CN112657721B - 一种涂层在线滚压装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涂层在线滚压装置及其控制方法，属于热喷涂技术领域。将热喷涂工艺与滚压工艺复合，对所制备的高温涂层进行在线滚压，同时，双滚压刀对称布置在喷枪两侧，且运动轨迹与喷枪同步，避免了滚压刀与喷枪的干涉，在线滚压装置包括：夹具、滚珠丝杆模组、双滚压单元、喷枪和机器人机械臂。它能避免二次装夹，实现了单道涂层在喷枪单行程内的两次滚压，提升生产效率与滚压质量。

Description

一种涂层在线滚压装置及其控制方法

技术领域

本发明属于热喷涂技术领域，具体涉及一种涂层在线滚压装置及其控制方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

热喷涂是一种增材制造技术，热源直接作用于喷涂粉末，具有对基体的热影响小、热应力损伤小、熔滴沉积速度快、制备效率高等优点，可用于制备表面功能涂层或实现尺寸恢复，尤其适用于板材表面喷涂。但相比于激光熔覆，热喷涂因热输入小，存在结合强度低、孔隙率高等问题，经过滚压处理，可以提升涂层结合强度、降低孔隙率。

发明人发现，板材类表面涂层热喷涂与滚压工艺相互独立，工艺间长时间间隔导致涂层冷却，流动性降低、滚压效果降低，零部件的二次装夹导致生产效率低。同时，滚压与喷涂装置的路径同步控制与干涉问题有待解决。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种涂层在线滚压装置及其控制方法，复合热喷涂工艺和滚压工艺，对板材表面所制备的高温涂层进行在线滚压，能避免二次装夹，滚压质量高、生产效率高，同时，双滚压刀对称布置在喷枪两侧，且运动轨迹与喷枪同步，避免了滚压刀与喷枪的干涉，实现了单道涂层在喷枪单行程内的两次滚压，进一步提升滚压效率与滚压质量。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种涂层在线滚压装置，包括：夹具、滚珠丝杆模组、双滚压单元、喷枪和机器人机械臂；所述夹具的上部与机器人机械臂相连，所述夹具的中部设置有喷枪，所述夹具的下部设置有滚珠丝杆模组；所述滚珠丝杆模组包括：一个纵向滚珠丝杆模块和两个横向滚珠丝杆模块，两个横向滚珠丝杆模块分别与纵向滚珠丝杆模块连接；所述双滚压单元包括：两个滚压刀，所述两个横向移动模块分别与两个滚压刀相连。

现有的在线滚压装置一般采用单滚压头，喷枪固定在滚压装置上，为保证喷枪在前滚压装置在后，当喷涂往复路径时，喷枪需要频繁换向，喷涂稳定性受影响。本发明采用双滚压头设计，滚压头和喷枪都固定在夹具上，且滚压头对称布置在喷枪两侧，喷枪无需换向。

同时，现有的在线滚压装置常通过滚珠丝杆模块与连杆机构共同控制喷枪与喷涂表面距离、喷枪与滚压头之间距离。本发明中喷枪与喷涂表面距离由机械臂控制，喷枪与滚压头之间距离由一纵两横的滚珠丝杆模组中的两个横向模块控制，滚压头与板材的间距由一纵两横的滚珠丝杆模组中的纵向模块控制，一纵两横的滚珠丝杆模组结构简单、控制精准，且结构对称，使喷涂机器人受力更为均匀；工作时，由于双滚压单元和喷枪、机器人机械臂相对静止，提升了滚压工艺的稳定性，涂层滚压效率与滚压质量高。

本发明的第二个方面，提供了一种上述的涂层在线滚压装置的控制方法，包括：

调整机器人机械臂，使喷枪与板材表面距离至预定值；

调整滚珠丝杆模组横向移动模块至预定值，使滚压刀对称分布在喷枪两侧；

调整滚珠丝杆模组纵向移动模块，使滚压刀与板材表面接触；

打开机器人轨迹控制程序，进入示教模式，进行编程并进行轨迹预演，确认无误后，保存程序并进入连续运行模式；

启动双滚压单元；

启动热喷涂设备；

送粉稳定后，运行轨迹控制程序，机器人动作，携带喷枪和双滚压单元进行喷涂和在线滚压；

喷涂与滚压结束，关闭设备。

目前，利用滚压工艺提升热喷涂涂层的结合强度、降低孔隙率应用广泛，但滚压工艺与热喷涂工艺相互独立，工艺间长时间间隔导致涂层冷却，流动性降低、滚压效果降低，零部件的二次装夹导致生产效率低。而本发明研究发现：通过复合热喷涂工艺与滚压工艺，实现高温涂层的在线滚压，避免了二次装夹，滚压质量高、生产效率高。通过滚珠丝杆调整喷枪和双滚压单元的相对位置，解决了路径同步控制和装置间干涉问题，实现了单道涂层的两次在线滚压，进一步提升涂层滚压效率与滚压质量。双滚压单元对称布置在喷枪两侧，使喷涂机器人受力均匀、平衡，提升了滚压工艺的稳定性。

本发明的第三个方面，提供了任一上述的涂层在线滚压装置在板材制造中的应用。

由于本发明对涂层滚压效率与滚压质量高，因此，有望在板材制造中得到广泛的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出的一种涂层在线滚压装置及其控制方法，滚压装置随着喷枪移动，对板材表面的高温涂层进行在线滚压，实现热喷涂与滚压工艺的复合，克服了独立工艺效率低及工艺间长时间间隔导致的涂层冷却与流动性降低问题，滚压质量高、生产效率高；

(2)本发明对称布置的双滚压单元，使喷涂机器人受力均匀、平衡，提升了滚压工艺的稳定性，同时，双滚压单元实现了单道涂层的两次在线滚压，进一步提升涂层滚压效率与滚压质量。

(3)本发明双滚压单元位于喷枪两侧，工作时与喷枪、机器人机械臂相对静止，实现了喷涂与滚压路径同步控制，也避免了装置间的干涉。

(4)本发明的装置操作方便、实用性强，易于推广。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明涂层在线滚压装置示意图；

图2为本发明夹具示意图；

图3为本发明夹具本体示意图；

图4为本发明滚珠丝杆模组示意图；

图5为本发明喷枪与滚压刀移动路径示意图；

图6为本发明固定块一示意图；

图7为本发明固定块二示意图；

其中，1夹具、2滚珠丝杆模组、3双滚压单元、4喷枪、5机器人机械臂、6固定块一、7夹具本体、8固定块二、9固定块三、10横向滚珠丝杆模块一、11纵向滚珠丝杆模块、12横向滚珠丝杆模块二、13固定块四、14固定块五、15滚压刀一、16滚压刀二。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件需要具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

本发明提供了一种涂层在线滚压装置及其控制方法，涂层在线滚压装置包括：夹具、滚珠丝杆模组、双滚压单元、喷枪和机器人机械臂，如图1所示；所述夹具，通过螺栓连接，上部连接机器人机械臂，中部连接喷枪，下部连接滚珠丝杆模组；所述滚珠丝杆模组，包含一个纵向滚珠丝杆模块和两个横向滚珠丝杆模块，横向滚珠丝杆模块利用螺栓通过固定块与纵向滚珠丝杆模块连接；所述滚珠丝杆模组，纵向滚珠丝杆模块由独立电机控制，用于调整双滚压单元的滚压刀与板材间的距离；所述滚珠丝杆模组，两个横向滚珠丝杆模块由独立电机控制，用于调整双滚压单元与喷枪间的距离；所述双滚压单元，通过螺栓与横向滚珠丝杆模块上的固定块连接；所述双滚压单元，滚压刀为端面滚压刀，单个滚压刀上有多个滚子；所述双滚压单元，两组滚压刀相同，滚压过程中旋转速度相同；所述双滚压单元和喷枪，工作时与喷枪、机器人机械臂相对静止，利用机器人轨迹控制程序编程，控制机器人机械臂的移动路径，从而控制双滚压单元与喷枪的移动路径，喷枪轨迹呈S形；所述喷枪，是热喷涂设备的末端执行机构，通过螺栓与夹具上的固定块连接；所述机器人机械臂，是机器人的末端执行机构，用于带动喷枪与双滚压单元移动。

一种涂层在线滚压装置的使用方法包括以下步骤：

调整机器人机械臂，使喷枪与板材表面距离至预定值；

调整滚珠丝杆模组横向移动模块至预定值，使滚压刀对称分布在喷枪两侧；

调整滚珠丝杆模组纵向移动模块，使滚压刀与板材表面接触；

打开机器人轨迹控制程序，进入示教模式，进行编程并进行轨迹预演，确认无误后，保存程序并进入连续运行模式；

启动双滚压单元；

启动热喷涂设备；

送粉稳定后，运行轨迹控制程序，机器人动作，携带喷枪和双滚压单元进行喷涂和在线滚压；

喷涂与滚压结束，关闭设备。

正如背景技术所介绍的，热喷涂涂层的热喷涂与滚压工艺相互独立，生产效率低、滚压质量降低，针对上述问题，本发明提出了一种涂层在线滚压装置及其控制方法，通过热喷涂工艺与滚压工艺复合，实现高温涂层的在线滚压，避免了二次装夹，生产效率和滚压质量高。通过装置调整喷枪和双滚压单元的相对位置，解决了路径同步控制和装置间干涉问题，实现了单道涂层的两次在线滚压，进一步提升涂层滚压效率和滚压质量。双滚压单元对称布置在喷枪两侧，使喷枪及喷涂机器人受力均匀、平衡，提升了滚压工艺的稳定性。

在一些实施方式中，所述热喷涂涂层，可以是利用超音速喷涂技术、等离子喷涂技术或电弧喷涂技术等其中的一种技术制备的涂层；

在一些实施方式中，所述夹具，通过螺栓连接，上部连接机器人机械臂，中部连接喷枪，下部连接滚珠丝杆模组，如图1和图2所示；

在一些实施方式中，所述滚珠丝杆模组，包含一个纵向滚珠丝杆模块和两个横向滚珠丝杆模块，横向滚珠丝杆模块利用螺栓通过固定块与纵向滚珠丝杆模块连接；

在一些实施方式中，所述滚珠丝杆模组，纵向滚珠丝杆模块由独立电机控制，用于调整双滚压单元的滚压刀与板材间的距离；

在一些实施方式中，所述滚珠丝杆模组，两个横向滚珠丝杆模块由独立电机控制，用于调整双滚压单元与喷枪间的距离；

在一些实施方式中，所述双滚压单元，通过螺栓与横向滚珠丝杆模块上的固定块连接；

在一些实施方式中，所述双滚压单元，滚压刀为端面滚压刀，单个滚压刀上有多个滚子，滚子数量可以是3、4、5或更多；

在一些实施方式中，所述双滚压单元，两组滚压刀相同，滚压过程中旋转速度相同；

在一些实施方式中，所述双滚压单元和喷枪，工作时与喷枪、机器人机械臂相对静止，利用机器人轨迹控制程序编程，控制机器人机械臂的移动路径，从而控制双滚压单元与喷枪的移动路径，喷枪轨迹呈S形；

在一些实施方式中，所述喷枪，是热喷涂设备的末端执行机构，通过螺栓与夹具上的固定块连接；

在一些实施方式中，所述机器人机械臂，是机器人的末端执行机构，用于带动喷枪与双滚压单元移动。

在一些实施例中，所述夹具本体为矩形板，其上开设有多组安装孔。

在一些实施例中，所述固定块一为矩形块，其上表面和侧面分别设置有多个安装孔，并通过侧面的安装孔与夹具上部相连。

在一些实施例中，所述固定块三为工形块，其上下表面分别设置有安装孔。

一种涂层在线滚压装置的使用方法包括以下步骤：

调整机器人机械臂，使喷枪与板材表面距离至预定值；

调整滚珠丝杆模组横向移动模块至预定值，使滚压刀对称分布在喷枪两侧；

调整滚珠丝杆模组纵向移动模块，使滚压刀与板材表面接触；

打开机器人轨迹控制程序，进入示教模式，进行编程并进行轨迹预演，确认无误后，保存程序并进入连续运行模式；

启动双滚压单元；

启动热喷涂设备；

送粉稳定后，运行轨迹控制程序，机器人动作，携带喷枪和双滚压单元进行喷涂和在线滚压；

喷涂与滚压结束，关闭设备。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

实施例1：

以方形板材表面涂层在线滚压为例，涂层在线滚压装置包括：夹具1、滚珠丝杆模组2、双滚压单元3、喷枪4和机器人机械臂5，用于热喷涂涂层在线滚压，如图1所示。

在本实施方式中，所述热喷涂涂层，是利用超音速喷涂技术制备的NiCr-Cr₃C₂金属陶瓷涂层，涂层喷涂6-10层，单层厚度40-60μm；

在本实施方式中，所述夹具1，通过螺栓连接，上部连接机器人机械臂5，中部连接喷枪4，下部连接滚珠丝杆模组2，如图2、图3、图6和图7所示；

在本实施方式中，所述滚珠丝杆模组2，包含一个纵向滚珠丝杆模块11和两个横向滚珠丝杆模块10和12，横向滚珠丝杆模块10和12利用螺栓通过固定块五14与纵向滚珠丝杆模块11连接，如图4所示；

在本实施方式中，所述滚珠丝杆模组2，纵向滚珠丝杆模块11由独立电机控制，纵向行程范围为100mm，用于调整双滚压单元的滚压刀15和16与板材间的距离；

在本实施方式中，所述滚珠丝杆模组2，两个横向滚珠丝杆模块10和12由独立电机控制，横向行程范围均为50mm，用于调整双滚压单元3与喷枪4间的距离至预定值，使b₀a₀＝b₀c₀＝150mm，即双滚压单元3对称布置在喷枪4两侧；

在本实施方式中，所述双滚压单元3，通过固定块三9和固定块四13与横向滚珠丝杆模块10和12连接；

在本实施方式中，所述双滚压单元3，滚压刀15和16为端面滚压刀，单个滚压刀上有3个滚子；

在本实施方式中，所述双滚压单元3，两组滚压刀15和16相同，滚压过程中旋转速度相同，以滚压刀外缘计算，转速为35-45m/min；

在本实施方式中，所述双滚压单元3和喷枪4，工作时与喷枪4、机器人机械臂5相对静止，利用机器人轨迹控制程序编程，控制机器人机械臂5的移动路径，从而控制双滚压单元3与喷枪4的移动路径，喷枪4轨迹呈S形；

在本实施方式中，根据喷涂工艺参数确定单道喷涂中喷枪4的移动距离b₀b₀’和单道偏置量Δs，将喷涂起点b₀、喷枪4移动距离b₀b₀’＝600mm、喷枪4移动速度v₀＝2m/min、单道偏移量Δs＝4mm、循环次数160输入喷涂机器人控制程序，生成喷枪4的S形喷涂路径，喷枪4移动路径为b₀-b₀’-b₁’-b₁-b₂-b₂’-b₃’-b₃-……b_i-b_i’-b_i+1’-b_i+1……-b_n-b_n’,滚压刀一15移动路径为c₀-a₀’-a₁’-c₁-c₂-a₂’-a₃’-c₃-……c_i-a_i’-a_i+1’-c_i+1……-c_n-a_n’,滚压刀二16移动路径为a₀-c₀’-c₁’-a₁-a₂-c₂’-c₃’-a₃-……a_i-c_i’-c_i+1’-a_i+1……-a_n-c_n’，如图5所示。

在本实施方式中，所述喷枪4，是热喷涂设备的末端执行机构，通过固定块二8与夹具1连接；

在本实施方式中，所述机器人机械臂5，是机器人的末端执行机构，用于带动喷枪4与双滚压单元3移动。

一种涂层在线滚压装置的使用方法包括以下步骤：

调整机器人机械臂5，使喷枪4与板材表面距离至预定值120mm；

调整滚珠丝杆模组2横向移动模块10，使滚压刀15、16对称分布在喷枪4两侧，滚压刀15、16与喷枪4间距150mm；

调整滚珠丝杆模组2纵向移动模块11，使滚压刀15、16与板材表面接触；

打开机器人轨迹控制程序，进入示教模式，进行编程并进行轨迹预演，确认无误后，保存程序并进入连续运行模式；

启动双滚压单元3；

启动热喷涂设备；

送粉稳定后，运行轨迹控制程序，机器人动作，携带喷枪4和双滚压单元3进行喷涂和在线滚压；

喷涂与滚压结束，关闭设备。

采用本实施例的装置进行涂层在线滚压，滚压与喷涂同步控制无干涉，解决了二次装夹及涂层冷却与流动性降低问题，实现了单道涂层的两次在线滚压，滚压质量高、生产效率高。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种涂层在线滚压装置，其特征在于，包括：夹具、滚珠丝杆模组、双滚压单元、喷枪和机器人机械臂；所述夹具的上部与机器人机械臂相连，所述夹具的中部设置有喷枪，所述夹具的下部设置有滚珠丝杆模组；所述滚珠丝杆模组包括：一个纵向滚珠丝杆模块和两个横向滚珠丝杆模块，两个横向滚珠丝杆模块分别与纵向滚珠丝杆模块连接；所述双滚压单元包括：两个滚压刀，所述两个横向滚珠丝杆模块分别与两个滚压刀相连；所述双滚压单元对称布置在喷枪两侧。

2.如权利要求1所述的涂层在线滚压装置，其特征在于，所述纵向滚珠丝杆模块由独立电机控制，纵向行程范围为0-100mm。

3.如权利要求1所述的涂层在线滚压装置，其特征在于，所述两个横向滚珠丝杆模块分别由独立电机控制，横向行程范围均为0-50mm。

4.如权利要求1所述的涂层在线滚压装置，其特征在于，所述滚压刀为端面滚压刀，单个滚压刀上设置有多个滚子。

5.一种权利要求1-4任一项所述的涂层在线滚压装置的控制方法，其特征在于，包括：

调整机器人机械臂，使喷枪与板材表面距离至预定值；

调整横向滚珠丝杆模块至预定值，使滚压刀对称分布在喷枪两侧；

调整纵向滚珠丝杆模块，使滚压刀与板材表面接触；

打开机器人轨迹控制程序，进入示教模式，进行编程并进行轨迹预演，确认无误后，保存程序并进入连续运行模式；

启动双滚压单元；

启动热喷涂设备；

送粉稳定后，运行轨迹控制程序，机器人动作，携带喷枪和双滚压单元进行喷涂和在线滚压；

喷涂与滚压结束，关闭设备。

6.如权利要求5所述的涂层在线滚压装置的控制方法，其特征在于，喷枪轨迹呈S形。

7.如权利要求5所述的涂层在线滚压装置的控制方法，其特征在于，两组滚压刀相同，滚压过程中旋转速度相同。

8.如权利要求5所述的涂层在线滚压装置的控制方法，其特征在于，工作时，所述双滚压单元和喷枪、机器人机械臂相对静止。

9.权利要求1-4任一项所述的涂层在线滚压装置在板材制造中的应用。

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