船舶外板噴涂機(jī)器人設(shè)計(jì)

周雨桐

摘 要 船舶外板涂裝具有美化、防腐蝕等功能，在延長船舶工作期限方面具有重要意義。目前采用人工涂裝方法存在自動(dòng)化程度低、作業(yè)效率低等問題，且面臨涂料中毒及人員墜落危險(xiǎn)，而爬壁噴涂機(jī)器人可以將工人從艱苦的工作環(huán)境中解放出來，還可以提高涂裝精度，但傳統(tǒng)的爬壁機(jī)器人吸附及行走方式并不能夠直接用于船舶外板涂裝工作。在本文中，通過比較分析傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的行走及吸附方式，選取履帶式移動(dòng)方式、磁吸附為主真空吸附為輔的復(fù)合式吸附方式，設(shè)計(jì)吸附行走模塊，選擇旋杯靜電噴槍以及四桿機(jī)構(gòu)作為機(jī)械臂，設(shè)計(jì)噴涂模塊，實(shí)現(xiàn)了船舶外板噴涂機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 爬壁噴涂機(jī)器人 吸附行走模塊 噴涂模塊 機(jī)械臂

中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

船舶外板在高溫、高濕、高鹽等工作環(huán)境中普遍存在電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕、生物腐蝕等問題，增加了船舶的維修成本，降低了船舶的使用壽命。船舶涂裝，即在船舶鋼材表面進(jìn)行涂裝，對提高船舶的耐腐蝕性和使用壽命具有重要意義。目前，船舶涂裝作為船廠中最艱苦的工種之一，仍大量采用人工噴涂的作業(yè)方式，存在工人因有害氣體中毒、將噴槍長時(shí)間舉在高空造成眩暈墜落等問題。

爬壁噴涂機(jī)器人是一種工作在任意角度壁面并攜帶噴涂模塊的特種機(jī)器人，可代替工人進(jìn)行船舶外板噴涂作業(yè)，具有工作效率高，油漆利用率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。爬壁機(jī)器人的正常工作需要兩個(gè)條件：行走能力和吸附能力。吸附能力是指在任何工作環(huán)境下，機(jī)器人都能保證吸附在作業(yè)壁面上不發(fā)生墜落的能力，行走能力則是指在保證機(jī)器人吸附在壁面的前提下，能夠根據(jù)指令自由的移動(dòng)。機(jī)器人壁面吸附能力的提高必然會(huì)影響到行走能力，反之亦然，所以，在設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人時(shí)必須綜合考慮這兩個(gè)方面，得到最適合的解決方案。

1船舶外板噴涂機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人屬于移動(dòng)機(jī)器人，與地面移動(dòng)機(jī)器人相比有很多相同的地方，但由于特殊的工作環(huán)境，在結(jié)構(gòu)方面又有一些差別，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）吸附機(jī)構(gòu)。吸附機(jī)構(gòu)的作用是產(chǎn)生平衡機(jī)器人重力的吸附力，使其穩(wěn)定吸附在壁面上。目前常見的吸附方式有磁力吸附、真空吸附、螺旋槳推力等。

（2）行走機(jī)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)的作用為在保證機(jī)器人可靠吸附的前提下實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)。爬壁機(jī)器人的行走方式包括履帶式、輪式、仿生式、足式等。

（3）能源及驅(qū)動(dòng)方式。由于爬壁機(jī)器人需長時(shí)間工作在壁面上，所以主要通過電線和管路對機(jī)器人進(jìn)行能源供應(yīng)，驅(qū)動(dòng)方式有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)等方式。

（4）安全措施。為防止機(jī)器人在作業(yè)時(shí)發(fā)生墜落或墜落發(fā)生后減小機(jī)器人的受損害程度，目前爬壁機(jī)器人大都采用系在機(jī)器人上的繩索進(jìn)行防護(hù)。

在設(shè)計(jì)船舶分段外板噴涂機(jī)器人時(shí)，需要重點(diǎn)考慮在船舶外板工作環(huán)境中可靠的吸附能力以及靈活的移動(dòng)能力，即對應(yīng)的吸附機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。除此之外，還要實(shí)現(xiàn)噴涂功能。由于船舶外板的曲率隨著機(jī)器人的移動(dòng)不斷發(fā)生變化，并且不同的涂料所需的噴涂高度也有所區(qū)別，所以在噴涂模塊的設(shè)計(jì)中除了選擇合適的噴槍，同時(shí)還要設(shè)計(jì)一種機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)噴槍作業(yè)高度以滿足噴涂需求。

2吸附行走模塊設(shè)計(jì)

2.1 行走方式的選取

除了應(yīng)用廣泛的輪式、履帶式和多足式外，在一些特殊場合還會(huì)應(yīng)用到軌道式、仿生式、復(fù)合式等。不同的行走方式有其各自的有缺點(diǎn)，需要根據(jù)各自的適用場合選擇最佳的行走方式。表1為常見移動(dòng)方式的歸納對比。

表1：爬壁機(jī)器人常見行走方式

一方面，考慮到船舶外板曲率變化平緩，所以爬壁機(jī)器人可弱化壁面過渡能力和越障能力。另一方面，因?yàn)榕辣跈C(jī)器人需攜帶噴槍等作業(yè)工具，應(yīng)具有一定的帶負(fù)載能力。綜合考慮以上兩點(diǎn)，可選用履帶式移動(dòng)方式。

2.2 吸附方式的選取

因爬壁機(jī)器人多在距地較高的豎直壁面、倒懸壁面作業(yè)，吸附能力對爬壁機(jī)器人及地面工作者的安全則顯得至關(guān)重要。同時(shí)，吸附能力越強(qiáng)，對爬壁機(jī)器人自由移動(dòng)的影響也就越大，造成能源的不必要浪費(fèi)。因此，在選取吸附方式時(shí)，要結(jié)合行走方式和實(shí)際的作業(yè)要求，綜合分析。表2所示為爬壁機(jī)器人常見的吸附方式歸納對比。

由于船舶外板屬于可導(dǎo)磁壁面，且爬壁噴涂機(jī)器人需要具有較大的帶負(fù)載能力，故可選用磁吸附作為主要的吸附方式。磁吸附包括永磁吸附和電磁吸附兩種，電磁吸附具有磁力可控的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)發(fā)生斷電情況時(shí)吸附能力消失，易發(fā)生危險(xiǎn)，并且結(jié)構(gòu)笨重，所以采用永磁體吸附方式。值得注意的是，目前已有的履帶磁吸附式爬壁機(jī)器人的吸附力較大，需要的驅(qū)動(dòng)功率也變大，易造成磁塊的擠壓破壞，而且，履帶與壁面的接觸面積較大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向困難。所以，在選擇吸附方式時(shí)，可額外增加一種輔助吸附方式，用來改善單一吸附方式帶來的不足。

考慮到船舶外板噴涂油漆之前，需要對外板表面除銹清潔，目前常采用水射流除銹機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。承載作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由真空封閉腔，水射流旋轉(zhuǎn)噴頭組成。因?yàn)樗淞髯鳂I(yè)真空腔是除銹爬壁機(jī)器人的共性，故可選用真空吸附方式作為輔助吸附方式，為爬壁噴涂機(jī)器人之后的功能拓展提供空間。

綜上，該機(jī)器人采用以永磁吸附為主，真空吸附為輔的復(fù)合式吸附方式。

2.3 吸附行走模塊的設(shè)計(jì)

通常爬壁機(jī)器人的行走及吸附方式聯(lián)系密切，將兩者統(tǒng)一設(shè)計(jì)，滿足實(shí)際的需要，也有利于簡化機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人整體更加緊湊。

爬壁噴涂機(jī)器人的吸附行走模塊由以下零部件組成：真空吸附腔、氣動(dòng)馬達(dá)、傳動(dòng)齒輪、履帶、間隙調(diào)節(jié)螺栓和永磁吸附單元，連接關(guān)系如圖1所示。兩塊永磁體構(gòu)成一個(gè)永磁吸附單元，共有8組永磁吸附單元對稱分布在兩條履帶兩側(cè)。每條履帶安裝在兩個(gè)從動(dòng)輪和一個(gè)主動(dòng)輪上，主動(dòng)輪通過傳動(dòng)軸和傳動(dòng)齒輪由氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。在機(jī)架平臺(tái)中間是真空吸附腔，由真空抽吸空通過真空管道與地面的真空泵相連。真空吸附腔的下方是柔性密封裙邊，可保證腔體與壁面的均勻貼合。

（a）俯視圖

（b）正視圖

1.真空吸附腔 2.氣動(dòng)馬達(dá) 3.傳動(dòng)齒輪 4.履帶5.間隙調(diào)節(jié)螺栓 6.密封裙邊 7.永磁吸附單元

3噴涂模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1噴槍的選擇

根據(jù)船舶外板涂裝要求，選擇旋杯靜電噴槍，與其他噴涂方式相比，具有如下優(yōu)勢：

（1）傳統(tǒng)旋杯噴槍在進(jìn)行噴涂作業(yè)的時(shí)候容易產(chǎn)生漆膜厚度不一致的問題，旋杯靜電噴槍良好的漆霧穿透能力很好地解決了該問題;

（2）涂料利用率大幅提高。一般空氣噴涂的涂料利用率僅為30%～50%，而旋杯靜電噴槍的率用率高達(dá)85%，可節(jié)省一半以上的油漆;

（3）提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。多支噴槍可同時(shí)噴涂，生產(chǎn)效率比空氣噴涂提高了1～3倍。

3.2 噴涂參數(shù)的選擇

船舶各部分接觸到的腐蝕介質(zhì)不同，受到的腐蝕性質(zhì)和程度也就不同，因而油漆的選用要針對船舶不同部位進(jìn)行選擇。對于船舶外板而言，要求涂料耐候性好，色澤鮮艷，有一定耐水性，可選用的防銹漆包括氯化橡膠系、環(huán)氧系和酚醛醇酸系等。

3.3 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到爬壁噴涂機(jī)器人的機(jī)械臂的首要任務(wù)是調(diào)整噴槍距離作業(yè)壁面的距離，并且爬壁機(jī)器人功能拓展空間和帶負(fù)載能力有限，所以可將機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)形式設(shè)計(jì)為關(guān)節(jié)型，如圖2所示。平行四邊形機(jī)構(gòu)的一個(gè)主要特點(diǎn)是它的兩組相對桿始終保持平行，且兩連架桿的角位移、角速度始終相等，基于這一特點(diǎn)，可將噴涂模塊的機(jī)械臂設(shè)計(jì)成該類型機(jī)構(gòu)，噴槍夾持工具布置在連桿l2上。

4結(jié)論

針對目前船舶涂裝崗位自動(dòng)化程度不高，工人作業(yè)存在各種安全隱患等情況，通過大量查閱有關(guān)爬壁機(jī)器人及噴涂機(jī)構(gòu)的相關(guān)資料，分析國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，歸納對比常見吸附和運(yùn)動(dòng)方式，提出了間隙式爬壁噴涂機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了一款間隙式爬壁噴涂機(jī)器人，完成了相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文仍存在以下問題有待完善：機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠緊湊，存在大量空間未被充分利用;所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)未通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

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