船舶涂裝機器人應用技術分析

高正杰，劉建峰，沈新新，袁愛華

（1. 江蘇科技大學 環境與化學工程學院，江蘇 鎮江 212003；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

目前我國船舶工業的結構調整和轉型升級越來越迫切，《中國制造2025發展規劃》和《機器人產業發展規劃（2016—2020年）》對我國機器人的發展做出了具體規劃[1]。近年來，船舶企業招工形勢越來越嚴峻，尤其是在船舶涂裝作業方面，由于其特殊性，招募船舶涂裝從業人員已成為困擾船舶生產企業的一項工作。對此，開發和應用涂裝智能制造裝備，不僅能緩解未來可能出現的“用工荒”，而且有助于提升行業生產水平，促進智能船舶涂裝模式下裝備的智能化和工藝的標準化，進一步提高船舶涂裝工藝和生產水平，縮小國內造船企業與世界先進造船企業的差距，提高我國船舶制造業的核心競爭力。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

當前船舶行業應用機器人研究已取得長足發展。日本是較早將機器人應用到船舶焊接、切割、裝配和噴涂等領域中的國家。日本三菱重工業公司很早就開始重視噴涂工藝的機器人化，噴涂機器人已在其神戶船廠得到應用；同時，該公司還研制了磁吸附輪式爬壁機器人，用于開展壁面清潔和噴涂等作業。此外，川崎重工和三井造船等船舶公司對噴涂機器人進行了研發和應用[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器人Hydro-Cat，該機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機器人，其BR2型機器人是專門為解決在船舶載水艙中進行噴涂作業會危害人體健康的問題而設計的，兩側各裝有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器人。德國的Hatel和瑞士的ABB等公司生產了各種型號的噴涂機器人，從應用的角度來看，其技術較為成熟。西班牙卡塔赫納科技大學DSIE研究室研究了一種軌道懸臂除銹機器人EFTCoR，該機器人采用框架支撐爬壁方式，配有軌道升降架，適合進行船舶兩側豎直壁面的除銹工作。

1.2 國內發展現狀

當前國內船舶行業在機器人研發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器人、船體對接機器人和移動焊接機器人等機器人的研發方面。目前已有多家科研機構對智能爬壁機器人的結構開展研究。例如：哈爾濱工程大學對爬壁機器人進行研究，成功研制了采用永磁吸附結構的金屬管防腐用磁吸附爬壁機器人，近年開展了新型輪式磁懸吸附裝置研究；山東科技大學開發出了采用直角坐標與柱坐標相結合的本體結構設計及液壓電動機的驅動方式的艦船除銹噴涂機器人，該結構機器人體積龐大，不便現場安裝；清華大學的開發研究小組提出了柔索式吊裝船舶涂裝機器人方案；上海交通大學與新松機器人公司合作進行了多項船舶涂裝爬壁機器人研究。目前智能爬壁機器人的船廠噴涂作業應用尚處于空白，國內相關高校和各大造船企業均已開展船舶涂裝機器人聯合研究，一些中小型船廠也有引用涂裝機器人進行生產作業的意愿，船舶涂裝機器人研究具有很大的發展潛力[3]。

2 需突破的關鍵技術

目前船舶噴涂機器人在實現船廠普及應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，作業任務復雜多樣，這使得研發相應噴涂機器人的技術壓力和成本控制問題難以解決，主要有以下幾個關鍵技術需取得突破。

2.1 機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器人噴涂性能研究的關鍵，是機器人噴涂工藝設計和運行軌跡規劃的前提。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器人噴涂過程中涂層的累積原理和規律（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計出提高機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。

可通過改變機器人噴槍設計組合（見圖1），采用一個四噴頭互成V型分布排設，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律；在機器運行過程中，其每道有效噴涂區域為中間重疊區域，相鄰的每道次噴涂之間的重疊區域與每道次中心的重疊區域一致。

此時，噴涂區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的小。在改變噴槍排位設置，提高膜厚分布一致性的基礎上，研究相應的涂層累積成長模型，圍繞這些模型的參數，研究各影響因素的相關作用原理，設計一系列試驗，獲得相應的數據，通過試驗數據進行分析，獲得其中的數學關系。對獲得的數學關系進行預測，從而判斷機器人噴涂作業的相關工藝改進措施或進一步研究的方向。

圖1 動態機器人噴涂模型模擬圖

圖2 機器人行進噴涂主區域膜厚堆積模擬分布圖

2.2 機器人試驗和分析方法設計優化

在船舶涂裝機器人的研究和應用方面，需對機器人的性能研究進行一系列試驗設計，對機器人的運行性能和運用效果及各項工藝參數的變化進行合理的試驗研究[5]。船舶噴涂作業會受多種因素的影響，包括環境因素、機器人本體性能因素和涂料的理化性質因素等。若進行系統性試驗，需進行大量的試驗工作，因此需通過科學試驗設計的方法，結合噴涂作業實際，對需研究的影響因素進行試驗設計和優化。

首先基于人工噴涂實際情況對一些影響噴涂作業效果的因素進行確認和篩選，然后對篩選出的因素進行相應的試驗水平選擇，對各因素、各水平進行正交試驗設計，選取相關因素，設計試驗水平，以涂層膜厚數據方差為試驗指標，計算各項數據，采用極差分析法確定各試驗因素的主次、優先水平和試驗范圍內的最優組合，極差越大，說明該因素對試驗指標的影響越大，進而說明該因素越重要。根據極差的大小可判斷影響機器人噴涂效果的各因素的主次，進而對主要因素或占比較大的因素進行全面的試驗，以研究其對機器人噴涂漆膜一致性的影響規律，找出影響機器人噴涂作業的關鍵因素，對關鍵因素進行充分的科學試驗，在試驗數據分析的基礎上研究其作用規律和原理，并采用模擬仿真軟件對機器人噴涂狀況進行仿真，結合機器人實際應用情況進行對比和優化修正，形成一套適用于船舶噴涂機器人的工藝參數標準和機器人噴涂作業最佳方案。

2.3 涂裝機器人工藝接口與工藝數據庫設計

工藝數據庫是機器人噴涂作業控制系統的核心，機器人噴涂與人工噴涂不同，需依照事先設計和編制的參數設計體系選擇符合生產任務要求的參數，在靈活性和即時性方面存在不足，因此對工藝數據庫進行設計和編制是機器人工藝研究應用中的關鍵一環。此外，工藝數據庫作為機器人運行的“記憶儲存”設備，要將其提取出來給機器人使用，需開發相應的數據接口，機器人對計算機輔助設計（Computer Aided Design,CAD）工件的識別能力是基于所設計的文件數據轉換接口確定的，需對機器人運行時所能識別的數據類型、形式和內容進行定義，進而結合需轉入的文件確定其轉換方式和關系，完成文件數據轉換。

2.3.1 CAD模型轉換識別

機器人完全自主識別工件CAD模型需基于一定的文件數據轉換接口，將目標文件轉化為機器人可識別的內容[6]，對于船舶外板噴涂，可考慮簡化識別的內容，在將目標文件輸入系統之后，定位識別外板規則圖形，即將需進行噴涂作業的船板或大型分段的大平面區域的CAD模型轉入系統，系統通過轉換接口識別工件作業區的外形，一般為規則多邊形，自主規劃起始點位，識別運行距離，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 機器人后臺系統圖

2.3.2 數據庫工藝參數識別

每種軟件對其后面數據庫的構架和數據存儲形式都是不同的，這樣就需進行數據轉換，通過轉換接口，將工藝數據庫中的應用內容轉換為系統中可識別的數據內容，由數據庫的更換和數據結構的更換，實現數據本身的轉換。數據轉換管理系統是對數據從一種形式轉換為另一種形式進行管理的軟件系統[7]，可加快數據的轉換過程和避免或減少數據轉換過程中出現的錯誤，在一定程度上提高系統的運行效率和不同格式數據之間的兼容性和通用性。

2.3.3 涂裝工藝數據庫設計

完整的機器人涂裝工藝智能數據庫系統應具有多種功能[8]，包括涂裝工藝文件管理、涂裝應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與管理等（見圖4）。

1) 涂裝工藝文件管理是對涂裝機器人噴涂工藝文件庫的文件進行管理，對工藝文件庫的架構設計是涂裝工藝數據庫設計中的重要一環，其決定著工藝數據庫的核心定位和具體內容，需權衡機器人在開展涂裝作業時必須考慮的諸多要素；

圖4 涂裝工藝智能數據庫系統功能分布圖

2) 涂料自身的理化性質和規格參數是需明確和記錄的內容；

3) 噴涂設備和噴涂工藝參數是機器人噴涂作業的關鍵，不同的噴槍型號對應的接口和噴涂機壓力供給有不同的要求，對噴槍的型號和噴口的規格進行錄入，并對工藝參數進行相應的設計選擇，是噴漆機器人實現噴涂作業的關鍵；

4) 輔助電氣供應參數和環境參數的設定是現場施工的前提條件，需設計進入工藝庫，對每項涉及機器人噴涂作業流程的環節點進行具體設計，定義每個數據項的具體內容（見圖5）。

圖5 涂裝機器人噴涂工藝文件庫

數據庫中的數據應來源于理論分析和實際測試研究，通過對機器人噴涂的漆膜成長模型進行設計研究，反向推導在噴涂作業設計要求下，機器人運行理論工藝參數的數值，并結合實際應用測試，將理論數據與實際測試得到的數據相比對，尋找關鍵參數和對應的涂層變化規律，優化關鍵參數，調整機器人的運行狀態，使之達到作業實際要求。同時，對獲得的數據進行整理，形成工藝參數卡片或表組。以噴涂涂料為參考基準，在根據涂料進行分類的基礎上，以膜厚范圍按照作業任務設計膜厚需求；或是試驗測試某種涂料，針對其在一組參數條件下達到的膜厚情況進行細化，篩選出影響作業效果的主要參數作為細化項，比如移動速度、噴槍高度和噴涂壓力等，進而再據此進行數據填充。此外，可針對每次噴涂作業制訂涂裝作業記錄卡片，記錄每次實船作業的相關任務數據，建立作業檔案，以便后續進行驗查和復盤[9]。

2.4 船舶涂裝機器人本體結構分析

若要實現船舶涂裝機器人在船廠的應用，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，這就需明確機器人的應用分類，以及相應的技術條件和指標。目前已報道的船舶涂裝機器人本體結構通常以爬壁機器人為主要形式，具有機體小、輔助設備簡單和靈活方便等特點。此外，采用多軸機械臂方式的噴涂機器人也是研究的熱點，其特有的靈活性和技術成熟性有很大的研究潛力。

機器人要能適應大平面或大曲面的涂裝作業，同時在對分段結構面和船體結構艙室進行涂裝時，需具有更高的智能化水平和空間機動能力。對此，研究開發多功能化機器人，以適應多種任務的需求；通過模塊化部件搭載，使機器人兼具噴涂和清潔作業能力，滿足多種作業要求。

為實現機器人作業系統和設備集成化，需研發機器人噴涂系統集成控制軟件，包括機器人軌跡離線編程規劃、工藝狀態在線顯示、實時故障診斷及操作記錄、工藝數據庫、自動與手動控制和手動示教等。在離線規劃與仿真編程軟件的支持下，實現機器人運動控制和噴頭噴涂操作控制，在同步跟蹤噴涂工件的同時，根據噴涂面改變噴槍的方向和角度，研究機器人噴槍運動軌跡優化、噴涂參數優化的有效實施方法和離線自動編程的成套技術[10]。

3 結 語

本文從船舶噴涂機器人研究設計的角度，對船舶噴涂機器人的技術特征（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計、機器人本體結構設計等）進行了分析闡述。船舶企業在生產建造船舶過程中引用工業機器人是大勢所趨，盡管在實現船舶噴涂機器人普遍應用方面還有許多工藝和技術需要探索，相關研究仍需深入開展，船舶噴涂的復雜性和研發投入的風險性制約著其發展的腳步，但在目前造船市場發展前景不確定的情況下，提升生產技術和制造水平，實現智能化船舶生產建造，是船舶企業擺脫困境、提升競爭力的必然途徑，船舶涂裝機器人研究發展的前景較為可觀。