并聯式造船噴涂機器人的設計與仿真

王東洋，潘宇晨，鄧志寧

（1.廣西科技大學機械與交通工程學院，廣西 柳州 545000；2.北部灣大學機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535011）

船塢內對船舶外板的噴涂主要依靠人工搭載高架車完成噴涂工作，這不僅對工人造成身體上的傷害，而且噴涂效率也不能保證。國內外學者針對這個問題提出并研究了三種形式船舶外板噴涂機器人構型：爬壁式機器人[1]、桁架軌道式機器人[2]、高架車式[3]，都需要搭載噴涂執行機構完成對船舶外板的涂裝任務。并聯機構是一種基座和動平臺之間由兩個或兩個以上的獨立運動鏈相連接，具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯方式驅動的機構[4]。因其具有精度高、結構緊湊、剛度高、承載能力強等優點，引起了國內外學者的廣泛研究和關注。但并聯機構在船舶外板噴涂領域的應用等的研究相對較少。

針對船舶建造過程當中船體外板噴涂是一道工作量大、耗時長的工序，且現階段仍依靠人工去完成的問題，設計了一種三自由度并聯式造船噴涂機器人。該噴涂機器人由三個控制電機驅動，能實現噴槍空間內兩平動一轉動的運動。從船舶外板噴涂工藝作業特點出發，對造船噴涂機器人進行運動學仿真，獲得了噴涂機器人工作時噴槍的位移、速度、加速度等運動學規律。結果表明，該并聯式噴涂機器人能實現船舶外板噴涂的各項運動學要求。

1 造船噴涂機器人機構構型

造船噴涂機器人結構簡圖如圖1 所示，噴涂機器人的兩條支鏈分別與動平臺和靜平臺相連接，驅動副位于A11、A21和B22點。支鏈1 為-PRS-支鏈，且在平面O-yz內運動。R 副為驅動副，不僅可以使機構正常實現兩平移一轉動，而且能更好的控制機構。支鏈2 中含有一個4R 平面閉環子鏈和一個2R 平行子鏈轉動副[5]。涂裝噴槍為動平臺，與支鏈1、2 末端運動副相連接。圖2 為并聯式噴涂機器人三維模型圖。

圖1 并聯式噴涂機器人結構簡

圖2 并聯式噴涂機器人三維模型

2 船舶外板噴涂工藝

現階段船塢內的外板的噴涂作業區為舷頂列板、舷側外板、船底板，如圖3 所示。外板表面噴涂主要是工人搭載高架車手持噴槍沿預定軌跡進行噴涂作業，且噴槍的運動軌跡一般為“Z”或倒“Z”型[6-7]。由于船塢內的外板的噴涂作業特點是作業區較長、高度較高、噴涂面積大、工作面相對復雜，這就決定工人工作環境是高空作業、需長時間站立和工作空間相對狹窄等。

圖3 船舶外板人工噴涂軌跡和區域

3 造船噴涂機器人運動仿真

將建好并聯式噴涂機器人虛擬樣機導入軟件中，根據船舶外板噴涂工藝的要求，對噴涂機器人的運動進行仿真分析。為提高仿真分析的效率和準確性，忽略非必要的零件（螺栓、螺母件等）如圖4 所示。接著對樣機進行約束添加、材料的定義等，如圖5所示。

圖4 中虛擬樣機

圖5 樣機約束的添加

3.1 驅動添加

依照噴涂工藝要求，并聯式造船噴涂機器人噴槍執行的軌跡為空間倒“Z”字型。根據執行機構的運動規律，添加合適的運動參數，具體驅動參數函數如下：

豎直絲杠：100*SIN（40*time）

水平絲杠：3600d*time

連桿絲杠：30.0d*time

3.2 仿真分析

對動平臺添加驅動后可進行實際仿真，通過仿真軟件的后處理模塊可以得到造船噴涂機器人噴槍的運動，最終分別得到噴槍的位移、速度、加速度、軌跡等運動學參數。

通過觀察圖6、圖7、圖8 可知，噴槍末端在1.5 s的工作周期當中，位移變化320mm，位移變化呈現“Z”字型，和末端規律相符合。噴槍末端速度和加速度由于噴槍的末端的倒“Z”字型軌跡呈現波動趨勢，這符合預定的運動情況，為以后改變不同的驅動來達到不同的運動軌跡和運動速度提供理論基礎。

圖6 噴槍位移

圖7 噴槍速度

圖8 噴槍加速度

4 結語

本文根據現有船舶外板噴涂的現狀與問題，設計了一種的并聯式造船噴涂機器人。首先對船舶外板噴涂進行說明，進而根據船舶噴涂工藝要求對該造船噴涂機器人進行仿真分析，并給出仿真結果。通過對機器人運行曲線的研究證明了該并聯式造船噴涂機器人滿足設計要求。