CN213499232U - 一种集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，包含有机器人、设于机器人机械臂末端并集成有激光清洗、吸尘、喷涂防腐及检测功能于一体的末端执行器、设于机器人机身上的雷达定位器、设于机器人机身旁并与末端执行器相连的激光器、防腐剂喷涂机、喷气机及吸气机、以及设于机器人机身上或机身旁的并分别与机器人、机械臂、末端执行器、雷达定位器、激光器、防腐剂喷涂机、喷气机及吸气机相连的人机交互控制器。本实用新型的优点是：通过将现有激光清洗技术与防腐喷涂技术、CCD视觉检测技术、机器人技术相结合，整合在一个机器手臂上，达到集清洗、吸尘、喷涂防腐及检测于一体化的目的，从而实现大幅降低人工劳动强度。

Description

一种集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备

技术领域

本实用新型涉及激光技术应用领域，具体的说是涉及一种集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备。

背景技术

在热电厂锅炉的运作中，通常会出现由于内部化学成分腐蚀、吸氧腐蚀及物质压力作用，使得省煤器和水冷壁管易生锈，侵蚀及磨损等问题。对于锅炉水冷壁产生生锈腐蚀因素非常多，主要是有如下几个因素：

(1)电厂燃用煤所含硫分较高：硫分较高是引起省煤器腐蚀的一个重要因素。燃料中硫分、水分高，使燃烧生成的硫酸蒸汽份量多、浓度高，这就使得烟气中酸汽露点(即凝结温度)相对增高，而代温段省煤器的管壁温度又偏低，因此酸汽极易凝结到低温省煤器管壁上，造成省煤器的腐蚀。

(2)给水温度低：给水温度低是造成省煤器腐蚀的一个主要原因。给水温度低，使得省煤器的管壁温度下降，低于烟气中的酸汽露点时，酸汽使凝结在省煤器管壁上与飞灰粘合在一起，形成对省煤器管的不断腐蚀。给水温度低对新装省煤器的影响最大。

(3)过量空气系数过大：过量空气系数过大，表明烟气中的含氧量增加，这给燃烧中二氧化硫及三氧化硫的生成创造了有利条件，对省煤器的低温腐蚀也有一定的影响。

由上可知，引起锅炉水冷壁生锈腐蚀原因，主要有两个方面：其一，给水温度低使省煤器管排壁温降低；其二，燃料中硫分大、水分大，再加上燃料的过量空气系数偏大，使烟气中的酸汽份额加大，引起酸汽露点升高。这两方面的不利因素综合效应，加剧了酸汽在省煤器管壁上的凝结，促成生锈并腐蚀。

为了提高热电厂锅炉的使用寿命，因此，对省煤器和水冷壁管进行除锈、修复处理就变得极为重要。目前所采用的除锈方式主要有如下几种：机械摩擦清洗除锈、化学腐蚀清洗除锈、液体固体强力冲击清洗除锈、高频超声清洗除锈及激光清洗除锈等；其中，机械摩擦清洗除锈、化学腐蚀清洗除锈、液体固体强力冲击清洗除锈及高频超声清洗除锈或多或少都会对基材本身造成一定的损伤；而激光清洗除锈由于不损伤基材，越来越来的得到了各行各业的青睐。

激光清洗除锈技术是指利用高频高能激光脉冲照射工件表面，污垢层可以瞬间吸收聚焦的激光能量，使表面的油污、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，高速有效地清除表面附着物或表面涂层的清洁方式，而作用时间很短的激光脉冲，在适当的参数下不会伤害金属基材。与机械摩擦清洗除锈、化学腐蚀清洗除锈、液体固体强力冲击清洗除锈、高频超声清洗除锈等传统清洗除锈方法相比，激光清洗除锈技术除了不损伤基材之外，还具有明显的环保、效果、控制、便捷、成本等优势。

然而，目前市面上的激光清洗除锈技术或设备仅仅停留在前端清洗层面，而对后端的防护防腐喷涂未进行即时、快捷处理，容易导致清洗层被再次污染及生锈腐蚀、或者需要借助其他设备进行后端的防护防腐喷涂处理，无疑增加了额外的人力和物力投入，提升了生产成本。

实用新型内容

针对背景技术中的问题，本实用新型的目的在于提供一种集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

一种集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，包含有机器人及设于所述机器人机械臂末端并集成有激光清洗、吸尘、喷涂防腐及检测功能于一体的末端执行器。

上述技术方案中，所述末端执行器包含与所述机器人的机械臂末端相连的机械承载机构及承载在所述机械承载机构上的CCD视觉模块、激光发射镜头、防腐剂喷涂口、喷气口及吸气口；

其中，CCD视觉模块，用于在清洗前定位出目标工件表面待清洗区域以及在清洗时检测处目标工件表面是否清洗干净、在防腐喷涂时检测出目标工件表面是否喷涂均匀、在防腐喷涂完成后观察目标工件表面喷涂层是否固化；

激光发射镜头，用于在清洗时输出激光并照射到目标工件表面上，对目标工件表面进行清洗，和用于在防腐喷涂完成后再次输出激光并照射到目标工件表面上，对目标工件表面防腐涂层进行快速固化；

防腐剂喷涂口，用于喷射防腐剂到目标工件表面上，对目标工件表面进行防腐喷涂；

喷气口，用于喷射高压惰性气体到目标工件表面上，对目标工件表面进行物理清洗；

吸气口，用于收集清洗时在目标工件表面上产生的烟尘。

上述技术方案中，所述集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备还包含有设于所述机器人机身上的雷达定位器，所述雷达定位器用于定位出机器人的机械臂距离目标工件的位置、以及用于与CCD视觉模块相互配合并共同规划出机器人及机械臂的运行路径。

上述技术方案中，所述集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备还包含有设于所述机器人机身旁并与所述末端执行器相连的激光器、防腐剂喷涂机、喷气机及吸气机；其中：

所述激光器与末端执行器中的激光发射镜头通过光纤相连，并用于给激光发射镜头供应照射到目标工件表面上的激光束；

所述防腐剂喷涂机与末端执行器中的防腐剂喷涂口通过喷涂管相连，并用于给防腐剂喷涂口供应喷射到目标工件表面上的防腐剂；

所述喷气机与末端执行器中的喷气口通过喷气管相连，并用于给喷气口供应喷射到目标工件表面上的高压惰性气体；

所述吸气机与末端执行器中的吸气口通过吸气管相连，并用于给吸气口提供收集目标工件表面上所产生的烟尘的动力。

上述技术方案中，所述集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备还包含有设于所述机器人机身上或机身旁的人机交互控制器，所述人机交互控制器分别与机器人、机械臂、末端执行器、雷达定位器、激光器、防腐剂喷涂机、喷气机及吸气机相连，用于控制机器人及机械臂进行相应的工作路线路径规划计算和控制末端执行器执行相应的清洗、吸尘、防腐喷涂及检测工作。

上述技术方案中，所述人机交互控制器包含可视化人机交互控制面板、运行在可视化人机交互控制面板内的控制软件以及设置在可视化人机交互控制面板内的无线或有线通信模块；所述可视化人机交互控制面板通过无线或有线通信模块分别与所述机器人、雷达定位器、激光器、防腐剂喷涂机、喷气机、吸气机以及末端执行器中的CCD视觉模块通信连接。

上述技术方案中，所述机器人为带多轴机械手臂的攀爬式、移动式、管道式、潜水式、飞行式或组合式机器人。

上述技术方案中，所述CCD视觉模块为CCD相机。

上述技术方案中，所述激光器采用的是输出功为0.01～3000W、中心波长为1064nm、重复频率为10～200KHz的水冷或风冷式脉冲光纤激光器。

上述技术方案中，所述喷气口与吸气口呈一左一右分离式或者呈中间喷、四周吸的分离式或者呈中间吸、四周喷的分离式或者呈风刀喷吸模式布设在所述激光发射镜头与防腐剂喷涂口之间。

本实用新型提供的一种集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，其工作原理为：首先，通过机器人感知系统(CCD视觉模块)分析当前环境要素，进行灰度处理，再与目标灰度值特征比较，得出清洗区域范围；然后，由机器人及机械臂进行路线路径规划计算，控制末端执行器运行到指定的清洗区域范围；当末端执行器到达指定清洗区域范围时，通过逻辑指令程序，依次启动激光清洗系统、吸尘系统以及防腐喷涂系统工作。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

(1)通过清洗防腐一体化工作头的整合，可快速巩固激光清洗后的防腐防锈功能；

(2)通过与机器人的结合，能大幅降低人工劳动强度；

(3)通过激光清洗与激光固化结合，可实现快速铁锈清洗与喷涂层快速固化；

(4)通过与数字化控制系统(CCD视觉系统)结合，可实现对激光清洗、防腐喷涂、以及激光固化过程实时监控，形成了一条自动化激光清洗- 防腐-固化线，具备很好的工艺调节性，且清洗、防腐、固化效果好。

附图说明

图1为本实用新型的工作原理框图；

图2为本实用新型中机器臂与末端执行器的一种连接实施例；

图3为图2中末端执行器的放大图；

附图标记说明：100、机器人；101、机械臂；200、末端执行器；201、机械承载机构；202、CCD视觉模块；203、激光发射镜头；204、防腐剂喷涂口；205、喷气口；206、吸气口；300、雷达定位器；400、激光器；500、防腐剂喷涂机；600、喷气机；700、吸气机；800、人机交互控制器；900、目标工件。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本实用新型是如何实施的。

参阅图1所示，本实用新型提供的一种集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，包含有机器人100及设于机器人100机械臂101末端并集成有激光清洗、吸尘、喷涂防腐及检测功能于一体的末端执行器200。

参阅图2所示，在本实用新型中，末端执行器200包含与机器人100 的机械臂101末端相连的机械承载机构201及承载在机械承载机构201上的CCD视觉模块202、激光发射镜头203、防腐剂喷涂口204、喷气口205 及吸气口206；

其中，CCD视觉模块202，用于在清洗前定位出目标工件900表面待清洗区域以及在清洗时检测目标工件900表面是否清洗干净、在防腐喷涂时检测目标工件900表面是否喷涂均匀、在防腐喷涂完成后观察目标工件 900表面喷涂层是否固化；

激光发射镜头203，用于在清洗时输出激光并照射到目标工件900表面上，对目标工件900表面进行清洗，和用于在防腐喷涂完成后再次输出激光并照射到目标工件表900面上，对目标工件900表面防腐涂层进行快速固化；

防腐剂喷涂口204，用于喷射防腐剂到目标工件900表面上，对目标工件900表面进行防腐喷涂；

喷气口205，用于喷射高压惰性气体(例如：氮气)到目标工件900表面上，对目标工件表面进行物理清洗；

吸气口206，用于收集清洗时在目标工件900表面上产生的烟尘。

具体的说，本实用新型还包含有设于机器人100机身上的雷达定位器 300，该雷达定位器300的作用：一方面是定位出机器人100的机械臂101 距离目标工件的位置，另一方面是与CCD视觉模块202相配合，对机器人及机械臂的运动路径进行规划计算。

具体的说，本实用新型还包含有设于机器人100机身旁并与末端执行器200相连的激光器400、防腐剂喷涂机500、喷气机600及吸气机700；其中：

激光器400与末端执行器200中的激光发射镜头203通过光纤相连，其作用是：用于给激光发射镜头203供应照射到目标工件900表面上的激光束；

防腐剂喷涂机500与末端执行器200中的防腐剂喷涂口204通过喷涂管相连，其作用是：用于给防腐剂喷涂口204供应喷射到目标工件900表面上的防腐剂；

喷气机600与末端执行器200中的喷气口205通过喷气管相连，其作用是：用于给喷气口205供应喷射到目标工件900表面上的高压惰性气体；

吸气机700与末端执行器200中的吸气口206通过吸气管相连，其作用是：用于给吸气口206提供收集目标工件900表面上所产生的烟尘的动力。

具体的说，本实用新型还包含有设于机器人100机身上或机身旁的人机交互控制器800，此人机交互控制器800分别与机器人100、机械臂101、末端执行器200、雷达定位器300、激光器400、防腐剂喷涂机500、喷气机600及吸气机700相连，其作用具体是：控制机器人100及机械臂101 进行相应的工作路线路径规划计算以及控制末端执行器200执行相应的清洗、吸尘、防腐喷涂及检测工作。

更具体的说，上述人机交互控制器800包含可视化人机交互控制面板、运行在可视化人机交互控制面板内的控制软件以及设置在可视化人机交互控制面板内的无线或有线通信模块；

其中，可视化人机交互控制面板通过无线或有线通信模块分别与机器人100、雷达定位器300、激光器400、防腐剂喷涂机500、喷气机600、吸气机700以及末端执行器200中的CCD视觉模块202通信连接；控制软件包含用于接收或处理所有实时数据(即CCD视觉模块202回传的实时图像数据信息)的数据处理模块、用于对机器人100进行运动控制的机器人运行轨迹控制模块、用于对机械臂101进行运动控制的机械臂运行轨迹控制模块、用于对激光器400进行控制的激光控制模块、用于对防腐剂喷涂机 500进行控制的喷涂控制模块、用于对喷气机600进行控制的喷气控制模块、用于对吸气机700进行控制的吸气控制模块、用于对目标工件900表面清洗后的图像进行显示确认的图像显示确认模块和用于对目标工件900表面喷涂后的图像进行显示确认的图像显示确认模块。

在本实用新型中，机器人100为带多轴机械手臂的机器人，具体的说该带多轴机械手臂的机器人可以是攀爬式、移动式、管道式、潜水式、飞行式或组合式中的任何一种。

在本实用新型中，CCD视觉模块202优选为CCD相机。

在本实用新型中，激光器400采用的是输出功为0.01～3000W、中心波长为1064nm、重复频率为10～200KHz的水冷或风冷式脉冲光纤激光器。

在本实用新型中，喷气口205与吸气口206可以采用呈一左一右分离式布设在激光发射镜头203与防腐剂喷涂口204之间，参见图3所示；也可以采用呈中间喷、四周吸的分离式或者呈中间吸、四周喷的分离式布设在激光发射镜头203与防腐剂喷涂口204之间；还可以采用呈风刀喷吸模式布设在激光发射镜头203与防腐剂喷涂口204之间。

其中，当喷气口205与吸气口206采用呈一左一右分离式布设在激光发射镜头203与防腐剂喷涂口204之间时，此时的喷气口205和吸气口206 均由一个喷嘴组成；

当喷气口205与吸气口206采用呈中间喷、四周吸的分离式布设在激光发射镜头203与防腐剂喷涂口204之间时时，此时的喷气口205由一个喷嘴组成，而吸气口206则由多个喷嘴组成且均匀布设在喷气口205的四周；

当喷气口205与吸气口206采用呈呈中间吸、四周喷的分离式布设在激光发射镜头203与防腐剂喷涂口204之间时，此时的吸气口206由一个喷嘴组成，而喷气口205是由多个喷嘴组成且均匀布设在吸气口205的四周；

当喷气口205与吸气口206采用呈风刀喷吸模式布设在激光发射镜头 203与防腐剂喷涂口204之间时，此时的吸气口206和喷气口205均由多个喷嘴组成，且吸气口206与喷气口205呈上下并排设置。

在本实用新型中，将喷气口205与吸气口206设置在激光发射镜头203 与防腐剂喷涂口204之间的目的主要是：隔离激光发射光路与喷涂料路径，避免喷涂料对激光光路产生影响。

当采用本实用新型提供的一种集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备进行清洗-防腐作业时，其操作步骤具体如下：

第一步、将带有机械臂的机器人100至于所需清洗环境下，接通设备电源；

第二步、通过人机交互控制器800来控制CCD视觉模块202获取所需清洗目标工件900表面图像，并通过CCD视觉模块202自带的图像分析软件获取目标工件900表面锈蚀程度，包括铁锈厚度，氧化层厚度，工件形状等；

第三步、根据第二步的图像分析结果，在人机交互控制器800的可视化人机交互控制面板上手动调校激光清洗参数，包括激光功率，清洗幅度，重频、脉宽等参数，待设定好清洗运动轨迹后，启动激光器400工作并结合机器人100的机械手臂101，通过激光发射镜头203发射出合适波段的激光到所需清洗目标工件900表面，实现自动快速清洗；与此同时，启动吸气口206，收集清洗过程中目标工件900表面产生的尘垢；

第四步、清洗完成后，采用CCD视觉模块202再次获取目标工件900 表面的图像，并将清洗后图片通过可视化人机交互控制面板的可视化界面显示出来，确认是否清洗完成；若清洗完成，则执行步骤五；若清洗未完成，则重复步骤二和三，直到观察目标工件900表面铁锈清洗完成，然后再执行步骤五

第五步、待表面清洗完成后，取样测量目标工件900表面含氧量，当含氧量在2％～9％时，可以确定清洗工艺是成功的，否则重复步骤二～四；

第六步、通过在人机交互控制器800的可视化人机交互控制面板上手动调校喷涂参数，控制防腐剂喷涂口204对清洗后的目标工件900表面进行喷涂；

第七步、采用CCD视觉模块202对喷涂后图像进行成像，观察目标工件900表面防腐喷涂的均匀性以及是否漏喷；若喷涂均匀或未出现漏喷，则执行步骤八；若出现漏喷或喷涂不均匀情况，则重复步骤六，直到喷涂均匀且未出现漏喷，然后再执行步骤八；

第八步、待喷涂完成后，再次启动激光器400工作，通过激光发射镜头202发射出合适波段(可以是紫外波段，也可以是可见光波段)激光到目标工件900表面，对目标工件900表面防腐喷涂层进行快速固化处理，并通过CCD视觉模块202实时观察目标工件900表面防腐喷涂层固化后的情况。

最后说明，以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，其特征在于：包含有机器人(100)及设于所述机器人(100)机械臂(101)末端并集成有激光清洗、吸尘、喷涂防腐及检测功能于一体的末端执行器(200)。

2.根据权利要求1所述的集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，其特征在于：所述末端执行器(200)包含与所述机器人(100)的机械臂(101)末端相连的机械承载机构(201)及承载在所述机械承载机构(201)上的CCD视觉模块(202)、激光发射镜头(203)、防腐剂喷涂口(204)、喷气口(205)及吸气口(206)；

其中，CCD视觉模块(202)，用于在清洗前定位出目标工件(900)表面待清洗区域、以及在清洗时检测出目标工件表面是否清洗干净、在防腐喷涂时检测出目标工件表面是否喷涂均匀、在防腐喷涂完成后观察目标工件表面喷涂层是否固化；

激光发射镜头(203)，用于在清洗时输出激光并照射到目标工件(900)表面上，对目标工件(900)表面进行清洗，和用于在防腐喷涂完成后再次输出激光并照射到目标工件(900)表面上，对目标工件(900)表面防腐涂层进行快速固化；

防腐剂喷涂口(204)，用于喷射防腐剂到目标工件(900)表面上，对目标工件(900)表面进行防腐喷涂；

喷气口(205)，用于喷射高压惰性气体到目标工件(900)表面上，对目标工件(900)表面进行物理清洗；

吸气口(206)，用于在清洗时收集目标工件(900)表面上产生的烟尘。

3.根据权利要求2所述的集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，其特征在于：还包含有设于所述机器人(100)机身上的雷达定位器(300)，所述雷达定位器(300)用于定位出机器人(100)的机械臂(101)距离目标工件(900)的位置，以及用于与CCD视觉模块(202)相互配合并共同规划出机器人(100)及机械臂(101)的运行路径。

4.根据权利要求3所述的集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，其特征在于：还包含有设于所述机器人(100)机身旁并与所述末端执行器(200)相连的激光器(400)、防腐剂喷涂机(500)、喷气机(600)及吸气机(700)；其中：

所述激光器(400)与末端执行器(200)中的激光发射镜头(203)通过光纤相连，并用于给所述激光发射镜头(203)供应照射到目标工件(900)表面上的激光束；

所述防腐剂喷涂机(500)与末端执行器(200)中的防腐剂喷涂口(204)通过喷涂管相连，并用于给所述防腐剂喷涂口(204)供应喷射到目标工件(900)表面上的防腐剂；

所述喷气机(600)与末端执行器(200)中的喷气口(205)通过喷气管相连，并用于给喷气口(205)供应喷射到目标工件(900)表面上的高压惰性气体；

所述吸气机(700)与末端执行器(200)中的吸气口(206)通过吸气管相连，并用于给吸气口(206)提供收集目标工件(900)表面上所产生的烟尘的动力。

5.根据权利要求4所述的集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，其特征在于：还包含有设于所述机器人(100)机身上或机身旁的人机交互控制器(800)，所述人机交互控制器(800)分别与机器人(100)、末端执行器(200)、雷达定位器(300)、激光器(400)、防腐剂喷涂机(500)、喷气机(600)及吸气机(700)相连，用于控制机器人(100)及机械臂(101)进行相应的工作路线路径规划计算以及控制末端执行器(200)执行相应的清洗、吸尘、防腐喷涂及检测工作。

6.根据权利要求5所述的集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，其特征在于：所述人机交互控制器(800)包含可视化人机交互控制面板、运行在可视化人机交互控制面板内的控制软件以及设置在可视化人机交互控制面板内的无线或有线通信模块；所述可视化人机交互控制面板通过无线或有线通信模块分别与所述机器人(100)、雷达定位器(300)、激光器(400)、防腐剂喷涂机(500)、喷气机(600)、吸气机(700)以及末端执行器(200)中的CCD视觉模块(202)通信连接。

7.根据权利要求1所述的集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，其特征在于：所述机器人(100)为带多轴机械手臂的攀爬式、移动式、管道式、潜水式、飞行式或组合式机器人。

8.根据权利要求2所述的集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，其特征在于：所述CCD视觉模块(202)为CCD相机。

9.根据权利要求4所述的集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，其特征在于：所述激光器(400)采用的是输出功为0.01～3000W、中心波长为1064nm、重复频率为10～200KHz的水冷或风冷式脉冲光纤激光器。

10.根据权利要求2所述的集激光清洗、喷涂防腐及检测于一体的一体化设备，其特征在于：所述喷气口(205)与吸气口(206)呈一左一右分离式或者呈中间喷、四周吸的分离式或者呈中间吸、四周喷的分离式或者呈风刀喷吸模式布设在所述激光发射镜头(203)与防腐剂喷涂口(204)之间。

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