發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)葉片表面拋丸清理工藝與設(shè)備設(shè)計(jì)說(shuō)明書

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1、1 前言1.1 汽輪機(jī)葉片拋丸的背景和意義電力工業(yè)是現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)工業(yè)之一，它的發(fā)展直接影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。目前，汽輪發(fā)電機(jī)組為人類提供了 75%左右的能源，所以汽輪機(jī)安全可靠性和高效率持久運(yùn)行至關(guān)重要。而汽輪機(jī)的心臟葉片，直接關(guān)系到整個(gè)汽輪機(jī)和電廠的安全。葉片是幾何形狀復(fù)雜的多曲面高精度的部件，在高溫、高壓的工作環(huán)境中受到高速旋轉(zhuǎn)的離心力、高壓蒸汽的彎曲力以及穩(wěn)定狀態(tài)和瞬變的熱應(yīng)力作用。美國(guó)電廠汽輪機(jī)強(qiáng)迫停運(yùn)率的 70%與葉片的損害有關(guān)，葉片事故引起的損失常占全部損失的的一半。因此，提高汽輪機(jī)葉片（圖 1.1）安全性對(duì)于滿足不斷增長(zhǎng)的電力需求，適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不容忽視。課題設(shè)計(jì)了專用機(jī)器人

2、拋丸機(jī)對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行拋丸清理和強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)表面壓應(yīng)力的提高，從而提高使用壽命。圖 1.1 等截面直葉片目前，汽輪機(jī)葉片生產(chǎn)方式主要以半精鍛或精鍛。葉片鍛件的表面質(zhì)量、內(nèi)部組織、線性分布都要求十分嚴(yán)格，尤其作為汽輪機(jī)葉片的工作部分葉身，一般為自由空間曲面，根據(jù)空氣力學(xué)原理設(shè)計(jì)，表面光潔程度流暢，力學(xué)性能要求高。這需要最佳的鍛造工藝（圖 1.2） ，如加熱保護(hù)、拋丸工藝、溫度控制等，工藝必須嚴(yán)格、合理。坯料在預(yù)鍛前，應(yīng)采用干噴丸/拋丸清除表面氧化皮及明顯的缺陷。精鍛后需要粗拋丸進(jìn)行表面清理。檢查后進(jìn)行拋丸強(qiáng)化，在表面產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，形成細(xì)化晶粒組織，改善坯料的表面疲勞強(qiáng)度，為合格的汽輪機(jī)葉片鍛件

3、進(jìn)行下一步的拋光，精銑提高保證。圖 1.2 葉片的精鍛流程圖為此，基于汽輪機(jī)葉片拋丸工藝的重要性，本文設(shè)計(jì)了機(jī)器人夾持汽輪機(jī)葉片進(jìn)行自動(dòng)拋丸清理和強(qiáng)化的拋丸機(jī)。1.2 國(guó)內(nèi)外拋噴丸技術(shù)的發(fā)展1.2.1 國(guó)內(nèi)拋噴丸等表面處理工藝發(fā)展在國(guó)內(nèi)，普遍運(yùn)用以下進(jìn)行表面處理：噴砂/丸處理表面，采用壓縮空氣為動(dòng)力，以形成高速噴射束擊打進(jìn)行表面磨削和拋光，噴砂/ 丸速度 4055m/s，噴丸量 4560kg/min,噴砂量 30kg/min。一般人工進(jìn)行操控，勞動(dòng)強(qiáng)度大，精度質(zhì)量一致性差，噪音大，加工效率低，磨料及粉塵對(duì)人體有損害，同時(shí)噴嘴易損壞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化加工。主要針對(duì)于單件小批量表面復(fù)雜的小型

4、工件和工件內(nèi)腔。化學(xué)進(jìn)行表面處理，運(yùn)用酸性或堿性溶液與工件表面的氧化物及油污發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其溶解在酸性或堿性的溶液中，以達(dá)到除去葉片表面的氧化物和油污目的?；瘜W(xué)反應(yīng)適應(yīng)于葉片薄型件的處理，但時(shí)間控制不當(dāng)，易出現(xiàn)過(guò)腐現(xiàn)象，同時(shí)成本高，處理后化學(xué)排放工作難度大，若處理不當(dāng)，易對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，在國(guó)外已經(jīng)被禁止使用。拋丸進(jìn)行表面處理，拋丸器運(yùn)用離心力將鋼丸加速到一定速度，離心輪葉片直徑一般為 300400mm，轉(zhuǎn)數(shù)為 15003000r/min，將高速鋼丸流 (5060m/s)拋射至工件進(jìn)行表面清理，以除去工件表面的粘砂、氧化皮和小的飛邊毛刺，得到一定的粗糙度，通過(guò)伺服電機(jī)提高拋丸速度（8010

5、0m/s ）進(jìn)行拋打，使汽輪機(jī)葉片形成壓應(yīng)力及產(chǎn)生形變強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化進(jìn)而改變表面機(jī)械性能提高工件使用壽命。拋丸靈活性差，在復(fù)雜的工件表面易產(chǎn)生清理不到的死角。目前，由于拋丸器的改進(jìn)，拋丸量不斷增加（大于 200kg/min，甚至達(dá)到 500-1200kg/min） ，拋射速度也提高到100 米/秒左右。拋丸進(jìn)行表面處理對(duì)工件打擊力大，表面清理和強(qiáng)化效果明顯，拋丸量大，效率高，針對(duì)大型鑄件和汽輪機(jī)葉片的工件均適用。1.2.2 國(guó)外拋丸技術(shù)的發(fā)展在國(guó)外，美國(guó)潘伯（pangborn ）公司在上世紀(jì) 70 年代在第五屆國(guó)際鑄造博覽會(huì)上就展示了 PK 型曲線葉片拋丸器，同時(shí)美國(guó) pangborn 公司早

6、在 80 年代后期開發(fā)研制的曲線葉片拋丸器，其鋼丸對(duì)葉片的壓應(yīng)力小，磨損少，提高了葉片的使用壽命，拋丸量已經(jīng)增到 280kg/min-390kg/min。目前中國(guó)大部分采用傳統(tǒng)的 Q305 直線葉片拋丸器 140kg/min。隨著機(jī)器人拋丸技術(shù)的成熟,成立于 1908 年的全球表面處理專家的維爾北萊特集團(tuán)設(shè)計(jì)的拋丸器，拋丸效率比同類品牌高出 10%15%，備件壽命延長(zhǎng)至少 25%。國(guó)內(nèi)和德國(guó)的一臺(tái)拋丸器壽命相差 12 年。1.3 拋丸機(jī)的介紹和發(fā)展隨著制造裝備的發(fā)展，拋丸機(jī)由最初的滾筒式，發(fā)展到履帶式、轉(zhuǎn)臺(tái)式、吊鏈?zhǔn)?、輥道通過(guò)式等類型。目前，水平移動(dòng)式拋丸機(jī)作為一種新興的表面清理工藝，已經(jīng)從零

7、件表面的處理拓展到了公路養(yǎng)護(hù)、船體除銹、機(jī)場(chǎng)跑道除膠等各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，機(jī)器人拋丸機(jī)清理系統(tǒng)在針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、大型曲軸等得到了大量的運(yùn)用。機(jī)器人拋丸機(jī)(圖 1.3)由美國(guó)(pangborn)潘邦公司推出，特別適用于灰鐵或鑄鋁發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋的表面拋丸清理，且能達(dá)到很好的表面清理效果。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的產(chǎn)圖 1.3 機(jī)器人拋丸機(jī)量可達(dá) 200 件/小時(shí)，多工位的設(shè)備產(chǎn)量可達(dá) 450 件/小時(shí)。該機(jī)器人式拋丸機(jī)帶有一特殊系統(tǒng)，能在一個(gè)或兩個(gè)軸向上旋轉(zhuǎn)工件，并將清理后殘留在工件內(nèi)腔里的丸料去除。德國(guó)羅斯勒設(shè)計(jì)的機(jī)器人拋丸機(jī)用于五缸發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋和四缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的全自動(dòng)拋丸加工處理線得到了汽車行業(yè)的廣泛運(yùn)用

8、。同時(shí)在九十年代初美國(guó)潘伯公司推出了拋丸器和噴丸器想結(jié)合的拋噴丸清理機(jī)，不僅發(fā)揮了拋丸法生產(chǎn)效率高和而且有效運(yùn)用了噴玩法靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。隨著社會(huì)科技的發(fā)展和對(duì)拋丸清理強(qiáng)化的要求，本課題根據(jù)汽輪機(jī)葉片的處理工藝。設(shè)計(jì)了機(jī)器人拋丸機(jī)對(duì)鍛造的葉片實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化的清理和強(qiáng)化。不僅對(duì)汽輪機(jī)葉片的加工有直接的推動(dòng)作用，并對(duì)汽輪機(jī)葉片的生產(chǎn)有示范作用。推動(dòng)了我國(guó)能源事業(yè)的發(fā)展，為我國(guó)的電力事業(yè)提供保障。同時(shí)迎合我國(guó)十二.五計(jì)劃的方針，大力推進(jìn)綠色能源的發(fā)展，走可持續(xù)發(fā)展道路。1.3 本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容和方案1.3.1 本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容本文針對(duì)汽輪機(jī)葉片表面強(qiáng)化清理工藝，對(duì)拋丸機(jī)和汽輪機(jī)葉片進(jìn)行大量研究，通過(guò)對(duì)目前

9、廣泛應(yīng)用的對(duì)金屬表面的清理、強(qiáng)化、硬化技術(shù)的分析、比較，確定了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)專用汽輪機(jī)葉片拋丸機(jī)（圖 1.4）和機(jī)器人柔性?shī)A持葉片系統(tǒng)(圖 1.5)。拋丸機(jī)由拋丸器、拋丸室、丸料的收集、分離和運(yùn)輸系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)組成。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)批量鍛造生產(chǎn)的汽輪機(jī)葉片進(jìn)行高效全方位的拋丸處理。拋丸器：設(shè)計(jì)拋丸器，讓一定粒度的彈丸流入進(jìn)丸管時(shí)（能控制彈丸的流量）便被加速帶入高速回轉(zhuǎn)的分丸輪中，在離心作用下，進(jìn)入定向套，經(jīng)過(guò)定向套窗口拋出，圖 1.4 汽輪機(jī)葉片拋丸機(jī)1.斗式提升機(jī) 2.螺旋輸送器 3.拋丸室 4.拋丸器 5.儲(chǔ)備室6.分離室 7.滾筒篩 8.除塵系統(tǒng) 9.排塵囪 10.風(fēng)機(jī)由高速回轉(zhuǎn)的葉片拾起

10、，并延著葉片長(zhǎng)度方向進(jìn)行不斷的加速運(yùn)動(dòng)直到拋出。拋丸器的定位方面綜合考慮拋丸強(qiáng)化工藝參數(shù)包括丸料的運(yùn)動(dòng)速度、流量，噴射角度、噴射時(shí)間以及噴嘴到葉片表面的距離，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)控制和檢驗(yàn)，拋丸的強(qiáng)度和表面覆蓋率。最終達(dá)到期望的滿覆蓋率拋丸讓葉片產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形。讓葉片表面產(chǎn)生一定厚度的晶粒細(xì)化層，并產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，明顯提高葉片的疲勞強(qiáng)度。丸料的收集、分離和運(yùn)輸系統(tǒng)：本系統(tǒng)包括分離器、斗式提升機(jī)、縱橫向螺旋輸送器、丸料補(bǔ)充裝置、輸丸機(jī)構(gòu)等單元部件。噴落的丸料通過(guò) V 字型接觸面滑落到達(dá)螺旋輸送器，目的是將丸料輸送到提升機(jī)底部料口內(nèi)。經(jīng)斗式提升機(jī)定量定速地到達(dá)風(fēng)選分離器中，運(yùn)用丸料的重力和慣性實(shí)現(xiàn)

11、分離，分離后儲(chǔ)備待用于循環(huán)拋丸，最終實(shí)現(xiàn)丸料的循環(huán)。除塵系統(tǒng)：選擇采用濾筒式除塵器或布袋式除塵器選用濾筒式除塵，除塵率達(dá)到 99.5%以上。機(jī)器人夾持葉片系統(tǒng)：根據(jù)生產(chǎn)線的技術(shù)要求，確定機(jī)器人的工位，機(jī)器人將實(shí)圖 1.5 機(jī)器人現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)葉片在工位的夾持。靈活快捷地將葉片移動(dòng)到拋丸室。同時(shí)機(jī)器人夾持系統(tǒng)將完成對(duì)葉片拋丸過(guò)程中的間歇式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的卸載。針對(duì)夾持汽輪機(jī)葉片的實(shí)際情況，進(jìn)行機(jī)械人的工作空間分析和選型。1.3.2 本課題設(shè)計(jì)的方案本課題的設(shè)計(jì)希望對(duì)精鍛的汽輪機(jī)葉片進(jìn)行智能的拋丸，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)葉片鍛造工藝中的清理和強(qiáng)化。金屬材料大部分是晶體材料，其組織性能和力學(xué)的性能不穩(wěn)定。

12、同時(shí)疲勞的裂紋萌生主要是晶體的滑移。設(shè)計(jì)思路可以通過(guò)滲碳、氮碳共滲、熱處理、及拋丸等表面強(qiáng)化工藝增加工件的抗疲勞強(qiáng)度。主要原理是為了讓金屬內(nèi)部的晶體強(qiáng)化、或讓晶體錯(cuò)位達(dá)到強(qiáng)化。首先，拋丸強(qiáng)化技術(shù)是一種有效的金屬表面清理和強(qiáng)化工藝，通過(guò)高速拋射鋼丸（60 米/秒）于零件的表面，鋼丸對(duì)零件表面的沖擊和切削作用，除去工件表面的粘砂、氧化皮和小的飛邊毛刺，使工件表面獲得一定的清潔度和良好的粗造度。提高拋丸速度（80 米/秒）使工件表面的外表面的外表和形狀發(fā)生變化產(chǎn)生一定壓應(yīng)力，形成晶粒細(xì)化組織，使工件的機(jī)械性能改變，微觀上零件表面形成殘余壓應(yīng)力和疲勞載荷的疊加是零件疲勞極限提高的主要原因。同時(shí)拋丸設(shè)備

13、效率高、污染小、拋丸量大、作用力大等顯著特點(diǎn)，所以拋丸在零件的工藝加工領(lǐng)域，得到日益深入的發(fā)展和應(yīng)用。在表面強(qiáng)化工藝手段選擇方面有噴丸、噴砂、拋丸。對(duì)于噴砂與拋丸來(lái)講，其中噴砂使用高壓風(fēng)或壓縮空氣作動(dòng)力，而拋丸一般為高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將鋼砂高速拋射出去，效率高，作用面積大，作用力大；而噴砂比較靈活，效率低，處理表面精細(xì)，容易控制精度，適用于形狀復(fù)雜的小型工件。拋丸比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用，容易控制效率和成本，可以控制丸料的粒度和速度來(lái)控制拋射效果,拋丸機(jī)葉片的壽命不長(zhǎng)，綜合考慮對(duì)于汽輪機(jī)葉片這類曲面高精度批量的部件，先放棄了使用噴砂對(duì)葉片進(jìn)行表面強(qiáng)化。而對(duì)于噴砂和噴丸來(lái)講，噴 丸 與 噴 砂 都 是 使 用

14、高 壓 風(fēng) 或 壓 縮 空 氣 作 動(dòng) 力 ,將其 高 速 的 吹 出 去 沖 擊 工 件 表 面 達(dá) 到 清 理 效 果 ,只 是 介 質(zhì) 不 同 ,造 成 效 果 不 同 。 雖設(shè) 備 結(jié) 構(gòu) 較 簡(jiǎn) 單 ， 整 機(jī) 投 資 少 ， 維 修 費(fèi) 用 低 ； 但 目 前 清 理 效 率 低 ， 操 作 人 員 多 ，勞 動(dòng) 強(qiáng) 度 大 ， 噴 嘴 易 損 壞 ， 所 以 放 棄 選 用 。本 課 題 選 用 機(jī) 器 人 夾 持 裝 置 ， 主 要 針 對(duì) 目 前 機(jī) 葉 片 人 工 噴 丸 /砂 ， 效 率 低 ，對(duì) 操 作 人 員 容 易 造 成 身 體 危 害 等 因 素 。 而且長(zhǎng)時(shí)間

15、的拋丸會(huì)造成的表面粗造度的增加，引起應(yīng)力的集中，造成疲勞極限的降低。機(jī)器人的夾持和卸載良好的控制了拋丸的時(shí)間。課 題 的 設(shè) 計(jì) 方 案 有 效 提 高 生 產(chǎn) 效 率 ， 只 要 調(diào) 度 得 當(dāng) ， 機(jī) 器 人 不 需 要中 間 休 息 ； 有 效 的 改 變 產(chǎn) 品 加 工 質(zhì) 量 ， 機(jī) 器 人 的 運(yùn) 動(dòng) 和 重 復(fù) 定 位 精 度 高 ， 工 作 穩(wěn)定 性 高 ， 使 同 一 批 次 的 產(chǎn) 品 互 換 性 高 。 對(duì) 于 汽 輪 機(jī) 這 種 進(jìn) 行 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 易 產(chǎn) 生 葉 片震 蕩 現(xiàn) 象 的 機(jī) 械 更 是 相 當(dāng) 重 要 ， 因 此 對(duì) 葉 片 的 精 確 處 理 更

16、應(yīng) 得 到 重 視 。 同 時(shí) 機(jī) 器人 夾 持 葉 片 進(jìn) 行 拋 丸 改 善 了 勞 動(dòng) 環(huán) 境 ， 不 需 要 人 來(lái) 從 事 工 作 環(huán) 境 差 ， 工 作 步 驟 單調(diào) 而 重 復(fù) 的 工 作 。本課題針對(duì)汽輪機(jī)在電力工業(yè)中的重要性，對(duì)汽輪機(jī)葉片這一核心部件表面處理進(jìn)行了優(yōu)化，希望在提高葉片拋丸處理效率的同時(shí)提高葉片拋丸的穩(wěn)定性、精確性。更深一步的提高葉片的使用的壽命和互換性。2 汽輪機(jī)葉片清理工藝汽輪機(jī)葉片大部分由鍛造成型，工藝要求嚴(yán)謹(jǐn)。加工的各個(gè)環(huán)節(jié)中，往往沾污上加工過(guò)程中的油污，如切削液、潤(rùn)滑油、淬火液、拋光膏、標(biāo)記油漆等，還有存放過(guò)程中產(chǎn)生的銹蝕和氧化皮，加工中形成的氧化膜或

17、毛刺等。如果不對(duì)這些表面污染物加以處理就進(jìn)行后期的涂層處理（如真空涂 TiN） 、鍍層處理（如鍍 Cr，Ni） 、離子注入形成表面合金層、物理氣相沉積等表面處理，則會(huì)造成表面的脫層，龜裂，斷層等現(xiàn)象。所以在毛胚鍛造前后我們必須對(duì)葉片進(jìn)行合理的清理工藝。2.1 化學(xué)清理化學(xué)清理表面，運(yùn)用酸性或堿性溶液與工件表面的氧化物及油污發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其溶解在酸性或堿性的溶液中，以達(dá)到除去葉片表面的氧化物和油污目的。但處理后微觀上檢查，工件的表面仍有微量的油脂膜層和極薄的自然氧化膜、碳化物膜等，這些微量膜都會(huì)影響保護(hù)層在工件上的附著力。生產(chǎn)實(shí)踐中，鋼板經(jīng)化學(xué)處理后進(jìn)行涂層，壽命只有 2-3 年，而噴丸處理后

18、進(jìn)行涂層壽命卻可以達(dá)到 10 年左右。另外，電化學(xué)清理或電解拋光是通過(guò)在合適的電解液中通直流電，達(dá)到清理不銹鋼表面的目的。電化學(xué)工藝與酸洗不同，酸洗會(huì)使表面粗糙，電化學(xué)工藝會(huì)將凹凸不平的表面“拋光” ，并消除許多種表面缺陷。汽輪機(jī)葉片薄而細(xì)，時(shí)間控制不當(dāng)，易出現(xiàn)過(guò)腐現(xiàn)象。更重要是化學(xué)處理造成環(huán)境污染，不迎合未來(lái)加工工藝的發(fā)展。2.2 噴砂/丸清理傳統(tǒng)噴砂/丸設(shè)備（圖 2.1）主要是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)磨料，形成高速噴射圖 2.1 噴砂設(shè)備束擊打進(jìn)行表面清理、磨削和拋光。噴砂/丸按磨料的運(yùn)動(dòng)方式，分吸入式、重力式和直接加壓式三種類型。氣動(dòng)噴砂/丸機(jī)靈活高，工作室內(nèi)噴嘴數(shù)目和安裝位置可以根據(jù)零件的形狀

19、和尺寸任意的調(diào)整。但消耗功率大，生產(chǎn)效率低，噴砂/丸速度 4055m/s，噴丸量 4560kg/min,噴砂量 30kg/min。同時(shí)部分丸粒破碎產(chǎn)生大量的粉塵，使操作環(huán)境惡劣，除此設(shè)備的占用空間大，不宜放在生產(chǎn)線上。目前，激光噴丸利用激光誘導(dǎo)離子產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊并不能達(dá)到表面清理的目的，但效率比傳統(tǒng)的噴丸技術(shù)還低，設(shè)備成本也貴；高壓水射流噴丸則是攜帶巨大能量的高壓水射流以某種特定的方式高速拋打到金屬工件上，使工件在表層在再結(jié)晶的狀態(tài)下產(chǎn)生塑形變形，呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu)；超聲高能噴丸技術(shù)則是將電震蕩技術(shù)轉(zhuǎn)化成高頻的機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行噴丸的處理。2.3 拋丸清理拋丸進(jìn)行表面清理，拋丸器運(yùn)用離心力將鋼

20、丸加速到一定速度，離心輪葉片直徑一般為 300400mm，轉(zhuǎn)數(shù)為 15003000r/min，將高速鋼丸流 (5060m/s)拋射至工件進(jìn)行表面清理，以除去工件表面的粘砂、氧化皮和小的飛邊毛刺，得到一定的粗糙度。同時(shí)通過(guò)伺服電機(jī)提高拋丸速度（80100m/s）進(jìn)行拋打，使汽輪機(jī)葉片形成壓應(yīng)力及產(chǎn)生形變強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化進(jìn)而改變表面機(jī)械性能。通常離心輪在工作室的位置是固定的，靠零件的運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)規(guī)定的表面進(jìn)行清理。拋丸機(jī)消耗功率低，生產(chǎn)效率高，拋丸清理和強(qiáng)化質(zhì)量穩(wěn)定。有調(diào)查顯示，通過(guò)拋丸強(qiáng)化，能使傳動(dòng)齒輪的壽命延長(zhǎng) 1500%，彈簧的抗疲勞強(qiáng)度壽命延長(zhǎng) 600%，曲軸的抗疲勞強(qiáng)度延長(zhǎng)900%。當(dāng)然相較于

21、拋丸清理，噴丸強(qiáng)化的工藝參數(shù)監(jiān)控更為嚴(yán)苛，就曲軸強(qiáng)化應(yīng)用，需要監(jiān)控的參數(shù)包括：噴丸強(qiáng)度、噴丸速度、丸粒直徑、噴丸的距離、覆蓋率和強(qiáng)化的時(shí)間。這些參數(shù)中任意一個(gè)的變化，都會(huì)不同程度地影響曲軸表面強(qiáng)化的效果。所以此設(shè)計(jì)的機(jī)器人拋丸機(jī)也是為了更好的控制參數(shù)。3 拋丸器的結(jié)構(gòu)及原理3.1 拋丸器的結(jié)構(gòu)及其主要零件3.1.1 拋丸器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述拋丸機(jī)的拋丸器（圖 3.1）主要由幾個(gè)重要部分組成：分丸輪，定向套，葉片，葉輪。分丸輪的前部與進(jìn)丸管相連，進(jìn)丸管的任務(wù)向分丸輪喂丸，周圍的襯板由耐磨的高鉻鑄鐵制成，有效防止高速運(yùn)動(dòng)彈丸沖擊和磨損外殼，同時(shí)降低一定的噪音，使結(jié)構(gòu)更緊湊。圖 3.1 拋丸器3.1.2 葉

22、片與葉輪的模型葉片的結(jié)構(gòu)如圖 3.2，大部分由高鉻鑄鐵鑄造成型，也有用特殊硬質(zhì)錳鋼的。葉片由形狀分（左）前曲葉片， （中）直葉片和（右）后曲葉片。所有葉片都采用帶燕尾鍵的底座來(lái)固定。 圖 3.2 拋丸器葉片葉片是曲線形，和直線形比較其優(yōu)點(diǎn)： 曲線葉片拋出的彈丸速度快。如圖 3 .3 所示,比較離心力 Va 、Vb 與切向力Vc 的合力, 顯然 Ve Vf ，所以,曲線形葉片比直線形葉片拋射速度快。也就是說(shuō),同樣的拋丸量需要的時(shí)間短。由于清理時(shí)間短,葉片的壽命就會(huì)延長(zhǎng)。圖 3.3 曲葉片與直葉片拋丸速度圖 曲線形葉片能均勻地清理工件表面。如圖 3.4 所示,實(shí)測(cè)了直線葉片和曲線葉片的磨損,曲線葉

23、片中央處的凹谷變淺,對(duì)整個(gè)工件能均勻地清理,提高清理質(zhì)量。圖 3.4 曲線葉片和直線葉片的磨損情況葉輪由兩圓盤鉚接成一體，構(gòu)成葉輪體，如圖 3.5。在葉輪上有 8 個(gè)葉輪槽,這八個(gè)葉輪槽的位置由葉片的結(jié)構(gòu)確定。對(duì)于前曲葉片和后曲葉片來(lái)講，必須保證葉片的工作表面曲線與葉輪的徑向相切；而直葉片，必須保證工作平面在葉輪直徑方向上即可。同時(shí)，葉片失效的不定時(shí)性，葉片平均壽命為 500 小時(shí)。為了方便安裝與拆卸，在葉片插入葉輪燕尾槽后，在葉片的底座底部與葉輪燕尾槽底部之間放一個(gè)彈簧，靠彈簧的擠壓力使兩個(gè)零件固定在一起。這樣的安裝既可以避免配合間隙造成工作的振動(dòng)，更能方便拆卸和安裝。圖 3.5 葉輪3.1

24、.3 分丸輪與定向套的模型分丸輪與定向套的模型如圖 3.6。圖 3.6 分丸輪和定向套分丸輪的作用是使彈丸提前加速分批通過(guò)定向套到達(dá)葉片進(jìn)行加速，在高速的作業(yè)時(shí)，其過(guò)程也受到彈丸與其內(nèi)壁的碰撞和磨損，采用高鉻鑄鐵鑄造而成。分丸輪和葉片是同步的旋轉(zhuǎn)保證了彈丸向葉片的無(wú)振動(dòng)傳遞，減小了對(duì)葉片的磨損。定向套是固定在拋丸機(jī)機(jī)殼上的零件，它的作用使在分丸輪內(nèi)初步被加速的丸料只能從定向套窗口飛出，除定向套窗口外的丸料被定向套內(nèi)部擋住外飛。同時(shí)分丸輪與彈丸之間的間隙應(yīng)為彈丸直徑的 3 倍-5 倍以上方能達(dá)到較好的耐磨性和較高的生產(chǎn)效率。圖 3.7 四丸輪和八窗口分丸輪分丸輪有窗口分四窗口分丸輪和八窗口分丸輪

25、（圖 3.7 窗口分） ；另外還有一種用于生產(chǎn)的是四棒分丸輪（圖 3.8）,實(shí)驗(yàn)效果更好，既增加了分丸輪內(nèi)腔的大小，又增加了分丸輪的耐磨性（每根直徑比其葉片的兩倍厚度還大） ，也通暢了丸料送入通道。圖 3.8 四棒分丸輪3.1.4 定向套的設(shè)計(jì)合理的定向套位置有利于拋丸的效率和避免部件的磨損。下面用公式法和作圖法闡述定向套的角度。公式計(jì)算法：原蘇聯(lián)學(xué)者阿克簘諾夫在教課書上及薩威林博士在噴彈硬化書中的工作，他們提出了在拋丸器設(shè)計(jì)中常用的公式如下：相對(duì)速度： 2owVr （1）牽連速度（拋丸器出口處是葉輪外徑的切向速度）： Veo （2）絕對(duì)速度：Vmax 2e =1.4Ve （3）實(shí)際上是拋出速

26、度方向與切向速度夾角 tan11.454，所以拋丸器的定向套窗口角等于 54 。角位移 02 （4）Auto-cad 作圖法（圖 3.9） :如圖 4 拋丸器中心線至工件表面距離為 600 mm，由 y 軸 54決定彈丸出口點(diǎn)“C” ，由此點(diǎn)作出垂直底邊的一垂直線當(dāng)作拋射帶起始邊C-D，利用（4）式： 02R （5）R 為計(jì)算點(diǎn)直徑,R0 為計(jì)算起始點(diǎn)。設(shè) R=3 0R就計(jì)算出圖 4 所示的Q033，Q034 ，Q035 標(biāo)準(zhǔn)拋丸器彈丸從定向套窗口由起始點(diǎn)（即葉輪內(nèi)徑或定向套外徑） 到葉輪出口的角位移皆為 114.59，自“C”點(diǎn)順時(shí)針?lè)较蛞?114.59作得到定向套窗口左邊一點(diǎn)“B”點(diǎn)。由“

27、B”點(diǎn)和彈丸拋出的“C”點(diǎn)這兩點(diǎn)，加上拋圖 3.9 作圖法：A,B 定向套窗口；C,D,E 是彈丸拋射區(qū)； A-C 和 B-F 彈丸軌跡射方向得彈丸在葉輪內(nèi)的軌跡曲線 B-C 和拋射帶起始邊“C-D ”線，選取“CD ”線上“D”點(diǎn)，作“600 ”斜線，在這斜線上選取長(zhǎng)度 “600 mm”終點(diǎn)“E”點(diǎn)，將“C-D” 線以分丸輪中心為基點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，使“C-D”線上“D”轉(zhuǎn)到“E ”點(diǎn)，便作成了“E-F” ，線自“F ”點(diǎn)順時(shí)針?lè)较蛞?114.59 作得到定向套窗口右邊一點(diǎn)“A ”點(diǎn)；由“A”點(diǎn)和彈丸拋出的“F”點(diǎn)這兩點(diǎn)，加上拋射方向（即 F-E 線所示方向）共三個(gè)參數(shù)可作得彈丸在葉輪內(nèi)的軌跡曲線 A

28、-F 點(diǎn)，由 Auto-cad 計(jì)算得 54.67 (54 )。所以證明定向套的窗口采用 54。3.2 拋丸器的原理彈丸由進(jìn)丸管進(jìn)入分丸輪的空腔中，在重力的作用下，彈丸自然落入分丸輪的各個(gè)槽中，由于分丸輪高速旋轉(zhuǎn)，使彈丸有一定的速度。彈丸進(jìn)過(guò)定向套的開口，落入葉片之上，接著讓葉片加速，最后拋打在工作表面。這是拋丸器的工作原理。拋丸器工作原理中定向套是固定的，分丸輪和葉片式是同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的，使彈丸無(wú)振動(dòng)送入葉片。4 機(jī)器人拋丸機(jī)的介紹及設(shè)計(jì)4.1 機(jī)器人拋丸機(jī)的介紹和工作原理機(jī)器人拋丸機(jī)（圖 4.1）主要由拋丸器、機(jī)器人、拋丸清理室、斗式提升機(jī)、螺旋輸送器、滾筒篩、分離器、除塵設(shè)備等部件組成。該汽輪

29、機(jī)葉片拋丸機(jī)是一種間歇1.機(jī)器人 2.輥道 3.拋丸清理室圖 4.1 機(jī)器人拋丸機(jī)1.斗式提升機(jī) 2.螺旋輸送器 3.拋丸清理室 4.拋丸器 5.儲(chǔ)丸室和分丸系統(tǒng)6.分離室 7.滾筒篩 8.除塵系統(tǒng) 9.排塵囪 10.風(fēng)機(jī)式作業(yè)的拋丸清理設(shè)備，機(jī)器人將葉片夾持后，伸入拋丸室旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行定時(shí)拋丸清理和強(qiáng)化。交錯(cuò)安裝的四臺(tái)拋丸器，將鋼丸高速拋射到汽輪機(jī)葉片的表面，實(shí)現(xiàn)100%的覆蓋率。丸料在低速拋出的情況下對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行清理工藝，通過(guò)伺服系統(tǒng)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下進(jìn)行汽輪機(jī)葉片的強(qiáng)化工藝。拋射到清理室的鋼丸，通過(guò)V 型槽滑落到螺旋輸送器上，丸料被批次輸送到斗式提升機(jī)的喂料口，提升后丸料混合物進(jìn)入螺旋

30、輸送器和滾筒篩，丸料進(jìn)入重力風(fēng)選區(qū)進(jìn)行分離，同時(shí)粉塵被風(fēng)機(jī)帶入布袋或?yàn)V筒式除塵器進(jìn)行收集，少量被風(fēng)機(jī)排出大氣。而大部分清潔丸料進(jìn)入儲(chǔ)丸室。最后鋼丸通過(guò)流量控制閥進(jìn)入拋丸器進(jìn)丸口，進(jìn)行重復(fù)循環(huán)。丸料流程見圖 4.2，粉塵循環(huán)如圖 4.3。圖 4.2 丸料循環(huán)圖 4.3 粉塵循環(huán)4.2 拋丸清理室的設(shè)計(jì)拋丸清理室（圖 4.4）由槽鋼、角鋼、鋼板焊接而成，殼體用薄型的高猛鋼板，護(hù)板用厚的高猛鋼板做成。為了防止高速運(yùn)動(dòng)的鋼丸磨損鋼板, 同時(shí)為了達(dá)到減少震動(dòng)和消減噪聲的效果，清理室頂面和側(cè)面均裝了 5mm 橡膠板。根據(jù)汽輪輪機(jī)葉片的長(zhǎng)度（目前國(guó)際最長(zhǎng)的葉輪機(jī)葉片是 1710mm,大部分長(zhǎng)葉片就 1000

31、mm）, 確定清理室長(zhǎng)度為 1400mm。拋丸器安裝在清理室頂部和兩側(cè)，由于拋射距離一般取 800mm-1500mm,同時(shí)由機(jī)器人的工作范圍共同決定了清理室的高度, 確定清理室中心到地面高度為 1300mm。最終清理室設(shè)計(jì)為以橫截面為內(nèi)切圓 800mm 的正六邊形。清理室左側(cè)上壁有除塵管道，良好的保持了清理室的能見度。清理室的門在后側(cè)，采用雙層橡膠密封，為了方便更換內(nèi)壁的橡膠和機(jī)器的維修。圖 4.4 清理室4.3 機(jī)器人拋丸機(jī)的主要規(guī)格和技術(shù)參數(shù) 清理室有效容積（長(zhǎng) X 寬 X 高）：140016001385mm 機(jī)器人最大持重：20kg 被處理汽輪機(jī)葉片的長(zhǎng)度范圍：小于 1200mm 機(jī)器人

32、腕部夾持葉片回轉(zhuǎn)速度：3.67rad/s 或 210/s 拋丸器：型號(hào) 拋丸器臺(tái)數(shù) 葉輪直徑 傳動(dòng)方式Q034Z15A 4 臺(tái) 380mm 直聯(lián) 不同工作狀態(tài)電機(jī)工作情況如上圖 4.4：A、B 電機(jī)可以通過(guò)伺服系統(tǒng)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)。工作狀態(tài) 工作機(jī)器 拋丸量 電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù) 電機(jī)功率清理葉片 A、B、C、D 160kg/min4 1400r/min 15kw強(qiáng)化葉片 A、B 320kg/min2 2500r/min 15kw 彈丸直徑：1.2mm-2.0mm 提升量：40T/h 螺旋輸送量:20T/h 分離器分丸量：40T/h 提升機(jī)功率 4kw 螺旋輸送機(jī)功率 2.2kw 電機(jī)的選擇：電動(dòng)機(jī)型號(hào) 額

33、定功率（kw）滿載轉(zhuǎn)速（r/min）質(zhì)量（kg）拋丸器 A、B 電機(jī) Y160M2-2 15 2930 125拋丸器 C、D 電機(jī) Y160L-4 15 1460 144螺旋輸送電機(jī) Y132S-8 2.2 710 63提升機(jī)電機(jī) Y160M1-8 4 720 118 除塵風(fēng)量：12000-13000m3/h 總功率：90kw 總機(jī)重量：13500kg生產(chǎn)中每天需要加料補(bǔ)充, 每次補(bǔ)充加料不超過(guò)總量的 10%, 并始終保持料斗內(nèi)的鋼丸是滿的。這樣保證鋼丸的級(jí)配基本不變, 也就保證了一定的清理效率, 并保證了汽輪機(jī)葉片清理和強(qiáng)化的質(zhì)量穩(wěn)定。若級(jí)配鋼丸的粒度向小的方向發(fā)展, 則縮短補(bǔ)充加料的周期，

34、反之，延長(zhǎng)加料周期?？傊３咒撏璧募?jí)數(shù)對(duì)于拋丸清理很重要。4.4 機(jī)器人拋丸機(jī)主要部件結(jié)構(gòu)和工作原理斗式提升機(jī)（圖 4.5）本拋丸機(jī)采用平皮帶斗式提升機(jī)，提升機(jī)的進(jìn)料口與下端螺旋輸送器相連，其中出料口與分離器相連，靠離心重力式落料，其中提升斗為鑄造成型。提升機(jī)圖 4.5 斗式提升機(jī)中有檢修門，供檢查、維修和安裝皮帶。下罩殼側(cè)門供更換提升斗用。為了保證工作時(shí)輸送膠帶與鋼丸之間的打滑，輪子用圓鋼焊制改成圖 4.6 (b)所示結(jié)構(gòu)。這樣, 鋼丸即使進(jìn)入輪子與膠帶之間, 也可以從圓鋼的縫隙中跑出, 膠帶不再跑偏。這樣既提高了提升膠帶與帶輪間的摩擦力，又避免了老式光皮帶輪圖 4.6(a)的打滑現(xiàn)象。既

35、降低了提升皮帶的預(yù)緊力，延長(zhǎng)了提升膠帶的使用壽命。同時(shí)提升機(jī)設(shè)有一套漲緊裝置。當(dāng)皮帶松弛時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)提升機(jī)上部?jī)蓚?cè)的調(diào)整螺栓，可以漲緊皮帶。圖 4.6 斗式提升機(jī)中沖動(dòng)輪的改進(jìn)(a)改進(jìn)前(b)改進(jìn)后螺旋輸送器 螺旋輸送器（圖 4.7）是一種丸料水平輸送設(shè)備，由擺線針輪減速器、螺旋軸、螺旋槽和軸座構(gòu)成。本課題運(yùn)用兩個(gè)螺旋輸送機(jī)，一個(gè)用于推動(dòng)槽內(nèi)丸料前移到滾筒篩中進(jìn)行篩分，一個(gè)用于輸送丸料到提升機(jī)底部料口。由于鋼丸為干燥粒狀物料，采用實(shí)體單頭等距螺旋，將厚度為 5mm 的鋼板下料成型焊在軸上。圖 4.7 螺旋輸送器分離室分離器（圖 4.8）是拋丸機(jī)的關(guān)鍵部件之一，因?yàn)楫?dāng)丸料倉(cāng)中鋼丸中含破碎鋼丸量

36、為 2時(shí)，拋丸器葉片的磨損速度比使用純鋼(或鐵)丸增加 5 倍一 1O 倍，降低其使用壽命，增加了維護(hù)成本。圖 4.8 分離器此分離器采用 2 級(jí)風(fēng)選丸料，具體分為一級(jí)大件初選，二級(jí)風(fēng)選、網(wǎng)格篩選。從斗式提升機(jī)流入的丸砂混合物，由輸送螺旋送至滾筒篩中。滾筒篩設(shè)有內(nèi)外螺旋片，工作時(shí)，內(nèi)螺旋片將大顆粒雜物運(yùn)送至分離器另一端的排渣口排出，送至廢料箱。如此便能分離出較大的異物，有利于設(shè)備安全運(yùn)行和提高強(qiáng)化效果。外螺旋片推動(dòng)丸砂混合物，使其沿分離器全長(zhǎng)均勻布料，形成如同瀑布一樣的鋼丸流。同時(shí)，除塵風(fēng)機(jī)通過(guò)分離器的風(fēng)口抽風(fēng)，利用重力風(fēng)選，將飛流下的彈丸和金屬氧化皮碎片、破碎彈丸、粉塵有效分離，大顆粒廢料從

37、分離器丸料溢流口流出，細(xì)小丸料、粉塵從廢料出口流出，鋼丸進(jìn)入丸料倉(cāng)進(jìn)行循環(huán)。調(diào)整分離器的垂直與水平調(diào)節(jié)擋板之間的縫口，可以改善布料層的高度及軌跡，配合調(diào)整分離區(qū)的調(diào)節(jié)擋板，可以獲得良好的分離效果，使分離效率可高達(dá) 99%。丸料螺旋的軸上裝有脈沖輪，可檢測(cè)跟蹤丸料螺旋的工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)堵塞不轉(zhuǎn)等故障時(shí)，馬上將信號(hào)反饋至 PLC，報(bào)警或逐步停車，以保證設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。輸丸系統(tǒng)由輸丸管和氣動(dòng)閥門組成。拋丸器的拋丸量大小由氣動(dòng)閥門控制，氣動(dòng)閥門的開關(guān)用氣缸驅(qū)動(dòng)，閥門開關(guān)的大小由調(diào)節(jié)盤來(lái)控制。除塵系統(tǒng)配置二級(jí)除塵，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理將較大顆粒預(yù)先分離作為一級(jí)凈化。第二級(jí)為布袋除塵器。除塵布袋采用工業(yè)滌

38、淪 208 絨布精密縫制而成，布袋可以方便地拆下進(jìn)行清洗再使用，布袋壽命一般為 23 年。除塵系統(tǒng)也可選用濾筒除塵器。5 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1 機(jī)器人系統(tǒng)的工作原理機(jī)器人系統(tǒng)（圖 5.1）由底座、腰部、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)、腕部和夾爪構(gòu)成。主要采用交流伺服電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)。工作原理（圖 5.2）夾持階段：工件進(jìn)入 1 號(hào)工位上料輥道后運(yùn)送入 2 號(hào)工位輥道，通過(guò)紅外感應(yīng)器進(jìn)行汽輪機(jī)葉片的識(shí)別，當(dāng)停止在 2 號(hào)工位輥道時(shí)，反饋消息給機(jī)器人，并控制機(jī)圖 5.1 機(jī)器人系統(tǒng)器人夾爪對(duì)汽輪機(jī)葉根進(jìn)行液壓式的夾持。最后通過(guò)固定程序?qū)⑵啓C(jī)葉片送入拋丸清理室。拋丸階段：葉片被送入拋

39、丸室中精準(zhǔn)定位后，腕部將在做 360的定時(shí)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)葉片的拋丸清理和強(qiáng)化作用。卸載階段：機(jī)器人取出葉片將葉片放入 3 號(hào)工位輥道，液壓彈簧將卡爪打開。最后回到初始位置。圖 5.2 工作原理5.2 機(jī)器手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.2.1 機(jī)器手的工作能力該機(jī)器手的特點(diǎn)是動(dòng)作靈活，工作范圍大，機(jī)構(gòu)緊湊，能輕松的抓取汽輪機(jī)的葉根，下面機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)：自由度數(shù)目：6 個(gè)坐標(biāo)形式：垂直關(guān)節(jié)型額定負(fù)荷質(zhì)量：20kg機(jī)器人的工作范圍如圖 5.3：圖 5.3 機(jī)器人的工作范圍機(jī)器人的各部位的工作轉(zhuǎn)數(shù)如表 5.1：回轉(zhuǎn)范圍（） 最大工作轉(zhuǎn)數(shù) rad/s腰部回轉(zhuǎn) 180 2.62大臂回轉(zhuǎn) 120 3.60小臂回轉(zhuǎn) 6

40、0 5.24腕部擺動(dòng) 90 5.24腕部回轉(zhuǎn) 180 7.33表 5.1 機(jī)器人各部件的工作轉(zhuǎn)數(shù)5.2.2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)目前，機(jī)器人在尺寸和形狀方面有很大的差別，但總結(jié)起來(lái)都由三個(gè)基本部件：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。而執(zhí)行機(jī)構(gòu)又主要由腰部，大臂，肘關(guān)節(jié)，小臂、腕部和終端的執(zhí)行器構(gòu)成。而控制系統(tǒng)主要給機(jī)器人提供一系列信號(hào)，反饋給傳感器等，以確定其運(yùn)動(dòng)軌跡。如下圖 5.4：圖 5.4 機(jī)器人的工作原理5.2.3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)設(shè)備的選擇機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)設(shè)備有以下四種：1直流伺服電機(jī)：較大啟動(dòng)力矩，良好的調(diào)速特性，功率相對(duì)較大，快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)偏大，成本高，需要外圍轉(zhuǎn)

41、換電路和危機(jī)配合實(shí)現(xiàn)數(shù)字的控制。使用直流伺服電機(jī)，還要考慮電刷放電對(duì)實(shí)際工作的影響。2.步進(jìn)式電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字控制，不需要反饋能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制，位置誤差不會(huì)累計(jì)，同時(shí)步進(jìn)式電機(jī)具有自鎖能力（變磁阻式）和保持轉(zhuǎn)矩（永磁式）的能力，能進(jìn)行良好的定位。但由于其功率偏小，體積大空間分辨能力低，使用于傳動(dòng)功率低的中小型機(jī)器人。3.液壓伺服馬達(dá)：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位精度高，有較大的功率和體積比，負(fù)載能力大，能抓取重負(fù)載不會(huì)滑移。從體積、功率和重量來(lái)講都不失為一種合適的選擇方案。但圖 5.5（左）直流伺服電機(jī)和（右）液壓伺服馬達(dá)費(fèi)用較高，液壓系統(tǒng)造成的漏油現(xiàn)象，維修不便。4

42、.交流伺服電機(jī)：體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，價(jià)格比直流伺服電機(jī)便宜，但高于步進(jìn)式。采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三環(huán)（位置、速度、電流）全數(shù)字控制，增量式反饋可以達(dá)到很高的定位精度。同時(shí)能實(shí)現(xiàn)很高的功率和響應(yīng)速度。圖 5.6 交流伺服電機(jī)本課題中機(jī)器人的額定負(fù)載較小，體積和重量均較小，綜合分析后，決定采用混合步進(jìn)式電機(jī)和交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。腰部，大臂，小臂要求動(dòng)態(tài)性、傳動(dòng)功率較大，采用交流伺服電機(jī)，腕部采用混合步進(jìn)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)。5.3 機(jī)器人的工作軌跡路線和時(shí)間安排一個(gè)良好的機(jī)器人工作軌跡路線既可以節(jié)省運(yùn)料時(shí)間，又可以減小機(jī)器人的工作空間。如下，機(jī)器人在初始位置（圖 5.

43、7）得到 2 號(hào)輥道紅外線反饋的信號(hào)成功抓取汽輪機(jī)葉片葉根。預(yù)設(shè)的 PLC 控制系統(tǒng)首先開始控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)加持葉片送入拋丸室的過(guò)程： 圖 5.7A.旋轉(zhuǎn)大臂，將葉片抬起脫離輥道（圖 5.8） 。圖 5.8B.大臂保持不動(dòng)，小臂逆時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn) 90 度的同時(shí)，腕關(guān)節(jié)微量的旋轉(zhuǎn)來(lái)保持葉片的水平高度不變(圖 5.9)。圖 5.9C.旋轉(zhuǎn)大臂和肘關(guān)節(jié)來(lái)調(diào)整葉片的水平高度,使葉片對(duì)準(zhǔn)清理室中央（圖 5.10） 。圖 5.10D.擺動(dòng)大臂的同時(shí),旋轉(zhuǎn)肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，在保持葉片水平高度不變的同時(shí)將葉片送入拋丸室（圖 5.11） 。圖 5.11E.拋丸清理和強(qiáng)化后，機(jī)器人將完成葉片的卸載（圖 5.12） ，擺

44、動(dòng)大臂，同時(shí)控制好肘關(guān)節(jié)，順利地將葉片從拋丸清理室中水平取出。接著逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)小臂 90 度，在保持葉片水平的情況下將葉片放在輥道 3 上，最后機(jī)械抓松開，恢復(fù)到初始位置。圖 5.12根據(jù)上面機(jī)器人的走位，我們對(duì)作業(yè)時(shí)間進(jìn)行了控制。工作周期控制在 11 分鐘左右。如圖表 5.1：作業(yè)編號(hào) A B C D 清理 強(qiáng)化 E 總時(shí)間作業(yè)時(shí)間/s 1 5 3 2 600 55 10 675表 5.15.4 機(jī)器人夾爪的結(jié)構(gòu)和工作原理機(jī)器人夾爪有平行夾爪，擺動(dòng)夾爪，旋轉(zhuǎn)夾爪和三點(diǎn)夾爪。本課題針對(duì)汽輪機(jī)葉根四四方方的結(jié)構(gòu)，選擇了平行夾爪。四種夾爪如圖 5.13圖 5.13平行夾爪，擺動(dòng)夾爪。旋轉(zhuǎn)夾爪三點(diǎn)夾爪

45、所示平行夾爪通過(guò)兩個(gè)活塞動(dòng)作的。每一活塞由一個(gè)滾輪和一個(gè)雙曲柄與氣動(dòng)手指相連，形成一個(gè)特殊的驅(qū)動(dòng)單元。這樣，氣動(dòng)夾爪總是軸向?qū)π囊苿?dòng)，每個(gè)手指是不能單獨(dú)移動(dòng)的。如是手指反向移動(dòng)，則先前受壓的活塞處于排氣狀態(tài)，而另一個(gè)活塞處于受壓狀態(tài)。所示擺動(dòng)夾爪的活塞桿上有一個(gè)環(huán)槽，由于手指耳軸與環(huán)形槽相連，因而夾爪可同時(shí)移動(dòng)且自動(dòng)對(duì)中，并確保抓取力矩終恒定。所示旋轉(zhuǎn)夾爪的動(dòng)作是按照齒條的嚙合原理工作的。活塞與一根可上下移動(dòng)的軸固定在一起。軸的未端有三個(gè)環(huán)開槽，這些槽與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的嚙合。因而，氣動(dòng)手指可同時(shí)移動(dòng)并自動(dòng)對(duì)中，齒輪齒條原理確保了抓取力度始終恒定。所示三點(diǎn)夾爪的活塞上有一個(gè)環(huán)形槽，每一個(gè)曲柄與一個(gè)氣

46、動(dòng)手指相連，活塞運(yùn)動(dòng)能驅(qū)動(dòng)三個(gè)曲柄動(dòng)作，因而可控制三個(gè)手指同時(shí)打開和合攏。本課題設(shè)計(jì)了較簡(jiǎn)易的液壓夾爪裝置圖 5.14，液壓推動(dòng)推桿時(shí)連桿將被推動(dòng)讓夾爪張開，推桿收縮讓夾爪合攏。最終完成汽輪機(jī)葉片的抓取和卸載。圖 5.146 結(jié) 論本文對(duì)精鍛后的汽輪機(jī)葉片表面拋丸清理工藝進(jìn)行了改進(jìn)和裝備的設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)用機(jī)器人在機(jī)械加工中的通用性和靈活性。設(shè)計(jì)了針對(duì)汽輪機(jī)葉片的機(jī)器人拋丸機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉片的全自動(dòng)拋丸清理和強(qiáng)化工藝。本論文主要完成的工作如下：(1) 拋丸清理在鍛造和鑄造行業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。本論文從汽輪機(jī)葉片鍛造過(guò)程中拋丸工藝為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)拋丸清理和強(qiáng)化工藝進(jìn)行了研究分析。特別針對(duì)生產(chǎn)出的葉片實(shí)現(xiàn)

47、低速拋丸（50m/s-60m/s）處理，去除了汽輪機(jī)葉片表面的粘砂、氧化皮，和毛刺；接著通過(guò)伺服電機(jī)改變拋丸速度（80m/s-100m/s）后,進(jìn)行了強(qiáng)化處理，使汽輪機(jī)葉片形成壓應(yīng)力及產(chǎn)生形變強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化進(jìn)而改變表面機(jī)械性能提高汽輪機(jī)葉片的使用壽命。(2) 在通過(guò)大量的查閱拋丸機(jī)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展的狀況、工作原理和結(jié)構(gòu)。從節(jié)省成本和空間占有率高等因素的為出發(fā)點(diǎn)，獨(dú)立自主設(shè)計(jì)了拋丸清理室的尺寸和形狀，確定了拋丸器數(shù)目和其它技術(shù)參數(shù)。(3) 本課題為更大程度的實(shí)現(xiàn)高效利率和機(jī)械自動(dòng)化，設(shè)計(jì)了機(jī)器人對(duì)葉片進(jìn)行了夾持。用 Solidworks 設(shè)計(jì)了機(jī)器人，并基于拋丸清理室大小設(shè)計(jì)了合理的機(jī)器人尺寸。實(shí)現(xiàn)

48、了機(jī)器人和拋丸機(jī)的結(jié)合。最后用 Animator 插件對(duì)機(jī)器人抓取汽輪機(jī)葉片，夾持葉片進(jìn)入拋丸室，卸載葉片進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，檢查了運(yùn)動(dòng)干涉。在論文總結(jié)之際，針對(duì)本文的研究的欠缺，提出了幾點(diǎn)進(jìn)一步研究的設(shè)想和建議：(1) 葉片拋丸加工方面：目前，半自動(dòng)化拋丸勞動(dòng)效率低，且精度難以保證。同時(shí)沒(méi)精準(zhǔn)的確定不同材料工件在不同的拋丸時(shí)間、拋丸速度、丸料級(jí)數(shù)的影響，因?yàn)檫^(guò)度拋丸同樣會(huì)造成對(duì)工件的損害。同時(shí)如何實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)線的有機(jī)結(jié)合，控制生產(chǎn)節(jié)奏，都是我們需要研究的發(fā)展趨勢(shì)。( 2 ) 拋丸仿真加工方面：隨著拋丸機(jī)的的運(yùn)用逐步廣泛，在實(shí)踐前，需要我們對(duì)其進(jìn)行更精確的仿真。例如：拋丸機(jī)工作時(shí)噪音很大，我們可以

49、進(jìn)行仿真研究，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)的來(lái)源，共振的的傳遞，如何消弱振動(dòng)帶來(lái)的噪音。目前，我國(guó)重視綠色能源，更重視綠色能源的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，走可持續(xù)發(fā)展，所以機(jī)器人拋丸機(jī)也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。參 考 文 獻(xiàn)1 婁偉.噴砂除銹機(jī)器人D.青島:青島理工大學(xué)，2004.2 張志健.拋丸件表象疲勞極限及噴丸工藝優(yōu)化研究D.秦皇島:燕山大學(xué),2003.3 楊清林.鑄造表面粗造度研究D.杭州：浙江大學(xué)，2003.4 彭志.汽輪機(jī)葉片精鍛工藝 CAD 與成形過(guò)程數(shù)值模擬D.秦皇島:燕山大學(xué),2002.5 謝建峰.50MW 汽輪機(jī)葉片斷裂失效分析和技術(shù)改造D.南京:東南大學(xué),2004.6 王希濤.大型油罐噴砂/噴漆機(jī)器人的研究D

50、.青島:山東理工大學(xué),2006.7 馮川.機(jī)器人噴釉系統(tǒng)的研究和應(yīng)用D.北京:清華大學(xué),2004.8 武俊平.汽輪機(jī)葉片動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集及分析的實(shí)驗(yàn)研究D.北京:華北電力大學(xué),2004.9 賀錫鵬.噴丸處理對(duì)鎂及鎂合金腐蝕磨損性能的影響D.西安:西安建筑科技大學(xué),2005.10 王艷平.新型高壓水磨料射流除磷系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)D.武漢:華中科技大學(xué),2004.11 鄭明忠.拋噴丸清理室臺(tái)車改進(jìn)D.蘭州:蘭州理工大學(xué),2006.12 莊偉.水力噴砂射孔理論與實(shí)驗(yàn)研究D.青島:中國(guó)石油大學(xué),2008.13 呂志利.油管內(nèi)外噴砂流場(chǎng)特性及噴砂參數(shù)優(yōu)化研究D.黑龍江:大慶石油學(xué)院,2010.14 陳亮.高壓

51、水射流扇形噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)仿真分析D.蘭州:蘭州理工大學(xué),2010.15 王麗.基于有限元法的陶瓷噴砂嘴沖蝕磨損機(jī)理原理D.濟(jì)南:山東輕工業(yè)學(xué)院,2007.16 范薇.水力噴砂壓裂工具關(guān)鍵部位的仿真研究D.西安:西安石油大學(xué),2010.17 侯永振.精密磨料氣射流拋光技術(shù)研究D.濟(jì)南:山東大學(xué),2009.18 張利欣，尹德秀，張利.機(jī)械手拋丸機(jī)在鑄件清理中的應(yīng)用與改進(jìn)J.鑄造設(shè)備與工藝,2010,2:8-10.19 李辛根，何家文.噴丸處理提高 TP304H 耐熱鋼鍋爐管抗蒸汽氧化性能應(yīng)用效果的觀察J.中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)學(xué)報(bào),2003,23(3):171-174.20 邵永軍等.一種大型高效砂丸分

52、離器的研制J.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2003(1):51-53.21 催永瑞.幾種國(guó)外連續(xù)拋丸清理機(jī)J.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2003(2):50-51.22 周熙熙.磨料噴射加工機(jī)理及其應(yīng)用研究D.汕頭.汕頭大學(xué),2000.23 牛繼磊等.水力噴砂射孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究J.石油鉆探技術(shù),2003,31(2):14-1624 王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析M.北京：清華大學(xué)出版社，2004.25 王從曾.材料性能學(xué)M.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2002.26 王章忠.機(jī)械工程材料M.北京.機(jī)械工業(yè)出版社,2007.27 汪慶華,李福援等.磨料水射流噴頭的研究J.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2004,24(2):127-

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