船舶制造中機器人技術的應用分析

陳紅兵 李文豪

摘要：在《推進船舶總裝建造智能化轉型行動計劃》的推動下，我國船舶制造質量、制造效率以及船舶工業發展效益明顯提升，我國船舶行業在整個國際競爭大市場中也占據一定優勢。而為充分落實船舶建造智能化的轉型，更應加大機器人技術的研發應用，加快推廣不同功能機器人在船舶制造行業中的有效利用。基于此，本文將對當前船舶制造中機器人技術的應用情況進行全面分析，并針對機器人技術在我國船舶建造中的應用問題展開討論，為我國船舶制造工藝的發展提供參考。

關鍵詞：船舶制造機器人生產線技術應用

自20世紀中期以來，現代工業機器人技術得到高速發展。1952年，數控機床控制系統和四伏電機技術誕生，這在一定程度上為后續工業機器人技術的發展奠定了強有力的基礎。1954年，可編程控制器的機械手臂面向市場，1959年，世界上第一家工業機器人制造工廠正式誕生。至此，現代化工業機器人生產步入正軌，機器人技術也在各領域得到廣泛應用[1]。而作為國民經濟的重要支柱型產業，船舶工業的高速發展不僅能為國防建設、水上交通、海洋開發以及能源運輸提供相對應的技術裝備，同時也能支撐國民經濟的高速發展，維系國防安全。在船舶制造領域有效應用現代工業機器人技術，也有助于實現船舶行業的智能化轉型。

進入21世紀以后，包括日本、韓國以及相關歐美國家在內的造船先進國家已在船用機器人的研發應用方面取得顯著成效。而受到科學技術發展時間的限制，我國機器人技術發展應用較晚，船舶工業機器人應用規模普遍偏小。但現階段，隨著“中國制造2025”“5G通信”以及“工業4.0”等國家戰略的提出，我國船舶行業也迎來了全新的發展機遇，我國造船數量更是顯著提升，機器人技術也被大規模應用于船舶制造及船舶工業中[2]。

1船舶制造機器人技術國內外研究現狀

1.1韓國

早在20世紀90年代，船舶工業機器人的研發便已成為韓國造船領域關注的重點。作為造船強國，韓國不斷引進先進的科學技術，對船舶工業進行了全方位的自主研發，實現了機器人技術應用的智能化和自動化征集，而且國內還成立了專門研發船舶工業機器人的特定機構，為機器人技術在船舶制造領域的發展和應用奠定了強有力的基礎。自1995年開始，船舶工業機器人便在韓國造船業得到應用，并先后建成了平面分段生產線，分段組裝生產線以及船舶外板涂裝生產線，這些生產線的成立不僅全面提升了韓國船舶工業自動化的水平，進一步提高了韓國船舶制造的生產效率，同時也為韓國成為世界造船強國提供了諸多助力。

進入21世紀后，韓國造船業的龍頭企業三星重工完成了打磨機器人的研發，該機器人的推出不僅有效解決了船舶制造作業環境差的問題，還充分規避了船舶制造過程中的安全隱患，進一步提高了船舶外板涂裝質量及效率。此后，三星重工又致力于爬行式機器人的研發，并將此類機器人有效應用于自動焊接油輪側壁作業中，這也在一定程度上提高了船舶制造的生產效率，全面降低了船舶制造的人工成本。接下來，韓國另一造船龍頭企業現代重工著力研發了用于平面分段流水線的平板機器人、搬運機器人以及古材裝焊機器人，此類機器人的使用也促使現代重工造船業的生產效率進一步得到提升[3]。2008年，韓國機器人產業法規法案進一步完善，產業的發展也趨于成熟，截止到目前為止，韓國已擁有30余家機器人研發機構。

在船舶制造中有效應用現代機器人技術，不僅促使韓國造船市場被進一步擴大，同時也顯著提升了韓國船舶制造的生產效率及生產質量，當下，韓國造船業新增船型，種類豐富，質量較高且訂單充足。其對機器人技術的研發應用，以及在造船領域豐富成功的經驗也值得其他國家效仿學習。

1.2日本

自20世紀70年代開始，日本便著力對造船機器人進行全面研究。早在1968年，日本川崎重工便與全美第一家機器人制造公司達成合作，開始進行機器人的研發及制造。隨后，日本進入機器人制造高潮時代，全國范圍內開始制造機器人的相關企業達80余家。1970年，川崎重工首次推出造船機器人，隨后，涂裝機器人、焊接機器人、船體爬行機器人以及板材裝配機器人等不同功能類型的造船機器人由此產生[4]。在該階段內，日本造船機器人種類豐富，但機器人應用并不廣泛。因其可靠性差、作業精度相對較低，機器人技術在船舶制造中的應用并未顯著提升船舶制造效率，且機器人維護成本較高，整體價格較為昂貴，因此，機器人技術并未在造船業得到大規模推廣。

為有效解決船舶工業機器人發展所面臨的困境，日本相關機器人生產企業達成合作，實現了機器人工業體系的不斷完善，并明確了行業發展規范及標準，隨后，點焊機器人、噴漆機器人等不斷誕生，船舶工業機器人的種類隨之豐富，其作業性能也得到了明顯改善，作業精度及整體生產質量更是顯著提升。而進入20世紀80年代后，機器人技術的應用在日本船舶工業制造領域已相對常見。以川崎重工為代表的多家企業開始聚焦于船舶制造機器人的研發，由川崎重工設計制造的小型二滲式機器人、移動式弧焊機器人以及火焰切割式機器人被推入市場，由三菱重工設計制造的涂裝和噴砂機器人也得到大規模使用。

從20世紀90年代至今，在船舶焊接自動化領域，機器人技術更得到了快速發展。機器人技術被普遍應用到船舶零部件制造、平面分段焊接、船塢焊接、場外焊接等領域。而隨著機器人技術在船舶制造業中的有效應用，日本已著力將本土造船業打造成為無污染、無危險、無浪費的全自動化產業。

1.3中國

我國船舶工業機器人的研發始于20世紀80年代，彼時，哈爾濱工業大學等科研單位對用于船舶焊接、除銹、切割以及噴涂等領域的機器人技術進行了大力研究，并在這些方面取得了顯著成就。1985年，我國首臺應用于船舶制造的焊接機器人由此誕生，而直至20世紀90年代，機器人技術才被廣泛應用于船舶制造工業中[5]。近年來，船舶焊接機器人、肋骨冷壓機器人、船板下料機器人船體對接機器人以及噴涂工業機器人等現代機器人技術已在船廠船舶建造中得到實際應用。目前，我國船舶工業也已形成相對完善的焊接機器人生產線。

但對比造船業相對發達的其他國家來說，我國船舶工業機器人發展仍處于滯后狀態，船舶制造的產業化格局也尚未形成，再加上關于船舶制造機器人技術的研究成果相對較少，所以機器人技術在我國船舶制造中的應用，與日本、韓國以及相關歐美國家相比，仍存在明顯不足。

2.機器人技術在我國船舶制造中的應用現狀及問題

相比日、韓等國家來說，機器人技術在我國造船工業中的應用規模仍有待提升，造船工業機器人的應用也存在以下明顯問題。

2.1船體部件生產線改造困難重重

當下，國內外工業機器人技術的應用大多集中于汽車領域。因汽車制造所需的通用部件較多，批量生產的總量相對較大，各部件之間的組裝難度較小，且其產品生產周期較短，如出現問題可及時進行調整，依托于現代機器人技術，汽車生產效率將大大提升。對比之下，船舶生產制造各通用部件單件體量較大，且其量化程度較低，各部件生產周期相對較長，船廠若想滿足船東的多樣化生產需求，就必須具備完整的生產工藝通道，船舶制造各部件的標準化工作更難以實現。作為大型系統性工程，船舶制造項目不但整體工期較長，而且制造所需投入的資金量較大，造船項目所涉及的工藝環節雖相對較少，但每一環節都至關重要，一旦在船舶制造過程中投入使用機器人技術，則制造生產線中特定環節必將面臨改造或增裝，這也在一定程度上影響了全線生產的效率，一旦產品出現生產周期延長，則項目投入資金便難以回收。即使對生產線進行重建改造，也面臨重重困難。

2.2造船模式并未成型

從20世紀70年代至今，世界范圍內的造船模式不斷更迭。從最開始的整體制造模式發展到后來的分段制造，之后又演變為分道制造，而當下最常見的則是集成制造模式，在未來的船舶制造領域，敏捷制造模式很可能會得到大規模采用。隨著造船模式的變更，船廠的生產設施配置、船塢、碼頭以及車間也會隨之更新，為滿足不同階段造船模式的需求，管道加工、設備倉儲、分段制作以及船舶區域涂裝也需不斷調整。因造船模式并未定型，以至于船廠無法明確選擇嵌于該模式下的制造工藝，更難以精準選用工業機器人[6]。若船廠為提升船舶制造效率引入了某分段焊接機器人，而隨后船廠生產模式變更，則引入設備會被白白浪費。簡而言之，船廠生產模式不成形，機器人技術便無法在造船工業中得到廣泛使用。

2.3應用技術基礎相對薄弱

近年來，機器人技術雖在我國船舶制造領域得到一定應用，但不僅是造船工業機器人，當下，我國整體工業機器人的核心元件仍有賴于國外。相關基礎材料的選材以及一體化集成的總裝皆來源于外國進口，技術含量較高的關鍵材料的獲取也十分困難。以爬壁式造船工業機器人為例，此類機器人大多被應用于船舶外板除銹，而組成此類機器人的金屬框架材料以及相關吸附機構與行走機構的基礎部件單元，往往都是通過國外進口獲得，國內很難找到這些部件的供應商，國內研究機構進行原創開發的可能性也相對較低。整體而言，機器人技術在我國船舶制造領域的應用技術基礎仍相對薄弱，國內總體的工業機器人領域大多僅能完成集成制造，而無法實現部件生產，造船工業機器人也同樣如此。

3.關于船舶制造中機器人技術應用的思考

3.1船廠需加大造船工業機器人的開發及應用

機器人技術在船舶制造領域的應用很大程度上由用戶決定，因此，船廠需進一步加大造船工業機器人的開發及應用，實現從用戶向生產商的轉變。細數世界范圍內各大工業機器人知名企業，大多都是由用戶轉型為生產商，站在用戶角度，才能充分認知機器人應用的可行性、必要性及可能性，并實現該技術在行業內的推廣應用。而作為造船工業機器人的用戶，船廠往往更加明確造船工業機器人生產制造的各性能指標，也能更精準合理地選擇用于各類生產線上的造船工業機器人，更能有效反饋各類造船工業機器人在船舶制造領域應用的優劣勢。在此基礎上，船廠需充分認知自身研發重任，通過加大造船工業機器人的開發應用，全面提升船舶制造水平及效率。

3.2跟蹤對標并學習韓國造船技術

作為世界范圍內知名的造船強國，韓國造船領域的機器人技術已相對成熟，現代工業機器人的應用在韓國造船業也擁有較大空間。從造船工業機器人技術本身角度出發，日本和歐美地區的技術發展歷史較為悠久，其技術積累也相對豐厚，但在市場影響下，以上國家對于造船板塊建造生產領域的研發已逐漸弱化[7]。而目前，我國進行造船工業機器人研究的相關單位大多仍將日本及歐美國家作為對標主體，反而忽視了后起之秀韓國。因此，造船工業機器人研究人員必須拓寬視野，在全面關注國內外技術的同時，高度重視國內外市場的變化。現階段，韓國已迎來高新技術船舶建造的高峰時期，為全面提升船舶制造經濟效益，降低生產成本，為船舶生產創造更多高附加值，韓國船廠在生產線改造及生產工具的選用方面，已擁有豐富經驗。在此基礎上，我國研究人員也需不斷對標學習韓國造船技術，跟蹤關注韓國各船廠機器人技術應用的實踐案例，總結其成敗經驗，為機器人技術在我國船舶制造中的應用奠定良好基礎。

4.機器人技術在船舶制造中的發展趨勢

隨著機器人技術在國內外船舶制造工業中的應用，船舶工業結構調整轉型升級發展已成為大勢所趨，各國制造業也已走上網絡化、智能化以及數字化的技術變革道路。而隨著勞動力成本的不斷攀升，船廠的人工成本優勢已蕩然無存，在船舶制造領域大規模使用機器人技術也勢在必行。當下，在船舶管道焊接、鋼板切割等建造階段，機器人技術的應用優勢已逐漸顯現。而在船舶制造領域，現代化機器人技術工藝也將在造船焊接、裝配以及船舶區域噴漆等工序中得到廣泛應用。隨著全球科技革命及產業革命的來臨，船舶制造生產工業也將逐漸實現智能化、信息集成化和自動化的轉型發展。在云計算、大數據以及人工智能等先進科技的幫助下，機器人技術必將與這些先進科技達成跨學科融合，其研發力度不斷增強，發展不斷成熟。隨著機器人技術在船舶制造中的大規模應用，我國船舶工業的自動化和智能化發展也終將實現。

5結語

在船舶制造領域，越來越多先進造船技術的應用，促使船舶制造逐漸走向高效化、綠色化和智能化發展道路。對比日、韓和歐美國家來說，機器人技術在我國船舶制造領域的應用尚未成熟。如何加大機器人技術的研發應用，如何減少船舶制造生產成本，全面提升船舶生產效率和產品質量，是當前我國船舶制造領域發展的重難點問題。在此基礎上，船廠和政府也必須通力合作，通過加大機器人技術在船舶制造中的研發應用，不斷跟蹤學習韓國等國家的造船技術，在借鑒他國成功經驗的同時，提高我國船舶制造工業發展水平，實現我國船舶制造工業的長效可持續發展。

參考文獻

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