懸臂式多自由度噴涂機器人在船舶分段涂裝中的使用可行性分析

楊振，胡小才，鄧嘯塵，鄭佳

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

船舶分段涂裝是船舶涂裝作業中的一個重要環節，分段噴砂和噴漆作業占整個涂裝作業量的60%以上。目前分段噴砂和噴漆作業大都是人工操作，污染嚴重，大量操作人員長期直接接觸有毒有害環境，熟練的勞動工年齡逐漸增大，年輕人員從業意愿低，涂裝人員有“青黃不接”之勢。近5年，噴砂工、噴漆工、打磨工人員大幅減少，噴砂工減少了22.3%，噴涂工減少了26.7%，打磨工減少了40.5%，急需實現“機器代人”。

從20世紀90年代開始至今，日本浦上(URAKAMI)技術研究所開發了專門應用于表面處理的“V-ROBO SYSTEM”機器人系統；2013年，韓國大邱機電與材料研究所的Che-Seung Cho與嶺南大學的Seung-Chul Han等人針對船舶外板涂裝，提出了一種基于永磁輪和視覺系統的自動噴漆機器人；西班牙Syncroil公司研發了一款實用高架車搭載密閉式噴涂/噴砂機器人，該機器人由高架車搭載噴涂執行機構，高架車移動，噴涂執行機構沿著船體表面噴涂。

國內方面，2015年，上海外高橋船廠聯合同濟大學、沈陽新松機器人項目團隊聯合研發了一款用于船舶噴涂的磁吸附式智能爬壁機器人系統；2016年，哈爾濱工業大學孟子航等人研制了設計一款適用于船舶的大型復雜外表面噴涂的自主移動機器人系統，整個噴涂系統是由其自主設計的6自由度輕量化噴涂機械臂、大型液壓移動機械臂和全站儀測量定位系統等構成；2019年，江蘇科技大學劉俊杰提出將機器視覺引入到機器人噴涂系統中，設計了基于機器視覺的船舶分段自動噴涂系統整體方案。

對標歐美、日韓等造船強國，我國造船裝備的數字化、自動化與智能化方面，差距仍然很大。縱觀日韓造船企業，在造船關鍵作業環節，均已全面實現了數字化，正向智能化方向發展。而我國目前只是在某些作業環節的單機方面達到數字化，大多作業環節仍靠手工作業，特別是在生產線方面，我國基本停留在一站式、剛性方式，離數字化、智能化有著很大的距離。

1 目標對象及產品基本情況

1.1 涂裝廠房基本情況

公司目前共有涂裝廠房7間，分布在涂裝廣場一、二、三期，尺寸有5種規格，見表1。考慮到噴涂機器人桁車高度(1.8～2 m)、分段自身高度以及分段擱墩高度(1.8～2.5 m)初步選定15 m高跨間作為實施車間，滿足要求的為F1車間及C4/D4車間，考慮到C4/D4車間尺寸，可放4個分段及對桁車跨距的要求，最終選定F1車間作為實施車間。

表1 涂裝部內場廠房尺寸及設備分布

1.2 目標分段基本情況

以180K BC為例，全船分段劃分為尾部、貨艙、橫艙壁等7大區域，通過對各區域典型分段結構形式、分段復雜程度、涂裝在胎狀態等的綜合分析，各區域適宜機器人噴涂的分段種類及數量見表2，占全船分段總數的80.8%。

表2 180K BC各區域分段

1.3 油漆使用基本情況

對公司各類型常用船舶油漆產品進行梳理，其常用品牌、總類、固體份含量等產品參數見表3。船舶油漆噴涂要求如下：施工道數1～6道，單道涂層膜厚50～1 000 μm區間，檢測后的平均值不可以小于規定的干膜厚度，要求90%以上的測量點測得的膜厚值必須達到或超過規定膜厚值，余下不到10%的測量點測得的膜厚值，必須不低于規定膜厚值的90%。最大膜厚值不可超過規定干膜厚度的140%，局部復雜結構處不可超過規定干膜厚度的200%。

表3 常用油漆產品

2 方案總體構架

懸臂式多自由度噴涂機器總體方案見圖1，子系統構成見圖2。

圖1 懸臂式多自由度噴涂機器人總體方案

圖2 懸臂式多自由度噴涂機器人各子系統

2.1 功能及原理

以F1涂裝車間為落地實施區域，噴涂范圍盡可能最大程度覆蓋車間內部空間，整個系統采用移載天車系統搭載關節臂機器人的形式。噴涂機器人借用天車在水平面內的和兩個相互垂直的方向移動，向采用升降的多級伸縮臂，由此實現超大矩形立體空間內自動化噴涂作業，用于船舶分段的自動化噴漆任務。

涂裝機器人由向天車、向小車、向伸縮臂、機械臂、涂裝組件，控制系統等構成。

1)向移載機構采用雙梁橋式天車結構，整體可輕軌上面移動，通過雙側電機直驅滾輪結構進行傳動。穩定性好，可有效防止單側驅動不平衡造成車輪卡死故障。

2)向小車機構采用橫梁導軌式結構，整體在直線導軌上面移動，通過電機直驅滾輪。原移載小車通過電機直驅單側滾輪更改成單側電機直驅雙側滾輪。向小車由車架、上安裝板、下安裝板、行走電機及伸縮臂傳動安裝模塊等組成。上下安裝板固定并抱緊伸縮臂機構，在導軌上直線運動。

3)向伸縮臂，由防爆電機驅動，通過鋼絲繩、鉛黃銅滑輪組實現伸縮。 伸縮臂底部用于安裝機械臂，另一側設人工操作臺，用于放置無氣噴漆機及油漆桶，減少油漆管長度。

4)采用STABIL RX160L系列噴涂機器人，6自由度，滿足IIB T4防爆等級要求，最大負載可達34 kg，工作半徑2 010 mm。

5)噴涂組件及噴頭清堵方案。采用長江噴槍及其雙組分泵，并在噴嘴上部加裝旋轉缸，當噴頭堵住的時候，氣缸旋轉180°，利用高壓涂料把堵物吹掉，完成堵頭清理，再旋轉180°，回到原位，進行正常噴漆。

6)電控系統，整個涂裝機器人電控系統由執行機構、驅動設備、控制系統及視頻監測系統構成，見圖3。 控制系統采用以西門子SIMATIC S7—1500的PLC為控制核心，行走機構方向通過變頻器控制電機運行。伺服控制器驅動噴涂機器人在各個方向的角度、位置運動。提供手動操作及自動操作兩種模式，具備離線編程功能。

圖3 控制系統總體架構

2.2 方案可行性對比論證

通過分析國內典型的深中通道管節段智能噴涂機器人方案，對比懸臂式多自由度噴涂機器人方案見表4。

表4 懸臂式多自由度噴涂機器人方案可行性對比分析論證

續表4

由表4可見發現，兩種噴涂機器人方案在噴涂工件種類、控制方案、監控系統等主要子系統方面基本一致，從噴涂覆蓋范圍而言深中通道方案覆蓋范圍較廣，但無法處理結構面噴涂；懸臂式多自由度方案無法噴涂底面及非敞開區域，均有一定局限性。但在防爆、供漆、清槍等方面多自由度懸臂式方案均有其優越性，能夠充分滿足對于船舶分段自動化噴涂作業的需求。

3 結論

1)懸臂式多自由度噴涂機器人適用產品能夠覆蓋船舶雙層底、三角艙、橫艙壁等大多數類型分段，滿足船舶分段自動化噴涂作業需求，可提升船舶工業自動化噴涂水平。

2)懸臂式多自由度噴涂機器人可替代人工進行噴涂作業，可有效降低對于噴涂作業人員的需求，改善工作環境及作業強度。

3)懸臂式多自由度噴涂機器人其整體方案、工作模式、供漆模式等適宜于船舶分段噴涂作業，該方案可行。