船舶甲板智能拋丸機器人設(shè)計

何家健

(中國船舶重工集團公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

船舶在海上行駛，受到海水、鹽霧、海生物等影響，在建造與航行階段甲板或多或少會產(chǎn)生銹蝕[1]。為延長船舶的使用壽命需要對甲板進行處理，即對焊縫及局部區(qū)域進行除銹、拉毛等施工，主要采用人工砂輪打磨，該方式存在施工效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，所產(chǎn)生的粉塵并未回收，直接排至大氣中，對人身和周圍環(huán)境造成嚴重傷害[2]。

目前，鋼板除銹方式分為機械除銹、噴砂除銹、高壓水射流除銹和拋丸除銹等4種。機械除銹主要由人工手持打磨機進行除銹，該方式用途廣泛，但缺點明顯：效率低、污染嚴重，因此不符合涂裝綠色發(fā)展需求。噴砂除銹借助壓縮空氣動力將鋼砂噴至鋼材表面，利用沖擊力清理表面的鐵銹和氧化皮[3]，該方式的優(yōu)點是效率高，但缺點是清理成本較高、污染嚴重，長期工作的工人具有患塵肺病的風險。高壓水射流利用超高壓將水加壓至數(shù)百個大氣壓，并通過細小孔徑噴射，具有巨大的打擊能量，可將銹斑和鐵皮等剝離[4]，該方式具有清洗速度快、適用各種復雜結(jié)構(gòu)件的優(yōu)點，但缺點是初始投資成本較高，在處理后易出現(xiàn)閃銹[5]。拋丸除銹利用拋丸機葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力將丸料以較高的線速度拋向鋼材表面，產(chǎn)生擊打和磨削作用，去除鋼材氧化皮和銹蝕并使表面呈現(xiàn)一定程度的粗糙度，拋丸機往往配備除塵器，無塵、無污染，是一種效率高的環(huán)保除銹工藝[6-7]。

雖然目前拋丸工藝技術(shù)比較成熟，但均為人工推動設(shè)備前進，自動移動式拋丸機器人在國內(nèi)尚屬于空白，因此設(shè)計一款從實際使用需求角度出發(fā)的機器人尤為迫切和重要，以減少人工數(shù)量及減輕環(huán)境危害為目的，實現(xiàn)船舶甲板除銹的手動遙控和自動拋丸作業(yè)[8-11]。

1 智能拋丸機器人系統(tǒng)組成

為滿足表面清理的工作要求，機器人采取模塊化設(shè)計。智能拋丸機器人系統(tǒng)主要由拋丸分系統(tǒng)、除塵分系統(tǒng)、遙控裝置、越障輔助機構(gòu)、連接電纜和回收軟件及轉(zhuǎn)運箱組成。智能拋丸機器人系統(tǒng)布局如圖1所示。甲板配電柜通過控制電纜為除塵分系統(tǒng)供電；分系統(tǒng)之間通過電纜、氣管回收軟管連接，底部放置管線支撐小車；由于甲板上的障礙較多，船廠起重機資源較緊張，因此配備越障輔助機構(gòu)；安裝反光柱以便激光導航掃描地圖更完整。

圖1 智能拋丸機器人系統(tǒng)布局

2 智能拋丸機器人硬件設(shè)計

2.1 拋丸分系統(tǒng)硬件設(shè)計

拋丸分系統(tǒng)硬件設(shè)計在已有拋丸機基礎(chǔ)上進行改進。增加補料倉和料位不足檢測功能，自動控制補料倉切換閥實現(xiàn)丸料補充；增加進料口丸料閥，控制丸料是否進入拋丸輪；采用行走轉(zhuǎn)向電機，實現(xiàn)前進、后退、爬坡和轉(zhuǎn)彎等移動功能；配套車載控制器，實現(xiàn)移動控制、與除塵分系統(tǒng)信息交互、定位數(shù)據(jù)分析采集(預留軟件接口)、避障控制及提供數(shù)字信號輸入(Digital Input，DI)/數(shù)字信號輸出(Digital Output，DO)接口經(jīng)繼電器開關(guān)對拋丸作業(yè)進行控制；配套抗干擾能力強的工業(yè)級無線發(fā)送器和接收器，具備遠程遙控功能，同時控制拋丸行走單元和除塵行走單元；配套激光掃描測量系統(tǒng)，預留軟件接口用于實現(xiàn)對拋丸分系統(tǒng)的實時定位功能；配套安全激光掃描儀，實現(xiàn)拋丸分系統(tǒng)避障功能；提供蜂鳴器和報警燈，具備故障檢測和報警功能。改進后的拋丸分系統(tǒng)如圖2所示：舵輪及控制箱固定于拋丸機前部；安全激光掃描儀固定于拋丸機斜對角處；激光掃描器固定于控制箱上方。

圖2 改進后的拋丸分系統(tǒng)

2.2 除塵分系統(tǒng)硬件設(shè)計

除塵分系統(tǒng)在除塵機基礎(chǔ)上進行改進。更改原有除塵機布局，減小部分部件尺寸，縮小原有除塵機整機體積，增強除塵分系統(tǒng)對船舶甲板緊湊空間的適應性；更換行走機構(gòu)，采用行走轉(zhuǎn)向電機，實現(xiàn)前進、后退、爬坡和轉(zhuǎn)彎等移動功能；配套車載控制器，實現(xiàn)移動控制、與拋丸分系統(tǒng)信息交互、避障控制及提供DI/DO接口經(jīng)繼電器開關(guān)對除塵作業(yè)進行控制；配套抗干擾能力強的工業(yè)級接收器，與拋丸分系統(tǒng)共享發(fā)送器，具備遠程遙控功能；配套超聲波傳感器，實現(xiàn)除塵分系統(tǒng)避障功能；增加故障檢測和報警功能，提供報警燈。改進后的除塵分系統(tǒng)如圖3所示：除塵箱位于除塵分系統(tǒng)前部上面，底部是儲灰斗；空壓機位于除塵分系統(tǒng)后部上面；控制電柜位于空壓機側(cè)面；除塵電機位于除塵分系統(tǒng)后部下面；舵輪位于除塵電機后下方。

圖3 改進后的除塵分系統(tǒng)

2.3 越障輔助機構(gòu)設(shè)計

在越障時可使用船廠起重機，但在一般情況下協(xié)調(diào)起重機資源比較麻煩，只能考慮在大區(qū)域不便利轉(zhuǎn)運的情況下才使用船廠起重機。普通越障依賴越障輔助機構(gòu)，用于輔助智能拋丸機器人系統(tǒng)越過不能通過行走繞過的障礙區(qū)域。拋丸分系統(tǒng)和除塵分系統(tǒng)本身需要配備包裝箱，可通過包裝箱的改進性設(shè)計實現(xiàn)兼顧越障功能。在遇到道路障礙(障礙物高度小于200 mm)時，可將轉(zhuǎn)運箱體移動至障礙物上方，將腳輪鎖緊，打開箱門，一端放置地面，接通電源遙控控制設(shè)備從箱體中移動出來。

拋丸分系統(tǒng)和除塵分系統(tǒng)均保留吊裝孔，可通過吊裝方式越過障礙，因此越障輔助機構(gòu)設(shè)計為一個可拆卸組裝的小型龍門架，在龍門架上配備電動葫蘆實現(xiàn)設(shè)備的吊裝功能，底部配備重型剎車萬向腳輪實現(xiàn)移動功能。小型龍門架如圖4所示。

圖4 小型龍門架

3 智能拋丸機器人軟件設(shè)計

智能拋丸機器人軟件設(shè)計如圖5所示。

圖5 智能拋丸機器人軟件設(shè)計

智能拋丸機器人軟件主要包括拋丸分系統(tǒng)控制器軟件和除塵分系統(tǒng)控制軟件。2種控制器程序均可通過固定在除塵分系統(tǒng)上的工業(yè)平板完成編輯和編譯，并通過以太網(wǎng)下載至對應的控制器內(nèi)。拋丸分系統(tǒng)與除塵分系統(tǒng)在行走功能上類似，均具有直線前進、后退、轉(zhuǎn)彎功能，拋丸分系統(tǒng)還具有一鍵掉頭功能。上述幾種功能均與控制舵輪的速度、轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)角角度有關(guān)，為保證程序的模塊化設(shè)計，將舵輪控制設(shè)計為通用模塊，通過不同的輸入指令(直線行駛、轉(zhuǎn)彎、一鍵掉頭)實現(xiàn)不同的行走功能。上電自檢與系統(tǒng)狀態(tài)采集模塊基本實現(xiàn)原理相同，所采集的信號也基本一致，因此將上述2種模塊進行統(tǒng)一設(shè)計。通用型模塊分別為系統(tǒng)上電自檢模塊、實時狀態(tài)采集模塊、拋丸除塵設(shè)備使能模塊、舵輪控制模塊、拋丸功能模塊、除塵功能模塊及加料功能模塊；建立5個專用型模塊，分別為直線行駛模塊、轉(zhuǎn)彎模塊、一鍵掉頭模塊、遙控拋丸模塊及自主導引模塊。

4 智能拋丸機器人操作方式

4.1 手動遙控方式

手動遙控操作流程如圖6所示。

圖6 手動遙控操作流程

排除機器人故障并進行場地清理，人工通過升降機構(gòu)將拋丸機構(gòu)與待加工甲板調(diào)整至合適距離。在遙控器上通過操作模式切換模塊切換為遙控拋丸。通過顯示模塊設(shè)置作業(yè)參數(shù)，選擇一鍵啟動，依次啟動除塵電機、第一拋丸電機、第二拋丸電機和進料口丸料閥。在遙控器上通過拋丸或除塵選擇模塊選擇拋丸作業(yè)，遙控拋丸裝置開始拋丸作業(yè)。如果拋丸裝置行走期間遇到障礙，通過一鍵停止模塊關(guān)閉進料口丸料閥并停止第一拋丸電機和第二拋丸電機，通過手柄遙控拋丸裝置繞開障礙物行走。如果顯示模塊提示儲料箱料位不足，通過補料倉切換閥啟動/停止打開補料倉切換閥進行補料，補料完成關(guān)閉補料倉切換閥。如果除塵裝置與拋丸裝置之間的距離超過中間軟管規(guī)定的工作范圍，在遙控器上選擇除塵作業(yè)，遙控除塵裝置移動至合適位置，選擇拋丸作業(yè)。

4.2 導引規(guī)劃方式

導引規(guī)劃操作流程如圖7所示。排除機器人故障并進行場地清理，進行拋丸裝置行走速度校準。通過手柄遙控拋丸裝置在工作區(qū)域行走，通過激光導航掃描模塊獲取周圍位置信息，在顯示模塊上進行現(xiàn)場地圖創(chuàng)建、行走路徑規(guī)劃和作業(yè)參數(shù)設(shè)置。人工通過升降機構(gòu)將拋丸機構(gòu)與待加工甲板調(diào)整至合適距離，在遙控器上通過操作模式切換模塊將操作模式切換為自動導航拋丸。人工輔助整理軟管，拋丸裝置自動按照預定行走路徑執(zhí)行拋丸作業(yè)。

圖7 自主導引操作流程

5 實船甲板測試

準備S390鋼丸、S280鋼丸、S280鋼丸+G25鋼砂和鋼絲切丸1.0進行測試，分別將丸料導入箱內(nèi)進行實船甲板測試。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

6 結(jié) 語

經(jīng)現(xiàn)場測試驗證，所設(shè)計的智能拋丸機器人可完成船舶甲板的除銹與清理，具備效率高、污染輕、操作簡便的特點，可用于船舶修造、橋梁施工等領(lǐng)域大范圍涂裝前的預處理，如主甲板、貨艙底、合龍焊縫的除銹除漆等。