琚凱征，陳再玉，趙連玉*，王巨濤

（1.天津理工大學(xué)a.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，b.機(jī)電工程國家級實驗教學(xué)示范中心，天津300384；2.海洋石油工程股份有限公司特種裝備公司，天津300461）

噴砂除銹對于目前的機(jī)械制造、船舶工程、建筑行業(yè)等重大領(lǐng)域有著至關(guān)重要的作用，屬于污染系數(shù)很高的行業(yè)。目前，針對這一行業(yè)在大型構(gòu)件的噴砂除銹上來說，國內(nèi)仍然處于手工狀態(tài)，智能化程度十分低下，勞動者處于矽肺等職業(yè)病常發(fā)生的工作環(huán)境?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)，研究出能夠解決大型構(gòu)件的噴砂機(jī)器人技術(shù)，已經(jīng)成為相關(guān)行業(yè)迫在眉睫的任務(wù)。針對這一情況，采用了移動龍門式結(jié)構(gòu)、天車帶動噴砂小車，及下方軌道一并行走等設(shè)計，使用高效的噴砂技術(shù)，解決大型構(gòu)件的除銹問題。同時對噴砂小車的主要受力部件車底梁進(jìn)行了有限元仿真，驗證了小車方案滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

1 噴砂機(jī)器人現(xiàn)狀及方案設(shè)計

1.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

國內(nèi)對于龍門式噴砂機(jī)器人的研究較晚，20世紀(jì)初噴砂除銹大部分為手工作業(yè)。近十幾年來，智能化設(shè)備興起，早期以爬壁機(jī)器人[1-2]為主，爬壁機(jī)器人[3]主要以吸附工件表面形式來作業(yè)，該型機(jī)器人對被噴工件表面要求較高，不能滿足所有的噴砂工件，尤其對于大型工件如20 m×20 m甲板來說，采用爬壁機(jī)器人來完成不太現(xiàn)實。婁偉、張軍[4-5]和王希濤[6]做過對大型油罐噴砂機(jī)器人規(guī)則的零件除銹，并同時對控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計[7]。國內(nèi)大部分噴砂作業(yè)都以小型噴射式設(shè)備為主，其中北京的昊為科技有限公司對噴砂機(jī)器人有了較為成熟的產(chǎn)品，主要有龍門式、側(cè)壁式、內(nèi)壁式3種，其中的8軸至11軸噴砂機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)已達(dá)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。杜啟榮等[8]發(fā)明了“衣架機(jī)器人”，解決了大型橋梁涂漆問題，但結(jié)構(gòu)較為單一，只能解決橋梁桁架結(jié)構(gòu)。國外的噴砂行業(yè)起步較早，技術(shù)也相對比較成熟，文獻(xiàn)[9]中，荷蘭的AIRBLAST公司噴砂設(shè)備較為先進(jìn)，噴砂機(jī)采用雙艙體結(jié)構(gòu)持續(xù)作業(yè)，另外該公司還設(shè)計了噴砂工藝車間，標(biāo)準(zhǔn)化的噴砂工業(yè)流程。美國的GRACO公司生產(chǎn)了用卡車裝載的高性能磨料噴砂機(jī)器人以及相配套的可移動設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)大型構(gòu)件的移動噴砂作業(yè)。芬蘭的BLASTMAN公司研制的天車式機(jī)器人采用多級伸縮桿的形式完成整個噴砂淸理室的移動操作，同時末端采用多軸機(jī)械臂的形式，實現(xiàn)多角度、多方向的移動，雖然可以滿足噴砂作業(yè)的需求，但是對工作環(huán)境要求較高，需要較為完備的噴砂車間。

1.2 自動噴砂的總體方案

圖1是噴砂系統(tǒng)的機(jī)電組成。

圖1 噴砂系統(tǒng)的機(jī)電組成Fig.1 Mechanical and electrical components of sandblasting system

針對大型噴砂工件，主要以船舶甲板為主，尺寸為20 m×20 m×1.50 m，大部分結(jié)構(gòu)為工字鋼和槽鋼，在進(jìn)行噴砂任務(wù)時，將從甲板的上方和下方同時進(jìn)行噴砂作業(yè)。針對上述噴砂工件的形狀結(jié)構(gòu)特點，提出的自動噴砂系統(tǒng)可以分為龍門天車系統(tǒng)、多移動噴砂機(jī)器人系統(tǒng)以及噴砂機(jī)器人機(jī)械臂控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)相互結(jié)合，相互合作實現(xiàn)最優(yōu)化效率，鋼材表面的技術(shù)要求及工作條件如表1所示。

表1 技術(shù)要求及工作條件Tab.1 Technical requirements and working conditions

1.3 工藝參數(shù)

1）磨料選擇鑄鐵砂，粒徑為0.50～1.50 mm。磨料要求有棱角、清潔、干燥、沒有油污。

2）噴射處理所用的壓縮空氣經(jīng)過冷卻裝置及油水分離器處理，以保證壓縮空氣的干燥、無油。壓縮空氣壓力為0.70 MPa[10]。

3）噴嘴到基體金屬表面保持100～300 mm的距離[3]。

4）噴嘴的孔口直徑由于磨損而增大，當(dāng)其直徑增大25%時需更換。

1.4 龍門結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

1）節(jié)省人力，提高工作效率，提高噴砂除銹精度。

2）近年來的噴砂機(jī)器人[11]只能針對小型部件的噴砂除銹，無法解決超大型工件的作業(yè)，這是本方案的一大亮點。

3）噴砂料運輸?shù)膯栴}，噴砂機(jī)器人存在物料管運動過程折彎的問題，折彎越大，噴砂效果越差，龍門結(jié)構(gòu)能夠很好處理這個問題。

4）針對國際上龍門式噴砂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，對噴砂工作廠房的環(huán)境要求較高，從而導(dǎo)致噴砂系統(tǒng)成本較高，龍門結(jié)構(gòu)能夠使成本極大降低。

2 自動噴砂機(jī)器人概述

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 是龍門噴砂系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，圖中模擬大型船舶甲板被龍門噴砂機(jī)器系統(tǒng)清洗的整體圖。噴砂機(jī)需要噴涂的工件尺寸較大，以船舶甲板為例，整體尺寸有幾米到幾十米范圍之大，所以甲板在運到噴砂清洗地之后需要拖板車運進(jìn)清洗工作室，工件到位固定好后，拖板車撤離。下方有支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)由工業(yè)液壓缸、小基站組成。工業(yè)油缸可以進(jìn)行一定程度的升降控制，當(dāng)噴砂小車到達(dá)工件時，靠近小車的液壓缸自動下降，讓底部軌道通過，噴砂小車處理完以后，前一級支撐結(jié)構(gòu)恢復(fù)原位，工作室可以進(jìn)行封閉處理，龍門天車在電機(jī)的帶動下在天車導(dǎo)軌上勻速運動，同時沙塵隔離軟簾門在繞線柱的拖動作用下向下運動阻擋沙塵，避免沙塵肆意外泄造成環(huán)境污染。與天車相接的噴砂小車在確定甲板工件之后左右移動，噴砂槍可上下擺動。下方也安排有噴砂小車和上方噴砂小車協(xié)同運動，保證甲板的上下面同時處理，噴砂罐被固定在龍門結(jié)構(gòu)上隨結(jié)構(gòu)整體移動，解決了以往噴砂物料運輸麻煩的問題，運動到末端，天車做返回運動，保證了噴砂工藝要求，實現(xiàn)大型構(gòu)件的噴砂目標(biāo)。

圖2 龍門噴砂系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of gantry sandblasting system

2.2 噴砂機(jī)器人結(jié)構(gòu)

圖3是噴砂機(jī)器人結(jié)構(gòu)。主要是噴砂小車底盤帶動可移動的噴砂軟管，小車上端有6個噴砂槍，可以實現(xiàn)甲板的全方位清洗。同時安裝有5個電推桿，可以實現(xiàn)固定臺一定范圍內(nèi)的上下移動，從而方便一些有厚度的工件。每個噴砂槍前端都有一根導(dǎo)向桿和一個可移動的升降桿組成，保證噴砂槍的可移動性，側(cè)面安裝有側(cè)噴旋轉(zhuǎn)電機(jī)，帶動固定轉(zhuǎn)軸，實現(xiàn)一定范圍的擺動，從而完成噴砂作業(yè)。

圖3 噴砂機(jī)器人結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of sandblasting robot

2.3 龍門結(jié)構(gòu)

圖4 為龍門結(jié)構(gòu)，由于整體龍門不停運動，會降低龍門的使用壽命，為了提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，兩端為三角形結(jié)構(gòu)，同時內(nèi)部放有兩根橫梁做內(nèi)部支撐，提高整體穩(wěn)定性。下端放有車輪，沿著固定軌道運動，天車下部放有工字鋼，供移動輪運動，底端有噴砂小車導(dǎo)軌，導(dǎo)軌之間放有回收地漏板，噴砂小車噴砂途中會掉落大量砂礫，回收板能很好解決此問題。

圖4 龍門結(jié)構(gòu)Fig.4 Gantry structure

2.4 支撐單元

圖5 為支撐單元模型，采用工業(yè)液壓油缸，旁邊是液壓基站，為液壓油缸提供動力，液壓缸用來對大型板件的支撐，同時采用分布式的布局，能夠做到對大型工件的有效作業(yè)，底部為萬向腳輪，能夠360°地自由移動，更好地實現(xiàn)對各類工件的噴砂處理。

圖5 支撐單元模型Fig.5 Model of support unit

2.5 天架移動輪

天車下方是工字鋼結(jié)構(gòu)，所以采用驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)，電機(jī)位于結(jié)構(gòu)底部，能夠很好地避免與其他結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾，前端裝有電磁制動器，很好地進(jìn)行運動部件減速、停止或保持停止?fàn)顟B(tài)，通過齒輪傳送帶動驅(qū)動輪，前端放有導(dǎo)引機(jī)構(gòu)，能夠更好地在工字鋼上運動。驅(qū)動輪和從動輪通過裝置板焊接連接在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)同時運動，天架移動輪如圖6所示。

圖6 天架移動輪Fig.6 Moving wheel of sky tower

3 噴砂機(jī)器人靜力學(xué)分析

噴砂機(jī)器人容易變形的部分主要有噴砂管、固定臺、車底盤、導(dǎo)向桿、滑板等部分，其中噴砂管、車底盤、固定臺是較為重要的部分，它們的強(qiáng)度和剛度會直接影響噴砂機(jī)器人在工作中對工件作業(yè)的完成程度。為了不影響機(jī)器人對工件作業(yè)的準(zhǔn)確度，需要對其進(jìn)行靜力學(xué)分析及優(yōu)化，下面以承重部位最重的底盤分析為例。

3.1 底盤的約束分析計算

底盤以150 mm×100 mm×8 mm的矩形方鋼焊接而成，主要受來自電推桿、噴砂槍、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、自動滑臺和其他一些零部件的重量。其中單個電推桿的重量7 kg，單個噴砂槍重量5 kg，側(cè)噴旋轉(zhuǎn)電機(jī)重量10 kg，自動滑臺外加固定臺20 kg，添加在車底盤上，車底盤模型如圖7所示。

圖7 車底盤模型Fig.7 Chassis model

圖7 中圓形圈A處為整個結(jié)構(gòu)中彎曲變形最嚴(yán)重的地方，車底盤的簡化支梁模型，如圖8所示。

圖8 車底盤的簡化支梁模型Fig.8 Supported beam model of vehicle chassis

3.2 有限元分析

首先在ANSYS中設(shè)定好梁對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型及材料屬性，本文設(shè)計的噴砂小車的鋼管材料為結(jié)構(gòu)鋼，質(zhì)量密度為7.85 g/cm3，彈性模量為166 700 MPa，泊松比為0.30，屈服強(qiáng)度為235 MPa，屈服強(qiáng)度可以用來做仿真分析后的結(jié)果對比，鋼塊的結(jié)果分析應(yīng)在強(qiáng)度允許的范圍之內(nèi)。在有限元求解中，對其進(jìn)行兩端約束，將之前算好的重力負(fù)載添加到模型上，得到模型的總等效應(yīng)力分布圖和總位移變形圖，如圖9和圖10所示。

圖9 總等效應(yīng)力分布圖Fig.9 Distribution of total equivalent stress

圖10 總位移變形圖Fig.10 Total displacement and deformation

由圖9可知，方鋼的最大等效應(yīng)力發(fā)生在F1處，它的最大等效應(yīng)力為10 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有超過結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度235 MPa，未超過材料的屈服強(qiáng)度值，所以說明設(shè)計的噴砂小車底盤符合設(shè)計強(qiáng)度要求。其中鋼塊的最大變形量發(fā)生在矩形方鋼的中間處，最大變形量在0.005 6 mm左右，小于0.010 0 mm形變量，變形量幾乎可以忽略不計。由圖10可知，最大變形量在最大位移姿態(tài)時的形變量很小，對整個噴砂機(jī)器人的運動精度影響可以忽略不計，所以設(shè)計的噴砂機(jī)器人的車底盤剛度符合要求。

4 噴砂管的運動分析

利用SolidWorks進(jìn)行運動分析，分別得到的噴砂管角度、角速度和角加速度變化，噴砂管的運動參數(shù)如圖11所示。角度范圍滿足設(shè)計的15°~75°，角速度范圍控制在15~20°·s-1，噴砂管在15°~75°轉(zhuǎn)動過程中，理想平均角速度為20°·s-1。本方案的角速度變化更加合理，能夠有利于構(gòu)件的噴砂作業(yè)，同時效率不是太低，當(dāng)然根據(jù)噴砂件的尺寸大小和精度的要求，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)噴砂管的轉(zhuǎn)動速度要求。同時理想狀態(tài)下的噴砂角加速度較小[13]，無突變。由于轉(zhuǎn)動慣性、摩擦等影響，不可能實現(xiàn)理想狀態(tài)，所以應(yīng)該盡可能要求角加速度的數(shù)值要求范圍小和數(shù)值變化平穩(wěn)減小，曲線變化平穩(wěn)[14]。

圖11 噴砂管的運動參數(shù)Fig.11 Kinematic parameters of the sandblast tube

5 結(jié)論

目前國內(nèi)的噴砂機(jī)器人研究較為緩慢，有關(guān)噴砂機(jī)器人的論文相對于其他行業(yè)來說并不多，僅僅處于起步階段，主要針對的還是小型工件的噴砂除銹作業(yè)。隨著國家推進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，中國制造2020計劃的推進(jìn)，制造業(yè)競爭優(yōu)勢，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用取得了飛速的發(fā)展，各種交互性的技術(shù)應(yīng)用于其他行業(yè)，噴砂機(jī)器人也得到了快速發(fā)展。文中所研究的龍門式噴砂機(jī)器人也將對整個噴砂行業(yè)的進(jìn)步起到推進(jìn)作用。但由于作者學(xué)識不足、條件限制等問題，有關(guān)龍門式噴砂機(jī)器人的研究存在一些不足之處，目前設(shè)計的結(jié)構(gòu)主要是針對工字鋼和槽鋼結(jié)構(gòu)，對于其他的一些結(jié)構(gòu)如油桶形狀的可能無法實現(xiàn)，無法針對各種類型的工件，適應(yīng)性不強(qiáng)，仍然需要改善。