CN114481156B - 一种薄壁筒状壳体的清洗系统及清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁筒状壳体的清洗系统及清洗方法，所述的自动清洗系统包括激光清洗模块(1)、基座平台(2)、机器人运动模块(3)、上位机(4)和激光测距传感器(5)。具体包括如下步骤：待清洗的壳体装夹固定，确定打磨清洗区域，制定机器人运动参数，制定激光清洗参数，完成指定区域的自动清洗。本发明采用的方法，可实现大长径比超高强度钢壳体焊前指定区域氧化皮、油污等杂质的自动清除，相比现有的人工打磨方法，较大的减轻了工人的劳动强度，提高了清洗打磨效率，保证了固体火箭发动机壳体焊前清洗的质量。

Description

一种薄壁筒状壳体的清洗系统及清洗方法

技术领域

本发明涉及激光应用领域，特别是涉及固体火箭发动机壳体表面清洗系统和方法。

背景技术

固体火箭发动机壳体是由多个旋压壳体及机加工件组焊而成，壳子外部有多个外挂件通过氩弧焊焊接而成，壳体是承压件，其对焊缝质量要求较高。而旋压壳体经过热处理退火及多道工序的流转，其表面会形成一层致密的氧化层，对焊接质量产生较大的影响。

目前，采用机械打磨的方式去除壳体待焊表面的氧化层，由于筒体存在旋压纹路，纹路底部的氧化层打磨清洗存在一定难度，人工打磨容易造成打磨不均，局部打磨不干净等问题，将影响焊接质量的稳定性。另一方面，采用接触式清洗打磨，对被清洗工件表面有机械作用，容易损伤被清洗物表面，容易产生二次污染，并且接触式清洗产生的金属粉尘容易被工人吸入，影响工人的身体健康。

发明内容

针对现有技术存在的缺点，本发明要解决的技术问题是提供一种薄壁筒状壳体的清洗系统及清洗方法，以提高发动机壳体焊前清洗打磨的效率、缩短单件生产周期、减轻劳动强度。

本发明的技术解决方案是：

一种薄壁筒状壳体的清洗系统，包括：激光清洗模块、基座平台、机器人运动模块、上位机和激光测距传感器；

基座平台在上位机的驱动控制下，用于夹持不同直径和长度的待清洗壳体工件，且使待清洗壳体工件能够绕自身轴线转动；其中，所述待清洗壳体工件的轴线与基座平台的轴向平行。

激光清洗模块利用激光脉冲对待清洗壳体工件上靠近两端面附近的内外表面以及对清洗壳体工件外壁上的指定区域进行清洗；上位机用于控制激光清洗模块开启激光脉冲或关闭激光脉冲；待清洗壳体工件上沿轴向分布有多个指定区域；

机器人运动模块上固定安装有激光测距传感器和激光清洗模块，在上位机的控制下机器人运动模块带动激光测距传感器沿待清洗壳体工件轴向往复运动，在上位机的控制下机器人运动模块改变激光清洗模块发射激光脉冲的出光位置和角度，使激光脉冲的发射方向垂直于待清洗壳体工件表面的切向；

激光测距传感器用于扫描待清洗壳体工件；

上位机根据激光测距传感器的扫描结果和待清洗壳体工件的轴向尺寸，控制激光清洗模块、基座平台和机器人运动模块配合完成待清洗壳体工件的清洗工作。

所述上位机完成待清洗壳体工件的清洗工作，具体为：

1)根据激光测距传感器的扫描结果，确定待清洗壳体工件的端面位置；

2)根据端面位置和待清洗壳体工件的轴向尺寸，控制机器人运动模块带动激光清洗模块沿待清洗壳体工件轴向运动至待清洗位置，并使激光脉冲的发射方向垂直于待清洗壳体工件表面的切向；

3)控制基座平台带动待清洗壳体工件绕轴线转动，同时，控制激光清洗模块1开启脉冲激光，对待清洗位置进行周圈清洗；

4)控制机器人运动模块带动激光清洗模块沿待清洗壳体工件轴向运动，重复步骤1)～3)多次直至完成每个待清洗位置的清洗工作。

所述基座平台包括：多组支撑滚轮和纵向导轨；

纵向导轨上固定安装有多组支撑滚轮；

多组支撑滚轮沿纵向导轨的长度方向阵列，每组支撑滚轮中均包括驱动轮和辅助轮，驱动轮作为主动轮，辅助轮作为从动轮；驱动轮和辅助轮关于待清洗壳体工件的轴线对称；

驱动轮和辅助轮能够同步相向运动或背离运动，以夹持不同直径的待清洗壳体工件；支撑滚轮能够沿纵向导轨的长度方向运动，以夹持不同长度的待清洗壳体工件。

可选地，还包括：轴向固定手轮；

位于两端的支撑滚轮上均设置有可拆卸的轴向固定手轮，轴向固定手轮用于防止待清洗壳体工件在绕轴转动时的轴向窜动。

所述驱动滚轮与待清洗壳体工件接触点之间的作用力方向，与水平方向之间的夹角为45°，使驱动滚轮能够通过摩擦带动工件旋转。

所述激光清洗模块包括：脉冲激光器和激光清洗头、光路系统、电路系统；

脉冲激光器用于产生脉冲激光通过光纤传输给激光清洗头产生宽线光斑，可对工件进行脱漆、除锈、除膜、除油污和除涂层等；

激光清洗头安装在机器人运动模块上并通过光纤与脉冲激光器相连，脉冲激光器产生的脉冲激光通过激光清洗头的二维振镜产生宽线光斑，从而对待清洗壳体工件进行扫描清洗；

所述激光清洗模块中的激光清洗头与机器人运动模块连接，机器人运动模块控制和调整激光清洗头的出光位置和角度，使激光脉冲的发射方向垂直于待清洗壳体工件表面的切向；

光路系统和电路系统连接脉冲激光器、激光清洗头、综合除尘系统和激光水冷系统。

激光清洗模块中还包括：综合除尘系统；

综合除尘系统用于吸收激光脉冲清洗待清洗壳体工件表面时产生的烟尘，金属粉尘等污染物。采用烟尘净化除尘机配套吸尘软管、过滤棉、粉尘过滤芯等构建为激光清洗除尘系统。

激光清洗模块中还包括：激光水冷系统；

激光水冷系统通过冷却水对激光器进行制冷。

所述激光清洗模块配合所述基座平台能够实现圆度±10mm壳体的均匀清洗效果。

一种利用上述的一种薄壁筒状壳体的清洗系统进行固体火箭发动机壳体自动清洗的方法，包括如下步骤：

a、通过上位机输入工件直径D和长度L，根据工件直径计算得出每组支撑滚轮中驱动轮轴与辅助轮轴之间的最佳间距L5(如图4所示)，每组支撑滚轮中的驱动轮和辅助轮相向运动至最佳间距L5，对待清洗壳体工件进行夹持；所述最佳间距L5使得驱动滚轮与待清洗壳体工件接触点之间的作用力方向，与水平方向之间的夹角为45°；

b、使用位于两端支撑滚轮上的轴向固定手轮顶紧壳体的前后端面；

c、使用上位机控制机器人运动模块带动激光测距传感器沿待清洗壳体工件轴向往复运动；并通过激光测距传感器发射测距激光沿待清洗壳体工件的轴向进行扫描；

d、根据激光测距传感器的扫描结果，使用上位机确定待清洗壳体工件的端面位置；

e、根据端面位置和待清洗壳体工件的轴向尺寸，使用上位机控制机器人运动模块带动激光清洗模块沿待清洗壳体工件轴向运动至待清洗位置，并使激光脉冲的发射方向垂直于待清洗壳体工件表面的切向；

f、使用上位机控制基座平台带动待清洗壳体工件绕轴线转动，同时，控制激光清洗模块开启脉冲激光，对待清洗位置进行周圈清洗；

g、在周圈清洗过程中，使用激光测距传感器检测并记录各个圆周位置，确保激光清洗头垂直于壳体工件待清洗表面且距离保持一定；

h、上位机控制机器人运动模块带动激光清洗模块沿待清洗壳体工件的轴向运动，重复步骤e到h多次直至完成每个待清洗位置的清洗工作；

i、完成所有待清洗位置的清洗工作后，上位机控制机器人运动模块携带激光清洗模块回到初始位置。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明能够实现直径100mm-800mm，长度80mm-4000mm，圆度±10mm壳体表面脱漆、除锈、除膜、除油污和除涂层等，清洗一致性好。能够通过程序设定实现对壳体表面指定区域的自动清洗打磨，如图3所示特定区域的清洗易于控制且精度高。同时，本发明提高了固体火箭发动机壳体焊前打磨清洗的效率，减轻了工人的劳动强度，提升了制造过程的自动化水平。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明固体火箭发动机壳体自动清洗系统示意图；

图2为本发明固体火箭发动机壳体自动清洗方法的流程图；

图3为本发明能够实现的清洗区域示意图；

图4为支撑滚轮装夹壳体工件的位置示意图；

1为激光清洗模块，2为基座平台，3为机器人运动模块，4为上位机，5为激光测距传感器，L1、L2、L3、L4为壳体表面待清洗区域距离端面位置，L5为支撑滚轮夹紧工件时的最佳间距。

具体实施方式

本发明用于清洗待清洗壳体工件临近端面内外表面及壳体外表面局部区域(如图3所示)。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

实施例

本发明一种薄壁筒状壳体的清洗系统，包括：激光清洗模块1、基座平台2、机器人运动模块3、上位机4和激光测距传感器5；所述基座平台2与上位机4连接，上位机4用于控制基座平台2上的多组支撑滚轮配合运动，实现待清洗壳体工件的装夹和旋转。所述激光清洗模块1与所述上位机4连接。

待清洗壳体工件为圆筒结构，本发明实施例中基座平台2中具有三组支撑滚轮，前后两组支撑滚轮带有驱动功能。每组支撑滚轮包括左驱动滚轮和右随动滚轮，中间组滚轮包括左右对称两个随动滚轮实现辅助支撑；三组支撑滚轮可沿壳体轴线相对或背离运动，从而适应不同直径待清洗壳体工件的夹持；三组支撑滚轮用于夹持待清洗壳体工件。

三组支撑滚轮沿基座平台纵向轴线能够单独手动调整位置，可根据不同长度的壳体工件进行支撑装夹。

装夹时待清洗壳体工件的轴线平行于基座平台的纵向轴向，最终可实现直径100mm-800mm，长度80mm-4000mm壳体工件的装夹固定和驱动旋转运动；驱动壳体转速0-30rpm。

通过上位机4控制基座平台2上的支撑滚轮进行相对轴线移动，调整夹持间距，机器人运动模块3携带激光测距传感器5沿壳体工件轴向往复运动对待清洗壳体工件进行扫描，确定待清洗壳体工件的端面位置，并反馈给上位机4。通过上位机4确认清洗区域的顺序及位置后，控制机器人运动模块3由端面位置沿待清洗壳体工件轴向运动至待清洗位置，机器人运动模块3上的机器人携带激光清洗头运动至垂直于待清洗面上方距离30mm位置处，到达位置后，上位机4控制基座平台2上的支撑滚轮旋转带动待清洗壳体工件绕轴向旋转，同时上位机4控制激光清洗模块1开启脉冲激光，该位置清洗完成后，激光清洗模块1关闭脉冲激光，基座平台2中的支撑滚轮停止旋转，机器人运动模块3携带激光清洗模块1的激光清洗头回到初始位置，通过各模块的协调运动，完成待清洗壳体工件的清洗。

所述基座平台2三组支撑滚轮具有两种运动模式，三组联动和各组单独运动；滚轮能够根据工件直径自动计算并调整两轮之间的间距，以便更好的对工件进行固定和驱动。所述基座平台2中的三组支撑滚轮中前、后两组支撑滚轮带有轴向固定手轮，固定手轮连接在支撑滚轮机构上，可与支撑滚轮一同沿基座平台轴向运动，可以通过转动手轮沿基座平台轴向移动和锁紧，完成初始定位和防止壳体转动过程中的窜动。

本发明实施例中激光清洗头与待清洗工件表面垂直，间距保持在300mm，并随壳体工件待清洗位置的变化而运动。所述激光器产生脉冲激光的光斑直径为0.18mm，脉冲频率的取值范围为0-80kHz，功率的取值范围为0-200W。激光清洗头产生的扫描宽度的取值范围为0-120mm，扫描速度的取值范围为0-10000mm/s。

所述上位机4能够与机器人运动模块3、激光清洗模块1集成，能够设置清洗位置、清洗方式、清洗速度、清洗次数。所述上位机4与所述激光清洗模块1集成，能够控制激光出光时间，开启和关闭；所述上位机4与所述机器人运动模块3集成，控制机器人运动姿态。

如图2所示，在本发明清洗方法的实施案例中：

1、通过所述上位机4输入工件直径D和长度L，根据工件直径D计算得出三组支撑滚轮中驱动轮与辅助轮之间的最佳间距L5(如图4所示)，三组支撑滚轮沿壳体轴线相对运动至间距L5，对待清洗壳体工件周向进行夹持；通过基座平台2上前、后两组支撑滚轮上的轴向固定手轮使两侧限位支架同时顶紧壳体的前后端面，对壳体轴向进行夹紧固定；前、后两组支撑滚轮上分别设置限位支架。

2、机器人运动模块3中驱动激光测距传感器5沿壳体轴向往复运动，并通过激光测距传感器5发射测距激光沿壳体工件轴向进行扫描，确定壳体工件端面位置。3、优选的，手动调整辅助支撑机构完成支撑；

4、进一步的，在上位机4程序中设定壳体上沿轴向待清洗位置：分别选择临近端面内外表面待清洗区域和距离端面值为L1、L2、L3、L4位置处壳体外表面待清洗区域(如图3)5、机器人运动模块3根据程序设定值，首先沿壳体轴向运动至壳体工件端面，如图3中端面待清洗区域位置；

6、壳体旋转一周，同时通过安装在机器人运动导轨上的激光测距传感器5检测并记录各个圆周位置，通过比较基准值，计算出圆度偏差，作为机器人运动模块3中的机器人调整激光清洗模块1中激光清洗头空间位置的依据，确保激光清洗头垂直于壳体工件待清洗表面且距离为300mm，保证激光器正确对焦(实现激光清洗过程中激光清洗头和工件自动保证相同距离)；

7、在上位机4上设置壳体工件旋转速度、清洗时间、清洗次数，在激光清洗模块1上设置激光功率、激光扫描频率、激光扫描速度、激光扫描宽度等参数；

8、通过上位机4控制机器人运动模块3中的机器人携带激光清洗头运动至壳体工件带清洗区域上方300mm处，进入清洗准备阶段；

9、确认清洗位置及参数后，根据程序设定开始清洗，壳体工件绕轴线旋转，激光开启进行清洗，直至该位置清洗完毕；

10、完成一处清洗后，机器人运动模块3中的机器人携带激光清洗头回到初始位置，机器人运动模块3按程序设置值，沿壳体轴向运动至下一待清洗区域(距离壳体端面L1处)；

11、重复清洗步骤6-10，直至完成所有待清洗区域的清洗任务；

完成清洗后，机器人运动模块3携带激光清洗模块1中的激光清洗头回到初始位置。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种薄壁筒状壳体的清洗系统，其特征在于，包括：激光清洗模块(1)、基座平台(2)、机器人运动模块(3)、上位机(4)和激光测距传感器(5)；

基座平台(2)在上位机(4)的驱动控制下，用于夹持不同直径和长度的待清洗壳体工件，且能够使待清洗壳体工件绕自身轴线转动；

激光清洗模块(1)利用激光脉冲对待清洗壳体工件上靠近两端面附近的内外表面，以及对清洗壳体工件外壁上的指定区域进行清洗；上位机(4)用于控制激光清洗模块(1)开启激光脉冲或关闭激光脉冲；

机器人运动模块(3)上固定安装有激光测距传感器(5)和激光清洗模块(1)，在上位机(4)的控制下机器人运动模块(3)带动激光测距传感器(5)沿待清洗壳体工件轴向往复运动，在上位机(4)的控制下机器人运动模块(3)改变激光清洗模块(1)发射激光脉冲的出光位置和角度，使激光脉冲的发射方向垂直于待清洗壳体工件表面的切向；

激光测距传感器(5)用于扫描待清洗壳体工件；

上位机(4)根据激光测距传感器(5)的扫描结果和待清洗壳体工件的轴向尺寸，控制激光清洗模块(1)、基座平台(2)和机器人运动模块(3)配合完成待清洗壳体工件的清洗工作；

待清洗壳体工件上沿轴向分布有多个指定区域；

所述基座平台(2)包括：多组支撑滚轮和纵向导轨；

纵向导轨上固定安装有多组支撑滚轮；

多组支撑滚轮沿纵向导轨的长度方向阵列，每组支撑滚轮中均包括驱动轮和辅助轮，驱动轮作为主动轮，辅助轮作为从动轮；驱动轮和辅助轮关于待清洗壳体工件的轴线对称；

驱动轮和辅助轮能够同步相向运动或背离运动，以夹持不同直径的待清洗壳体工件；支撑滚轮能够沿纵向导轨的长度方向运动，以夹持不同长度的待清洗壳体工件；

通过上位机(4)输入工件直径D和长度L，根据工件直径D计算得出每组支撑滚轮中驱动轮轴与辅助轮轴之间的最佳间距L5，控制每组支撑滚轮中的驱动轮和辅助轮相向运动至最佳间距L5，对待清洗壳体工件进行夹持。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁筒状壳体的清洗系统，其特征在于，所述上位机(4)完成待清洗壳体工件的清洗工作，具体为：

1)根据激光测距传感器(5)的扫描结果，确定待清洗壳体工件的端面位置；

2)根据端面位置和待清洗壳体工件的轴向尺寸，控制机器人运动模块(3)带动激光清洗模块(1)沿待清洗壳体工件轴向运动至待清洗位置，并使激光脉冲的发射方向垂直于待清洗壳体工件表面的切向；

3)控制基座平台(2)带动待清洗壳体工件绕轴线转动，同时，控制激光清洗模块(1)开启脉冲激光，对待清洗位置进行周圈清洗；

4)控制机器人运动模块(3)带动激光清洗模块(1)沿待清洗壳体工件轴向运动，重复步骤2)～3)多次直至完成每个待清洗位置的清洗工作。

3.根据权利要求1所述的一种薄壁筒状壳体的清洗系统，其特征在于，所述待清洗壳体工件的轴线与基座平台(2)的轴向平行。

4.根据权利要求1～3任意之一所述的一种薄壁筒状壳体的清洗系统，其特征在于，还包括：轴向固定手轮；

位于两端的支撑滚轮上均设置有轴向固定手轮，轴向固定手轮用于防止待清洗壳体工件在绕轴转动时的轴向窜动。

5.根据权利要求4所述的一种薄壁筒状壳体的清洗系统，其特征在于，所述驱动轮与待清洗壳体工件接触点之间的作用力方向，与水平方向之间的夹角为45°。

6.根据权利要求5所述的一种薄壁筒状壳体的清洗系统，其特征在于，所述激光清洗模块(1)包括：脉冲激光器和激光清洗头；

脉冲激光器用于产生脉冲激光；

激光清洗头安装在机器人运动模块(3)上并通过光纤与脉冲激光器相连，脉冲激光器产生的脉冲激光通过激光清洗头的二维振镜产生宽线光斑，从而对待清洗壳体工件进行扫描清洗；

机器人运动模块(3)控制和调整激光清洗头的出光位置和角度，使激光脉冲的发射方向垂直于待清洗壳体工件表面的切向。

7.根据权利要求6所述的一种薄壁筒状壳体的清洗系统，其特征在于，激光清洗模块(1)中还包括：综合除尘系统；

综合除尘系统用于吸收激光脉冲清洗待清洗壳体工件表面时产生的烟尘和金属粉尘。

8.根据权利要求7所述的一种薄壁筒状壳体的清洗系统，其特征在于，激光清洗模块(1)中还包括：激光水冷系统；

激光水冷系统通过冷却水对激光器进行制冷。

9.一种利用权利要求8所述的一种薄壁筒状壳体的清洗系统进行固体火箭发动机壳体自动清洗的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、通过上位机(4)输入工件直径D和长度L，根据工件直径D计算得出每组支撑滚轮中驱动轮轴与辅助轮轴之间的最佳间距L5，控制每组支撑滚轮中的驱动轮和辅助轮相向运动至最佳间距L5，对待清洗壳体工件进行夹持；所述最佳间距L5使得驱动轮与待清洗壳体工件接触点之间的作用力方向，与水平方向之间的夹角为45°；

b、使用位于两端支撑滚轮上的轴向固定手轮顶紧待清洗壳体工件的前后端面；

c、使用上位机(4)控制机器人运动模块(3)带动激光测距传感器(5)沿待清洗壳体工件轴向往复运动；并通过激光测距传感器(5)发射测距激光沿待清洗壳体工件的轴向进行扫描；

d、根据激光测距传感器(5)的扫描结果，使用上位机(4)确定待清洗壳体工件的端面位置；

e、根据端面位置和待清洗壳体工件的长度L，使用上位机(4)控制机器人运动模块(3)带动激光清洗模块(1)沿待清洗壳体工件轴向运动至待清洗位置，并使激光脉冲的发射方向垂直于待清洗壳体工件表面的切向；

f、使用上位机(4)控制基座平台(2)带动待清洗壳体工件绕轴线转动，同时，控制激光清洗模块(1)开启脉冲激光，对待清洗位置进行周圈清洗；

g、在周圈清洗过程中，使用激光测距传感器(5)检测并记录各个圆周位置，确保激光清洗头垂直于壳体工件待清洗表面且距离保持一定；

h、使用上位机(4)控制机器人运动模块(3)带动激光清洗模块(1)沿待清洗壳体工件的轴向运动，重复步骤e到h多次直至完成每个待清洗位置的清洗工作；

i、完成所有待清洗位置的清洗工作后，使用上位机(4)控制机器人运动模块(3)携带激光清洗模块(1)回到初始位置。