发电机组汽轮机叶片表面抛丸清理工艺与设备设计说明书

1 前言1.1 汽轮机叶片抛丸的背景和意义电力工业是现代化国家的基础工业之一，它的发展直接影响国民经济发展。目前，汽轮发电机组为人类提供了 75%左右的能源，所以汽轮机安全可靠性和高效率持久运行至关重要。而汽轮机的心脏叶片，直接关系到整个汽轮机和电厂的安全。叶片是几何形状复杂的多曲面高精度的部件，在高温、高压的工作环境中受到高速旋转的离心力、高压蒸汽的弯曲力以及稳定状态和瞬变的热应力作用。美国电厂汽轮机强迫停运率的 70%与叶片的损害有关，叶片事故引起的损失常占全部损失的的一半。因此，提高汽轮机叶片（图 1.1）安全性对于满足不断增长的电力需求，适应国民经济的发展不容忽视。课题设计了专用机器人抛丸机对汽轮机叶片进行抛丸清理和强化，实现表面压应力的提高，从而提高使用寿命。图 1.1 等截面直叶片目前，汽轮机叶片生产方式主要以半精锻或精锻。叶片锻件的表面质量、内部组织、线性分布都要求十分严格，尤其作为汽轮机叶片的工作部分叶身，一般为自由空间曲面，根据空气力学原理设计，表面光洁程度流畅，力学性能要求高。这需要最佳的锻造工艺（图 1.2） ，如加热保护、抛丸工艺、温度控制等，工艺必须严格、合理。坯料在预锻前，应采用干喷丸/抛丸清除表面氧化皮及明显的缺陷。精锻后需要粗抛丸进行表面清理。检查后进行抛丸强化，在表面产生一定的压应力，形成细化晶粒组织，改善坯料的表面疲劳强度，为合格的汽轮机叶片锻件进行下一步的抛光，精铣提高保证。图 1.2 叶片的精锻流程图为此，基于汽轮机叶片抛丸工艺的重要性，本文设计了机器人夹持汽轮机叶片进行自动抛丸清理和强化的抛丸机。1.2 国内外抛喷丸技术的发展1.2.1 国内抛喷丸等表面处理工艺发展在国内，普遍运用以下进行表面处理：喷砂/丸处理表面，采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束击打进行表面磨削和抛光，喷砂/ 丸速度 4055m/s，喷丸量 4560kg/min,喷砂量 30kg/min。一般人工进行操控，劳动强度大，精度质量一致性差，噪音大，加工效率低，磨料及粉尘对人体有损害，同时喷嘴易损坏，无法实现机械化和自动化加工。主要针对于单件小批量表面复杂的小型工件和工件内腔。化学进行表面处理，运用酸性或碱性溶液与工件表面的氧化物及油污发生化学反应，使其溶解在酸性或碱性的溶液中，以达到除去叶片表面的氧化物和油污目的。化学反应适应于叶片薄型件的处理，但时间控制不当，易出现过腐现象，同时成本高，处理后化学排放工作难度大，若处理不当，易对环境造成严重污染，在国外已经被禁止使用。抛丸进行表面处理，抛丸器运用离心力将钢丸加速到一定速度，离心轮叶片直径一般为 300400mm，转数为 15003000r/min，将高速钢丸流 (5060m/s)抛射至工件进行表面清理，以除去工件表面的粘砂、氧化皮和小的飞边毛刺，得到一定的粗糙度，通过伺服电机提高抛丸速度（80100m/s ）进行抛打，使汽轮机叶片形成压应力及产生形变强化和细晶强化进而改变表面机械性能提高工件使用寿命。抛丸灵活性差，在复杂的工件表面易产生清理不到的死角。目前，由于抛丸器的改进，抛丸量不断增加（大于 200kg/min，甚至达到 500-1200kg/min） ，抛射速度也提高到100 米/秒左右。抛丸进行表面处理对工件打击力大，表面清理和强化效果明显，抛丸量大，效率高，针对大型铸件和汽轮机叶片的工件均适用。1.2.2 国外抛丸技术的发展在国外，美国潘伯（pangborn ）公司在上世纪 70 年代在第五届国际铸造博览会上就展示了 PK 型曲线叶片抛丸器，同时美国 pangborn 公司早在 80 年代后期开发研制的曲线叶片抛丸器，其钢丸对叶片的压应力小，磨损少，提高了叶片的使用寿命，抛丸量已经增到 280kg/min-390kg/min。目前中国大部分采用传统的 Q305 直线叶片抛丸器 140kg/min。随着机器人抛丸技术的成熟,成立于 1908 年的全球表面处理专家的维尔北莱特集团设计的抛丸器，抛丸效率比同类品牌高出 10%15%，备件寿命延长至少 25%。国内和德国的一台抛丸器寿命相差 12 年。1.3 抛丸机的介绍和发展随着制造装备的发展，抛丸机由最初的滚筒式，发展到履带式、转台式、吊链式、辊道通过式等类型。目前，水平移动式抛丸机作为一种新兴的表面清理工艺，已经从零件表面的处理拓展到了公路养护、船体除锈、机场跑道除胶等各个领域。同时，机器人抛丸机清理系统在针对发动机缸体、缸盖、大型曲轴等得到了大量的运用。机器人抛丸机(图 1.3)由美国(pangborn)潘邦公司推出，特别适用于灰铁或铸铝发动机缸体、缸盖的表面抛丸清理，且能达到很好的表面清理效果。标准设备的产图 1.3 机器人抛丸机量可达 200 件/小时，多工位的设备产量可达 450 件/小时。该机器人式抛丸机带有一特殊系统，能在一个或两个轴向上旋转工件，并将清理后残留在工件内腔里的丸料去除。德国罗斯勒设计的机器人抛丸机用于五缸发动机汽缸盖和四缸发动机缸体的全自动抛丸加工处理线得到了汽车行业的广泛运用。同时在九十年代初美国潘伯公司推出了抛丸器和喷丸器想结合的抛喷丸清理机，不仅发挥了抛丸法生产效率高和而且有效运用了喷玩法灵活性强的优点。随着社会科技的发展和对抛丸清理强化的要求，本课题根据汽轮机叶片的处理工艺。设计了机器人抛丸机对锻造的叶片实现了全自动化的清理和强化。不仅对汽轮机叶片的加工有直接的推动作用，并对汽轮机叶片的生产有示范作用。推动了我国能源事业的发展，为我国的电力事业提供保障。同时迎合我国十二.五计划的方针，大力推进绿色能源的发展，走可持续发展道路。1.3 本课题设计内容和方案1.3.1 本课题设计内容本文针对汽轮机叶片表面强化清理工艺，对抛丸机和汽轮机叶片进行大量研究，通过对目前广泛应用的对金属表面的清理、强化、硬化技术的分析、比较，确定了系统总体结构。设计专用汽轮机叶片抛丸机（图 1.4）和机器人柔性夹持叶片系统(图 1.5)。抛丸机由抛丸器、抛丸室、丸料的收集、分离和运输系统和除尘系统组成。最终实现对批量锻造生产的汽轮机叶片进行高效全方位的抛丸处理。抛丸器：设计抛丸器，让一定粒度的弹丸流入进丸管时（能控制弹丸的流量）便被加速带入高速回转的分丸轮中，在离心作用下，进入定向套，经过定向套窗口抛出，图 1.4 汽轮机叶片抛丸机1.斗式提升机 2.螺旋输送器 3.抛丸室 4.抛丸器 5.储备室6.分离室 7.滚筒筛 8.除尘系统 9.排尘囱 10.风机由高速回转的叶片拾起，并延着叶片长度方向进行不断的加速运动直到抛出。抛丸器的定位方面综合考虑抛丸强化工艺参数包括丸料的运动速度、流量，喷射角度、喷射时间以及喷嘴到叶片表面的距离，通过反复实验来控制和检验，抛丸的强度和表面覆盖率。最终达到期望的满覆盖率抛丸让叶片产生强烈的塑性变形。让叶片表面产生一定厚度的晶粒细化层，并产生残余压缩应力，明显提高叶片的疲劳强度。丸料的收集、分离和运输系统：本系统包括分离器、斗式提升机、纵横向螺旋输送器、丸料补充装置、输丸机构等单元部件。喷落的丸料通过 V 字型接触面滑落到达螺旋输送器，目的是将丸料输送到提升机底部料口内。经斗式提升机定量定速地到达风选分离器中，运用丸料的重力和惯性实现分离，分离后储备待用于循环抛丸，最终实现丸料的循环。除尘系统：选择采用滤筒式除尘器或布袋式除尘器选用滤筒式除尘，除尘率达到 99.5%以上。机器人夹持叶片系统：根据生产线的技术要求，确定机器人的工位，机器人将实图 1.5 机器人现对汽轮机叶片在工位的夹持。灵活快捷地将叶片移动到抛丸室。同时机器人夹持系统将完成对叶片抛丸过程中的间歇式旋转运动，最后实现对叶片的卸载。针对夹持汽轮机叶片的实际情况，进行机械人的工作空间分析和选型。1.3.2 本课题设计的方案本课题的设计希望对精锻的汽轮机叶片进行智能的抛丸，实现汽轮机叶片锻造工艺中的清理和强化。金属材料大部分是晶体材料，其组织性能和力学的性能不稳定。同时疲劳的裂纹萌生主要是晶体的滑移。设计思路可以通过渗碳、氮碳共渗、热处理、及抛丸等表面强化工艺增加工件的抗疲劳强度。主要原理是为了让金属内部的晶体强化、或让晶体错位达到强化。首先，抛丸强化技术是一种有效的金属表面清理和强化工艺，通过高速抛射钢丸（60 米/秒）于零件的表面，钢丸对零件表面的冲击和切削作用，除去工件表面的粘砂、氧化皮和小的飞边毛刺，使工件表面获得一定的清洁度和良好的粗造度。提高抛丸速度（80 米/秒）使工件表面的外表面的外表和形状发生变化产生一定压应力，形成晶粒细化组织，使工件的机械性能改变，微观上零件表面形成残余压应力和疲劳载荷的叠加是零件疲劳极限提高的主要原因。同时抛丸设备效率高、污染小、抛丸量大、作用力大等显著特点，所以抛丸在零件的工艺加工领域，得到日益深入的发展和应用。在表面强化工艺手段选择方面有喷丸、喷砂、抛丸。对于喷砂与抛丸来讲，其中喷砂使用高压风或压缩空气作动力，而抛丸一般为高速旋转的飞轮将钢砂高速抛射出去，效率高，作用面积大，作用力大；而喷砂比较灵活，效率低，处理表面精细，容易控制精度，适用于形状复杂的小型工件。抛丸比较经济实用，容易控制效率和成本，可以控制丸料的粒度和速度来控制抛射效果,抛丸机叶片的寿命不长，综合考虑对于汽轮机叶片这类曲面高精度批量的部件，先放弃了使用喷砂对叶片进行表面强化。而对于喷砂和喷丸来讲，喷 丸 与 喷 砂 都 是 使 用 高 压 风 或 压 缩 空 气 作 动 力 ,将其 高 速 的 吹 出 去 冲 击 工 件 表 面 达 到 清 理 效 果 ,只 是 介 质 不 同 ,造 成 效 果 不 同 。 虽设 备 结 构 较 简 单 ， 整 机 投 资 少 ， 维 修 费 用 低 ； 但 目 前 清 理 效 率 低 ， 操 作 人 员 多 ，劳 动 强 度 大 ， 喷 嘴 易 损 坏 ， 所 以 放 弃 选 用 。本 课 题 选 用 机 器 人 夹 持 装 置 ， 主 要 针 对 目 前 机 叶 片 人 工 喷 丸 /砂 ， 效 率 低 ，对 操 作 人 员 容 易 造 成 身 体 危 害 等 因 素 。 而且长时间的抛丸会造成的表面粗造度的增加，引起应力的集中，造成疲劳极限的降低。机器人的夹持和卸载良好的控制了抛丸的时间。课 题 的 设 计 方 案 有 效 提 高 生 产 效 率 ， 只 要 调 度 得 当 ， 机 器 人 不 需 要中 间 休 息 ； 有 效 的 改 变 产 品 加 工 质 量 ， 机 器 人 的 运 动 和 重 复 定 位 精 度 高 ， 工 作 稳定 性 高 ， 使 同 一 批 次 的 产 品 互 换 性 高 。 对 于 汽 轮 机 这 种 进 行 旋 转 运 动 易 产 生 叶 片震 荡 现 象 的 机 械 更 是 相 当 重 要 ， 因 此 对 叶 片 的 精 确 处 理 更 应 得 到 重 视 。 同 时 机 器人 夹 持 叶 片 进 行 抛 丸 改 善 了 劳 动 环 境 ， 不 需 要 人 来 从 事 工 作 环 境 差 ， 工 作 步 骤 单调 而 重 复 的 工 作 。本课题针对汽轮机在电力工业中的重要性，对汽轮机叶片这一核心部件表面处理进行了优化，希望在提高叶片抛丸处理效率的同时提高叶片抛丸的稳定性、精确性。更深一步的提高叶片的使用的寿命和互换性。2 汽轮机叶片清理工艺汽轮机叶片大部分由锻造成型，工艺要求严谨。加工的各个环节中，往往沾污上加工过程中的油污，如切削液、润滑油、淬火液、抛光膏、标记油漆等，还有存放过程中产生的锈蚀和氧化皮，加工中形成的氧化膜或毛刺等。如果不对这些表面污染物加以处理就进行后期的涂层处理（如真空涂 TiN） 、镀层处理（如镀 Cr，Ni） 、离子注入形成表面合金层、物理气相沉积等表面处理，则会造成表面的脱层，龟裂，断层等现象。所以在毛胚锻造前后我们必须对叶片进行合理的清理工艺。2.1 化学清理化学清理表面，运用酸性或碱性溶液与工件表面的氧化物及油污发生化学反应，使其溶解在酸性或碱性的溶液中，以达到除去叶片表面的氧化物和油污目的。但处理后微观上检查，工件的表面仍有微量的油脂膜层和极薄的自然氧化膜、碳化物膜等，这些微量膜都会影响保护层在工件上的附着力。生产实践中，钢板经化学处理后进行涂层，寿命只有 2-3 年，而喷丸处理后进行涂层寿命却可以达到 10 年左右。另外，电化学清理或电解抛光是通过在合适的电解液中通直流电，达到清理不锈钢表面的目的。电化学工艺与酸洗不同，酸洗会使表面粗糙，电化学工艺会将凹凸不平的表面“抛光” ，并消除许多种表面缺陷。汽轮机叶片薄而细，时间控制不当，易出现过腐现象。更重要是化学处理造成环境污染，不迎合未来加工工艺的发展。2.2 喷砂/丸清理传统喷砂/丸设备（图 2.1）主要是利用压缩空气驱动磨料，形成高速喷射图 2.1 喷砂设备束击打进行表面清理、磨削和抛光。喷砂/丸按磨料的运动方式，分吸入式、重力式和直接加压式三种类型。气动喷砂/丸机灵活高，工作室内喷嘴数目和安装位置可以根据零件的形状和尺寸任意的调整。但消耗功率大，生产效率低，喷砂/丸速度 4055m/s，喷丸量 4560kg/min,喷砂量 30kg/min。同时部分丸粒破碎产生大量的粉尘，使操作环境恶劣，除此设备的占用空间大，不宜放在生产线上。目前，激光喷丸利用激光诱导离子产生强烈的撞击并不能达到表面清理的目的，但效率比传统的喷丸技术还低，设备成本也贵；高压水射流喷丸则是携带巨大能量的高压水射流以某种特定的方式高速抛打到金属工件上，使工件在表层在再结晶的状态下产生塑形变形，呈现理想的组织结构；超声高能喷丸技术则是将电震荡技术转化成高频的机械振动，同时进行喷丸的处理。2.3 抛丸清理抛丸进行表面清理，抛丸器运用离心力将钢丸加速到一定速度，离心轮叶片直径一般为 300400mm，转数为 15003000r/min，将高速钢丸流 (5060m/s)抛射至工件进行表面清理，以除去工件表面的粘砂、氧化皮和小的飞边毛刺，得到一定的粗糙度。同时通过伺服电机提高抛丸速度（80100m/s）进行抛打，使汽轮机叶片形成压应力及产生形变强化和细晶强化进而改变表面机械性能。通常离心轮在工作室的位置是固定的，靠零件的运动来对规定的表面进行清理。抛丸机消耗功率低，生产效率高，抛丸清理和强化质量稳定。有调查显示，通过抛丸强化，能使传动齿轮的寿命延长 1500%，弹簧的抗疲劳强度寿命延长 600%，曲轴的抗疲劳强度延长900%。当然相较于抛丸清理，喷丸强化的工艺参数监控更为严苛，就曲轴强化应用，需要监控的参数包括：喷丸强度、喷丸速度、丸粒直径、喷丸的距离、覆盖率和强化的时间。这些参数中任意一个的变化，都会不同程度地影响曲轴表面强化的效果。所以此设计的机器人抛丸机也是为了更好的控制参数。3 抛丸器的结构及原理3.1 抛丸器的结构及其主要零件3.1.1 抛丸器的结构简述抛丸机的抛丸器（图 3.1）主要由几个重要部分组成：分丸轮，定向套，叶片，叶轮。分丸轮的前部与进丸管相连，进丸管的任务向分丸轮喂丸，周围的衬板由耐磨的高铬铸铁制成，有效防止高速运动弹丸冲击和磨损外壳，同时降低一定的噪音，使结构更紧凑。图 3.1 抛丸器3.1.2 叶片与叶轮的模型叶片的结构如图 3.2，大部分由高铬铸铁铸造成型，也有用特殊硬质锰钢的。叶片由形状分（左）前曲叶片， （中）直叶片和（右）后曲叶片。所有叶片都采用带燕尾键的底座来固定。 图 3.2 抛丸器叶片叶片是曲线形，和直线形比较其优点： 曲线叶片抛出的弹丸速度快。如图 3 .3 所示,比较离心力 Va 、Vb 与切向力Vc 的合力, 显然 Ve Vf ，所以,曲线形叶片比直线形叶片抛射速度快。也就是说,同样的抛丸量需要的时间短。由于清理时间短,叶片的寿命就会延长。图 3.3 曲叶片与直叶片抛丸速度图 曲线形叶片能均匀地清理工件表面。如图 3.4 所示,实测了直线叶片和曲线叶片的磨损,曲线叶片中央处的凹谷变浅,对整个工件能均匀地清理,提高清理质量。图 3.4 曲线叶片和直线叶片的磨损情况叶轮由两圆盘铆接成一体，构成叶轮体，如图 3.5。在叶轮上有 8 个叶轮槽,这八个叶轮槽的位置由叶片的结构确定。对于前曲叶片和后曲叶片来讲，必须保证叶片的工作表面曲线与叶轮的径向相切；而直叶片，必须保证工作平面在叶轮直径方向上即可。同时，叶片失效的不定时性，叶片平均寿命为 500 小时。为了方便安装与拆卸，在叶片插入叶轮燕尾槽后，在叶片的底座底部与叶轮燕尾槽底部之间放一个弹簧，靠弹簧的挤压力使两个零件固定在一起。这样的安装既可以避免配合间隙造成工作的振动，更能方便拆卸和安装。图 3.5 叶轮3.1.3 分丸轮与定向套的模型分丸轮与定向套的模型如图 3.6。图 3.6 分丸轮和定向套分丸轮的作用是使弹丸提前加速分批通过定向套到达叶片进行加速，在高速的作业时，其过程也受到弹丸与其内壁的碰撞和磨损，采用高铬铸铁铸造而成。分丸轮和叶片是同步的旋转保证了弹丸向叶片的无振动传递，减小了对叶片的磨损。定向套是固定在抛丸机机壳上的零件，它的作用使在分丸轮内初步被加速的丸料只能从定向套窗口飞出，除定向套窗口外的丸料被定向套内部挡住外飞。同时分丸轮与弹丸之间的间隙应为弹丸直径的 3 倍-5 倍以上方能达到较好的耐磨性和较高的生产效率。图 3.7 四丸轮和八窗口分丸轮分丸轮有窗口分四窗口分丸轮和八窗口分丸轮（图 3.7 窗口分） ；另外还有一种用于生产的是四棒分丸轮（图 3.8）,实验效果更好，既增加了分丸轮内腔的大小，又增加了分丸轮的耐磨性（每根直径比其叶片的两倍厚度还大） ，也通畅了丸料送入通道。图 3.8 四棒分丸轮3.1.4 定向套的设计合理的定向套位置有利于抛丸的效率和避免部件的磨损。下面用公式法和作图法阐述定向套的角度。公式计算法：原苏联学者阿克簘诺夫在教课书上及萨威林博士在喷弹硬化书中的工作，他们提出了在抛丸器设计中常用的公式如下：相对速度： 2owVr （1）牵连速度（抛丸器出口处是叶轮外径的切向速度）： Veo （2）绝对速度：Vmax 2e =1.4Ve （3）实际上是抛出速度方向与切向速度夹角 tan11.454，所以抛丸器的定向套窗口角等于 54 。角位移 02 （4）Auto-cad 作图法（图 3.9） :如图 4 抛丸器中心线至工件表面距离为 600 mm，由 y 轴 54决定弹丸出口点“C” ，由此点作出垂直底边的一垂直线当作抛射带起始边C-D，利用（4）式： 02R （5）R 为计算点直径,R0 为计算起始点。设 R=3 0R就计算出图 4 所示的Q033，Q034 ，Q035 标准抛丸器弹丸从定向套窗口由起始点（即叶轮内径或定向套外径） 到叶轮出口的角位移皆为 114.59，自“C”点顺时针方向依 114.59作得到定向套窗口左边一点“B”点。由“B”点和弹丸抛出的“C”点这两点，加上抛图 3.9 作图法：A,B 定向套窗口；C,D,E 是弹丸抛射区； A-C 和 B-F 弹丸轨迹射方向得弹丸在叶轮内的轨迹曲线 B-C 和抛射带起始边“C-D ”线，选取“CD ”线上“D”点，作“600 ”斜线，在这斜线上选取长度 “600 mm”终点“E”点，将“C-D” 线以分丸轮中心为基点旋转，使“C-D”线上“D”转到“E ”点，便作成了“E-F” ，线自“F ”点顺时针方向依 114.59 作得到定向套窗口右边一点“A ”点；由“A”点和弹丸抛出的“F”点这两点，加上抛射方向（即 F-E 线所示方向）共三个参数可作得弹丸在叶轮内的轨迹曲线 A-F 点，由 Auto-cad 计算得 54.67 (54 )。所以证明定向套的窗口采用 54。3.2 抛丸器的原理弹丸由进丸管进入分丸轮的空腔中，在重力的作用下，弹丸自然落入分丸轮的各个槽中，由于分丸轮高速旋转，使弹丸有一定的速度。弹丸进过定向套的开口，落入叶片之上，接着让叶片加速，最后抛打在工作表面。这是抛丸器的工作原理。抛丸器工作原理中定向套是固定的，分丸轮和叶片式是同轴转动的，使弹丸无振动送入叶片。4 机器人抛丸机的介绍及设计4.1 机器人抛丸机的介绍和工作原理机器人抛丸机（图 4.1）主要由抛丸器、机器人、抛丸清理室、斗式提升机、螺旋输送器、滚筒筛、分离器、除尘设备等部件组成。该汽轮机叶片抛丸机是一种间歇1.机器人 2.辊道 3.抛丸清理室图 4.1 机器人抛丸机1.斗式提升机 2.螺旋输送器 3.抛丸清理室 4.抛丸器 5.储丸室和分丸系统6.分离室 7.滚筒筛 8.除尘系统 9.排尘囱 10.风机式作业的抛丸清理设备，机器人将叶片夹持后，伸入抛丸室旋转并进行定时抛丸清理和强化。交错安装的四台抛丸器，将钢丸高速抛射到汽轮机叶片的表面，实现100%的覆盖率。丸料在低速抛出的情况下对汽轮机叶片进行清理工艺，通过伺服系统提高电机转速的情况下进行汽轮机叶片的强化工艺。抛射到清理室的钢丸，通过V 型槽滑落到螺旋输送器上，丸料被批次输送到斗式提升机的喂料口，提升后丸料混合物进入螺旋输送器和滚筒筛，丸料进入重力风选区进行分离，同时粉尘被风机带入布袋或滤筒式除尘器进行收集，少量被风机排出大气。而大部分清洁丸料进入储丸室。最后钢丸通过流量控制阀进入抛丸器进丸口，进行重复循环。丸料流程见图 4.2，粉尘循环如图 4.3。图 4.2 丸料循环图 4.3 粉尘循环4.2 抛丸清理室的设计抛丸清理室（图 4.4）由槽钢、角钢、钢板焊接而成，壳体用薄型的高猛钢板，护板用厚的高猛钢板做成。为了防止高速运动的钢丸磨损钢板, 同时为了达到减少震动和消减噪声的效果，清理室顶面和侧面均装了 5mm 橡胶板。根据汽轮轮机叶片的长度（目前国际最长的叶轮机叶片是 1710mm,大部分长叶片就 1000mm）, 确定清理室长度为 1400mm。抛丸器安装在清理室顶部和两侧，由于抛射距离一般取 800mm-1500mm,同时由机器人的工作范围共同决定了清理室的高度, 确定清理室中心到地面高度为 1300mm。最终清理室设计为以横截面为内切圆 800mm 的正六边形。清理室左侧上壁有除尘管道，良好的保持了清理室的能见度。清理室的门在后侧，采用双层橡胶密封，为了方便更换内壁的橡胶和机器的维修。图 4.4 清理室4.3 机器人抛丸机的主要规格和技术参数 清理室有效容积（长 X 宽 X 高）：140016001385mm 机器人最大持重：20kg 被处理汽轮机叶片的长度范围：小于 1200mm 机器人腕部夹持叶片回转速度：3.67rad/s 或 210/s 抛丸器：型号 抛丸器台数 叶轮直径 传动方式Q034Z15A 4 台 380mm 直联 不同工作状态电机工作情况如上图 4.4：A、B 电机可以通过伺服系统来控制电机转数。工作状态 工作机器 抛丸量 电机转数 电机功率清理叶片 A、B、C、D 160kg/min4 1400r/min 15kw强化叶片 A、B 320kg/min2 2500r/min 15kw 弹丸直径：1.2mm-2.0mm 提升量：40T/h 螺旋输送量:20T/h 分离器分丸量：40T/h 提升机功率 4kw 螺旋输送机功率 2.2kw 电机的选择：电动机型号 额定功率（kw）满载转速（r/min）质量（kg）抛丸器 A、B 电机 Y160M2-2 15 2930 125抛丸器 C、D 电机 Y160L-4 15 1460 144螺旋输送电机 Y132S-8 2.2 710 63提升机电机 Y160M1-8 4 720 118 除尘风量：12000-13000m3/h 总功率：90kw 总机重量：13500kg生产中每天需要加料补充, 每次补充加料不超过总量的 10%, 并始终保持料斗内的钢丸是满的。这样保证钢丸的级配基本不变, 也就保证了一定的清理效率, 并保证了汽轮机叶片清理和强化的质量稳定。若级配钢丸的粒度向小的方向发展, 则缩短补充加料的周期，反之，延长加料周期。总之，保持钢丸的级数对于抛丸清理很重要。4.4 机器人抛丸机主要部件结构和工作原理斗式提升机（图 4.5）本抛丸机采用平皮带斗式提升机，提升机的进料口与下端螺旋输送器相连，其中出料口与分离器相连，靠离心重力式落料，其中提升斗为铸造成型。提升机图 4.5 斗式提升机中有检修门，供检查、维修和安装皮带。下罩壳侧门供更换提升斗用。为了保证工作时输送胶带与钢丸之间的打滑，轮子用圆钢焊制改成图 4.6 (b)所示结构。这样, 钢丸即使进入轮子与胶带之间, 也可以从圆钢的缝隙中跑出, 胶带不再跑偏。这样既提高了提升胶带与带轮间的摩擦力，又避免了老式光皮带轮图 4.6(a)的打滑现象。既降低了提升皮带的预紧力，延长了提升胶带的使用寿命。同时提升机设有一套涨紧装置。当皮带松弛时，通过调节提升机上部两侧的调整螺栓，可以涨紧皮带。图 4.6 斗式提升机中冲动轮的改进(a)改进前(b)改进后螺旋输送器 螺旋输送器（图 4.7）是一种丸料水平输送设备，由摆线针轮减速器、螺旋轴、螺旋槽和轴座构成。本课题运用两个螺旋输送机，一个用于推动槽内丸料前移到滚筒筛中进行筛分，一个用于输送丸料到提升机底部料口。由于钢丸为干燥粒状物料，采用实体单头等距螺旋，将厚度为 5mm 的钢板下料成型焊在轴上。图 4.7 螺旋输送器分离室分离器（图 4.8）是抛丸机的关键部件之一，因为当丸料仓中钢丸中含破碎钢丸量为 2时，抛丸器叶片的磨损速度比使用纯钢(或铁)丸增加 5 倍一 1O 倍，降低其使用寿命，增加了维护成本。图 4.8 分离器此分离器采用 2 级风选丸料，具体分为一级大件初选，二级风选、网格筛选。从斗式提升机流入的丸砂混合物，由输送螺旋送至滚筒筛中。滚筒筛设有内外螺旋片，工作时，内螺旋片将大颗粒杂物运送至分离器另一端的排渣口排出，送至废料箱。如此便能分离出较大的异物，有利于设备安全运行和提高强化效果。外螺旋片推动丸砂混合物，使其沿分离器全长均匀布料，形成如同瀑布一样的钢丸流。同时，除尘风机通过分离器的风口抽风，利用重力风选，将飞流下的弹丸和金属氧化皮碎片、破碎弹丸、粉尘有效分离，大颗粒废料从分离器丸料溢流口流出，细小丸料、粉尘从废料出口流出，钢丸进入丸料仓进行循环。调整分离器的垂直与水平调节挡板之间的缝口，可以改善布料层的高度及轨迹，配合调整分离区的调节挡板，可以获得良好的分离效果，使分离效率可高达 99%。丸料螺旋的轴上装有脉冲轮，可检测跟踪丸料螺旋的工作状态，一旦出现堵塞不转等故障时，马上将信号反馈至 PLC，报警或逐步停车，以保证设备的安全运转。输丸系统由输丸管和气动阀门组成。抛丸器的抛丸量大小由气动阀门控制，气动阀门的开关用气缸驱动，阀门开关的大小由调节盘来控制。除尘系统配置二级除尘，根据空气动力学原理将较大颗粒预先分离作为一级净化。第二级为布袋除尘器。除尘布袋采用工业涤沦 208 绒布精密缝制而成，布袋可以方便地拆下进行清洗再使用，布袋寿命一般为 23 年。除尘系统也可选用滤筒除尘器。5 机器人系统设计5.1 机器人系统的工作原理机器人系统（图 5.1）由底座、腰部、大臂、肘关节、小臂、腕关节、腕部和夹爪构成。主要采用交流伺服电机和混合式步进电机驱动部件的运动。工作原理（图 5.2）夹持阶段：工件进入 1 号工位上料辊道后运送入 2 号工位辊道，通过红外感应器进行汽轮机叶片的识别，当停止在 2 号工位辊道时，反馈消息给机器人，并控制机图 5.1 机器人系统器人夹爪对汽轮机叶根进行液压式的夹持。最后通过固定程序将汽轮机叶片送入抛丸清理室。抛丸阶段：叶片被送入抛丸室中精准定位后，腕部将在做 360的定时旋转，实现汽轮机叶片的抛丸清理和强化作用。卸载阶段：机器人取出叶片将叶片放入 3 号工位辊道，液压弹簧将卡爪打开。最后回到初始位置。图 5.2 工作原理5.2 机器手的结构设计5.2.1 机器手的工作能力该机器手的特点是动作灵活，工作范围大，机构紧凑，能轻松的抓取汽轮机的叶根，下面机器人的技术参数：自由度数目：6 个坐标形式：垂直关节型额定负荷质量：20kg机器人的工作范围如图 5.3：图 5.3 机器人的工作范围机器人的各部位的工作转数如表 5.1：回转范围（） 最大工作转数 rad/s腰部回转 180 2.62大臂回转 120 3.60小臂回转 60 5.24腕部摆动 90 5.24腕部回转 180 7.33表 5.1 机器人各部件的工作转数5.2.2 机器人的结构目前，机器人在尺寸和形状方面有很大的差别，但总结起来都由三个基本部件：执行机构、驱动系统和控制系统。而执行机构又主要由腰部，大臂，肘关节，小臂、腕部和终端的执行器构成。而控制系统主要给机器人提供一系列信号，反馈给传感器等，以确定其运动轨迹。如下图 5.4：图 5.4 机器人的工作原理5.2.3 机器人驱动设备的选择机器人的驱动设备有以下四种：1直流伺服电机：较大启动力矩，良好的调速特性，功率相对较大，快速响应等特点，并且控制技术成熟。但是结构复杂，结构偏大，成本高，需要外围转换电路和危机配合实现数字的控制。使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实际工作的影响。2.步进式电机：结构简单，控制性能好，成本低廉，能够实现数字控制，不需要反馈能对位置和速度进行控制，位置误差不会累计，同时步进式电机具有自锁能力（变磁阻式）和保持转矩（永磁式）的能力，能进行良好的定位。但由于其功率偏小，体积大空间分辨能力低，使用于传动功率低的中小型机器人。3.液压伺服马达：运动平稳，定位精度高，有较大的功率和体积比，负载能力大，能抓取重负载不会滑移。从体积、功率和重量来讲都不失为一种合适的选择方案。但图 5.5（左）直流伺服电机和（右）液压伺服马达费用较高，液压系统造成的漏油现象，维修不便。4.交流伺服电机：体积小，结构简单，运行可靠，使用维修方便，价格比直流伺服电机便宜，但高于步进式。采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三环（位置、速度、电流）全数字控制，增量式反馈可以达到很高的定位精度。同时能实现很高的功率和响应速度。图 5.6 交流伺服电机本课题中机器人的额定负载较小，体积和重量均较小，综合分析后，决定采用混合步进式电机和交流伺服电机驱动。腰部，大臂，小臂要求动态性、传动功率较大，采用交流伺服电机，腕部采用混合步进式电机驱动。5.3 机器人的工作轨迹路线和时间安排一个良好的机器人工作轨迹路线既可以节省运料时间，又可以减小机器人的工作空间。如下，机器人在初始位置（图 5.7）得到 2 号辊道红外线反馈的信号成功抓取汽轮机叶片叶根。预设的 PLC 控制系统首先开始控制机器人实现加持叶片送入抛丸室的过程： 图 5.7A.旋转大臂，将叶片抬起脱离辊道（图 5.8） 。图 5.8B.大臂保持不动，小臂逆时针匀速旋转 90 度的同时，腕关节微量的旋转来保持叶片的水平高度不变(图 5.9)。图 5.9C.旋转大臂和肘关节来调整叶片的水平高度,使叶片对准清理室中央（图 5.10） 。图 5.10D.摆动大臂的同时,旋转肘关节和腕关节，在保持叶片水平高度不变的同时将叶片送入抛丸室（图 5.11） 。图 5.11E.抛丸清理和强化后，机器人将完成叶片的卸载（图 5.12） ，摆动大臂，同时控制好肘关节，顺利地将叶片从抛丸清理室中水平取出。接着逆时针旋转小臂 90 度，在保持叶片水平的情况下将叶片放在辊道 3 上，最后机械抓松开，恢复到初始位置。图 5.12根据上面机器人的走位，我们对作业时间进行了控制。工作周期控制在 11 分钟左右。如图表 5.1：作业编号 A B C D 清理 强化 E 总时间作业时间/s 1 5 3 2 600 55 10 675表 5.15.4 机器人夹爪的结构和工作原理机器人夹爪有平行夹爪，摆动夹爪，旋转夹爪和三点夹爪。本课题针对汽轮机叶根四四方方的结构，选择了平行夹爪。四种夹爪如图 5.13图 5.13平行夹爪，摆动夹爪。旋转夹爪三点夹爪所示平行夹爪通过两个活塞动作的。每一活塞由一个滚轮和一个双曲柄与气动手指相连，形成一个特殊的驱动单元。这样，气动夹爪总是轴向对心移动，每个手指是不能单独移动的。如是手指反向移动，则先前受压的活塞处于排气状态，而另一个活塞处于受压状态。所示摆动夹爪的活塞杆上有一个环槽，由于手指耳轴与环形槽相连，因而夹爪可同时移动且自动对中，并确保抓取力矩终恒定。所示旋转夹爪的动作是按照齿条的啮合原理工作的。活塞与一根可上下移动的轴固定在一起。轴的未端有三个环开槽，这些槽与两个驱动轮的啮合。因而，气动手指可同时移动并自动对中，齿轮齿条原理确保了抓取力度始终恒定。所示三点夹爪的活塞上有一个环形槽，每一个曲柄与一个气动手指相连，活塞运动能驱动三个曲柄动作，因而可控制三个手指同时打开和合拢。本课题设计了较简易的液压夹爪装置图 5.14，液压推动推杆时连杆将被推动让夹爪张开，推杆收缩让夹爪合拢。最终完成汽轮机叶片的抓取和卸载。图 5.146 结 论本文对精锻后的汽轮机叶片表面抛丸清理工艺进行了改进和装备的设计，同时应用机器人在机械加工中的通用性和灵活性。设计了针对汽轮机叶片的机器人抛丸机，实现了对叶片的全自动抛丸清理和强化工艺。本论文主要完成的工作如下：(1) 抛丸清理在锻造和铸造行业生产中占有重要地位。本论文从汽轮机叶片锻造过程中抛丸工艺为出发点，对抛丸清理和强化工艺进行了研究分析。特别针对生产出的叶片实现低速抛丸（50m/s-60m/s）处理，去除了汽轮机叶片表面的粘砂、氧化皮，和毛刺；接着通过伺服电机改变抛丸速度（80m/s-100m/s）后,进行了强化处理，使汽轮机叶片形成压应力及产生形变强化和细晶强化进而改变表面机械性能提高汽轮机叶片的使用寿命。(2) 在通过大量的查阅抛丸机在国内外发展的状况、工作原理和结构。从节省成本和空间占有率高等因素的为出发点，独立自主设计了抛丸清理室的尺寸和形状，确定了抛丸器数目和其它技术参数。(3) 本课题为更大程度的实现高效利率和机械自动化，设计了机器人对叶片进行了夹持。用 Solidworks 设计了机器人，并基于抛丸清理室大小设计了合理的机器人尺寸。实现了机器人和抛丸机的结合。最后用 Animator 插件对机器人抓取汽轮机叶片，夹持叶片进入抛丸室，卸载叶片进行了运动学仿真，检查了运动干涉。在论文总结之际，针对本文的研究的欠缺，提出了几点进一步研究的设想和建议：(1) 叶片抛丸加工方面：目前，半自动化抛丸劳动效率低，且精度难以保证。同时没精准的确定不同材料工件在不同的抛丸时间、抛丸速度、丸料级数的影响，因为过度抛丸同样会造成对工件的损害。同时如何实现与生产线的有机结合，控制生产节奏，都是我们需要研究的发展趋势。( 2 ) 抛丸仿真加工方面：随着抛丸机的的运用逐步广泛，在实践前，需要我们对其进行更精确的仿真。例如：抛丸机工作时噪音很大，我们可以进行仿真研究，发现振动的来源，共振的的传递，如何消弱振动带来的噪音。目前，我国重视绿色能源，更重视绿色能源的基础设施建设，走可持续发展，所以机器人抛丸机也是未来的发展趋势。参 考 文 献1 娄伟.喷砂除锈机器人D.青岛:青岛理工大学，2004.2 张志健.抛丸件表象疲劳极限及喷丸工艺优化研究D.秦皇岛:燕山大学,2003.3 杨清林.铸造表面粗造度研究D.杭州：浙江大学，2003.4 彭志.汽轮机叶片精锻工艺 CAD 与成形过程数值模拟D.秦皇岛:燕山大学,2002.5 谢建峰.50MW 汽轮机叶片断裂失效分析和技术改造D.南京:东南大学,2004.6 王希涛.大型油罐喷砂/喷漆机器人的研究D.青岛:山东理工大学,2006.7 冯川.机器人喷釉系统的研究和应用D.北京:清华大