CN115846072A - 一种具有双自由度的静电粉末喷枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双自由度的静电粉末喷枪，包括双自由度自动旋转机构和喷枪主体。所述的双自由度自动旋转机构，可分为基座、第二旋转体和第一旋转体。第二旋转体，受位于基座内的电机控制，可在水平平面上自由旋转。第一旋转体，受位于第二旋转体内的电机控制，可在竖直平面上自由旋转。所述的步进电机能够精准控制旋转角度。相应的，本发明提出一种内置整流器的双弯头粉末输送管道设计，以配合双自由度旋转，同时保证出口流速分布均匀。本发明所述喷枪可以安全地提高针对形状复杂的工件表面的粉末涂料覆盖的均匀性，在有效防止金属腐蚀的同时，减少粉末涂料的消耗。

Description

一种具有双自由度的静电粉末喷枪

技术领域

本喷枪适用于粉末喷涂行业，对需在狭小空间内喷涂粉末涂料的零件特别适用，例如汽车车轮的背腔部位。

背景技术

随着“碳达峰”和“碳中和”的提出，以及国内VOC政策逐渐加严，涂装行业相关的标准和政策愈加严格。溶剂型涂料的市场占比呈逐渐下滑的趋势。相应替代的主流环保产品为粉末涂料和水性涂料，两类涂料既有互相竞争的领域，也有各自不可替代的优势，二者必将在很长的一段时间内并存和竞争。

与水性漆等液体涂料相比，粉末涂料的利用率极高，可达95％以上。但是，粉末涂料的喷涂覆盖问题，比液体涂料更为突出，具体可以体现在以下三点因素：(1)由于流平性较差，粉末涂料固化后的膜厚，基本由喷涂时粉末颗粒堆积时的厚度决定，这一点在形状复杂的工件表面尤为明显。液体涂料流平性较好，固化后覆盖厚度较均匀；(2)静电喷涂时，粉末涂料与基底之间的吸附，基本上依靠库仑力的作用。对于形状复杂的工件，由于其电场分布不均匀，基体表面粉末涂料覆盖的差异性较大。比如，在凹孔或凹槽类似的结构，如果喷涂的工艺参数(特别是喷涂的角度参数)不合适，粉末涂料非常覆盖不足，严重时会出现露底的问题，不利于金属防腐蚀。但对于液体涂料，除了库仑力的作用，液体还依靠表面张力吸附在基体上，喷涂距离较远，电场影响相对较弱；(3)粉末喷涂覆盖的膜厚要比液体的厚的多。这既是优势又是劣势。在上述两点因素的基础上，以及保证工件不漏基底的前提下，粉末喷涂覆盖膜厚的不均匀程度与粉末涂料的浪费程度成正比。在凹槽结构案例的基础上，如果要保证凹槽部位不露基底，通常会采用加大静电粉末喷枪的吐粉量的方法，这会大大增加凹槽结构周围部位的膜厚，造成浪费。

综上所述，在静电粉末喷涂时，提高工件表面粉末颗粒堆积的均匀程度，特别是形状复杂的工件，不仅有利于金属防腐蚀，还可以减少粉末涂料的浪费，降低粉末喷涂成本提高生产能。进一步的，从“碳达峰”和“碳中和”的角度来讲，减少粉末涂料的消耗，不仅有利于减少生产过程中的碳排放(粉末涂料固化的能耗降低和静电发生器的能耗等等)，还有利于减少涂装行业的整体碳排放。当前工业上，对于形状复杂的工件的静电粉末，仍然采用粗放的涂装方式。传统的静电粉末喷枪，长度较长，难以针对形貌复杂的工件表面，灵活地调整喷涂角度。粉末涂料难以获得较均匀的膜厚覆盖。

汽车轮毂是一个典型的大量使用粉末涂料涂装的形状复杂的金属工件。申请公布号为CN111218194A的发明专利，公布了一种完全由粉末涂料构成的双涂层体系，专用于汽车轮毂表面，同时表述了当前汽车轮毂的涂层体系以粉末涂料为主。公布号为CN208069286U和CN208021098U的实用新型分别公布了一种具有背腔具有减重窝的汽车轮毂造型。另有公布号为CN213768152U的实用新型公布了一种汽车轮毂轮辋沟槽的机加工解决方案。从上述3项专利，可以看出，汽车轮毂为了轻量化的需求，在车轮背腔设计凹槽结构已经成为流行趋势。这是造成汽车轮毂形状设计复杂的市场动力。

传统的静电粉末喷枪，因为需要内置直流高压模块，所以喷枪整体尺寸过大，难以灵活的调整喷涂角度。申请公布号为CN202160295U的专利，公开了一种粉末静电喷枪的高压包结构及其封装工艺。不难看出，粉末喷枪的高压模块需要一定的长度。申请公布号为CN113856930A的发明专利，公开了一种多喷射路径的静电粉末喷枪。可以看出，高压模块一般内置在粉末喷枪内部，与喷粉管路平行封装。再加上喷嘴和电晕针等其它必要的零件，一般的，一把静电粉末的整体长度至少是20厘米。目前，市场上的汽车轮毂的外径一般为16到21英寸，轮辋的宽度(J值)一般为6到9英寸。如图1所示，传统的静电粉末喷枪在喷涂轮毂背腔难以调整喷涂角度。由于轮毂背腔空间有限，且中心有支具干涉，喷枪枪嘴一般只能正对背腔减重窝，无法正对轮毂轮辋沟槽底部。这导致粉末颗粒的流速无法克服沟槽出的静电屏蔽作用，不利于轮辋沟槽结构上粉。针对这一问题，目前工业内常用解决方案是，加大粉末涂料的使用量，通过提升工件整体膜厚覆盖，以确保类似轮辋沟槽的结构不露出金属基底。这造成了粉末涂料的严重浪费。因此，针对汽车轮毂这类形状复杂的工件，如果喷枪可以灵活自动化地调节喷涂角度，有利于提升凹槽类结构的膜厚覆盖，降低工件整体的粉末涂料覆盖，从而实现静电粉末喷涂精益化生产。

申请公布号为CN106984457A的无效发明，公开了一种微孔喷射的静电粉末喷枪，目的在于实现粉末喷涂角度的灵活调整。该无效发明的喷枪在设计上，存在一定的局限性，具体为以下2点：(1)驱动装置被设计于喷粉环境中，存在安全隐患。粉末喷涂需严加注意粉体爆炸隐患，所以，控制喷枪空间位置的自动化设备一般与粉体环境隔绝；(2)喷枪‘喷球’喷涂角度受限。CN106984457A，试图通过转动‘喷球’，实现粉末涂料出口的角度灵活调整。但是要确保‘喷球’镶嵌在喷枪枪头且不在高流速的粉末涂料和压缩空气的冲击力下不会脱离枪头，则必须要保证‘喷球’50％以上的体积出处于喷枪内部。如果真如CN106984457A专利申请文中所述，镶嵌‘喷球’的环形弧面直径与‘喷球’的直径相等，则‘喷球’仅有一半在喷枪枪头内部，‘喷球’无法严格地固定在喷枪上，容易在高达8bar的压缩空气在作用下，脱离喷枪本体。其次，驱动装置的连杆与‘喷球’采用球铰式的连接结构，其所能转动的角度必然小于180°(3)‘喷球’与粉末输送管必须柔性连接。出于实用性和安全性的考虑，粉末输送管一般使用聚四氟乙烯作为管壁材料，这是一种刚性材料无法实现柔性连接。虽然CN106984457A所描述的静电粉末喷枪，在设计上有诸多局限之处以致于申请驳回，但是，其通过控制喷枪枪头以灵活地调整喷涂角度地的设计思路，比目前工业上使用往复机或机械臂控制喷枪整体的方法，更适合类似汽车轮毂这样的形状复杂的工件。

发明内容

本发明所要解决的内容是提供一种具有双自由度的静电粉末喷枪，能够通过自动化机械结构，优化喷涂路径。特别的，在喷涂形状复杂的金属工件，本发明提供的喷枪能够灵活地调整喷涂角度，使粉末涂料在工件表面的膜厚覆盖更加均匀。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种包含双自由度自动旋转机构的静电粉末喷枪，包括第一旋转体、第二旋转体、基座和喷枪主体。第一旋转体内包含有喷嘴。第一旋转体包含有喷嘴，第一旋转体以轴承连接于第二旋转体侧部，可在竖直平面上自由旋转至固定角度。第二旋转体以轴承连接于基座顶部，可在水平平面上自由旋转至固定角度。基座内置电机，通过齿轮传动可驱动和控制第二旋转体。第二旋转体内置电机，通过齿轮传动可驱动和控制第一旋转体。所述电机的类型，包括但不局限于步进电机。

进一步的，为配合第一旋转体和第二旋转体，分别在竖直和水平平面上旋转，所采用的粉末管道设置为：第一旋转体内粉末输送管道、第二旋转体内粉末输送管道分别设置一个弯头，两个弯头弯曲角度相等，且弯曲角度大于等于90度。当静电粉末喷枪处于初始位置时，基座内粉末输送管道、喷枪主体内粉末输送管道、第二旋转体内粉末输送管道弯头结构以下部分和第一旋转体内粉末输送管道弯头结构以上部分为竖直管道。粉末管道与可相互密封地连接，且相对转动。

第二旋转体内粉末输送管道与基座内粉末输送管道可相互密封地连接，且相对转动。基座内粉末输送管道与喷枪主体内粉末输送管道可相互密封地连接，且不可相对转动。

第一旋转体内粉末输送管道、第二旋转体内粉末输送管道、基座内粉末输送管道、喷枪主体内粉末输送管道，组成一种具有双弯头结构的粉末传输系统。

进一步的，为配合第一旋转体和第二旋转体，分别在竖直和水平平面上旋转，所采用的高压线路设计方案为：第二旋转体内高压导电线路与基座内高压导电线路之间，设置有第二旋转体高压导电环，基座内高压导电线路相对第二旋转体高压导电环旋转时，与第二旋转体高压导电环保持通电，第一旋转体内高压线路与第二旋转体内高压线路之间，设置有第一旋转体高压导电环，第二旋转体内高压线路相对第一旋转体高压导电环旋转时，与第一旋转体高压导电环保持通电，第一旋转体高压导电环位于第一旋转体外壳内，第二旋转体高压导电环位于第二旋转体外壳内。

电晕针、第二旋转体内高压导电线路、基座内高压导电线路、喷枪主体内高压导电线路、第一旋转体高压导电环、第二旋转体高压导电环、倍压块，组成喷枪的高压电路系统。

进一步的，为配合第一旋转体和第二旋转体，分别在竖直和水平平面上旋转，所采用的电机线路设计方案为：喷枪内置电机、电机和电源及信号线。其中，电源及信号线紧贴第二旋转体内粉末输送管道、基座内粉末输送管道、喷枪主体内粉末输送管道布置。第一电机、第二电机和电源及信号线，组成喷枪的低压电路系统。

进一步的，为降低高压电路系统与低压电路系统的潜在安全风险，所采用的电路设计方案为：低压系统和高压系统被粉末传输系统和喷枪外壳完全地隔离分开，其中喷枪外壳包括第二旋转体外壳、基座外壳和喷枪主体外壳。低压电路与高压电路各在粉末输送系统一侧。

进一步的，为减低粉末管道弯头结构所造成的涡流，所采用的粉末管道设计方案为：粉末管道内置整流器。整流器构造为多层圆筒状格栅结构，其安装点位为弯头流体出口处，具体点位为点位，安装姿态为圆筒状格栅机构与粉末管道同轴。在惯性作用的康达效应的影响下，粉末与空气的混合流体，易在弯头结构出口处产生涡流。整流器工作原理为，消除粉末管道内非轴向的流体流速，增加粉末与管壁的碰撞机率，从而喷枪出口处流速分布更加均匀。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)所述的静电粉末喷枪能够精准且灵活地调整喷涂角度。第一电机、第二电机、第一传动齿轮、第二传动齿轮组为静电粉末喷枪A1提供水平和竖直方向上两个自由度。调整喷涂角度，双弯头粉末输送管道缩短了所需旋转的管道的距离。传统静电粉末喷枪必须旋转含有高压模块的喷枪整体，而本发明所述的静电粉末喷枪则无需旋转含有高压模块的喷枪主体，从而可以更好地适应形状复杂的工件。

(2)不同喷涂角度下，电晕针1-5始终可以保持放电状态。高压导电线路设置第一旋转体高压导电环、第二旋转体高压导电环，第一旋转体和第二旋转体分别在水平和竖直方向进行旋转时，可以始终保持高压导电线路的通电状态。

(3)电路安全性较高。在设计上，粉末传输管路和喷枪外壳隔离高压电路系统与低压电路系统。从而降低两者之间潜在的安全风险。

(4)静电粉末喷枪出口流速分布均匀。首先，当第一旋转体处于竖直向上喷涂状态时，基座内粉末输送管道、喷枪主体内粉末输送管道，与第一旋转体内粉末输送管道的非弯头结构，处于平行状态。在这种状态下，两个弯头结构各自所导致的流速不均匀可以相互抵消。其次，无论第一旋转体处于竖直向上喷涂状态还是水平喷涂状态。第一弯头出口处的管道内的整流器，均可以消除第一旋转体内粉末输送管道的弯头结构所造成的涡流，使得喷嘴处粉末涂料流出速度分布均匀。

(5)粉末涂料可以在粉末输送管道内雾化更加充分。第二弯头、第一弯头以及整流器，增加了粉末涂料在管道内的碰撞概率，从而使粉末涂料在撞击中充分散开，起到良好的雾化效果。

附图说明

以下将结合附图和优选实施例来对本发明进行进一步详细描述，但是本领域技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的简略示意图，并且因此不应当作为对本发明范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅示意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。

图1为本发明的左视基准面结构示意图。

图2为本发明的右视基准面分解结构示意图。

图3为本发明在汽车车轮背腔竖直向上喷涂的剖面示意图。

图4为本发明在汽车车轮背腔水平喷涂沟槽结构的剖面示意图。

图5为传统静电粉末喷枪在汽车车轮背腔喷涂的剖面示意图。

图6为整流器等轴测放大示意图。

其中，附图标记具体说明如下：1、第一旋转体；1-1、第一旋转体外壳；1-2、第一旋转体内粉末输送管道；1-3、第一旋转体内高压导电线路；1-4、第一旋转体高压导电环；1-5、电晕针；1-6、扇形喷嘴；1-7、整流器安装点位；2、第二旋转体；2-1、第二旋转体外壳；2-2：第二旋转体内粉末输送管道；2-3、第二旋转体内高压导电线路；2-4、第二旋转体高压导电环；2-5、第一传动齿轮组；2-6、第一电机；3、基座；3-1、基座外壳；3-2、基座内粉末输送管道；3-3、基座内高压导电线路；3-4、第二传动齿轮组；3-5、第二电机；4、喷枪主体；4-1、喷枪主体外壳；4-2、喷枪主体内粉末输送管道；4-3、喷枪主体内高压导电线路；4-4、倍压块；4-5、步进电机电源信号线路，为第一电机和第二电机提供动力和控制信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作详细的说明，但所述内容不构成对本发明的限制。

图1和图2本发明所述双自由度静电粉末喷枪的具体实施方案，包括第一旋转体1、第二旋转体2、基座3和喷枪主体4。

如图1所示,第一旋转体1连接于在第二旋转体2的顶部右侧。第一旋转体外壳1-1末端设置套筒，第一旋转体1通过该套筒与第二旋转体内粉末输送管道2-2以轴承来连接，并可在平行于前视基准面(该平面为图2所示平面)的平面上自由旋转。

如图3所示，第二旋转体2连接于在基座上，第二旋转体底腔右侧底部设置套筒，套筒可插入基座顶腔右侧，第二旋转体2通过该套筒与基座内粉末输送管道3-2以轴承来连接。第二旋转体可在平行于上视基准面(该平面可由图1与图2推到得出)的平面上自由旋转，其旋转中心与基座内粉末传输管路3-2的圆心重合。如图2所示，基座3固定于喷枪主体4的顶端，不可旋转。

对于第一旋转体1，如图3分解结构示意图所示，第一旋转体外壳1-1内，包含第一旋转体内粉末输送管道1-2、第一旋转体内高压导电线路1-3、第一旋转体高压导电环1-4、电晕针1-5、扇形喷嘴1-6。第一旋转体外壳1-1内部腔室可分为顶腔和底腔。

对于第二旋转体2，如图3分解结构示意图所示，第二旋转体外壳2-1内，包含第二旋转体内粉末输送管道2-2、第二旋转体内高压导电线路2-3、第二旋转体高压导电环2-4、第一传动齿轮组2-5、第一电机2-6。第二旋转体外壳2-1内部腔室可分为顶腔和底腔。

对于基座3，如图3分解结构示意图所示，其基座外壳3-1内，包含基座内粉末输送管道3-2，基座内高压导电线路3-3、第一传动齿轮组2-5、第一电机2-6。

对于喷枪主体4，如图3分解结构示意图所示，喷枪主体外壳4-1内，包含喷枪主体内粉末输送管道4-2、高压导电线路4-3、倍压块4-4、步进电机电源和信号线路4-5。

本发明粉末输送管道由第一旋转体内粉末输送管道1-2、第二旋转体内粉末输送管道2-2、粉末输送管道3-2和喷枪主体内粉末输送管道4-2构成。第一旋转体内粉末输送管道1-2内部设置整流器，整流器位于点位1-7，整流器构造如图6所示。在第一旋转体内粉末输送管道1-2内，整流器的格栅结构的圆筒与粉末管道同轴。

本实例的第二旋转体2旋转所需动力，来自第二电机3-5。第二电机3-5的旋转轴带动第二传动齿轮组3-4旋转。第二旋转体外壳2-1底部的套筒表面设置齿轮，将动力转递至外壳2-1的套筒，从而带动第二旋转体2旋转。

本实例的第一旋转体1旋转所需动力，来自第一电机2-6。第一电机2-6的旋转轴带动第一齿轮组2-5旋转。第一旋转体外壳1-1底部的套筒表面设置齿轮，将动力转递至外壳1-1的套筒，从而带动第一旋转体1旋转。

本实例所包含的第一电机2-6和第二电机3-5，均为步进电机。如图3所示，步进电机的电源和信号线路4-5，密封于喷枪内部，第一电机2-6、第二电机3-5及其线路均位于第二旋转体内粉末输送管道2-2、基座内粉末输送管道3-2和喷枪主体内粉末输送管道4-2的左侧。

本发明内置高压电路，由倍压块4-4、高压导电线路、高压导电圆环和电晕针1-5组成。高压导电线路由第一旋转体内高压导电线路1-3、第二旋转体内高压导电线路2-3、基座内高压导电线路3-3和喷枪主体内高压导电线路4-3组成。高压导电环1-4位于第一旋转体外壳1-1内部。高压导电环2-4位于第二旋转体外壳2-1的套筒结构内。高压导电环2-4的内圆柱面于与外圆柱面均被外壳2-1包裹，与第二旋转体2的底腔物理隔离。如图三所示，第二旋转体内高压导电线路2-3位于第二旋转体内粉末输送管道2-2右侧，第二旋转体内高压导电线路2-3位于粉末输送管道3-2右侧。喷枪主体内高压导电线路4-3和倍压块4-4位于粉末输送管道4-2右侧。

本实例的电机及其线路与倍压块及其线路，分别位于粉末输送管一侧。粉末输送管道和相应的外壳部分，物理地隔绝高压线路与低压线路。

下面结合附图、实施例以及应用例，对本发明作详细的说明，但所述内容不构成对本发明的限制。

图4和图5中，实施例A1为图1、图2和图3所示的双自由度喷枪

以汽车车轮为施工对现象，本发明的实施例A1的应用效果如下：(1)如图4所示，当喷涂汽车车轮背腔时，实施例A1的第一旋转体1可旋转至近水平状态，使扇形喷嘴正对背腔沟槽结构进行喷涂；(2)如图5所示，当喷涂汽车车轮背腔，实施例A1的第一旋转体1可旋转至竖直状态，使扇形喷嘴正对车轮轮辐背部喷涂。

图6中，喷枪B1为传统静电粉末喷枪。通过对比图4、图5和图6，不难得出，本发明的实施A1，可以比喷枪B1，更好地针对沟槽结构进行喷涂。

以下表格，对比了喷枪B1和实施例A1在喷涂车轮背腔时，沟槽结构的粉末涂层膜厚覆盖,样品为2个相同的汽车车轮车轮，五组数据分别：

从上述表格中，不难得出，本发明对应的实例A1可以使车轮背腔沟槽结构的粉末涂料覆盖更加均匀，从而减少粉末涂料用量。

Claims (8)

1.一种具有双自由度的静电粉末喷枪，其特征在于：包括第一旋转体(1)、第二旋转体(2)、基座(3)和喷枪主体(4)，第一旋转体(1)、第二旋转体(2)和基座(3)，构成本发明的双自由度旋转机构，第一旋转体包含有喷嘴(1-6)，第一旋转体(1)以轴承连接于第二旋转体(2)侧部，可在竖直平面上自由旋转至固定角度，第二旋转体(2)以轴承连接于基座(3)顶部，可在水平平面上自由旋转至固定角度。

2.根据权利要求1所述的一种具有双自由度的静电粉末喷枪，其特征在于：第一旋转体内粉末输送管道(1-2)和第二旋转体内粉末输送管道(2-2)，分别具有一个弯头，两个弯头弯曲角度相等，且弯曲角度大于等于九十度，基座内粉末输送管道(3-2)、喷枪主体内粉末输送管道(4-2)、第二旋转体内粉末输送管道(2-2)弯头结构以下部分、第一旋转体内粉末输送管道(1-2)弯头结构以上部分，均为竖直管道，第一旋转体内粉末输送管道(1-2)末端装有电晕针(1-5)和扇形喷嘴(1-7)。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有双自由度的静电粉末喷枪，其特征在于：在第二旋转体(2)和基座(3)内分别内置步进电机，第二旋转体(2)内的第一电机(2-6)位于两个弯头的粉末管路正下方，基座(3)内的第二电机(3-5)的初始位置位于第一电机(2-6)正下方。

4.根据权利要求1所述的一种具有双自由度的静电粉末喷枪，其特征在于：第二旋转体内高压导电线路(2-3)与基座内高压导电线路(3-3)之间，设置有第二旋转体高压导电环(2-4)，基座内高压导电线路(3-3)相对第二旋转体高压导电环(2-4)旋转时，与第二旋转体高压导电环(2-4)保持通电，第一旋转体内高压导电线路(1-3)与第二旋转体内高压导电线路(2-3)之间，设置有第一旋转体高压导电环(1-4)，第二旋转体内高压导电线路(2-3)相对第一旋转体高压导电环(1-4)旋转时，与第一旋转体高压导电环(1-4)保持通电，第一旋转体高压导电环(1-4)位于第一旋转体外壳(1-1)内，第二旋转体高压导电环(2-4)位于第二旋转体外壳(2-1)内。

5.根据权利要求1所述的一种具有双自由度的静电粉末喷枪，其特征在于：第一旋转体外壳(1-1)、第二旋转体外壳(2-1)、基座外壳(3-1)和喷枪主体外壳(4-1)依次连接，组成本发明的喷枪外壳。

6.根据权利要求2所述的一种具有双自由度的静电粉末喷枪，其特征在于：第一旋转体内粉末输送管道(1-2)内置整流器，整流器构造为多层圆筒状格栅结构，其安装点位为弯头流体出口处，安装姿态为圆筒状格栅机构与第一旋转体内粉末输送管道(1-2)同轴。

7.根据权利要求3所述的一种具有双自由度的静电粉末喷枪，其特征在于：电源及信号线(4-5)紧贴喷枪主体内粉末输送管道(4-2)、基座内粉末输送管道(3-2)和第二旋转体内粉末输送管道(2-2)布置。

8.根据权利要求1所述的一种具有双自由度的静电粉末喷枪，其特征在于：第一电机(2-6)、第二电机(3-5)和电源及信号线(4-5)组成喷枪的低压系统，电晕针(1-5)、第二旋转体内高压导电线路(2-3)、基座内高压导电线路(3-3)、喷枪主体内高压导电线路(4-3)、第一旋转体高压导电环(1-4)、第二旋转体高压导电环(2-4)、倍压块(4-4)组成喷枪的高压系统，被粉末传输系统和喷枪外壳隔离分开。

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