并聯(lián)式造船噴涂機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真

王東洋，潘宇晨，鄧志寧

（1.廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州 545000；2.北部灣大學(xué)機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535011）

船塢內(nèi)對(duì)船舶外板的噴涂主要依靠人工搭載高架車完成噴涂工作，這不僅對(duì)工人造成身體上的傷害，而且噴涂效率也不能保證。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這個(gè)問題提出并研究了三種形式船舶外板噴涂機(jī)器人構(gòu)型：爬壁式機(jī)器人[1]、桁架軌道式機(jī)器人[2]、高架車式[3]，都需要搭載噴涂執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)船舶外板的涂裝任務(wù)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種基座和動(dòng)平臺(tái)之間由兩個(gè)或兩個(gè)以上的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)鏈相連接，具有兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)[4]。因其具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究和關(guān)注。但并聯(lián)機(jī)構(gòu)在船舶外板噴涂領(lǐng)域的應(yīng)用等的研究相對(duì)較少。

針對(duì)船舶建造過程當(dāng)中船體外板噴涂是一道工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)的工序，且現(xiàn)階段仍依靠人工去完成的問題，設(shè)計(jì)了一種三自由度并聯(lián)式造船噴涂機(jī)器人。該噴涂機(jī)器人由三個(gè)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)噴槍空間內(nèi)兩平動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。從船舶外板噴涂工藝作業(yè)特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)造船噴涂機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，獲得了噴涂機(jī)器人工作時(shí)噴槍的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律。結(jié)果表明，該并聯(lián)式噴涂機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)船舶外板噴涂的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)學(xué)要求。

1 造船噴涂機(jī)器人機(jī)構(gòu)構(gòu)型

造船噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示，噴涂機(jī)器人的兩條支鏈分別與動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)相連接，驅(qū)動(dòng)副位于A11、A21和B22點(diǎn)。支鏈1 為-PRS-支鏈，且在平面O-yz內(nèi)運(yùn)動(dòng)。R 副為驅(qū)動(dòng)副，不僅可以使機(jī)構(gòu)正常實(shí)現(xiàn)兩平移一轉(zhuǎn)動(dòng)，而且能更好的控制機(jī)構(gòu)。支鏈2 中含有一個(gè)4R 平面閉環(huán)子鏈和一個(gè)2R 平行子鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副[5]。涂裝噴槍為動(dòng)平臺(tái)，與支鏈1、2 末端運(yùn)動(dòng)副相連接。圖2 為并聯(lián)式噴涂機(jī)器人三維模型圖。

圖1 并聯(lián)式噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

圖2 并聯(lián)式噴涂機(jī)器人三維模型

2 船舶外板噴涂工藝

現(xiàn)階段船塢內(nèi)的外板的噴涂作業(yè)區(qū)為舷頂列板、舷側(cè)外板、船底板，如圖3 所示。外板表面噴涂主要是工人搭載高架車手持噴槍沿預(yù)定軌跡進(jìn)行噴涂作業(yè)，且噴槍的運(yùn)動(dòng)軌跡一般為“Z”或倒“Z”型[6-7]。由于船塢內(nèi)的外板的噴涂作業(yè)特點(diǎn)是作業(yè)區(qū)較長(zhǎng)、高度較高、噴涂面積大、工作面相對(duì)復(fù)雜，這就決定工人工作環(huán)境是高空作業(yè)、需長(zhǎng)時(shí)間站立和工作空間相對(duì)狹窄等。

圖3 船舶外板人工噴涂軌跡和區(qū)域

3 造船噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真

將建好并聯(lián)式噴涂機(jī)器人虛擬樣機(jī)導(dǎo)入軟件中，根據(jù)船舶外板噴涂工藝的要求，對(duì)噴涂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析。為提高仿真分析的效率和準(zhǔn)確性，忽略非必要的零件（螺栓、螺母件等）如圖4 所示。接著對(duì)樣機(jī)進(jìn)行約束添加、材料的定義等，如圖5所示。

圖4 中虛擬樣機(jī)

圖5 樣機(jī)約束的添加

3.1 驅(qū)動(dòng)添加

依照噴涂工藝要求，并聯(lián)式造船噴涂機(jī)器人噴槍執(zhí)行的軌跡為空間倒“Z”字型。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，添加合適的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，具體驅(qū)動(dòng)參數(shù)函數(shù)如下：

豎直絲杠：100*SIN（40*time）

水平絲杠：3600d*time

連桿絲杠：30.0d*time

3.2 仿真分析

對(duì)動(dòng)平臺(tái)添加驅(qū)動(dòng)后可進(jìn)行實(shí)際仿真，通過仿真軟件的后處理模塊可以得到造船噴涂機(jī)器人噴槍的運(yùn)動(dòng)，最終分別得到噴槍的位移、速度、加速度、軌跡等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

通過觀察圖6、圖7、圖8 可知，噴槍末端在1.5 s的工作周期當(dāng)中，位移變化320mm，位移變化呈現(xiàn)“Z”字型，和末端規(guī)律相符合。噴槍末端速度和加速度由于噴槍的末端的倒“Z”字型軌跡呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，這符合預(yù)定的運(yùn)動(dòng)情況，為以后改變不同的驅(qū)動(dòng)來達(dá)到不同的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度提供理論基礎(chǔ)。

圖6 噴槍位移

圖7 噴槍速度

圖8 噴槍加速度

4 結(jié)語

本文根據(jù)現(xiàn)有船舶外板噴涂的現(xiàn)狀與問題，設(shè)計(jì)了一種的并聯(lián)式造船噴涂機(jī)器人。首先對(duì)船舶外板噴涂進(jìn)行說明，進(jìn)而根據(jù)船舶噴涂工藝要求對(duì)該造船噴涂機(jī)器人進(jìn)行仿真分析，并給出仿真結(jié)果。通過對(duì)機(jī)器人運(yùn)行曲線的研究證明了該并聯(lián)式造船噴涂機(jī)器人滿足設(shè)計(jì)要求。