燃气轮机透平动叶异型曲面喷涂程序开发研究

袁小虎，李定骏，刁金艳，冯文

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳， 618000）

燃气轮机透平动叶异型曲面喷涂程序开发研究

袁小虎，李定骏，刁金艳，冯文

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳， 618000）

文章用RobotStudio离线编程软件研究解决了机器人在燃机透平动叶片异型曲面上涂层制备的均匀性问题。其方法是首先在RobotStudio软件中建立模拟喷涂工作站，用微积分原理将异型叶身曲面剪截分成16个小部分，用联动计算、轨迹修正、外轴转角修正等优化方法，编制出透平动叶片叶身的喷涂程序。最后，用挂样方法验证喷涂程序，喷涂结果显示涂层厚度在0.11~0.15 mm，非常均匀，证实了编制程序的可喷涂性。

RobotStudio离线编程软件，透平动叶，机器人，涂层

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

热喷涂中，常常伴随高温、粉尘、有毒气体等损害人身心健康的因素，故适用于机器人作业。机器人的精确性和可编程性，可以实现规则、不规则型面喷涂，且制备的涂层厚度、性能基本上没有差异性，质量远远高于手工喷涂。机器人由程序来控制移动行走，常用的编制程序方式有两种：在线编程和离线编程。在线编程是指在作业现场，用示教器操纵机器人到达所需的目标点，把目标点的数据用示教器保存下来，形成机器人的移动轨迹，如图1（a）所示。离线编程是指部分或完全脱离机器人，借助计算机提前编制机器人程序，如图 1（b）所示[1]。

图1 机器人的编程方法

透平动叶片是燃气轮机高温部件核心之一，服役在高温、高压、离心力、腐蚀等耦合恶劣环境下，高温合金基体材料远远满足不了使用要求，因此，需在叶片表面涂覆高温防护涂层，即热障涂层。所谓热障涂层通常是指通过特殊制备工艺喷涂或沉积在高温合金表面，具有良好隔热、抗氧化效果的涂层体系[2]。广泛地应用到燃气轮机和航空涡轮发动机高温部件中，通过降低基体的温度来保护热端部件，达到延长燃气轮机和航空发动机部件寿命的目的[3-6]。

透平动叶片叶身型面复杂，程序编制的难度大，且机器人携带喷枪经过异型程度较大型面时，速度往往会发生变化，导致涂层厚度不均匀，严重影响涂层的质量及美观，最终影响到透平动叶片的服役寿命。

本文运用RobotStudio编程软件和喷涂系统（IRB4600型机器人，HVOF喷涂系统），探索了燃机透平动叶片异型叶身表面的喷涂程序编制方法，解决在异型程度较大喷涂区域内喷枪保持速度均匀的问题，实现大面积喷涂制备涂层。

1 喷涂程序编制和验证

燃机透平动叶片叶身喷涂程序开发遵循的方案如图2所示。

图2 透平动叶片叶身喷涂程序开发方案

1.1 建立透平动叶片模拟喷涂工作站

结合实际喷涂环境，在RobotStudio软件中建立透平动叶片模拟喷涂工作站，如图3所示。

图3 透平动叶片模拟喷涂工作站

建立方法：（1）在RobotStudio软件中新建一个空工作站，导入机器人、外轴，建立系统；（2）导入透平动片、工装、喷枪三维模型，按照实际需要设定位置；（3）建立合适的工具、工件坐标系。

1.2 编制透平动叶片叶身喷涂程序

1．2．1 叶身处理

用微积分原理对动叶身做如下处理和设想：

（1）根据动叶片叶身高度、型线特点和喷枪搭接等因素，将叶身部分剪截成16部分，除第1部分外，2～16部分之间在高度方向上距离完全一样，见图4。

图4 透平动叶片叶身剪截处理示意图

（2）假设叶身每一小部分的型面曲度、上下端宽度完全一致，视为完全相同的整体。

（3）假设叶身型线折线段就是叶身的型面曲线，如图4所示。

通过上述剪截和设想，叶身分成了16个完全相同的小部分。在每一小部分中，编制出一对内弧、外弧喷涂路径，将这条喷涂路径按照喷枪搭接沿高度方向向下平移，就获得了整个部分的喷涂路径。用同样的方法获取另外15个小部分的喷涂路径，最后将16个部分的喷涂路径结合起来即完成叶身喷涂程序的编制。下面就以第16小部分为例详述程序的编制方法。

1.2.2 叶身喷涂程序编制

1.2.2.1 生成型面基点和路径

在RobotStudio编程软件中，获得第16小部分叶片的顶端内、外弧型面曲线。选中内弧型面曲线，按照实际需要生成设定点，修正设定点的喷涂姿态，让其满足喷涂要求，同步到虚拟控制器中形成程序中的型面基点。型面基点及其组成的喷涂路径如图5（a）所示。

在实际喷涂中，机器人在启动、变更路径、停止时会发生加速或减速现象，导致喷涂涂层的厚度不均匀，影响涂层的质量。为确保喷涂区域内的速度均匀性，在型面曲线路径两端增设合适数量空走点，图5（b）是增加空走点后的喷涂路径。

图5 第16小部分内弧侧处的型面基点和喷涂路径

1.2.2.2 型面基点和路径修正

由于叶身顶部与根部、进气侧与出气侧存在较大型线差异，因此，直接生成的型面基点在实际喷涂中出现了如下问题：

（1）在靠近背弧侧叶根部分，进气、出气侧的扭曲程度差异巨大，机器人在位置固定的情况下，不能到达喷涂路径中的部分目标点，即超过机器人的工作范围，无法完成整个路径喷涂；

（2）叶身上、下端型面基点喷涂姿态差异较大，如图6所示，这不利于机器人自身6轴的协调配合，导致加速或减速现象，影响涂层质量；

图6 第16段与第1段的型面基点数据

（3）叶身上、下端型面基点的机器人轴配置差异较大，如图6所示，喷涂过程中会造成机器人中断调整配置，这在喷涂中是绝对不允许的。

经研究发现可用型面基点联动计算方法，即在喷涂时让外轴与机器人协调来解决此问题。通过基点联动计算可以实现整个叶身喷涂点以相同的喷涂姿态和机器人配置。图7是联动计算后喷涂目标点的喷枪姿态、机器人配置。

图7 型面基点联动计算后的路径及相应的姿态、配置

但联动计算后，喷涂路径又出现了如下问题：

（1）7、 8、 9 路径转折点；

（2）第8喷涂点的外轴角度与其他外轴角度符号相反。

在实际喷涂中，这会造成机器人加速或减速，通过监测，该路径上速度曲线如图8（a）所示。可以看出，喷枪在路径上出现了3次加速、减速现象。

为了保证喷涂区域内的移动速度均匀性，需避免外轴和机器人出现加、减速现象。经研究发现，只有在外轴单方向连续转动，且路径为光滑曲线时才能满足。因此，用 “抛物线”数学模型将折点路径修正成光滑的抛物线。图8（b）是监测修正后的速度曲线，可以看出，速度均匀性得到大大改善，喷枪经加速-匀速-减速过程，在喷涂区域内保持匀速运动。

图8 抛物线、转角修正前后的速度曲线

1．2．2．3 生成叶身喷涂程序

1．2．2．2 步骤得到喷涂目标点沿着叶身高度方向整体向下平移，得出第16段内弧侧的喷涂路径及相应喷涂目标点，见图9。用相同方法获得第16段背弧侧部分的喷涂目标点，这就形成第16段的喷涂程序。

图9 第16段内弧侧部分的喷涂路径及相应喷涂目标点

用获得第16段部分喷涂程序的方法获得其他15段部分的喷涂目标点和路径，将16部分整体结合起来形成叶身的喷涂程序。

1．2．3 喷涂程序试验验证

在喷涂工作间进行验证喷涂程序，喷涂后涂层厚度的结果如图10所示，可以看出，叶身部位的涂层厚度均匀性非常良好，在0．11～0．15 mm之间，证实了编制程序的可喷涂性。

图10 透平动叶片异型叶身曲面涂层测量结果（单位：μm）

2 结论

通过燃机透平动叶片异型叶身喷涂程序开发研究，可以得出如下结论：

（1）编制大型异型曲面喷涂程序时，可用微积分原理，将曲面分成若干个相近的小部分，假设每一个小部分完全相同，分别编制，最后将每一小部分程序结合起来形成整个曲面的喷涂程序；

（2）联动计算、喷涂轨迹修正、转角修正等路径优化方法可以显著改进喷涂速度的均匀性，达到改善喷涂涂层质量的目的；

（3）本文的编制程序方法可以运用到同类型喷涂产品上，对其他喷涂产品的程序开发可以起到借鉴作用。

[1]方丹丹.热喷涂机器人路径的自动化生成和优化[D].武汉:武汉理工大学,2007.

[2]艾松,刘维兵,赵仕志,等.热障涂层失效机理与寿命预测研究方法[J].东方汽轮机,2015,（4）:1-5.

[3]王焱,李定骏.等离子喷涂热障涂层组织结构及热导率研究[J].东方汽轮机,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，硕士，助理工程师，2013年毕业于北京航空航天大学，现主要从事热喷涂相关技术工作。