CN107208245B - 用于工件的金属涂覆的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用涂覆装置来对工件进行金属涂覆的设备和方法，上述涂覆装置包括可移动的涂覆喷枪，通过该移动喷枪能产生金属等离子射流，以形成金属颗粒的涂层。根据本发明提出，带有涂覆喷枪的涂覆装置和用于测量涂层厚度的测量装置一起集成在该设备中，且带有涂覆喷枪的涂覆装置和测量装置被壳体所包围。

Description

用于工件的金属涂覆的设备和方法
技术领域
本发明涉及使用涂覆装置来对工件进行金属涂覆的设备，该涂覆装置包括可移动的涂覆喷枪，通过该涂覆喷枪能产生金属等离子射流，以形成金属颗粒的涂层。
本发明还涉及使用可移动的涂覆喷枪来对工件进行金属涂覆的方法，通过该涂覆喷枪能产生金属等离子射流，通过该金属等离子射流能在工件上形成金属颗粒的涂层。
背景技术
特别地，在发动机制造中，需要在气缸孔的工作表面上施加特殊的金属涂层，以确保在气缸的工作表面与气缸活塞之间具有足够的摩擦和润滑环境。这特别适用于发动机的壳体和气缸活塞由相同的金属(例如，铝)制成的情况。
从DE 199 34 991 A1或WO 2004/005575 A2的说明书中得知，可通过涂覆喷枪将金属涂层施加到孔壁上，通过该涂覆喷枪可产生金属等离子射流。通过这种方式，可在孔壁上形成非常薄的且非常稳定的金属涂层。
在该方法中，可将涂覆喷枪引入到发动机机体的气缸孔内，由此，所产生的金属等离子射流能对准孔壁。由于金属等离子射流会有一定的分散，因此并非所有的金属颗粒都能到达孔壁。错失目标的那些金属颗粒可被称为过喷，并可能会导致在发动机机体上或在涂覆装置上的不合需要的有缺陷的涂层。
DE 199 34 991 A1公开了一种用于工件的金属涂覆的装置，其中沿着带式输送机线性地设置有多个处理单元。作为最后的处理单元而设置有用于涂覆工件的单元。之后，可将工件从装置上直接移除。
Oerlikon metco的资料手册(第五期——2014年10月)讲到了“空气等离子喷涂方案”的话题，其公开了一种根据空气等离子喷涂方法的用于涂覆气缸壳体的系统。为此，在机械臂上附接有等离子喷枪。这里设置有用于处理气缸壳体的处理单元，该处理单元被外壳所包围。为了能实时监控等离子喷涂，可在涂覆过程中监控一系列的参数。
发明内容
本发明的目的在于描述一种用于工件的金属涂覆的设备和方法，该设备和方法允许涂层的施加特别高效且精确。
根据本发明，该目的一方面可通过如下所述的设备来解决，另一方面可通过如下所述的方法来解决。在下文中还描述了本发明的优选的实施方案。
根据本发明的设备的特征在于，带有涂覆喷枪的涂覆装置和用于测量涂层厚度的测量装置一起集成在该设备中，带有涂覆喷枪的涂覆装置和测量装置由壳体所包围。
本发明的基本思想在于，使涂覆过程和测量所施加的涂层的过程紧密地结合在一起，从而能得到关于所完成的涂层的直接的、全面的并由此更加精确的信息。这可通过以下设置实现，即：涂覆装置和测量装置设置在同一设备中，特别地设置在同一机器底座上，且它们由共同的壳体所包围。测量装置的测量数据(尤其是关于所施加的涂层的涂层厚度和轮廓的测量数据)使得有关涂覆过程的结果非常准确。这可被及时地用于控制涂覆装置对随后的工件的涂覆，以避免可能发生的有缺陷的涂覆。
由此，与之前已知的设备相比，本发明采取了不同的方式，在之前已知的设备中，由于金属过喷所引起的不合需要的累积的风险，所以测量装置与涂覆装置明显地间隔开，并且该测量装置与涂覆装置分隔开设置。本发明发现，通过裁减涂覆工件从涂覆装置移动到测量装置所需要的过程步骤，会增大定位和测量的不精确。
本发明的另一优选的改进方案在于，壳体包括用于供应和释放工件的装载站，测量装置设置在该装载站中，并且测量装置被额外地设计成能在涂覆之前测量该工件。通过这种设置的变化方案，工件会穿过设备的装载站两次，即在供应和释放工件的时候。测量装置在装载站中的设置使得测量装置能满足以下两个功能，即：在涂覆之前测量工件，以及在该工件被涂覆之后测量该工件。特别地，在对工件中的孔进行涂覆时，能借由通过测量装置记录孔的轮廓而以特别高的精确度来完成这种测量。实际上，测量装置测量未涂覆的孔的表面，并在那之后测量已涂覆的孔的表面轮廓。通过相应地比较测量结果，可以特别精确地测量层厚度和层厚度曲线。
根据本发明的另一设计变化方案，有利的是，测量装置包括可移动的测量传感器，该可移动的测量传感器能在校准站和装载站中的工件夹具之间移动。特别地，测量装置可包括光学测量传感器，该光学测量传感器优选地与激光装置一起工作。这些基本上已知的测量装置能准确地记录表面轮廓。通过测量装置的相应的对齐和校准，可以测量孔的直径，特别地，还可同时测量在孔的整个轴向长度内的直径曲线。优选地，从工件被供应到设备上直到工件被再次释放为止，该工件都位于工件夹具(特别地为工件托板或工件平台)上，从而能在重复的测量过程中实现以高重复性定位工件。
本发明的另一有利的实施方案在于，涂覆装置被设置在与装载站分隔开的处理单元中，在该处理站中设置有用于清洁涂覆喷枪的清洁站。通过使处理站(在其中通过金属等离子射流来进行涂覆过程)与装载站(在其中进行测量)分隔开，特别地借由分隔壁而分隔开，涂覆过程和测量过程可非常接近地进行，但不会发生不合需要的相互影响。根据本发明的一个变化方案，通过以下设置来进一步提高施加涂层的精确度，即：在处理站中设置有清洁站，通过该清洁站能及时地将在特定位置处累积的金属颗粒从涂覆喷枪上清除掉。这些不合需要的累积由在处理站中的涂覆过程中发生的金属过喷所导致。
另一改进可通过以下设置来实现，即：在处理站中设置用于测试由涂覆喷枪产生的金属等离子射流的测试站。在上述测试站中，例如可通过相机来记录、测量喷涂模式，并将该喷涂模式与目标喷涂模式进行比较。在发现偏差过大的情况下，可借由控制、特别地可通过在清洁站中清洁涂覆喷枪来进行维护。测试结果还可被直接用于控制涂覆装置，特别地可用于产生金属等离子射流。
根据本发明的另一变化实施方案，另一改进可通过以下设置来实现，即：设置抽吸装置，该抽吸装置被设置成能从涂覆装置、校准站、测试站和/或清洁站中抽气。特别地，在涂覆装置中，可以在涂覆过程中使金属过喷和环境空气一起从处理站中排出。优选地，带有抽吸装置的系统被设计成能使得在带有涂覆装置的处理站中形成一定的负压，该负压是与环境、特别地与带有测量装置的装载站相比较的。通过上述负压，可以消减从处理站到带有测量装置的装载站的过喷。这能避免通过由过喷所引起的不合需要的金属累积所造成的测量装置的损坏。
根据本发明的另一改进方案，装置的测量精确度受到以下设置的积极影响，即：设置有至少一个工件夹具，其中工件可被放置并夹持在所限定的位置中，并且该工件夹具可以在装载站和处理站之间移动。由此，当在设备中输送工件时，该工件能一直在工件夹具中。通过这种方式，测量数据能使与涂覆方式相关的结论特别准确，从而上述数据可相应地被设置成能用于在涂覆过程中控制涂覆装置。
根据本发明的一个变化实施方案，有利的是，处理站和装载站通过分隔壁彼此分隔开，且该分隔壁包括至少一个可锁闭的通道。通过将壳体细分成两个区域的分隔壁来将处理站和装载站密闭地彼此分隔开。特别地，其目的在于避免过喷从处理站到带有测量装置的装载站中去，由此避免在敏感的测量装置上产生金属颗粒的不合需要的累积。为了工件能从装载站移动到处理站，在分隔壁上设置有至少一个通道，该至少一个通道是可锁闭的。由此，该通道每次进打开很短的时间，以允许工件从一个站移动到另一个站。
根据本发明的另一改进方案，特别优选的是，该通道由锁闭元件所封闭，该锁闭元件可释放通道，以允许工件穿过。锁闭元件可以是门，特别地为可移动的或可旋转的封闭板。由此，可在工件到达通道处时，通过驱动器、定位气缸或调节机构将锁闭元件转换到释放位置。一旦工件已经通过，那么锁闭元件就移回到锁闭位置中，由此来紧密地密封通道。
根据另一优选的实施方案，根据本发明的设备可通过以下设置而特别高效地运行，即：至少一个工件夹具可通过输送机来移动，该输送机具有环状的循环路径。输送机可被设置成任何符合需要的连续式输送机，例如链式输送机、带式输送机，或带有连续循环的输送元件的类似的输送机。
由此，特别有利的是，输送机的形状被设置成能水平移动地设置的旋转台。优选地，旋转台可容纳两个或甚至更多个工件。
根据本发明的另一改进方案，在设置有连续式输送机的情况下有利的是，在分隔壁上设置有两个通道，每个通道具有一个锁定元件。上述通道中的一个用于允许工件从装载站移动到处理站，而第二个通道用于使工件能从处理站移动到装载站。
本发明的另一优选的变化实施方案包括输送机，该输送机被水平周向地设置，在该输送机上安装有工件夹具，特别地，该输送机能围绕水平旋转轴线旋转。由此，其中放置并夹持工件的工件夹具在基本取向中水平地设置。当处理包括呈V形或W形布局的气缸孔的发动机机体时，各个工件可围绕水平旋转轴线旋转，并能被调节成使得相应的要被处理的气缸孔垂直地对齐。由此，既可以通过可垂直移动的涂覆喷枪进行精确的涂覆，也可以通过测量装置进行精确的测量，其中测量装置的测量传感器也可垂直移动地安装。
根据本发明的方法的特征在于，涂层的产生和涂层厚度的测量一起在上述设备中进行。通过根据本发明的这种方法，可以在涂覆工件、尤其是涂覆工件中的孔时实现上述优势。
优选地，本发明是针对涂覆工件中的孔、特别是涂覆发动机机体中的气缸孔而提出的。其他应用也是可以的。
附图说明
在下文中参照在附图中示意性地显示的优选的实施方案对本发明进行描。附图显示了以下内容：
图1显示了根据本发明的设备的示意性侧视图；
图2显示了图1中的设备旋转了90°的非常示意性的侧视图；
图3显示了根据图1和图2的设备的俯视图；
图4显示了根据图1和图3但没有壳体的设备的示意性立体图。
具体实施方式
图1至图4显示了根据本发明的用于工件1中的孔3的金属涂覆的设备10。在所显示的实施方案中，工件1为带有12个孔3的发动机机体，这些孔3为气缸孔，在工件1中被设置成两排，每排6个，呈V形布局。
设备10包括机器底座11，在该机器底座11上设置有壳体13。箱形的壳体13包围了装载站12和带有涂覆装置29的处理站14。
在机器底座11上设置有输送机20的基础框架16，以用于拾起工件1，在所显示的实施方案中，上述输送机20被设计成旋转台22。被围绕垂直旋转轴线旋转式驱动的水平旋转台22包括彼此相对的两个工件夹具23，各个工件夹具均设置有板状的平台组件21，每个平台组件21带有一个工件1。通过旋转单元26，带有工件1的平台组件21可与水平延伸相反地旋转，从而工件1中的孔3能被垂直地设置以进行金属涂覆。
在装载站12处，工件1被未在图中显示的供给单元所接收。在装载站12的区域内，壳体13包括带有门的开口(未在图中显示)。另外，在装载站12的区域内，可通过测量装置52来进行工件1的测量。随后，旋转台22旋转180°的角度，由此将工件1从装载站12输送到相对的处理站14处。处理站14与装载站12通过分隔壁24而分隔开。在图2的下半部分中仅部分地显示了分隔壁24。然而，分隔壁24在壳体13的整个内部延伸，以将处理站14与装载站12分隔开。为了工件1能从装载站12移动到处理站14并能返回来而设置有两个通道25。通过可移动的锁闭元件27来封闭各个通道25，锁闭元件27能打开以允许工件1穿过，并能随后再次被关闭。
在处理站14内，通过旋转装置26使工件1围绕水平旋转轴线旋转，由此，一排孔3能垂直地对齐，如图1至图4所示。
涂覆装置29设置有用于施加金属涂层的杆形的涂覆喷枪30，该涂覆喷枪30在其下端处具有用于金属等离子射流的至少一个释放开口32。凭借等离子发生器能通过已知的方式产生金属等离子射流，该等离子发生器包括阴极和金属阳极。在阴极和阳极之间通过相应的高电压而形成电弧，通过该电弧使金属阳极熔化。金属阳极形成为可供给的线，从而总是有足够的材料来产生带有熔化的金属颗粒的金属等离子射流。除了线之外，也可提供粉末来作为金属颗粒的来源。通过气体射流设备产生气流，通过位于涂覆喷枪30的下端处的释放开口32几乎水平地以超音速释放该气流。带有释放开口32的涂覆喷枪30被引入到工件1中要被涂覆的孔3内。另外，涂覆装置29还包括管状的抽吸罩，该管状的抽吸罩包围涂覆喷枪30，但为了显示清楚，在图1至图4中没有显示该抽吸罩。
为了使涂覆喷枪30能移动而设置有带有两个平行的第一移动轴41的门式单元40。在这两个第一移动轴41上设置有可水平移动的框架状的第一移动式滑动件47。该第一移动式滑动件47本身包括两个线性的、水平的第二移动轴42，这两个第二移动轴42彼此平行且垂直于第一移动轴41地延伸。
沿着两个第二移动轴42设置有可水平移动的梁状的第二移动式滑动件48。第二移动式滑动件48本身具有一个垂直的第三移动轴43。沿着该第三移动轴43设置有可垂直移动的滑动支架45。涂覆喷枪30可旋转地保持在该滑动支架45上。
在将工件1定位到处理站14内之后，涂覆装置29的涂覆喷枪30配合到要被涂覆的工件1的第一个孔3内。由此，连续运行的涂覆喷枪30能产生金属等离子射流，该金属等离子射流以超音速撞击孔3的一个孔壁。通过旋转涂覆喷枪30和沿垂直方向轴向移动该涂覆喷枪30，可在孔壁上施加规则的、预定的金属涂层，该金属涂层的厚度例如在10μm至300μm之间。
在从已涂覆的第一个孔3内收回涂覆喷枪30之后，金属等离子射流直接在离开孔3之后朝向抽吸罩内的安装单元的冲击面(未在图中显示)，其中，抽吸罩和涂覆喷枪30一起安装在滑动支架45上。安装单元接收金属等离子射流的颗粒，并和涂覆喷枪30一起移动到要被涂覆的下一孔3处。在那之后，在这第二个孔3内重复进行金属涂覆，然后对于在工件1的一排孔中的其他孔3进行相应的涂覆。随后，工件1可通过旋转单元26围绕水平轴线旋转，从而发动机机体的第二排孔能被设置成用于在其垂直位置中进行处理。在发动机机体状的工件1中的这6个孔3能在这之后被涂覆。
在完成涂覆之后，带有门式单元40的涂覆喷枪30被收回，完成涂覆的工件1可经由位于右手边的通道25被输送回去，同时要被处理的新的工件1被供应到装载站12内。由此，在通道25处，锁闭元件27打开。同时，通过旋转台22的旋转移动，新的工件1经由位于左手边的打开的通道25从装载站12被输送到处理站14。
可通过包括测量装置52的操作机器人50来测量所施加的涂层的层厚度和轮廓。通过测量装置52可提前对新提供的工件1的还未被涂覆的孔3进行测量，从而可通过比较测量数据来实现对所完成的涂层进行的更加精确的测量。可以将被涂覆的工件1从位于装载站12内的旋转台22的工件夹具23处移除。在那之后，可将新的工件1放置到输送机20的工件夹具23内。由此，根据本发明，可在设备10内进行与工件1在处理站14内的处理并行并因此不会干扰机器的主要时间的装载和释放以及测量。这使得机器可以被高效地使用。
通过门式单元40，涂覆喷枪30可在特定的时间间隔时移动到测试站54内，以检验金属等离子射流的喷涂形式，或者可在特定的时间间隔时移动到清洁站60处。
测量装置52包括激光器，由于测量装置52通过操作机器人50而被垂直地引入到工件1的孔3内，所以通过该激光器可沿着孔43的轴向长度测量孔3的轮廓和直径。通过比较涂覆之前和涂覆之后的孔3的测量数据，设备10的控制有助于准确地确定已完成的涂层的层厚度和表面轮廓的结构。通过比较测量值和预定目标值，可通过控制设备10来确定是否进行了正确的涂覆，或者是否需要对工件1进行重新加工。另外，控制可根据测量值来调节和修改涂覆装置29的设定参数，尤其是用于调节金属等离子射流的参数或涂覆喷枪30的移动数据，以便在对接下来的工件1进行涂覆时及时地消除误差。

Claims (11)

1.用于工件(1)的金属涂覆的设备，具有壳体(13)，在所述壳体(13)内设置有用于供应和释放工件(1)的装载站(12)，以及带有涂覆装置(29)的处理站(14)，
其中，所述涂覆装置包括能移动的涂覆喷枪(30)，通过所述能移动的涂覆喷枪能产生金属等离子射流，以形成金属颗粒的涂层，
带有涂覆喷枪(30)的所述涂覆装置(29)和用于测量涂层厚度的测量装置(52)一起集成在所述设备(10)中，并设置在所述壳体(13)内，
其特征在于，
所述处理站(14)和所述装载站(12)通过分隔壁(24)彼此分隔开，
所述分隔壁(24)包括至少一个能封闭的通道(25)，其中，所述通道(25)由锁闭元件(27)封闭，所述锁闭元件(27)能释放所述通道(25)，以便允许所述工件(1)穿过通道，
所述测量装置(52)设置在所述装载站(12)内，以及
所述测量装置(52)被设计成能在涂覆之前和涂覆之后测量所述工件(1)。
2.根据权利要求1所述的设备，
其特征在于，
所述测量装置(52)包括能移动的测量传感器，所述能移动的测量传感器能在校准站和装载站(12)中的工件夹具(23)之间移动。
3.根据权利要求1或2所述的设备，
其特征在于，
在所述处理站(14)内设置有用于清洁所述涂覆喷枪(30)的清洁站(60)。
4.根据权利要求3所述的设备，
其特征在于，
在所述处理站(14)内设置有用于测试由所述涂覆喷枪(30)所产生的金属等离子射流的测试站(54)。
5.根据权利要求1或2所述的设备，
其特征在于，
还设置有抽吸装置，所述抽吸装置被设计成能从所述涂覆装置(29)、校准站、测试站和/或清洁站(60)处抽气。
6.根据权利要求1或2所述的设备，
其特征在于，
还设置有至少一个工件夹具(23)，工件(1)能被放置并夹持在所述至少一个工件夹具(23)内的限定位置中，所述工件夹具(23)能在所述装载站(12)和所述处理站(14)之间移动。
7.根据权利要求6所述的设备，
其特征在于，
至少一个工件夹具(23)能通过输送机(20)移动，所述输送机(20)具有环状的循环路径。
8.根据权利要求7所述的设备，
其特征在于，
所述输送机(20)形成为设置成能水平移动的旋转台(22)。
9.根据权利要求1或2所述的设备，
其特征在于，
在所述分隔壁(24)中设有分别设置有一个锁闭元件(27)的两个通道(25)。
10.根据权利要求7所述的设备，
其特征在于，
输送机(20)在水平方向上周向地设置，以及
所述工件夹具(23)能调节地安装在输送机(20)上，尤其是能围绕水平旋转轴线旋转地安装在输送机(20)上。
11.用能移动的涂覆喷枪(30)对工件(1)进行金属涂覆的方法，其中通过所述涂覆喷枪(30)能产生金属等离子射流，通过所述金属等离子射流能在所述工件(1)上形成金属颗粒的金属涂层，
其特征在于，
涂层的形成和涂层厚度的测量一起在根据权利要求1到10中任一项所述的设备(10)中进行，在所述设备(10)中设置有用于供应和释放所述工件(1)的装载站(12)，通过所述设备(10)能在涂覆之前和涂覆之后测量所述工件(1)。
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