李萌鋒，黃少敏，林燕強(qiáng)

(國網(wǎng)泉州供電公司，福建 泉州 362000)

現(xiàn)階段，隨著各類重工業(yè)技術(shù)類產(chǎn)業(yè)鏈的不斷發(fā)展和擴(kuò)張，帶動(dòng)了各類自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，而自動(dòng)化設(shè)備作為各工業(yè)重點(diǎn)的機(jī)械設(shè)備之一，在生活及生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。然而，多數(shù)的自動(dòng)化設(shè)備表面都是由各類金屬材質(zhì)構(gòu)成的，由于在渾濁的工業(yè)環(huán)境中設(shè)備長期與空氣中的物質(zhì)及各種工業(yè)雜質(zhì)產(chǎn)生接觸，就會(huì)使得高強(qiáng)度的鋼表面出現(xiàn)腐蝕、銹蝕等現(xiàn)象。當(dāng)金屬材質(zhì)發(fā)生腐蝕就會(huì)導(dǎo)致其表面機(jī)理出現(xiàn)損傷甚至斷裂及其他損壞現(xiàn)象，從而引起巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。所以對(duì)設(shè)備表面出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象及時(shí)進(jìn)行清理是很有必要的。

文獻(xiàn)[1]采用一種基于微米顆粒的硅表面雜質(zhì)的清理方法，該方法通過觀察水呈現(xiàn)液態(tài)膜形式時(shí)，利用低功率激光可以有效去除表面的微米顆粒。此方法所用功耗較低、時(shí)間較快，但是在清洗除銹完成后表面易出現(xiàn)液膜水質(zhì)的殘留物，從而導(dǎo)致產(chǎn)生頻繁性重復(fù)腐蝕的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[2]是根據(jù)一種雙重激光掃描的腐蝕去除方法，分析發(fā)現(xiàn)在前一清洗激光進(jìn)行有效除銹后，后一激光再進(jìn)行二次除銹可以消除清洗殘留，避免出現(xiàn)二次腐蝕現(xiàn)象。該方法雖然去除效率及質(zhì)量較高，但是容易忽略腐蝕區(qū)域內(nèi)原有金屬元素的因素，導(dǎo)致進(jìn)行高強(qiáng)度的二次清洗后，會(huì)破壞設(shè)備表面的機(jī)理，降低使用壽命，增加損耗。

本文基于上述問題，提出一種基于空間插補(bǔ)的激光清洗技術(shù)，利用該方法可以有效尋找模擬空間內(nèi)的最佳三點(diǎn)值，并選擇最優(yōu)直線，減少激光線段間的時(shí)間耗用，提高清洗效率。并且還能有效控制激光功率，在高效清洗的同時(shí)還能避免金屬表面機(jī)理被破壞。仿真實(shí)驗(yàn)證明，本文方法對(duì)腐蝕區(qū)域的清洗效果較高、清洗效率較高，并且對(duì)金屬表面損壞程度較小，能夠?qū)崿F(xiàn)有效清洗。

1 自動(dòng)化設(shè)備外表面腐蝕區(qū)域程度判定

一般情況下，自動(dòng)化設(shè)備外表面出現(xiàn)腐蝕區(qū)域，幾乎都是因?yàn)槠浔砻媾c空氣中的一些介質(zhì)接觸產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)，從而使得表面的金屬出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象[3]。這時(shí)，就需要對(duì)腐蝕區(qū)域內(nèi)的元素和物質(zhì)進(jìn)行科學(xué)判定，這樣才能根據(jù)不同的腐蝕程度實(shí)現(xiàn)對(duì)癥清洗，保證實(shí)現(xiàn)有效去除，并且不會(huì)造成金屬表面或零件的損傷。本文通過一種判定公式對(duì)污染物的吸附力[4]、重力以及雙靜電層[5]進(jìn)行判斷，為后續(xù)的激光技術(shù)清洗提供有利條件。

通常來看，一般金屬表面腐蝕區(qū)域的污染物都是依靠吸附力、雙靜電層和毛細(xì)力[6]為基礎(chǔ)才能附著在物體上，其具體吸附示意如圖1所示。

圖1 三種基本的附著示意圖

微米污染物主要是依靠附著力才能在金屬表面進(jìn)行腐蝕和污染，其在雜質(zhì)中的表現(xiàn)形式是一種直徑為d的球狀物體，那么其吸附力表現(xiàn)公式為

FV≈hd/16πz2

(1)

式中：h為與金屬材質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；z為小球與金屬表面的微觀距離，考慮到小球會(huì)發(fā)生畸變的情況，所以將原有數(shù)值增加一定比例。

而毛細(xì)力一般是指在小球與金屬表面產(chǎn)生的空隙中所有微小顆粒的凝聚，其數(shù)值大小的具體表達(dá)公式就為

F0=2πγd

(2)

式中：γ為顆粒的凝聚單位。基于上述計(jì)算公式就可計(jì)算得出其毛細(xì)力和物質(zhì)吸附力的具體數(shù)值，通過此數(shù)值判斷自動(dòng)化設(shè)備表面腐蝕區(qū)域的污染物與材質(zhì)之間的關(guān)系，提高清洗效率減少相應(yīng)損耗，還能避免出現(xiàn)過度清洗造成損傷。

2 基于空間插補(bǔ)法的激光清洗技術(shù)

激光清洗技術(shù)主要是依靠一種水體形成的冷凝法，清洗時(shí)在物體表面與半導(dǎo)體硅表面之間產(chǎn)生一層幾微米厚度的水膜，再借助激光的脈沖功率高強(qiáng)度照射其表面。由于長時(shí)間的高強(qiáng)照射使得水膜會(huì)不定時(shí)發(fā)生大量蒸發(fā)，借此沖擊表面腐蝕區(qū)域的微粒，可以有效清除其中氧元素和其他雜質(zhì)。

掌握激光清洗技術(shù)的關(guān)鍵在于需要時(shí)刻把握其物質(zhì)表面與介質(zhì)膜之間的關(guān)系。由于激光清洗是一項(xiàng)高強(qiáng)度高熱量的爆炸式工作，所以必須在過程中實(shí)時(shí)掌握溫度隨空間距離以及時(shí)間變化的情況，一旦發(fā)現(xiàn)溫度異常就需立即停止，不然不發(fā)生不可控的汽化從而導(dǎo)致表面材質(zhì)發(fā)生損傷?；谶@種方法，可以對(duì)自動(dòng)裝置的表面材料進(jìn)行具體分析，并研究介質(zhì)膜與表面材質(zhì)的關(guān)系，從而減少消耗、合理控制溫度和時(shí)間，達(dá)到高效清洗的目的，其激光清洗技術(shù)模型如圖2所示。

圖2 激光清洗技術(shù)模型

2.1 算法特征

本文采用一種基于最小二乘積的空間插補(bǔ)算法，該算法可以保證激光技術(shù)的掃描精度，并增強(qiáng)工作效率降低設(shè)備損耗，保證基于激光清洗技術(shù)過程的有效性和穩(wěn)定性。

目前多數(shù)的激光清洗技術(shù)都為平面激光清洗，比如振動(dòng)式的水洗加工。而對(duì)于較為單一的曲線插補(bǔ)現(xiàn)狀，本文提出一種利用最小二乘積算法的插補(bǔ)方式，該算法巧妙地根據(jù)擬合空間中任意三點(diǎn)到設(shè)立終點(diǎn)坐標(biāo)的距離關(guān)系，從而取得一條關(guān)于空間向量的直線，用這條直線代替原始空間中的所有直線，就可以取得最優(yōu)線段距離，較少耗用時(shí)間、增強(qiáng)掃描效率。

設(shè)空間內(nèi)的所有計(jì)算點(diǎn)為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q、R、S，通過這些計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)并尋找其中任意三點(diǎn)的坐標(biāo)系數(shù)，把原始的兩點(diǎn)連線用此類AD、DG、GI、IL、LN最短線段替代，這樣可以在一定程度上降低空間內(nèi)直線的計(jì)算數(shù)量，提升掃描速度，增強(qiáng)整體效率，其任意三點(diǎn)的空間附著示意如圖3所示。

圖3 任意三點(diǎn)空間插補(bǔ)示意圖

2.2 基于最小二乘積的空間插補(bǔ)過程

通過上述過程的曲線插補(bǔ)特征計(jì)算，再根據(jù)最小量化誤差數(shù)值的平方為基準(zhǔn)選擇一組與最佳函數(shù)序列最為匹配的數(shù)據(jù)樣本。

最小二乘積方法是最為合適且最簡便的空間插補(bǔ)算法之一，因其可以通過三點(diǎn)間的最優(yōu)曲線求值取得一些不能輕易得知的真實(shí)數(shù)值，這樣對(duì)比其他算法其占有一定優(yōu)勢(shì)。首先，設(shè)三點(diǎn)間的誤差平方和的數(shù)值為最小數(shù)值，且此數(shù)值為正整數(shù)，再根據(jù)通常算法下的曲線擬合方法將三點(diǎn)間的空間曲線進(jìn)行擬合，其具體表示為

(3)

此時(shí)三點(diǎn)坐標(biāo)空間內(nèi)的直線方程公式通常可以表示為

(4)

式中：x0、y0、z0分別為空間內(nèi)的三點(diǎn)間的三維向量坐標(biāo)值；m1、m2、m3則分別為空間內(nèi)任意一組直線方向上的向量，這樣就可以用x、y、z三點(diǎn)坐標(biāo)，來表示空間的三點(diǎn)間的任意直線方程表達(dá)公式為

(5)

(6)

一般情況下，大多數(shù)都會(huì)采用兩個(gè)非平行的平面進(jìn)行相交的形式來表示空間內(nèi)的任意直線，所以空間內(nèi)的平面的表達(dá)公式為

Aix+Biy+Ciz+Di=0

(7)

式中：A、B、C分別為任意平面內(nèi)線段的法向量。這樣就可以通過式(3)和式(4)分解變形得出兩個(gè)平面相交時(shí)線段的法向量[7]數(shù)值為n1={10-a}、n2=0{11-c}，根據(jù)這兩種法向量的表達(dá)取值范圍得出空間內(nèi)直線的任意方向的向量值：

(8)

根據(jù)式(7)和式(8)依次計(jì)算可以得出Δx和Δy的具體數(shù)值，再對(duì)這兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行偏導(dǎo)令全部偏導(dǎo)數(shù)值[8]都為0：

∑2×[xi-(azi+b)]×(-1)=0

(9)

∑2×[xi-(azi+b)]×(-zi)=0

(10)

∑2×[yi-(czi+d)]×(-zi)=0

(11)

∑2×[yi-(czi+d)]×(-1)=0

(12)

根據(jù)上述公式法則就可以依次求出對(duì)應(yīng)的a、b、c、d的具體數(shù)值。根據(jù)空間內(nèi)各點(diǎn)之間的直線距離公式就可計(jì)算得出任意點(diǎn)到任意直線的距離，其具體計(jì)算公式如下：

(13)

將上述過程求解得出的A、B、C、D以及a、b、c、d各數(shù)值代入到式(13)中，最終求得d的數(shù)值，并且找到空間內(nèi)任意點(diǎn)到擬合空間內(nèi)任意直線的距離關(guān)系。

由上述過程可知，通過擬合空間內(nèi)兩個(gè)信息數(shù)據(jù)點(diǎn)就可以確定擬合直線的實(shí)時(shí)系數(shù)，從而就可確定擬合空間內(nèi)直線的表達(dá)關(guān)系式，以此為基礎(chǔ)，就可計(jì)算出任意數(shù)據(jù)點(diǎn)到任意直線間的時(shí)效距離。這時(shí)如果計(jì)算下一點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)超出范圍的條件誤差δ，則就可以下一點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行重新計(jì)算，將第二個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)作為終點(diǎn)坐標(biāo)，減少計(jì)算誤差。至此，完成空間內(nèi)所有坐標(biāo)點(diǎn)到擬合曲線[9]的距離計(jì)算，其具體流程如圖4所示。

圖4 計(jì)算流程及具體框架

利用最小二乘積法好處在于可以在大量已知的數(shù)據(jù)中進(jìn)行三維點(diǎn)[10]的數(shù)據(jù)計(jì)算，這樣就能保證在空間擬合過程時(shí)出現(xiàn)線段誤差影響插補(bǔ)精準(zhǔn)性。并且在進(jìn)行激光清洗技術(shù)時(shí)往往都需要空間上曲面的特性[11]來加速激光插補(bǔ)過程，保證清洗質(zhì)量以及效率。

本文采取上述過程中的最小二乘積算法實(shí)現(xiàn)空間插補(bǔ)過程，可以有效實(shí)現(xiàn)所有任意基于三點(diǎn)數(shù)據(jù)的向量空間線段擬合，如圖5所示。

圖5 基于最小二乘積的直線擬合方法

其中，在可衡量的誤差范圍以內(nèi)，所有臨近點(diǎn)之間的最短直線就可以由擬合空間[12]中設(shè)立的直線所替代，在一定程度上減少直線基數(shù)，降低計(jì)算誤差，使得激光清洗技術(shù)能夠快速且高質(zhì)量地完成。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)背景

為有效研究本文提出的基于自動(dòng)化設(shè)備外表面腐蝕區(qū)域激光清洗技術(shù)的具體實(shí)驗(yàn)效果，將采取電機(jī)功率為300～800 W的自動(dòng)化機(jī)器作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其表面腐蝕區(qū)域內(nèi)元素的具體參數(shù)如表1所示。

激光清洗功能對(duì)應(yīng)的激光離焦量參數(shù)為3.8 mm，平均每秒的掃描速率是600 mm/min，豎直方向的掃描路徑是30 mm，橫向的掃描路徑為40 mm，金屬表面原始元素的密度值分別為鋅元素7.14 g/cm3、鐵元素7.86 g/cm3、汞元素13.59 g/cm3、銅元素8.9 g/cm3。

表1 金屬表面元素的具體參數(shù)

3.2 表面腐蝕層氧元素去除對(duì)比分析

腐蝕區(qū)域中的大致成分主要為氧化物，根據(jù)采集的氧化物元素含量的實(shí)時(shí)變化，就能夠直觀、準(zhǔn)確地觀察出腐蝕區(qū)域中污染物的清洗程度。所以本文將通過能譜數(shù)據(jù)分析法對(duì)不用清洗技術(shù)下的腐蝕樣本中的氧化物含量做出有效判定與分析，保證實(shí)驗(yàn)的直觀性和真實(shí)性。其文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]與本文共同進(jìn)行的腐蝕區(qū)域清洗效果如圖6所示。

圖6 氧元素含量去除效果

從圖6中可以看出，基于文獻(xiàn)[1]清洗方法下的金屬表面腐蝕區(qū)域內(nèi)的氧元素含量并未出現(xiàn)明顯的減少。相比之下，文獻(xiàn)[2]的氧元素去除效果比文獻(xiàn)[1]優(yōu)異許多，但是在清洗功率達(dá)到300 W時(shí)出現(xiàn)了待滯現(xiàn)象，去除效率并未隨著功率的增強(qiáng)而增強(qiáng)，是處于一種停滯不前的狀態(tài)，這就說明當(dāng)清洗功率與實(shí)際效果已經(jīng)出現(xiàn)飽和狀態(tài)，繼續(xù)進(jìn)行只會(huì)導(dǎo)致表面機(jī)理出現(xiàn)破壞，影響設(shè)備安全。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因就是沒有在技術(shù)清洗前，對(duì)表面腐蝕區(qū)域進(jìn)行附著物判斷，從而導(dǎo)致出現(xiàn)清洗飽和的現(xiàn)象，影響整體清洗效率以及質(zhì)量。

反觀本文基于激光清洗技術(shù)的實(shí)驗(yàn)效果，平均氧元素的去除率含量達(dá)到了50%左右，這足以說明，本文方法對(duì)腐蝕區(qū)域清洗的效果較好，且整體的清洗過程較為平穩(wěn)，曲線一直呈穩(wěn)定的上升趨勢(shì)并未出現(xiàn)飽和、停滯等現(xiàn)象，這主要是因?yàn)椋疚睦脤?duì)腐蝕區(qū)域內(nèi)的吸附力、重力以及靜電層進(jìn)行科學(xué)判定，并根據(jù)不同的腐蝕程度實(shí)現(xiàn)對(duì)癥清洗，在不會(huì)造成金屬表面或零件的損傷的同時(shí)還能保證實(shí)現(xiàn)氧元素的有效去除，增強(qiáng)清洗效率改善耗用時(shí)間。

3.3 表面機(jī)理破壞程度分析

一般情況下，想要實(shí)現(xiàn)腐蝕污濁物的徹底清除就必須采取高功率、高強(qiáng)度的清洗方法，但此類方法不易控制清洗的最優(yōu)頻率從而導(dǎo)致金屬表面的機(jī)理出現(xiàn)破損現(xiàn)象。所以本文將通過對(duì)比三種方法下金屬表面密度數(shù)值的變化狀態(tài)，來判定清洗技術(shù)對(duì)原始機(jī)理的破壞程度，并且還會(huì)比較清洗后原有金屬元素的保留含量進(jìn)一步判定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)異性。

其中，能譜值表示脈沖信號(hào)隨能量分布的曲線，可以表示為激光清洗信號(hào)文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]方法以及本文對(duì)自動(dòng)化設(shè)備采取清洗、清洗功率為500 W，結(jié)果如圖7和表2所示。

圖7 三種方法下元素密度變化

表2 清理前后表面金屬含量對(duì)比

從圖7中可以看出，基于本文方法清理后的自動(dòng)化設(shè)備各類元素的密度數(shù)值與原數(shù)值相比未出現(xiàn)較大差異，并且根據(jù)表2中的機(jī)器表面各金屬元素含量與清理前也沒有太大的變化，這就說明本文對(duì)于清洗技術(shù)的功率設(shè)置的度量把握較好，在能保證有效清洗的同時(shí)還不會(huì)破壞金屬機(jī)理，這主要是因?yàn)樵诶眉す馇逑醇夹g(shù)時(shí)引入了空間插補(bǔ)的機(jī)制，通過擬合空間的方式讓激光曲線找到最為合適的三種空間基點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)基于最短直線的激光進(jìn)程，這樣不僅能提高清洗效率還會(huì)在一定程度上抑制清洗功率及頻率，能夠較好地把握清洗度量，不會(huì)造成元素密度的破壞。

4 結(jié) 論

本文基于自動(dòng)化設(shè)備外表面腐蝕區(qū)域激光清洗技術(shù)進(jìn)行研究分析得出以下結(jié)論：

(1)通過計(jì)算得出其自動(dòng)化設(shè)備表面材質(zhì)的毛細(xì)力與吸附力的具體數(shù)值，以此為判斷依據(jù)不僅可以減少響應(yīng)時(shí)間與材料損耗、提高清洗效率，還能避免出現(xiàn)過度損傷。

(2)本文采取的基于最小二乘積的空間插補(bǔ)算法，可使得激光清洗技術(shù)具有的高功率、高頻率特性得到高效發(fā)揮，有效改善激光掃描的精度并增強(qiáng)整體工作效率、降低設(shè)備損耗，確保整個(gè)清洗過程的有效性和穩(wěn)定性。

(3)仿真實(shí)驗(yàn)證明，基于所提方法對(duì)自動(dòng)化設(shè)備腐蝕區(qū)域的清洗效果優(yōu)異，可以有效去除表面氧元素與其他雜質(zhì)，保證清洗后材質(zhì)表面的機(jī)理、形貌、紋理等不會(huì)出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，且不會(huì)留下腐蝕坑。本系統(tǒng)在各方面來看都具有較高的應(yīng)用價(jià)值。