懸臂式多自由度噴涂機(jī)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(yè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，分段噴砂和噴漆作業(yè)占整個(gè)涂裝作業(yè)量的60%以上。目前分段噴砂和噴漆作業(yè)大都是人工操作，污染嚴(yán)重，大量操作人員長(zhǎng)期直接接觸有毒有害環(huán)境，熟練的勞動(dòng)工年齡逐漸增大，年輕人員從業(yè)意愿低，涂裝人員有“青黃不接”之勢(shì)。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(shí)現(xiàn)“機(jī)器代人”。

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始至今，日本浦上(URAKAMI)技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于表面處理的“V-ROBO SYSTEM”機(jī)器人系統(tǒng)；2013年，韓國(guó)大邱機(jī)電與材料研究所的Che-Seung Cho與嶺南大學(xué)的Seung-Chul Han等人針對(duì)船舶外板涂裝，提出了一種基于永磁輪和視覺(jué)系統(tǒng)的自動(dòng)噴漆機(jī)器人；西班牙Syncroil公司研發(fā)了一款實(shí)用高架車(chē)搭載密閉式噴涂/噴砂機(jī)器人，該機(jī)器人由高架車(chē)搭載噴涂執(zhí)行機(jī)構(gòu)，高架車(chē)移動(dòng)，噴涂執(zhí)行機(jī)構(gòu)沿著船體表面噴涂。

國(guó)內(nèi)方面，2015年，上海外高橋船廠聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)、沈陽(yáng)新松機(jī)器人項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研發(fā)了一款用于船舶噴涂的磁吸附式智能爬壁機(jī)器人系統(tǒng)；2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)孟子航等人研制了設(shè)計(jì)一款適用于船舶的大型復(fù)雜外表面噴涂的自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，整個(gè)噴涂系統(tǒng)是由其自主設(shè)計(jì)的6自由度輕量化噴涂機(jī)械臂、大型液壓移動(dòng)機(jī)械臂和全站儀測(cè)量定位系統(tǒng)等構(gòu)成；2019年，江蘇科技大學(xué)劉俊杰提出將機(jī)器視覺(jué)引入到機(jī)器人噴涂系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)的船舶分段自動(dòng)噴涂系統(tǒng)整體方案。

對(duì)標(biāo)歐美、日韓等造船強(qiáng)國(guó)，我國(guó)造船裝備的數(shù)字化、自動(dòng)化與智能化方面，差距仍然很大。縱觀日韓造船企業(yè)，在造船關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，均已全面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，正向智能化方向發(fā)展。而我國(guó)目前只是在某些作業(yè)環(huán)節(jié)的單機(jī)方面達(dá)到數(shù)字化，大多作業(yè)環(huán)節(jié)仍靠手工作業(yè)，特別是在生產(chǎn)線方面，我國(guó)基本停留在一站式、剛性方式，離數(shù)字化、智能化有著很大的距離。

1 目標(biāo)對(duì)象及產(chǎn)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(chǎng)一、二、三期，尺寸有5種規(guī)格，見(jiàn)表1?？紤]到噴涂機(jī)器人桁車(chē)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(shí)施車(chē)間，滿足要求的為F1車(chē)間及C4/D4車(chē)間，考慮到C4/D4車(chē)間尺寸，可放4個(gè)分段及對(duì)桁車(chē)跨距的要求，最終選定F1車(chē)間作為實(shí)施車(chē)間。

表1 涂裝部?jī)?nèi)場(chǎng)廠房尺寸及設(shè)備分布

1.2 目標(biāo)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(qū)域，通過(guò)對(duì)各區(qū)域典型分段結(jié)構(gòu)形式、分段復(fù)雜程度、涂裝在胎狀態(tài)等的綜合分析，各區(qū)域適宜機(jī)器人噴涂的分段種類(lèi)及數(shù)量見(jiàn)表2，占全船分段總數(shù)的80.8%。

表2 180K BC各區(qū)域分段

1.3 油漆使用基本情況

對(duì)公司各類(lèi)型常用船舶油漆產(chǎn)品進(jìn)行梳理，其常用品牌、總類(lèi)、固體份含量等產(chǎn)品參數(shù)見(jiàn)表3。船舶油漆噴涂要求如下：施工道數(shù)1～6道，單道涂層膜厚50～1 000 μm區(qū)間，檢測(cè)后的平均值不可以小于規(guī)定的干膜厚度，要求90%以上的測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的膜厚值必須達(dá)到或超過(guò)規(guī)定膜厚值，余下不到10%的測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的膜厚值，必須不低于規(guī)定膜厚值的90%。最大膜厚值不可超過(guò)規(guī)定干膜厚度的140%，局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)處不可超過(guò)規(guī)定干膜厚度的200%。

表3 常用油漆產(chǎn)品

2 方案總體構(gòu)架

懸臂式多自由度噴涂機(jī)器總體方案見(jiàn)圖1，子系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖2。

圖1 懸臂式多自由度噴涂機(jī)器人總體方案

圖2 懸臂式多自由度噴涂機(jī)器人各子系統(tǒng)

2.1 功能及原理

以F1涂裝車(chē)間為落地實(shí)施區(qū)域，噴涂范圍盡可能最大程度覆蓋車(chē)間內(nèi)部空間，整個(gè)系統(tǒng)采用移載天車(chē)系統(tǒng)搭載關(guān)節(jié)臂機(jī)器人的形式。噴涂機(jī)器人借用天車(chē)在水平面內(nèi)的和兩個(gè)相互垂直的方向移動(dòng)，向采用升降的多級(jí)伸縮臂，由此實(shí)現(xiàn)超大矩形立體空間內(nèi)自動(dòng)化噴涂作業(yè)，用于船舶分段的自動(dòng)化噴漆任務(wù)。

涂裝機(jī)器人由向天車(chē)、向小車(chē)、向伸縮臂、機(jī)械臂、涂裝組件，控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

1)向移載機(jī)構(gòu)采用雙梁橋式天車(chē)結(jié)構(gòu)，整體可輕軌上面移動(dòng)，通過(guò)雙側(cè)電機(jī)直驅(qū)滾輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)。穩(wěn)定性好，可有效防止單側(cè)驅(qū)動(dòng)不平衡造成車(chē)輪卡死故障。

2)向小車(chē)機(jī)構(gòu)采用橫梁導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，整體在直線導(dǎo)軌上面移動(dòng)，通過(guò)電機(jī)直驅(qū)滾輪。原移載小車(chē)通過(guò)電機(jī)直驅(qū)單側(cè)滾輪更改成單側(cè)電機(jī)直驅(qū)雙側(cè)滾輪。向小車(chē)由車(chē)架、上安裝板、下安裝板、行走電機(jī)及伸縮臂傳動(dòng)安裝模塊等組成。上下安裝板固定并抱緊伸縮臂機(jī)構(gòu)，在導(dǎo)軌上直線運(yùn)動(dòng)。

3)向伸縮臂，由防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)鋼絲繩、鉛黃銅滑輪組實(shí)現(xiàn)伸縮。 伸縮臂底部用于安裝機(jī)械臂，另一側(cè)設(shè)人工操作臺(tái)，用于放置無(wú)氣噴漆機(jī)及油漆桶，減少油漆管長(zhǎng)度。

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

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

6)電控系統(tǒng)，整個(gè)涂裝機(jī)器人電控系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、控制系統(tǒng)及視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，見(jiàn)圖3。 控制系統(tǒng)采用以西門(mén)子SIMATIC S7—1500的PLC為控制核心，行走機(jī)構(gòu)方向通過(guò)變頻器控制電機(jī)運(yùn)行。伺服控制器驅(qū)動(dòng)噴涂機(jī)器人在各個(gè)方向的角度、位置運(yùn)動(dòng)。提供手動(dòng)操作及自動(dòng)操作兩種模式，具備離線編程功能。

圖3 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 方案可行性對(duì)比論證

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)典型的深中通道管節(jié)段智能?chē)娡繖C(jī)器人方案，對(duì)比懸臂式多自由度噴涂機(jī)器人方案見(jiàn)表4。

表4 懸臂式多自由度噴涂機(jī)器人方案可行性對(duì)比分析論證

續(xù)表4

由表4可見(jiàn)發(fā)現(xiàn)，兩種噴涂機(jī)器人方案在噴涂工件種類(lèi)、控制方案、監(jiān)控系統(tǒng)等主要子系統(tǒng)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(wú)法處理結(jié)構(gòu)面噴涂；懸臂式多自由度方案無(wú)法噴涂底面及非敞開(kāi)區(qū)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(yōu)越性，能夠充分滿足對(duì)于船舶分段自動(dòng)化噴涂作業(yè)的需求。

3 結(jié)論

1)懸臂式多自由度噴涂機(jī)器人適用產(chǎn)品能夠覆蓋船舶雙層底、三角艙、橫艙壁等大多數(shù)類(lèi)型分段，滿足船舶分段自動(dòng)化噴涂作業(yè)需求，可提升船舶工業(yè)自動(dòng)化噴涂水平。

2)懸臂式多自由度噴涂機(jī)器人可替代人工進(jìn)行噴涂作業(yè)，可有效降低對(duì)于噴涂作業(yè)人員的需求，改善工作環(huán)境及作業(yè)強(qiáng)度。

3)懸臂式多自由度噴涂機(jī)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(yè)，該方案可行。