CN112439607B - 一种内壁自动喷涂装置和喷涂方法 - Google Patents

一种内壁自动喷涂装置和喷涂方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种针对带球形封头筒体的内壁自动喷涂装置，包括用于承载筒体并带动筒体转动的支撑滚轮架，其还包括根据喷涂程序驱动喷枪径向、轴向和周向运动的机械手，以及储存并执行喷涂程序的控制系统。本发明还提供一种针对带球形封头筒体的内壁自动喷涂工艺方法，通过支撑滚轮架带动筒体旋转，机械手轴向行进至筒体内一端，通过连续摆动喷枪角度，进行一侧球形封头的喷涂；随后机构沿筒体轴向连续行进，进行圆筒段的喷涂；待行进至筒体另一端，再次摆动角度，进行另一侧球形封头的喷涂，从而完成整个筒体内壁的喷涂。

Description

一种内壁自动喷涂装置和喷涂方法
技术领域
本发明涉及胶粘剂自动空气喷涂的技术领域，尤其涉及固体火箭发动机壳体内表面的胶粘剂自动喷涂。
背景技术
固体火箭发动机壳体是一种大长径比的一端或两端带球形封头的筒体，壳体内壁与绝热层之间的粘接通过数十微米厚的胶粘剂涂层来保证，粘接质量直接影响发动机工作可靠性。
壳体内壁胶粘剂的涂覆一般采用手工刷涂工艺，该工艺主要存在如下问题：
(1)质量一致性差。胶粘剂涂覆均匀度依赖工人的技能水平和熟练程度，难以保证涂覆质量的一致性。
(2)人员危害大。手工刷涂不仅劳动强度大，而且需要直接接触含有苯、二甲苯、乙苯的胶粘剂，对工人的身心造成很大的伤害。
(3)产能低下。自动化程度低，生产效率低下，成为了制约产能提升的瓶颈。
而自动空气喷涂工艺能够更稳定地控制胶粘剂涂覆质量，降低人身伤害，提高自动化水平和产能。空气喷涂工艺虽然在油漆涂装行业已非常成熟，但对于型面复杂、空间受限的固体火箭发动机壳体内壁，实施难度大，鲜有应用案例。目前对于类似结构的工件比如钢管内壁的喷涂，普遍都采用离心甩涂工艺，但离心甩涂只能进行直筒段喷涂，无法实现壳体前、后球形封头的喷涂。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供了一种内壁自动喷涂装置和工艺方法，用于实现固体火箭发动机内表面的整体自动喷涂。
本发明采用的技术方案为：
一种内壁自动喷涂装置，包括用于承载筒体并带动筒体转动的支撑滚轮架，还包括根据喷涂程序驱动喷枪X向、Y向和r向运动的机械手，以及储存并执行喷涂程序的控制系统；X向即为筒体的轴向，Y向即为筒体的径向，r向即为筒体的周向。
进一步的，筒体是指固体火箭发动机壳体，固体火箭发动机壳体为大长径比的一端或两端带球形封头的筒体。
进一步的，机械手包括：往复小车、喷杆、伺服减速电机、钢丝卷轴、钢丝、钢丝导轮以及角度调节器；
往复小车，由伺服减速电机驱动，控制喷枪X向无级变速移动，调节轴向的喷涂起始、终止位置，以及喷涂行进速度；
喷杆，由伺服减速电机驱动，控制喷枪Y向无级变速升降，调节喷距；
伺服减速电机驱动喷杆后端钢丝卷轴正反旋转使钢丝前后伸缩，带动喷杆前端钢丝导轮转动，实现固定在钢丝导轮旋转轴上喷枪的喷射角度变化以及无级变速转动；
所述角度调节器用于控制喷枪r向转动，调节喷涂起始和终止角度，以及摆动角速度。
进一步的，控制系统中存储的喷涂程序，包括支撑滚轮架的定位位置，所述支撑滚轮架的定位位置包括前、后限位轮位置，前、后支撑轮轴向位置以及前、后支撑轮径向位置；所述喷涂程序还包括机械手的运行轨迹，所述运行轨迹包括球形封头段起始、终止位置和角度(x,y,r)，直筒段起始及终止位置和角度，前一段轨迹的终止位置与后一段轨迹的起始位置重合；所述喷涂程序还包括运行工艺参数，所述运行工艺参数包括筒体转动速度、喷枪移动速度、喷枪摆动角速度。
进一步的，本发明还提出一种喷涂工艺方法，通过支撑滚轮架带动筒体旋转，机械手轴向行进至筒体内一端，通过连续摆动喷枪角度，进行一侧封头的喷涂；随后机械手沿筒体轴向连续行进，进行圆筒段的喷涂；待行进至筒体另一端，再次摆动角度，进行另一侧封头的喷涂，从而完成整个筒体内壁的喷涂。
进一步的，内壁自动喷涂工艺方法具体包括如下步骤：
(1)根据筒体外型面尺寸，确定支撑滚轮架的定位位置，具体包括：前、后限位轮位置，前、后支撑轮轴向位置以及前、后支撑轮径向位置；
(2)根据筒体内型面尺寸，规划机械手的运行轨迹，具体包括：规划前摆起始位置A和角度α，直筒段起始位置B、直筒段终止位置C、后摆终止位置D和角度β；
(3)根据球形前封头、直筒段和球形后封头的表面积，计算各段的喷涂量；
(4)根据各分段的喷涂量计算各段相应的运行工艺参数，直筒段运行工艺参数包括筒体转速和喷枪移动速度，前后球形封头段运行参数包括起始角速度、终止角速度、起始工件转速和终止工件转速；
(5)在控制系统中输入相应的工艺参数，存储成喷涂程序；
(6)运行喷涂程序，支撑滚轮架自动调整定位位置；
(7)将筒体放置在支撑滚轮架上；
(8)通过喷涂程序控制筒体开始旋转，机械手轴向行进至筒体内一端，喷枪到达A点，角度前摆至α；
(8)通过喷涂程序控制喷枪打开，开始喷涂，喷枪由A点移动至B点，同时喷枪由角度α向下摆动至垂直，期间角速度逐渐减小，筒体转速也逐渐减小；
(9)喷枪到达B点后，立即匀速从B点移动至C点，期间筒体保持匀速转动；
(10)喷枪到达C点后，立即从C处移动至D点，同时喷枪由垂直向上摆动至角度β，期间角速度逐渐变大，筒体转速也逐渐变大；
(11)喷涂结束，机械手退出筒体，延转一定时间后，筒体转动停止。
进一步的，前一段轨迹的终止位置与后一段轨迹的起始位置重合。
进一步的，若前封头和后封头为非规则球面，喷枪摆动喷涂的同时还需进行X向或Y向运动，以使喷距保持稳定。
进一步的，喷枪从球面外圆向圆心摆动过程中，摆动角速度变快，以使相同时间内喷斑扫过的面积相同；同时筒体转速也变快，使喷斑搭接宽度相同，从而保证涂层厚度保持均匀。
进一步的，所述喷枪摆动角速度与工件转速按如下方式进行设定：
初始摆动角速度r1＝V/H，其中V为直筒段喷涂的线速度，H为摆动半径；
初始工件转速R1＝R，其中R为直筒段喷涂的筒体转速；
终止摆动角速度r2＝2α×Q/m-r1，其中α为摆动角度，Q为瞬时流量，m为需喷涂量；
终止工件转速R2＝R1×r2/r1。
本发明与现有技术相比带来的有益效果为：
(1)通过本发明的装置和工艺方法可以控制固体火箭发动机壳体内壁的自动喷涂，并喷涂出厚度均匀的涂层，提高了质量一致性。
(2)本发明的装置可自动调节支撑轮架，适应不同尺寸的工件，降低人员劳动强度，提升生产效率。
(3)本发明的装置和工艺方法，实现了全程远控隔离操作，避免了有毒有害胶粘剂对人员的职业健康侵害。
附图说明
图1是本发明的内壁自动喷涂装置示意图；
其中：1-机械手，2-支撑滚轮架，3-筒体。
图2是本发明一实施例的喷涂轨迹示意图；
其中：A-前摆起始位置，B-直筒段起始位置(前摆终止位置)，C-直筒段终止位置(后摆起始位置)，D-后摆终止位置，α-前摆角，β-后摆角。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种内壁自动喷涂装置，包括：用于承载筒体并带动筒体转动的支撑滚轮架；根据喷涂程序驱动喷枪X向、Y向和r向运动的机械手，以及储存并执行喷涂程序的控制系统；X向即为筒体的轴向，Y向即为筒体的径向，r向即为筒体的周向。筒体是指固体火箭发动机壳体，固体火箭发动机壳体为大长径比的一端或两端带球形封头的筒体。
具体的，机械手可根据喷涂程序指令驱动喷枪进行X向、Y向和r向的自动定位和连续移动。机械手包括：往复小车、喷杆、伺服减速电机、钢丝卷轴、钢丝、钢丝导轮以及角度调节器；
往复小车，由伺服减速电机驱动，控制喷枪X向无级变速移动，调节轴向的喷涂起始、终止位置，以及喷涂行进速度；
喷杆，由伺服减速电机驱动，控制喷枪Y向无级变速升降，调节喷距；
伺服减速电机驱动喷杆后端钢丝卷轴正反旋转使钢丝前后伸缩，带动喷杆前端钢丝导轮转动，实现固定在钢丝导轮旋转轴上喷枪的喷射角度变化以及无级变速转动；
所述角度调节器用于控制喷枪r向转动，调节喷涂起始和终止角度，以及摆动角速度。角度调节器，由前端角度执行器、钢丝导轮以及伺服自动调节器等组成。
控制系统中存储的喷涂程序，包括支撑滚轮架的定位位置，所述支撑滚轮架的定位位置包括前、后限位轮位置，前、后支撑轮轴向位置以及前、后支撑轮径向位置，用于适应不同直径、长度和外挂件位置的筒体，实现稳定支撑和旋转。
所述喷涂程序还包括机械手的运行轨迹，所述运行轨迹包括球形封头段起始、终止位置和角度(x,y,r)，直筒段起始及终止位置和角度，前一段轨迹的终止位置与后一段轨迹的起始位置重合；所述喷涂程序还包括运行工艺参数，所述运行工艺参数包括筒体转动速度、喷枪移动速度、喷枪摆动角速度。
根据上述喷涂装置进行喷涂时，通过支撑滚轮架带动筒体旋转，机械手轴向行进至筒体内一端，通过连续摆动喷枪角度，进行一侧封头的喷涂；随后机械手沿筒体轴向连续行进，进行圆筒段的喷涂；待行进至筒体另一端，再次摆动角度，进行另一侧封头的喷涂，从而完成整个筒体内壁的喷涂。
具体的，如图2所示，内壁自动喷涂工艺方法具体包括如下步骤：
(1)根据筒体外型面尺寸，规划支撑滚轮架的前、后限位轮位置，前、后支撑轮轴向位置、前、后支撑轮径向位置。
(2)根据筒体内型面尺寸，规划前摆起始位置(A)和角度(α)，直筒段起始位置(B)、直筒段终止位置(C)和后摆终止位置(D)和角度(β)。
(2)根据前封头、直筒段和后封头的表面积确定各段的喷涂量。
(3)根据各分段的喷涂量计算相应的工艺参数，直筒段工艺参数包括壳体转速和喷枪移动速度，前、后封头段工艺参数包括起始角速度、终止角速度、起始工件转速和终止工件转速。
(4)在控制系统中输入相应的工艺参数，存储成喷涂程序。
(5)运行喷涂程序，支撑滚轮架自动调整定位位置。
(6)将筒体放置在支撑滚轮架上。
(7)程序控制筒体开始旋转，机械手轴向行进至筒体一端，喷枪到达A点，角度前摆至α。
(8)程序控制喷枪打开，开始喷涂，喷枪由A点移动至B点，同时喷枪由角度α向下摆动至垂直，期间角速度逐渐变慢，筒体转速也逐渐变慢。
(9)喷枪到达B点后，立即匀速从B点移动至C点，期间筒体保持匀速转动。
(10)喷枪到达C点后，立即从C处移动至D点，同时喷枪由垂直向上摆动至角度β，期间角速度逐渐变快，筒体转速也逐渐变快。
(11)喷涂结束，机械手退出筒体，延转一定时间后，筒体转动停止。
喷涂时，前一段轨迹的终止位置与后一段轨迹的起始位置重合。喷枪从球面外圆向圆心摆动过程中，摆动角速度变快，以使相同时间内喷斑扫过的面积相同；同时筒体转速也变快，使喷斑搭接宽度相同，从而保证涂层厚度保持均匀。若前封头和后封头为非规则球面，喷枪摆动喷涂的同时还需进行X向或Y向运动，以使喷距保持稳定。
喷枪摆动角速度与工件转速按如下方式进行设定：
初始摆动角速度r1＝V/H，其中V为直筒段喷涂的线速度，H为摆动半径；
初始工件转速R1＝R，其中R为直筒段喷涂的筒体转速；
终止摆动角速度r2＝2α×Q/m-r1，其中α为摆动角度，Q为瞬时流量，m为需喷涂量；
终止工件转速R2＝R1×r2/r1。
综上所述，本发明的内壁自动喷涂装置和工艺方法，针对球形封头段和直筒段设计不同的喷涂方案，制定喷涂程序，实现整体连续均匀喷涂。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种内壁自动喷涂工艺方法，其特征在于：通过支撑滚轮架带动筒体旋转，机械手轴向行进至筒体内一端，通过连续摆动喷枪角度，进行一侧封头的喷涂；随后机械手沿筒体轴向连续行进，进行直筒段的喷涂；待行进至筒体另一端，再次摆动角度，进行另一侧封头的喷涂，从而完成整个筒体内壁的喷涂；
该内壁自动喷涂工艺方法具体包括如下步骤：
(1)根据筒体外型面尺寸，确定支撑滚轮架的定位位置，具体包括：前、后限位轮位置，前、后支撑轮轴向位置以及前、后支撑轮径向位置；
(2)根据筒体内型面尺寸，规划机械手的运行轨迹，具体包括：规划前摆起始位置A和摆动角度α，直筒段起始位置B、直筒段终止位置C、后摆终止位置D和角度β；
(3)根据球形前封头、直筒段和球形后封头的表面积，计算各段的喷涂量；
(4)根据各分段的喷涂量计算各段相应的运行工艺参数，直筒段运行工艺参数包括筒体转速和喷枪移动速度，前后球形封头段运行参数包括初始喷枪摆动角速度、终止喷枪摆动角速度、初始筒体转速和终止筒体转速；
(5)在控制系统中输入相应的运行工艺参数，存储成喷涂程序；
(6)运行喷涂程序，支撑滚轮架自动调整定位位置；
(7)将筒体放置在支撑滚轮架上；
(8)通过喷涂程序控制筒体开始旋转，机械手轴向行进至筒体内一端，喷枪到达A点，角度前摆至α；
(9)通过喷涂程序控制喷枪打开，开始喷涂，喷枪由A点移动至B点，同时喷枪由角度α向下摆动至竖直，期间喷枪摆动角速度逐渐减小，筒体转速也逐渐减小；
(10)喷枪到达B点后，立即匀速从B点移动至C点，期间筒体保持匀速转动；
(11)喷枪到达C点后，立即从C处移动至D点，同时喷枪由竖直向上摆动至角度β，期间喷枪摆动角速度逐渐变大，筒体转速也逐渐变大；
(12)喷涂结束，机械手退出筒体，延转一定时间后，筒体转动停止；
该内壁自动喷涂工艺方法基于内壁自动喷涂装置实现，该装置包括用于承载筒体并带动筒体转动的支撑滚轮架，根据喷涂程序驱动喷枪X向、Y向和r向运动的机械手，以及储存并执行喷涂程序的控制系统；X向即为筒体的轴向，Y向即为筒体的径向，r向即为筒体的周向；
筒体是指固体火箭发动机壳体，固体火箭发动机壳体为大长径比的一端或两端带球形封头的筒体；
机械手包括：往复小车、喷杆、伺服减速电机、钢丝卷轴、钢丝、钢丝导轮以及角度调节器；
往复小车，由伺服减速电机驱动，控制喷枪X向无级变速移动，调节轴向的喷涂起始、终止位置，以及喷枪移动速度；
喷杆，由伺服减速电机驱动，控制喷枪Y向无级变速升降，调节喷距；
伺服减速电机驱动喷杆后端钢丝卷轴正反旋转使钢丝前后伸缩，带动喷杆前端钢丝导轮转动，实现固定在钢丝导轮旋转轴上喷枪的喷射角度变化以及无级变速转动；
所述角度调节器用于控制喷枪r向转动，调节喷涂起始和终止角度，以及喷枪摆动角速度；
控制系统中存储的喷涂程序，包括支撑滚轮架的定位位置，所述支撑滚轮架的定位位置包括前、后限位轮位置，前、后支撑轮轴向位置以及前、后支撑轮径向位置；所述喷涂程序还包括机械手的运行轨迹，所述运行轨迹包括球形封头段起始、终止位置和角度(x,y,r)，直筒段起始及终止位置和角度，前一段轨迹的终止位置与后一段轨迹的起始位置重合；所述喷涂程序还包括运行工艺参数，所述运行工艺参数包括筒体转速、喷枪移动速度、喷枪摆动角速度。
2.根据权利要求1所述的内壁自动喷涂工艺方法，其特征在于：若前封头和后封头为非规则球面，喷枪摆动喷涂的同时还需进行X向或Y向运动，以使喷距保持稳定。
3.根据权利要求1所述的内壁自动喷涂工艺方法，其特征在于：喷枪从球面外圆向圆心摆动过程中，喷枪摆动角速度变快，以使相同时间内喷斑扫过的面积相同；同时筒体转速也变快，使喷斑搭接宽度相同，从而保证涂层厚度保持均匀。
4.根据权利要求3所述的内壁自动喷涂工艺方法，其特征在于：所述喷枪摆动角速度与筒体转速按如下方式进行设定：
初始喷枪摆动角速度r1＝V/H，其中V为直筒段喷涂的线速度，即喷枪移动速度，H为摆动半径；
初始筒体转速R1＝R，其中R为直筒段喷涂的筒体转速；
终止喷枪摆动角速度r2＝2α×Q/m-r1，其中α为摆动角度，Q为瞬时流量，m为需喷涂量；
终止筒体转速R2＝R1×r2/r1。
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