船用非接觸噴涂爬壁機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)*

陳永芳，孫世芳

（浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316021）

0 引言

噴涂作業(yè)在船舶建造過(guò)程中占有重要的地位，伴隨人類(lèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提升，國(guó)際海事組織對(duì)“綠色船舶”規(guī)范的制定更加嚴(yán)格，對(duì)船舶涂層提出了更高的要求。現(xiàn)階段船舶企業(yè)涂裝作業(yè)的主體為人工，通常由工人操作噴槍進(jìn)行噴涂作業(yè)，該種噴涂工藝對(duì)操作工人提出較高的技術(shù)要求，操作人員技術(shù)熟練程度的不同導(dǎo)致涂層質(zhì)量不容易控制，另外噴涂作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度較大，危險(xiǎn)性較高，對(duì)操作人員的身體產(chǎn)生較大的傷害，開(kāi)發(fā)船用噴涂機(jī)器人便具有現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)外開(kāi)展的爬壁機(jī)器人時(shí)間較早，但應(yīng)用于船體噴涂的較少，2014年韓國(guó)Che-Seung Chol等開(kāi)發(fā)出一套船舶噴涂爬壁機(jī)器人，利用永磁體輪子吸附船體表面，完成噴涂作業(yè)，但該系統(tǒng)只適合垂直平面作業(yè)，不適合其他工況作業(yè)。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)船舶專(zhuān)用噴涂機(jī)器人開(kāi)展專(zhuān)門(mén)研究的研究較多，同濟(jì)大學(xué)馬淑梅[1]對(duì)船舶工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行研究，重點(diǎn)在于噴涂軌跡優(yōu)化從而提高涂層質(zhì)量。哈爾濱工業(yè)大學(xué)閆繼紅[2-3]對(duì)船舶噴涂機(jī)器人大尺度作業(yè)精確定位與控制進(jìn)行研究等。

圖1 噴涂作業(yè)

圖2 涂層打磨

1 非接觸機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案[4-8]

開(kāi)發(fā)的整套噴涂設(shè)備包括噴涂爬壁機(jī)器人、控制系統(tǒng)和噴涂系統(tǒng)：噴涂爬壁機(jī)器人安裝有噴涂機(jī)構(gòu)，通過(guò)吸附裝置吸附于船體表面，沿設(shè)計(jì)路線運(yùn)行，在行走過(guò)程中完成噴涂作業(yè)；控制系統(tǒng)控制整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，機(jī)器人的行走速度與噴涂的涂料流量控制等；噴涂系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)涂料的噴涂，由高壓系統(tǒng)攜帶涂料噴灑在船舶表面完成涂料的涂裝。

1.1.1 機(jī)器人的吸附方案

國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的吸附方式包括磁力吸附、負(fù)壓吸附、真空吸附，3種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 吸附方式對(duì)比表

船體外板為鋼制材料，表面布滿焊縫，且具有一定的腐蝕鐵銹，表面平整度不高，通過(guò)3種方式的對(duì)比，結(jié)合機(jī)器人的靈巧性要求，采用永磁體吸附方式較為安全可靠。

1.1.2 行走機(jī)構(gòu)

機(jī)器人常見(jiàn)的行走機(jī)構(gòu)包括車(chē)輪式、履帶式和多足步行式和框架式，各種行走方式優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 行走方式對(duì)比表

根據(jù)船體外板的特征及行走方式的對(duì)比，機(jī)器人的行走方式選擇為履帶式。履帶式爬壁機(jī)器人雖運(yùn)轉(zhuǎn)靈活性不高，但結(jié)合噴涂作業(yè)及船舶外板尺寸較大的特征，對(duì)其靈活性要求不高；另外履帶式機(jī)器人重心較低，接觸面積較大，對(duì)船體表面的壓強(qiáng)較小，更加適合船體的噴涂作業(yè)。

1.1.3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案

船體爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

噴涂機(jī)器人要求體積小、重量輕、運(yùn)行可靠且要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，結(jié)合各種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇電驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)機(jī)體積和重量較小，響應(yīng)時(shí)間短，操作方便且滿足遠(yuǎn)距離要求。

1.1.4 噴漆機(jī)構(gòu)與控制

噴涂系統(tǒng)由涂料輸送泵、噴涂機(jī)械臂及控制系統(tǒng)組成，機(jī)器人的運(yùn)行速度、涂層的厚度、涂料的壓力參數(shù)由控制系統(tǒng)控制，保證涂層的技術(shù)要求。噴涂機(jī)械臂通過(guò)齒輪帶動(dòng)齒條的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)伸出與收縮功能，從而控制噴頭的噴涂軌跡，同時(shí)噴涂機(jī)械臂可實(shí)現(xiàn)以機(jī)器人為中心自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

表3 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比表

1.1.5 磁吸附控制系統(tǒng)

機(jī)器人與船體外板緊密貼合依靠永磁體對(duì)船體的磁力，磁力的大小可通過(guò)改變永磁體與船壁的距離實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。噴涂機(jī)器人安裝4塊永磁體，在永磁體外圍設(shè)有隔磁罩，從而保證永磁體的潔凈度及控制磁力線的方向。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與船壁面的脫離，設(shè)置脫離裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪手柄可改變永磁體與船璧的距離，進(jìn)而改變磁吸附力從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與船體的脫離。磁力調(diào)節(jié)裝置如圖3所示。

圖3 磁力調(diào)節(jié)裝置

綜上所述，該船用非接觸噴涂爬壁機(jī)器人采用四永磁體吸附裝置、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雙履帶機(jī)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)噴涂機(jī)器臂的設(shè)計(jì)方案，三維立體圖如圖4所示。

圖4 船用非接觸噴涂爬壁機(jī)器人立體圖

2 噴涂爬壁機(jī)器人理論設(shè)計(jì)

2.1 噴涂爬壁機(jī)器人力學(xué)分析

2.1.1 磁特性分析[4-10]

噴涂爬壁機(jī)器人采用4塊永磁體作為吸附機(jī)構(gòu)的主體，磁吸附力的大小對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。吸附力過(guò)小則設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，易造成機(jī)器人的脫落；吸附力過(guò)大則造成摩擦阻力過(guò)大，對(duì)設(shè)備的靈活性帶來(lái)不便。因而需要對(duì)吸附力實(shí)現(xiàn)調(diào)整，吸附力的大小可通過(guò)調(diào)整磁體與船體表面的距離的改變而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。根據(jù)永磁體的磁性衰減曲線和強(qiáng)度指標(biāo)，選擇稀土釹鐵硼永磁作為機(jī)器人的永磁體。課題選擇釹鐵硼稀土永磁體為磁性材料，具體磁性能參數(shù)如表4中所示。

表4 永磁體性能參數(shù)

永磁體吸附力計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，結(jié)合文獻(xiàn)[6-11]，建立模型[11]：一圓形永磁體吸附另一大面積感應(yīng)磁體，兩磁體中心重合，兩者之間存在一定間隙，計(jì)算參數(shù)設(shè)定如下：永磁體半徑為r1，感應(yīng)磁體半徑為r2(r1＜r2)，永磁體厚度為δ1，感應(yīng)磁體厚度為δ2，兩者之間的距離為z，則兩者之間某處的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz為：

式中：Fz為距離感應(yīng)磁體的距離為z處的磁力；Ag為磁極面積；AO為磁場(chǎng)常量。

經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算，永磁體磁力與間隙的關(guān)系如圖5所示。

圖5 磁間距與磁力關(guān)系圖

由計(jì)算關(guān)系確定在正常運(yùn)行過(guò)程，永磁體距離船體外板壁面的間距不超過(guò)6 mm。

2.1.2 力學(xué)特性分析

設(shè)定機(jī)器人參數(shù)如下：設(shè)第i個(gè)單元吸附塊的吸附力為Fi，壁面對(duì)它的反作用力為Ni，皮帶輪節(jié)距為p，帶輪中心距設(shè)定為20p，設(shè)備重心距離船體外板噴涂面距離為h，自重為G。設(shè)備位于船體外板有如兩種情況分別如圖6和7所示。

圖6 設(shè)備位于垂直壁面

圖7 設(shè)備位于水平壁面

在狀態(tài)1過(guò)程中，設(shè)備位于垂直壁面上，水平方向滿足受力平衡：

為防止設(shè)備在臨界狀態(tài)時(shí)上單元吸塊出現(xiàn)脫離船體外壁從而造成設(shè)備繞重心點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)，吸附力矩（相對(duì)重心點(diǎn)A）應(yīng)滿足：

在狀態(tài)2過(guò)程中，設(shè)備位于水平壁面上，船用噴漆機(jī)器人受到重力、吸附力、壁面對(duì)機(jī)器人支反力作用，且受力呈對(duì)稱分布；當(dāng)機(jī)器人在靜止和勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人僅在豎直方向上受力平衡，因?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)行速度較低，從靜止到設(shè)定速度時(shí)間很短，履帶與壁面的接觸面積大，相對(duì)壓強(qiáng)較低，無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，所以水平方向受力微小，可忽略不計(jì)。豎直方向上的力學(xué)平衡方程可表示為：

Nmin=0時(shí)，重力完全由磁吸附力來(lái)平衡，此時(shí)有。力矩平衡，以A、B其中一個(gè)端點(diǎn)A為支點(diǎn)，分析力矩方程，臨界時(shí)B處的單元吸附塊最先出現(xiàn)脫離壁面的趨勢(shì)，可得方程：

綜上所示，根據(jù)設(shè)備的安全可靠性妖氣確定設(shè)備的安全系數(shù)n，磁力和重力及所產(chǎn)生的力矩達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在豎直壁面上，對(duì)點(diǎn)A取矩，得：

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)完成運(yùn)行速度、噴涂量的相應(yīng)計(jì)算，根據(jù)涂層的厚度和涂料的相關(guān)參數(shù)，調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行速度、噴頭的涂料的壓力和流量，從而滿足涂層的參數(shù)要求，控制系統(tǒng)原理圖如圖8所示，相應(yīng)端子標(biāo)號(hào)功能說(shuō)明如表5所示。

圖8 控制系統(tǒng)原理

表5 端子標(biāo)號(hào)功能

3 噴涂試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)論

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論及方案的可行性，根據(jù)上述方案制成非接觸噴涂爬壁機(jī)器人樣機(jī)如圖9所示。設(shè)備參數(shù)如表6所示。

圖9 噴涂試驗(yàn)

圖10 噴涂效果

表6 設(shè)備參數(shù)

噴涂試驗(yàn)后效果如圖10所示，結(jié)合行進(jìn)參數(shù)和噴涂量的控制，檢測(cè)報(bào)告如表7所示，檢測(cè)結(jié)果顯示，非接觸爬壁噴涂機(jī)器人噴涂作業(yè)涂層達(dá)到船級(jí)社對(duì)船舶涂層的規(guī)范要求，試驗(yàn)效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表7 膜厚檢測(cè)報(bào)告

4 結(jié)論

基于國(guó)內(nèi)外海事組織對(duì)船舶涂層的噴涂要求，開(kāi)發(fā)出一套噴涂設(shè)備，并對(duì)開(kāi)發(fā)的設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，試驗(yàn)效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。該套設(shè)備在機(jī)器人底部安裝永磁體，通過(guò)調(diào)整永磁體與船體外板的距離調(diào)整吸附力的大小，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速拆卸及運(yùn)行。拆卸裝置操作簡(jiǎn)單并能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與船體的快速吸附與脫離。噴涂裝置采用簡(jiǎn)單的機(jī)械臂，通過(guò)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械臂的伸縮，實(shí)現(xiàn)噴涂距離的調(diào)整，保證的噴涂效果。機(jī)器人的控制系統(tǒng)及噴涂動(dòng)力系統(tǒng)與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)分離布置，減輕機(jī)器人的重量，方便操作人員的控制，實(shí)現(xiàn)噴涂效果的調(diào)整，滿足噴涂要求，降低噴涂作業(yè)對(duì)人體的傷害，提高噴涂效果。