船舶裝件智能噴涂作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

中圖分類號(hào)： ∪ 6 7 1 . 9 1 + 8"文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)量多、規(guī)格差異大、結(jié)構(gòu)類型雜等特點(diǎn)[2。按照船舶并行建造工藝，曬裝件需要提前在其表面進(jìn)行涂裝油漆等防護(hù)材料3，目前裝件涂裝作業(yè)主要為人工噴涂，人工作業(yè)流程復(fù)雜，效率低，容易造成裝件供應(yīng)不及時(shí)導(dǎo)致造船生產(chǎn)節(jié)拍不平衡問(wèn)題[4；并且裝件結(jié)構(gòu)種類較多，人工噴涂質(zhì)量受工人能力影響較大[5，導(dǎo)致噴涂油漆質(zhì)量無(wú)法把控；另外部分船廠同時(shí)建造多條船舶時(shí)，可能將不同船舶舾裝件在同一時(shí)間進(jìn)行噴涂作業(yè)，不同船舶對(duì)于裝件油漆種類和工藝要求不同，容易造成油漆噴涂錯(cuò)誤而返工。為解決裝件人工噴涂作業(yè)所帶來(lái)的問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝件噴涂作業(yè)流程和工藝要求，現(xiàn)設(shè)計(jì)研發(fā)裝件智能噴涂作業(yè)系統(tǒng)，以智能化機(jī)械作業(yè)替代人工噴涂作業(yè)。

2船舶裝件及噴涂作業(yè)基本情況

2.1船舶裝件種類

船舶各類裝件作用不同，其結(jié)構(gòu)、尺寸大小差別較大，鐵類的主要為船舶各個(gè)艙室的直梯和斜梯、欄桿、踏步以及平臺(tái)等，鐵類結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為尺寸較大，一般由角鋼和圓管組成，最長(zhǎng)直梯可達(dá)到 3 m ；管類主要為管支架等附件，管類主要特點(diǎn)為數(shù)量多，占據(jù)整船裝件數(shù)量的 7 5 % ，由于船舶各管徑不同，管路走向布置不同，導(dǎo)致管支架設(shè)計(jì)尺寸不同，但管類結(jié)構(gòu)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(diǎn)為尺寸較小，結(jié)構(gòu)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(tǒng)主要針對(duì)此類小型裝件進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，表1為某船小于 1 . 5 m 支架數(shù)量及占比。

2.2涂裝車間目前噴涂作業(yè)流程

目前，在船舶行業(yè)中，大多數(shù)造船企業(yè)針對(duì)船舶小型裝品管子支架的具體噴涂作業(yè)流程為：1）行吊先將托盤吊入車間，人工將托盤內(nèi)小型裝品管子支架按照種類擺放至地面；2）將車間進(jìn)行封閉；3）工人開(kāi)始對(duì)小型裝品管子支架進(jìn)行邊翻面邊噴涂作業(yè)；4）噴涂后進(jìn)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(nèi)，再由行吊吊離車間。以此循環(huán)作業(yè)?，F(xiàn)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(dòng)、擺放，同時(shí)噴涂時(shí)需要翻轉(zhuǎn)小型裝品管子支架，無(wú)法提升效率，噴涂成本高，長(zhǎng)期作業(yè)工人身體會(huì)出現(xiàn)勞損。

3 船舶裝件智能噴涂系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1智能噴涂系統(tǒng)搭建思路

根據(jù)目前裝件噴涂作業(yè)流程和作業(yè)工藝，并且噴涂完畢后需放置晾干，此智能化噴涂系統(tǒng)采用循環(huán)式懸掛輸送鏈流水線的噴涂形式，一方面可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)的連貫性；另一方面實(shí)現(xiàn)了噴漆完畢后無(wú)需再調(diào)整軀裝件，掛置在運(yùn)輸鏈上即可。以目前裝件噴涂數(shù)量200個(gè)為一批，采用節(jié)距 2 0 0 m m 輸送鏈，每個(gè)掛點(diǎn)間距為 1 m （解釋：設(shè)計(jì)掛點(diǎn)間距為 1 m ，整個(gè)系統(tǒng)是針對(duì)小于 1 . 5 m 的裝件進(jìn)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(jìn)行大于 1 m 尺寸的舾裝件，可隔一個(gè)掛點(diǎn)進(jìn)行懸掛。），整個(gè)流水線總長(zhǎng)為 2 0 0 m ，共計(jì)200個(gè)掛點(diǎn)，每個(gè)掛點(diǎn)掛載1個(gè)夾具，每個(gè)夾具裝夾一個(gè)噴涂裝件，即可每個(gè)班次完成200個(gè)舶裝件的噴涂作業(yè)。動(dòng)力系統(tǒng)由一個(gè)變頻電機(jī)加上減速機(jī)提供，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)流水線的運(yùn)行。

在運(yùn)輸鏈運(yùn)行的過(guò)程中，噴涂裝件運(yùn)行至指定工位時(shí)會(huì)自動(dòng)停止，并保持比較穩(wěn)定的運(yùn)行姿態(tài)，以保證視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)管子支架的掃描及噴涂系統(tǒng)對(duì)管子支架的噴涂，整個(gè)系統(tǒng)需要頻繁的啟停，能夠保證穩(wěn)定且準(zhǔn)確的運(yùn)行精度和速度。整個(gè)流水線由上下料工位、視覺(jué)掃描工位、自動(dòng)噴涂工位、人工補(bǔ)漆工位、自然晾干工位共五個(gè)工位組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶裝件的自動(dòng)化噴涂作業(yè)。智能化噴涂作業(yè)系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1。

3.2智能噴涂系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)合夾具設(shè)計(jì)

智能噴涂作業(yè)系統(tǒng)運(yùn)輸鏈上的自動(dòng)開(kāi)合夾具是整個(gè)作業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分，夾具必須要滿足長(zhǎng)度1 . 5 m 以內(nèi)、重量在 1 5 k g 以下舾裝件的固定，自動(dòng)開(kāi)合夾具由工作臺(tái)、氣缸、夾具等組成，詳見(jiàn)圖2。當(dāng)運(yùn)輸鏈運(yùn)動(dòng)到上下料工位時(shí)，運(yùn)輸鏈停止時(shí)，夾具應(yīng)位于自動(dòng)開(kāi)合裝置的工作臺(tái)中央，工作臺(tái)上帶導(dǎo)向軸的氣缸，操作者踩下腳踏開(kāi)關(guān)，氣缸工作，推動(dòng)夾具彈簧座移動(dòng)，壓縮彈簧被壓縮，夾具開(kāi)啟，工人在此工位進(jìn)行工件的掛入或取件等操作。

3.3智能噴涂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）上下料系統(tǒng)

整個(gè)上下料系統(tǒng)由定位裝置、自動(dòng)開(kāi)合夾具裝置、輸送線控制開(kāi)關(guān)、工作臺(tái)構(gòu)成。工件運(yùn)行至上料工位，觸發(fā)位置傳感器，流水線斷電停止，此時(shí)工件位于上下料平臺(tái)，平臺(tái)設(shè)置帶導(dǎo)向軸的氣缸，踩下腳踏開(kāi)關(guān)，氣缸推動(dòng)夾具彈簧座移動(dòng)，壓縮彈簧被壓縮，夾具開(kāi)啟，工人在上／下料工位進(jìn)行工件的掛入、取件，托盤可通過(guò)推車/吊車移動(dòng)。

上下料工位充分考慮了操作的便利性及人體工學(xué)，人工上料時(shí)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(shè)置了長(zhǎng)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(dòng)安全，不受其他因素干擾，同時(shí)又考慮到了視覺(jué)系統(tǒng)及噴涂系統(tǒng)的工作精度。此外，上下料工位設(shè)置了支架長(zhǎng)度尺寸自動(dòng)識(shí)別機(jī)構(gòu)，不符合流水線工藝要求的支架即使放入夾具中，流水線發(fā)出警報(bào)并停止運(yùn)行，提示更換符合尺寸的支架后，流水線自動(dòng)運(yùn)行。上下料系統(tǒng)圖，見(jiàn)圖3所示。

2）視覺(jué)掃描系統(tǒng)

視覺(jué)掃描系統(tǒng)，整個(gè)視覺(jué)掃描系統(tǒng)包括定位裝置、掃描和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。視覺(jué)掃描技術(shù)是利用高分辨率的3D攝像機(jī)捕捉管子支架的點(diǎn)云圖像，然后通過(guò)專用的軟件分析這些點(diǎn)云圖像，進(jìn)而識(shí)別管子支架的形狀輪廓。本系統(tǒng)視覺(jué)掃描工位擬采用兩組相機(jī)從兩側(cè)對(duì)管子支架進(jìn)行拍照、掃描識(shí)別。管子支架運(yùn)行至掃描工位時(shí)，相機(jī)對(duì)管子支架依次進(jìn)行視覺(jué)掃描。基于捕捉到的圖像，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)提取的輪廓特征以及特定算法，形成3D噴涂軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息并存人存儲(chǔ)器中，供自動(dòng)噴涂機(jī)器人進(jìn)行讀取調(diào)用。具體視覺(jué)掃描系統(tǒng)圖見(jiàn)圖4，3D掃描深度圖見(jiàn)圖5。

3）自動(dòng)噴涂系統(tǒng)

自動(dòng)噴涂系統(tǒng)，整個(gè)自動(dòng)噴涂系統(tǒng)由定位裝置、專用噴漆機(jī)器人、噴槍、配色罐及噴漆房構(gòu)成。噴涂組件由2臺(tái)多軸噴涂機(jī)器人組成。噴涂區(qū)分正、反兩個(gè)工位組，當(dāng)管子支架傳送至自動(dòng)噴涂區(qū)后，流水線停止，噴涂機(jī)器人啟動(dòng)，讀取視覺(jué)系統(tǒng)傳遞的掃描數(shù)據(jù)，根據(jù)視覺(jué)掃描輸出的噴涂路徑，對(duì)管子支架依次進(jìn)行正、反兩面噴涂。為避免出現(xiàn)漏噴或重復(fù)噴涂的情況，系統(tǒng)在管子支架掃描后，會(huì)自動(dòng)識(shí)別管子支架類型為簡(jiǎn)單件或復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，而后對(duì)噴涂路徑進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，刪除可能重復(fù)的路徑，并確保每條輪廓線均被覆蓋。自動(dòng)噴涂系統(tǒng)圖，見(jiàn)圖6所示。

4船舶裝件智能噴涂實(shí)施方案

4.1系統(tǒng)實(shí)施方案介紹

本流水線為多工位同步作業(yè)模式，各工位完成各自的工序內(nèi)容，以提高流水線的整體生產(chǎn)效率，即當(dāng)流水線停止時(shí)，上料、視覺(jué)掃描、自動(dòng)噴涂、人工補(bǔ)漆、支架晾曬以及人工取料工作同步進(jìn)行：

1）人工上料。裝件掛點(diǎn)運(yùn)行至上料工位，觸發(fā)位置傳感器，運(yùn)輸鏈自動(dòng)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(kāi)關(guān)，夾具自動(dòng)夾緊并流向視覺(jué)掃描工位；

2）3D視覺(jué)模組雙面掃描。裝件運(yùn)行至視覺(jué)掃描區(qū)，流水線自動(dòng)停正，視覺(jué)掃描相機(jī)開(kāi)啟，進(jìn)行裝件形狀掃描，獲取噴涂軌跡；

3）自動(dòng)噴涂。裝件運(yùn)行至自動(dòng)噴涂工位，流水線自動(dòng)停止，噴涂機(jī)器人根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)傳遞的裝件噴涂路徑和數(shù)據(jù)自動(dòng)噴涂，為提高流水線效率，縮短生產(chǎn)節(jié)拍，本流水線設(shè)置雙工位自動(dòng)噴涂機(jī)器人，噴涂A區(qū)噴涂曬裝件正面，噴涂B區(qū)噴涂裝件背面；

4）人工補(bǔ)漆。噴涂后裝件運(yùn)行至人工補(bǔ)漆工位，流水線自動(dòng)停止，操作者肉眼檢視管子支架的噴涂質(zhì)量，手動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)漆；

5）裝件晾曬。噴涂后的裝件隨運(yùn)輸鏈轉(zhuǎn)入裝件晾曬區(qū)，自然晾干；

6）人工取料。操作者位于上下料工位，運(yùn)輸鏈的舾裝件掛點(diǎn)運(yùn)行至上下料區(qū)時(shí)，觸發(fā)位置傳感器，流水線自動(dòng)停止，操作者手動(dòng)取下晾曬完成的裝件，逐一放進(jìn)轉(zhuǎn)運(yùn)托盤內(nèi)，每取下一個(gè)裝件，腳踩開(kāi)關(guān)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(zhuǎn)走下料托盤；

7）關(guān)閉噴涂系統(tǒng)。待該批次最后1個(gè)裝件放入轉(zhuǎn)運(yùn)托盤后，則整個(gè)生產(chǎn)批次結(jié)束，按下停止按鈕，流水線停止運(yùn)行。智能化噴涂作業(yè)系統(tǒng)圖見(jiàn)圖7。

4.2智能噴涂系統(tǒng)實(shí)施應(yīng)用效果

系統(tǒng)搭建完畢后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施作業(yè)，每批次200個(gè)裝件噴涂作業(yè)平均用時(shí) 1 0 2 m i n ，較人工作業(yè)減少 5 5 m i n 。經(jīng)驗(yàn)證視覺(jué)掃描系統(tǒng)最佳掃描距離為2 3 0 0 m m ，最佳點(diǎn)掃描面積為 1 9 0 0 m m× 1 4 0 0 m m ，掃描時(shí)間為 2 5 0～3 0 0 0 m s 。針對(duì)裝件實(shí)施作業(yè)進(jìn)行第二度灰色環(huán)氧油漆噴涂作業(yè)，按照油漆作業(yè)工藝要求油漆膜厚至少為 ，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)挑選舾裝件進(jìn)行膜厚測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

5 結(jié)論

根據(jù)目前裝件噴涂人工作業(yè)流程和噴涂工藝，設(shè)計(jì)船舶裝件智能噴涂系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。該系統(tǒng)由上下料工位、視覺(jué)掃描工位、自動(dòng)噴涂工位、人工補(bǔ)漆工位和自然晾干工位，系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，采用智能噴涂系統(tǒng)作業(yè)較原先人工作業(yè)方式提高效率 3 5 % ，該系統(tǒng)噴涂效果符合油漆工藝要求，保證了現(xiàn)場(chǎng)噴涂的質(zhì)量。

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