CN111958504B - 一种热喷涂工艺曲面轨迹协同的自动喷砂装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热喷涂工艺曲面轨迹协同的自动喷砂装置及方法，该装置包括喷砂头与热喷涂枪固定联动模块、实时喷砂回收再利用模块、可编程六轴机械手、表面粗糙度检测模块、表面温度检测模块、电脑智能控制模块。本发明将热喷涂工艺制备表面涂层过程的各个工序有机的集成到一起，能够在同一个工位完成曲面的喷砂、清理、粗糙度测量、温度监测、喷涂工作。喷砂与喷涂轨迹协同，只需要编写一次程序，程序编写完成后，无需再中途进入喷砂和喷涂的环境中去。整个涂层制备过程都可通过可编程六轴机器人程序高效、自动完成，整个过程中节约了大量时间和物料成本，同时保证了工作人员的安全和身体健康。

Description

一种热喷涂工艺曲面轨迹协同的自动喷砂装置及方法

技术领域

本发明涉及表面处理及再制造涂层技术领域，尤其涉及一种热喷涂工艺曲面轨迹协同的自动喷砂装置及方法。

背景技术

磨损、腐蚀、气蚀等表面失效形式严重危害着工业零部件的平稳运行，造成的经济损失更是数以亿计，特别是关系民生的重大工业工程，如三峡水利枢纽、石油等能源开发工程、船舶工程等，其更是会威胁民众的生命财产安全，同时还会造成严重的环境污染。为了保证工程的平稳运行，通过表面技术延长工业零部件的服役年限和快速修复零件表面失效问题是目前主流并且非常有前景的方式。热喷涂技术制备高性能表面涂层是解决零件表面失效问题的一种非常重要的表面技术，工业份额约占整个表面工程的三分之一。

喷砂和喷涂是整个热喷涂工艺中最重要的工序，但是在目前喷砂和喷涂一般是分开进行。一是因为喷砂会产生大量的砂子堆积，如与喷涂一起，砂子和喷涂粉末会混合在一起，大量堆积的砂子将无法继续使用，造成成本的上升和工作效率的降低；二是因为喷砂时高速飞溅的砂子会打坏旁边喷涂设备，同时产生的细微砂尘颗粒不可避免的会污染喷涂设备，甚至能从喷涂设备的缝隙进入喷涂设备的内部，引起喷涂设备的损坏。三是喷砂引起的粉尘会二次污染喷砂表面，影响喷涂涂层的质量。因此，目前工程上，喷砂和喷涂大都在不同的空间，但是这样零件工位势必发生变化，喷砂和喷涂轨迹程序需要单独编程，并且需要经常修改，时间成本会上升很多，并且会增加意外事故的概率。另外增加了工作人员进入粉尘房间的次数，尽管有防护措施，但是对长时间的工作人员的健康不可避免的有不利的影响，同时也会降低工作效率。

将热喷涂的多个工序通过新的装置实现一种高效、智能、环保、安全的热喷涂曲面的方法，即零件在一个工位上，依次通过六轴机器人自动完成喷砂、清理表面、测量粗糙度、喷涂、冷却、粗糙度测量等工序，是目前热喷涂工艺自动一体化的空缺。

发明内容

本发明的目的是为了实现零件曲面表面的热喷涂涂层制备的高效性、环保性、智能性、一体性功能。主要实现喷砂与喷涂轨迹的协同、喷砂与喷涂距离可控制、喷砂压力可调、实时柔性喷砂回收、自动筛分除尘循环利用系统、智能检测粗糙度，压缩空气清理表面等功能。

本发明采用以下技术方案实现：

一种热喷涂工艺曲面轨迹协同自动喷砂装置，主要包括：喷砂头与热喷涂枪固定联动模块、实时喷砂回收再利用模块、可编程六轴机械手、表面粗糙度检测模块、表面温度检测模块、电脑智能控制模块；

所述的喷砂头与热喷涂枪固定联动模块包括集成固定架、三个直线电动滑轨、一个电动升降台、一个电动转台；所述的电动转台与可编程六轴机械手连接；所述的集成固定架与电动转台连接，可沿着其自身的轴心旋转；所述的集成固定架为盒状，所述的电动升降台设于集成固定架内部，一个直线电动滑轨A设于电动升降台上，该直线电动滑轨A上设有热喷涂枪，所述的热喷涂枪可根据使用需要伸出或缩入集成固定架内，并可通过电动升降台和直线电动滑轨A进行2维运动，从而调整位置，以便与喷砂头的行走轨迹协同；另外两个直线电动滑轨设于集成固定架的外侧面，其中一个直线电动滑轨C上设有喷砂头，另一个直线电动滑轨B上设有表面粗糙度检测模块及其保护罩，保护罩用于防止喷涂和喷砂时损伤表面粗糙度检测模块的零件；

所述的实时喷砂回收再利用模块用于对待加工零件进行喷砂、吸砂及除尘，该模块的所有动力均由干燥的压缩空气提供；

所述的可编程六轴机械手用于对复杂曲面喷涂和喷砂轨迹进行编程；

所述的表面粗糙度检测模块用于在喷砂完成后对待加工零件的粗糙度进行测量；

所述的表面温度检测模块与热喷涂枪固定在同一个直线电动滑轨A上，用于实时监测喷涂过程中待加工零件的表面温度；

所述的电脑智能控制模块用于对工艺参数进行控制，并对测量数据进行收集。

上述技术方案中，进一步地，所述的集成固定架是一个中空的长方体结构，两端面是正方形，四侧面是长方形，其中一个侧面和一个端面是活动的，可打开可关闭，当热喷涂枪缩在集成固定架内部时，活动的侧面和端面会在弹力作用下自动关闭；电动升降台带动热喷涂枪升高时会经过集成固定架可活动的侧面；同时针对不同类型和高度的热喷涂枪，为匹配喷砂高度，直线电动滑轨A带动热喷涂枪向零件靠近时会经过活动的端面。热喷涂枪在喷砂工序时是缩在集成固定架内部的，以免被泄露的砂尘污染喷涂设备，让喷涂设备得到充分的保护；进行热喷涂时，热喷涂枪通过电动升降台升起到与喷砂头的同一高度，通过直线电动滑轨A移动，并结合喷砂距离和喷涂距离，使得喷砂与喷涂的作用面是同一个面，从而达到喷涂与喷砂轨迹的协同作用；在热喷涂工序时，可通过直线电动滑轨C将喷砂头往后缩，以免在热喷涂枪按照轨迹行走时喷砂头成为障碍，影响喷涂轨迹行程。

进一步地，所述的实时喷砂回收再利用模块包括喷砂头、喷砂头吸砂罩、喷砂头密封刷、砂子输出管、砂子回收管、喷砂进气管、砂子筛分网、储砂罐、除尘装置；

所述的喷砂头为三孔喷砂头结构，一孔连接喷砂进气管，一孔连接砂子输出管，还有一孔是出气出砂口，即喷砂嘴；砂子输出管另一端与储砂罐相连；所述的喷砂头吸砂罩采用喇叭状结构，喷砂头吸砂罩上开有吸砂口，吸砂口连接砂子回收管，砂子回收管另一端与砂子筛分网连接；喷砂头的喷砂嘴与喷砂头吸砂罩密封连接；喷砂头吸砂罩另一端与喷砂头密封刷密封连接，喷砂头密封刷采用双层密封，里层采用密集铁丝网，外层采用弹性较好的橡胶材质，里层可很好的缓解往外散射砂子的冲击力和分割气流，外层采用弹性较好的橡胶结构，能够很好的隔绝细微的砂尘和气流，提高喷砂头吸砂罩与零件曲面的密封性，同时能够提升吸砂口的吸力，由于喷砂头密封刷的里层和外层都是柔性的，能够应对复杂曲面喷砂，并保持良好的密封性；同时喷砂头吸砂罩与喷砂头、喷砂头吸砂罩与喷砂头密封刷之间都采用橡胶密封圈密封，保证该装置的密封性；所述的砂子筛分网为不锈钢网材质，设于储砂罐内，砂子筛分网的目数可根据具体喷砂工艺进行设定；储砂罐上还设有卸砂口，当砂子量足够多时可打开卸砂口对砂子进行回收；储砂罐内的废砂尘经管道进入除尘装置进行除尘，所述的除尘装置内置过滤棉，除尘装置上还开有除尘泄气口和废砂收集口，废砂尘穿过过滤棉时会分离出废细砂和空气，空气通过除尘泄气口到大气中，废细砂会在重力作用下沉淀在废砂收集口处，当堆积到一定程度，可打开废砂收集口，清理废细砂；

压缩空气通过气体四通与喷砂进气管、储砂罐进气管和除尘装置进气管连接，各进气管路上均设有空气调节阀，用于调节压缩空气的出气量，从而调节喷砂压力、吸砂压力以及除尘功率的大小；所述的砂子输出管上设有空气调节阀，用于调节出砂量的大小。

进一步地，所述的可编程六轴机械手可采用市场上常见的六关节机器人。

进一步地，所述的表面粗糙度检测模块包括弹簧伸缩棒、压力传感器、粗糙度仪、弹簧伸缩棒转接件；所述的弹簧伸缩棒转接件固定于直线电动滑轨B上；弹簧伸缩棒一端固定在弹簧伸缩棒转接件上，另一端连接有粗糙度仪，粗糙度仪与弹簧伸缩棒可采用活动铰链连接，使粗糙度仪能在一个平面上转动，以便适应曲面零件的粗糙度测量；所述的弹簧伸缩棒内部还设有压力传感器，用于测量粗糙度仪与待测零件表面的压力。

更进一步地，所述的弹簧伸缩棒包括固定端和伸缩端，固定端与伸缩端之间通过弹簧连接；压力传感器设于固定端，压力传感器另一端与弹簧相连接，可实时测量粗糙度仪与零件表面的压力；粗糙度仪设于弹簧伸缩棒的伸缩端；所述的弹簧伸缩棒转接件上开有凹槽，弹簧伸缩棒的固定端位于凹槽内，弹簧伸缩棒转接件通过紧箍的方式限制弹簧伸缩棒的侧面自由度。

进一步地，所述的表面温度检测模块包括红外测温仪和固定连接件，固定连接件与热喷涂枪固定在同一个直线电动滑轨A上，红外测温仪固定在固定连接件上。

进一步地，所述的电脑智能控制模块包括工艺参数控制部分和测量数据收集部分；工艺参数控制部分用于控制喷砂工艺参数和喷涂工艺参数，喷砂工艺参数包括喷砂压力、出砂量、吸砂压力，喷涂工艺参数包括空气、氮气、燃料、氧气流量和压力数值；测量数据收集部分用于收集喷砂或者喷涂后零件表面温度和粗糙度的测量数据。

本发明还提供一种热喷涂工艺曲面轨迹协同自动喷砂方法，该方法基于上述的装置实现，具体包括以下步骤：

步骤一：将待加工零件固定在工位上，并用酒精清理零件表面的油污。

步骤二：将所需型号的热喷涂枪和喷砂头安装在直线电动滑轨上，通过电动升降台使得热喷涂枪管轴心线与喷砂头的轴心线到电动转台轴心线的距离相等，以保证电动转台旋转90度或者180度后，热喷涂枪管轴心与喷砂头轴心在同一条线上；调整各自的直线电动滑轨，使得热喷涂枪与喷砂头的作用面是同一平面，即热喷涂枪口到该平面的距离是热喷涂枪的合理喷涂距离，喷砂头口到该平面的距离是合理喷砂距离；在电脑里保存两个直线电动滑轨和电动升降台的位置，并将热喷涂枪缩在集成固定架内部。

步骤三：操作可编程六轴机械手，编程喷砂轨迹，使得柔性的喷砂头密封刷在轨迹行程中始终紧贴零件表面，并保存待加工零件的几个粗糙度测量位置；接入压缩空气，打开喷砂进气管的空气调节阀C和除尘装置空气调节阀B，关闭砂子输出管的空气调节阀A和储砂罐进气管的空气调节阀D，通过压缩空气清理待加工零件表面，并自动试运行所编写的程序，确保程序无问题；各个管路的空气调节阀均采用电磁阀，既可手动控制也可通过电脑智能控制模块控制。

步骤四：打开喷砂进气管、砂子输出管、除尘装置进气管和储砂罐进气管的空气调节阀，调整喷砂工艺参数气流压力和出砂量在合适数值；自动运行可编程六轴机械手程序，进行喷砂；喷砂完，关闭各个阀门，移动可编程六轴机械手到步骤三中保存的粗糙度测量位置。

步骤五：移动安装有粗糙度仪的直线电动滑轨，使得粗糙度仪与待加工零件表面在一个合适的压力，通过压力传感器反馈和直线电动滑轨来控制，调整位置之后用粗糙度仪来测量待加工零件的表面粗糙度；表面粗糙度测量完毕，将粗糙度仪缩回到保护罩中；如果粗糙度不符合要求，再重复一次喷砂工序，一般根据不同材料研究出合理的喷砂工艺参数，喷砂工序只需要进行一次；如果粗糙度符合要求，通过直线电动滑轨将喷砂头缩到原始安全位置，进行下一步骤。

步骤六：通过电动升降台和直线电动滑轨移动热喷涂枪到步骤二中保存的位置；通过电动转台旋转使得热喷涂枪位置替代之前喷砂头的位置（电动转台的旋转角度根据热喷涂枪和喷砂头安装的位置确定）；热喷涂枪点火，运行步骤三中编写的程序，进行预热，喷涂。喷涂过程中，始终通过红外测温仪监控待加工零件表面温度，当温度过高时，单独打开喷砂头进气管的空气调节阀，进行空冷降温。

步骤七：喷涂完毕后，等待加工零件表面温度下降到室温，进行涂层的粗糙度测量，并记录。

本发明中，喷砂过程需同时打开空气调节阀A和空气调节阀C，空气调节阀A作用是调节出砂量，空气调节阀C作用是调节喷砂压力的大小。

吸砂过程也是除尘过程，需同时打开空气调节阀B和空气调节阀C，在喷砂进气管、吸砂口、储砂罐、除尘装置和除尘泄气口（大气）之间形成一个畅通的气流通路，零件表面的尘埃和可再利用的砂子一起经过吸砂口，到达储砂罐，在砂子筛分网和砂子自身重力的作用下，将尘埃和可再利用砂子分离，可再利用砂子留在储砂罐，尘埃到达除尘装置，经过过滤棉的过滤，经过除尘泄气口，排到大气中去。原理是：经过空气调节阀B到除尘泄气口的高速气流在吸砂口产生的虹吸效应和经过空气调节阀C压缩空气在吸砂口产生推力的共同作用。

吸砂（除尘）过程如下：喷砂嘴喷射高速砂气流到零件表面，砂气流处于喷砂头吸砂罩的中心，并且砂气流截面比喷砂头吸砂罩截面小的多，反射的砂子和气流会因为吸砂口虹吸效应和自身残余的动能，再加上喷砂头吸砂罩和喷砂头密封刷的作用，经过砂气流外面剩余的空间，进入吸砂口。

喷砂和吸砂同时进行则需同时打开空气调节阀A、空气调节阀B、空气调节阀C和空气调节阀D，原理是进砂口的虹吸效应在喷砂进砂管内产生一个吸力作用和储砂罐内部压力对砂子的推力作用，空气调节阀A作用是调节出砂量，空气调节阀D作用是提高储砂罐内砂子的流动性、给储砂罐内提供一定的压力并对出砂提供一定的推力。

本发明的有益效果在于：

本发明装置和方法有效地将热喷涂工艺制备表面涂层过程的各个工序有机的集成到一起，能够在同一个工位完成曲面的喷砂、清理、粗糙度测量、温度监测、喷涂工作。喷砂与喷涂轨迹协同，只需要编写一次程序，程序编写完成后，无需再中途进入喷砂和喷涂的环境中去。且实时喷砂回收再利用模块只需要压缩空气提供动力，在喷砂过程中可同时实现砂子的回收再利用。双层的喷砂头密封刷进一步保证了装置的密封性和吸砂能力，可以完成空冷、喷砂、吸砂的工作，整个过程节约环保；砂子通过自动筛分可循环利用，同时大量废砂尘会留在除尘装置中，不会进入外部大气中去，污染环境，危害人体健康。工艺参数确定后，整个涂层制备工艺过程都可通过可编程六轴机器人程序高效、自动完成，包括：自动喷砂、清洁、粗糙度测量、热喷涂、温度监测反馈，整个过程中节约了大量时间和物料成本，同时保证了工作人员的安全和身体健康。

附图说明

图1为一种热喷涂工艺曲面轨迹协同自动喷砂装置示意图；

图2为喷砂头与热喷涂枪固定联动模块的放大示意图；

图3A为集成固定架结构的右视图，3B为其主视图，3C为其俯视图；

图4A为弹簧伸缩棒转接件结构的右视图，4B为其主视图，4C为其俯视图；

图5为弹簧伸缩棒内部及压力传感器示意图；

图6A为喷砂头吸砂罩结构的主视图,图6B为其左视图；

其中，1-可编程六轴机械手，2-转台转接件，3-电动转台，4-集成固定架，5-直线电动滑轨A，6-直线电动滑轨B，7-红外测温仪，8-热喷涂枪，9-热喷涂枪连接件，10-弹簧伸缩棒转接件，11弹簧伸缩棒，12-粗糙度仪，13-粗糙度仪固定夹具，14-直线电动滑轨C，15-喷砂头转接件，16-喷砂头密封刷，17-喷砂头吸砂罩，18-喷砂头，19-喷砂进气管，20-砂子输出管，21-砂子回收管，22-砂子筛分网，23-储砂罐，24-卸砂口，25-除尘泄气口，26-空气调节阀A，27-除尘装置，28-气体四通，29-空气调节阀B，30-空气调节阀C，31-集成控制电脑，32-喷涂枪控制柜，33-待加工零件，34-电动升降台，35-压力传感器，36-保护罩,37-空气调节阀D

具体实施方式

为了更详细的说明本发明内容，下面结合具体实施例进一步说明。

如图1为本发明的一种热喷涂工艺曲面轨迹协同自动喷砂装置，包括：喷砂头与热喷涂枪固定联动模块、实时喷砂回收再利用模块、可编程六轴机械手、表面粗糙度检测模块、表面温度检测模块、电脑智能控制模块。

如图2所示，所述的喷砂头与热喷涂枪固定联动模块包括集成固定架4、三个直线电动滑轨、一个电动升降台34、一个电动转台3；所述的电动转台3与可编程六轴机械手1连接，转台转接件2通过螺栓紧固在编程六轴机械手1上，电动转台3通过螺栓固定在转台转接件2上；所述的集成固定架4与电动转台3连接，集成固定架4的固定的一个端面与电动转台3也采用螺栓紧固，同时保持该正方形端面的中心与电动转台3的旋转中心在同一条直线上，使得集成固定架4可沿着其自身的轴心旋转；所述的集成固定架4为盒状，所述的电动升降台34通过螺栓紧固在集成固定架4内部，直线电动滑轨A 5通过螺栓固定在电动升降台34上，直线电动滑轨A 5上固定有热喷涂枪连接件9，热喷涂枪8通过热喷涂枪连接件9固定于直线电动滑轨A 5上，所述的热喷涂枪8可根据使用需要伸出或缩入集成固定架4内；另外两个直线电动滑轨设于集成固定架4的外侧面，直线电动滑轨C 14上设有喷砂头，另一个直线电动滑轨B 6上设有表面粗糙度检测模块及其保护罩36；

所述的实时喷砂回收再利用模块用于对待加工零件33进行喷砂、吸砂及除尘，该模块的所有动力均由干燥的压缩空气提供；

所述的可编程六轴机械手1用于对复杂曲面喷涂和喷砂轨迹进行编程；

所述的表面粗糙度检测模块用于在喷砂完成后对待加工零件33的粗糙度进行测量；

所述的表面温度检测模块与热喷涂枪8固定在同一个直线电动滑轨A 5上，用于实时监测喷涂过程中待加工零件33的表面温度；

所述的电脑智能控制模块用于对工艺参数进行控制，并对测量数据进行收集。

如图3A-C所示，所述的集成固定架4是一个中空的长方体结构，两端面是正方形，四侧面是长方形，其中一个侧面和一个端面是活动的，可打开可关闭，在喷砂工序热喷涂枪8缩在集成固定架4内部，活动的侧面和端面会在弹力作用下自动关闭，以免被泄露的砂尘污染喷涂设备，让喷涂设备得到充分的保护；电动升降台34升高时会经过集成固定架4可活动的侧面，直线电动滑轨A 5向零件靠近时会经过活动的端面；进行热喷涂时，热喷涂枪8通过电动升降台34升起到与喷砂头18的同一高度，通过直线电动滑轨A 5移动，并结合喷砂距离和喷涂距离，使得喷砂与喷涂的作用面是同一个面，从而达到喷涂与喷砂轨迹的协同作用。在热喷涂工序时，可通过直线电动滑轨C 14将喷砂头18往后缩，以免在热喷涂枪8按照轨迹行走时喷砂头18成为障碍，影响喷涂轨迹行程。

所述的实时喷砂回收再利用模块包括喷砂头18、喷砂头吸砂罩17、喷砂头密封刷16、砂子输出管20、砂子回收管21、喷砂进气管19、砂子筛分网22、储砂罐23、除尘装置27；直线电动滑轨C 14与电动升降台34安装的侧面是同一个面。所述的喷砂头18通过紧固螺母固定在喷砂头转接件15上，喷砂头转接件15通过螺栓固定在直线电动滑轨C 14的滑台上。所述的喷砂头18为三孔喷砂头结构（喷砂头的结构是市面上常见的虹吸原理喷砂嘴），一孔连接喷砂进气管19，一孔连接砂子输出管20，还有一孔是出气出砂口，即喷砂嘴；砂子输出管20另一端与储砂罐23相连；如图6A-B所示，所述的喷砂头吸砂罩17采用喇叭状结构，喷砂头吸砂罩17上开有吸砂口，吸砂口连接砂子回收管21，砂子回收管21另一端与砂子筛分网22连接；喷砂头18的喷砂嘴与喷砂头吸砂罩17密封连接；喷砂头吸砂罩17另一端与喷砂头密封刷16螺纹连接方便拆换，喷砂头密封刷16采用双层密封，里层采用密集铁丝网，用于缓解往外散射砂子的冲击力和分割气流，外层采用弹性较好的橡胶材质，用于提高喷砂头吸砂罩与零件曲面的密封性，提升吸砂口的吸力；同时喷砂头吸砂罩17与喷砂头18、喷砂头吸砂罩17与喷砂头密封刷16之间都采用橡胶密封圈密封，保证该装置的密封性；所述的砂子筛分网22为不锈钢网材质，设于储砂罐23内，用于筛分回收的砂子，储砂罐23上还设有卸砂口24，当砂子量足够多时可打开卸砂口24对砂子进行回收；储砂罐23内的废砂尘经管道进入除尘装置27进行除尘，所述的除尘装置27内置过滤棉，除尘装置27上还开有除尘泄气口25和废砂收集口；除尘装置27的过滤棉内部进气口与储砂罐23的上部废砂尘排出口用柔性管连接，除尘装置27的过滤棉外部的出气口与除尘泄气口25柔性管连接；压缩空气通过气体四通28与喷砂进气管、储砂罐进气管和除尘装置进气管连接，各进气管路上分别设有空气调节阀C 30、空气调节阀D 37、空气调节阀B 29，用于调节压缩空气的出气量，从而调节喷砂压力、吸砂口的吸力以及除尘功率的大小。所述的砂子输出管上设有空气调节阀A 26，用于调节出砂量的大小。所述的储砂罐进气管的空气调节阀D 37用于增加砂子的流动性，出砂的流畅性，同时也有增加吸砂口吸力的作用。

所述的表面粗糙度检测模块包括弹簧伸缩棒11、压力传感器35、粗糙度仪12、直线电动滑轨B 6、弹簧伸缩棒转接件10；直线电动滑轨B 6通过螺栓固定在集成固定架4侧面，该侧面与可活动的侧面垂直；所述的弹簧伸缩棒转接件10通过螺栓固定于直线电动滑轨B6上；弹簧伸缩棒11一端通过螺纹固定在弹簧伸缩棒转接件10上，另一端通过铰接连接有粗糙度仪固定夹具13，粗糙度仪12通过粗糙度仪固定夹具13连接在弹簧伸缩棒11末端，使粗糙度仪12在接触曲面表面时能通过力的作用旋转，以便适应曲面零件的测量；所述的弹簧伸缩棒11与弹簧伸缩棒转接件10之间还设有压力传感器35，用来测量粗糙度仪12与待加工零件33表面的压力。保护罩36通过螺栓固定于集成固定架4侧面。

如图4A-C为本发明的一种弹簧伸缩棒转接件结构示意图。所述的弹簧伸缩棒转接件10上开有凹槽，弹簧伸缩棒11的固定端位于凹槽内，弹簧伸缩棒转接件10可通过紧箍的方式限制弹簧伸缩棒10的侧面自由度。

如图5 所示为本发明的弹簧伸缩棒内部及压力传感器示意图。所述的弹簧伸缩棒11包括固定端和伸缩端，固定端与伸缩端之间通过弹簧连接；压力传感器设于固定端，其一端与弹簧相连接，可实时测量粗糙度仪与零件表面的压力。弹簧伸缩棒11的伸缩端通过活动铰链连接有粗糙度仪12。

所述的表面温度检测模块包括红外测温仪7和固定连接件，固定连接件与热喷涂枪8均固定在直线电动滑轨A 5上，红外测温仪7通过螺钉固定在固定连接件上。

所述的电脑智能控制模块包括工艺参数控制部分和测量数据收集部分；工艺参数控制部分用于控制喷砂工艺参数和喷涂工艺参数，喷砂工艺参数包括喷砂压力、出砂量、吸砂压力，喷涂工艺参数包括空气、氮气、燃料、氧气流量和压力数值；测量数据收集部分用于收集喷砂或者喷涂后零件表面温度和粗糙度的测量数据。具体方法为：集成控制电脑31通过控制信号分别控制可编程六轴机械手1、喷涂枪控制柜32、电动转台3、电动升降台34、直线电动滑轨A 5、直线电动滑轨B 6、直线电动滑轨C 14以实现喷砂和喷涂轨迹的协同、实时温度监控、自动测量表面粗糙度功能，通过控制喷涂枪控制柜32能够调整热喷涂工艺参数，通过控制空气调节阀A 26、空气调节阀B 29和空气调节阀C 30能够调整喷砂工艺参数，最终能够通过集成控制电脑31自动完成整个热喷涂涂层制备工作。

采用该装置进行涂层制备的工艺方法，具体可如下：

（1）将待加工零件33固定在合适的工位上，并用酒精清理零件表面的油污。

（2）根据具体零件材料特性和涂层要求，选装合适的喷砂头18和热喷涂枪8；例如水利水电领域常用作水轮机材料的0Cr13Ni5Mo不锈钢，换装上直径8mm和长度60mm的喷砂头，热喷涂枪采用氧煤油超音速热喷涂（HVOF）制备WC涂层。将喷砂头18安装在喷砂头转接件15上，并控制直线电动滑轨C 14将喷砂头18移动到合理的喷砂位置；将热喷涂枪8安装在热喷涂枪连接件9上，并通过控制电动升降台34和直线电动滑轨A 5将热喷涂枪8移动到特定位置，使得热喷涂枪8的轴心线与喷砂头18的轴心线到电动转台3轴心线的距离相等，保证电动转台3旋转180度后，热喷涂枪8轴心与喷砂头18轴心在同一条线上，热喷涂枪8与喷砂头18的作用面是同一平面，即热喷涂枪口到该平面的距离是热喷涂枪8的合理的喷涂距离，喷砂头口到该平面的距离是合理喷砂距离。在集成控制电脑31里保存电动升降台34、直线电动滑轨A 5和直线电动滑轨C 14位置信息。

（3）操控可编程六轴机械手1进行热喷涂轨迹编程，并保存多个表面粗糙度测量位置信息，编程完毕，自动试运行程序，确保整个运行轨迹无故障和碰撞。

（4）调整电动升降台34和直线电动滑轨A 5位置，使得热喷涂枪8缩在集成固定架4内部，此时集成固定架4的所有活动面均关闭并固定不动，将电动转台3旋转180度。

（5）在储砂罐23装入30~46 mesh的砂子，砂子可采用Al₂O₃或者SiC，接入压缩空气，打开并调整空气调节阀A 26、空气调节阀B 29、空气调节阀C 30以及储砂罐进气管的空气调节阀D 37，使得喷砂压强在0.2MPa-0.4Mpa之间，出砂量在经过工艺试验的合理范围；运行程序，进行喷砂工序，程序运行完毕，关闭空气调节阀A 26和空气调节阀D 37，再运行一遍程序对零件表面的砂尘进行清理。

（6）关闭空气调节阀B 29和空气调节阀C 30，将可编程六轴机械手1移动到保存的粗糙度测量点位置，调整直线电动滑轨B 6的位置将粗糙度仪12压紧在零件表面，注意观察压力传感器35反馈在电脑上的压力数值，要保证粗糙度仪12能贴紧表面，防止滑动，同时压力不能过大，以免损伤粗糙度仪12，保存此时直线电动滑轨B 6的位置信息，进行曲面下一个粗糙度位置测量，重复以上步骤。

（7）如果测量显示喷砂处理后的表面粗糙度Ra小于6μm，重复步骤（5）和（6）；如果测量显示喷砂处理后的表面粗糙度Ra大于等于6μm，调整直线电动滑轨B 6、直线电动滑轨C14到原点，并通过旋转电动转台3将集成固定架4旋转180度，准备进行热喷涂工序。

（8）在集成控制电脑31中调用或者调整该热喷涂枪8的工艺参数，打开红外测温仪7，实时监控待加工零件33表面温度；点火，运行程序，进行预热，待加工零件33温度超过50℃时，送粉，进行热喷涂工序，其中喷涂过程中严格控制待加工零件33的温度，不同的材料有不同的温度限值，例如0Cr13Ni5Mo不锈钢就需要保持待加工零件33温度不超过120℃，以免待加工零件33热应力过大，引起变形，导致涂层开裂。温度接近温度限值时，打开空气调节阀30，对待加工零件33进行空冷。

（9）热喷涂完毕，同时待加工零件33温度降至室温，重复步骤（6）进行涂层表面的粗糙度测量，并记录。

（10）测量完毕，通过直线电动滑轨B 6将粗糙度仪12移动到原点；通过直线电动滑轨A 5和电动升降台34，将热喷涂枪8缩回集成固定架4内部原点；关闭设备气源和电源，完成整个热喷涂涂层制备工艺流程。

Claims (7)

1.一种热喷涂工艺曲面轨迹协同的自动喷砂装置，其特征在于，包括喷砂头与热喷涂枪固定联动模块、实时喷砂回收再利用模块、可编程六轴机械手、表面粗糙度检测模块、表面温度检测模块、电脑智能控制模块；

所述的喷砂头与热喷涂枪固定联动模块包括集成固定架、三个直线电动滑轨、一个电动升降台、一个电动转台；所述的电动转台与可编程六轴机械手连接；所述的集成固定架与电动转台连接，可沿着其自身的轴心旋转；所述的集成固定架为盒状，所述的电动升降台设于集成固定架内部，一个直线电动滑轨A设于电动升降台上，该直线电动滑轨A上设有热喷涂枪，所述的热喷涂枪可根据使用需要伸出或缩入集成固定架内，并可通过电动升降台和直线电动滑轨A进行2维运动，从而调整位置，以便与喷砂头的行走轨迹协同；另外两个直线电动滑轨设于集成固定架的外侧面，其中一个直线电动滑轨C上设有喷砂头，另一个直线电动滑轨B上设有表面粗糙度检测模块及其保护罩；

所述的实时喷砂回收再利用模块用于对待加工零件进行喷砂、吸砂及除尘，该模块的所有动力均由干燥的压缩空气提供；

所述的可编程六轴机械手用于对复杂曲面喷涂和喷砂轨迹进行编程；

所述的表面粗糙度检测模块用于在喷砂完成后对待加工零件的粗糙度进行测量；

所述的表面温度检测模块与热喷涂枪固定在同一个直线电动滑轨A上，用于实时监测喷涂过程中待加工零件的表面温度；

所述的电脑智能控制模块用于对工艺参数进行控制，并对测量数据进行收集；

所述的集成固定架是一个中空的长方体结构，两端面是正方形，四侧面是长方形，其中一个侧面和一个端面是活动的，可打开可关闭，当热喷涂枪缩在集成固定架内部时，该活动的侧面和端面会在弹力作用下自动关闭；电动升降台带动热喷涂枪升高时会经过集成固定架可活动的侧面，直线电动滑轨A带动热喷涂枪向零件接近时会经过集成固定架可活动的端面。

2.根据权利要求1所述的一种热喷涂工艺曲面轨迹协同的自动喷砂装置，其特征在于，所述的实时喷砂回收再利用模块包括喷砂头、喷砂头吸砂罩、喷砂头密封刷、砂子输出管、砂子回收管、喷砂进气管、砂子筛分网、储砂罐、除尘装置；

所述的喷砂头为三孔喷砂头结构，一孔连接喷砂进气管，一孔连接砂子输出管，还有一孔是出气出砂口，即喷砂嘴；砂子输出管另一端与砂子筛分网相连；所述的喷砂头吸砂罩采用喇叭状结构，喷砂头吸砂罩上开有吸砂口，吸砂口连接砂子回收管，砂子回收管另一端与储砂罐连接；喷砂头的喷砂嘴与喷砂头吸砂罩密封连接；喷砂头吸砂罩另一端与喷砂头密封刷密封连接，喷砂头密封刷采用双层密封，里层采用铁丝网，用于缓解往外散射砂子的冲击力和分割气流，外层采用橡胶材质，用于提高喷砂头吸砂罩与零件曲面的密封性，提升吸砂口的吸力；

所述的砂子筛分网为不锈钢网材质，设于储砂罐内，储砂罐上还设有卸砂口；储砂罐内的废砂尘经管道进入除尘装置进行除尘，所述的除尘装置内置过滤棉，除尘装置上还开有除尘泄气口和废砂收集口；

压缩空气通过气体四通与喷砂进气管、储砂罐进气管和除尘装置进气管连接，各进气管路上分别设有空气调节阀C、空气调节阀D、空气调节阀B，用于调节压缩空气的出气量，从而调节喷砂压力、吸砂口的吸力以及除尘功率的大小；所述的砂子输出管上设有空气调节阀A，用于调节出砂量的大小。

3.根据权利要求1所述的一种热喷涂工艺曲面轨迹协同的自动喷砂装置，其特征在于，所述的表面粗糙度检测模块包括弹簧伸缩棒、压力传感器、粗糙度仪、弹簧伸缩棒转接件，所述的弹簧伸缩棒转接件螺栓固定于直线电动滑轨B上；弹簧伸缩棒一端固定在弹簧伸缩棒转接件上，另一端连接有粗糙度仪，粗糙度仪与弹簧伸缩棒采用活动铰链连接，以便适应曲面零件的粗糙度测量；所述的弹簧伸缩棒内部还设有压力传感器，用于测量粗糙度仪与待测零件表面的压力。

4.根据权利要求3所述的一种热喷涂工艺曲面轨迹协同的自动喷砂装置，其特征在于，所述的弹簧伸缩棒包括固定端和伸缩端，固定端与伸缩端之间通过弹簧连接；压力传感器设于固定端，压力传感器另一端与弹簧相连接，可实时测量粗糙度仪与零件表面的压力；粗糙度仪设于弹簧伸缩棒的伸缩端；所述的弹簧伸缩棒转接件上开有凹槽，弹簧伸缩棒的固定端位于凹槽内，弹簧伸缩棒转接件通过紧箍的方式限制弹簧伸缩棒的侧面自由度。

5.根据权利要求1所述的一种热喷涂工艺曲面轨迹协同的自动喷砂装置，其特征在于，所述的表面温度检测模块包括红外测温仪和固定连接件，固定连接件与热喷涂枪固定在同一个直线电动滑轨A上，红外测温仪固定在固定连接件上。

6.根据权利要求1所述的一种热喷涂工艺曲面轨迹协同的自动喷砂装置，其特征在于，所述的电脑智能控制模块包括工艺参数控制部分和测量数据收集部分；工艺参数控制部分用于控制喷砂工艺参数和喷涂工艺参数，喷砂工艺参数包括喷砂压力、出砂量、吸砂压力，喷涂工艺参数包括空气、氮气、燃料、氧气流量和压力数值；测量数据收集部分用于收集喷砂或者喷涂后零件表面温度和粗糙度的测量数据。

7.一种热喷涂工艺曲面轨迹协同自动喷砂方法，其特征在于，该方法基于如权利要求1-6任一项所述的装置实现，具体包括以下步骤：

步骤一：将待加工零件固定在工位上，并用酒精清理零件表面的油污；

步骤二：将所需型号的热喷涂枪和喷砂头安装在直线电动滑轨上，通过电动升降台使得热喷涂枪管轴心线与喷砂头的轴心线到电动转台轴心线的距离相等，以保证电动转台旋转90度或者180度后，热喷涂枪管轴心与喷砂头轴心在同一条线上；调整各自的直线电动滑轨，使得热喷涂枪与喷砂头的作用面是同一平面，即热喷涂枪口到该平面的距离是热喷涂枪的合理喷涂距离，喷砂头口到该平面的距离是合理喷砂距离；在电脑里保存两个直线电动滑轨和电动升降台的位置，并将热喷涂枪缩在集成固定架内部；

步骤三：操作可编程六轴机械手，编程喷砂轨迹，使得柔性的喷砂头密封刷在轨迹行程中始终紧贴零件表面，并保存待加工零件的几个粗糙度测量位置；接入压缩空气，打开喷砂进气管的空气调节阀C和除尘装置空气调节阀B，关闭砂子输出管的空气调节阀A和储砂罐进气管的空气调节阀D，通过压缩空气清理待加工零件表面，并自动试运行所编写的程序，确保程序无问题；各个管路的空气调节阀均采用电磁阀，既可手动控制也可通过电脑智能控制模块控制；

步骤四：打开所有的空气调节阀，调整喷砂工艺参数气流压力和出砂量；自动运行可编程六轴机械手程序，进行喷砂；喷砂完，关闭各个空气调节阀，移动可编程六轴机械手到步骤三中保存的粗糙度测量位置；

步骤五：移动安装有粗糙度仪的直线电动滑轨，通过压力传感器反馈和直线电动滑轨来调节粗糙度仪的位置，调整位置之后用粗糙度仪来测量待加工零件的表面粗糙度；表面粗糙度测量完毕，将粗糙度仪缩回到保护罩中；如果粗糙度不符合要求，再重复一次喷砂工序；如果粗糙度符合要求，通过直线电动滑轨将喷砂头缩到原始安全位置，进行下一步骤；

步骤六：通过电动升降台和直线电动滑轨移动热喷涂枪到步骤二中保存的位置；通过电动转台旋转热喷涂枪，使其位于之前喷砂头所在的位置；热喷涂枪点火，运行步骤三中编写的程序，进行预热，喷涂；喷涂过程中，始终通过红外测温仪监控待加工零件表面温度，当温度过高时，单独打开喷砂进气管的空气调节阀，进行空冷降温；

步骤七：喷涂完毕后，等待加工零件表面温度降至室温，进行涂层的粗糙度测量，并记录。

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