专利名称：涂覆路径生成方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及生成用于对组件进行涂覆的喷枪的运动路径的方法和设备。本发明尤其涉及具有复杂几何形状的组件，比如涡轮动叶和静叶，尤其是燃气轮机动叶和静叶的自动涂覆路径生成方法。
背景技术：
厚度分布是涂层的最重要参数之一。涂层厚度不仅限定喷涂的粉末量，而且限定涂层的功能特性，因而限定生产环境中的被涂覆组件的性质。从而，例如，应用于涡轮组件的保护涂层的厚度分布限定整个组件在涡轮中的寿命。制造商规范，尤其是关于现代高温保护金属陶瓷涂层和热障陶瓷涂层的规范，要求最后得到的涂层厚度满足非常严格的厚度公差。由于大多数待涂覆组件的表面几何形状的复杂性，因此规划机器人路径，以便对于整个组件上的最终涂层，达到要求的厚度公差并非无足轻重，相反就大多数涡轮组件来说是一项复杂的任务。大多数情况下，把人工“示教”法用于机器人编程需要复杂的操作员工作，并且不是在任何情况下都带来结果厚度的所需精度。为了简化编程过程，和实现所需的编程精度，开发了各种软件工具，以便能够实现离线机器人编程(OLP)。近年来，替代“示教”法，应用离线机器人模拟以创建机器路径成为用于材料累积的工艺，比如大气等离子体喷涂(APS)，超音速火焰喷涂(HVOF)，低压等离子体喷涂 (LPPS)，热喷涂涂层沉积，激光熔覆，电弧喷涂，冷喷涂，传感器沉积或普通涂刷的现有技术。离线机器人编程方法把各种软件工具用于机器人运动的现实模拟。机器人路径的规则以组件表面几何形状的CAD数据为基础，并由软件操作员以交互方式实现。结果涂层的最终验证和改进需要反复的后续涂装室试验，涂层厚度分析和喷涂路径调整的过程，以便在整个组件上得到期望的涂层分布。模拟工具开发的下一个步骤是离线涂层厚度模拟。离线厚度模拟需要呈喷涂斑或喷雾分布形式的原始喷涂形貌的建模。为此，可使用物理建模或形貌数据库原理。涂层厚度的现实模拟需要反映所述形貌随涂覆工艺期间的相关工艺参数的变更而定的变化。厚度模拟可在机器人模拟软件中实现。文献US 6，256，597涉及一种机器人喷枪组件的喷涂涂层模拟器，所述模拟器输入物体几何形状的离散模型。接下来，所述模拟器输入用数值表征的喷涂形貌文件，和具有限定喷枪的运动路径的多个运动位置，停顿时间和取向的机器人运动文件。读取运动文件内的各个运动位置，判定在每个运动位置，物体几何形状的哪些部分可见。之后，对于每个运动位置，根据指定的喷涂形貌数据，停顿时间和机器人运动路径的取向，计算在物体几何形状的每个可见部分的涂层厚度。最后，计算在物体几何形状的范围内的总涂层厚度。文献“Numerical Calculation of the Process Parameters，which Optimise the Gas Turbine Blade Coating Process by Thermal Spraying,for given Spray Path，Dr. Martin Balliel，C0ST 526-Project CH2 Final R印ort (ALSTROM) ” 公开一种定义喷枪的路径，并分析叶片表面的结果涂层厚度的离线模拟工具。待涂覆的表面被划分成可以单独处理的多个子域。以所有在先子域的喷涂结果作为下一个子域的起始条件，依次处理这样的子域。此外，每个子域的喷涂路径被参数化。涂覆策略和参数化都不是最后确定的，进而需要不止一次地离线复查。在文献"Model-based expert system for design and simulation of APS coatings, Florin Ilullu Tifa et al. , Journal of Thermal Spray Technology,128, Vol. 16(1)2007，p. 128-139”中，说明了一种对机器人轨迹编程的方法，它允许喷枪速度及其惯性的现实模拟。利用模拟软件，建立轨迹文件。此外，说明了通过结合喷涂沉积模型和所述轨迹来形成的专家系统。专家系统的任务是通过选择处理参数，帮助用户设计涂层，和通过求喷枪轨迹的积分，模拟涂层形状。文献"Parameter optimization for spray coating method and simulation, H-P. Wang，GE. 1998，Engineering Software 4(^2009) 1078-1086” 涉及利用与时间相关的连续的喷枪配置序列来规划面向路径的喷涂涂覆工艺，以使得当执行所述所述序列时获得所需厚度的涂层。概述了一种解决该规划任务的新方法(称为“geometry-last”)，该方法产生更一般性的喷枪配置覆盖问题。喷枪配置覆盖问题将找出一组明确的喷枪配置，使目标涂层和通过同时启用这些配置而引起的涂层之间的误差降至最小。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种生成涂覆组件用喷枪的运动路径的改进方法。本发明的第二个目的是提供一种生成涂覆组件用喷枪的运动路径的有益设备。第一个目的由如权利要求1所述的方法实现。第二个目的由如权利要求15中所述的设备实现。从属权利要求还限定本发明的进一步改进。本发明的生成涂覆组件用喷枪的运动路径的方法包括下述步骤a)定义用于组件的表面块的路径模板，b)分析表面块的表面，c)生成第一运动路径，d)模拟喷雾分布的模型，e)根据模拟的喷雾分布的模型和生成的第一运动路径，模拟运动路径的涂层厚度，f)将模拟的涂层厚度与预定公差相比较，g)在模拟的涂层厚度未达到预定公差的情况下，生成自适应运动路径，h)根据模拟的喷雾分布的模型和生成的自适应运动路径，模拟运动路径的涂层厚度，i)重复步骤f)_h)，直到模拟的涂层厚度达到预定公差为止。通常，运动路径可以是机器人运动路径。喷枪可以是机器人喷枪。有利的是，运动路径的模拟和生成可以离线进行。例如，可以离线生成第一运动路径，和/或可以离线模拟运动路径的涂层厚度。可以根据组件的数据库定义组件的表面块的路径模板。可以根据组件的数据库分析表面块的表面。可根据组件的数据库，生成第一运动路径。有利的是，组件的数据库包含 CAD(计算机辅助设计)数据，最好是标准格式的CAD数据。本发明的自动涂覆路径生成方法以分析表面几何形状的离散数据，根据CAD数据生成机器人路径草图，关于现实的机器人运动，离线模拟涂层厚度，分析模拟的厚度分布， 和随后反复调整初始路径，以在整个组件上达到期望的厚度公差的能力为基础。可按照特有特征和/或属性，定义同类组件，以简化特定组件的第一运动路径的生成。例如，组件可按照特定特征或属性被划分成多个组，以简化特定组件的第一机器人路径的生成。就燃气轮机来说，标准燃气轮机动片和/或标准燃气轮机静片可被定义成同类组件。最好，对于任何同类组件，可以定义标准路径模板，所述标准路径模板代表对应于将用单独的喷涂路径块涂覆的特定表面区域的一组标准喷涂路径段。对于包含具有叶根平台的叶根部分，和具有压力面，吸力面和前缘的翼面部分的标准叶片，标准路径段可以是压力面和/或吸力面和/或前缘和/或叶根平台。可以根据组件的数据库，把路径模板调整到特定组件的尺寸。例如，可以利用缩放算法，对于相似的组件，在相同的虚拟喷涂室中自动生成运动路径。此外，可以根据特殊的几何和/或运动学喷涂参数，使在对应于路径模板的定位的喷枪的位置和/或取向与组件表面的位置和/或取向相关联。最好，可以根据特定的路径偏移量和/或特定的喷涂距离和/或特定的喷涂角度范围和/或特定的过喷距离和/或特定的喷枪速度和/或特定的喷枪定位精度，使在与路径模板对应的定位点处的喷枪的位置和/或取向与组件表面的位置和/或取向相关联。有利的是，针对与路径模板对应的定位点进行可达性检验和/或碰撞检验。最好是考虑到针对与路径模板对应的定位点进行的可达性检验和/或碰撞检验结果，来根据路径模板生成第一运动路径。利用用于现实机器人模拟的软件的功能，能够检验机器人到达模板喷涂路径的各个定位的关节限制。同时，能够进行碰撞检验，以便避免在喷涂工具(比如固定到机器人上的喷枪)和待喷涂组件或喷涂室中的其它辅助工具之间发生碰撞。当在某些定位处，存在可达性问题或者检测到碰撞时，可以改变几何喷涂参数，比如喷涂角度或喷涂距离，以改进喷涂路径。在最终的可达性和碰撞检验之后，第一运动路径，尤其是第一机器人运动路径，可随时用于干仿真运行。有利的是，可通过利用适当的软件，根据机器人到达路径模板的各个定位的关节限制，检验现实机器人运动模拟的功能。根据功能检验和/或碰撞检验的结果，可以修改几何喷涂参数，比如喷涂角度或喷涂距离。对实际应用来说，这种自适应算法允许把确定组件的完整设计的机器人路径设定为模板。通过考虑到组件尺寸的空间变形，利用从一个组件到另一个组件的有关路径参数的缩放，能够完成关于几何形状相似，但是尺寸不同的组件的路径的生成。在根据模板生成喷涂路径之后，能够离线模拟对应涂层厚度分布。厚度模拟可以基于喷雾分布的物理模型，所述喷雾分布代表喷枪的线性运动的结果。通常，喷雾分布上的厚度分布可被模拟成高斯分布。模拟的喷雾分布的模型可代表描述依赖于离形貌中心的距离和/或工艺参数和/或与不同的多组工艺参数对应的喷涂形貌库的基本样式中的厚度分布的厚度方程式。按照喷枪的运动，根据由许多喷涂形貌施加的厚度的累积值，可模拟整个受影响表面上的厚度。可以识别、分析和自动调整影响在模拟的涂层厚度未达到预定公差的区域的厚度分布的运动路径段。这可例如，通过改变喷枪速度和/或路径偏移量和/或喷涂角度等来实现。可以进行机器人路径调整的反复处理，直到在整个组件上达到期望的涂层厚度为止。本发明的方法提供具有复杂几何形状的组件，比如涡轮动片和静片的自动涂覆路径生成。所述方法利用以模拟分析例如，表面几何形状的CAD数据，同时应用离线涂层厚度模拟，以反复调整路径为基础的高级机器人路径生成法来达到期望的涂层分布。通常，可用大气压等离子体喷涂(APF)，超音速氧焰喷涂(HVOF)，低压等离子体喷涂(LPPS)，热喷涂涂层沉积，激光熔覆，电弧喷涂，冷喷涂，传感器沉积或普通涂刷法涂覆组件表面。与离线机器人模拟结合的离线涂层厚度模拟的实现使得能够预测和分析在CAD 组件表面上绘出的厚度分布。从而，操作员能够在分析模拟的厚度分布之后调整的初始的机器人路径，而不需要随后在中间路径改进步骤中进行核实涂层厚度的喷涂试验。从而，离线机器人模拟与离线涂层厚度模拟的结合能够实现喷涂路径改进的半虚拟处理。本发明提供以源于CAD数据的组件表面几何形状，和利用由离线涂层厚度模拟产生的厚度数据的喷涂路径的反复调整为基础的自动喷涂路径生成。本发明的生成涂覆组件用喷枪的运动路径的设备包括
a)定义用于组件的表面块的路径模板的装置，
b)分析表面块的表面的装置，
C)生成第一运动路径的装置，
d)模拟喷雾分布的模型的装置，
e)根据模拟的喷雾分布的模型和生成的第一运动路径，模拟运动路径的涂层厚度的装置，
f)将模拟的涂层厚度与预定公差相比较的装置，
g)生成自适应运动路径的装置，
h)根据模拟的喷雾分布的模型和生成的自适应运动路径，模拟运动路径的涂层厚度的装置，
i)重复步骤f)_h)，直到模拟的涂层厚度达到预定公差为止的装置。
本发明的方法可用本发明的设备执行。本发明的设备具有和本发明的方法相同的优点。
结合附图，根据实施例的下述说明，本发明的其它特征、性质和优点将变得清晰。图1示意表示本发明的运动路径生成的处理图。图2示意表示载入虚拟模拟环境中的燃气轮机叶片的模型。图3示意表示利用缩放算法，对于相似的组件，在相同的虚拟喷涂室中的自动运动路径生成。图4示意表示依据单一喷雾分布的应用的涂层总层厚的累积。
具体实施例方式下面参考图1-4，说明本发明的一个实施例。附图中各个物体的尺寸是为了清楚起见而选择的，不过不一定反映实际的相对尺寸。不论是单独的，还是彼此任意组合的，所描述的特征都是有利的。图1示意表示自动运动路径生成，尤其是自动喷涂路径生成的处理图。在第一步中，组件数据库，例如CAD设计数据被用于定义组件的表面块的路径模板。这在图1中用附图标记1和2表示。随后，根据CAD模型，分析表面块的表面。这用附图标记3表示。根据 CAD数据，离线生成第一运动路径，例如，第一机器人路径。这用附图标记4表示。模拟喷雾分布的模型，根据喷雾分布的模拟模型和生成的第一运动路径，来离线模拟运动路径(例如机器人路径)的涂层厚度。这在图1中用附图标记4，5和6表示。之后，比较模拟的涂层厚度和预定公差，这意味检验模拟的厚度是否在预定公差之内。这用附图标记7表示。如果模拟厚度在预定公差之内或者达到预定公差，那么结束模拟。处理的结束用附图标记9表示。如果模拟厚度不在预定公差内，或者未达到预定公差，那么根据模拟厚度和组件数据，例如CAD数据，生成或调整自适应的运动路径。自适应运动路径的生成或调整用附图标记8表示。在下一步骤中，重新模拟自适应的运动路径的涂层厚度，这意味处理重新执行步骤6和7。反复重复步骤6-8，直到完成步骤9，这意味厚度在预定公差内。图2示意表示载入虚拟模拟环境中的燃气轮机叶片的模型，例如CAD模型。叶片 10包含叶根部分14，平台15和翼面部分27。翼面部分27连接到平台15。叶根部分14也连接到平台15。翼面部分包含压力面18和吸力面19。它还包含前缘16和后缘17。借助喷枪24，翼面部分27涂覆有涂层材料25。喷枪M连接到机器人工具。机器人工具包含把喷枪M连接到机器人的固定装置26。机器人还包含至少一个沿着运动路径移动喷枪M的机械臂23。下面更详细地说明图1的步骤1-9。组件数据库1可包含标准化格式的组件的可用CAD模型。组件按照特有特征和属性被分成多组，以简化特定组件的第一机器人路径的创建。从而，例如，具有外部组件表面的所有有关特有特征的标准燃气轮机动叶和标准燃气轮机静叶可被定义成同类组件。对于任何同类组件，代表一组标准的喷涂路径段2的标准路径模板是确定的，所述一组标准的喷涂路径段对应于将用单独的喷涂路径块涂覆的特有表面区域。例如，对于标准叶片，翼面的压力面和吸力面，前缘和叶根平台的分离区域可被选为标准路径段。数据库1的组件的CAD模型可被下载到模拟软件的虚拟环境中，同时把必要的组件的同类类型输入模拟软件中，以选择对应的路径模板。虚拟软件环境(例如，参见图2) 代表涂装室的准确几何模型，所述涂装室包括机器人，组件固定装置和有关的辅助工具。通过根据CAD数据，分析组件表面3的几何性质，路径模板被调整为特定组件的尺寸。可以使与喷涂路径模板对应的机器人定位处的位置和取向对应于组件表面的位置和取向。这里，需要输入特定的几何和运动学喷涂参数，比如路径偏移量，喷涂距离，喷涂角度范围，过喷距离，喷枪速度，和喷枪定位精度等。
能够在考虑到相对于机器人定位的可达性的情况下，根据路径模板创建并调整第一机器人路径。利用用于现实机器人模拟的软件功能，可检验机器人到达模板喷涂路径的各个定位点的关节限制。同时，进行碰撞检验，以便避免在喷涂工具(比如固定到机器人上的喷枪24)和待喷涂组件10或喷涂室中的其它辅助工具之间产生碰撞。当在某些定位点处，存在可达性问题或者检测到碰撞时，可以改变几何喷涂参数，比如喷涂角度或喷涂距离，以改进喷涂路径。在最终的可达性和碰撞检验之后，第一机器人路径可随时用于干仿真运行。对于实际应用来说，这种自适应算法允许把确定组件的完整设计的机器人路径设定为模板。通过考虑到组件尺寸的空间变形，利用从一个组件到另一个组件的有关路径参数的缩放，能够完成关于几何形状相似，但是尺寸不同的组件的路径的生成。图3中示意表示了利用缩放算法，对于相似组件，在相同的虚拟喷涂室中的自动路径生成。图3表示了在纵向方向13，具有不同长度的四个不同的静叶20，30，40和50。对第一个静叶50来说，生成或者从路径库获得运动路径11。借助缩放算法，自动生成关于第二个静叶20，第三个静叶30和第四个静叶40的运动路径。缩放方向用附图标记12表示。利用模板3创建的喷涂路径4代表不确保结果涂层厚度分布保持在整个组件的期望公差内的路径草图。为了能够预测整个组件上的涂层厚度分布，进行机器人路径草图的离线涂层模拟6。涂层模拟的必要条件是关于诸如喷涂斑或喷雾分布之类原始喷涂形貌的模拟模型5的存在。喷涂斑代表由在一段时间内，来自喷枪的固定位置的喷涂产生的平直表面上的喷涂形貌。喷雾分布是具有恒定表面速度的喷枪的线性运动的结果。模拟模型可代表描述依赖于离形貌中心的距离和工艺参数和/或与不同的多组工艺参数对应的喷涂形貌库的基本样式中的厚度分布的厚度方程式。例如，热喷涂涂层的单一轮廓可高精度地模拟成高斯分布。多数机器人模拟软件借助于按照喷枪的运动，计算由许多基本样式施加的厚度的累积值的能力，来使得能够模拟整个受影响表面上的厚度。例如，图4中给出了由彼此移位一定路径偏移量的一系列平行线性喷涂路径施加于平直表面的总厚度的累积。用高斯曲线描述的大量单一喷涂路径的形貌厚度的重叠产生均勻涂层的出现。图4示意表示依据单一喷雾分布的应用的涂层总层厚22的累积。不同的喷涂路径用附图标记31-39表示。单高斯轮廓得出总涂层厚度22。预定公差或期望的厚度用附图标记21表示。自动分析7由喷涂路径草图产生的厚度分布。如果厚度值保持在公差范围中，不需要机器人路径的进一步改进，从而结束该处理。在出现厚度值超过期望公差的表面区域的情况下，自适应地改变机器人路径。对不具备期望厚度的区域的厚度分布造成影响的机器人路径段是确定的，并被分析和自动调整。机器人路径的微小变化的算法的实现允许改变路径段，以增大或减小在确定的表面区域的厚度值。这可通过改变喷枪速度，路径偏移量，喷涂角度等来实现。在改变机器人路径之后，作为结果得到的厚度分布不仅在期望的区域发生变化， 而且可能在受变化的路径段影响的其它区域发生变化。从而，需要后续的涂层模拟，以证实在整个组件上的涂层分布，或者在一些情况下，只证实在受影响区域的涂层分布。进行机器人路径调整的反复处理，直到在整个组件上获得期望的涂层厚度为止。
权利要求
1.一种生成用于涂覆组件(10)的喷枪04)的运动路径(11)的方法，包括下述步骤a)定义用于组件(10)的表面块的路径模板0)，b)分析表面块的表面(3)，c)生成第一运动路径(4)，d)模拟出喷雾分布的模型(5)，e)根据模拟的喷雾分布的模型( 和生成的第一运动路径G)，模拟运动路径的涂层厚度(6)，f)将模拟的涂层厚度与预定公差相比较(7)，g)在模拟的涂层厚度未达到预定公差的情况下(7)，生成自适应运动路径(8)，h)根据模拟的喷雾分布的模型和生成的自适应运动路径，模拟运动路径的涂层厚度(6)，i)重复步骤f)_h)，直到模拟的涂层厚度达到预定公差为止(9)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中根据组件的数据库来定义用于组件的表面块的路径模板O)，和/或根据组件的数据库来分析表面块的表面(3)，和/或根据组件的数据库来生成第一运动路径0)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中按照特有特征定义同类组件，以简化特定组件的第一运动路径的生成(4)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中对于任何同类组件，定义标准路径模板，所述标准路径模板代表对应于待涂覆的特有表面区域的一组标准喷涂路径段。
5.根据权利要求1到4中的任意一项所述的方法，其中使在与路径模板对应的定位处的喷枪04)的位置和/或取向与组件表面的位置和/或取向相关联。
6.根据权利要求5所述的方法，其中根据特殊的几何和/或运动学喷涂参数，使在与路径模板对应的定位处的喷枪 (24)的位置和/或取向与组件表面的位置和/或取向相关联。
7.根据权利要求6所述的方法，其中根据特定的路径偏移量和/或特定的喷涂距离和/或特定的喷涂角度范围和/或特定的过喷距离和/或特定的喷枪速度和/或特定的喷枪定位精度，使在与路径模板对应的定位处的喷枪04)的位置和/或取向与组件表面的位置和/或取向相关联。
8.根据权利要求1到7中的任意一项所述的方法，其中针对与路径模板对应的定位进行可达性检验和/或碰撞检验，考虑针对与路径模板对应的定位进行的可达性检验和/或碰撞检验结果，来根据路径模板生成第一运动路径。
9.根据权利要求1到8中的任意一项所述的方法，其中根据机器人到达路径模板的各个定位的关节限制，检验现实机器人运动模拟的功能。
10.根据权利要求9所述的方法，其中根据功能检验和/或碰撞检验的结果，修改几何喷涂参数。
11.根据权利要求1到10中的任意一项所述的方法，其中根据按照高斯分布建模的单一分布，模拟喷雾分布的模型(5)。
12.根据权利要求1到11中的任意一项所述的方法，其中模拟的喷雾分布的模型( 代表描述基本样式中的厚度分布的厚度方程式。
13.根据权利要求1到12中的任意一项所述的方法，其中按照喷枪04)的运动，根据由许多基本样式施加的厚度的累积值，模拟整个受影响表面上的厚度(6)。
14.根据权利要求1到13中的任意一项所述的方法，其中识别、分析和自动调整影响在模拟的涂层厚度未达到预定公差的区域的厚度分布的运动路径段。
15.一种生成用于涂覆组件(10)的喷枪04)的运动路径(11)的设备，包括a)定义用于组件的表面块的路径模板O)的装置，b)分析表面块的表面(3)的装置，c)生成第一运动路径的装置，d)模拟喷雾分布的模型(5)的装置，e)根据模拟的喷雾分布的模型( 和生成的第一运动路径G)，模拟运动路径的涂层厚度(6)的装置，f)将模拟的涂层厚度与预定公差相比较(7)的装置，g)生成自适应运动路径(8)的装置，h)根据模拟的喷雾分布的模型( 和生成的自适应运动路径(8)，模拟运动路径的涂层厚度(6)的装置，i)重复步骤f)_h)，直到模拟的涂层厚度达到预定公差为止(9)的装置。
全文摘要
本发明涉及一种涂覆路径生成方法和设备。本发明尤其涉及具有复杂几何形状的组件，比如涡轮动叶和静叶，尤其是燃气轮机动叶和静叶的自动涂覆路径生成方法。
文档编号B05B13/04GK102567579SQ201110429509
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月20日 优先权日2010年12月21日
发明者亚历山大·萨多沃伊, 拉梅什·苏布拉马尼安, 迪米特里奥斯·托迈迪斯 申请人:西门子公司