油漆噴涂機(jī)器人在核電工業(yè)廠房的應(yīng)用研究

李佩君

摘 要：工業(yè)機(jī)器人是第4次工業(yè)革命的重要組成部分。油漆噴涂機(jī)器人是可進(jìn)行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人，其在信息化基礎(chǔ)上采用仿真和自動化技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)智能化管理，能替代油漆工人的大部分體力勞動，減低施工安全健康風(fēng)險，提高施工效率和節(jié)省工程成本。油漆噴涂機(jī)器人在核電工業(yè)廠房中的應(yīng)用，是未來智造的重要發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：油漆;噴涂機(jī)器人;工業(yè)廠房

中圖分類號：TQ639.8;TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）12-0088-05

Research on Application of Paint Spraying Robot in Nuclear Power Industrial Plants

Li? Peijun

（China General Nuclear Power Group， UK project，Bristol， The United Kingdom， BS8 3LL）

Abstract：Industrial robots are an important part of the fourth Industrial Revolution. Paint spraying robot is an industrial robot that can automatically spray paint or spray other paints， which adopts simulation and automation technology on the basis of informatization. Thus the intelligent management is realized. In addition， paint spraying robots can replace most of the manual labor of painters. Where， construction safety and health risks have been reduced， construction efficiency has been improved， and project costs have been saved. The application of paint spraying robot in nuclear power industrial plants is an important development direction of intelligent manufacturing in the future.

Key words：Paint; Spraying robot; Industrial plants

0 引言

目前油漆機(jī)器人在汽車油漆噴涂中大量應(yīng)用，技術(shù)已比較成熟，但在工業(yè)廠房中運(yùn)用較少。建筑業(yè)是典型的勞動密集型行業(yè)，特別是室內(nèi)裝修和質(zhì)量檢測等環(huán)節(jié)，全球范圍內(nèi)暫無自動化和智能化產(chǎn)品[1];且建筑施工機(jī)器人市場尚不成熟，市場接受度、運(yùn)營模式和商業(yè)模式等均有待探索和創(chuàng)新。本文研究油漆噴涂機(jī)器人在核電工業(yè)廠房裝修工程中代替人工進(jìn)行油漆噴涂的應(yīng)用，研究對象是某國際機(jī)器人公司推出的智能噴涂機(jī)器人。本文依托的目標(biāo)項(xiàng)目為英國某新建核電站的工業(yè)廠房油漆噴涂作業(yè)。

1 研究背景及現(xiàn)狀

油漆作為工業(yè)廠房的主要施工材料，在常用的噴涂過程中，油漆工人主要使用噴槍噴涂或者手工滾筒涂刷方式。但因油漆涂料中含有甲醛、氡、甲苯、二甲苯、苯、乙二醇醚類溶劑等大量有毒化合物，所以油漆噴涂屬于有害危險品的高風(fēng)險施工。噴涂過程中，霧狀漆顆粒和漆的有機(jī)溶劑易揮發(fā)至作業(yè)場所空氣中，導(dǎo)致苯濃度非常高。油漆除了通過人體肺部吸入，還可以通過皮膚吸收，人體皮膚直接與油漆接觸，能溶去皮膚中的脂肪，造成皮膚干裂、發(fā)炎的同時侵入體內(nèi)。若在無防護(hù)情況下，人體如果攝入苯過多，輕則會出現(xiàn)再生障礙性貧血，重則會患上白血病。在油漆噴涂過程中，油漆易揮發(fā)且易燃，容易發(fā)生火災(zāi)等安全事故。尤其在核電工業(yè)廠房中，由于部分區(qū)域的施工空間狹小，通風(fēng)條件差，施工環(huán)境惡劣，噴涂作業(yè)存在極大安全風(fēng)險。因此，如何科學(xué)噴涂成為核電施工安全文明施工重要課題和研究方向。

油漆噴涂機(jī)器人是一個重要發(fā)展方向[2]。目前，大量的油漆機(jī)器人應(yīng)用于廠房車間內(nèi)，多為固定的六軸，可以完全模擬人工油漆噴涂工作，并施工質(zhì)量控制良好，性能可靠，例如瑞士的ABB 公司為汽車制造廠設(shè)計(jì)的汽車油漆噴涂機(jī)器人和深圳榮德公司生產(chǎn)的六自由度的串聯(lián)油漆噴涂機(jī)器人。在國內(nèi)外核電站建設(shè)中，土建承包商曾使用油漆機(jī)械代替人工進(jìn)行膩?zhàn)油克⒐ぷ鳎谴嬖谟捎诩夹g(shù)尚未完成成熟，施工后仍需要人工修補(bǔ)，作業(yè)成本高等，施工質(zhì)量不穩(wěn)定問題，因此未繼續(xù)推廣，但保留后續(xù)研發(fā)的可行性。在人工成本日益增加，熟練工種培訓(xùn)難度大等情況下，建造方對生產(chǎn)成本低，施工作業(yè)質(zhì)量可靠，安拆簡便，作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，運(yùn)維方便且能在惡劣環(huán)境中自主工作的噴涂機(jī)器人有急切的需求和大規(guī)模應(yīng)用的要求。

隨著技術(shù)的發(fā)展，新型智能化機(jī)器人結(jié)合了機(jī)械控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、仿生科技等跨學(xué)科的協(xié)同[3]。通過自動控制的主機(jī)編程對三軸或以上的機(jī)械手臂進(jìn)行控制，具備替代人工作業(yè)的條件，實(shí)現(xiàn)從 “人力噴涂” 到 “智能噴涂”變革。油漆噴涂機(jī)器人擁有輕型化/微型化，噴涂定位速度快，作業(yè)精確度高，主動調(diào)整和糾偏，施工質(zhì)量有保證，作業(yè)缺陷少，節(jié)省材料和降低入場服務(wù)條件等條件，具有很好的應(yīng)用前景。

2 核電工業(yè)廠房噴涂應(yīng)用場景概述

核電作為應(yīng)對能源危機(jī)和氣候變化的有效手段，在國內(nèi)外作為主要的新能源進(jìn)行大量建設(shè)。油漆在核電站中主要作用為防水，防輻射，抗腐蝕等，一臺核電機(jī)組的油漆噴涂量較大（約200萬m2），油漆采用核級油漆系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)人工噴涂施工流程如下：

（1）基層驗(yàn)收：在廠房混凝土施工完成后，油漆施工前將養(yǎng)護(hù)劑和各種表面污物清理，用干抹布擦拭干凈后，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行平面平整度驗(yàn)收。

（2）膩?zhàn)有扪a(bǔ)。膩?zhàn)又饕脕韺鶎泳植咳毕莺兔芗?xì)小孔洞進(jìn)行填充，對較大的缺陷和較深的孔洞要添加石英砂，用以保證油漆基底的平整度。

（3）底漆施工。底漆施工前要進(jìn)行基層含水率、環(huán)境溫濕度、混凝土表面溫度、露點(diǎn)溫度檢測。含濕率：不大于6%?；炷帘砻鏈囟?，露點(diǎn)溫度：5～35℃，環(huán)境溫度高于露點(diǎn)溫度3℃，底漆采用核級水性環(huán)氧聚酰胺涂料，厚度約為40 μm。

（4）中間漆和面漆。中間漆和面漆采用核級水性環(huán)氧聚酰胺涂料，厚度約為100 μm。施工前要檢測環(huán)境溫濕度和表面溫度，施工過程中要監(jiān)測濕膜厚度。油漆完成后需要進(jìn)行附著性和拉拔試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)收。

核電工業(yè)廠房噴涂工程存在施工作業(yè)要求較嚴(yán)格，輔助工序較多，對工人的熟練程度要求高且用工量大，噴涂作業(yè)受天氣和其他施工作業(yè)交叉影響大的特點(diǎn)。由于采用大量人工操作，會存在導(dǎo)致現(xiàn)場施工環(huán)境較差，施工質(zhì)量不穩(wěn)定，施工效率較低，油漆損耗量多不利于成本節(jié)約，安全健康隱患等問題。

因此，油漆噴涂機(jī)器人需要以核電工業(yè)廠房的現(xiàn)場施工工藝流程為基礎(chǔ)，通過仿生學(xué)參考和借鑒人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，并依靠大數(shù)據(jù)的人工智能分析進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與規(guī)劃[4]。

3 油漆噴涂機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

根據(jù)上述工業(yè)廠房噴涂工程的要求，研究的智能噴涂機(jī)器人采用的“在線感知-實(shí)時規(guī)劃-噴涂控制”的技術(shù)方案[5]，根據(jù)涂料工業(yè)的“四E”原則（經(jīng)濟(jì)、效率、生態(tài)和能源）和機(jī)器人仿生學(xué)的設(shè)計(jì)方法論[6]，適合噴涂大范圍的不規(guī)則/規(guī)則幾何表面，應(yīng)用場景能覆蓋大部分核電工業(yè)廠房的標(biāo)準(zhǔn)。由于基層驗(yàn)收和膩?zhàn)有扪a(bǔ)可以在土建過程中完成，因此，油漆機(jī)器人重點(diǎn)解決室內(nèi)噴漆和混凝土或者鋼板基底的表面噴涂需求，如圖1所示。

3.1 油漆機(jī)器人設(shè)計(jì)

油漆噴涂機(jī)器人經(jīng)過多輪設(shè)計(jì)方案的比選和量產(chǎn)調(diào)整后，可滿足設(shè)計(jì)的要求。

（1）油漆噴涂機(jī)器人為串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，主要由機(jī)器人本體，噴涂結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的傳感和控制系統(tǒng)組成。機(jī)器人的總體框架包括傳感器檢測系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)，機(jī)械臂控制系統(tǒng)，噴槍系統(tǒng)，油料存儲系統(tǒng)，防碰撞系統(tǒng)，抗干擾系統(tǒng)，基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成。機(jī)器人按照模塊分為電源模塊，啟停/復(fù)位模塊，控制模塊，傳感器模塊，通訊模塊，人機(jī)交互模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊。該設(shè)計(jì)與主流噴涂機(jī)器人相近，設(shè)備材料技術(shù)成熟度高。

（2）在噴涂機(jī)器人采用八軸結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，在剛度、冗余度和累計(jì)誤差方面有較大優(yōu)勢。通過電腦集成的控制器進(jìn)行編程和多軸建協(xié)同控制運(yùn)動作業(yè)，應(yīng)對不同幾何結(jié)構(gòu)的盲點(diǎn)，具有很好的靈巧性，能較好地應(yīng)對曲面結(jié)構(gòu)和噴涂的奇異位的場景，具有達(dá)到快速移動，精準(zhǔn)定位的特點(diǎn)。

（3）機(jī)器人尺寸采取輕量化設(shè)計(jì)，1.48 m×0.83 m×2.0 m，自重400 kg。通過安裝有垂直直線驅(qū)動器，使機(jī)械手獲得3～10 m的涂裝高度和0.6～1 m寬度的平面。因此，不需要搭設(shè)腳手架，使噴槍精確就位，覆蓋大部分噴涂場景，相比人工具有較大優(yōu)勢。

（4）噴漆系統(tǒng)由噴漆泵、自動噴漆槍、軟管等組成，覆蓋主流品牌涂料系統(tǒng)?？筛鶕?jù)不同類型的油漆（單組分型和雙組分型（需要預(yù)混合）溶劑型涂料，水性涂料油漆等）采用對應(yīng)的油漆泵和噴槍處理。噴涂采用靜電噴涂方式，根據(jù)靜電吸引的原理，在噴槍的噴頭增設(shè)高壓靜電發(fā)生器，在涂料中加入導(dǎo)電劑，經(jīng)過壓縮空氣吹出的油漆顆粒帶正電荷，在電場力作用下直接被吸附在被涂面或物件上。靜電吸附使油漆能均勻附著至噴涂區(qū)域，控制涂料的噴涂范圍和防止油漆顆粒散落在空氣中，有效提高利用率。通過智能噴涂軟件Smart Paint進(jìn)行自動化控制噴涂，控制噴涂厚度以減少噴涂油漆的損耗，通過噴嘴自動清潔避免噴嘴損壞。

（5）油漆機(jī)器人上采用ASPA（自動掃描、仿真模擬，規(guī)劃路線和噴涂控制）的軟件，可接入建筑信息模型（BIM），可以在任意幾何表面進(jìn)行噴涂，實(shí)現(xiàn)全自主作業(yè)智能導(dǎo)航。通過解析法的數(shù)學(xué)運(yùn)算，將作業(yè)環(huán)境的空間采用數(shù)學(xué)方程確定噴涂表面空間位置，自動計(jì)算和優(yōu)化噴涂軌跡。機(jī)器人能自動測算作業(yè)環(huán)境的溫濕度，露點(diǎn)溫度和濕膜厚度。

（6）通過軟件和傳感器使噴油噴嘴與噴油表面，通過保持恒定的距離，控制速度和噴漆槍的運(yùn)動軌跡。通過對噴漆參數(shù)的控制，如泵的壓力，流量，來實(shí)現(xiàn)油漆噴涂質(zhì)量智能化控制。

（7）機(jī)器人采用（ROS） 操作系統(tǒng)，可通過導(dǎo)航操縱桿控制，遠(yuǎn)程操作，自主導(dǎo)航進(jìn)行24 h作業(yè)。即使在弱光條件下，也能夠在指定區(qū)域內(nèi)自行導(dǎo)航。最大可通過坡度12°。安裝有防碰撞系統(tǒng)，具有自適應(yīng)表面跟隨， 門/窗/障礙自動規(guī)避等功能。

（8）采用模組化快換電池包供電（電壓24 V （DC），電池容量96 Ah），一次滿電可連續(xù)工作4 h，效率為45 m2/h，作業(yè)噪聲小，響應(yīng)塊，穩(wěn)定性好。機(jī)器人平臺集成40 L油漆桶，能覆蓋大約120 m2的面積，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時反饋施工作業(yè)狀態(tài)。

（9）油漆機(jī)器人只需要一名操作人員，培訓(xùn)和使用門檻低。在接受正確的機(jī)器使用培訓(xùn)后即可操作，無需任何特殊要求。由于施工時不需要人員值守，降低了工業(yè)健康風(fēng)險。

3.2 油漆機(jī)器人應(yīng)用模擬試驗(yàn)

油漆噴涂機(jī)器人生產(chǎn)根據(jù)與核電商討的應(yīng)用模擬試驗(yàn)方案，對混凝土基底的噴涂作業(yè)開展模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。油漆機(jī)器人應(yīng)用模擬試驗(yàn)示意圖如圖2所示。

根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，油漆機(jī)器人與人工噴涂的效能對比如表1所示。

4 不足及應(yīng)用建議

油漆噴涂機(jī)器人在模擬試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)以下問題，同時附解決方案。

（1）機(jī)器噴涂路線有重疊，容易造成局部區(qū)域二次噴涂。此時可增加模擬試驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化處理。

（2）傳感器對窗臺孔洞等不需要噴涂區(qū)域的噴涂邊界識別率低。為此，除提高機(jī)器人傳感器硬件的靈敏度外，可在非噴涂區(qū)域貼設(shè)警示條。

（3）機(jī)器人主機(jī)自動重啟和復(fù)位的問題。這可通過更新機(jī)器人軟件處理。

（4）因涂料未及時攪拌而干硬，造成噴槍堵塞等問題。鑒于此，待機(jī)器人廠商和油漆供貨商協(xié)同解決。

除了以上問題外，對機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用還有幾點(diǎn)建議：

（1）油漆噴涂機(jī)器人可通過OEM代工模式，將技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)分開，降低每臺設(shè)備的成本至50萬元人民幣后可提高設(shè)備經(jīng)濟(jì)性。

（2）機(jī)器人廠家需要給業(yè)主提供一整套的解決方案，如油漆噴涂機(jī)器人與油漆檢測機(jī)器人的聯(lián)動，通過三維掃描和驗(yàn)收，辨別油漆厚度平整度，輔助傳統(tǒng)的質(zhì)量員質(zhì)檢工作，加強(qiáng)施工質(zhì)量控制。

（3）使用集成遠(yuǎn)程管理平臺（云端），管理員實(shí)時地獲取油漆噴涂機(jī)器人工作狀態(tài)信息，以便及時對施工質(zhì)量進(jìn)行評定和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

（4）機(jī)器人廠家可通過與高校和行業(yè)協(xié)會的合作，完善油漆噴涂機(jī)器人相關(guān)的施工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范依據(jù)。

5 結(jié)語

油漆噴涂機(jī)器人作為一個技術(shù)可行、配套成熟的建筑涂裝整體解決方案，在核電領(lǐng)域內(nèi)得到推廣和應(yīng)用。它可大幅降低人工成本，提高施工效率，節(jié)省油漆損耗量，提高現(xiàn)場文明施工程度，降低油漆施工帶來的工業(yè)污染廢物，實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)環(huán)境友好施工。

參考文獻(xiàn)

[1]（英）斯利格.機(jī)器人學(xué)的幾何基礎(chǔ)[M]. 楊向東譯.北京：清華大學(xué)出版社，2018.

[2]（美）理查德·摩雷，（中）李澤湘. 機(jī)器人操作的數(shù)學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3]陳 雁，邵君奕，張傳清，等. 噴涂機(jī)器人自動軌跡規(guī)劃研究進(jìn)展與展望[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（02）：149-151.

[4]張永貴. 噴漆機(jī)器人若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2008.

[5]GRACO. The Basics of Airless Spraying： Information on Basic Components， Spray Techniques and Safety[M]. Minneapolis：[s.n]， 2012.

[6]THOMAS R， KURFESS. Robotics and Automation Handbook[M]. [S.I.]：CRC Press， 2010.

[7]ASADI E， Li Bingbing， Chen Yiming. A Cooperative Painting Robot for Interior Finishing of Industrial Developments[J]. IEEE Robotics & Automation Magazine， 2018， 25（2）：82-94.