CN113578871A - 一种激光除锈及表面钝化改性装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光除锈及表面钝化改性装置和方法，包括激光发生器、激光传输介质、激光输出头、集成光学模块、控制器、视觉传感器、二维滑动平台和无线接入点，集成光学模块设置有激光输出头，激光发生器通过光缆连接到激光输出头，控制器通过无线接入点与激光发生器、视觉传感器、二维滑动平台连接；视觉传感器垂直安装在光学集成模块上，光学集成模块安装在二维滑动平台上。本发明针对高盐度、高温高湿地区，户外电网设备金属表面易于锈蚀影响安全运行的实际问题，提出激光除锈和表面钝化改性方法，实现带电、非接触电网设备腐蚀防护及治理，对户外电网设备金属表面除锈及钝化改性的一体操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光除锈及表面钝化改性装置和方法，属于除锈设备技术领域。
背景技术
由于电网工作具有公用性、广域性和实时性等特点，其安全关系到国家安全和社会稳定，是整个电力行业健康快速发展的重要基石。一些特殊区域由于高温、高湿、海洋盐雾、大气腐蚀，电网设备出现严重腐蚀及由此带来的较大设备缺陷影响服役寿命，并且一些关键部位腐蚀失效后，给电网带来极大安全隐患，常规的腐蚀防护和治理手段已不能较好解决，电网设备腐蚀防护新技术应用研究已是刻不容缓。
目前电力系统常用的电网设备带电清除锈蚀技术主要包括：带电水清洗、带电气吹清扫和带电机械干清扫等。带电水清洗和带电气吹扫对锈蚀严重的絮状浮锈有一定作用，但是无法完全剥离锈蚀层，清除效果差，且带电操作具有一定风险，在户外敞开式变电设备等密封情况一般、盐密度值大于最大临界值条件下或330kV以上电压等级尤其是直流换流站不适用；机械带电清扫技术，通过物理接触式清扫锈蚀，具有效率高、操作简便、技术要求低等优势，但其存在除锈效果不彻底，无法实现远距离操作，带电操作具有较大风险，对金属材料基底层造成新的创伤，加快返锈速度等明显缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种激光除锈及表面钝化改性装置和方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
本发明采取的技术方案为：一种激光除锈及表面钝化改性装置，包括激光发生器、激光传输介质、激光输出头、集成光学模块、控制器、视觉传感器、二维滑动平台和无线接入点，集成光学模块设置有激光输出头，激光发生器通过光缆连接到激光输出头，控制器通过无线接入点与激光发生器、视觉传感器、二维滑动平台连接；视觉传感器垂直安装在光学集成模块上，光学集成模块安装在二维滑动平台上。
优选的，上述集成光学模块包括光束隔离器和依次安装在光束隔离器内的可移动扩束镜和聚焦镜，光束隔离器输入端连接到激光输出头，可移动扩束镜与控制器连接。
一种激光除锈及表面钝化改性装置的改性方法，该方法包括以下步骤：
（1）获取户外电网设备待除锈位置的图像；
（2）对所述户外电网设备待除锈位置的图像进行分析，判断是否需要进行除锈处理；
（3）若需要除锈，则进行除锈处理；反之，则结束；
（4）步骤（3）完成后，开始钝化操作；
（5）将激光器功率调整为最大，按照除锈路径及速率，重新扫描钝化位置。
优选的，上述步骤（3）中除锈处理方法为：根据摄像头拍摄钢结构工件，将拍摄的照片返回到控制系统，控制系统根据图像识别技术识别钢结构工件轮廓和锈蚀区域，并据此规划激光清洗头的清洗路径，在摄像头的监控下，通过喷涂机械臂的摆动使激光清洗头对准工件要清洗的构件表面，通过测距仪测量激光清洗头与被清洗构件表面的距离，经喷涂机械臂前后摆动调整激光清洗头输出的激光聚焦在被清洗的构件表面锈蚀处的起点位置；然后启动激光器，激光通过光纤由激光清洗头聚焦输出，摆动机械臂按规划的清洗路径执行清洗作业，摄像头和测距仪实时监控清洗过程，实时调整聚焦距离，保证焦点始终位于锈蚀区域，一段清洗作业完成后，行走小车移动至下一位置，重复上述过程直至完成整个设备作业任务。
图像识别分析方法的详细步骤：
第一步、采集图像；
第二步、图像预处理；
第三步、彩色图像灰度化及二值处理；
第四步、将对零件图二值化后的结果图作开运算和闭运算处理；开运算是对原图先腐蚀后膨胀的处理，在分离粘连目标物的同时，基本保持原目标物的大小；闭运算是对原图先膨胀后腐蚀的处理，在合并断裂目标物的同时，基本保持原目标物的大小，最终获得零件轮廓，即零件轮廓坐标。
清洗路径规划方法为：将零件轮廓坐标解算，根据零件轮廓坐标的转换关系得到转动坐标，计算出机械手臂操作指令，该指令对应于从扫描路径起点到终点机械手臂需要活动的路径。
除锈处理方法采用的除锈装置包括激光清洗头、喷涂机械臂、行走小车和激光器，喷涂机械臂安装在行走小车上，激光清洗头安装在喷涂机械臂自由端部并连接到激光器，喷涂机械臂自由端部还安装有摄像头和测距仪。
优选的，上述激光清洗头、测距仪、摄像头、喷涂机械臂、行走小车和激光器连接到控制系统。
优选的，上述喷涂机械臂采用六个自由度。
优选的，上述激光器通过光纤连接到激光清洗头。
优选的，上述喷涂机械臂可拆卸地安装在行走小车上，激光清洗头、摄像头和测距仪可拆卸地安装在喷涂机械臂上。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明针对高盐度、高温高湿地区，户外电网设备金属表面易于锈蚀影响安全运行的实际问题，提出激光除锈和表面钝化改性方法，实现带电、非接触电网设备腐蚀防护及治理，对户外电网设备金属表面除锈及钝化改性的一体操作，以解决传统除锈方式对户外电网设备除锈效果差、带电作业风险高、易于返锈的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为集成光学模块的结构示意图；
图3为除锈装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1-3所示，一种激光除锈及表面钝化改性装置，包括机体和安装在机体上的激光发生器1、激光传输介质2、激光输出头3、集成光学模块4、控制器5、视觉传感器6、二维滑动平台7和无线接入点9，集成光学模块4设置有激光输出头3，激光发生器1通过光缆2连接到激光输出头3，控制器5通过无线接入点9（无线模块）与激光发生器1、视觉传感器6、二维滑动平台7连接；视觉传感器6垂直安装在光学集成模块4上，光学集成模块4安装在二维滑动平台7上。集成光学模块对所述户外电网设备进行除锈或采用单独除锈机器人进行除锈和表面钝化改性；所述视觉传感器用于将户外电网设备图像、除锈和表面钝化改性图像实时传输回控制器中。
优选的，上述集成光学模块4包括光束隔离器44和依次安装在光束隔离器4内的可移动扩束镜45和聚焦镜46，光束隔离器44输入端连接到激光输出头3，可移动扩束镜45安装在电动导轨上，电动导轨的驱动电机与控制器5连接。
本发明提供的激光除锈和表面钝化改性的装置对户外电网设备生锈的区域进行激光除锈和表面钝化改性，通过视觉传感器实时监测除锈表面，如果发现经激光除锈后，户外电网设备的表面未现钝化层，随即对该表面进行钝化改性处理。本发明提供的激光除锈和表面钝化改性的装置不仅实现了对户外电网设备进行带电除锈，并且实现了对户外电网设备表面的钝化改性，降低了发生故障的概率，大大延缓返锈速度。
如图2所示，为本发明提供的集成光学模块4的结构示意图，集成光学模块4包括依次排列的激光发生器41、光缆2（激光传输介质）、激光输出头3、光束隔离器44、可移动扩束镜45、聚焦镜46。图2中箭头表示激光束的传播方向，控制器5发出指令给激光发生器1，激光发生器1接收指令后发出激光束，激光束通过光缆2将激光传输介质到达激光输出头43，经过光束隔离器44输入端，然后进入可移动扩束镜45实现扩束准直，扩束准直后的激光束再经过焦镜46后实现激光除锈及表面钝化改性的功能。
将激光除锈和表面钝化改性的装置放置于合适的位置，通过控制器5控制集成光学模块4，通过集成光学模块4将一束激光通过移动扩束镜和聚焦镜实现光束整形聚焦，通过控制器5控制二维滑动平台，承载主体移动，进而实现除锈和表面钝化改性的一次性操作。
实施例2：如图3所示，一种激光除锈及表面钝化改性装置的改性方法，该方法包括以下步骤：
（1）获取户外电网设备8待除锈位置的图像；
（2）对所述户外电网设备8待除锈位置的图像进行分析，判断是否需要进行除锈处理；
（3）若需要除锈，则进行除锈处理；反之，则结束；
（4）步骤（3）完成后，开始钝化操作；
（5）将激光器功率调整为最大，按照除锈路径及速率，重新扫描钝化位置。
优选的，上述除锈处理方法为：根据摄像头拍摄钢结构工件，将拍摄的照片返回到控制系统，控制系统根据图像识别技术识别钢结构工件轮廓和锈蚀区域，并据此规划激光清洗头的清洗路径，在摄像头的监控下，通过喷涂机械臂的摆动使激光清洗头对准工件要清洗的构件表面，通过测距仪测量激光清洗头与被清洗构件表面的距离，经喷涂机械臂前后摆动调整激光清洗头输出的激光聚焦在被清洗的构件表面锈蚀处的起点位置；然后启动激光器，激光通过光纤由激光清洗头聚焦输出，摆动机械臂按规划的清洗路径执行清洗作业，摄像头和测距仪实时监控清洗过程，实时调整聚焦距离，保证焦点始终位于锈蚀区域，一段清洗作业完成后，行走小车移动至下一位置，重复上述过程直至完成整个设备作业任务。
图像识别分析方法的详细步骤：
第一步、采集图像；
第二步、图像预处理；
第三步、彩色图像灰度化及二值处理；
第四步、将对零件图二值化后的结果图作开运算和闭运算处理；开运算是对原图先腐蚀后膨胀的处理，在分离粘连目标物的同时，基本保持原目标物的大小；闭运算是对原图先膨胀后腐蚀的处理，在合并断裂目标物的同时，基本保持原目标物的大小，最终获得零件轮廓，即零件轮廓坐标。
清洗路径规划方法为：将零件轮廓坐标解算，根据零件轮廓坐标的转换关系得到转动坐标，计算出机械手臂操作指令，该指令对应于从扫描路径起点到终点机械手臂需要活动的路径。
一套完整的激光清洗系统一般要具备以下几个部分:激光器系统、光束调整传输系统、移动平台或激光扫描系统、实时监控系统，半/全自动控制操作系统以及其它辅助系统等部分。激光器系统产生激光并通过光束调整传输系统聚焦整形获得清洗用的激光束；移动平台或激光扫描系统通过移动工件或激光束形成扫描路径来完成清洗作业，按运动部件的类型可以分为主动式与被动式。主动式是指将被清洗物品置于移动平台上,激光器保持位置不动，通过移动平台来清除样品的各个位置,主要用于较小和便于拆卸的清洗部件；被动式正相反，被清洗物体不动，移动平台带动激光器或激光输出端运动来进行清洗；实时监控系统，用于对清洗过程实时监控；自动控制操作系统控制整个系统运行。
激光器系统、光束调整传输系统构成清洗系统的光学核心部分，决定了激光清洗系统的性能及适用范围。激光器主要有CO2激光器、Ruby激光器、Nd-YAG激光器、准分子激光器、光纤激光器等，通常需要根据清洗对象和清洗方式来决定选用不同的激光器。光束调整传输系统一般是由一些特殊的光学元件组成,其目的是根据实际要求来调整激光器输出激光的光斑形状、大小、能量分布。对于同种类型的清洗方式和机制，当激光器的功率/能量一定时,我们就可以根据被清洗污物或微粒的难易程度,简单的通过调整光斑的面积来使输出激光具有不同的能量密度。
按移动平台或激光扫描的操作方式，现有的激光清洗设备可分为手动方式和自动方式。手动方式是通过操作人员手持导光装置输出端来将激光输出到指定的清洗部位，使用起来比较简单、方便，但自动化程度低，适用于比较简单的操作环境、单件小批量清洗作业。清洗质量受人员操作水平影响较大，劳动强度大，作业环境恶劣，有一定的安全隐患。自动方式是使用机械手或移动平台,实现计算机控制，对清洗路径和工艺参数事先编程，根据被清洗物体结构的复杂程度做二维或三维移动扫描，有的甚至可以旋转或做其它复杂运动，可以实现很高的移动定位精度。清洗过程非人工操作，清洗质量好，一致性高。
当前全自动的清洗方式适合于流水线或其它固定工位对固定种类的零件清洗作业。钢结构件因结构形式复杂多样，尺寸庞大，作业环境多变，目前还只能用手动方式的激光清洗设备人工清洗。工人劳动强度大，清洗质量难以保证。
基于上述原因，本专利提出一种全自动的激光清洗机器人，通过对激光束焦点精确控制，实现对光束能量密度的精确控制。通过自动控制系统对光束扫描路径自动规划和扫描速度精确控制达到清洗质量和清洗效率最优状态，并实现自动清洗作业。
实施例1：如图4所示，一种全自动的激光清洗机器人，包括激光清洗头1、喷涂机械臂4、行走小车5和激光器7，喷涂机械臂4安装在行走小车5上，激光清洗头1安装在喷涂机械臂4自由端部并连接到激光器7，喷涂机械臂4自由端部还安装有摄像头3测距仪2；激光清洗头1、测距仪2、摄像头3、喷涂机械臂4、行走小车5和激光器7连接到控制系统6。通过对激光束焦点精确控制，实现对光束能量密度的精确控制。通过自动控制系统对光束扫描路径自动规划和扫描速度精确控制达到清洗质量和清洗效率最优状态，并实现自动清洗作业。
优选的，上述喷涂机械臂4采用六个自由度。
优选的，上述激光器7通过光纤连接到激光清洗头1。
优选的，上述喷涂机械臂4可拆卸地安装在行走小车5上，激光清洗头1、摄像头3和测距仪2可拆卸地安装在喷涂机械臂4上，可拆卸结构安装，根据被清洗钢结构工件的形状特点可以选择不同的机器人底盘，和不同形状、自由
度的机械臂以适应不同的作业需求。
随着人工智能技术的发展，图像识别技术也日趋成熟，在众多行业得到广泛应用。图像识别，是指利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象的技术，是深度学习算法的一种实践应用。图像识别的流程分为四个步骤：图像采集→图像预处理→特征提取→图像识别。而图像识别的第一步就是先识别图像的边缘确定物体的轮廓，进而配合图像的其它特征识别物体。
利用图像识别技术，配合测距设备即可对物体实现三维建模。在本专利中，利用装在设备上的摄像头实时拍摄被清洗钢结构件的图像送到控制计算机中进行识别处理，同时配合测距仪测到的距离信息既能确定被清洗部件的轮廓形状，尺寸大小。然后根据预设的激光功率大小，激光功率密度，扫描速度，清洗质量要求等信息自动规划出激光清洗的扫描路径。根据规划的扫描路径自动完成清洗作业。同时，在清洗过程中通过测距仪的不断测距，确定激光焦点的位置，控制执行机构实时调整激光焦点的位置，实现激光焦点对被清洗表面起伏的位置跟踪，使激光束的功率密度保持稳定，保证清洗质量的稳定。
由于钢结构部件尺寸较大，本专利激光扫描采用被动方式：工件不动，激光束移动的方式。为实现自动清洗作业，移动执行机构采用可自动控制的多自由度机械臂，配合移动小车底盘的结构方式。实施时，为减轻扫描部件的重量可只将激光输出部件装到机械臂上，激光器，控制系统装在小车底盘上。激光器通过光纤与激光输出部件相连接输出激光。机械臂上同时装有摄像头和测距仪部件。控制系统，作为整机的控制中心，各激光器、机械臂、小车底盘、摄像头、测距仪等部件均与控制系统相连接，接受控制系统控制，并反馈各自的工作状态。控制系统还接收摄像头和测距仪的数据完成智能运算处理工作。并接收操作人员的控制指令，并向有关人员反馈工作状态信息。
实施例2：一种激光除锈及表面钝化改性装置的清洗方法，该方法为： 根据摄像头拍摄钢结构工件，将拍摄的照片返回到控制系统，控制系统根据图像识别技术识别钢结构工件轮廓和锈蚀区域，并据此规划激光清洗头的清洗路径，在摄像头的监控下，通过喷涂机械臂的摆动使激光清洗头对准工件要清洗的构件表面，通过测距仪测量激光清洗头与被清洗构件表面的距离，经喷涂机械臂前后摆动调整激光清洗头输出的激光聚焦在被清洗的构件表面锈蚀处的起点位置；然后启动激光器，激光通过光纤由激光清洗头聚焦输出，摆动机械臂按规划的清洗路径执行清洗作业，摄像头和测距仪实时监控清洗过程，实时调整聚焦距离，保证焦点始终位于锈蚀区域，一段清洗作业完成后，行走小车移动至下一位置，重复上述过程直至完成整个设备作业任务。
图像识别分析方法的详细步骤：
第一步、采集图像；
第二步、图像预处理；
第三步、彩色图像灰度化及二值处理；
第四步、将对零件图二值化后的结果图作开运算和闭运算处理；开运算是对原图先腐蚀后膨胀的处理，在分离粘连目标物的同时，基本保持原目标物的大小；闭运算是对原图先膨胀后腐蚀的处理，在合并断裂目标物的同时，基本保持原目标物的大小，最终获得零件轮廓，即零件轮廓坐标。
清洗路径规划方法为：将零件轮廓坐标解算，根据零件轮廓坐标的转换关系得到转动坐标，计算出机械手臂操作指令，该指令对应于从扫描路径起点到终点机械手臂需要活动的路径。
本发明具有如下优点：
（1）由摄像头成像并通过图像处理软件识别自动获得钢结构工件的结构轮廓，并由此自动确定激光清洗扫描的轮廓边界和扫描路径。完成形状复杂多变零件的自动清洗作业；
（2）由测距仪测距并辅以机械臂摆动自动完成激光精确聚焦，并在作业过程中动态跟踪调节焦点位置，在整个清扫过程中维持准确的焦点位置，保证清洗质量；
（3）可根据被清洗钢结构工件的形状特点可以选择不同的机器人底盘，和不同形状、自由度的机械臂以适应不同的作业需求；
（4）清洗过程可全部自动完成，省工省时。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种激光除锈及表面钝化改性装置，其特征在于：包括激光发生器（1）、激光传输介质（2）、激光输出头（3）、集成光学模块（4）、控制器（5）、视觉传感器（6）、二维滑动平台（7）和无线接入点（9），集成光学模块（4）设置有激光输出头（3），激光发生器（1）通过光缆（2）连接到激光输出头（3），控制器（5）通过无线接入点（9）与激光发生器（1）、视觉传感器（6）、二维滑动平台（7）连接；视觉传感器（6）垂直安装在光学集成模块（4）上，光学集成模块（4）安装在二维滑动平台（7）上。
2.根据权利要求1所述的一种激光除锈及表面钝化改性装置，其特征在于：集成光学模块（4）包括光束隔离器（44）和依次安装在光束隔离器（4）内的可移动扩束镜（45）和聚焦镜（46），光束隔离器（44）输入端连接到激光输出头（3），可移动扩束镜（45）与控制器通过无线接入点（5）连接。
3.根据权利要求1-2所述的一种激光除锈及表面钝化改性装置的改性方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）获取户外电网设备（8）待除锈位置的图像；
（2）对所述户外电网设备（8）待除锈位置的图像进行分析，判断是否需要进行除锈处理；
（3）若需要除锈，则进行除锈处理；反之，则结束；
（4）步骤（3）完成后，开始钝化操作；
（5）将激光器功率调整为最大，按照除锈路径及速率，重新扫描钝化位置。
4.根据权利要求3所述的一种激光除锈及表面钝化改性装置的改性方法，其特征在于：除锈处理方法为：根据摄像头拍摄钢结构工件，将拍摄的照片返回到控制系统，控制系统根据图像识别技术识别钢结构工件轮廓和锈蚀区域，并据此规划激光清洗头的清洗路径，在摄像头的监控下，通过喷涂机械臂的摆动使激光清洗头对准工件要清洗的构件表面，通过测距仪测量激光清洗头与被清洗构件表面的距离，经喷涂机械臂前后摆动调整激光清洗头输出的激光聚焦在被清洗的构件表面锈蚀处的起点位置；然后启动激光器，激光通过光纤由激光清洗头聚焦输出，摆动机械臂按规划的清洗路径执行清洗作业，摄像头和测距仪实时监控清洗过程，实时调整聚焦距离，保证焦点始终位于锈蚀区域，一段清洗作业完成后，行走小车移动至下一位置，重复上述过程直至完成整个设备作业任务。
5.根据权利要求4所述的一种激光除锈及表面钝化改性装置的改性方法，其特征在于：除锈处理方法采用的除锈装置包括激光清洗头、喷涂机械臂、行走小车和激光器，喷涂机械臂安装在行走小车上，激光清洗头安装在喷涂机械臂自由端部并连接到激光器，喷涂机械臂自由端部还安装有摄像头（3）和测距仪。
6.根据权利要求5所述的一种激光金属件清洗除锈钝化机器人，其特征在于：激光清洗头、测距仪、摄像头、喷涂机械臂、行走小车和激光器连接到控制系统，控制系统连接到控制器（5）。
7.根据权利要求4所述的一种激光除锈及表面钝化改性装置的改性方法，其特征在于：图像识别分析方法的详细步骤：
第一步、采集图像；
第二步、图像预处理；
第三步、彩色图像灰度化及二值处理；
第四步、将对零件图二值化后的结果图作开运算和闭运算处理；开运算是对原图先腐蚀后膨胀的处理，在分离粘连目标物的同时，基本保持原目标物的大小；闭运算是对原图先膨胀后腐蚀的处理，在合并断裂目标物的同时，基本保持原目标物的大小，最终获得零件轮廓，即零件轮廓坐标。
8.根据权利要求6所述的一种激光除锈及表面钝化改性装置的改性方法，其特征在于：清洗路径规划方法为：将零件轮廓坐标解算，根据零件轮廓坐标的转换关系得到转动坐标，计算出机械手臂操作指令，该指令对应于从扫描路径起点到终点机械手臂需要活动的路径。
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