CN104324858B - 一种用于空间电场探测仪高均匀涂层的喷涂装置及喷涂方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于空间电场探测仪高均匀涂层的喷涂装置，可实现电场探测仪表面涂料的高均匀喷涂,包括喷枪、机械臂、匀化板、支撑杆、轴承(6)、轴承安装支架、电机、电机安装支架和底板；通过在喷枪与电场探测仪之间设置匀化板，并设置匀化板开口的形状，使得喷枪在电场探测仪上喷涂的涂料更均匀；喷涂装置结构简单，容易实现；涂料浓度、喷枪高度、喷枪出料速度、匀化板与喷枪距离、匀化板与电场探测仪的距离都是可以固化的量，改变匀化板开口的形状即可保证电场探测仪表面喷涂的均匀性，因此本发明的喷涂装置工艺稳定，重复性好，涂层质量高；还适用与其他具有旋转对称性工艺件的喷涂料。

Description

一种用于空间电场探测仪高均匀涂层的喷涂装置及喷涂方法

技术领域

本发明涉及航天器喷涂工艺领域，尤其涉及一种用于空间电场探测仪高均匀涂层的喷涂装置。

背景技术

空间电场测量能为地球物理场研究、地震监测、电波传播、雷暴监测等应用领域提供准确的基础数据和背景，提高对重大自然灾害的监测预警与评估能力，而且可以为空间天气研究、日地物理研究、气象预报等领域提供观测数据,并为航天活动提供空间电磁环境状态数据；同时对我国空间电磁安全也有重要意义。电场探测仪是用于空间电场测量的仪器。要达到较高的电场测量精度，对电场探测仪传感器表面涂层的均匀性提出了很高的要求。国外已经有多颗卫星搭载了空间电场探测仪，国内电场仪尚处于研制阶段。

空间电场探测仪的传感器表面涂层(DAF 213)的均匀性对测量精度影响较大，采用手工喷涂的方式难以实现均匀喷涂，而且手工喷涂工艺不稳定，不同的传感器之间不具有一致性，因此需要采用工艺稳定的喷涂方法实现均匀喷涂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于空间电场探测仪高均匀涂层的喷涂装置，可实现电场探测仪表面涂料的高均匀喷涂。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种用于空间电场探测仪高均匀涂层的喷涂装置，其中，球形的电场探测仪(12)的表面的两端沿一条直径方向各固定有一根短杆(7)，该喷涂装置包括喷枪(2)、机械臂(1)、匀化板(3)、支撑杆(4)、轴承(6)、轴承安装支架(8)、电机(11)、电机安装支架(10)和底板(13)；

所述匀化板(3)上设有沿长度方向和沿宽度方向均对称的长条形开口(9)，开口(9)的两端为矩形，开口(9)的中间部分向里侧凹陷；开口(9)的中间部分的长度与电场探测仪(12)上两根短杆(7)近端的距离一致；所述开口(9)的长度至少等于两根短杆(7)远端的距离；

所述电机安装支架(10)和轴承安装支架(8)均固定于底板(13)上，电机(11)安装在电机安装支架(10)上，所述轴承(6)安装在轴承安装支架(8)上；电场探测仪(12)的其中一根短杆(7)与电机(11)的输出轴固定连接，另一根短杆(7)与轴承(6)活动连接，所述匀化板(3)通过支撑杆(4)固定于电场探测仪(12)的正上方，匀化板(3)的开口(9)与两根短杆(7)对应，且开口(9)中心与电场探测仪(12)球心处于同一条竖直线上；喷枪(2)固定在机械臂(1)上并置于匀化板(3)上方，其喷口竖直向下，喷口正对匀化板(3)的开口，喷枪(2)在机械臂(1)带动下沿开口(9)长度方向上以固定高度周期性匀速运动。

所述开口(9)中间部分沿长度方向的两条边界的曲线方程为：其中，y轴沿开口(9)的宽度方向，x轴沿开口(9)的长度方向，k为常数，ρ(x)表示喷枪(2)喷出的涂料沿x轴的密度分布。

所述开口(9)的中间部分最大宽度保证喷枪(2)喷出的涂料束外围干燥部分不会喷涂到电场探测仪(12)的表面上。

一种基于上述喷涂装置的喷涂方法，其特征在于，打开喷枪(2)的喷嘴开始喷射涂料，然后控制机械臂(1)带动喷枪(2)沿开口(9)长度方向上以固定高度周期性匀速运动，同时控制所述电机(11)带动电场探测仪(12)匀速转动，对电场探测仪(12)进行喷涂。

本发明具有如下有益效果：

(1)、本发明通过在喷枪与电场探测仪之间设置匀化板，并设置匀化板开口的形状，使得喷枪在电场探测仪上喷涂的涂料更均匀；

(2)、本发明的喷涂装置结构简单，容易实现；

(3)、本发明中的涂料浓度、喷枪高度、喷枪出料速度、匀化板与喷枪距离、匀化板与电场探测仪的距离都是可以固化的量，改变匀化板开口的形状即可保证电场探测仪表面喷涂的均匀性，因此本发明的喷涂装置工艺稳定，重复性好，涂层质量高；还适用与其他具有旋转对称性工艺件的喷涂料。

附图说明

图1为本发明的电场探测仪涂层喷涂装置的结构示意图。

图2为本发明的匀化板结构示意图。

图3为本发明的匀化板开口与电场探测仪尺寸及位置关系示意图；

图4为本发明的电场探测仪与匀化板开口微元分析图；

图5为本发明的传感器涂层厚度测量选点图；

图6为本发明的第一匀化板的涂层厚度分布图；

图7为本发明的第二匀化板的涂层厚度分布图。

其中，1-机械臂，2-喷枪，3-匀化板，4-支撑杆，5-螺钉，6-轴承，7-短杆，8-轴承安装支架，9-开口，10-电机安装支架，11-电机，12-电场探测仪，13-底板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的喷涂装置的工作原理如下：

如图1所示，本发明将球形的电场探测仪12的一根短杆7通过螺钉5与电机连接，另一根短杆7通过螺钉5与轴承6连接，当启动电机11，电场探测仪12以短杆7为转轴旋转。喷枪2固定于机械臂1上，机械臂1能够带动喷枪2沿电场探测仪12的短杆7方向，以固定高度作匀速周期性运动。匀化板3的开口9中心以及电场探测仪12的球心在同一条竖直线上，并与底板13垂直。当启动喷枪2后，涂料经由匀化板3的开口9喷涂在电场探测仪12表面上。先假定喷枪2固定不动，当电场探测仪12转动时，以短杆7方向为经度方向，涂料沿某个纬度方向被喷涂到电场探测仪12表面的环带上；再移动喷枪2，涂料被喷涂到不同经度的环带上，如此可喷涂电场探测仪12的整个球面。

实际喷涂中，喷枪2沿经度方向从球体的一个极点向赤道运动过程中，电场探测仪12的球面越来越接近喷枪2，由于喷枪2的出料为圆锥形，越向下开口越大，则涂料的密度就越小，反之距离喷嘴越近，在球体表面相同宽度环带内喷涂的涂料就越多，即涂料越厚，如此，球体表面涂料厚度以赤道为对称中心，赤道处涂料厚度最大，向两极厚度逐渐递减，造成表面涂料喷涂不均匀。

因此，本发明在喷枪2和电场探测仪12之间设置匀化板3，并在匀化板3上设置开口9，对开口9的形状进行特殊设计，使喷涂更加均匀。如图2所示，由于球体表面的涂料在赤道最厚，向两极厚度递减，因此，将开口9设计成中间部分(LMTS)向里凹陷的形状，即开口9的中间部分开口较窄，向两端逐渐加宽，如此可控制涂料喷涂到球面的量，即中间少,向两端逐渐增加，由此可解决上述涂料不均匀的问题。将匀化板3的开口9两端设置成矩形(HLSJ和MIKT)是为了对两根短杆7进行喷涂，由于短杆7为长方体结构，表面为平面，因此不会引起涂料不均匀问题，将开口9对应部分设计成矩形，即可实现均匀喷涂。为了使短杆7的表面全部被喷涂，匀化板3的开口9的长度至少等于两根短杆7远端(AB或CD距离)的距离。电场探测仪12对应的开口9的中间部分为向内凹陷，由于球面两极处的小球冠(EG和FN对应的球冠)会被两短杆7的端部遮挡，该球冠不需要喷涂涂料，因此，中间凹陷部分的长度不需要等于球体直径，与两根短杆7近端(EF或GN距离)的距离一致即可。

由于喷枪2喷出的涂料束为圆锥形，当涂料束到达匀化板3时涂料密度已经很小，涂料束的圆锥外围的涂料就会因干燥凝结，如果将这部分涂料喷涂到电场探测仪12表面就会引起喷涂不均匀，为避免该情况发生，匀化板3的开口9的最大宽度保证喷枪2喷出的涂料束外围干燥部分不会喷涂到电场探测仪12的表面上。开口9宽度越小，喷涂到电场探测仪12表面的喷斑越小，越均匀，但会增加喷涂次数，以使喷涂厚度满足要求。

为了进一步提高电场探测仪12表面喷涂涂料的均匀性，本发明还进一步确定了开口9的形状，具体过程如下：

如图4所示，设底板13平面为x-y平面，将匀化板3的开口9和电场探测仪12投影至x-y平面内，图中上半部分为匀化板3上开口9的投影曲线，下半部分为电场探测仪12的投影。为表达清晰，将匀化板3上开口9曲线和电场探测仪12的投影分别置于坐标系1和坐标系2内，两坐标系y轴重合，x轴平行，两坐标系原点在y方向错开一段距离。对于匀化板3上的开口9曲线，由于线段EF在X轴上下两部分对称，因此只考察线段EF上部，图中h表示曲线的纵坐标。

为确定匀化板3上开口9的形状，首先不考虑喷涂到电场探测仪12上涂料的发散角，即涂料垂直落到球面上。设落到匀化板3开口9的x到x+dx处的涂料的平均密度为ρ(x)，x到x+dx对应电场探测仪12的球台侧面积为ds，电场探测仪12的半径为R。从图4可以看出，为使落到球面上的涂料均匀，喷到球面上宽度为dx的环带上的单位面积上涂料量应为常数，于是有：

$\frac{\mathrm{\ρ}\left(x\right)\·h\·dx}{ds}=c---\left(1\right)$

其中：

ds＝2πRdx (2)

于是有：

$\frac{\mathrm{\ρ}\left(x\right)\·h\·dx}{2\mathrm{\π}Rdx}=c---\left(3\right)$

得到匀化板3开口9曲线的纵坐标与横坐标之间的函数关系，为：

$h=\frac{c\·2\mathrm{\π}R}{\mathrm{\ρ}\left(x\right)}=k\·\frac{1}{\mathrm{\ρ}\left(x\right)}=k\·f\left(x\right)---\left(5\right)$

假定喷斑覆盖匀化板3开口9的部分是均匀的，则ρ(x)是常数，于是匀化板3上开口9形状曲线为h＝k₁，即不考虑喷枪2出料的发散角的前提下，匀化板3上的开口9为矩形，其中k1是与喷枪2的出料速率以及匀化板3的开口9最宽处长度有关系的常数。

基于上述的讨论，涂料从开口处喷涂料到球面上在经度方向有发散角，而经度方向不同纬度处传感器表面存在高度差，如果采用矩形的开口9就会使喷涂不均匀，为了使喷涂到电场探测仪12表面的涂料均匀，需要对开口9的形状进行修正。

如图5所示，选择某一尺寸的矩形开口9进行喷涂实验，喷涂后电场探测仪12上的涂层进行测量，得到涂料厚度分布T(x)，该厚度分布可以等效为通过匀化板3的涂料密度分布ρ(x)，则有y·dx·ρ(x)＝c·2πR·dx，从而得到对匀化板3的形状修正曲线其中，涂料密度分布ρ(x)可通过喷涂实验得到的电场探测仪(12)表面的涂料厚度计算得到。

实验1、对开口9形状修正后的第一匀化板进行18个周期的喷涂实验，其中，开口9中矩形宽度取15mm，中间凹陷部分距离最小取9mm，得到的涂层厚度分布图如图6所示，数据见表1所列。

表1第一匀化板涂层厚度测量结果(单位：μm)

从此次喷涂结果看，涂层最大与最小厚度差为4μm，涂层的均匀性良好，赤道处略薄，这是由于开口9中心处收缩得略窄造成的。涂层最小厚度为27μm，整个电场探测仪12表面涂层厚度平均值为29μm，接近电场探测仪12涂层厚度30μm的要求，考虑到涂层固化厚度具有10％左右的收缩，通过适当增加喷涂次数使厚度值达到要求。

实验2、对开口9形状修正后的第二匀化板进行24个周期的喷涂实验，其中，开口9中矩形宽度取15mm，中间凹陷部分距离最小取11mm，得到的涂层厚度分布图如图7所示，数据见表2所列。

表2、第二匀化板涂层厚度测量结果(单位：μm)

从表2喷涂结果看，涂层最大与最小厚度差为9μm，涂层的均匀性良好，赤道处略薄，这是由于开口中心处收缩得略窄造成的。涂层最大厚度为48μm，在固化之后涂层厚度略大于电场仪涂层厚度的最大值40μm，通过适当减少喷涂次数使厚度值达到要求。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于空间电场探测仪高均匀涂层的喷涂装置，其中，球形的电场探测仪(12)的表面的两端沿一条直径方向各固定有一根短杆(7)，其特征在于，该喷涂装置包括喷枪(2)、机械臂(1)、匀化板(3)、支撑杆(4)、轴承(6)、轴承安装支架(8)、电机(11)、电机安装支架(10)和底板(13)；

所述匀化板(3)上设有沿长度方向和沿宽度方向均对称的长条形开口(9)，开口(9)的两端为矩形，开口(9)的中间部分向里侧凹陷；开口(9)的中间部分的长度与电场探测仪(12)上两根短杆(7)近端的距离一致；所述开口(9)的长度至少等于两根短杆(7)远端的距离；

所述电机安装支架(10)和轴承安装支架(8)均固定于底板(13)上，电机(11)安装在电机安装支架(10)上，所述轴承(6)安装在轴承安装支架(8)上；电场探测仪(12)的其中一根短杆(7)与电机(11)的输出轴固定连接，另一根短杆(7)与轴承(6)活动连接，所述匀化板(3)通过支撑杆(4)固定于电场探测仪(12)的正上方，匀化板(3)的开口(9)与两根短杆(7)对应，且开口(9)中心与电场探测仪(12)球心处于同一条竖直线上；喷枪(2)固定在机械臂(1)上并置于匀化板(3)上方，其喷口竖直向下，喷口正对匀化板(3)的开口，喷枪(2)在机械臂(1)带动下沿开口(9)长度方向上以固定高度周期性匀速运动。

2.如权利要求1所述的一种用于空间电场探测仪高均匀涂层的喷涂装置，其特征在于，所述开口(9)中间部分沿长度方向的两条边界的曲线方程为：其中，y轴沿开口(9)的宽度方向，x轴沿开口(9)的长度方向，k为常数，ρ(x)表示喷枪(2)喷出的涂料沿x轴的密度分布。

3.如权利要求1所述的一种用于空间电场探测仪高均匀涂层的喷涂装置，其特征在于，开口(9)的中间部分最大宽度保证喷枪(2)喷出的涂料束外围干燥部分不会喷涂到电场探测仪(12)的表面上。

4.一种基于权利要求1所述的喷涂装置的喷涂方法，其特征在于，打开喷枪(2)的喷嘴开始喷射涂料，然后控制机械臂(1)带动喷枪(2)沿开口(9)长度方向上以固定高度周期性匀速运动，同时控制所述电机(11)带动电场探测仪(12)匀速转动，对电场探测仪(12)进行喷涂。