筒形貯箱自動(dòng)噴涂設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

王春，孫陸陸，林盛

(大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116028)

摘要：針對(duì)目前筒形貯箱人工手動(dòng)噴涂效率低、噴涂不均，油氣揮發(fā)對(duì)人體造成傷害等問題，提出了一種筒形貯箱自動(dòng)噴涂解決方案，研究設(shè)計(jì)了筒形自動(dòng)噴涂設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)。采用滾輪架結(jié)構(gòu)及齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了筒形貯箱的支撐與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了噴槍水平方向與豎直方向的運(yùn)動(dòng)，采用雙同步帶直線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了噴槍徑向運(yùn)動(dòng)，采用RV減速機(jī)器實(shí)現(xiàn)噴槍回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本機(jī)械結(jié)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，滿足了筒形貯箱的筒段及前后箱底的自動(dòng)噴涂工藝要求。

關(guān)鍵詞:筒形貯箱自動(dòng)噴涂設(shè)備雙同步帶直線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王春(1963-), 男, 遼寧人，教授，主要從事數(shù)控技術(shù)與裝備自動(dòng)化方面的研究。

收稿日期：2015-01-23

Design and research of cylindrical tank automatic spraying device

WANG Chun，SUN LuLu，LIN Sheng

Abstract:To resolve problems arising in cylindrical tank’s manually spraying, such as low efficiency, uneven coating and harm to humans caused by volatile oil and gas, a cylindrical tank automatic spraying solution is proposed, and the mechanical structure of the automatic spraying equipment is researched and designed. Both roller stands structure and gear drive are adopted to achieve smooth rotary motion of the designated cylindrical tank. Rack and pinion drive structure is used in the spraying gun’s horizontal and vertical movement. Dual belt driven linear structure is used to move the spraying gun in radial direction with benefits of increasing the spray stroke and reducing equipment space. RV reducer is used to rotate spraying gun. The structure has such merits as smooth motion, fast speed, high precision to meet automatic spraying requirements at the barrel section and the front and rear bottom of the cylindrical tank.

Keywords:cylindrical tank; automatic spraying equipment; dual belt driven linear structure

0引言

筒形貯箱是石油、化工、航天業(yè)常見的一種儲(chǔ)存設(shè)備，筒形貯箱使用期長(zhǎng)，必須進(jìn)行必要的科學(xué)防腐措施才能滿足在不同工作環(huán)境中的耐腐蝕、耐高溫、防銹等特殊要求。涂料噴涂是貯箱設(shè)備常見的有效防腐措施。國(guó)外噴涂行業(yè)，常采用柔性仿形自動(dòng)噴涂機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)噴涂[1]，噴涂機(jī)器人是一種靈活性好、噴涂效率高、編程容易，操作靈活方便的智能自動(dòng)噴涂設(shè)備，但成本較高。國(guó)內(nèi)筒形貯箱的噴涂技術(shù)相對(duì)單一，洞庫(kù)大型油罐的除銹、噴漆等一直采用傳統(tǒng)依靠腳手架的人工作業(yè)方式,不僅效率和質(zhì)量低下,而且工作環(huán)境惡劣,嚴(yán)重威脅著施工人員的身心健康[2]。目前表面噴涂設(shè)備主要有水平往復(fù)自動(dòng)噴涂機(jī)、垂直往復(fù)自動(dòng)噴涂機(jī)、旋轉(zhuǎn)噴涂機(jī)、多軸頂噴機(jī)和噴涂機(jī)器人等[3-6]。各種噴涂機(jī)也因工件表面的多樣性和復(fù)雜性使得噴涂機(jī)使用受限。本文在吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)噴涂機(jī)器人及噴涂工藝技術(shù)基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)重2.4 t，直徑3 350 mm，長(zhǎng)12 000 mm的大型筒形貯箱自動(dòng)噴涂設(shè)備，實(shí)現(xiàn)貯箱筒段、前后箱底三部分的一體式自動(dòng)噴涂。

1筒形貯箱自動(dòng)噴涂的工藝設(shè)計(jì)

貯箱筒段部分采用螺旋式噴涂工藝。噴槍沿箱體軸向運(yùn)動(dòng)，且與筒段水平軸線成一定角度 ，防止噴涂時(shí)噴料滴落，同時(shí)貯箱做周向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，噴涂路徑為螺旋曲線，如圖1所示。貯箱筒段前、后兩個(gè)端頭位置通過補(bǔ)噴達(dá)到厚度要求。

圖1　貯箱筒段自動(dòng)噴涂工藝路徑

貯箱前、后箱底部分采用等距線自動(dòng)噴涂工藝。貯箱自動(dòng)回轉(zhuǎn)，噴槍定位在等距線上，并保持噴槍與箱底曲面垂直，一圈等距線噴涂完成后，噴槍移動(dòng)到下一個(gè)等距線上，依次類推，直到箱體底部曲面噴涂完成，自動(dòng)噴涂路徑如圖2所示。

圖2　貯箱前、后箱底自動(dòng)噴涂工藝路徑

貯箱筒段及前后底自動(dòng)噴涂工藝參數(shù)如下：

1)噴槍運(yùn)動(dòng)速度：200 mm/min～1 050 mm/min；

2)貯箱周向回轉(zhuǎn)速度：2 rpm～7 rpm；

3)噴槍行程：X軸14 000 mm、Y軸2 200 mm、Z軸1 000 mm、C軸90；

4)噴槍與受噴面間距：300 mm～500 mm；

5)噴槍方向與貯箱表面垂直。

根據(jù)筒段、前后底箱的自動(dòng)噴涂工藝，需要實(shí)現(xiàn)貯箱繞A軸的回轉(zhuǎn),以及噴槍水平方向(X軸)、豎直(Z軸)方向、徑向(Y軸)方向的運(yùn)動(dòng)，為了保證噴槍與貯箱表面垂直，需要實(shí)現(xiàn)噴槍繞C軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2筒形貯箱自動(dòng)噴涂設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1運(yùn)送車與支撐回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

筒形貯箱噴涂過程需要在一個(gè)可視的封閉空間進(jìn)行，這樣可以有效的阻止噴漆過程中有害顆粒物的揮發(fā)。但由于筒形貯箱體積和重量較大，噴涂前需在噴涂車間外較大的空間范圍內(nèi)將貯箱吊裝放置在運(yùn)送車上，然后通過運(yùn)送車將筒形貯箱送入噴涂車間進(jìn)行噴涂。為使貯箱平穩(wěn)送到噴涂車間的噴涂位置，將運(yùn)送車設(shè)計(jì)成軌道運(yùn)行小車，小車底部安裝有軌道車輪，車身采用角鋼桁架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定好，抗彎強(qiáng)度高，能夠避免小車運(yùn)送過程中貯箱發(fā)生偏移扭轉(zhuǎn)。

圖3　運(yùn)送車與支撐回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

滾輪架主要用于回轉(zhuǎn)體工件的裝配與環(huán)、縱縫的焊接,它是通過滾輪對(duì)工件的支撐并借助工件與滾輪之間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)筒形工件支撐旋轉(zhuǎn)[7-9]。為了承受貯箱較大的重力載荷，支承回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)采用可調(diào)式滾輪架結(jié)構(gòu)。貯箱兩端各設(shè)兩對(duì)支承輪，每對(duì)支撐輪架均可繞其支承軸回轉(zhuǎn)一定角度，兩對(duì)支撐輪之間的距離可通過絲杠調(diào)整，以滿足不同規(guī)格貯箱要求。為了克服貯箱所受的軸向力，防止貯箱發(fā)生軸向竄動(dòng)影響噴涂精度，滾輪采用帶有凹槽的結(jié)構(gòu)以防止貯箱軸向竄動(dòng)。運(yùn)送車與支撐回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖3所示。

噴涂時(shí)貯箱回轉(zhuǎn)速度較低，而且驅(qū)動(dòng)貯箱回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩比較大，因此通過擺線針輪減速器帶動(dòng)一對(duì)齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)貯箱噴涂時(shí)的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的噴涂要求。擺線針輪減速器的傳動(dòng)比為i=1∶43。小齒輪安裝在減速器的輸出軸上，大齒輪通過螺栓連接固定在貯箱的連接法蘭上，齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為i=1∶8。齒輪模數(shù)為m=25，大齒輪齒數(shù)為Z1=152，小齒輪齒數(shù)為Z2=19。根據(jù)貯箱折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，以及電機(jī)轉(zhuǎn)速，貯箱回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇3.5 kW的HC-SF353B三菱伺服電機(jī)。

2.2筒形貯箱噴涂運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖4　噴涂運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

噴槍的水平、豎直、徑向噴涂運(yùn)動(dòng)通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性模組實(shí)現(xiàn)，具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、精度高、噪音低等特點(diǎn)。根據(jù)噴涂工藝要求，噴涂機(jī)構(gòu)需具有噴槍沿Y軸伸縮、X軸左右、Z軸上下移動(dòng)，以及噴槍繞C軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)貯箱全方位自動(dòng)噴涂。噴槍沿Y軸伸縮運(yùn)動(dòng)用來調(diào)整噴槍與受噴面之間的距離，Z軸上下移動(dòng)用來調(diào)整噴涂高度，繞C軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來保持噴槍與貯箱受噴表面垂直，沿X軸水平移動(dòng)用來完成貯箱筒段部分的噴涂，并與Y、C軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)貯箱前后底部的噴涂。噴涂運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(1)X、Z軸直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

X、Z軸運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條嚙合傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴槍在水平方向與豎直方向的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，具有速度可調(diào)，加速平穩(wěn)，定位精確等特點(diǎn)。其中X方向選用德國(guó)BAHR公司生產(chǎn)的ALLZQ203齒輪齒條直線定位系統(tǒng)，全長(zhǎng)為15 000 mm分三節(jié)連接而成，每節(jié)長(zhǎng)度5 000 mm，齒條類型為8e27，齒輪齒條模數(shù)為m=3，齒輪每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為f=197.92 mm/rev，定位精度±0.02 mm，X軸的有效行程為14 000 mm。Z方向采用BAHR公司的ELZA80s齒輪齒條直線運(yùn)動(dòng)單元，為了保證豎直方向的剛度，在齒輪齒條運(yùn)動(dòng)單元旁并聯(lián)一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)單元。Z軸齒條類型為c45，齒輪模數(shù)為m=2，齒輪每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為f=358 mm/rev，定位精度為±0.02 mm，Z軸的有效行程為1 000 mm，X、Z驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)為三菱HC-RF103。Z軸滑塊帶有凹孔，與X軸滑塊上轉(zhuǎn)接板的凸銷連接定位，并通過T型螺栓將X軸單元與Z軸單元固定在一起。

(2)Y軸直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖5　雙同步帶直線驅(qū)動(dòng)原理圖

在Z軸直線驅(qū)動(dòng)單元末端的凸銷與Y軸轉(zhuǎn)接板的凹孔連接定位，并通過螺栓將其固定。Y軸屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，Y軸直線驅(qū)動(dòng)單元會(huì)因長(zhǎng)度過長(zhǎng)而造成較大撓度變形，嚴(yán)重影響噴涂精度。因此Y軸采用BAHR公司的ELZT80雙同步帶直線運(yùn)動(dòng)單元[7]，該結(jié)構(gòu)不僅具有傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、能承受有粉塵的惡劣條件等優(yōu)點(diǎn)，而且解決了機(jī)械臂尺寸受限的問題，節(jié)省了噴涂空間。為了保證Y軸直線驅(qū)動(dòng)在工作中的剛度，采用雙同步帶直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并聯(lián)一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)單元以增大其剛度。雙同步帶工作原理如圖5所示，兩個(gè)滑塊上下安裝，由兩條獨(dú)立的同步帶驅(qū)動(dòng)，同步帶1直接與安裝電機(jī)的滑塊耦合在一起，同步帶2上部與上滑塊連接，下部與下滑塊連接。當(dāng)伺服電機(jī)工作時(shí)，同步帶1運(yùn)轉(zhuǎn)，A端在移動(dòng)的同時(shí)B端同向移動(dòng)，當(dāng)A端相對(duì)于固定座移動(dòng)行程m時(shí)，B端相對(duì)固定座移動(dòng)了2 m。

ELZT80雙同步帶直線驅(qū)動(dòng)單元齒形帶類型：8m30，齒輪每轉(zhuǎn)進(jìn)給量 ，定位精度為±0.02 mm，有效行程為2 175 mm，通過計(jì)算得，Y軸在極限最長(zhǎng)位置的撓度變形：f=0.012 4 mm，Y軸驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)選用HC-RF103。

(3)C軸回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

通過定位銷及螺栓連接將連接法蘭固定裝配在Y軸直線驅(qū)動(dòng)單元末端的噴槍支架上，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的RV25減速器與連接法蘭固定裝配。C軸的噴槍夾持部件與RV25減速器輸出軸相連，當(dāng)伺服電機(jī)工作時(shí)，通過連續(xù)定位實(shí)現(xiàn)噴槍與貯箱端面的垂直噴涂，噴槍回轉(zhuǎn)角度為±90°。噴槍夾持部件通用，可適應(yīng)聚脲噴槍、聚氨酯泡沫塑料噴槍及普通噴槍的固定要求，伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用HC-UFS23。

筒狀貯箱在噴涂泡沫后其表面可能會(huì)變得不平整，因此需對(duì)筒狀貯箱表面進(jìn)行打磨處理。Y軸直線驅(qū)動(dòng)單元B端還可以安裝打磨裝置。

3結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的筒形貯箱自動(dòng)噴涂結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了噴槍水平、豎直、徑向方向運(yùn)動(dòng)及噴槍的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有速度可調(diào)，加速平穩(wěn)，定位精確等特點(diǎn)，滿足了筒形貯箱的筒段及前后箱底的自動(dòng)噴涂工藝要求。軌道運(yùn)行小車、可調(diào)式滾輪架結(jié)構(gòu)配合齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了筒狀貯箱的運(yùn)輸、支撐與平穩(wěn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。齒輪齒條線性模組結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了噴槍在水平、豎直及徑向方向的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，雙同步帶直線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大節(jié)省了噴涂空間。采用線性模組結(jié)構(gòu)的噴涂裝置設(shè)計(jì)方案周期短、成本低。

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孫陸陸, 男, 碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。