李曉娟，程智勇

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東廣州 510430）

0 引言

使用一段時(shí)間的列車(chē)車(chē)身的表面都會(huì)生銹，目前都是靠人工進(jìn)行除銹清理，但由于列車(chē)車(chē)身面積大，因此除銹手工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大[1]，打磨產(chǎn)生的粉塵也會(huì)對(duì)操作工人的健康造成很大的損害，容易造成職業(yè)病的產(chǎn)生，且施工質(zhì)量難以保證，工作效率低[2]。

基于此，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一種列車(chē)車(chē)身表面處理機(jī)器人，能夠減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證施工質(zhì)量，提高工作效率[3]。

1 列車(chē)車(chē)身表面處理機(jī)器人設(shè)計(jì)思路

列車(chē)車(chē)身表面處理機(jī)器人，包括機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂移動(dòng)的第一驅(qū)動(dòng)裝置、可轉(zhuǎn)動(dòng)連接于機(jī)械臂末端的安裝座、驅(qū)動(dòng)安裝座繞機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)的第二驅(qū)動(dòng)裝置、與第一驅(qū)動(dòng)裝置、第二驅(qū)動(dòng)裝置電性連接的控制器、及與控制器電性連接的攝像裝置，機(jī)械臂的末端可轉(zhuǎn)動(dòng)連接有安裝座，安裝座上設(shè)有除銹頭、噴砂頭和探傷頭，除銹頭、噴砂頭和探傷頭均與所述控制器電性連接[4]。

如圖1和圖2所示，一種列車(chē)車(chē)身表面處理機(jī)器人，包括機(jī)械臂10、驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂10移動(dòng)的第一驅(qū)動(dòng)裝置、可轉(zhuǎn)動(dòng)連接于機(jī)械臂10末端的安裝座20、驅(qū)動(dòng)安裝座20繞機(jī)械臂10轉(zhuǎn)動(dòng)的第二驅(qū)動(dòng)裝置、與第一驅(qū)動(dòng)裝置、第二驅(qū)動(dòng)裝置電性連接的控制器及與控制器電性連接的攝像裝置30，機(jī)械臂10的末端可轉(zhuǎn)動(dòng)連接有安裝座20，安裝座20上設(shè)有除銹頭40、噴砂頭50和探傷頭60，除銹頭40、噴砂頭50和探傷頭60均與控制器電性連接。

該機(jī)器人在進(jìn)行表面處理工作中，先通過(guò)攝像裝置30采集車(chē)身的表面生銹信息，并將采集到的信息發(fā)送至控制器，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的合格表面進(jìn)行對(duì)比，若不滿(mǎn)足要求，則啟動(dòng)第一驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)移動(dòng)機(jī)械臂10，將安裝座20送至需要表面處理的位置，先通過(guò)第二驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)安裝座20轉(zhuǎn)動(dòng)，將除銹頭40移動(dòng)至待處理表面，然后啟動(dòng)除銹頭40對(duì)表面進(jìn)行除銹，除銹過(guò)程中通過(guò)攝像裝置30采集實(shí)時(shí)信息發(fā)送至控制器，通過(guò)控制器來(lái)控制除銹頭40的工作，待除銹完成后再轉(zhuǎn)動(dòng)安裝座20使探傷頭60移動(dòng)至已除銹表面，啟動(dòng)探傷頭60對(duì)除銹后的表面進(jìn)行探傷，若探傷滿(mǎn)足要求則再轉(zhuǎn)動(dòng)安裝座20使噴砂頭50移動(dòng)至待噴砂表面，啟動(dòng)噴砂頭50進(jìn)行噴砂，噴砂過(guò)程中通過(guò)攝像裝置30采集實(shí)時(shí)信息發(fā)送至控制器，通過(guò)控制器來(lái)控制噴砂頭50的工作，直至噴砂合格，完成表面處理。整個(gè)車(chē)身表面處理都通過(guò)機(jī)器人完成，無(wú)需人工操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，且通過(guò)攝像裝置30和控制器的監(jiān)控，保證施工質(zhì)量，該機(jī)器人通過(guò)第一驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂10動(dòng)作，且聯(lián)合通過(guò)第二驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)安裝座20轉(zhuǎn)動(dòng)，使該機(jī)器人適應(yīng)于車(chē)身不同位置的表面處理，使機(jī)器人的使用更靈活。

圖1 列車(chē)車(chē)身表面處理機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 安裝座的結(jié)構(gòu)示意圖

列車(chē)車(chē)身表面處理機(jī)器人還包括一端與除銹頭40連接的第一伸縮件410、一端與噴砂頭50連接的第二伸縮件510、一端與探傷頭60連接的第三伸縮件610、及驅(qū)動(dòng)第一伸縮件410、第二伸縮件510和第三伸縮件610作伸縮運(yùn)動(dòng)的第三驅(qū)動(dòng)裝置，第三驅(qū)動(dòng)裝置與控制器電性連接，第一伸縮件410、第二伸縮件510和第三伸縮件610均設(shè)于安裝座20上。根據(jù)當(dāng)前不同的表面處理需求，控制器控制第三驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)不同的伸縮件伸長(zhǎng)，使對(duì)應(yīng)當(dāng)前表面處理需求的功能頭對(duì)表面進(jìn)行處理，防止其他功能頭在工作發(fā)生干涉，保證連續(xù)作業(yè)，進(jìn)一步提高工作效率。

列車(chē)車(chē)身表面處理機(jī)器人還包括抽風(fēng)頭70、一端與抽風(fēng)頭70連接的第四伸縮件710，第四伸縮件710設(shè)于安裝座20上，第三驅(qū)動(dòng)裝置可驅(qū)動(dòng)第四伸縮件710作伸縮運(yùn)動(dòng)。在除銹過(guò)程中，通過(guò)啟動(dòng)抽風(fēng)頭70進(jìn)行吸塵，改善工作環(huán)境，也使攝像裝置30采集到表面信息更準(zhǔn)確，進(jìn)一步保證施工質(zhì)量。

列車(chē)車(chē)身表面處理機(jī)器人還包括標(biāo)記頭80、一端與標(biāo)記頭80連接的第五伸縮件810，第五伸縮件810設(shè)于安裝座20上，第三驅(qū)動(dòng)裝置可驅(qū)動(dòng)第五伸縮件810作伸縮運(yùn)動(dòng)。探傷頭60對(duì)除銹后的表面進(jìn)行探傷，若探傷不滿(mǎn)足要求則再轉(zhuǎn)動(dòng)安裝座20使標(biāo)記頭80移動(dòng)至探傷表面進(jìn)行標(biāo)記，便于跟蹤處理。

安裝座20設(shè)有容納腔210、與除銹頭40適配的第一通孔220、與噴砂頭50適配的第二通孔230、與探傷頭60適配的第三通孔240、與抽風(fēng)頭70適配的第四通孔250、及與標(biāo)識(shí)頭適配的第五通孔260，第一通孔220、第二通孔230、第三通孔240、第四通孔250和第五通孔260均與容納腔210連通，第一伸縮件410、第二伸縮件510、第三伸縮件610、第四伸縮件710和第五伸縮件810均位于容納腔210內(nèi)。根據(jù)當(dāng)前不同的表面處理需求，控制器控制第三驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)不同的伸縮件將對(duì)應(yīng)功能頭伸出對(duì)應(yīng)的通孔，對(duì)表面進(jìn)行處理，防止其他功能頭則縮回在安裝座20的容納腔210內(nèi)，既可以防止在工作發(fā)生干涉，又可以使整體外形更美觀，結(jié)構(gòu)更緊湊。

機(jī)械臂10包括支臂110和與支臂110鉸接的擺臂120，第一驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)擺臂120繞支臂110擺動(dòng)，攝像裝置30設(shè)于擺臂120上。在噴砂過(guò)程中，若噴射角度或噴射距離偏離最佳范圍時(shí)，第一驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)擺臂120運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)機(jī)械臂10的關(guān)節(jié)參數(shù)，使噴砂效果最佳，進(jìn)一步提高施工質(zhì)量。且噴砂頭50設(shè)有砂礫輸送空氣閥，砂礫輸送控制閥與控制器電性連接。通過(guò)控制砂礫輸送空氣閥處的壓力，來(lái)控制砂料噴出的動(dòng)能大小，提高噴砂質(zhì)量。

列車(chē)車(chē)身表面處理機(jī)器人還包括設(shè)于安裝座20上的測(cè)距傳感器90，測(cè)距傳感器90與控制器電性連接。通過(guò)測(cè)距傳感器90精確檢測(cè)安裝座20與車(chē)身表面的距離，從而精確控制不同功能頭于車(chē)身表面的距離，進(jìn)一步保證施工質(zhì)量。

測(cè)距傳感器90為紅外測(cè)距傳感器90，紅外測(cè)距傳感器90集成了紅外接收管、前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器、整前電路和輸出放大電路，靈敏度很高，且還可以通過(guò)調(diào)整電位器來(lái)控制其發(fā)射的強(qiáng)度，進(jìn)而來(lái)測(cè)出噴砂頭50與車(chē)身表面的距離。

列車(chē)車(chē)身表面處理機(jī)器人還包括底座100、及驅(qū)動(dòng)底座100移動(dòng)的移動(dòng)裝置200，移動(dòng)裝置200與控制器電性連接，機(jī)械臂10、攝像裝置30、第一驅(qū)動(dòng)裝置、第二驅(qū)動(dòng)裝置和第三驅(qū)動(dòng)裝置均設(shè)于底座100上。移動(dòng)裝置200帶動(dòng)底座100移動(dòng)，便于機(jī)器人移動(dòng)，使機(jī)器人對(duì)車(chē)身表面的不同位置進(jìn)行處理，且在噴砂過(guò)程中控制器控制移動(dòng)裝置200工作，避免相鄰兩個(gè)噴面重疊過(guò)多，進(jìn)一步保證施工質(zhì)量。

2 列車(chē)車(chē)身表面處理機(jī)器人工作原理

在進(jìn)行表面處理工作中，先通過(guò)攝像裝置采集車(chē)身的表面生銹信息，并將采集到的信息發(fā)送至控制器，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的合格表面進(jìn)行對(duì)比，若不滿(mǎn)足要求，則啟動(dòng)第一驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)移動(dòng)機(jī)械臂，將安裝座送至需要表面處理的位置，先通過(guò)第二驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)安裝座轉(zhuǎn)動(dòng)，將除銹頭移動(dòng)至待處理表面，然后啟動(dòng)除銹頭對(duì)表面進(jìn)行除銹[5]，除銹過(guò)程中通過(guò)攝像裝置采集實(shí)時(shí)信息發(fā)送至控制器，通過(guò)控制器來(lái)控制除銹頭的工作，待除銹完成后再轉(zhuǎn)動(dòng)安裝座使探傷頭移動(dòng)至已除銹表面，啟動(dòng)探傷頭對(duì)除銹后的表面進(jìn)行探傷，若探傷滿(mǎn)足要求則再轉(zhuǎn)動(dòng)安裝座使噴砂頭移動(dòng)至待噴砂表面，啟動(dòng)噴砂頭進(jìn)行噴砂，噴砂過(guò)程中通過(guò)攝像裝置采集實(shí)時(shí)信息發(fā)送至控制器，通過(guò)控制器來(lái)控制噴砂頭的工作，直至噴砂合格，完成表面處理。整個(gè)車(chē)身表面處理都通過(guò)機(jī)器人完成，無(wú)需人工操作，減輕勞動(dòng)輕度，提高工作效率，且通過(guò)攝像裝置和控制器的監(jiān)控，保證施工質(zhì)量，該機(jī)器人通過(guò)第一驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂動(dòng)作，且聯(lián)合通過(guò)第二驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)安裝座轉(zhuǎn)動(dòng)，使該機(jī)器人適應(yīng)于車(chē)身不同位置的表面處理，使機(jī)器人的使用更靈活。

3 噴砂除銹工藝有限元仿真分析

（1）材料模型與參數(shù)的確定

除銹的砂粒選用是SiC金剛砂，設(shè)金剛砂為剛體，靶材選用X80鋼板，屈服強(qiáng)度為552 MPa，模型選用是材料模型Johnson-Cook；各向同性材料模型受到應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度因素的作用[6]。

動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力 σf：

ε?*——等效塑性應(yīng)變率；

T*——溫度；

n——應(yīng)變硬化指數(shù)；

m——應(yīng)變率敏感指數(shù)；

A——材料的屈服應(yīng)力；

B，C——常數(shù)；

式中 εˉ?P為參考塑性應(yīng)變率，

式（3）中 Tr為室溫；Tm為熔點(diǎn)溫度；

采用Gruneisen狀態(tài)方程，壓縮材料的壓力表示P1為：

膨脹材料壓力P2表示為：

其中：V為相對(duì)面積，C為曲線(xiàn)截距，S1，S2，S3為曲線(xiàn)斜率系數(shù)；γ0為Gruneisen系數(shù)；α為對(duì)和的一階體積修正量；E0為內(nèi)能。

（2）噴砂除銹工藝的可行性分析

應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA仿真軟件進(jìn)行噴砂除銹工藝的可行性分析。

3.1 不同速度砂粒沖擊靶板進(jìn)行仿真試驗(yàn)

砂粒為16目，噴射角為 90°，以不同速度 （50 m/s、60 m/s、70 m/s、80 m/s、90 m/s、100 m/s）砂粒沖擊靶板進(jìn)行仿真試驗(yàn)，如圖3所示。不同速度砂粒沖擊下靶板所受最大應(yīng)力，如圖4所示。

圖3 不同速度下砂粒沖擊靶板Mises應(yīng)力圖

圖4 不同速度砂粒沖擊下靶板所受最大應(yīng)力

3.2 不同砂粒大小沖擊靶板進(jìn)行仿真試驗(yàn)

以沖擊速度為80 m/s，垂直沖擊靶板情況下的（35目、32目、28目、24目、20目、16目）大小砂粒進(jìn)行模擬仿真，砂粒沖擊下靶板應(yīng)力云圖如圖5所示，最大應(yīng)力曲線(xiàn)圖如圖6所示。

圖5 不同大小砂粒沖擊下靶板應(yīng)力云圖

3.3 不同沖擊角度沖擊靶板進(jìn)行仿真試驗(yàn)

以沖擊速度為80 m/s的砂粒，在30°～90°之間的角度下進(jìn)行沖擊靶板的仿真模擬。如圖7所示。

圖6 不同砂粒大小沖擊下靶板所受最大應(yīng)力

圖7 不同角度砂粒沖擊靶板三維仿真模型圖

如圖8是速度為80 m/s，沖擊角度為80°，砂粒和靶板的能量變化圖。

圖8 砂粒和靶板的能量變化圖

根據(jù)仿真結(jié)果得到砂粒在30°～90°沖擊后，砂粒動(dòng)能，靶板內(nèi)能和損失能量的變化關(guān)系（如圖9所示），砂粒在90°沖擊角度下，除銹效果最好。

4 結(jié)論

通過(guò)選用材料模型Johnson-Cook；對(duì)各向同性材料模型受到應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度因素作用的參數(shù)的確定；建立單粒子沖擊靶板模型，分別對(duì)不同速度、不同砂粒大小、不同沖擊角度下砂粒沖擊靶板進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析了不同工況條件下噴砂除銹的效果，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較研究。最終得出：80 m/s為噴砂最佳速度、16目為最佳砂粒大小、90°為砂粒沖擊最佳角度，為之后的優(yōu)化噴砂除銹工藝提供了有效數(shù)據(jù)[7]。

圖9 不同角度沖擊鋼板能量圖

參考文獻(xiàn)：

［1］王陸軍.強(qiáng)化拋丸技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.現(xiàn)代零部件，2012（9）：68-69.

［2］彭立斌，赫亮，李曉晗.表面強(qiáng)化拋丸機(jī)設(shè)計(jì)初探［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（24）：16-16.

［3］崔永瑞.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)，2000（1）：17-19.

［4］龍斌，呂喜軍，唐德渝，等.環(huán)保型全自動(dòng)管道噴砂除銹機(jī)的研制及應(yīng)用［J］.石油工程建設(shè)，2012，37（6）：36-38.

［5］付大海，曹京宜.通用型船用高壓水—磨料防銹機(jī)［J］.涂料工業(yè)，2002，32（7）：31-33.

［6］ Ross B.A Semi-Autonomous Robot for Stripping Paint from Large Vessels［J］.The InternationalJournal of Robotics Research，2003，22：617-626.

［7］文孝敏.噴砂除銹施工的質(zhì)量、環(huán)保與安全［J］.中國(guó)科技縱橫，2012（17）：110-110.