的除锈路径进行高能量束除锈清洗作业，同时记录除锈作业的时间和能耗；
(4) 根据步骤(3)获得的除锈作业的时间和能耗数据进行腐蚀情况判断，如果腐蚀情况超过设定阈值，启动修复系统，对相应部分进行表面防护修复作业；
(5) 重复上述步骤至完成整个设备的检测、除锈、修复作业。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，外部几何形状由预设的设备外形数据库中获取，或者，由巡线机器人加载的非接触式几何形状探知传感器检测获取。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤(4)中，腐蚀情况判断采用经验数据库、人工智能模型或者机器学习模型实现。
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