一种机器人-激光协同自动化飞机清洗系统

1.本实用新型涉及飞机清洗技术领域，具体涉及一种机器人-激光协同自动化飞机清洗系统。


背景技术：

2.飞机经过3～5年时间的服役，飞机表面涂层出现老化、龟裂、局部脱落等现象，失去对蒙皮的保护作用。飞机表面涂层清洗是飞机维修保养的必要环节，涂层的去除有利于更换失效涂层、检查或修理基体的损伤情况。传统的机械打磨、喷丸、化学溶剂等清洗方法存在易损伤基体、处理效率低、对环境污染严重等弊端，已不能满足飞机表面涂层清洗市场的高效低耗需求和国家大政方针的环保要求。
3.现有的飞机清洗装置及方法通过设置视觉模块、模型处理模块、路径规划模块、运动控制模块等对飞机不同部位进行机械清洗以及机器人协同水射流清洗，自动化程度有所提高，但结合激光清洗应用较少。激光清洗技术可以满足飞机部附件精密、环保、高效、稳定的清洗需求，同时提升工艺与质量的可控性与可重复性。机器人协同激光对飞机进行清洗，可打破传统飞机清洗、维修方式的技术限制，不断推动飞机清洗向智能化、绿色化迈进。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是解决上述的不足，提供一种可以满足飞机部附件精密、环保、高效、稳定的清洗需求，同时提升工艺与质量的可控性与可重复性并使得飞机清洗更为智能化、绿色化的机器人-激光协同自动化飞机清洗系统。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种机器人-激光协同自动化飞机清洗系统，包括数据采集模块、控制模块和执行模块；
6.数据采集模块，包括用于对待清洗飞机部附件进行信息扫描建模的三维扫描建模系统和用于调整六轴机器人与待清洗飞机部附件之间相对位置的位置监测系统；
7.控制模块，用于规划清洗路径信息和激光清洗参数，包括总控系统、用于对六轴机器人进行控制的机器人控制系统和用于对光纤激光器进行控制的激光控制系统；
8.执行模块，包括六轴机器人、机器人控制软件和激光器运行系统，所述六轴机器人上设置有激光清洗加工头，所述机器人控制软件读取控制模块规划的清洗路径信息或手动规划的清洗路径信息和激光清洗参数，控制六轴机器人按照清洗路径信息移动，实现激光清洗加工头与待清洗飞机部附件表面的空间相对定位与光束聚焦，并利用光纤激光器发出激光能量对待清洗飞机部附件表面漆层、油污等进行清洗，所述激光器运行系统包括光纤激光器和激光控制软件。
9.进一步的，所述总控系统包括电气控制柜，所述激光控制系统设置在所述电气控制柜内包括用于对光纤激光器进行控制的激光控制卡和激光控制器。
10.进一步的，所述电气控制柜内设置有用于对加工参数进行修改或调用的加工控制计算机、用于反映设备运行状态的报警灯和用于对六轴机器人进行控制的急停按钮。
11.进一步的，所述机器人控制系统包括用于对机器人进行控制的机器人控制器和用于手动输入程序和对清洗路径进行规划的机器人示教器。
12.进一步的，所述执行模块还包括用于对光纤激光器输出的光束进行偏转的扫描振镜和用于对扫描振镜偏转后的光束进行聚焦的场镜，所述扫描振镜设置在所述激光清洗加工头内部，所述场镜安装在所述激光清洗加工头的下端。
13.进一步的，所述三维扫描建模系统包括用于对待清洗飞机部附件进行扫描并获得3d点云数据的3d扫描仪和用于拟合3d点云数据并构造待清洗飞机部附件三维模型的3d扫描测量软件。
14.进一步的，所述位置监测系统为设置在所述激光清洗加工头侧面的激光测距仪。
15.进一步的，还包括辅助模块，所述辅助模块包括用于处理激光清洗烟尘的烟尘收集系统和用于安全防护的保护系统。
16.进一步的，所述烟尘收集系统为烟尘净化器，所述保护系统包括用于保证设备运行电压的变压器和稳压器。
17.对比现有技术，本实用新型具有如下的有益效果：本实用新型通过设置数据采集模块，能够对待清洗飞机部附件的三维外形进行扫描，并且能够根据扫描的三维外形进行规划清洗路径信息或手动规划的清洗路径信息和激光清洗参数，根据规划的清洗路径信息和激光清洗参数，通过光纤激光器激发能量，六轴机器人带动光纤激光器按规划的清洗路径进行移动，从而能够实现激光清洗加工头与部附件表面的空间相对定位与光束聚焦，还能够对待清洗飞机部附件上简单平面以及复杂曲面的表面涂层、锈蚀、氧化层进行选择性激光清洗；满足飞机部附件精密、环保、高效、稳定的清洗需求，同时提升工艺与质量的可控性与可重复性，机器人协同激光对飞机进行清洗，打破传统飞机清洗、维修方式的技术限制，不断推动飞机清洗向智能化、绿色化迈进。
附图说明
18.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
19.图1为本实用新型一实施例的立体图。
20.图2为本实用新型一实施例的激光清洗加工头的立体图。
21.图中：1、数据采集模块；2、控制模块；3、执行模块；11、三维扫描建模系统；12、位置监测系统；21、总控系统；22、机器人控制系统；31、六轴机器人；32、激光器运行系统；321、光纤激光器；33、激光清洗加工头；211、电气控制柜；212、加工控制计算机；213、报警灯；214、急停按钮；221、机器人控制器；222、机器人示教器；34、扫描振镜；35、场镜；111、3d扫描仪；121、激光测距仪；4、辅助模块；41、烟尘收集系统；42、保护系统；411、烟尘净化器；421、变压器；422、稳压器。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施
例。在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.如图1-2所示，本实用新型机器人-激光协同自动化飞机清洗系统，包括数据采集模块1、控制模块2和执行模块3；
24.数据采集模块1，包括用于对待清洗飞机部附件进行信息扫描建模的三维扫描建模系统11和用于调整六轴机器人31与待清洗飞机部附件之间相对位置的位置监测系统12；
25.控制模块2，用于规划清洗路径信息和激光清洗参数，包括总控系统21、用于对六轴机器人31进行控制的机器人控制系统22和用于对光纤激光器321进行控制的激光控制系统；
26.执行模块3，包括六轴机器人31、机器人控制软件和激光器运行系统32，所述六轴机器人31上设置有激光清洗加工头33，所述机器人控制软件读取控制模块2规划的清洗路径信息或手动规划的清洗路径信息和激光清洗参数，控制六轴机器人31按照清洗路径信息移动，实现激光清洗加工头33与待清洗飞机部附件表面的空间相对定位与光束聚焦，并利用光纤激光器321发出激光能量对待清洗飞机部附件表面漆层、油污等进行清洗，所述激光器运行系统32包括光纤激光器321和激光器控制软件。
27.使用时，通过三维扫描建模系统11对待清洗飞机部附件进行扫描建模，并通过设置位置监测系统12，能够调整六轴机器人31与待清洗飞机部附件之间的位置，防止与待清洗飞机部附件之间发生碰撞，控制模块2接收经数据采集模块1构造的三维模型信息，规划清洗路径以及激光清洗的参数，并通过机器人控制系统22开启六轴机器人31，机器人控制软件读取控制模块2规划的清洗路径信息和激光清洗参数，控制六轴机器人31按照清洗路径信息移动，实现激光清洗加工头与部附件表面的空间相对定位与光束聚焦，并利用光纤激光器321发出激光能量对待清洗飞机部附件表面漆层、油污等进行清洗，激光控制系统控制光纤激光器321调整激光清洗光束。
28.在一实施例中，所述总控系统21包括电气控制柜211，所述激光控制系统设置在所述电气控制柜211内包括用于对光纤激光器321进行控制的激光控制卡和激光控制器，所述激光控制卡和所述激光控制器负责激光雕刻、激光参数设定以及工艺数据的存储与调用。这样设计，通过设置电气控制柜211，能够控制整体设备的开闭，通过将激光控制卡和激光控制器设置在电气控制柜211内，方便激光控制卡和激光控制器的使用，便于对光纤激光器321进行控制。
29.在一实施例中，所述电气控制柜211内设置有用于对加工参数进行修改或调用的加工控制计算机212、用于反映设备运行状态的报警灯213和用于对六轴机器人31进行控制的急停按钮214。这样设计，通过设置加工控制计算机212，方便工作人员进行激光参数设定，并由激光控制卡和激光控制器调控激光参数，方便激光清洗工作的进行，且通过设置报警灯213，能够反映设备的运行状态，能够在出现问题的时候进行报警，且通过设置急停按钮214，能够在意外发生时，通过急停按钮214对六轴机器人31进行急停，停止清洗工作。
30.优选的，所述报警灯213为三色报警灯213。这样设计，便于通过不同颜色的报警灯213反应设备不同的运行状态。
31.在一实施例中，所述机器人控制系统22包括用于对机器人进行控制的机器人控制
器221和用于手动输入程序和对清洗路径进行规划的机器人示教器222。这样设计，机器人控制器221负责六轴机器人31的开关与急停，机器人示教器222能够实现对六轴机器人31在线模式与示教模式的切换，机器人示教器222负责机器人的手动操纵、程序编写输入、参数配置和六轴机器人31的状态监控，操作人员能够通过机器人示教器222调整六轴机器人31的位置状态与配置参数，也可以通过程序编写实现对六轴机器人31运行路径的规划；
32.当六轴机器人31采用示教模式时，通过操作机器人示教器222能够带动激光清洗加工头33上的3d扫描仪111，获得待清洗件的三维模型，通过程序编写进行路径规划，之后进行激光清洗工作；
33.当六轴机器人31采用在线模式时，机器人控制器221接收数据采集模块1采集的信息，在对飞机部件完成扫描-建模-拼接-路径规划后，按规划路径搭载激光清洗加工头33对待清洗飞机部附件进行清洗。
34.在一实施例中，所述执行模块3还包括两个用于对光纤激光器321输出的光束进行偏转的扫描振镜34和用于对扫描振镜34偏转后的光束进行聚焦的场镜35，所述扫描振镜34设置在所述激光清洗加工头33内部，所述场镜35安装在所述激光清洗加工头33的下端。这样设计，激光清洗加工头33中扫描振镜34采用扫描式光路原理，光纤激光器321发出激光光束，在扫描振镜34的作用下对光束进行偏转，之后光束在场镜35的作用下进行聚焦，将激光光束引导到待清洗飞机部附件表面上的特定位置，实现对待清洗飞机部附件的激光清洗。
35.在一实施例中，所述三维扫描建模系统11包括用于对待清洗飞机部附件进行扫描并获得3d点云数据的3d扫描仪111和用于拟合3d点云数据并构造待清洗飞机部附件三维模型的3d扫描测量软件。这样设计，通过设置3d扫描仪111，能够对待清洗飞机部附件进行单幅扫描或拼接扫描，3d扫描测量软件根据扫描的信息拟合3d点云数据从而建立待清洗飞机部附件的三维模型，之后将该模型传输至控制模块2，辅助进行路径规划。
36.在一实施例中，所述位置监测系统12为设置在所述激光清洗加工头33侧面的激光测距仪121。通过设置激光测距仪121，能够调整六轴机器人31与待清洗飞机部附件之间的位置关系，防止整体设备与待清洗飞机部附件发生碰撞，并能够实现激光与待清洗飞机部附件表面的对齐、对焦，从而使得激光能量达到最大化利用。
37.在一实施例中，还包括辅助模块4，所述辅助模块4包括用于处理激光清洗烟尘的烟尘收集系统41和用于安全防护的保护系统42。这样设计，通过设置烟尘收集系统41，能够对激光清洗过程中产生的烟尘进行吸收，并通过设置保护系统42，能够保证整体设备的安全使用。
38.在一实施例中，所述烟尘收集系统41为烟尘净化器411，所述保护系统42包括用于保证设备运行电压的变压器421和稳压器422。这样设计，烟尘净化器411能够对激光清洗过程中产生的烟尘进行吸收，避免烟尘污染外部环境，并通过变压器421与稳压器422的配合，保证设备运行电压的稳定。
39.优选的，所述机器人控制软件、所述激光器控制软件和所述3d扫描测量软件均设置在所述加工控制计算机212内。
40.工作原理：通过设置激光测距仪121，能够调整六轴机器人31与待清洗飞机部附件之间的位置，并实现激光与待清洗飞机部附件表面的对齐、对焦，并防止与待清洗飞机部附件相撞；搭载3d扫描仪111对待清洗飞机部附件进行单幅扫描或拼接扫描，通过3d扫描测量
软件拟合点云数据生成待清洗飞机部附件的三维模型，并将该模型传输至控制模块2；机器人控制器221连接六轴机器人31与机器人示教器222进行信息交互，读取控制模块2自动规划的待清洗飞机部附件路径规划信息或通过机器人示教器222编程对待清洗飞机部附件的路径进行规划；激光控制卡协调激光器各部件运行，通过激光控制器调控激光清洗参数及参数库的调用，启动清洗任务，机器人控制软件发出指令使六轴机器人31按照既定规划路径开始移动，六轴机器人31搭载激光清洗加工头33移动至规定位置；光纤激光器321输出激光光束，扫描振镜34偏转激光光束，场镜35完成光束聚焦辐照待清洗飞机部附件的表面；变压器421和稳压器422对设备安全进行保护，烟尘净化器411对激光清洗烟尘进行吸收。
41.对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

技术特征：
1.一种机器人-激光协同自动化飞机清洗系统，其特征在于：包括数据采集模块(1)、控制模块(2)和执行模块(3)；数据采集模块(1)，包括用于对待清洗飞机部附件进行信息扫描建模的三维扫描建模系统(11)和用于调整六轴机器人(31)与待清洗飞机部附件之间相对位置的位置监测系统(12)；控制模块(2)，用于规划清洗路径信息和激光清洗参数，包括总控系统(21)、用于对六轴机器人(31)进行控制的机器人控制系统(22)和用于对光纤激光器(321)进行控制的激光控制系统；执行模块(3)，包括六轴机器人(31)、机器人控制软件和激光器运行系统(32)，所述六轴机器人(31)上设置有激光清洗加工头(33)，所述机器人控制软件读取控制模块(2)规划的清洗路径信息和激光清洗参数，控制六轴机器人(31)按照清洗路径信息移动，实现激光清洗加工头(33)与待清洗飞机部附件表面的空间相对定位与光束聚焦，并利用光纤激光器(321)发出激光能量对待清洗飞机部附件表面进行清洗，所述激光器运行系统(32)包括光纤激光器(321)和激光控制软件。2.如权利要求1所述的机器人-激光协同自动化飞机清洗系统，其特征在于：所述总控系统(21)包括电气控制柜(211)，所述激光控制系统设置在所述电气控制柜(211)内包括用于对光纤激光器(321)进行控制的激光控制卡和激光控制器。3.如权利要求2所述的机器人-激光协同自动化飞机清洗系统，其特征在于：所述电气控制柜(211)内设置有用于对加工参数进行修改或调用的加工控制计算机(212)、用于反映设备运行状态的报警灯(213)和用于对六轴机器人(31)进行控制的急停按钮(214)。4.如权利要求2所述的机器人-激光协同自动化飞机清洗系统，其特征在于：所述机器人控制系统(22)包括用于对机器人进行控制的机器人控制器(221)和用于手动输入程序和对清洗路径进行规划的机器人示教器(222)。5.如权利要求1-4中任一项所述的机器人-激光协同自动化飞机清洗系统，其特征在于：所述三维扫描建模系统(11)包括用于对待清洗飞机部附件进行扫描并获得3d点云数据的3d扫描仪(111)和用于拟合3d点云数据并构造待清洗飞机部附件三维模型的3d扫描测量软件。6.如权利要求5所述的机器人-激光协同自动化飞机清洗系统，其特征在于：所述位置监测系统(12)为设置在所述激光清洗加工头(33)侧面的激光测距仪(121)。7.如权利要求1-4中任一项所述的机器人-激光协同自动化飞机清洗系统，其特征在于：还包括辅助模块(4)，所述辅助模块(4)包括用于处理激光清洗烟尘的烟尘收集系统(41)和用于安全防护的保护系统(42)。8.如权利要求7所述的机器人-激光协同自动化飞机清洗系统，其特征在于：所述烟尘收集系统(41)为烟尘净化器(411)，所述保护系统(42)包括用于保证设备运行电压的变压器(421)和稳压器(422)。

技术总结
本实用新型提供了一种机器人-激光协同自动化飞机清洗系统，包括数据采集模块、控制模块和执行模块；数据采集模块，包括用于对待清洗飞机部附件进行信息扫描建模的三维扫描建模系统和用于调整六轴机器人与待清洗飞机部附件之间相对位置的位置监测系统。本实用新型通过设置数据采集模块，对待清洗飞机部附件的三维外形进行扫描，并能够根据扫描的三维外形进行规划清洗路径信息或手动规划的清洗路径信息和激光清洗参数，根据规划的清洗路径信息和激光清洗参数，通过光纤激光器激发能量，六轴机器人带动光纤激光器按规划的清洗路径进行移动，从而能够对待清洗飞机部附件上简单平面以及复杂曲面的表面涂层、锈蚀、氧化层进行选择性激光清洗。选择性激光清洗。选择性激光清洗。


技术研发人员：杨文锋 张赛 李绍龙 杨帆 林德惠 高韶华 李果 王迪升
受保护的技术使用者：中国民用航空飞行学院
技术研发日：2022.09.23
技术公布日：2023/5/6