船舶裝件智能噴涂作業系統設計與應用

中圖分類號： ∪ 6 7 1 . 9 1 + 8"文獻標志碼：A

Design and Application of an Intelligent Spraying System for Ship Outfitting Components

GAO Hong1，YU Gongzhi1， SUN Tianzel2，WANG Feng3 （1.CollegefgatidingnUesitya Ltd.，Dalian116011， China;3. Utool Mechanical Tools （Dalian） Co.，Ltd.，Dalian 116036， China）

Abstract： To address the challenges of manual spraying operations for ship outfitting components，this study designs an intelligent spraying system based on current on-site workflows and coating processs.The system overcomes limitations such asoperational inconvenience，unreliablecoatingquality，nd low efficiency in traditional manual methods，achieving intelligent and automated production management.Experimental results demonstrate that the proposed system improves operational efficiency by 3 5 % compared to manual spraying while meeting the technical requirements for outfitting component coatings.

Key words： outfiting components; intelligent; spraying operations

1 引言

舾裝件是船舶的重要組成部分，主要分為梯類、欄桿、槍桿、基座、管支架等多種類型，具有數量多、規格差異大、結構類型雜等特點[2。按照船舶并行建造工藝，曬裝件需要提前在其表面進行涂裝油漆等防護材料3，目前裝件涂裝作業主要為人工噴涂，人工作業流程復雜，效率低，容易造成裝件供應不及時導致造船生產節拍不平衡問題[4；并且裝件結構種類較多，人工噴涂質量受工人能力影響較大[5，導致噴涂油漆質量無法把控；另外部分船廠同時建造多條船舶時，可能將不同船舶舾裝件在同一時間進行噴涂作業，不同船舶對于裝件油漆種類和工藝要求不同，容易造成油漆噴涂錯誤而返工。為解決裝件人工噴涂作業所帶來的問題，根據現場裝件噴涂作業流程和工藝要求，現設計研發裝件智能噴涂作業系統，以智能化機械作業替代人工噴涂作業。

2船舶裝件及噴涂作業基本情況

2.1船舶裝件種類

船舶各類裝件作用不同，其結構、尺寸大小差別較大，鐵類的主要為船舶各個艙室的直梯和斜梯、欄桿、踏步以及平臺等，鐵類結構特點為尺寸較大，一般由角鋼和圓管組成，最長直梯可達到 3 m ；管類主要為管支架等附件，管類主要特點為數量多，占據整船裝件數量的 7 5 % ，由于船舶各管徑不同，管路走向布置不同，導致管支架設計尺寸不同，但管類結構形狀大致相似，尺寸小于 1 . 5 m 的管類裝件占 9 0 % 以上；電類主要為電纜托架、扁鋼和電纜管等，特點為尺寸較小，結構基本相似，尺寸差距較小。

由于大部分裝件小于 1 . 5 m ，該智能化噴涂系統主要針對此類小型裝件進行設計研發，表1為某船小于 1 . 5 m 支架數量及占比。

2.2涂裝車間目前噴涂作業流程

目前，在船舶行業中，大多數造船企業針對船舶小型裝品管子支架的具體噴涂作業流程為：1）行吊先將托盤吊入車間，人工將托盤內小型裝品管子支架按照種類擺放至地面；2）將車間進行封閉；3）工人開始對小型裝品管子支架進行邊翻面邊噴涂作業；4）噴涂后進行自然晾干；5）待晾干后人工將小型裝品管子支架放入托盤內，再由行吊吊離車間。以此循環作業。現有的噴涂方式人工參與多，并且小型裝品管子支架需要頻繁移動、擺放，同時噴涂時需要翻轉小型裝品管子支架，無法提升效率，噴涂成本高，長期作業工人身體會出現勞損。

3 船舶裝件智能噴涂系統方案設計

3.1智能噴涂系統搭建思路

根據目前裝件噴涂作業流程和作業工藝，并且噴涂完畢后需放置晾干，此智能化噴涂系統采用循環式懸掛輸送鏈流水線的噴涂形式，一方面可以實現作業的連貫性；另一方面實現了噴漆完畢后無需再調整軀裝件，掛置在運輸鏈上即可。以目前裝件噴涂數量200個為一批，采用節距 2 0 0 m m 輸送鏈，每個掛點間距為 1 m （解釋：設計掛點間距為 1 m ，整個系統是針對小于 1 . 5 m 的裝件進行噴涂， 之間大小的裝件占比 3 0 % 左右，剩下的為尺寸小于 1 m 的裝件；如進行大于 1 m 尺寸的舾裝件，可隔一個掛點進行懸掛。），整個流水線總長為 2 0 0 m ，共計200個掛點，每個掛點掛載1個夾具，每個夾具裝夾一個噴涂裝件，即可每個班次完成200個舶裝件的噴涂作業。動力系統由一個變頻電機加上減速機提供，以此來驅動整個流水線的運行。

在運輸鏈運行的過程中，噴涂裝件運行至指定工位時會自動停止，并保持比較穩定的運行姿態，以保證視覺系統對管子支架的掃描及噴涂系統對管子支架的噴涂，整個系統需要頻繁的啟停，能夠保證穩定且準確的運行精度和速度。整個流水線由上下料工位、視覺掃描工位、自動噴涂工位、人工補漆工位、自然晾干工位共五個工位組成，實現對船舶裝件的自動化噴涂作業。智能化噴涂作業系統流程圖見圖1。

3.2智能噴涂系統自動開合夾具設計

智能噴涂作業系統運輸鏈上的自動開合夾具是整個作業系統的重要組成部分，夾具必須要滿足長度1 . 5 m 以內、重量在 1 5 k g 以下舾裝件的固定，自動開合夾具由工作臺、氣缸、夾具等組成，詳見圖2。當運輸鏈運動到上下料工位時，運輸鏈停止時，夾具應位于自動開合裝置的工作臺中央，工作臺上帶導向軸的氣缸，操作者踩下腳踏開關，氣缸工作，推動夾具彈簧座移動，壓縮彈簧被壓縮，夾具開啟，工人在此工位進行工件的掛入或取件等操作。

3.3智能噴涂系統設計

1）上下料系統

整個上下料系統由定位裝置、自動開合夾具裝置、輸送線控制開關、工作臺構成。工件運行至上料工位，觸發位置傳感器，流水線斷電停止，此時工件位于上下料平臺，平臺設置帶導向軸的氣缸，踩下腳踏開關，氣缸推動夾具彈簧座移動，壓縮彈簧被壓縮，夾具開啟，工人在上／下料工位進行工件的掛入、取件，托盤可通過推車/吊車移動。

上下料工位充分考慮了操作的便利性及人體工學，人工上料時操作者目視高度及上料支架托舉高度既省力又便捷，在上下料工位設置了長緩坡形式的軌道，夾具體上平面距離地面支架裝夾高度合理，人員操作行動安全，不受其他因素干擾，同時又考慮到了視覺系統及噴涂系統的工作精度。此外，上下料工位設置了支架長度尺寸自動識別機構，不符合流水線工藝要求的支架即使放入夾具中，流水線發出警報并停止運行，提示更換符合尺寸的支架后，流水線自動運行。上下料系統圖，見圖3所示。

2）視覺掃描系統

視覺掃描系統，整個視覺掃描系統包括定位裝置、掃描和數據處理系統構成。視覺掃描技術是利用高分辨率的3D攝像機捕捉管子支架的點云圖像，然后通過專用的軟件分析這些點云圖像，進而識別管子支架的形狀輪廓。本系統視覺掃描工位擬采用兩組相機從兩側對管子支架進行拍照、掃描識別。管子支架運行至掃描工位時，相機對管子支架依次進行視覺掃描。基于捕捉到的圖像，生成點云數據，通過提取的輪廓特征以及特定算法，形成3D噴涂軌跡坐標數據信息并存人存儲器中，供自動噴涂機器人進行讀取調用。具體視覺掃描系統圖見圖4，3D掃描深度圖見圖5。

3）自動噴涂系統

自動噴涂系統，整個自動噴涂系統由定位裝置、專用噴漆機器人、噴槍、配色罐及噴漆房構成。噴涂組件由2臺多軸噴涂機器人組成。噴涂區分正、反兩個工位組，當管子支架傳送至自動噴涂區后，流水線停止，噴涂機器人啟動，讀取視覺系統傳遞的掃描數據，根據視覺掃描輸出的噴涂路徑，對管子支架依次進行正、反兩面噴涂。為避免出現漏噴或重復噴涂的情況，系統在管子支架掃描后，會自動識別管子支架類型為簡單件或復雜結構件，而后對噴涂路徑進行自動優化，刪除可能重復的路徑，并確保每條輪廓線均被覆蓋。自動噴涂系統圖，見圖6所示。

4船舶裝件智能噴涂實施方案

4.1系統實施方案介紹

本流水線為多工位同步作業模式，各工位完成各自的工序內容，以提高流水線的整體生產效率，即當流水線停止時，上料、視覺掃描、自動噴涂、人工補漆、支架晾曬以及人工取料工作同步進行：

1）人工上料。裝件掛點運行至上料工位，觸發位置傳感器，運輸鏈自動停止，操作者雙手托起待噴涂裝件，將裝件放置于夾具鉗口，踩下腳踏開關，夾具自動夾緊并流向視覺掃描工位；

2）3D視覺模組雙面掃描。裝件運行至視覺掃描區，流水線自動停正，視覺掃描相機開啟，進行裝件形狀掃描，獲取噴涂軌跡；

3）自動噴涂。裝件運行至自動噴涂工位，流水線自動停止，噴涂機器人根據視覺系統傳遞的裝件噴涂路徑和數據自動噴涂，為提高流水線效率，縮短生產節拍，本流水線設置雙工位自動噴涂機器人，噴涂A區噴涂曬裝件正面，噴涂B區噴涂裝件背面；

4）人工補漆。噴涂后裝件運行至人工補漆工位，流水線自動停止，操作者肉眼檢視管子支架的噴涂質量，手動進行補漆；

5）裝件晾曬。噴涂后的裝件隨運輸鏈轉入裝件晾曬區，自然晾干；

6）人工取料。操作者位于上下料工位，運輸鏈的舾裝件掛點運行至上下料區時，觸發位置傳感器，流水線自動停止，操作者手動取下晾曬完成的裝件，逐一放進轉運托盤內，每取下一個裝件，腳踩開關使下一裝件流入取料工位，直至取下全部噴涂合格的裝件，轉走下料托盤；

7）關閉噴涂系統。待該批次最后1個裝件放入轉運托盤后，則整個生產批次結束，按下停止按鈕，流水線停止運行。智能化噴涂作業系統圖見圖7。

4.2智能噴涂系統實施應用效果

系統搭建完畢后，進行現場實施作業，每批次200個裝件噴涂作業平均用時 1 0 2 m i n ，較人工作業減少 5 5 m i n 。經驗證視覺掃描系統最佳掃描距離為2 3 0 0 m m ，最佳點掃描面積為 1 9 0 0 m m× 1 4 0 0 m m ，掃描時間為 2 5 0～3 0 0 0 m s 。針對裝件實施作業進行第二度灰色環氧油漆噴涂作業，按照油漆作業工藝要求油漆膜厚至少為 ，現場隨機挑選舾裝件進行膜厚測試，測量數據，見表2。

5 結論

根據目前裝件噴涂人工作業流程和噴涂工藝，設計船舶裝件智能噴涂系統，并進行實驗應用。該系統由上下料工位、視覺掃描工位、自動噴涂工位、人工補漆工位和自然晾干工位，系統設計滿足現場生產需求。通過對現場實驗結果分析，采用智能噴涂系統作業較原先人工作業方式提高效率 3 5 % ，該系統噴涂效果符合油漆工藝要求，保證了現場噴涂的質量。

參考文獻

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