船舶及海工自動化噴砂應用研究

桂千祥

摘要：船舶及海工涂裝發展至今，噴砂除銹由人工操作進行，效率低，車間內噴砂作業施工環境惡劣，勞動強度高，對人體危害大，面臨招工難、勞動力短缺、人工成本上升等問題。噴砂作業的高效、綠色環保已刻不容緩。論文主要是研究船舶及海工涂裝車間自動化噴砂的應用途徑，以供大家思考。

Abstract： With the development of ship and marine engineering coating， sand blasting is carried out by manual operation， with low efficiency， bad construction environment， high labor intensity and great harm to human body. It is difficult to recruit workers， labor shortage and rising labor cost. It is urgent to improve the efficiency and environmental protection of sand blasting operation. This paper mainly studies the application of automatic sandblasting in ship and marine blasting workshop for your consideration.

關鍵詞：船舶;自動化噴砂;噴砂車間

Key words： ship;automatic sandblasting;blasting workshop

中圖分類號：TQ637.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0040-02

1? 涂裝車間現狀

船舶及海工涂裝車間處理的工件包括船體分段、組塊結構片、導管架、工藝管線等。目前，涂裝車間噴砂間基本采用噴砂工手持噴槍進行噴砂作業，磨料回收采用推砂車推至集丸斗上方通過皮帶機、斗式提升機、丸塵分離器等自動輸送到儲丸箱，儲丸箱下方設置氣動放料閥，與雙缸噴砂缸控制連鎖，實現磨料回砂、加砂的自動化運行，但噴砂仍為噴砂工手持噴槍在作業環境很差的噴砂間內手工作業。

噴砂使用的磨料一般為鋼砂，采用壓縮空氣為動力，形成高速噴射束將磨料高速噴射到工件表面，由于磨料對工件表面的沖擊和切削作用，把工件表面的銹蝕清除，使工件表面獲得一定的清潔度和粗糙度。噴砂處理后工件鋼材表面粗糙度在40～70μm，清理質量等級一般為Sa2.5。

2? 自動化噴砂研究必要性

隨著人民生活水平和對職業健康安全環境條件要求的提高，愿意從事船廠噴砂作業的工人越來越少，參考其它行業噴涂作業情況，由機器人代替人工是大勢所趨。但因船廠分段的大尺寸、單件、小批量等特性，在自動化智能化應用方面落后于其它行業。

2.1 生產效率和質量

噴砂作業由人工操作進行，在處理等級達到Sa2.5級的標準時，一個熟練噴砂工平均效率約為12～15m2/h，且存在噴砂質量不穩定狀況。當前道和后道工序（組立、合攏）都存在大量自動化作業大幅降低生產時間提高生產效率時，噴砂作業將成為整個生產鏈的瓶頸。

2.2 職業健康衛生

①噴砂作業產生大量粉塵，影響呼吸、視覺，雖然噴砂工配備了專用一體式噴砂服，但防護結果不理想，職業病發病率依然很高。

②包含大量高空作業，具有較大危險性。

③噴砂作業過程中，鋼砂和分段表面撞擊時產生高分貝噪音。

2.3 勞動力短缺，人工成本上升

由于作業環境惡劣，噴砂工將面臨招工難、流動性大的問題，人工成本日益見長也是將來控制涂裝作業成本必須要解決的要務之一。

2.4 行業未來的發展方向

國內船廠近些年實現了一些自動化噴砂的試點應用。廣船國際對現有一噴一涂改造，針對深圳至中山跨江通道沉管隧道沉管鋼殼（基本為標準件，外形尺寸、結構形式相同）利用行車+機械臂式機器人實現噴砂噴漆的自動化、地面鋪設鋼軌懸挑式噴砂機器人。外高橋造船采用爬壁式機器人對外場分段合攏的焊縫進行自動化涂裝。

船舶及海工領域的涂裝生產工藝正處于自動化智能化升級時期，自動化噴砂是船舶及海工行業未來的發展方向。

3? 自動化噴砂應用研究

3.1 分段適應性

主要應用于敞開式分段（甲板分段、上建分段）、局部大開口分段（隔艙分段）、未成型的整艙分段（舷側分段）、單層組塊結構片或橋梁等。

3.2 分段外部及上部

分段外部及上部是最容易達到自動化的區域，可以考慮利用行車+機械臂式機器人實現噴砂的自動化。

3.3 分段底部

在一輛四驅小車上安裝一個多自由度機械手，實現對分段底部仰噴作業。小車的設計和操控要根據噴砂環境特別設計制造。仰噴是人工作業比較吃力的部分，用小車替代人容易實現。

3.4 分段內部

對分段內部的噴涂，現狀是由工人拖著噴砂管噴漆管鉆進一個個艙室進行作業。目前來看，對這一部分要實現機器人自動噴涂困難最大，可以考慮增加機械手自由度，或者采用柔性機械手。

4? 涂裝車間自動化噴砂設備

借鑒芬蘭BLASTMAN公司的噴砂機器人，采用行車/小車+機械臂式機器人及配套的噴砂罐、磨料回收系統和控制系統，實現船體分段外板和開口分段噴砂的自動化，有效解決噴砂除銹的部分工作。

4.1 天車式噴砂機器人

天車式噴砂機器人固定在房體兩側的側墻上方的橋式軌架上，通常配置兩臺，一臺伸縮臂的運動范圍小，適用各種大型工件的上表面;一臺伸縮臂的運動范圍大，根據廠房的高度設計，適用各種大型工件的上表面+四側面的噴砂。

天車式噴砂機器人，為伺服電機驅動，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象，可使控制速度、位置精度非常準確。

噴砂機器人本體為6軸機器人，天車運行為2軸，共計8軸。（圖1）

噴砂機器人的結構和部件須堅固且防塵，滿足極端苛刻的噴砂環境使用要求，耐用性要高。主要組件包括：

①橋式軌架：用來引導噴砂機械臂在噴砂房內深度方向移動;

②活動架：用來引導噴砂機械臂在噴砂房內寬度方向移動;

③噴砂機械臂：包括旋轉臂、上下伸縮臂、‘肩部’水平臂、‘肘部’水平臂、‘腕部’臂首，用來指引噴嘴;

④大型號噴嘴：16毫米直徑;

⑤機器人控制系統：根據工件形狀和噴砂位置，控制8個運動軸位協調動作;

⑥電纜和噴砂管管理設備：管理電纜盒、噴砂管跟隨噴砂路徑協同動作。

4.2 小車式噴砂機器人

在一輛四驅小車上安裝一個多自由度機械手，實現對分段底部仰噴作業。小車式噴砂機器人的噴槍按需要調整與工件的距離及角度，固定到最優噴砂質量的位置，由人開著小車進行噴砂作業。

小車是電動驅動，所有的軸均為伺服電機驅動，小車配備的駕駛艙裝配控制裝置和操縱桿用于移動和噴砂。

4.3 懸挑式噴砂機器人

懸挑式噴砂機器人通常噴砂間兩側各一臺，噴砂間兩側的地面上設固定小車軌道，軌道寬度大約2米，小車上設可垂直升降的懸挑式機器臂，機器臂上配置行走的噴砂機器人。

懸挑式噴砂機器人本體為4軸機器人，懸挑臂為4軸，共計8軸。

4.4 機器人設備控制系統

噴砂機器人的電氣系統和控制系統由控制柜、控制臺、傳感設備、接線盒、電纜傳送裝置等構成?？刂葡到y采用可靠的現場總線技術以及一個以PLC 為基礎的控制系統。現場總線技術的采用可以使電線的數量最小化，同時為機器人配備先進的控制技術。機器人控制系統內的所有組件需要根據苛刻的噴砂房環境設計。

機器人用于自動噴砂?？蛇x擇操作模式有自動操作、點對點編程控制面板操作、離線編程三種操作模式。機器人自動操作適用于相似工件的重復生產。點對點編程控制面板控制機械人各運動軸，使噴嘴到達各個目標位置，這些目標位置由人工確定、機器人接收，控制系統自動計算路線，各軸聯動。離線編程軟件系統包含自動噴砂機器人編程軟件和編程電腦基站等相關的整套硬件，由專業人員根據工件特征編制機器人運動路徑。

4.5 自動噴砂配套設備

自動噴砂配套設備主要有雙艙噴砂缸、磨料回收系統、磨料及壓縮空氣柔性供應系統以及常規的真空吸砂系統、局部除塵系統、全室除塵送風系統、除濕送風系統。[1]

5? 結語

研究自動化噴砂在船舶及海工行業涂裝車間的應用，為將來實現涂裝車間智能化提供了可行的解決方案。但同時也應認識到，自動化噴砂技術還不夠成熟，在艙室內應用還有很強的局限性，需要配備專業的編程人員，而且投資很高。在改造或者新建自動化噴砂車間時，應綜合考慮噴砂對象特征、自動化噴砂設備的組合形式、車間規劃、投資等因素，確定合理的生產適用的自動化噴砂方案。

參考文獻：

[1]GB/T 51405-2019，船廠總體設計標準[S].

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[8]陳沖，劉德波，彭勤衛，孔令文.不同表面處理與高性能樹脂相結合——一種經濟的金屬基制造新技術[J].印制電路信息，2011-04-10.