淺談影響工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用船舶制造業(yè)的因素

摘 要：隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷加快，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的行業(yè)也變得更加廣闊。工業(yè)機(jī)器人在船舶制造業(yè)應(yīng)用卻一直沒有突破。該文闡述了影響工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用船舶制造業(yè)的因素，國外在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用船舶制造業(yè)的前沿探索，提出可能突破的方向。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 船舶 制造業(yè)

中圖分類號：T242文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（b）-0063-01

通過工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用船舶制造業(yè)工件尺寸相對機(jī)器人較大、工件規(guī)格較多、機(jī)器和人混合作業(yè)的3個方面進(jìn)行分析以及論述。以此來尋找工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用船舶制造業(yè)的辦法。

1 影響工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用船舶制造業(yè)的因素

1.1 工件尺寸相對機(jī)器人較大

現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用案例，大部分工件相對機(jī)器人尺寸較小，或者通過機(jī)器人增加簡單機(jī)構(gòu)可以解決工作空間不足的問題。然而，針對于船舶制造業(yè)，工件外形尺寸相對機(jī)器人較大，機(jī)器人即使增加簡單機(jī)構(gòu)也難以解決機(jī)器人工作空間不足的問題。

1.2 工件規(guī)格較多

由于船舶產(chǎn)品的復(fù)雜性和制造規(guī)模，使其難以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。船舶制造成本高，投資回收期長、風(fēng)險大，且制造廠需要滿足船東的多樣化需求，這種多品種、單件小批量的生產(chǎn)模式給標(biāo)準(zhǔn)化工作帶來了極大的困難，使設(shè)計工作量大，制造周期長成了船舶制造業(yè)的頑疾。一艘常規(guī)船舶是由數(shù)以萬計的零部件構(gòu)成，其內(nèi)部配有各種設(shè)備、管系、儀器以及動力與生活設(shè)施等，以滿足航行、停泊、生產(chǎn)和生活等需要。所以導(dǎo)致工件規(guī)格較多。現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用案例，大部分工件一致性較好，或者通過機(jī)器人簡單編程可以適應(yīng)工件的個性差異。然而，針對于船舶制造業(yè)，工件一致性差，機(jī)器人現(xiàn)有的控制系統(tǒng)難以全面適應(yīng)。

1.3 機(jī)器和人混合作業(yè)

傳統(tǒng)的造船模式采用功能型組織結(jié)構(gòu)，即按共同的生產(chǎn)活動調(diào)集資源。工程師和生產(chǎn)人員按功能組織起來。施工現(xiàn)場非常混亂，設(shè)備安裝、設(shè)備調(diào)試、焊接工作、管線連接等混合同步作業(yè)。船舶工件較大較重，所以施工設(shè)備和人員必須圍繞工件開展工作，施工設(shè)備和人員不可避免的混合作業(yè)。而且施工現(xiàn)場的環(huán)境時時刻刻都在改變，使得機(jī)器人難以在這樣的環(huán)境開展工作。現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用案例，大部分機(jī)器人工作空間與人工作空間采用必要的安全措施進(jìn)行隔離。然而，針對于船舶制造業(yè)，工件過重且過大，一般是工件一次吊裝到位，設(shè)備圍繞工件展開工作，以此不可避免的產(chǎn)生機(jī)器和人混合作業(yè)的問題。

2 國外在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用船舶制造業(yè)的探索

2.1 工件尺寸相對機(jī)器人較大的探索

鑒于工件相對機(jī)器人尺寸較大導(dǎo)致機(jī)器人工作空間不足的問題，很多單位和學(xué)者對其展開了研究。張永達(dá)[1] 通過對國內(nèi)外大型船廠的調(diào)研，總結(jié)得出韓國Pukyong國立大學(xué)的KamBO等人研制的復(fù)雜焊接環(huán)境的輪式智能移動焊接機(jī)器人，上海交通大學(xué)研制的具有自尋跡功能的焊接移動機(jī)器人。實現(xiàn)了大型艦船甲板的高效自動化焊接，保證焊接質(zhì)量的同時拓延了機(jī)器人的工作空間，初步解決了工件相對于機(jī)器人尺寸較大的問題。對于延伸工業(yè)機(jī)器人工作空間有很多種方式，例如三星重工采用爬行式機(jī)器人自動焊接油輪側(cè)壁。目前工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的案例中，一般只需要簡單增加直線運(yùn)行的伺服滑臺或者增加簡單的變位機(jī)構(gòu)。然而船舶行業(yè)的工件，大部分為異型大尺寸規(guī)格件。所以機(jī)器人無軌移動關(guān)鍵技術(shù)，才能適應(yīng)工件尺寸相對機(jī)器人較大的需求。

2.2 工件規(guī)格較多的探索

鑒于工件規(guī)格較多機(jī)器人難以處理的問題，大宇造船廠聯(lián)合韓國釜山國立大學(xué)采用離線編程、虛擬技術(shù)將焊接機(jī)器人應(yīng)用于船舶制造業(yè)。機(jī)器人不可能類似于人那樣智能的適應(yīng)所有規(guī)格的工件，為了讓機(jī)器人能類似于人的大腦一樣思考問題，必須引入虛擬技術(shù)。而對于虛擬技術(shù)趙春霞 [2] 通過對國內(nèi)外的調(diào)研，總結(jié)得出虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用，主要集中在以下方面：①遙操作機(jī)器人系統(tǒng)；②現(xiàn)代制造技術(shù)中機(jī)器人作業(yè)單元的虛擬仿真和編程平臺；③移動智能機(jī)器人的路徑規(guī)劃仿真和編程平臺；④以機(jī)器人為核心的設(shè)備培訓(xùn)平臺。對于以上的第②項和第③項，對于工件規(guī)格較多與機(jī)器和人混合作業(yè)的難題，虛擬技術(shù)將會逐步取得突破。其具體論述如下；虛擬仿真平臺也成為自主移動機(jī)器人的一種研究工具。B.Kirsch等人在1993年提出了虛擬機(jī)器人的概念。他們開發(fā)的系統(tǒng)，由真實機(jī)器人、機(jī)器人控制器、虛擬機(jī)器人、虛擬環(huán)境及可視化器構(gòu)成。機(jī)器人控制器既可控制真實機(jī)器人，又可控制虛擬機(jī)器人。該系統(tǒng)用于研究機(jī)器人路徑學(xué)習(xí)過程中的監(jiān)控和操作以及虛擬環(huán)境中可視化數(shù)據(jù)顯示，為操作者提供更自然的機(jī)器人行為監(jiān)控界面。最近幾年，隨著建模技術(shù)和計算機(jī)圖形學(xué)特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，對虛擬制造技術(shù)的研究方興未艾。在計算機(jī)生成的虛擬企業(yè)環(huán)境模型中，對產(chǎn)品從概念形成設(shè)計、制造、裝配、儲運(yùn)乃至廣告和銷售的全過程，進(jìn)行三維可視化擬實仿真，從而對產(chǎn)品的性能、制造成本和產(chǎn)品的可制造性作出有效的評估及預(yù)測，更加有效、經(jīng)濟(jì)和靈活地組織制造生產(chǎn)，以達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本的最小化、產(chǎn)品質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率的最高化。虛擬制造的發(fā)展也帶動了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在各類工業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用研究，尤其在機(jī)器人領(lǐng)域，制造業(yè)的整體變化趨勢，也對機(jī)器人的工作方式產(chǎn)生著重大影響。綜上所述，只有虛擬技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、船舶制造三者相結(jié)合，才能讓工業(yè)機(jī)器人有會思考的大腦和探知環(huán)境的感官。

2.3 機(jī)器和人混合作業(yè)的探索

鑒于機(jī)器和人混合作業(yè)的問題，美國將造船機(jī)器人納入“再投資技術(shù)項目”研究計劃，目標(biāo)是：①開發(fā)造船用全機(jī)器人焊接系統(tǒng)；②開發(fā)模塊組裝機(jī)器人，可按任務(wù)要求組裝成功能不同的機(jī)器人，具有先進(jìn)的傳感和適應(yīng)能力，可在雜亂的環(huán)境中工作；③開發(fā)具有用戶友好接口的系統(tǒng)，可被不了解機(jī)器人和自動化的造船工人所接受；④開發(fā)以開放式結(jié)構(gòu)個人計算機(jī)操作為基礎(chǔ)的模塊式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；⑤開發(fā)可與船廠各種系統(tǒng)相連接的自動離線編程系統(tǒng)。其關(guān)鍵技術(shù)為碰撞保護(hù)、機(jī)器人自適應(yīng)技術(shù)、機(jī)器人傳感器、模塊化等等。

3 結(jié)語

通過前面的分析，機(jī)器人工作空間不足、船舶業(yè)工件一致性不高、機(jī)器和人混合作業(yè)是影響工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用船舶制造業(yè)的因素；所以，可以通過讓機(jī)器人增加附屬機(jī)構(gòu)，進(jìn)行行走以期延伸機(jī)器人工作空間，讓機(jī)器人有傳感器的眼睛，會思考的機(jī)器人大腦，來處理一致性各異的工件和適應(yīng)機(jī)器和人混合作業(yè)的環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1]張永達(dá).船舶高效焊接工藝及存在的問題[J].造船技術(shù)，2009，5：32-35.

[2]趙春霞.虛擬現(xiàn)實的發(fā)展及在機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究[J].機(jī)器人，1999（9）：395-399.