CN112620949A - 一种激光除锈钢构件表面粗糙度控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种激光除锈钢构件表面粗糙度控制方法，采用的除锈装置包括由左轨道及右轨道组成推进机构，和传动连接于所述推进机构上的龙门架，可受驱动沿龙门架横梁上运动的吊臂，吊臂下方固定连接有悬架，悬架上安装有工作头；所述工作头包括正方形框架，所述正方形框架由四条长度相同的框条构成，分别是后框条、前框条、左框条和右框条，所述左框条和所述右框条中点处分别安装有摄像头，所述左框条和所述右框条下方安装有照明灯组，使对应的摄像头的拍摄范围内的照度均一。

Description

一种激光除锈钢构件表面粗糙度控制方法

技术领域

本申请涉及土木工程建筑材料预处理领域，具体涉及一种激光除锈钢构件表面粗糙度控制方法。

背景技术

钢构件是常用的建筑工程材料，其在工厂预制后在施工现在进行安装，然后需要进行涂装。不同的建筑场合对钢构件的表面质量有不同的要求，如为防腐、抗老化的需求，需要对钢构件表面因存放时间久或施工环境不理想而产生的锈蚀进行去除，同时为使涂装物有更好的附着力，还需要除锈后的钢构件表面达到一定的表面粗糙度要求。

有一种清洁环保的除锈方法，其采用向锈面发射激光脉冲的方法，使锈蚀处吸收能量达到熔融，使锈层脱落。有研究发现，除锈激光脉冲扫描过的区域，其会形成如水波纹一般的表面形貌，进而改变钢构件表面的表面粗糙度。还有进一步研究发现，对钢材表面进行多次或重复的激光照射，其表面粗糙度变化为先变小(锈点清除)再变大(表面烧伤)，因此如果涂装或装配对钢构件的表面粗糙度有一定要求，目前的技术还无法在除锈之余兼顾表面粗糙度的控制。

另外，大型钢构件的表面锈蚀往往由雨水或除潮不佳造成，锈迹的分布并不均匀，如果采用现有技术中统一进行激光照射的除锈方式，有锈迹的位置锈斑去除，而无锈迹或锈迹较薄的位置将被烧伤，得到不均匀的表面质量，不利于后续的涂装作业。

发明内容

(一)技术问题

1.针对锈迹不均匀的建材构件，提出一种可以针对性除锈的方法；

2.控制整体作业后的构件表面粗糙度，达到表面粗糙度均一并符合涂装要求。

(二)技术方案

针对上述技术问题，本申请提出一种激光除锈钢构件表面粗糙度控制方法，采用的除锈装置包括由左轨道及右轨道组成推进机构，和传动连接于所述推进机构上的龙门架，可受驱动沿龙门架横梁上运动的吊臂，吊臂下方固定连接有悬架，悬架上安装有工作头；所述工作头包括正方形框架，所述正方形框架由四条长度相同的框条构成，分别是后框条、前框条、左框条和右框条，所述左框条和所述右框条中点处分别安装有摄像头，所述左框条和所述右框条下方安装有照明灯组，使对应的摄像头的拍摄范围内的照度均一；所述后框条和前框条上还设置有活动机构，传动连接于所述活动机构上的滑梁可以在自身平行于左框条的情况下沿垂直于左框条的方向在活动机构的驱动下匀速运动；所述滑梁上设有激光头，激光头在扫描机构的驱动下可沿滑梁来回运动；还包括控制系统，其特征在于：包括

(1)试样处理，将待处理的构件或构件同种材料的试样打磨去除表层，露出其有金属光泽的无氧化表面；

(2)表面采样，将处理后的试样放置于工作头上摄像头的摄像范围以内，开启照明灯组，拍摄试样表面画面，控制器将画面转换为灰度图像并存储为标准图样；

(3)控制龙门架运动，从待作业的区域外向作业区域运动并停驻，工作头对正对的区域进行处理，直到扫过整个作业区域；

(3.1)工作头从龙门架一端向另一端运动并停驻，开启照明灯组，摄像头拍摄所正对的工件表面并将画面转换为灰度图像，记录灰度值比标准图样更深的坐标区域位置及每个坐标下灰度值与标准图样的灰度值的比值，形成坐标向量(x,y,d)，其中x,y为该坐标下的所述比值；

(3.2)滑梁在行程范围内扫动，激光头沿滑梁来回运动，遍历方形框内的每一个坐标点，根据坐标向量向该点发射功率不同的激光脉冲；

(4)移动工作头到下一位置；

(5)移动龙门架到下一位置，并重复(3)-(4)步骤。

进一步地，在步骤(1)中调节照明灯组的色温，使试样的有金属光泽的无氧化表面在摄像头的画面中接近白色。

进一步地，正方形框上还设有吹风系统，在步骤(3)-(5)的过程中对作业面进行吹风。

进一步地，所述正方形框架6的端点上还关于正方形框的中心点中心对称设置有前扫臂14及后扫臂15，扫壁的长度与正方形框架的边长相同，并可以绕与正方形框的连接点摆动，每个扫臂上均匀阵列设置有激光头。

进一步地，在步骤(3)-(5)中，所述扫臂上的激光头以相同的参数工作。

进一步地，所述前扫臂和后扫臂可以完全闭合并紧贴于方形框架6。

进一步地，在不需要除锈而仅需要控制构件表面粗糙度的情况下，所述步骤(3)还包括(3.3)，合闭两个扫臂，并至少有一个扫臂上的激光头遍历构件表面进行烧蚀。

进一步地，所述推进机构为电机螺杆机构。

进一步地，所述活动机构为丝杆滑块机构。

进一步地，所述扫描机构为电机螺杆机构。

容易知道，上述驱动机构主要驱动各级执行机构的运动，不限于上述选择，也可以采用同类的传动机构，如链传动，同步带传动，液压气动机构等。

进一步地，所述吊臂可调节悬架的悬吊高度，其与悬架的悬挂连接点为铰铰链连接，可以改变悬架的悬吊角度。

这是为适应工作面不是平面的钢构件，其可适应性地正对待作业面。

(三)有益效果

1.本申请提出结合图像处理的方式，针对性地对表面腐蚀情况不均的构件进行处理，达到针对性除锈且不烧伤工件的技术效果；

2.在除锈之后还进行均一化处理，使处理后的表面质量均一，并达到涂装要求的表面粗糙度范围。

附图说明

图1为本申请的装置整体示意图；

图2为本申请的装置正面视图；

图3为本申请工作头局部放大图；

图4为本申请工作头局部俯视图；

图5为本申请扫描部局部放大图；

图6为扫臂转轴部局部放大图；

图7为扫臂扫动过程示意图；

图8为扫臂完全合闭示意图(注意图中另一扫臂保持打开状态作为对比)。

附图标记

1.左轨道

2.右轨道

3.龙门架

4.吊臂

5.悬架

6.正方框架

7.后框条

8.前框条

9.左框条

10.右框条

11.右摄像头

12.示意性的右摄像头拍摄范围

13.照明灯组

14.前扫臂

15.后扫臂

16.激光头

17.滑梁

18.推进机构

19.滑块

20.激光头

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

如图1-8所示，根据本申请的一种激光除锈钢构件表面粗糙度控制方法，采用的除锈装置包括由左轨道1及右轨道2组成推进机构，和传动连接于所述推进机构上的龙门架3，可受驱动沿龙门架3横梁上运动的吊臂4，吊臂4下方固定连接有悬架，悬架上安装有工作头；所述工作头包括正方形框架6，所述正方形框架6由四条长度相同的框条构成，分别是后框条8、前框条7、左框条9和右框条10，所述左框条9和所述右框条10中点处分别安装有摄像头，所述左框条9和所述右框条10下方安装有照明灯组，使对应的摄像头的拍摄范围内的照度均一；所述后框条8和前框条7上还设置有活动机构，传动连接于所述活动机构上的滑梁17可以在自身平行于左框条的情况下沿垂直于左框条的方向在活动机构的驱动下匀速运动；所述滑梁17上设有激光头20，激光头20在扫描机构的驱动下可沿滑梁17来回运动；还包括控制系统，其特征在于：包括

(1)试样处理，将待处理的构件或构件同种材料的试样打磨去除表层，露出其有金属光泽的无氧化表面；

(2)表面采样，将处理后的试样放置于工作头上摄像头的摄像范围以内，开启照明灯组，拍摄试样表面画面，控制器将画面转换为灰度图像并存储为标准图样；

(3)控制龙门架运动，从待作业的区域外向作业区域运动并停驻，工作头对正对的区域进行处理，直到扫过整个作业区域；

(3.1)工作头从龙门架一端向另一端运动并停驻，开启照明灯组，摄像头拍摄所正对的工件表面并将画面转换为灰度图像，记录灰度值比标准图样更深的坐标区域位置及每个坐标下灰度值与标准图样的灰度值的比值，形成坐标向量(x,y,d)，其中x,y为该坐标下的所述比值；

(3.2)滑梁在行程范围内扫动，激光头沿滑梁来回运动，遍历方形框内的每一个坐标点，根据坐标向量向该点发射功率不同的激光脉冲；

(4)移动工作头到下一位置；

(5)移动龙门架到下一位置，并重复(3)-(4)步骤。

在上述方案中，首先是龙门架和吊架，其跨座在待除锈工件的上方，可以使工作头扫描到工件的全部位置，但每到一处待除锈的位置，先由摄像头拍摄工作头即将运动到的位置的图像，因为锈蚀的成份为铁或其他金属的氧化物，颜色较深，因此可以方便地对比出有锈斑的位置和无锈斑的位置，接着，得益于正方形框的形状设计，其上的滑梁和滑梁上的激光头可以在正方形框的范围内活动，并遍历每一个点，这时根据图像对比的结果，改变激光头的输出功率，即可针对不均匀的锈斑进行针对性地除锈；

上面的过程中还要注意，摄像头拍摄锈面的图像之前，还要开启照明灯组，使图像识别不受阴影情况的干扰。

另外，正方形框的结构和器件都是对称的，其左框条上也有照明灯组及摄像头，这是为方便工作头随吊臂进行左右来回的扫描。

进一步地，在步骤(1)中调节照明灯组的色温，使试样的有金属光泽的无氧化表面在摄像头的画面中接近白色。

无锈的金属构件如钢构件，其颜色为银白色(但根据材料牌号的不同也会有其他颜色)，为降低图像处理的复杂度，可以通过改变照明灯组色温的方式，使构件的主体在摄像头的取景器中接近白色，增加与锈蚀部位的对比度。

进一步地，正方形框上还设有吹风系统，在步骤(3)-(5)的过程中对作业面进行吹风。

用于在摄像头拍摄前吹掉可能落在钢构件上的杂物、泥土及激光除锈清掉的锈斑。

以上过程，保证了针对锈蚀情况不均匀的钢构件，可以仅针对有锈蚀的位置进行激光除锈作业，并且根据锈蚀程度调节激光的功率，使钢构件的表面情况大体统一。

背景技术的研究也提示，如果反复对钢构件进行激光除锈，其表面粗糙度会随着激光照射次数的增加而先降低(除锈斑)再增加(烧伤)，而表面粗糙度对于后面的涂装及其他工艺有比较大的影响，一般要求所有的工作面表面粗糙度一致并在国标要求的范围内，而在上面的过程中，进行过除锈和被判断为无锈而关闭激光头的位置，其处理后的表面粗糙度是完全不同的，一般认为经过激光照射的构件表面粗糙度更大并更适合涂装，因此还需要对除锈之后的构件表面进行一致性处理，即

进一步地，所述正方形框架6的端点上还关于正方形框的中心点中心对称设置有前扫臂14及后扫臂15，扫壁的长度与正方形框架的边长相同，并可以绕与正方形框的连接点摆动，每个扫臂上均匀阵列设置有激光头。

进一步地，在步骤(3)-(5)中，所述扫臂上的激光头以相同的参数工作。

按龙门架及吊臂的实际运动路径，一般同一时间内只需要一个扫臂进行工作。比如图1中，假设工作头由左向右运动，而龙门架由后向前运动，这种情况下正方形框内的激光头扫描结束后，龙门架向前移动一个方形框边长的行程，然后完全展开的后扫臂在吊臂的下一次横向运动过程中再完全扫过龙门架移动前正方形框内的激光头已经照射过的区域，因为此区域内的锈迹已经清除，因此扫臂上的各激光头采用同样的功率再进行照射(烧蚀)，使构件表面的粗糙度均一。

这里要注意，除锈操作并不是为了使构件表面光滑，而是要最终使表面有一定的粗糙度，不然涂料无法附着，而激光作用于钢构件的特性，也使本申请设计了先除锈再烧蚀表面的两步流程，使构件达到最理想的预处理状态。

在理想的情况下，钢构件的表面情况完全相同，即不存在不均匀的锈斑，则不需要特别和图像处理的方式进行针对性处理，这时可以使两个扫臂闭合，获得更好的机构刚度和控制便捷性，而直接使用扫臂上激光头进行表面处理即可。可以仅用一只扫臂作业，也可以两只扫臂共用，在后一种情况下，相当于同样功率的激光头在一次行程中对钢构件反复照射了两次，参见说明书附图7-8。

进一步地，所述前扫臂和后扫臂可以完全闭合并紧贴于方形框架6。

进一步地，在不需要除锈而仅需要控制构件表面粗糙度的情况下，所述步骤(3)还包括(3.3)，合闭两个扫臂，并至少有一个扫臂上的激光头遍历构件表面进行烧蚀。

如果有特别需要，即使不合闭，也可以两只扫臂同时工作，因为方形框为正方形的巧妙设计，扫臂的长度也等于方形框的边长，因此在工作的时候扫臂也可以不合闭而同时工作，其随悬架进行扫描运动，因为两个扫臂的错开而在工件表面留下斑马条纹一样的工作区，随后再回头遍历一遍，即使完全作用所有的表面。这种操作方式适用于可以一次烧蚀出理想表面粗糙度的情况。

进一步地，所述推进机构为电机螺杆机构。

进一步地，所述活动机构为丝杆滑块机构。

进一步地，所述扫描机构为电机螺杆机构。

容易知道，上述驱动机构主要驱动各级执行机构的运动，不限于上述选择，也可以采用同类的传动机构，如链传动，同步带传动，液压气动机构等。

进一步地，所述吊臂可调节悬架的悬吊高度，其与悬架的悬挂连接点为铰铰链连接，可以改变悬架的悬吊角度。

这是为适应工作面不是平面的钢构件，其可适应性地正对待作业面。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种激光除锈钢构件表面粗糙度控制方法，采用的除锈装置包括由左轨道及右轨道组成推进机构，和传动连接于所述推进机构上的龙门架，可受驱动沿龙门架横梁上运动的吊臂，吊臂下方固定连接有悬架，悬架上安装有工作头；所述工作头包括正方形框架，所述正方形框架由四条长度相同的框条构成，分别是后框条、前框条、左框条和右框条，所述左框条和所述右框条中点处分别安装有摄像头，所述左框条和所述右框条下方安装有照明灯组，使对应的摄像头的拍摄范围内的照度均一；所述后框条和前框条上还设置有活动机构，传动连接于所述活动机构上的滑梁可以在自身平行于左框条的情况下沿垂直于左框条的方向在活动机构的驱动下匀速运动；所述滑梁上设有激光头，激光头在扫描机构的驱动下可沿滑梁来回运动；还包括控制系统，其特征在于：包括

(1)试样处理，将待处理的构件或构件同种材料的试样打磨去除表层，露出其有金属光泽的无氧化表面；

(2)表面采样，将处理后的试样放置于工作头上摄像头的摄像范围以内，开启照明灯组，拍摄试样表面画面，控制器将画面转换为灰度图像并存储为标准图样；

(3)控制龙门架运动，从待作业的区域外向作业区域运动并停驻，工作头对正对的区域进行处理，直到扫过整个作业区域；

(3.1)工作头从龙门架一端向另一端运动并停驻，开启照明灯组，摄像头拍摄所正对的工件表面并将画面转换为灰度图像，记录灰度值比标准图样更深的坐标区域位置及每个坐标下灰度值与标准图样的灰度值的比值，形成坐标向量(x,y,d)，其中x,y为该坐标下的所述比值；

(3.2)滑梁在行程范围内扫动，激光头沿滑梁来回运动，遍历方形框内的每一个坐标点，根据坐标向量向该点发射功率不同的激光脉冲；

(4)移动工作头到下一位置；

(5)移动龙门架到下一位置，并重复(3)-(4)步骤。

2.根据权利要求1所述的一种激光除锈钢构件表面粗糙度控制方法，其特征在于：在步骤(1)中调节照明灯组的色温，使试样的有金属光泽的无氧化表面在摄像头的画面中接近白色。

3.根据权利要求1所述的一种激光除锈钢构件表面粗糙度控制方法，其特征在于：正方形框上还设有吹风系统，在步骤(3)-(5)的过程中对作业面进行吹风。

4.根据权利要求1所述的一种激光除锈钢构件表面粗糙度控制方法，其特征在于：所述正方形框架的端点上还关于正方形框的中心点中心对称设置有前扫臂及后扫臂，扫壁的长度与正方形框架的边长相同，并可以绕与正方形框的连接点摆动，每个扫臂上均匀阵列设置有激光头。

5.根据权利要求1所述的一种激光除锈钢构件表面粗糙度控制方法，其特征在于：在步骤(3)-(5)中，所述扫臂上的激光头以相同的参数工作。

6.根据权利要求5所述的一种激光除锈钢构件表面粗糙度控制方法，其特征在于：所述前扫臂和后扫臂可以完全闭合并紧贴于方形框架。

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