船舶涂裝機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)分析

高正杰，劉建峰，沈新新，袁愛華

（1. 江蘇科技大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

目前我國船舶工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級越來越迫切，《中國制造2025發(fā)展規(guī)劃》和《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》對我國機(jī)器人的發(fā)展做出了具體規(guī)劃[1]。近年來，船舶企業(yè)招工形勢越來越嚴(yán)峻，尤其是在船舶涂裝作業(yè)方面，由于其特殊性，招募船舶涂裝從業(yè)人員已成為困擾船舶生產(chǎn)企業(yè)的一項工作。對此，開發(fā)和應(yīng)用涂裝智能制造裝備，不僅能緩解未來可能出現(xiàn)的“用工荒”，而且有助于提升行業(yè)生產(chǎn)水平，促進(jìn)智能船舶涂裝模式下裝備的智能化和工藝的標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)一步提高船舶涂裝工藝和生產(chǎn)水平，縮小國內(nèi)造船企業(yè)與世界先進(jìn)造船企業(yè)的差距，提高我國船舶制造業(yè)的核心競爭力。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前船舶行業(yè)應(yīng)用機(jī)器人研究已取得長足發(fā)展。日本是較早將機(jī)器人應(yīng)用到船舶焊接、切割、裝配和噴涂等領(lǐng)域中的國家。日本三菱重工業(yè)公司很早就開始重視噴涂工藝的機(jī)器人化，噴涂機(jī)器人已在其神戶船廠得到應(yīng)用；同時，該公司還研制了磁吸附輪式爬壁機(jī)器人，用于開展壁面清潔和噴涂等作業(yè)。此外，川崎重工和三井造船等船舶公司對噴涂機(jī)器人進(jìn)行了研發(fā)和應(yīng)用[2]。

美國FLOW公司于2002年研制出一款超高壓水射流船舶爬壁除銹機(jī)器人Hydro-Cat，該機(jī)器人采用真空吸附爬壁模式，配有清潔自回收裝置，用于完成對船舶外板的除銹工作。美國IRE公司研制出了Biped機(jī)器人，其BR2型機(jī)器人是專門為解決在船舶載水艙中進(jìn)行噴涂作業(yè)會危害人體健康的問題而設(shè)計的，兩側(cè)各裝有1個夾具和1個油漆噴槍，可邊行走邊噴漆。

歐洲很多國家在船舶制造中相繼不同程度地采用了噴涂機(jī)器人。德國的Hatel和瑞士的ABB等公司生產(chǎn)了各種型號的噴涂機(jī)器人，從應(yīng)用的角度來看，其技術(shù)較為成熟。西班牙卡塔赫納科技大學(xué)DSIE研究室研究了一種軌道懸臂除銹機(jī)器人EFTCoR，該機(jī)器人采用框架支撐爬壁方式，配有軌道升降架，適合進(jìn)行船舶兩側(cè)豎直壁面的除銹工作。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前國內(nèi)船舶行業(yè)在機(jī)器人研發(fā)方面仍處于起步階段，許多研究還處在理論分析階段，主要集中在船板下料機(jī)器人、船體對接機(jī)器人和移動焊接機(jī)器人等機(jī)器人的研發(fā)方面。目前已有多家科研機(jī)構(gòu)對智能爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)開展研究。例如：哈爾濱工程大學(xué)對爬壁機(jī)器人進(jìn)行研究，成功研制了采用永磁吸附結(jié)構(gòu)的金屬管防腐用磁吸附爬壁機(jī)器人，近年開展了新型輪式磁懸吸附裝置研究；山東科技大學(xué)開發(fā)出了采用直角坐標(biāo)與柱坐標(biāo)相結(jié)合的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計及液壓電動機(jī)的驅(qū)動方式的艦船除銹噴涂機(jī)器人，該結(jié)構(gòu)機(jī)器人體積龐大，不便現(xiàn)場安裝；清華大學(xué)的開發(fā)研究小組提出了柔索式吊裝船舶涂裝機(jī)器人方案；上海交通大學(xué)與新松機(jī)器人公司合作進(jìn)行了多項船舶涂裝爬壁機(jī)器人研究。目前智能爬壁機(jī)器人的船廠噴涂作業(yè)應(yīng)用尚處于空白，國內(nèi)相關(guān)高校和各大造船企業(yè)均已開展船舶涂裝機(jī)器人聯(lián)合研究，一些中小型船廠也有引用涂裝機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)的意愿，船舶涂裝機(jī)器人研究具有很大的發(fā)展?jié)摿3]。

2 需突破的關(guān)鍵技術(shù)

目前船舶噴涂機(jī)器人在實現(xiàn)船廠普及應(yīng)用方面仍面臨很多難題，船舶涂裝的工作量較大，通用性較差，作業(yè)任務(wù)復(fù)雜多樣，這使得研發(fā)相應(yīng)噴涂機(jī)器人的技術(shù)壓力和成本控制問題難以解決，主要有以下幾個關(guān)鍵技術(shù)需取得突破。

2.1 機(jī)器人噴涂涂層累積成長模型建立

噴涂過程中的涂層累積成長模型研究是機(jī)器人噴涂性能研究的關(guān)鍵，是機(jī)器人噴涂工藝設(shè)計和運(yùn)行軌跡規(guī)劃的前提。對于涂料的噴涂累積模型研究，已有很多可借鑒的案例，例如無限范圍模型中的雙變量高斯分布模型[4]、雙變量柯西分布模型、有限范圍模型和β分布模型等。研究涂層累積成長模型不僅僅是研究機(jī)器人噴涂過程中涂層的累積原理和規(guī)律（這只是解析噴涂過程的一個步驟），更重要的是研究如何通過模型設(shè)計出提高機(jī)器人噴涂膜厚分布一致性的方法，通過某種形式（如改變噴槍組合的方式等），縮小漆膜厚度分布的高低差，降低膜厚分布的離散性。

可通過改變機(jī)器人噴槍設(shè)計組合（見圖1），采用一個四噴頭互成V型分布排設(shè)，在這種排列下，噴槍噴涂出來的模型與一般單噴口不同，避免直噴時噴霧直接重合，減小覆蓋誤差。在實際噴涂中，噴槍噴出的漆霧呈橢圓錐形，漆膜厚度分布符合一定的概率分布規(guī)律；在機(jī)器運(yùn)行過程中，其每道有效噴涂區(qū)域為中間重疊區(qū)域，相鄰的每道次噴涂之間的重疊區(qū)域與每道次中心的重疊區(qū)域一致。

此時，噴涂區(qū)域有效噴涂部分的膜厚分布見圖2，其累積漆膜厚度的極差明顯比單道噴涂作業(yè)的小。在改變噴槍排位設(shè)置，提高膜厚分布一致性的基礎(chǔ)上，研究相應(yīng)的涂層累積成長模型，圍繞這些模型的參數(shù)，研究各影響因素的相關(guān)作用原理，設(shè)計一系列試驗，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得其中的數(shù)學(xué)關(guān)系。對獲得的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行預(yù)測，從而判斷機(jī)器人噴涂作業(yè)的相關(guān)工藝改進(jìn)措施或進(jìn)一步研究的方向。

圖1 動態(tài)機(jī)器人噴涂模型模擬圖

圖2 機(jī)器人行進(jìn)噴涂主區(qū)域膜厚堆積模擬分布圖

2.2 機(jī)器人試驗和分析方法設(shè)計優(yōu)化

在船舶涂裝機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面，需對機(jī)器人的性能研究進(jìn)行一系列試驗設(shè)計，對機(jī)器人的運(yùn)行性能和運(yùn)用效果及各項工藝參數(shù)的變化進(jìn)行合理的試驗研究[5]。船舶噴涂作業(yè)會受多種因素的影響，包括環(huán)境因素、機(jī)器人本體性能因素和涂料的理化性質(zhì)因素等。若進(jìn)行系統(tǒng)性試驗，需進(jìn)行大量的試驗工作，因此需通過科學(xué)試驗設(shè)計的方法，結(jié)合噴涂作業(yè)實際，對需研究的影響因素進(jìn)行試驗設(shè)計和優(yōu)化。

首先基于人工噴涂實際情況對一些影響噴涂作業(yè)效果的因素進(jìn)行確認(rèn)和篩選，然后對篩選出的因素進(jìn)行相應(yīng)的試驗水平選擇，對各因素、各水平進(jìn)行正交試驗設(shè)計，選取相關(guān)因素，設(shè)計試驗水平，以涂層膜厚數(shù)據(jù)方差為試驗指標(biāo)，計算各項數(shù)據(jù)，采用極差分析法確定各試驗因素的主次、優(yōu)先水平和試驗范圍內(nèi)的最優(yōu)組合，極差越大，說明該因素對試驗指標(biāo)的影響越大，進(jìn)而說明該因素越重要。根據(jù)極差的大小可判斷影響機(jī)器人噴涂效果的各因素的主次，進(jìn)而對主要因素或占比較大的因素進(jìn)行全面的試驗，以研究其對機(jī)器人噴涂漆膜一致性的影響規(guī)律，找出影響機(jī)器人噴涂作業(yè)的關(guān)鍵因素，對關(guān)鍵因素進(jìn)行充分的科學(xué)試驗，在試驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上研究其作用規(guī)律和原理，并采用模擬仿真軟件對機(jī)器人噴涂狀況進(jìn)行仿真，結(jié)合機(jī)器人實際應(yīng)用情況進(jìn)行對比和優(yōu)化修正，形成一套適用于船舶噴涂機(jī)器人的工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)器人噴涂作業(yè)最佳方案。

2.3 涂裝機(jī)器人工藝接口與工藝數(shù)據(jù)庫設(shè)計

工藝數(shù)據(jù)庫是機(jī)器人噴涂作業(yè)控制系統(tǒng)的核心，機(jī)器人噴涂與人工噴涂不同，需依照事先設(shè)計和編制的參數(shù)設(shè)計體系選擇符合生產(chǎn)任務(wù)要求的參數(shù)，在靈活性和即時性方面存在不足，因此對工藝數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計和編制是機(jī)器人工藝研究應(yīng)用中的關(guān)鍵一環(huán)。此外，工藝數(shù)據(jù)庫作為機(jī)器人運(yùn)行的“記憶儲存”設(shè)備，要將其提取出來給機(jī)器人使用，需開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，機(jī)器人對計算機(jī)輔助設(shè)計（Computer Aided Design,CAD）工件的識別能力是基于所設(shè)計的文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口確定的，需對機(jī)器人運(yùn)行時所能識別的數(shù)據(jù)類型、形式和內(nèi)容進(jìn)行定義，進(jìn)而結(jié)合需轉(zhuǎn)入的文件確定其轉(zhuǎn)換方式和關(guān)系，完成文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2.3.1 CAD模型轉(zhuǎn)換識別

機(jī)器人完全自主識別工件CAD模型需基于一定的文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將目標(biāo)文件轉(zhuǎn)化為機(jī)器人可識別的內(nèi)容[6]，對于船舶外板噴涂，可考慮簡化識別的內(nèi)容，在將目標(biāo)文件輸入系統(tǒng)之后，定位識別外板規(guī)則圖形，即將需進(jìn)行噴涂作業(yè)的船板或大型分段的大平面區(qū)域的CAD模型轉(zhuǎn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換接口識別工件作業(yè)區(qū)的外形，一般為規(guī)則多邊形，自主規(guī)劃起始點位，識別運(yùn)行距離，記錄各道噴涂的上下位點，將CAD三維模型識別為平面點線圖（見圖3）。

圖3 機(jī)器人后臺系統(tǒng)圖

2.3.2 數(shù)據(jù)庫工藝參數(shù)識別

每種軟件對其后面數(shù)據(jù)庫的構(gòu)架和數(shù)據(jù)存儲形式都是不同的，這樣就需進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過轉(zhuǎn)換接口，將工藝數(shù)據(jù)庫中的應(yīng)用內(nèi)容轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中可識別的數(shù)據(jù)內(nèi)容，由數(shù)據(jù)庫的更換和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的更換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)本身的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換管理系統(tǒng)是對數(shù)據(jù)從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式進(jìn)行管理的軟件系統(tǒng)[7]，可加快數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程和避免或減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的錯誤，在一定程度上提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和不同格式數(shù)據(jù)之間的兼容性和通用性。

2.3.3 涂裝工藝數(shù)據(jù)庫設(shè)計

完整的機(jī)器人涂裝工藝智能數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)具有多種功能[8]，包括涂裝工藝文件管理、涂裝應(yīng)用分段外板圖形庫管理、涂裝資料庫管理、涂裝工藝評定和知識庫維護(hù)與管理等（見圖4）。

1) 涂裝工藝文件管理是對涂裝機(jī)器人噴涂工藝文件庫的文件進(jìn)行管理，對工藝文件庫的架構(gòu)設(shè)計是涂裝工藝數(shù)據(jù)庫設(shè)計中的重要一環(huán)，其決定著工藝數(shù)據(jù)庫的核心定位和具體內(nèi)容，需權(quán)衡機(jī)器人在開展涂裝作業(yè)時必須考慮的諸多要素；

圖4 涂裝工藝智能數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能分布圖

2) 涂料自身的理化性質(zhì)和規(guī)格參數(shù)是需明確和記錄的內(nèi)容；

3) 噴涂設(shè)備和噴涂工藝參數(shù)是機(jī)器人噴涂作業(yè)的關(guān)鍵，不同的噴槍型號對應(yīng)的接口和噴涂機(jī)壓力供給有不同的要求，對噴槍的型號和噴口的規(guī)格進(jìn)行錄入，并對工藝參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計選擇，是噴漆機(jī)器人實現(xiàn)噴涂作業(yè)的關(guān)鍵；

4) 輔助電氣供應(yīng)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的設(shè)定是現(xiàn)場施工的前提條件，需設(shè)計進(jìn)入工藝庫，對每項涉及機(jī)器人噴涂作業(yè)流程的環(huán)節(jié)點進(jìn)行具體設(shè)計，定義每個數(shù)據(jù)項的具體內(nèi)容（見圖5）。

圖5 涂裝機(jī)器人噴涂工藝文件庫

數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)應(yīng)來源于理論分析和實際測試研究，通過對機(jī)器人噴涂的漆膜成長模型進(jìn)行設(shè)計研究，反向推導(dǎo)在噴涂作業(yè)設(shè)計要求下，機(jī)器人運(yùn)行理論工藝參數(shù)的數(shù)值，并結(jié)合實際應(yīng)用測試，將理論數(shù)據(jù)與實際測試得到的數(shù)據(jù)相比對，尋找關(guān)鍵參數(shù)和對應(yīng)的涂層變化規(guī)律，優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)，調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，使之達(dá)到作業(yè)實際要求。同時，對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，形成工藝參數(shù)卡片或表組。以噴涂涂料為參考基準(zhǔn)，在根據(jù)涂料進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，以膜厚范圍按照作業(yè)任務(wù)設(shè)計膜厚需求；或是試驗測試某種涂料，針對其在一組參數(shù)條件下達(dá)到的膜厚情況進(jìn)行細(xì)化，篩選出影響作業(yè)效果的主要參數(shù)作為細(xì)化項，比如移動速度、噴槍高度和噴涂壓力等，進(jìn)而再據(jù)此進(jìn)行數(shù)據(jù)填充。此外，可針對每次噴涂作業(yè)制訂涂裝作業(yè)記錄卡片，記錄每次實船作業(yè)的相關(guān)任務(wù)數(shù)據(jù)，建立作業(yè)檔案，以便后續(xù)進(jìn)行驗查和復(fù)盤[9]。

2.4 船舶涂裝機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)分析

若要實現(xiàn)船舶涂裝機(jī)器人在船廠的應(yīng)用，首先需明確其功用，船舶涂裝包含分段涂裝、船體總段涂裝和船塢涂裝，這就需明確機(jī)器人的應(yīng)用分類，以及相應(yīng)的技術(shù)條件和指標(biāo)。目前已報道的船舶涂裝機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)通常以爬壁機(jī)器人為主要形式，具有機(jī)體小、輔助設(shè)備簡單和靈活方便等特點。此外，采用多軸機(jī)械臂方式的噴涂機(jī)器人也是研究的熱點，其特有的靈活性和技術(shù)成熟性有很大的研究潛力。

機(jī)器人要能適應(yīng)大平面或大曲面的涂裝作業(yè)，同時在對分段結(jié)構(gòu)面和船體結(jié)構(gòu)艙室進(jìn)行涂裝時，需具有更高的智能化水平和空間機(jī)動能力。對此，研究開發(fā)多功能化機(jī)器人，以適應(yīng)多種任務(wù)的需求；通過模塊化部件搭載，使機(jī)器人兼具噴涂和清潔作業(yè)能力，滿足多種作業(yè)要求。

為實現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備集成化，需研發(fā)機(jī)器人噴涂系統(tǒng)集成控制軟件，包括機(jī)器人軌跡離線編程規(guī)劃、工藝狀態(tài)在線顯示、實時故障診斷及操作記錄、工藝數(shù)據(jù)庫、自動與手動控制和手動示教等。在離線規(guī)劃與仿真編程軟件的支持下，實現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動控制和噴頭噴涂操作控制，在同步跟蹤噴涂工件的同時，根據(jù)噴涂面改變噴槍的方向和角度，研究機(jī)器人噴槍運(yùn)動軌跡優(yōu)化、噴涂參數(shù)優(yōu)化的有效實施方法和離線自動編程的成套技術(shù)[10]。

3 結(jié) 語

本文從船舶噴涂機(jī)器人研究設(shè)計的角度，對船舶噴涂機(jī)器人的技術(shù)特征（包括涂層累積成長模型和噴涂試驗及分析方法的建立、工藝接口和工藝庫設(shè)計、機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計等）進(jìn)行了分析闡述。船舶企業(yè)在生產(chǎn)建造船舶過程中引用工業(yè)機(jī)器人是大勢所趨，盡管在實現(xiàn)船舶噴涂機(jī)器人普遍應(yīng)用方面還有許多工藝和技術(shù)需要探索，相關(guān)研究仍需深入開展，船舶噴涂的復(fù)雜性和研發(fā)投入的風(fēng)險性制約著其發(fā)展的腳步，但在目前造船市場發(fā)展前景不確定的情況下，提升生產(chǎn)技術(shù)和制造水平，實現(xiàn)智能化船舶生產(chǎn)建造，是船舶企業(yè)擺脫困境、提升競爭力的必然途徑，船舶涂裝機(jī)器人研究發(fā)展的前景較為可觀。