船用非接觸噴涂爬壁機器人的開發與試驗*

陳永芳，孫世芳

（浙江國際海運職業技術學院，浙江舟山 316021）

0 引言

噴涂作業在船舶建造過程中占有重要的地位，伴隨人類對環境保護意識的不斷提升，國際海事組織對“綠色船舶”規范的制定更加嚴格，對船舶涂層提出了更高的要求?，F階段船舶企業涂裝作業的主體為人工，通常由工人操作噴槍進行噴涂作業，該種噴涂工藝對操作工人提出較高的技術要求，操作人員技術熟練程度的不同導致涂層質量不容易控制，另外噴涂作業勞動強度較大，危險性較高，對操作人員的身體產生較大的傷害，開發船用噴涂機器人便具有現實意義。國外開展的爬壁機器人時間較早，但應用于船體噴涂的較少，2014年韓國Che-Seung Chol等開發出一套船舶噴涂爬壁機器人，利用永磁體輪子吸附船體表面，完成噴涂作業，但該系統只適合垂直平面作業，不適合其他工況作業?，F階段國內對船舶專用噴涂機器人開展專門研究的研究較多，同濟大學馬淑梅[1]對船舶工業機器人進行研究，重點在于噴涂軌跡優化從而提高涂層質量。哈爾濱工業大學閆繼紅[2-3]對船舶噴涂機器人大尺度作業精確定位與控制進行研究等。

圖1 噴涂作業

圖2 涂層打磨

1 非接觸機器人設計

1.1 設計方案[4-8]

開發的整套噴涂設備包括噴涂爬壁機器人、控制系統和噴涂系統：噴涂爬壁機器人安裝有噴涂機構，通過吸附裝置吸附于船體表面，沿設計路線運行，在行走過程中完成噴涂作業；控制系統控制整個設備的運行狀況，機器人的行走速度與噴涂的涂料流量控制等；噴涂系統實現涂料的噴涂，由高壓系統攜帶涂料噴灑在船舶表面完成涂料的涂裝。

1.1.1 機器人的吸附方案

國內外常見的吸附方式包括磁力吸附、負壓吸附、真空吸附，3種方案各有優缺點，如表1所示。

表1 吸附方式對比表

船體外板為鋼制材料，表面布滿焊縫，且具有一定的腐蝕鐵銹，表面平整度不高，通過3種方式的對比，結合機器人的靈巧性要求，采用永磁體吸附方式較為安全可靠。

1.1.2 行走機構

機器人常見的行走機構包括車輪式、履帶式和多足步行式和框架式，各種行走方式優缺點如表2所示。

表2 行走方式對比表

根據船體外板的特征及行走方式的對比，機器人的行走方式選擇為履帶式。履帶式爬壁機器人雖運轉靈活性不高，但結合噴涂作業及船舶外板尺寸較大的特征，對其靈活性要求不高；另外履帶式機器人重心較低，接觸面積較大，對船體表面的壓強較小，更加適合船體的噴涂作業。

1.1.3 驅動設計方案

船體爬壁機器人驅動常見的驅動方式為液壓驅動、氣壓驅動、電動驅動和機械驅動，各種驅動方式優缺點如表3所示。

噴涂機器人要求體積小、重量輕、運行可靠且要實現遠距離操作，結合各種驅動方式的優缺點，選擇電驅動方式。電動機體積和重量較小，響應時間短，操作方便且滿足遠距離要求。

1.1.4 噴漆機構與控制

噴涂系統由涂料輸送泵、噴涂機械臂及控制系統組成，機器人的運行速度、涂層的厚度、涂料的壓力參數由控制系統控制，保證涂層的技術要求。噴涂機械臂通過齒輪帶動齒條的運行，實現伸出與收縮功能，從而控制噴頭的噴涂軌跡，同時噴涂機械臂可實現以機器人為中心自由轉動。

表3 驅動方式對比表

1.1.5 磁吸附控制系統

機器人與船體外板緊密貼合依靠永磁體對船體的磁力，磁力的大小可通過改變永磁體與船壁的距離實現調節。噴涂機器人安裝4塊永磁體，在永磁體外圍設有隔磁罩，從而保證永磁體的潔凈度及控制磁力線的方向。為實現機器人與船壁面的脫離，設置脫離裝置，轉動凸輪手柄可改變永磁體與船璧的距離，進而改變磁吸附力從而實現機器人與船體的脫離。磁力調節裝置如圖3所示。

圖3 磁力調節裝置

綜上所述，該船用非接觸噴涂爬壁機器人采用四永磁體吸附裝置、電動機驅動雙履帶機構、電機驅動噴涂機器臂的設計方案，三維立體圖如圖4所示。

圖4 船用非接觸噴涂爬壁機器人立體圖

2 噴涂爬壁機器人理論設計

2.1 噴涂爬壁機器人力學分析

2.1.1 磁特性分析[4-10]

噴涂爬壁機器人采用4塊永磁體作為吸附機構的主體，磁吸附力的大小對機器人的穩定運轉至關重要。吸附力過小則設備運行不穩定，易造成機器人的脫落；吸附力過大則造成摩擦阻力過大，對設備的靈活性帶來不便。因而需要對吸附力實現調整，吸附力的大小可通過調整磁體與船體表面的距離的改變而實現調節。根據永磁體的磁性衰減曲線和強度指標，選擇稀土釹鐵硼永磁作為機器人的永磁體。課題選擇釹鐵硼稀土永磁體為磁性材料，具體磁性能參數如表4中所示。

表4 永磁體性能參數

永磁體吸附力計算是一個復雜的過程，結合文獻[6-11]，建立模型[11]：一圓形永磁體吸附另一大面積感應磁體，兩磁體中心重合，兩者之間存在一定間隙，計算參數設定如下：永磁體半徑為r1，感應磁體半徑為r2(r1＜r2)，永磁體厚度為δ1，感應磁體厚度為δ2，兩者之間的距離為z，則兩者之間某處的磁感應強度Bz為：

式中：Fz為距離感應磁體的距離為z處的磁力；Ag為磁極面積；AO為磁場常量。

經過數值計算，永磁體磁力與間隙的關系如圖5所示。

圖5 磁間距與磁力關系圖

由計算關系確定在正常運行過程，永磁體距離船體外板壁面的間距不超過6 mm。

2.1.2 力學特性分析

設定機器人參數如下：設第i個單元吸附塊的吸附力為Fi，壁面對它的反作用力為Ni，皮帶輪節距為p，帶輪中心距設定為20p，設備重心距離船體外板噴涂面距離為h，自重為G。設備位于船體外板有如兩種情況分別如圖6和7所示。

圖6 設備位于垂直壁面

圖7 設備位于水平壁面

在狀態1過程中，設備位于垂直壁面上，水平方向滿足受力平衡：

為防止設備在臨界狀態時上單元吸塊出現脫離船體外壁從而造成設備繞重心點A旋轉，吸附力矩（相對重心點A）應滿足：

在狀態2過程中，設備位于水平壁面上，船用噴漆機器人受到重力、吸附力、壁面對機器人支反力作用，且受力呈對稱分布；當機器人在靜止和勻速運動過程中，機器人僅在豎直方向上受力平衡，因為機器人運行速度較低，從靜止到設定速度時間很短，履帶與壁面的接觸面積大，相對壓強較低，無相對滑動，所以水平方向受力微小，可忽略不計。豎直方向上的力學平衡方程可表示為：

Nmin=0時，重力完全由磁吸附力來平衡，此時有。力矩平衡，以A、B其中一個端點A為支點，分析力矩方程，臨界時B處的單元吸附塊最先出現脫離壁面的趨勢，可得方程：

綜上所示，根據設備的安全可靠性妖氣確定設備的安全系數n，磁力和重力及所產生的力矩達到設計要求。在豎直壁面上，對點A取矩，得：

2.2 控制系統設計

噴涂機器人控制系統完成運行速度、噴涂量的相應計算，根據涂層的厚度和涂料的相關參數，調整設備的運行速度、噴頭的涂料的壓力和流量，從而滿足涂層的參數要求，控制系統原理圖如圖8所示，相應端子標號功能說明如表5所示。

圖8 控制系統原理

表5 端子標號功能

3 噴涂試驗測試及結論

為驗證設計理論及方案的可行性，根據上述方案制成非接觸噴涂爬壁機器人樣機如圖9所示。設備參數如表6所示。

圖9 噴涂試驗

圖10 噴涂效果

表6 設備參數

噴涂試驗后效果如圖10所示，結合行進參數和噴涂量的控制，檢測報告如表7所示，檢測結果顯示，非接觸爬壁噴涂機器人噴涂作業涂層達到船級社對船舶涂層的規范要求，試驗效果達到了設計要求。

表7 膜厚檢測報告

4 結論

基于國內外海事組織對船舶涂層的噴涂要求，開發出一套噴涂設備，并對開發的設備進行相關的試驗，試驗效果達到預期目標。該套設備在機器人底部安裝永磁體，通過調整永磁體與船體外板的距離調整吸附力的大小，實現設備的快速拆卸及運行。拆卸裝置操作簡單并能實現機器人與船體的快速吸附與脫離。噴涂裝置采用簡單的機械臂，通過齒輪的轉動帶動機械臂的伸縮，實現噴涂距離的調整，保證的噴涂效果。機器人的控制系統及噴涂動力系統與機器人實現分離布置，減輕機器人的重量，方便操作人員的控制，實現噴涂效果的調整，滿足噴涂要求，降低噴涂作業對人體的傷害，提高噴涂效果。