列車車身表面處理機器人的研究*

李曉娟，程智勇

（廣州鐵路職業技術學院機電學院，廣東廣州 510430）

0 引言

使用一段時間的列車車身的表面都會生銹，目前都是靠人工進行除銹清理，但由于列車車身面積大，因此除銹手工作業勞動強度大[1]，打磨產生的粉塵也會對操作工人的健康造成很大的損害，容易造成職業病的產生，且施工質量難以保證，工作效率低[2]。

基于此，本團隊設計一種列車車身表面處理機器人，能夠減輕勞動強度，保證施工質量，提高工作效率[3]。

1 列車車身表面處理機器人設計思路

列車車身表面處理機器人，包括機械臂、驅動機械臂移動的第一驅動裝置、可轉動連接于機械臂末端的安裝座、驅動安裝座繞機械臂轉動的第二驅動裝置、與第一驅動裝置、第二驅動裝置電性連接的控制器、及與控制器電性連接的攝像裝置，機械臂的末端可轉動連接有安裝座，安裝座上設有除銹頭、噴砂頭和探傷頭，除銹頭、噴砂頭和探傷頭均與所述控制器電性連接[4]。

如圖1和圖2所示，一種列車車身表面處理機器人，包括機械臂10、驅動機械臂10移動的第一驅動裝置、可轉動連接于機械臂10末端的安裝座20、驅動安裝座20繞機械臂10轉動的第二驅動裝置、與第一驅動裝置、第二驅動裝置電性連接的控制器及與控制器電性連接的攝像裝置30，機械臂10的末端可轉動連接有安裝座20，安裝座20上設有除銹頭40、噴砂頭50和探傷頭60，除銹頭40、噴砂頭50和探傷頭60均與控制器電性連接。

該機器人在進行表面處理工作中，先通過攝像裝置30采集車身的表面生銹信息，并將采集到的信息發送至控制器，控制器根據預設的合格表面進行對比，若不滿足要求，則啟動第一驅動裝置來移動機械臂10，將安裝座20送至需要表面處理的位置，先通過第二驅動裝置驅動安裝座20轉動，將除銹頭40移動至待處理表面，然后啟動除銹頭40對表面進行除銹，除銹過程中通過攝像裝置30采集實時信息發送至控制器，通過控制器來控制除銹頭40的工作，待除銹完成后再轉動安裝座20使探傷頭60移動至已除銹表面，啟動探傷頭60對除銹后的表面進行探傷，若探傷滿足要求則再轉動安裝座20使噴砂頭50移動至待噴砂表面，啟動噴砂頭50進行噴砂，噴砂過程中通過攝像裝置30采集實時信息發送至控制器，通過控制器來控制噴砂頭50的工作，直至噴砂合格，完成表面處理。整個車身表面處理都通過機器人完成，無需人工操作，減輕勞動強度，提高工作效率，且通過攝像裝置30和控制器的監控，保證施工質量，該機器人通過第一驅動裝置驅動機械臂10動作，且聯合通過第二驅動裝置驅動安裝座20轉動，使該機器人適應于車身不同位置的表面處理，使機器人的使用更靈活。

圖1 列車車身表面處理機器人的結構示意圖

圖2 安裝座的結構示意圖

列車車身表面處理機器人還包括一端與除銹頭40連接的第一伸縮件410、一端與噴砂頭50連接的第二伸縮件510、一端與探傷頭60連接的第三伸縮件610、及驅動第一伸縮件410、第二伸縮件510和第三伸縮件610作伸縮運動的第三驅動裝置，第三驅動裝置與控制器電性連接，第一伸縮件410、第二伸縮件510和第三伸縮件610均設于安裝座20上。根據當前不同的表面處理需求，控制器控制第三驅動裝置驅動不同的伸縮件伸長，使對應當前表面處理需求的功能頭對表面進行處理，防止其他功能頭在工作發生干涉，保證連續作業，進一步提高工作效率。

列車車身表面處理機器人還包括抽風頭70、一端與抽風頭70連接的第四伸縮件710，第四伸縮件710設于安裝座20上，第三驅動裝置可驅動第四伸縮件710作伸縮運動。在除銹過程中，通過啟動抽風頭70進行吸塵，改善工作環境，也使攝像裝置30采集到表面信息更準確，進一步保證施工質量。

列車車身表面處理機器人還包括標記頭80、一端與標記頭80連接的第五伸縮件810，第五伸縮件810設于安裝座20上，第三驅動裝置可驅動第五伸縮件810作伸縮運動。探傷頭60對除銹后的表面進行探傷，若探傷不滿足要求則再轉動安裝座20使標記頭80移動至探傷表面進行標記，便于跟蹤處理。

安裝座20設有容納腔210、與除銹頭40適配的第一通孔220、與噴砂頭50適配的第二通孔230、與探傷頭60適配的第三通孔240、與抽風頭70適配的第四通孔250、及與標識頭適配的第五通孔260，第一通孔220、第二通孔230、第三通孔240、第四通孔250和第五通孔260均與容納腔210連通，第一伸縮件410、第二伸縮件510、第三伸縮件610、第四伸縮件710和第五伸縮件810均位于容納腔210內。根據當前不同的表面處理需求，控制器控制第三驅動裝置驅動不同的伸縮件將對應功能頭伸出對應的通孔，對表面進行處理，防止其他功能頭則縮回在安裝座20的容納腔210內，既可以防止在工作發生干涉，又可以使整體外形更美觀，結構更緊湊。

機械臂10包括支臂110和與支臂110鉸接的擺臂120，第一驅動裝置驅動擺臂120繞支臂110擺動，攝像裝置30設于擺臂120上。在噴砂過程中，若噴射角度或噴射距離偏離最佳范圍時，第一驅動裝置驅動擺臂120運動，調節機械臂10的關節參數，使噴砂效果最佳，進一步提高施工質量。且噴砂頭50設有砂礫輸送空氣閥，砂礫輸送控制閥與控制器電性連接。通過控制砂礫輸送空氣閥處的壓力，來控制砂料噴出的動能大小，提高噴砂質量。

列車車身表面處理機器人還包括設于安裝座20上的測距傳感器90，測距傳感器90與控制器電性連接。通過測距傳感器90精確檢測安裝座20與車身表面的距離，從而精確控制不同功能頭于車身表面的距離，進一步保證施工質量。

測距傳感器90為紅外測距傳感器90，紅外測距傳感器90集成了紅外接收管、前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器、整前電路和輸出放大電路，靈敏度很高，且還可以通過調整電位器來控制其發射的強度，進而來測出噴砂頭50與車身表面的距離。

列車車身表面處理機器人還包括底座100、及驅動底座100移動的移動裝置200，移動裝置200與控制器電性連接，機械臂10、攝像裝置30、第一驅動裝置、第二驅動裝置和第三驅動裝置均設于底座100上。移動裝置200帶動底座100移動，便于機器人移動，使機器人對車身表面的不同位置進行處理，且在噴砂過程中控制器控制移動裝置200工作，避免相鄰兩個噴面重疊過多，進一步保證施工質量。

2 列車車身表面處理機器人工作原理

在進行表面處理工作中，先通過攝像裝置采集車身的表面生銹信息，并將采集到的信息發送至控制器，控制器根據預設的合格表面進行對比，若不滿足要求，則啟動第一驅動裝置來移動機械臂，將安裝座送至需要表面處理的位置，先通過第二驅動裝置驅動安裝座轉動，將除銹頭移動至待處理表面，然后啟動除銹頭對表面進行除銹[5]，除銹過程中通過攝像裝置采集實時信息發送至控制器，通過控制器來控制除銹頭的工作，待除銹完成后再轉動安裝座使探傷頭移動至已除銹表面，啟動探傷頭對除銹后的表面進行探傷，若探傷滿足要求則再轉動安裝座使噴砂頭移動至待噴砂表面，啟動噴砂頭進行噴砂，噴砂過程中通過攝像裝置采集實時信息發送至控制器，通過控制器來控制噴砂頭的工作，直至噴砂合格，完成表面處理。整個車身表面處理都通過機器人完成，無需人工操作，減輕勞動輕度，提高工作效率，且通過攝像裝置和控制器的監控，保證施工質量，該機器人通過第一驅動裝置驅動機械臂動作，且聯合通過第二驅動裝置驅動安裝座轉動，使該機器人適應于車身不同位置的表面處理，使機器人的使用更靈活。

3 噴砂除銹工藝有限元仿真分析

（1）材料模型與參數的確定

除銹的砂粒選用是SiC金剛砂，設金剛砂為剛體，靶材選用X80鋼板，屈服強度為552 MPa，模型選用是材料模型Johnson-Cook；各向同性材料模型受到應變、應變率和溫度因素的作用[6]。

動態屈服應力 σf：

ε?*——等效塑性應變率；

T*——溫度；

n——應變硬化指數；

m——應變率敏感指數；

A——材料的屈服應力；

B，C——常數；

式中 εˉ?P為參考塑性應變率，

式（3）中 Tr為室溫；Tm為熔點溫度；

采用Gruneisen狀態方程，壓縮材料的壓力表示P1為：

膨脹材料壓力P2表示為：

其中：V為相對面積，C為曲線截距，S1，S2，S3為曲線斜率系數；γ0為Gruneisen系數；α為對和的一階體積修正量；E0為內能。

（2）噴砂除銹工藝的可行性分析

應用ANSYS/LS-DYNA仿真軟件進行噴砂除銹工藝的可行性分析。

3.1 不同速度砂粒沖擊靶板進行仿真試驗

砂粒為16目，噴射角為 90°，以不同速度 （50 m/s、60 m/s、70 m/s、80 m/s、90 m/s、100 m/s）砂粒沖擊靶板進行仿真試驗，如圖3所示。不同速度砂粒沖擊下靶板所受最大應力，如圖4所示。

圖3 不同速度下砂粒沖擊靶板Mises應力圖

圖4 不同速度砂粒沖擊下靶板所受最大應力

3.2 不同砂粒大小沖擊靶板進行仿真試驗

以沖擊速度為80 m/s，垂直沖擊靶板情況下的（35目、32目、28目、24目、20目、16目）大小砂粒進行模擬仿真，砂粒沖擊下靶板應力云圖如圖5所示，最大應力曲線圖如圖6所示。

圖5 不同大小砂粒沖擊下靶板應力云圖

3.3 不同沖擊角度沖擊靶板進行仿真試驗

以沖擊速度為80 m/s的砂粒，在30°～90°之間的角度下進行沖擊靶板的仿真模擬。如圖7所示。

圖6 不同砂粒大小沖擊下靶板所受最大應力

圖7 不同角度砂粒沖擊靶板三維仿真模型圖

如圖8是速度為80 m/s，沖擊角度為80°，砂粒和靶板的能量變化圖。

圖8 砂粒和靶板的能量變化圖

根據仿真結果得到砂粒在30°～90°沖擊后，砂粒動能，靶板內能和損失能量的變化關系（如圖9所示），砂粒在90°沖擊角度下，除銹效果最好。

4 結論

通過選用材料模型Johnson-Cook；對各向同性材料模型受到應變、應變率和溫度因素作用的參數的確定；建立單粒子沖擊靶板模型，分別對不同速度、不同砂粒大小、不同沖擊角度下砂粒沖擊靶板進行仿真試驗，分析了不同工況條件下噴砂除銹的效果，并對仿真結果進行比較研究。最終得出：80 m/s為噴砂最佳速度、16目為最佳砂粒大小、90°為砂粒沖擊最佳角度，為之后的優化噴砂除銹工藝提供了有效數據[7]。

圖9 不同角度沖擊鋼板能量圖

參考文獻：

［1］王陸軍.強化拋丸技術現狀與發展［J］.現代零部件，2012（9）：68-69.

［2］彭立斌，赫亮，李曉晗.表面強化拋丸機設計初探［J］.中國新技術新產品，2011（24）：16-16.

［3］崔永瑞.幾種國外連續拋丸清理機［J］.中國鑄造裝備與技術，2000（1）：17-19.

［4］龍斌，呂喜軍，唐德渝，等.環保型全自動管道噴砂除銹機的研制及應用［J］.石油工程建設，2012，37（6）：36-38.

［5］付大海，曹京宜.通用型船用高壓水—磨料防銹機［J］.涂料工業，2002，32（7）：31-33.

［6］ Ross B.A Semi-Autonomous Robot for Stripping Paint from Large Vessels［J］.The InternationalJournal of Robotics Research，2003，22：617-626.

［7］文孝敏.噴砂除銹施工的質量、環保與安全［J］.中國科技縱橫，2012（17）：110-110.