燃氣輪機透平動葉異型曲面噴涂程序開發(fā)研究

袁小虎，李定駿，刁金艷，馮文

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽， 618000）

燃氣輪機透平動葉異型曲面噴涂程序開發(fā)研究

袁小虎，李定駿，刁金艷，馮文

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽， 618000）

文章用RobotStudio離線編程軟件研究解決了機器人在燃機透平動葉片異型曲面上涂層制備的均勻性問題。其方法是首先在RobotStudio軟件中建立模擬噴涂工作站，用微積分原理將異型葉身曲面剪截分成16個小部分，用聯(lián)動計算、軌跡修正、外軸轉角修正等優(yōu)化方法，編制出透平動葉片葉身的噴涂程序。最后，用掛樣方法驗證噴涂程序，噴涂結果顯示涂層厚度在0.11~0.15 mm，非常均勻，證實了編制程序的可噴涂性。

RobotStudio離線編程軟件，透平動葉，機器人，涂層

Abstract：The article uses RobotStudio software to solve the problem of uniformity of coating preparation in the gas turbine blade different surface．Firstly,simulation workstation is established in RobotStudio software．Secondly,the blade body is divided into 16 pieces with the calculus principle．Thirdly,whole spraying process of blade surface is worked out by linkage,trajectory correction,external axis angle correction．Finally,the spraying process is verified by sample method,the results show that the coating thickness is between 0．11 ～ 0．15 mm,and very uniform,It confirms the spraying of the program．

Key words：RobotStudio software,turbine blade,robot,coating

0 引言

熱噴涂中，常常伴隨高溫、粉塵、有毒氣體等損害人身心健康的因素，故適用于機器人作業(yè)。機器人的精確性和可編程性，可以實現(xiàn)規(guī)則、不規(guī)則型面噴涂，且制備的涂層厚度、性能基本上沒有差異性，質量遠遠高于手工噴涂。機器人由程序來控制移動行走，常用的編制程序方式有兩種：在線編程和離線編程。在線編程是指在作業(yè)現(xiàn)場，用示教器操縱機器人到達所需的目標點，把目標點的數(shù)據(jù)用示教器保存下來，形成機器人的移動軌跡，如圖1（a）所示。離線編程是指部分或完全脫離機器人，借助計算機提前編制機器人程序，如圖 1（b）所示[1]。

圖1 機器人的編程方法

透平動葉片是燃氣輪機高溫部件核心之一，服役在高溫、高壓、離心力、腐蝕等耦合惡劣環(huán)境下，高溫合金基體材料遠遠滿足不了使用要求，因此，需在葉片表面涂覆高溫防護涂層，即熱障涂層。所謂熱障涂層通常是指通過特殊制備工藝噴涂或沉積在高溫合金表面，具有良好隔熱、抗氧化效果的涂層體系[2]。廣泛地應用到燃氣輪機和航空渦輪發(fā)動機高溫部件中，通過降低基體的溫度來保護熱端部件，達到延長燃氣輪機和航空發(fā)動機部件壽命的目的[3-6]。

透平動葉片葉身型面復雜，程序編制的難度大，且機器人攜帶噴槍經(jīng)過異型程度較大型面時，速度往往會發(fā)生變化，導致涂層厚度不均勻，嚴重影響涂層的質量及美觀，最終影響到透平動葉片的服役壽命。

本文運用RobotStudio編程軟件和噴涂系統(tǒng)（IRB4600型機器人，HVOF噴涂系統(tǒng)），探索了燃機透平動葉片異型葉身表面的噴涂程序編制方法，解決在異型程度較大噴涂區(qū)域內(nèi)噴槍保持速度均勻的問題，實現(xiàn)大面積噴涂制備涂層。

1 噴涂程序編制和驗證

燃機透平動葉片葉身噴涂程序開發(fā)遵循的方案如圖2所示。

圖2 透平動葉片葉身噴涂程序開發(fā)方案

1.1 建立透平動葉片模擬噴涂工作站

結合實際噴涂環(huán)境，在RobotStudio軟件中建立透平動葉片模擬噴涂工作站，如圖3所示。

圖3 透平動葉片模擬噴涂工作站

建立方法：（1）在RobotStudio軟件中新建一個空工作站，導入機器人、外軸，建立系統(tǒng)；（2）導入透平動片、工裝、噴槍三維模型，按照實際需要設定位置；（3）建立合適的工具、工件坐標系。

1.2 編制透平動葉片葉身噴涂程序

1．2．1 葉身處理

用微積分原理對動葉身做如下處理和設想：

（1）根據(jù)動葉片葉身高度、型線特點和噴槍搭接等因素，將葉身部分剪截成16部分，除第1部分外，2～16部分之間在高度方向上距離完全一樣，見圖4。

圖4 透平動葉片葉身剪截處理示意圖

（2）假設葉身每一小部分的型面曲度、上下端寬度完全一致，視為完全相同的整體。

（3）假設葉身型線折線段就是葉身的型面曲線，如圖4所示。

通過上述剪截和設想，葉身分成了16個完全相同的小部分。在每一小部分中，編制出一對內(nèi)弧、外弧噴涂路徑，將這條噴涂路徑按照噴槍搭接沿高度方向向下平移，就獲得了整個部分的噴涂路徑。用同樣的方法獲取另外15個小部分的噴涂路徑，最后將16個部分的噴涂路徑結合起來即完成葉身噴涂程序的編制。下面就以第16小部分為例詳述程序的編制方法。

1.2.2 葉身噴涂程序編制

1.2.2.1 生成型面基點和路徑

在RobotStudio編程軟件中，獲得第16小部分葉片的頂端內(nèi)、外弧型面曲線。選中內(nèi)弧型面曲線，按照實際需要生成設定點，修正設定點的噴涂姿態(tài)，讓其滿足噴涂要求，同步到虛擬控制器中形成程序中的型面基點。型面基點及其組成的噴涂路徑如圖5（a）所示。

在實際噴涂中，機器人在啟動、變更路徑、停止時會發(fā)生加速或減速現(xiàn)象，導致噴涂涂層的厚度不均勻，影響涂層的質量。為確保噴涂區(qū)域內(nèi)的速度均勻性，在型面曲線路徑兩端增設合適數(shù)量空走點，圖5（b）是增加空走點后的噴涂路徑。

圖5 第16小部分內(nèi)弧側處的型面基點和噴涂路徑

1.2.2.2 型面基點和路徑修正

由于葉身頂部與根部、進氣側與出氣側存在較大型線差異，因此，直接生成的型面基點在實際噴涂中出現(xiàn)了如下問題：

（1）在靠近背弧側葉根部分，進氣、出氣側的扭曲程度差異巨大，機器人在位置固定的情況下，不能到達噴涂路徑中的部分目標點，即超過機器人的工作范圍，無法完成整個路徑噴涂；

（2）葉身上、下端型面基點噴涂姿態(tài)差異較大，如圖6所示，這不利于機器人自身6軸的協(xié)調配合，導致加速或減速現(xiàn)象，影響涂層質量；

圖6 第16段與第1段的型面基點數(shù)據(jù)

（3）葉身上、下端型面基點的機器人軸配置差異較大，如圖6所示，噴涂過程中會造成機器人中斷調整配置，這在噴涂中是絕對不允許的。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)可用型面基點聯(lián)動計算方法，即在噴涂時讓外軸與機器人協(xié)調來解決此問題。通過基點聯(lián)動計算可以實現(xiàn)整個葉身噴涂點以相同的噴涂姿態(tài)和機器人配置。圖7是聯(lián)動計算后噴涂目標點的噴槍姿態(tài)、機器人配置。

圖7 型面基點聯(lián)動計算后的路徑及相應的姿態(tài)、配置

但聯(lián)動計算后，噴涂路徑又出現(xiàn)了如下問題：

（1）7、 8、 9 路徑轉折點；

（2）第8噴涂點的外軸角度與其他外軸角度符號相反。

在實際噴涂中，這會造成機器人加速或減速，通過監(jiān)測，該路徑上速度曲線如圖8（a）所示?？梢钥闯觯瑖姌屧诼窂缴铣霈F(xiàn)了3次加速、減速現(xiàn)象。

為了保證噴涂區(qū)域內(nèi)的移動速度均勻性，需避免外軸和機器人出現(xiàn)加、減速現(xiàn)象。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，只有在外軸單方向連續(xù)轉動，且路徑為光滑曲線時才能滿足。因此，用 “拋物線”數(shù)學模型將折點路徑修正成光滑的拋物線。圖8（b）是監(jiān)測修正后的速度曲線，可以看出，速度均勻性得到大大改善，噴槍經(jīng)加速-勻速-減速過程，在噴涂區(qū)域內(nèi)保持勻速運動。

圖8 拋物線、轉角修正前后的速度曲線

1．2．2．3 生成葉身噴涂程序

1．2．2．2 步驟得到噴涂目標點沿著葉身高度方向整體向下平移，得出第16段內(nèi)弧側的噴涂路徑及相應噴涂目標點，見圖9。用相同方法獲得第16段背弧側部分的噴涂目標點，這就形成第16段的噴涂程序。

圖9 第16段內(nèi)弧側部分的噴涂路徑及相應噴涂目標點

用獲得第16段部分噴涂程序的方法獲得其他15段部分的噴涂目標點和路徑，將16部分整體結合起來形成葉身的噴涂程序。

1．2．3 噴涂程序試驗驗證

在噴涂工作間進行驗證噴涂程序，噴涂后涂層厚度的結果如圖10所示，可以看出，葉身部位的涂層厚度均勻性非常良好，在0．11～0．15 mm之間，證實了編制程序的可噴涂性。

圖10 透平動葉片異型葉身曲面涂層測量結果（單位：μm）

2 結論

通過燃機透平動葉片異型葉身噴涂程序開發(fā)研究，可以得出如下結論：

（1）編制大型異型曲面噴涂程序時，可用微積分原理，將曲面分成若干個相近的小部分，假設每一個小部分完全相同，分別編制，最后將每一小部分程序結合起來形成整個曲面的噴涂程序；

（2）聯(lián)動計算、噴涂軌跡修正、轉角修正等路徑優(yōu)化方法可以顯著改進噴涂速度的均勻性，達到改善噴涂涂層質量的目的；

（3）本文的編制程序方法可以運用到同類型噴涂產(chǎn)品上，對其他噴涂產(chǎn)品的程序開發(fā)可以起到借鑒作用。

[1]方丹丹.熱噴涂機器人路徑的自動化生成和優(yōu)化[D].武漢:武漢理工大學,2007.

[2]艾松,劉維兵,趙仕志,等.熱障涂層失效機理與壽命預測研究方法[J].東方汽輪機,2015,（4）:1-5.

[3]王焱,李定駿.等離子噴涂熱障涂層組織結構及熱導率研究[J].東方汽輪機,2014,（3）:75-78.

[4]Goward GW.Progress in coatings for gas turbine airfoils[J].Surface&Coatings Technology,1998,s 108-109 （98）:73-79.

[5]Beele W,Marijnissen G,Lieshout AV.The evolution of thermal barrier coatings-status and upcoming solutions for today's key issues[J].Surface and Coatings Technology,1999,s 120-121:61-67.

[6]Padture NP,Gell M,Jordan EH.Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications[J].Science,2002,296(5566):280-284.

Research of Spraying Process in Gas Turbine Blade Different Surface

Yuan Xiaohu， Li Dingjun， Diao Jinyan， Feng Wen
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TG174

A

1674-9987（2017）03-0038-04

10．13808/j．cnki．issn1674-9987．2017．03．009

袁小虎 （1984-），男，碩士，助理工程師，2013年畢業(yè)于北京航空航天大學，現(xiàn)主要從事熱噴涂相關技術工作。