崔可濤，田曉波，劉懷廣，楊金堂

(1.武漢科技大學(xué) a.冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430081;2.鄂州職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 鄂州 436000)

0 引言

在重載、高速、重腐蝕、強(qiáng)介質(zhì)、多場耦合等極端環(huán)境下服役的典型冶金機(jī)械設(shè)備，其關(guān)鍵軸體零件表面極易形成腐蝕、磨損、疲勞斷裂等表面損傷層，長期以往會(huì)對典型冶金機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至誘發(fā)服役失效，也會(huì)對后續(xù)冶金生產(chǎn)的質(zhì)量與再制造的效率產(chǎn)生不利干擾。

目前，國內(nèi)清洗大型冶金軸件多采用傳統(tǒng)物理方法，如高壓水射流、噴砂清洗及人工打磨等[1]，這些清洗方法不僅會(huì)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，較長的清洗周期也會(huì)使清洗成本過高；同時(shí)由于單個(gè)軸件的體積尤為龐大，存在移動(dòng)困難等問題，加大了清洗工作的操作難度，阻礙了清洗軸件的進(jìn)程，為了滿足基于再制造技術(shù)的重型高端裝備循環(huán)利用的國家需求，提升國內(nèi)現(xiàn)有再制造技術(shù)的水平，因此需要研發(fā)針對軸件特點(diǎn)的成套技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜大型冶金軸件的綠色高效清洗。

如今隨著對激光清洗機(jī)理的研究日益深入，激光清洗的效率與清洗后的表面質(zhì)量得到了很大的提高與保障，是實(shí)現(xiàn)綠色高效清洗的有效途徑[2-3]。文獻(xiàn)[4]采用自主研制的脈沖式Y(jié)AG激光清洗機(jī)完成了對輪胎模具的激光清洗；文獻(xiàn)[5]使用手持式激光清洗機(jī)，實(shí)現(xiàn)了金屬表面氧化層的高效清洗，但清洗工作依賴人工且局限于清洗中小型零件；文獻(xiàn)[6]提出的電池極柱激光清洗裝置，通過視覺系統(tǒng)的參與提高了清洗成品率與清洗效率，但設(shè)計(jì)成本過高?？紤]到典型冶金關(guān)重件的清洗與修復(fù)面臨成本高、技術(shù)難、工況復(fù)雜等難點(diǎn)，現(xiàn)有的再制造技術(shù)方法不能滿足嚴(yán)苛環(huán)境下重型裝備的服役需求，文獻(xiàn)[7]公開了一種綠色高效的大型冶金軸件自動(dòng)激光清洗的裝置與方法，本文提出一種基于機(jī)器視覺[8]的廢舊冶金關(guān)重件表面無損激光清洗與主動(dòng)柔性控制的智能激光清洗方案，使用廢舊冶金設(shè)備來研發(fā)可用于冶金關(guān)重件綠色表面處理與形性調(diào)控的智能[9]激光清洗裝備，通過視覺檢測系統(tǒng)的參與實(shí)現(xiàn)廢舊冶金裝備關(guān)重零部件的自動(dòng)化表面損傷檢測與定位，減少因使用清洗介質(zhì)而產(chǎn)生的環(huán)境污染，響應(yīng)“清潔、高效、低碳、循環(huán)”[10]的冶金工業(yè)再制造與循環(huán)經(jīng)濟(jì)的政策要求。

1 清洗裝備構(gòu)成

1.1 裝備總成

所設(shè)計(jì)的廢舊重型冶金裝備表面無損激光清洗與主動(dòng)柔性控制的智能激光清洗裝備主要由視覺檢測裝置、激光清洗裝置、驅(qū)動(dòng)裝置與配套的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)等組成，其裝備總成如圖1所示。

1.驅(qū)動(dòng)裝置 2.1#卡盤 3.大型冶金軸件 4.1#相機(jī) 5.2#相機(jī) 6.2#卡盤 7.滑軌 8.1#絲桿電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 9.2#絲桿電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 10.激光清洗頭

在智能激光清洗裝備的設(shè)計(jì)中，大多數(shù)裝置是利用廢舊傳動(dòng)零部件、廢舊大型機(jī)床等廢舊裝備加工改造而成。以該激光清洗裝備的驅(qū)動(dòng)裝置為例，整個(gè)裝置是使用廢舊冶金設(shè)備中的彭形齒式聯(lián)軸器、電機(jī)、傳動(dòng)軸等部件改造裝配而成，既可實(shí)現(xiàn)所需的驅(qū)動(dòng)作用，也能滿足清洗場合低速重載的工況要求；激光清洗裝置裝在廢舊機(jī)床的原刀架位置，為清洗裝備提供清洗機(jī)位；傳動(dòng)系統(tǒng)是利用原廢舊機(jī)床的絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可調(diào)控多自由度的運(yùn)動(dòng)進(jìn)給。由于廢舊大型冶金關(guān)重件的零部件多是用于軋制、卷取等嚴(yán)苛環(huán)境下，機(jī)械強(qiáng)度大，廢舊設(shè)備經(jīng)加工改造后不需要進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算與力學(xué)仿真即可滿足使用要求；另一方面，使用廢舊零部件能大幅度降低設(shè)備的研發(fā)成本，增強(qiáng)設(shè)備的互換性，降低后期維修與維護(hù)成本，對實(shí)現(xiàn)固廢資源化理念有重要意義。

1.2 驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)構(gòu)成

清洗裝備的驅(qū)動(dòng)裝置是通過廢舊設(shè)備循環(huán)再利用來實(shí)現(xiàn)的，主要由廢舊電機(jī)、廢舊彭形齒式聯(lián)軸器與廢舊軸承等組成，思路是通過廢舊電機(jī)與廢舊彭形齒式聯(lián)軸器的外齒軸套之間的配合應(yīng)用從而改造成一個(gè)簡易的單級減速機(jī)，而在驅(qū)動(dòng)裝置最前端的卡盤則負(fù)責(zé)執(zhí)行相應(yīng)的張合與夾緊動(dòng)作，具體的驅(qū)動(dòng)裝置如圖2所示。

1.電機(jī) 2.聯(lián)軸器外齒軸套 3.軸承 4.卡盤

電機(jī)1將扭矩通過電機(jī)前端轉(zhuǎn)軸傳遞給彭形齒式聯(lián)軸器的外齒軸套2，從而帶動(dòng)外齒軸套的轉(zhuǎn)動(dòng)，聯(lián)軸器內(nèi)部與卡盤相連接，卡盤可起到固定軸端并執(zhí)行周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的功能，以上三者通過軸承3安裝在支座上。

其中，廢舊彭形齒式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，彭齒式聯(lián)軸器從結(jié)構(gòu)上來看是對稱的，聯(lián)軸器最外端是兩個(gè)外齒軸套，可通過鍵聯(lián)接的方式壓裝到其他裝置的軸頭上，起到聯(lián)接兩裝置的作用。而且比起其他類型的聯(lián)軸器，彭形齒式聯(lián)軸器的載荷能力與傳動(dòng)效率要更高，在耐久、扭矩傳遞、吸收聯(lián)接誤差等方面有著十分優(yōu)越的性能，其良好的剛性與撓性可適用于對減震與緩沖要求不嚴(yán)格的機(jī)械設(shè)備中，在本裝置中所使用的就是廢舊彭形齒式聯(lián)軸器的一個(gè)外齒軸套。

圖3 彭形齒式聯(lián)軸器

1.3 視覺檢測與清洗裝置構(gòu)成

高端冶金裝備關(guān)重零部件的表面損傷檢測與定位的智能化實(shí)現(xiàn)離不開視覺檢測裝置的參與，其中，視覺裝置所涉及到的檢測動(dòng)作主要分為兩步，第一步是清洗前的軸件表面污染類型的自動(dòng)判定檢測與表面深度信息的獲取，實(shí)現(xiàn)基于3D在線反求的選區(qū)清洗精確定位[11]和智能化柔性清洗控制；第二步是進(jìn)行清洗后的軸體表面質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測，建立再制造重型裝備質(zhì)量評價(jià)體系。而激光清洗裝置負(fù)責(zé)完成相應(yīng)的清洗動(dòng)作，視覺檢測與清洗裝置如圖4所示。

1.1#相機(jī) 2.2#相機(jī) 3.1#絲桿電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 4.激光清洗頭 5.2#絲桿電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

清洗裝備的清洗平臺(tái)是循環(huán)利用原廢舊機(jī)床的刀架平臺(tái)，平臺(tái)工作區(qū)由兩臺(tái)深度相機(jī)、激光清洗頭、絲桿電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、直線滑軌、滑塊等組成。傳動(dòng)裝置由與待清洗軸體軸線方向一致的1#絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和垂直于待清洗軸體軸線方向的2#絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，分別負(fù)責(zé)控制軸向與徑向兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)給，調(diào)控清洗距離，使清洗裝備能自適應(yīng)于待清洗軸體不同階梯軸段的尺寸，達(dá)到最佳清洗效果。其中滾珠絲桿作為主動(dòng)體，利用絲桿和螺母組成的螺旋副實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，工作原理是將螺母隨著絲桿旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)過的角度按照相應(yīng)規(guī)格轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊組件上的1#相機(jī)、2#相機(jī)和清洗頭在工作區(qū)內(nèi)進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，完成實(shí)時(shí)檢測與修復(fù)。絲桿電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有許多優(yōu)良的性能，相比其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)而言要更加省電，扭矩與推力的高效轉(zhuǎn)化使其傳動(dòng)效率高達(dá)98%，傳動(dòng)靈敏且平穩(wěn)，定位精度高與同步性能好[12]。

2 清洗作業(yè)流程

基于本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)激光清洗裝備，其激光清洗時(shí)的具體作業(yè)流程與步驟如圖5所示。

圖5 清洗流程圖

進(jìn)行激光清洗前，首先將待清洗的大型冶金軸件吊裝至清洗裝備上方，清洗裝備的右側(cè)支座是可移動(dòng)式，可由底部滑軌控制，當(dāng)軸體下降到清洗作業(yè)區(qū)間時(shí)，天車控制軸體向左側(cè)靠攏，由左側(cè)驅(qū)動(dòng)裝置上的卡盤進(jìn)行夾緊，同時(shí)清洗裝備底部的滑軌帶動(dòng)右側(cè)支座向左側(cè)移動(dòng)，直至右側(cè)支座的卡盤夾緊軸體右軸端，接下來啟動(dòng)視覺檢測裝置與清洗裝置，前相機(jī)執(zhí)行檢測動(dòng)作，通過計(jì)算機(jī)來規(guī)劃清洗平臺(tái)在工作區(qū)域內(nèi)的行進(jìn)路徑，后相機(jī)執(zhí)行監(jiān)測動(dòng)作，清洗機(jī)沿軸線方向從前到后進(jìn)行一定激光幅值寬度內(nèi)的清洗，如圖6a所示；當(dāng)清洗平臺(tái)行進(jìn)到軸體末端時(shí)，軸體以順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)所設(shè)定的角度，使工作區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)下一條狀待清洗區(qū)域，此時(shí)清洗平臺(tái)反向退回，以次循環(huán)往復(fù)清洗，如圖6b所示。

(a) 夾緊軸體，清洗平臺(tái)右側(cè)進(jìn)給清洗

視覺檢測是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗的核心，獲取表面污染信息與深度信息也是進(jìn)行清洗作業(yè)的重要前提條件。激光清洗裝備的清洗對象是廢舊大型冶金軸件，其表面分布著孔、鍵、槽等復(fù)雜特征以及軸向與徑向尺寸變化較大，在清洗之前，需要準(zhǔn)確知道它們的尺寸、表面特征與所處位置信息等，尤其要感知復(fù)雜曲面上的污染層信息，這就要在其清洗的過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，給出最佳清洗路徑和清洗工藝參數(shù)，直至完全清洗。具體實(shí)現(xiàn)是前相機(jī)獲取軸體的表面圖像與深度圖像，經(jīng)圖像處理操作之后，使計(jì)算機(jī)指導(dǎo)絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來保證清洗工作的正常進(jìn)行，后相機(jī)則對清洗后的區(qū)域進(jìn)行在線檢測，旨在用來判定是否存有某些區(qū)域未徹底清洗，若存在，控制清洗裝置移至該區(qū)域進(jìn)行二次清洗，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗工藝。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光清洗裝備中所涉及到的控制動(dòng)作主要包括主軸的夾緊與旋轉(zhuǎn)動(dòng)作、激光清洗與視覺檢測裝置的功能性動(dòng)作和絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的進(jìn)給動(dòng)作。本文通過采用S7-200PLC和S7-300PLC系列相結(jié)合的方式進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[13]，其系統(tǒng)框圖如圖7所示。其中，S7-200PLC負(fù)責(zé)激光清洗裝置的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，其余運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均由S7-300系列來控制完成，S7-300PLC與S7-200PLC之間的通訊通過Profibus-DP系統(tǒng)來完成。

圖7 控制系統(tǒng)框圖

清洗裝備的控制系統(tǒng)通過總站PLC來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)專機(jī)動(dòng)作的控制，通過繼電器與相關(guān)傳感器的使用能夠?qū)崟r(shí)讀取各工位的作業(yè)數(shù)據(jù)信息，并顯示于觸摸屏上，也可將指令傳遞給相關(guān)作業(yè)單元，完成智能化清洗，圖8所示為所設(shè)計(jì)的清洗裝備系統(tǒng)操作界面。

圖8 激光清洗裝備系統(tǒng)控制界面

4 清洗實(shí)驗(yàn)

為了建立以質(zhì)量、效益為目標(biāo)的廢舊重型裝備再制造的質(zhì)量評價(jià)體系與工程示范，推動(dòng)廢舊重型裝備的再制造循環(huán)利用，基于本文所設(shè)計(jì)的廢舊重型冶金軸件綠色表面清潔與形性調(diào)控的智能再制造激光清洗裝備，作者課題組聯(lián)合開發(fā)并研制出了千瓦級高功率激光清洗機(jī)，于浙江金洲某公司投入生產(chǎn)并成功應(yīng)用于泰爾重工股份有限公司，圖9所示為本次清洗實(shí)驗(yàn)所選用的JZ系列激光清洗機(jī)，該系列清洗機(jī)支持手動(dòng)清洗與自動(dòng)清洗雙作業(yè)模式，清洗激光器可夾持在設(shè)計(jì)的清洗工位上，所研制的JZ系列激光清洗機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖9 JZ-200W激光清洗機(jī)

表1 JZ系列激光清洗機(jī)參數(shù)

表1中JZ系列清洗機(jī)對工作距離要求是150 mm～300 mm，圖10所示為通過使用本項(xiàng)目組研發(fā)的JZ系列激光清洗機(jī)對大型冶金軸件的不同軸段部位加以激光除銹工藝、除漆工藝與除油工藝實(shí)驗(yàn)，圖10中上方圖像為未經(jīng)表面清洗的軸體圖像，下方圖像進(jìn)行表面清洗后的軸體圖像。

(a) 大軸 端面 (b) 焊接 法蘭 (c) 大軸 虎口 (d) 大軸 R角 (e) 大軸 托架

對圖10所示的清洗圖進(jìn)行對比分析：搭載著JZ系列激光清洗機(jī)的清洗裝備在一定程度上實(shí)現(xiàn)了廢舊大型冶金軸件的表面無損清潔，在對圖10a與圖10b中氧化腐蝕程度輕微的工件如大軸端面與焊接法蘭[14]進(jìn)行激光清洗除銹[15]，清洗后的基底材料光潔度可達(dá)3.2以上，清洗效果滿足磁粉探傷的基本要求；在圖10c與圖10d中對軸表面含輕微油液與輕度腐蝕的工件如大軸虎口與R角進(jìn)行激光清洗除漆，清洗效果滿足探傷基本要求；在圖10e中，對含有輕度油液的大軸托架工件進(jìn)行清洗，其清洗效果基本滿足磁粉探傷要求。后續(xù)將在保證不損傷表面基材的前提下，以更高效的“除銹、除漆、除油”效果為研究方向，來保障后續(xù)盾構(gòu)機(jī)、海洋鉆采裝備、冶金裝備等重型裝備的再制造與安全服役，推動(dòng)再制造技術(shù)的跨代式發(fā)展，實(shí)現(xiàn)廢舊重型裝備損傷檢測與再制造形性調(diào)控。

5 結(jié)束語

本文提出了基于機(jī)器視覺的大型冶金軸件激光清洗裝備的研發(fā)方案，完成了智能激光清洗裝備各項(xiàng)結(jié)構(gòu)功能單位的研發(fā)與相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。裝備由廢舊冶金機(jī)床及零部件加工改造而成，降低了研發(fā)設(shè)計(jì)成本的同時(shí)也推動(dòng)了我國廢舊重型裝備的綠色再制造的發(fā)展，機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的參與實(shí)現(xiàn)了表面清洗時(shí)的檢測、判定與傳動(dòng)三者之間的智能化柔性清洗控制，降低了清洗作業(yè)的復(fù)雜程度，對實(shí)現(xiàn)再制造循環(huán)利用有著重要的意義，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與發(fā)展前景，為今后的研究奠定了基礎(chǔ)。