大型锻件喷涂控制及方法研究

苏振华 刘才民 高林 赵选杰 张营杰 冯东晓 雷博

(1.国机重型装备集团股份有限公司,四川 德阳,618000;2.中国重型机械研究院股份公司,陕西 西安 710018;3.成都大学,四川 成都 610106)

在制造业中,为进一步提升产品质量,表面喷涂技术得到了广泛的应用[1]。为有效提升大型锻件尤其是典型的异形复杂高端产品的性能参数,在道次锻造进行前,都要在锻件表面进行涂料的涂覆处理,以起到润滑、保温、高温防氧化的作用,以实现良好温度条件下获得大的变形量和达到再结晶细化晶粒效果,进而有效保证产品性能,提高锻造效率,降低锻造成本。目前,大型锻件的表面涂覆大多依靠人工完成。手工喷涂作业存在质量稳定性差、环境污染大、劳动强度高、生产效率低等问题[2],特别是锻造后的锻件涂覆作业,由于温度较高,工人无法靠近,难以开展涂料的涂覆作业,喷涂的质量难以把控并且存在一定的安全隐患。

国内热喷涂技术近年来受到广泛关注并获得了显著的成效[3]。李明忠等[4]发明了一种通过导流孔来实现水流螺旋混流的新型喷嘴,运用有限元仿真分析对水流入射角度、喷嘴腔体长径比和喷嘴出流直径等参数进行了研究;曾勇等[5]针对喷涂路径组合优化过程中误差较大的问题,提出了直接修正和修正喷涂高度的喷枪轨迹参数修正方法,基于这两种修正方法进行了喷枪轨迹和相关参数的优化,有效减小了误差;汤养[6]和王金涛等[7]分别提出了针对复杂曲面零件自动喷涂轨迹的优化,并从理论和仿真两个方面验证了方案的可行性;卢晓东等[8]针对表面喷涂技术的涂层均匀性问题,在椭圆双β模型的基础上,运用微分投影法,建立立体涂层累积速率模型,提出了一种双层喷涂自动轨迹规划方法;上述喷涂领域的研究成果为锻造自动喷涂系统的研究设计提供了一定的技术基础和参考,但是针对锻造自动喷涂系统的研究,目前还处于起步阶段,不能很好地解决工程实际问题。为此,本文提出了一种锻造喷涂系统及喷涂方法,并针对该锻造自动喷涂系统的工作情况和原理进行详细的描述。

1 锻造喷涂系统

目前如何实现锻造过程中锻件的自动化喷涂并保证喷涂质量稳定仍然是亟待解决的难题。本文主要是提供一种新型的锻造喷涂系统,来有效提高喷涂质量。该锻造喷涂系统主要用于自由锻的工件道次锻造中。

如图1所示,该锻造喷涂系统主要包括喷涂单元、调整单元、供料单元、底座和控制单元。其中喷涂控制单元通过调整单元设置于底座上并通过管道与供料单元相连接。

如图2所示,喷涂单元通过喷嘴将涂料喷涂至锻件上,若含有多个喷嘴,则设置集管,集管和喷嘴由螺栓把合或螺纹连接的连接件固定,喷嘴可以根据工件情况进行整体或单独的更换。储存单元用于提供喷涂的涂料,如图3所示,具体包含涂料储罐、空气压缩机、控制阀组、供粉机、高温保护罩等。

1—喷嘴;2—热成像仪;3—伸缩调整机构。图2 喷涂单元Figure 2 Spraying unit

1—空气压缩机;2—控制阀组;3—供粉机;4—高温保护罩。图3 供料单元Figure 3 Feed unit

控制单元用于控制调整单元和供料单元,进而控制整个喷涂的进行。具体可以采用计算机、PLC以及单片机等,通常控制单元还配备有人机界面、热成像显示器等,以便于进行人机交互,通信协议采用常用的TCP/IP通讯协议即可。使用该锻造喷涂系统进行喷涂时,控制单元不仅可以通过控制喷涂单元来控制喷涂的启动和停止,还可以控制喷涂的流量和喷涂的宽度,通过控制阀组还可以控制喷涂的流量,进而实现喷涂厚度的控制。位置调整机构包含水平纵向、水平横向以及竖向调整机构,控制单元通过控制位置调整机构,可以在限定范围内,将喷涂单元移动至空间的任意位置,以此来保证喷涂的全面性。角度调整机构可以采用单个旋转轴的转动结构,也可以采用多个旋转轴的万向调节结构,由步进电机或伺服电机提供动力来实现精确控制。控制单元通过控制角度调整机构来控制喷嘴的喷涂角度,从而使喷涂单元的喷嘴垂直于锻件的表面,保证喷涂质量,适用于具有异形区域的锻件。

2 锻造视觉协同喷涂方法

通过机械自动喷涂取代人力实际并不复杂,但是,如何保证喷涂的质量达到标准要求仍存在难点。为此,提供了一种新型锻造视觉协同喷涂方法,具体步骤为:

(1)建立锻造喷涂系统的运行坐标系;

(2)在系统中输入喷涂锻件的相关信息和三维模型并确定喷涂方案;

(3)在锻造喷涂系统上设置视觉成像仪器,确定出锻件在运行坐标系中的位置;

(4)将三维模型匹配到锻造喷涂系统的运行坐标系中并按照确定的喷涂方案对锻件进行喷涂。

锻造喷涂系统需在锻造前对锻件进行三维建模,在此基础上将三维模型直接输入到锻造喷涂系统用于确定喷涂方案,喷涂方案包含喷涂材料、喷涂流量、喷涂速度、涂层的厚度以及喷涂路线等。

在本锻造喷涂系统中配备有至少两种喷涂材料,分别存放于不同的涂料储罐中,在进行喷涂时,系统根据锻件的温度、材料等信息自动选择合适的涂料品种。

在喷涂方案中,通常喷涂材料、喷嘴的选择都是较为容易的,由于涂层厚度是对涂层质量影响最大的因素,需要保证涂层厚度与喷涂方案一致。

为此,在该锻造喷涂系统上与喷嘴并列设置有第一激光检测仪和第二激光检测仪。第一激光检测仪位于喷嘴的运动方向的前方,第二激光检测仪位于喷嘴的运动方向的后方;在锻造喷涂系统对锻件进行喷涂时,在确保激光检测仪测量精度准确的基础上,通过锻件同一位置上两个激光检测仪的测距差值计算出喷涂的涂层厚度。第一激光检测仪可以测量喷涂单元与未喷涂涂层的锻件的距离,第二激光检测仪可以测量喷涂单元与喷涂了涂层的锻件的距离,两者的差值即为涂层的厚度。获得涂层厚度的数据后,可确定是否达到要求,若未达到要求可通过调整喷嘴出料速度或移动速度实时调整涂层厚度。

喷涂线路也是自动喷涂中较为关键的一方面,好的喷涂线路不仅可以提高喷涂效率还能保证喷涂的质量。锻件常规区域的路线规划较为简单,但是异形区域的规划则较为复杂。常规区域是指平面或者弧面等较为简单的表面,而异形区域则是指具有突出结构、凹陷结构或者更为复杂结构的区域,这些区域的喷涂路线会直接影响喷涂质量。因此,优先确定异形区域的喷涂线路,可以提高异形区域的喷涂质量。在具体操作时,优先以异形区域的长轴走向(例如肋板的长度方向、凹槽的长度方向等)作为异形区域的喷涂走向,可以提高异形区域的喷涂效率和喷涂的均匀性。

视觉成像仪器可以采用现有的各种光学测量仪器,例如,量测摄影机、红外成像仪等。通过视觉成像仪器可以测量出锻件在系统的运行坐标,将三维建模匹配到锻造喷涂系统的运行坐标系中。之所以不利用视觉成像仪器的测量结果直接建模,放入运行坐标系,是因为利用视觉成像仪器实现高精确度的成像实际是较为困难的,这就为三维模型的匹配造成了困难。而将已有的三维模型匹配到视觉成像仪器的测量结果中,则要容易得多。通过在三维模型中选取至少3个不在一条直线上的特征点,在视觉成像仪器中锻件上确定出对应的特征点位置,通过锻件上特征点与三维模型上特征点的匹配,将三维模型匹配到锻造喷涂系统的运行坐标系中,以确定出锻造喷涂系统与锻件的相对位置。只要保证这些特征点的准确性即可保证三维模型匹配的准确性,进而提高喷涂定位的准确性。然后便可根据事先确定的喷涂方案对锻件进行喷涂。

在确定喷涂方案时,可以现场根据锻件的情况进行规划,不过相对耗时。因而需要创建信息库,记录三维模型和对应的喷涂方案;在根据三维模型确定喷涂方案时,将当前喷涂锻件的三维模型与信息库中记录的三维模型进行对比,查找信息库中相同或者相似的三维模型,然后直接采用信息库中对应的喷涂方案或者在对应的喷涂方案基础上进行修改。如此,增加了系统的学习能力,随着自动喷涂的锻件的数量越多,记录的喷涂方案也越多,后续可供选择和参考的方案也就更多。

3 锻造喷涂系统的检测与二次喷涂

锻造喷涂系统还可以对喷涂进行自动检测,对检测到的不合格区域进行重新喷涂,从而确保喷涂质量。由于锻件喷涂具有显著的隔热效果,利用这一特性,在此锻造喷涂方法中,喷涂步骤如图4所示。

图4 喷涂步骤Figure 4 Spraying procedure

本方法主要适用于处于高温状态下的锻件,具体操作和原理如下,在锻件未喷涂涂料前,通过红外成像仪可以检测出锻件的热图像,红外成像仪的具体位置可以根据锻件实际情况布置。

在锻件的同一位置上,前后温度差值越大的区域,说明保温效果越好,证明涂层喷涂越厚;而前后温度差值越小的区域,表面保温效果越差,证明涂层喷涂越薄。设定合格温度差值,将温度差值小于合格温度差值的锻件区域确定为涂层不达标区域。

由于红外成像仪布置位置、锻件的外形角度等因素,生成的热图像中的各个区域呈现的温度值与实际温度相比会存在一定的误差,而通过全方位多角度的布置和修正是较为困难的。因此,在保持红外成像仪布置不变的情况下比较喷涂前后生成的锻件热图像的温度差值,即可较为准确的反应涂层的保温对于锻件的影响,进而检测涂层是否达标。

为了使锻造喷涂系统能够准确识别到涂层不达标区域并进行二次喷涂,在建立了运行坐标系的情况下,根据红外成像仪的检测,确定涂层不达标区域在运行坐标系中的位置,然后进行二次喷涂。二次喷涂的步骤与前文提到的喷涂步骤一致,值得注意的是,在多次锻造中,需要确定出偶发性涂层不达标区域和多发性涂层不达标区域。记录多发性涂层不达标区域,根据三维模型确定喷涂方案时,对多发性涂层不达标区域针对性规划喷涂方案并记录有效的喷涂方案。偶发性涂层不达标多是运行故障等偶然原因造成的,而多发性涂层不达标多是喷涂方案规划不合理造成的,前者是难以避免的,而后者则可以通过针对性规划喷涂方案来避免。有效的喷涂方案是指采用后可以实现涂层达标的方案,这些有效的喷涂方案可以记录于前文所述的信息库中,避免后续发生同样的涂层不达标情况。

仅在锻件喷涂完成后检测,对涂层不达标区域进行补喷,显然是相对繁琐的,最好的方式仍然是在喷涂过程中就最大限度地保证喷涂质量;在锻造喷涂系统对锻件进行喷涂时,通过锻件同一位置上第一激光检测仪和第二激光检测仪的测距差值计算出喷涂的涂层厚度,通过调整喷嘴的出料速度或移动速度实时调整涂层厚度。如此可以降低涂层不达标的可能性,降低再次喷涂的概率,提高喷涂效率。

目前在锻造喷涂系统中,仍存在由于锻件表面的氧化皮、表面缺陷以及激光测量仪测量误差等导致自动喷涂在工程应用上难以推广的情况,期望随着技术的进步来突破锻件自动喷涂行业内亟待解决的难题。

4 结论

该锻造视觉协同喷涂方法通过建立锻造喷涂系统的运行坐标系并在锻造喷涂系统中输入当前喷涂锻件的相关信息和三维模型来确定喷涂方案,用在锻造喷涂系统上安装的视觉成像仪器来检测锻件,确定出锻件在运行坐标系中的位置,将三维模型匹配到运行坐标系中。在保证喷涂方案合理和测量数据准确的情况下,按照三维模型上确定的喷涂方案对锻件进行较为精确地喷涂,既能有效提高喷涂效率,又能保证喷涂质量。