CN113649359A - 用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备、系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备、系统及方法，包括自动车辆，所述自动车辆内安装有升降装置，所述升降装置的顶面设置有平台，所述平台上安装有激光发生器，所述激光发生器前方的平台上安装机械臂，所述机械臂的头部安装激光投射装置，所述激光投射装置上安装有激光传导装置。本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过激光除漆设备、激光除漆系统和激光除漆方法的配合工作，可以方便的完成对飞机整机的除漆工作，全自动完成，工作可靠性好，工作效率高，安全性能好。

Description

用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备、系统及方法

技术领域

本发明涉及除漆装置技术领域，尤其是一种用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备、系统及方法。

背景技术

飞机的维护手册要求定期去除飞机蒙皮表面的油漆并重新喷漆。传统的飞机蒙皮除漆方法主要包括溶剂除漆、机械除漆和喷砂除漆。但是都存在一定的缺陷：

(1)溶剂除漆具有较高的效率，但污染严重；另外除漆用的溶剂对飞机复合材料有腐蚀性，不能用于飞机复合材料部位。

(2)机械除漆是指传统手工打磨。该方法效率较低，但精准度低，且容易破坏飞机蒙皮材料。

(3)喷砂除漆，如喷塑料丸工艺的效率，在成本及环保性方面都优于溶剂喷漆，是一种有效的复合材料表面除漆工艺，但是这种工艺对工作环境有很高的要求。

由于这些传统方法的缺点和局限性，业界一直在探索环保、高效、安全的替代除漆方法。激光除漆是其中被重点研究的方法。该方法利用激光高能量脉冲让材料表面的漆层发生瞬间蒸发、剥离作用，以实现洁净且高效的除漆效果。与传统除漆工艺相比，激光褪漆的环保性大幅提高，而且该工艺更易实现精准的控制，达到更高的安全性和效率；另外这种工艺能够适用于金属蒙皮和复合材料表面的除漆。

目前，现有技术中的激光除漆系统均为针对飞机部件除漆的小规模系统，无法实现对飞机整机的全自动喷漆，无法满足使用要求，工作效率低。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备、系统及方法，从而集成智能机器人技术，实现大型飞机的整机覆盖型的除漆工作，并采用智能感知和先进控制技术，实现对系统运动和除漆工艺的精准控制，确保该系统除漆的安全和高效，大大提高了工作可靠性，满足使用要求，提高工作效率。

本发明所采用的技术方案如下：

一种用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备，包括自动车辆，所述自动车辆内安装有升降装置，所述升降装置的顶面设置有平台，所述平台上安装有激光发生器，所述激光发生器前方的平台上安装机械臂，所述机械臂的头部安装激光投射装置，所述激光投射装置上安装有激光传导装置。

作为上述技术方案的进一步改进：

位于升降装置一旁的自动车辆内还安装有冷凝管收线器、压缩机、激光冷却器和机械臂控制器。

所述平台上安装有主控电脑和吸尘器。

所述激光投射装置上安装有烟雾收集罩，所述烟雾收集罩通过烟雾管道与吸尘器连接。

还包括室内导航子系统，控制平台的精确定位。

所述冷凝管收线器的冷凝管连接至平台上。

一种用于飞机整机除漆的智能激光除漆系统，包括系统主电脑，所述系统主电脑连接有移动平台、任务规划软件、用户操作台、机械臂子系统、环境监控子系统、废料收集过滤子系统、室内导航子系统、激光子系统；

所述机械臂子系统包含有互相连接的多余度避障模块、机械臂和感知和在线规划模块；

激光子系统包含有激光发生器，与激光发生器互相连接有激光投射装置和闭环除漆工艺控制模块，还包含有激光传导装置。

一种用于飞机整机除漆的智能激光除漆方法，主要包括有任务规划和执行除漆任务量大部分：

(一)任务规划：

1.获取飞机3D数字模型；

2.用户在任务规划软件中上传该模型；

3.用户在任务规划软件中提供其它输入；

4.任务规划软件将飞机表面分成多个区域；

5.任务规划软件将这些区域分配给多套除漆系统；

6.任务规划软件为每一套除漆系统生成运动路径和其它除漆任务指令；

7.任务规划软件输出规划结果；

(二)执行除漆任务：

除漆系统运动至第一个运动路径中的一个作业点并停下；

除漆系统对与该作业点对应的区域进行除漆作业：

(a)机械臂移动其末端的2D和3D传感器采集该区域的3D数据，测量该区域的油漆厚度、探测油漆的层次、并识别该区域基质的类别。

作为上述技术方案的进一步改进：

将该区域分割成多一个区块，并规划机械臂依次访问每个区块的安全高效路径，

(c)对该区域完成一次域帧，

(Ⅰ)移动激光投射装置至第一个需除漆的区块；

(Ⅱ)测量该区块的漆层状态；

(Ⅲ)生成该区块的漆层状态图；

(Ⅳ)根据该漆层状态图，对该区块完成一次块帧；

(Ⅴ)重复上述四个步骤处理下一个需要除漆区块，直至该区域内需要除漆的最后一个区块。

回到步骤；

如果该区域不是任务中的最后一个区域，除漆系统移动至运动路径中的下一个作业点并停下，并回到步骤处理对应的区域。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过激光除漆设备、激光除漆系统和激光除漆方法的配合工作，可以方便的完成对飞机整机的除漆工作，全自动完成，工作可靠性好，工作效率高，安全性能好。

同时，本发明还具备如下优点：

(1)环保：

本发明不使用溶剂或者喷砂等除漆媒介物质，而且极大地减少了废料的产生。另外，本发明集成了废料收集和过滤功能以及现场环境监控功能，确保除漆过程中产生的少量废料得到有效的处理以及现场环境的安全性。

(2)降低除漆的成本。

本发明不使用溶剂或者喷砂等除漆媒介物质，还去除了传统方法中的覆盖窗子、天线等附着物的步骤以及所需的胶带和铝箔等物料。激光除漆能很彻底的清除飞机表面的漆层，从而不需要费时费力的手工打磨步骤。因此，本发明大幅降低了飞机除漆的物料成本和人力成本。

(3)高效。

与传统工艺相比，本发明不需要费时费力的准备工作，从而大幅提高了飞机除漆的效率。

(4)整机覆盖。

现有激光除漆系统一般用于可拆卸的飞机部件，例如舱门、控制面等，尚不具备实现整飞机覆盖，特别大型客机。本发明采用移动平台，实现了激光除漆系统的对整飞机的覆盖。

(5)高度自动化。

本发明集成智能感知及控制技术，实现了对系统运动、激光除漆工艺、安全防护等方面精准且灵活的控制，使系统具备高度的自动化。

(6)本发明实现了对整飞机进行激光除漆的能力。同时本发明集成了先进的感知和控制功能，实现了激光除漆作业的高度自动化，提高了激光除漆的效率和安全性。

附图说明

图1为本发明除漆设备的结构示意图。

图2为本发明除漆设备平台上方的结构示意图。

图3为图1中A部的局部放大图。

图4为本发明除漆系统的系统框图。

图5为本发明除漆方法中全系统级别的流程图。

图6为本发明除漆方法中任务规划的流程图。

其中：1、激光传导装置吊杆；2、烟雾收集罩；3、激光投射装置；4、激光传导装置；5、机械臂；6、主控电脑箱；7、吸尘器；8、激光发生器；9、平台；10、升降装置；11、自动车辆；12、压缩机；13、冷凝管收线器；14、机械臂控制器；15、激光冷却器。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图6所示，本实施例的用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备，包括自动车辆11，自动车辆11内安装有升降装置10，升降装置10的顶面设置有平台9，平台9上安装有激光发生器8，激光发生器8前方的平台9上安装机械臂5，机械臂5的头部安装激光投射装置3，激光投射装置3上安装有激光传导装置4。

位于升降装置10一旁的自动车辆11内还安装有冷凝管收线器13、压缩机12、激光冷却器15和机械臂控制器14。

平台9上安装有主控电脑6和吸尘器7。

激光投射装置3上安装有烟雾收集罩2，烟雾收集罩2通过烟雾管道与吸尘器9连接。

还包括室内导航子系统，控制平台9的精确定位。

冷凝管收线器13的冷凝管连接至平台9上。

本实施例的用于飞机整机除漆的智能激光除漆系统，包括系统主电脑，系统主电脑连接有移动平台、任务规划软件、用户操作台、机械臂子系统、环境监控子系统、废料收集过滤子系统、室内导航子系统、激光子系统；

机械臂子系统包含有互相连接的多余度避障模块、机械臂和感知和在线规划模块；

激光子系统包含有激光发生器，与激光发生器互相连接有激光投射装置和闭环除漆工艺控制模块，还包含有激光传导装置。

本实施例的用于飞机整机除漆的智能激光除漆方法，主要包括有任务规划和执行除漆任务量大部分：

(一)任务规划：

1.获取飞机3D数字模型；

2.用户在任务规划软件中上传该模型；

3.用户在任务规划软件中提供其它输入；

4.任务规划软件将飞机表面分成多个区域；

5.任务规划软件将这些区域分配给多套除漆系统；

6.任务规划软件为每一套除漆系统生成运动路径和其它除漆任务指令；

7.任务规划软件输出规划结果；

(二)执行除漆任务：

(1)除漆系统运动至第一个运动路径中的一个作业点并停下；

(2)除漆系统对与该作业点对应的区域进行除漆作业：

(a)机械臂移动其末端的2D和3D传感器采集该区域的3D数据，测量该区域的油漆厚度、探测油漆的层次、并识别该区域基质的类别。

将该区域分割成多一个区块，并规划机械臂依次访问每个区块的安全高效路径，

(c)对该区域完成一次域帧，

(Ⅰ)移动激光投射装置至第一个需除漆的区块；

(Ⅱ)测量该区块的漆层状态；

(Ⅲ)生成该区块的漆层状态图；

(Ⅳ)根据该漆层状态图，对该区块完成一次块帧；

(Ⅴ)重复上述四个步骤处理下一个需要除漆区块，直至该区域内需要除漆的最后一个区块。

回到步骤2；

(3)如果该区域不是任务中的最后一个区域，除漆系统移动至运动路径中的下一个作业点并停下，并回到步骤2处理对应的区域。

本实施例的用于飞机整机除漆的智能激光除漆系统，包括系统主电脑，系统主电脑连接有移动平台、任务规划软件、用户操作台、机械臂子系统、环境监控子系统、废料收集过滤子系统、室内导航子系统、激光子系统；

机械臂子系统包含有互相连接的多余度避障模块、机械臂和感知和在线规划模块；

激光子系统包含有激光发生器，与激光发生器互相连接有激光投射装置和闭环除漆工艺控制模块，还包含有激光传导装置。

本发明的具体结构和功能如下：

主要包括激光发生器8及配套的供电、激光冷却器15、激光传导装置4、激光投射装置3等。

激光发生器8产生激光光束，并通过激光传导装置4将激光光束传输到激光投射装置3。激光投射装置3对光束进行聚焦，并将光束以扫描的形式投射到飞机表面。

为实现整飞机的覆盖，还包含了一个可以移动的平台9，主要由自动车辆11和升降装置10构成。

自动车辆11负载整个激光除漆设备，为这些设备提供在地面上的运动能力。

升降装置10负载除漆系统的部分设备，为这些设备提供高度方向的运动能力。

为实现平台9在机库等室内环境下的自主运动，该系统还包括一个室内导航子系统。该子系统协助移动平台在室内精确定位，实现其在室内环境下围绕飞机的自主导航运动。

为实现激光投射装置3在飞机表面的移动，并维持其相对飞机表面的投射距离和投射角度在要求的范围内，该系统在升降装置9的末端集成了一台机械臂5。该机械臂5负载激光投射装置3及其它配套设备，为激光投射装置3提供相对飞机表面的精准运动能力。

还包括一个感知和在线规划模块，该模块采用2D和3D传感器，实现重构飞机表面的数字3D模型，并利用该模型在线识别飞机窗户、天线等表面附着物，探测障碍物，然后在线规划机械臂的运动轨迹。

还包括一个多余度避障模块，协助机械臂5避免与飞机表面的碰撞。该功能的第一余度是由机械臂5的感知和在线规划模块实现的。这一模块在规划阶段主动识别可能的障碍物并为机械臂5规划避开相应障碍的路径。避障功能的第二余度是通过机械臂5末端的多个测距传感器实现。这些传感器在机械臂5运动过程中实时监控机械臂5末端外轮廓多点与飞机表面的距离。如果该距离接近预先设定安全值时，这些传感器将触发机械臂5的应急反应，比如减速或者停止运动。避障功能的第三余度是通过安装在机械臂5最前端的多个压力传感器实现的。当上述两个余度均失效然后机械臂5与飞机表面发生物理接触时，该压力传感器将监测到极轻微的压力，然后触发机械臂5紧急停机。

还包括一个闭环的除漆工艺控制模块，该模块通过油漆厚度传感器和视觉传感器，测量飞机表面油漆的厚度，识别油漆的不同层面，并识别飞机基质材料的类别(金属或复合材料)。该模块根据该测量信息动态调整激光发生器8和激光投射装置3的参数，实现安全高效的除漆。在这个闭环的除漆工艺控制模块的协助下，该系统可实现完全除漆(即完全去除飞机基质表面的所有油漆)和选择性除漆(即仅去除飞机表面的面漆，但保留底漆)两种不同工艺，并可在除漆过程中根据探测到的飞机基质材料种类自动选择相应的工艺。

还包括一个废料收集过滤子系统，其主要包括吸尘器9、烟雾管道和烟雾收集罩2。烟雾收集罩2笼罩激光光束从激光投射装置3到飞机表面之间的光路，通过烟雾管道连接到吸尘器9。当激光开启进行除漆作业时，吸尘器9在烟雾收集罩2内形成负压，确保除漆过程中产生的各种形态的废料被充分的收集到吸尘器9的过滤网。

还包括一个环境监控子系统，其主要包括各种有害物质监测传感器及数据收集处理设备。这些传感器安装在除漆系统周边，一旦探测到空气中意外泄露的除漆废料，将发出警报，触发系统的应急反应。

还包括一个任务规划软件。该软件根据给定的飞机型号以及用户的输入，对除漆任务进行规划。具体包括生成移动平台的运动轨迹以及除漆的步骤；针对多套除漆系统并行作业的情况，该软件还生成多机协同的指令。该软件允许用户输入对除漆任务的设置，例如指定不需要除漆或者指定需要除漆的区域。

还包括一个用户操作台，主要包括人机交互界面和紧急按钮。人机交互界面主要提供以下功能：用户账号管理、上传除漆任务规划数据、下载除漆过程中收集的数据、显示系统各部件的运行状况、显示除漆过程的进度、用户对除漆过程的调控、警示各部件或者除漆过程的异常情况、以及显示除漆现场的实时视频监控。在系统异常等紧急情况下，用户可通过按紧急按钮，触发系统的紧急反应，例如有序停机。

为准确阐述该实例的工作过程，特定义以下专用术语。

任务：按特定要求，完成一架飞机指定表面范围内的除漆工作。一个任务包含的飞机表面将分成多个区域。

区域：指飞机表面连续的一小部分，其尺寸不超过机械臂在其基座固定情况下的覆盖范围。一个区域将分成多一个区块。

区块：指一区域内连续的一小部分，其尺寸不超过激光投射装置在固定情况下的视野范围。

块帧：指激光投射装置偏转激光束，使其按一定的模式扫描一个指定区块的过程。

域帧：指按一定顺序给一个区域内的所有区块依次完成一次块帧

本发明的工作过程：

(一)任务规划：

1.获取飞机3D数字模型；

2.用户在任务规划软件中上传该模型；

3.用户在任务规划软件中提供其它输入；

4.任务规划软件将飞机表面分成多个区域；

5.任务规划软件将这些区域分配给多套除漆系统；

6.任务规划软件为每一套除漆系统生成运动路径和其它除漆任务指令；

7.任务规划软件输出规划结果。

(二)执行除漆任务：

(1)除漆系统运动至第一个运动路径中的一个作业点并停下；

(2)除漆系统对与该作业点对应的区域进行除漆作业：

(a)机械臂移动其末端的2D和3D传感器采集该区域的3D数据，测量该区域的油漆厚度、探测油漆的层次、并识别该区域基质的类别。

(b)分析采集到数据，将该区域分割成多一个区块，并规划机械臂依次访问每个区块的安全高效路径。

(c)对该区域完成一次域帧。

(Ⅰ)移动激光投射装置至第一个需除漆的区块；

(Ⅱ)测量该区块的漆层状态；

(Ⅲ)生成该区块的漆层状态图；

(Ⅳ)根据该漆层状态图，对该区块完成一次块帧；

(Ⅴ)重复上述四个步骤处理下一个需要除漆区块，直至该区域内需要除漆的最后一个区块。

(d)分析该区域内的除漆结果

(e)如果该区域漆层还未达到要求的状态，回到步骤(2)；

(3)如果该区域不是任务中的最后一个区域，除漆系统移动至运动路径中的下一个作业点并停下，并回到步骤(2)处理对应的区域。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (8)

1.一种用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备，其特征在于：包括自动车辆(11)，所述自动车辆(11)内安装有升降装置(10)，所述升降装置(10)的顶面设置有平台(9)，所述平台(9)上安装有激光发生器(8)，所述激光发生器(8)前方的平台(9)上安装机械臂(5)，所述机械臂(5)的头部安装激光投射装置(3)，所述激光投射装置(3)上安装有激光传导装置(4)。

2.如权利要求1所述的用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备，其特征在于：位于升降装置(10)一旁的自动车辆(11)内还安装有冷凝管收线器(13)、压缩机(12)、激光冷却器(15)和机械臂控制器(14)。

3.如权利要求1所述的用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备，其特征在于：所述平台(9)上安装有主控电脑(6)和吸尘器(7)。

4.如权利要求1所述的用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备，其特征在于：所述激光投射装置(3)上安装有烟雾收集罩(2)，所述烟雾收集罩(2)通过烟雾管道与吸尘器(9)连接。

5.如权利要求1所述的用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备，其特征在于：还包括室内导航子系统，控制平台(9)的精确定位。

6.如权利要求1所述的用于飞机整机除漆的智能激光除漆设备，其特征在于：所述冷凝管收线器(13)的冷凝管连接至平台(9)上。

7.一种用于飞机整机除漆的智能激光除漆系统，其特征在于：包括系统主电脑，所述系统主电脑连接有移动平台、任务规划软件、用户操作台、机械臂子系统、环境监控子系统、废料收集过滤子系统、室内导航子系统、激光子系统；

所述机械臂子系统包含有互相连接的多余度避障模块、机械臂和感知和在线规划模块；

激光子系统包含有激光发生器，与激光发生器互相连接有激光投射装置和闭环除漆工艺控制模块，还包含有激光传导装置。

8.一种用于飞机整机除漆的智能激光除漆方法，其特征在于：主要包括有任务规划和执行除漆任务量大部分：

(一)任务规划：

1.获取飞机3D数字模型；

2.用户在任务规划软件中上传该模型；

3.用户在任务规划软件中提供其它输入；

4.任务规划软件将飞机表面分成多个区域；

5.任务规划软件将这些区域分配给多套除漆系统；

6.任务规划软件为每一套除漆系统生成运动路径和其它除漆任务指令；

7.任务规划软件输出规划结果；

(二)执行除漆任务：

(1)除漆系统运动至第一个运动路径中的一个作业点并停下；

(2)除漆系统对与该作业点对应的区域进行除漆作业：

(a)机械臂移动其末端的2D和3D传感器采集该区域的3D数据，测量该区域的油漆厚度、探测油漆的层次、并识别该区域基质的类别。

(b)分析采集到数据，将该区域分割成多一个区块，并规划机械臂依次访问每个区块的安全高效路径，

(c)对该区域完成一次域帧，

(Ⅰ)移动激光投射装置至第一个需除漆的区块；

(Ⅱ)测量该区块的漆层状态；

(Ⅲ)生成该区块的漆层状态图；

(Ⅳ)根据该漆层状态图，对该区块完成一次块帧；

(Ⅴ)重复上述四个步骤处理下一个需要除漆区块，直至该区域内需要除漆的最后一个区块。

(d)分析该区域内的除漆结果

(e)如果该区域漆层还未达到要求的状态，回到步骤(2)；

(3)如果该区域不是任务中的最后一个区域，除漆系统移动至运动路径中的下一个作业点并停下，并回到步骤(2)处理对应的区域。

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