CN115445853A - 一种发动机喷管涂层的自动浸涂系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及表面工程领域，具体公开了一种自动浸涂系统，包括传送带、机械手、料罐和烘干器。传送带用于传送工件，传送带包括与待浸涂区对应的第一传送部分、与浸涂区对应的第二传送部分；机械手、料罐和烘干器均设置于浸涂区内，第一传送部分上的指定夹持位置、料罐和烘干器均位于机械手的行程范围内；料罐用于盛放料浆，料浆用于形成工件上的涂层；烘干器用于对工件上的涂层进行烘干；机械手用于在指定夹持位置夹持工件，将工件移动至料罐，将工件伸入料罐后提起，由料罐移动至烘干器进行烘干，并由烘干器移回至传送带。本申请提供的自动浸涂系统为流水线工作方式，可以替代原始的人工浸涂烧结工艺，提高生产效率。

Description

一种发动机喷管涂层的自动浸涂系统和方法

技术领域

本申请涉及表面工程的技术领域，特别是一种发动机喷管涂层的自动浸涂系统和方法。

背景技术

双组元液体火箭发动机作为航天器及导弹武器机动飞行的动力推进装置，广泛应用于卫星轨道控制、姿态调整、精确定位以及航天器的交会对接及着陆等。该类发动机喷管工作时内部燃气温度可达2700℃，采用了液膜冷却技术后，壁面温度仍然达到1000℃以上。为满足发动机喷管的高温力学性能要求，目前的喷管大部分都采用高温难熔金属(Nb、Ta、W、Mo、Re及铂等)加材料表面涂覆高温抗氧化涂层的工艺方案。在众多的工艺方案中，铌合金表面涂覆硅化物涂层为国内外型号应用最广泛的技术手段，如美国Marquardt公司的R-4D、R-1E和R-6C发动机采用的是铌合金表面涂覆R512A(Si-20Cr-5Ti)涂层，寿命1371℃下达到100h，而国内型号应用的材料体系为铌铪合金涂覆“815(Si-Cr-Ti)”涂层以及铌钨合金涂覆“056(Si-Cr-Ti-Hf)”涂层，当前也已在各类航天型号产品中应用。在以上硅化物涂层制备过程中，主要采用的工艺有两种：一种是料浆喷涂烧结工艺，另一种是料浆浸涂烧结工艺。

在上述的料浆浸涂工艺过程中，通常操作是技术人员手持或采用工具夹持喷管，将其全部或部分浸没在装满涂层料浆的料罐中，浸涂过程中由于人为原因(经验、工作状态等)会使每台产品的浸涂时间，浸没深度等都有差异，进而容易造成浸涂的多台产品涂层一致性低，涂层均匀性差等问题，最终导致涂层的多次烧结或者返修，影响生产效率及产品质量的可靠性。

发明内容

本申请提供一种发动机喷管涂层的自动浸涂系统和方法，该系统和方法替代原始的人工浸涂烧结工艺，所制备的涂层均匀性、一致性及稳定性好，可明显提高高温烧结后抗氧化涂层的均匀性、批次一致性及应用可靠性，且该自动浸涂系统为流水线工作方式，可以提高生产效率。

第一方面，提供了一种自动浸涂系统，包括传送带、机械手、料罐和烘干器，

所述传送带用于传送工件，所述传送带包括与待浸涂区对应的第一传送部分、与浸涂区对应的第二传送部分；

所述机械手、料罐和烘干器均设置于所述浸涂区内，所述第一传送部分上的指定夹持位置、所述料罐和所述烘干器均位于所述机械手的行程范围内；

所述料罐用于盛放料浆，所述料浆用于形成所述工件上的涂层；

所述烘干器用于对所述工件上的涂层进行烘干；

所述机械手用于在所述指定夹持位置夹持所述工件，将所述工件移动至所述料罐，将所述工件伸入所述料罐后提起，由所述料罐移动至所述烘干器进行烘干，并由所述烘干器移回至所述传送带。

与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：该系统替代原始的人工浸涂烧结工艺，所制备的涂层均匀性、一致性及稳定性好，可明显提高高温烧结后抗氧化涂层的均匀性、批次一致性及应用可靠性，且该自动浸涂系统为流水线工作方式，可以提高生产效率。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述机械手上设置有测距传感器，所述测距传感器用于指示所述机械手伸入所述料罐的距离。

通过测距传感器反馈的信号，可以更加精确地控制工件上的涂层区域。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述自动浸涂系统还包括测量平台，所述机械手还用于在所述工件烘干后，将所述工件移至所述测量平台，所述测量平台用于测量所述工件上涂层的重量和/或厚度；

在所述测量平台指示的测量结果未满足预设条件的情况下，所述机械手用于将所述工件由所述测量平台移动至所述料罐；

在所述测量平台指示的测量结果满足预设条件的情况下，所述机械手用于将所述工件由所述测量平台移动至所述传送带。

通过测量平台，检测每次涂层工序后是否达到要求，可以实现涂层工序的多次自动执行，使机械手可以灵活、高精度地执行多次涂层工序。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述料罐和所述烘干机位于所述机械手的一侧，所述测量平台位于所述机械手的另一侧。

机械手可以在一侧执行浸涂工序和烘干工序。由于料罐和烘干机位于机械手的同侧且距离较近，有利于使工件在浸涂后及时得到烘干。而测量平台位于机械手的另一侧，可以使自动浸涂系统各个设备的摆放更加紧凑，便于减少机械手的移动总移动行程。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述料罐、所述烘干机和所述测量平台位于所述传送带的同侧。

机械手的总体移动行程可以不跨越传送带，减少各个设备之间干涉的可能性。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述传送带上设置有定位工装，所述定位工装用于装载所述工件；

当所述机械手由所述定位工装夹持所述工件后，所述传送带暂停传送；

当所述机械手将所述工件夹持到所述定位工装后，所述传送带启动传送。

定位工装的尺寸可以与工件端部尺寸相当，以将工件限位在传送带上，防止工件在传送带上发生倾倒。为适配各种类型的工件尺寸，工装可依据工件尺寸进行更换，以保证工件能够稳定且精确的放在传送带上。另外还可以根据定位工装上是否有工件，来控制传送带的启停，以便于机械手可以准确将工件夹持回定位工装。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述传送带还包括与成品区对应的第三传送部分，所述第二传送部分位于所述第一传送部分和所述第三传送部分之间；

所述自动浸涂系统还包括光电感应器，所述光电感应器用于检测所述第三传送部分上是否存在成品工件，当所述光电感应器检测到所述第三传送部分上存在成品工件，所述传送带暂停传送。

通过光电感应器，可以指示工人或机械手及时从传送带移走成品，避免将成品重新传送至待浸涂区。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述自动浸涂系统还包括主控设备，所述主控设备用于控制所述传送带、所述机械手、所述料罐和所述烘干器。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述工件对应设置有二维码，所述机械手还配置有扫码枪，所述扫码枪用于扫描所述二维码，以获取所述工件的喷涂工艺流程。

传送带上可以传送多种类型的工件，执行多种不同的喷涂工艺，使自动喷涂技术更加灵活高效。

第二方面，提供了一种自动浸涂方法，所述自动浸涂方法应用于如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的自动浸涂系统，所述自动浸涂方法包括：

控制所述传送带传送；

当所述工件由所述传送带移动至所述指定夹持位置后，控制所述机械手移动至所述指定夹持位置，在所述指定夹持位置夹持所述工件，将所述工件移动至所述料罐，将所述工件伸入所述料罐后提起，由所述料罐移动至所述烘干器进行烘干，并由所述烘干器移回至所述传送带。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种自动浸涂系统的示意性结构图。

图2为本申请实施例提供的一种自动浸涂方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述。

图1是本申请实施例提供的一种自动浸涂系统的示意性结构图。

自动浸涂系统可以包括传送带、机械手、料罐和烘干器。传送带可以用于传送工件。在一些实施例中，工件可以是发动机喷管。传送带可以包括与待浸涂区对应的第一传送部分、与浸涂区对应的第二传送部分。机械手、料罐和烘干器均设置于浸涂区内，第一传送部分上的指定夹持位置、料罐和烘干器均位于机械手的行程范围内。从而机械手可以在指定夹持位置、料罐和烘干器之间移动。料罐用于盛放料浆，料浆用于在工件上浸涂涂层。烘干器用于对浸涂后的工件烘干，以烘干工件上的涂层。

机械手用于在指定夹持位置夹持工件，将工件移动至料罐，将工件伸入料罐后提起，由料罐移动至烘干器进行烘干，并由烘干器移回至传送带。料罐内部可以带有搅拌器，对料罐内料浆进行实时搅拌以保证料浆均匀防止沉淀。

在一些实施例中，机械手要求为6自由度，重复定位精度≤0.15mm，运动半径≥1450mm，负载能力≥7Kg。

在一些实施例中，机械手的前段可以设置有测距传感器，测距传感器用于测量机械手至料浆表面的距离，进而控制工件浸入料浆内深度，即测距传感器捕捉到的信号可以指示机械手伸入料罐的距离。在一些实施例中，测距传感器可以感应机械手至料浆液面距离。假设工件高度100mm，机械手夹持到工件5mm，涂层高度75mm，则机械手至料浆液面距离可以为20mm。

如图1所示，料罐和烘干机位于机械手的一侧，测量平台位于机械手的另一侧。机械手可以在一侧执行浸涂工序和烘干工序。由于料罐和烘干机位于机械手的同侧且距离较近，有利于使工件在浸涂后及时得到烘干。而测量平台位于机械手的另一侧，可以使自动浸涂系统各个设备的摆放更加紧凑，便于减少机械手的移动总移动行程。

如图1所示，料罐、烘干机和测量平台位于传送带的同侧。机械手的总体移动行程可以不跨越传送带，减少各个设备之间干涉的可能性。

在一些实施例中，自动浸涂系统还包括测量平台，机械手还用于在工件烘干后，将工件移至测量平台，测量平台用于测量工件上涂层的重量和/或厚度。涂层厚度可以通过尺寸测量方式得到。首先可以测量工件的初始尺寸，浸涂并烘干后，可以测量工件的浸涂尺寸，浸涂尺寸和初始尺寸差值的1/2可以指示涂层的厚度。

在一个实施例中，测量平台包括影像仪和称重台，影像仪用于检测浸涂前后工件各个位置尺寸，并利用涂层前后尺寸差值来计算浸涂层厚度，称重台用于检测浸涂前后工件重量。

在测量平台指示的测量结果未满足预设条件的情况下，意味着涂层重量和/或厚度可能不足。工件还需要机械浸涂浆料。机械手可以将工件由测量平台移动至料罐，以开始新的浸涂工序。

在测量平台指示的测量结果满足预设条件的情况下，意味着涂层重量和/或厚度达到加工要求。工件不再需要机械浸涂浆料，机械手用于将工件由测量平台移动至传送带，从而工件可以由传送带移走。机械手可以对下一工件进行夹持并完成该下一工件的浸涂工序。

在一些实施例中，传送带上设置有定位工装，定位工装用于装载工件。定位工装的尺寸可以与工件端部尺寸相当，以将工件限位在传送带上，防止工件在传送带上发生倾倒。为适配各种类型的工件尺寸，工装可依据工件尺寸进行更换，以保证工件能够稳定且精确的放在传送带上。

在图1所示的实施例中，工件对应设置有二维码，机械手还配置有扫码枪，扫码枪用于扫描二维码，以获取工件的喷涂工艺流程，提取相应工艺程序。传送带定位工装附近可放置或张贴二维码，扫码枪可以对该二维码进行扫码认证，进而在系统中调取与所放工件相对应的工艺程序进行后续操作。

在一种可能的情况下，当机械手由定位工装夹持工件后，传送带暂停传送，以便于机械手可以准确将工件夹持回定位工装；当机械手将工件夹持到定位工装后，传送带启动传送，以便于机械手对下一工件执行浸涂工序。

在一些实施例中，传送带还包括与成品区对应的第三传送部分，第二传送部分位于第一传送部分和第三传送部分之间。也就是说，传送带传送到成品区的工件可以属于成品。工人或机械手可以从传送带的第三传送部分将成品工件从传送带上移走。为及时移走成品，尤其是如图1所示，当传送带为环形传送带(回转结构)，避免将成品重新传送至待浸涂区，自动浸涂系统还可以包括光电感应器。光电感应器可以用于检测第三传送部分上是否存在成品工件。也就是说，光电感应器可以用于感应传送带上是否有产品存在。当光电感应器检测到第三传送部分上存在成品工件，光电感应器可以反馈信号令整个系统处于待机状态，传送带可以暂停传送，便于工人和机械手及时取下成品。

在一些实施例中，自动浸涂系统还包括主控设备，主控设备用于控制传送带、机械手、料罐和烘干器。主控设备可以是控制柜，应用于整套系统供电、浸涂工艺控制以及机械手轨迹编程。主控设备可以根据不同尺寸形状的工件，执行机械手夹持工件的轨迹程序，控制工件浸涂料罐中的浸涂深度和浸涂时间、以及配合对应的自动烘干和自动在线检测，实现涂层厚度均匀制备。在一个实施例中，控制柜包括机械手控制柜和总控制柜，机械手控制柜实现机械手动作编程，总控制柜可调用机械手控制柜程序，同时进行自动浸涂工艺编辑和工艺选择。

图2是本申请实施例提供的一种自动浸涂方法的示意性流程图。图2所示的方法可以应用于图1所示的自动浸涂系统。图2所示的方法例如可以由图1所示的主控设备执行。

110，控制传送带开启传送；

120，当工件由传送带移动至指定夹持位置后，控制机械手移动至指定夹持位置，在指定夹持位置夹持工件，将工件移动至料罐，将工件伸入料罐后提起，由料罐移动至烘干器进行烘干，并由烘干器移回至传送带。

下面结合以下内容对本申请作进一步详细说明。

实施例1

以对一种小口直径φ16mm，大口直径φ34mm，长度70mm的喷管涂层制备为例，说明本发明方法的具体实施方式。

a)打开控制柜电源，传送带电源、机械手电源、通风电源、烘干机电源及测量平台电源；

b)将上述尺寸喷管放置于待浸涂区的传送带上定位工装中，放置方式为小口端向上，大口端向下，定位工装边缘张贴与该尺寸喷管浸涂相对应工艺的二维码；

c)启动传送带，传送带将喷管传送至机械手前的浸涂区，机械手前扫码枪扫描定位工装上二维码，通过二维码认证调用该喷管需使用的自动浸涂工艺程序；

d)机械手按照已设定好的工艺程序夹持住喷管，夹持区域固定在小口端0-5mm处；

e)机械手按设定程序轨迹将喷管移动至测量平台上，测量平台检测并记录喷管各个位置尺寸及其重量；

f)测量完成后，机械手按设定程序轨迹夹持住喷管，夹持区域固定在小口端0-5mm处；

g)机械手按设定程序轨迹将喷管移动至料罐上方后，启动料罐中搅拌器，然后机械手缓缓将喷管浸没至料罐内的料浆中，同时利用测距传感器测量液面至机械手间距离，以控制喷管在料浆中的浸没深度，最终将浸没深度控制为63mm；

h)喷管在料浆中浸没6s后，机械手缓缓将喷管取出，并在料罐上方停留10s；

i)机械手按设定程序轨迹将浸涂料浆后的喷管移动至烘干机前，对喷管进行烘干处理，吹干时间为20s；

j)完成烘干后，机械手按设定程序轨迹将浸涂料浆后的喷管移动至测量平台上，测量平台检测并记录喷管各个位置尺寸及重量，测量平台完成测量后计算测量各位置涂层厚度及喷管增重；

k)重复f)～j)操作5遍，最终厚度值为250±10μm，增重为40～50g，满足生产技术要求；

l)机械手按照已设定好的工艺程序夹持住喷管，夹持区域固定在小口端0-5mm处，将其移动放回传送带上的定位工装中；

m)传送带将完成浸涂的喷管传送至成品区，成品区的光电感应器感应到传送带上有产品时，整个装置处于待机状态，人工取下已完成浸涂的喷管，一台产品的自动浸涂工序完成；

n)重复b)～m)操作，进行下一台喷管的浸涂；

o)浸涂完成后，关闭所有电源。

实施例2

以小口直径φ8mm，大口直径φ14mm，长度32mm的喷管涂层制备为例，说明本发明方法的具体实施方式。

a)打开控制柜电源，传送带电源、机械手电源、通风电源、烘干机电源及测量平台电源；

b)将上述尺寸喷管放置于待浸涂区的传送带上定位工装中，放置方式为小口端向上，大口端向下，定位工装边缘张贴与该尺寸喷管浸涂相对应工艺的二维码；

c)启动传送带，传送带将喷管传送至机械手前的浸涂区，机械手前扫码枪扫描定位工装上二维码，通过二维码认证调用该喷管需使用的自动浸涂工艺程序；

d)机械手按照已设定好的工艺程序夹持住喷管，夹持区域固定在小口端0-3mm处；

e)机械手按设定程序轨迹将喷管移动至测量平台上，测量平台检测并记录喷管各个位置尺寸及其重量；

f)测量完成后，机械手按设定程序轨迹夹持住喷管，夹持区域固定在小口端0-3mm处；

g)机械手按设定程序轨迹将喷管移动至料罐上方后，启动料罐中搅拌器，然后机械手缓缓将喷管浸没至料罐内的料浆中，同时利用测距传感器测量液面至机械手间距离，以控制喷管在料浆中的浸没深度，最终将浸没深度控制为27mm；

h)喷管在料浆中浸没5s后，机械手缓缓将喷管取出，并在料罐上方停留10s；

i)机械手按设定程序轨迹将浸涂料浆后的喷管移动至烘干机前，对喷管进行烘干处理，吹干时间为15s；

j)完成烘干后，机械手按设定程序轨迹将浸涂料浆后的喷管移动至测量平台上，测量平台检测并记录喷管各个位置尺寸及重量，测量平台完成测量后计算测量各位置涂层厚度及喷管增重；

k)重复f)～j)操作4遍，最终厚度值为200±10μm，增重为25～30g，满足生产技术要求；

l)机械手按照已设定好的工艺程序夹持住喷管，夹持区域固定在小口端0-3mm处，将其移动放回传送带上的定位工装中；

m)传送带将完成浸涂的喷管传送至成品区，成品区的光电感应器感应到传送带上有产品时，整个装置处于待机状态，人工取下已完成浸涂的喷管，一台产品的自动浸涂工序完成；

n)重复b)～m)操作，进行下一台喷管的浸涂；

浸涂完成后，关闭所有电源。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种自动浸涂系统，其特征在于，包括传送带、机械手、料罐和烘干器，所述传送带用于传送工件，所述传送带包括与待浸涂区对应的第一传送部分、与浸涂区对应的第二传送部分；

所述机械手、料罐和烘干器均设置于所述浸涂区内，所述第一传送部分上的指定夹持位置、所述料罐和所述烘干器均位于所述机械手的行程范围内；

所述料罐用于盛放料浆，所述料浆用于形成所述工件上的涂层；

所述烘干器用于对所述工件上的涂层进行烘干；

所述机械手用于在所述指定夹持位置夹持所述工件，将所述工件移动至所述料罐，将所述工件伸入所述料罐后提起，由所述料罐移动至所述烘干器进行烘干，并由所述烘干器移回至所述传送带。

2.根据权利要求1所述的自动浸涂系统，其特征在于，所述机械手上设置有测距传感器，所述测距传感器用于指示所述机械手伸入所述料罐的距离。

3.根据权利要求1所述的自动浸涂系统，其特征在于，所述自动浸涂系统还包括测量平台，所述机械手还用于在所述工件烘干后，将所述工件移至所述测量平台，所述测量平台用于测量所述工件上涂层的重量和/或厚度；

在所述测量平台指示的测量结果未满足预设条件的情况下，所述机械手用于将所述工件由所述测量平台移动至所述料罐；

在所述测量平台指示的测量结果满足预设条件的情况下，所述机械手用于将所述工件由所述测量平台移动至所述传送带。

4.根据权利要求1所述的自动浸涂系统，其特征在于，所述料罐和所述烘干机位于所述机械手的一侧，所述测量平台位于所述机械手的另一侧。

5.根据权利要求1所述的自动浸涂系统，其特征在于，所述料罐、所述烘干机和所述测量平台位于所述传送带的同侧。

6.根据权利要求1所述的自动浸涂系统，其特征在于，所述传送带上设置有定位工装，所述定位工装用于装载所述工件；

当所述机械手由所述定位工装夹持所述工件后，所述传送带暂停传送；

当所述机械手将所述工件夹持到所述定位工装后，所述传送带启动传送。

7.根据权利要求1所述的自动浸涂系统，其特征在于，所述传送带还包括与成品区对应的第三传送部分，所述第二传送部分位于所述第一传送部分和所述第三传送部分之间；

所述自动浸涂系统还包括光电感应器，所述光电感应器用于检测所述第三传送部分上是否存在成品工件，当所述光电感应器检测到所述第三传送部分上存在成品工件，所述传送带暂停传送。

8.根据权利要求1所述的自动浸涂系统，其特征在于，所述自动浸涂系统还包括主控设备，所述主控设备用于控制所述传送带、所述机械手、所述料罐和所述烘干器。

9.根据权利要求1所述的自动浸涂系统，其特征在于，所述工件对应设置有二维码，所述机械手还配置有扫码枪，所述扫码枪用于扫描所述二维码，以获取所述工件的喷涂工艺流程。

10.一种自动浸涂方法，其特征在于，所述自动浸涂方法应用于如权利要求1至9中任一项所述的自动浸涂系统，所述自动浸涂方法包括：

控制所述传送带传送；

当所述工件由所述传送带移动至所述指定夹持位置后，控制所述机械手移动至所述指定夹持位置，在所述指定夹持位置夹持所述工件，将所述工件移动至所述料罐，将所述工件伸入所述料罐后提起，由所述料罐移动至所述烘干器进行烘干，并由所述烘干器移回至所述传送带。

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