筒形貯箱自動噴涂設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

筒形貯箱自動噴涂設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

王春，孫陸陸，林盛

(大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連116028)

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

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

中圖分類號：TH122文獻標識碼：A

作者簡介：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)常見的一種儲存設(shè)備，筒形貯箱使用期長，必須進行必要的科學(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。國外噴涂行業(yè)，常采用柔性仿形自動噴涂機器人進行自動噴涂[1]，噴涂機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噴涂設(shè)備，但成本較高。國內(nèi)筒形貯箱的噴涂技術(shù)相對單一，洞庫大型油罐的除銹、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)自動噴涂機、垂直往復(fù)自動噴涂機、旋轉(zhuǎn)噴涂機、多軸頂噴機和噴涂機器人等[3-6]。各種噴涂機也因工件表面的多樣性和復(fù)雜性使得噴涂機使用受限。本文在吸收國內(nèi)外先進噴涂機器人及噴涂工藝技術(shù)基礎(chǔ)上，研究設(shè)計重2.4 t，直徑3 350 mm，長12 000 mm的大型筒形貯箱自動噴涂設(shè)備，實現(xiàn)貯箱筒段、前后箱底三部分的一體式自動噴涂。

1筒形貯箱自動噴涂的工藝設(shè)計

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

圖1　貯箱筒段自動噴涂工藝路徑

貯箱前、后箱底部分采用等距線自動噴涂工藝。貯箱自動回轉(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，噴槍移動到下一個等距線上，依次類推，直到箱體底部曲面噴涂完成，自動噴涂路徑如圖2所示。

圖2　貯箱前、后箱底自動噴涂工藝路徑

貯箱筒段及前后底自動噴涂工藝參數(shù)如下：

1)噴槍運動速度：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、前后底箱的自動噴涂工藝，需要實現(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)方向的運動，為了保證噴槍與貯箱表面垂直，需要實現(xiàn)噴槍繞C軸的回轉(zhuǎn)運動。

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

2.1運送車與支撐回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

筒形貯箱噴涂過程需要在一個可視的封閉空間進行，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送車上，然后通過運送車將筒形貯箱送入噴涂車間進行噴涂。為使貯箱平穩(wěn)送到噴涂車間的噴涂位置，將運送車設(shè)計成軌道運行小車，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，抗彎強度高，能夠避免小車運送過程中貯箱發(fā)生偏移扭轉(zhuǎn)。

圖3　運送車與支撐回轉(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,它是通過滾輪對工件的支撐并借助工件與滾輪之間的摩擦力來實現(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)兩對支承輪，每對支撐輪架均可繞其支承軸回轉(zhuǎn)一定角度，兩對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。運送車與支撐回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖3所示。

噴涂時貯箱回轉(zhuǎn)速度較低，而且驅(qū)動貯箱回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩比較大，因此通過擺線針輪減速器帶動一對齒輪傳動來實現(xiàn)貯箱噴涂時的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的噴涂要求。擺線針輪減速器的傳動比為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，齒輪傳動的傳動比為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)貯箱折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量和負載轉(zhuǎn)矩，以及電機轉(zhuǎn)速，貯箱回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機選擇3.5 kW的HC-SF353B三菱伺服電機。

2.2筒形貯箱噴涂運動結(jié)構(gòu)

圖4　噴涂運動結(jié)構(gòu)

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

(1)X、Z軸直線驅(qū)動機構(gòu)

X、Z軸運動采用伺服電機驅(qū)動齒輪齒條嚙合傳動，實現(xiàn)噴槍在水平方向與豎直方向的平穩(wěn)運動，具有速度可調(diào)，加速平穩(wěn)，定位精確等特點。其中X方向選用德國BAHR公司生產(chǎn)的ALLZQ203齒輪齒條直線定位系統(tǒng)，全長為15 000 mm分三節(jié)連接而成，每節(jié)長度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齒輪齒條直線運動單元，為了保證豎直方向的剛度，在齒輪齒條運動單元旁并聯(lián)一個直線運動單元。Z軸齒條類型為c45，齒輪模數(shù)為m=2，齒輪每轉(zhuǎn)進給量為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)動伺服電機為三菱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)動機構(gòu)

圖5　雙同步帶直線驅(qū)動原理圖

在Z軸直線驅(qū)動單元末端的凸銷與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)動單元會因長度過長而造成較大撓度變形，嚴重影響噴涂精度。因此Y軸采用BAHR公司的ELZT80雙同步帶直線運動單元[7]，該結(jié)構(gòu)不僅具有傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、能承受有粉塵的惡劣條件等優(yōu)點，而且解決了機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)動在工作中的剛度，采用雙同步帶直線驅(qū)動機構(gòu)并聯(lián)一個直線運動單元以增大其剛度。雙同步帶工作原理如圖5所示，兩個滑塊上下安裝，由兩條獨立的同步帶驅(qū)動，同步帶1直接與安裝電機的滑塊耦合在一起，同步帶2上部與上滑塊連接，下部與下滑塊連接。當伺服電機工作時，同步帶1運轉(zhuǎn)，A端在移動的同時B端同向移動，當A端相對于固定座移動行程m時，B端相對固定座移動了2 m。

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

(3)C軸回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(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)動單元末端的噴槍支架上，伺服電機驅(qū)動的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，當伺服電機工作時，通過連續(xù)定位實現(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)動電機選用HC-UFS23。

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

3結(jié)束語

本文設(shè)計的筒形貯箱自動噴涂結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了噴槍水平、豎直、徑向方向運動及噴槍的回轉(zhuǎn)運動，具有速度可調(diào)，加速平穩(wěn)，定位精確等特點，滿足了筒形貯箱的筒段及前后箱底的自動噴涂工藝要求。軌道運行小車、可調(diào)式滾輪架結(jié)構(gòu)配合齒輪傳動實現(xiàn)了筒狀貯箱的運輸、支撐與平穩(wěn)回轉(zhuǎn)運動。齒輪齒條線性模組結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了噴槍在水平、豎直及徑向方向的平穩(wěn)運動，雙同步帶直線驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計大大節(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：機械設(shè)計。