面向大型構件的龍門式噴砂機器人系統(tǒng)

琚凱征，陳再玉，趙連玉*，王巨濤

（1.天津理工大學a.天津市先進機電系統(tǒng)設計與智能控制重點實驗室，b.機電工程國家級實驗教學示范中心，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械制造、船舶工程、建筑行業(yè)等重大領域有著至關重要的作用，屬于污染系數很高的行業(yè)。目前，針對這一行業(yè)在大型構件的噴砂除銹上來說，國內仍然處于手工狀態(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。基于人工智能技術，研究出能夠解決大型構件的噴砂機器人技術，已經成為相關行業(yè)迫在眉睫的任務。針對這一情況，采用了移動龍門式結構、天車帶動噴砂小車，及下方軌道一并行走等設計，使用高效的噴砂技術，解決大型構件的除銹問題。同時對噴砂小車的主要受力部件車底梁進行了有限元仿真，驗證了小車方案滿足結構強度要求。

1 噴砂機器人現狀及方案設計

1.1 國內外現狀

國內對于龍門式噴砂機器人的研究較晚，20世紀初噴砂除銹大部分為手工作業(yè)。近十幾年來，智能化設備興起，早期以爬壁機器人[1-2]為主，爬壁機器人[3]主要以吸附工件表面形式來作業(yè)，該型機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，采用爬壁機器人來完成不太現實。婁偉、張軍[4-5]和王希濤[6]做過對大型油罐噴砂機器人規(guī)則的零件除銹，并同時對控制系統(tǒng)進行了詳細的設計[7]。國內大部分噴砂作業(yè)都以小型噴射式設備為主，其中北京的昊為科技有限公司對噴砂機器人有了較為成熟的產品，主要有龍門式、側壁式、內壁式3種，其中的8軸至11軸噴砂機器人的技術指標已達業(yè)內領先水平。杜啟榮等[8]發(fā)明了“衣架機器人”，解決了大型橋梁涂漆問題，但結構較為單一，只能解決橋梁桁架結構。國外的噴砂行業(yè)起步較早，技術也相對比較成熟，文獻[9]中，荷蘭的AIRBLAST公司噴砂設備較為先進，噴砂機采用雙艙體結構持續(xù)作業(yè)，另外該公司還設計了噴砂工藝車間，標準化的噴砂工業(yè)流程。美國的GRACO公司生產了用卡車裝載的高性能磨料噴砂機器人以及相配套的可移動設備，能夠實現大型構件的移動噴砂作業(yè)。芬蘭的BLASTMAN公司研制的天車式機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械臂的形式，實現多角度、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)的機電組成。

圖1 噴砂系統(tǒng)的機電組成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，大部分結構為工字鋼和槽鋼，在進行噴砂任務時，將從甲板的上方和下方同時進行噴砂作業(yè)。針對上述噴砂工件的形狀結構特點，提出的自動噴砂系統(tǒng)可以分為龍門天車系統(tǒng)、多移動噴砂機器人系統(tǒng)以及噴砂機器人機械臂控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)相互結合，相互合作實現最優(yōu)化效率，鋼材表面的技術要求及工作條件如表1所示。

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

1.3 工藝參數

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，當其直徑增大25%時需更換。

1.4 龍門結構的優(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）噴砂料運輸的問題，噴砂機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，龍門結構能夠很好處理這個問題。

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

2 自動噴砂機器人概述

2.1 整體結構設計

圖2 是龍門噴砂系統(tǒng)整體結構，圖中模擬大型船舶甲板被龍門噴砂機器系統(tǒng)清洗的整體圖。噴砂機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清洗工作室，工件到位固定好后，拖板車撤離。下方有支撐結構，支撐結構由工業(yè)液壓缸、小基站組成。工業(yè)油缸可以進行一定程度的升降控制，當噴砂小車到達工件時，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，前一級支撐結構恢復原位，工作室可以進行封閉處理，龍門天車在電機的帶動下在天車導軌上勻速運動，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構上隨結構整體移動，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，實現大型構件的噴砂目標。

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

2.2 噴砂機器人結構

圖3是噴砂機器人結構。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，可以實現甲板的全方位清洗。同時安裝有5個電推桿，可以實現固定臺一定范圍內的上下移動，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，側面安裝有側噴旋轉電機，帶動固定轉軸，實現一定范圍的擺動，從而完成噴砂作業(yè)。

圖3 噴砂機器人結構Fig.3 Structure of sandblasting robot

2.3 龍門結構

圖4 為龍門結構，由于整體龍門不停運動，會降低龍門的使用壽命，為了提高結構穩(wěn)定性，兩端為三角形結構，同時內部放有兩根橫梁做內部支撐，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，底端有噴砂小車導軌，導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 龍門結構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構，所以采用驅動輪結構，電機位于結構底部，能夠很好地避免與其他結構產生干擾，前端裝有電磁制動器，很好地進行運動部件減速、停止或保持停止狀態(tài)，通過齒輪傳送帶動驅動輪，前端放有導引機構，能夠更好地在工字鋼上運動。驅動輪和從動輪通過裝置板焊接連接在一起，能夠實現同時運動，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 噴砂機器人靜力學分析

噴砂機器人容易變形的部分主要有噴砂管、固定臺、車底盤、導向桿、滑板等部分，其中噴砂管、車底盤、固定臺是較為重要的部分，它們的強度和剛度會直接影響噴砂機器人在工作中對工件作業(yè)的完成程度。為了不影響機器人對工件作業(yè)的準確度，需要對其進行靜力學分析及優(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、旋轉電機、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，側噴旋轉電機重量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處為整個結構中彎曲變形最嚴重的地方，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中設定好梁對應的結構模型及材料屬性，本文設計的噴砂小車的鋼管材料為結構鋼，質量密度為7.85 g/cm3，彈性模量為166 700 MPa，泊松比為0.30，屈服強度為235 MPa，屈服強度可以用來做仿真分析后的結果對比，鋼塊的結果分析應在強度允許的范圍之內。在有限元求解中，對其進行兩端約束，將之前算好的重力負載添加到模型上，得到模型的總等效應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，方鋼的最大等效應力發(fā)生在F1處，它的最大等效應力為10 MPa，遠遠沒有超過結構鋼的屈服強度235 MPa，未超過材料的屈服強度值，所以說明設計的噴砂小車底盤符合設計強度要求。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，對整個噴砂機器人的運動精度影響可以忽略不計，所以設計的噴砂機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，噴砂管的運動參數如圖11所示。角度范圍滿足設計的15°~75°，角速度范圍控制在15~20°·s-1，噴砂管在15°~75°轉動過程中，理想平均角速度為20°·s-1。本方案的角速度變化更加合理，能夠有利于構件的噴砂作業(yè)，同時效率不是太低，當然根據噴砂件的尺寸大小和精度的要求，可以適當調節(jié)噴砂管的轉動速度要求。同時理想狀態(tài)下的噴砂角加速度較小[13]，無突變。由于轉動慣性、摩擦等影響，不可能實現理想狀態(tài)，所以應該盡可能要求角加速度的數值要求范圍小和數值變化平穩(wěn)減小，曲線變化平穩(wěn)[14]。

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

5 結論

目前國內的噴砂機器人研究較為緩慢，有關噴砂機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)。隨著國家推進科學技術的發(fā)展，中國制造2020計劃的推進，制造業(yè)競爭優(yōu)勢，機器人技術的應用取得了飛速的發(fā)展，各種交互性的技術應用于其他行業(yè)，噴砂機器人也得到了快速發(fā)展。文中所研究的龍門式噴砂機器人也將對整個噴砂行業(yè)的進步起到推進作用。但由于作者學識不足、條件限制等問題，有關龍門式噴砂機器人的研究存在一些不足之處，目前設計的結構主要是針對工字鋼和槽鋼結構，對于其他的一些結構如油桶形狀的可能無法實現，無法針對各種類型的工件，適應性不強，仍然需要改善。