船舶涂装机器人应用技术分析

高正杰，刘建峰，沈新新，袁爱华

（1. 江苏科技大学 环境与化学工程学院，江苏 镇江 212003；2. 上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

目前我国船舶工业的结构调整和转型升级越来越迫切，《中国制造2025发展规划》和《机器人产业发展规划（2016—2020年）》对我国机器人的发展做出了具体规划[1]。近年来，船舶企业招工形势越来越严峻，尤其是在船舶涂装作业方面，由于其特殊性，招募船舶涂装从业人员已成为困扰船舶生产企业的一项工作。对此，开发和应用涂装智能制造装备，不仅能缓解未来可能出现的“用工荒”，而且有助于提升行业生产水平，促进智能船舶涂装模式下装备的智能化和工艺的标准化，进一步提高船舶涂装工艺和生产水平，缩小国内造船企业与世界先进造船企业的差距，提高我国船舶制造业的核心竞争力。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

当前船舶行业应用机器人研究已取得长足发展。日本是较早将机器人应用到船舶焊接、切割、装配和喷涂等领域中的国家。日本三菱重工业公司很早就开始重视喷涂工艺的机器人化，喷涂机器人已在其神户船厂得到应用；同时，该公司还研制了磁吸附轮式爬壁机器人，用于开展壁面清洁和喷涂等作业。此外，川崎重工和三井造船等船舶公司对喷涂机器人进行了研发和应用[2]。

美国FLOW公司于2002年研制出一款超高压水射流船舶爬壁除锈机器人Hydro-Cat，该机器人采用真空吸附爬壁模式，配有清洁自回收装置，用于完成对船舶外板的除锈工作。美国IRE公司研制出了Biped机器人，其BR2型机器人是专门为解决在船舶载水舱中进行喷涂作业会危害人体健康的问题而设计的，两侧各装有1个夹具和1个油漆喷枪，可边行走边喷漆。

欧洲很多国家在船舶制造中相继不同程度地采用了喷涂机器人。德国的Hatel和瑞士的ABB等公司生产了各种型号的喷涂机器人，从应用的角度来看，其技术较为成熟。西班牙卡塔赫纳科技大学DSIE研究室研究了一种轨道悬臂除锈机器人EFTCoR，该机器人采用框架支撑爬壁方式，配有轨道升降架，适合进行船舶两侧竖直壁面的除锈工作。

1.2 国内发展现状

当前国内船舶行业在机器人研发方面仍处于起步阶段，许多研究还处在理论分析阶段，主要集中在船板下料机器人、船体对接机器人和移动焊接机器人等机器人的研发方面。目前已有多家科研机构对智能爬壁机器人的结构开展研究。例如：哈尔滨工程大学对爬壁机器人进行研究，成功研制了采用永磁吸附结构的金属管防腐用磁吸附爬壁机器人，近年开展了新型轮式磁悬吸附装置研究；山东科技大学开发出了采用直角坐标与柱坐标相结合的本体结构设计及液压电动机的驱动方式的舰船除锈喷涂机器人，该结构机器人体积庞大，不便现场安装；清华大学的开发研究小组提出了柔索式吊装船舶涂装机器人方案；上海交通大学与新松机器人公司合作进行了多项船舶涂装爬壁机器人研究。目前智能爬壁机器人的船厂喷涂作业应用尚处于空白，国内相关高校和各大造船企业均已开展船舶涂装机器人联合研究，一些中小型船厂也有引用涂装机器人进行生产作业的意愿，船舶涂装机器人研究具有很大的发展潜力[3]。

2 需突破的关键技术

目前船舶喷涂机器人在实现船厂普及应用方面仍面临很多难题，船舶涂装的工作量较大，通用性较差，作业任务复杂多样，这使得研发相应喷涂机器人的技术压力和成本控制问题难以解决，主要有以下几个关键技术需取得突破。

2.1 机器人喷涂涂层累积成长模型建立

喷涂过程中的涂层累积成长模型研究是机器人喷涂性能研究的关键，是机器人喷涂工艺设计和运行轨迹规划的前提。对于涂料的喷涂累积模型研究，已有很多可借鉴的案例，例如无限范围模型中的双变量高斯分布模型[4]、双变量柯西分布模型、有限范围模型和β分布模型等。研究涂层累积成长模型不仅仅是研究机器人喷涂过程中涂层的累积原理和规律（这只是解析喷涂过程的一个步骤），更重要的是研究如何通过模型设计出提高机器人喷涂膜厚分布一致性的方法，通过某种形式（如改变喷枪组合的方式等），缩小漆膜厚度分布的高低差，降低膜厚分布的离散性。

可通过改变机器人喷枪设计组合（见图1），采用一个四喷头互成V型分布排设，在这种排列下，喷枪喷涂出来的模型与一般单喷口不同，避免直喷时喷雾直接重合，减小覆盖误差。在实际喷涂中，喷枪喷出的漆雾呈椭圆锥形，漆膜厚度分布符合一定的概率分布规律；在机器运行过程中，其每道有效喷涂区域为中间重叠区域，相邻的每道次喷涂之间的重叠区域与每道次中心的重叠区域一致。

此时，喷涂区域有效喷涂部分的膜厚分布见图2，其累积漆膜厚度的极差明显比单道喷涂作业的小。在改变喷枪排位设置，提高膜厚分布一致性的基础上，研究相应的涂层累积成长模型，围绕这些模型的参数，研究各影响因素的相关作用原理，设计一系列试验，获得相应的数据，通过试验数据进行分析，获得其中的数学关系。对获得的数学关系进行预测，从而判断机器人喷涂作业的相关工艺改进措施或进一步研究的方向。

图1 动态机器人喷涂模型模拟图

图2 机器人行进喷涂主区域膜厚堆积模拟分布图

2.2 机器人试验和分析方法设计优化

在船舶涂装机器人的研究和应用方面，需对机器人的性能研究进行一系列试验设计，对机器人的运行性能和运用效果及各项工艺参数的变化进行合理的试验研究[5]。船舶喷涂作业会受多种因素的影响，包括环境因素、机器人本体性能因素和涂料的理化性质因素等。若进行系统性试验，需进行大量的试验工作，因此需通过科学试验设计的方法，结合喷涂作业实际，对需研究的影响因素进行试验设计和优化。

首先基于人工喷涂实际情况对一些影响喷涂作业效果的因素进行确认和筛选，然后对筛选出的因素进行相应的试验水平选择，对各因素、各水平进行正交试验设计，选取相关因素，设计试验水平，以涂层膜厚数据方差为试验指标，计算各项数据，采用极差分析法确定各试验因素的主次、优先水平和试验范围内的最优组合，极差越大，说明该因素对试验指标的影响越大，进而说明该因素越重要。根据极差的大小可判断影响机器人喷涂效果的各因素的主次，进而对主要因素或占比较大的因素进行全面的试验，以研究其对机器人喷涂漆膜一致性的影响规律，找出影响机器人喷涂作业的关键因素，对关键因素进行充分的科学试验，在试验数据分析的基础上研究其作用规律和原理，并采用模拟仿真软件对机器人喷涂状况进行仿真，结合机器人实际应用情况进行对比和优化修正，形成一套适用于船舶喷涂机器人的工艺参数标准和机器人喷涂作业最佳方案。

2.3 涂装机器人工艺接口与工艺数据库设计

工艺数据库是机器人喷涂作业控制系统的核心，机器人喷涂与人工喷涂不同，需依照事先设计和编制的参数设计体系选择符合生产任务要求的参数，在灵活性和即时性方面存在不足，因此对工艺数据库进行设计和编制是机器人工艺研究应用中的关键一环。此外，工艺数据库作为机器人运行的“记忆储存”设备，要将其提取出来给机器人使用，需开发相应的数据接口，机器人对计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）工件的识别能力是基于所设计的文件数据转换接口确定的，需对机器人运行时所能识别的数据类型、形式和内容进行定义，进而结合需转入的文件确定其转换方式和关系，完成文件数据转换。

2.3.1 CAD模型转换识别

机器人完全自主识别工件CAD模型需基于一定的文件数据转换接口，将目标文件转化为机器人可识别的内容[6]，对于船舶外板喷涂，可考虑简化识别的内容，在将目标文件输入系统之后，定位识别外板规则图形，即将需进行喷涂作业的船板或大型分段的大平面区域的CAD模型转入系统，系统通过转换接口识别工件作业区的外形，一般为规则多边形，自主规划起始点位，识别运行距离，记录各道喷涂的上下位点，将CAD三维模型识别为平面点线图（见图3）。

图3 机器人后台系统图

2.3.2 数据库工艺参数识别

每种软件对其后面数据库的构架和数据存储形式都是不同的，这样就需进行数据转换，通过转换接口，将工艺数据库中的应用内容转换为系统中可识别的数据内容，由数据库的更换和数据结构的更换，实现数据本身的转换。数据转换管理系统是对数据从一种形式转换为另一种形式进行管理的软件系统[7]，可加快数据的转换过程和避免或减少数据转换过程中出现的错误，在一定程度上提高系统的运行效率和不同格式数据之间的兼容性和通用性。

2.3.3 涂装工艺数据库设计

完整的机器人涂装工艺智能数据库系统应具有多种功能[8]，包括涂装工艺文件管理、涂装应用分段外板图形库管理、涂装资料库管理、涂装工艺评定和知识库维护与管理等（见图4）。

1) 涂装工艺文件管理是对涂装机器人喷涂工艺文件库的文件进行管理，对工艺文件库的架构设计是涂装工艺数据库设计中的重要一环，其决定着工艺数据库的核心定位和具体内容，需权衡机器人在开展涂装作业时必须考虑的诸多要素；

图4 涂装工艺智能数据库系统功能分布图

2) 涂料自身的理化性质和规格参数是需明确和记录的内容；

3) 喷涂设备和喷涂工艺参数是机器人喷涂作业的关键，不同的喷枪型号对应的接口和喷涂机压力供给有不同的要求，对喷枪的型号和喷口的规格进行录入，并对工艺参数进行相应的设计选择，是喷漆机器人实现喷涂作业的关键；

4) 辅助电气供应参数和环境参数的设定是现场施工的前提条件，需设计进入工艺库，对每项涉及机器人喷涂作业流程的环节点进行具体设计，定义每个数据项的具体内容（见图5）。

图5 涂装机器人喷涂工艺文件库

数据库中的数据应来源于理论分析和实际测试研究，通过对机器人喷涂的漆膜成长模型进行设计研究，反向推导在喷涂作业设计要求下，机器人运行理论工艺参数的数值，并结合实际应用测试，将理论数据与实际测试得到的数据相比对，寻找关键参数和对应的涂层变化规律，优化关键参数，调整机器人的运行状态，使之达到作业实际要求。同时，对获得的数据进行整理，形成工艺参数卡片或表组。以喷涂涂料为参考基准，在根据涂料进行分类的基础上，以膜厚范围按照作业任务设计膜厚需求；或是试验测试某种涂料，针对其在一组参数条件下达到的膜厚情况进行细化，筛选出影响作业效果的主要参数作为细化项，比如移动速度、喷枪高度和喷涂压力等，进而再据此进行数据填充。此外，可针对每次喷涂作业制订涂装作业记录卡片，记录每次实船作业的相关任务数据，建立作业档案，以便后续进行验查和复盘[9]。

2.4 船舶涂装机器人本体结构分析

若要实现船舶涂装机器人在船厂的应用，首先需明确其功用，船舶涂装包含分段涂装、船体总段涂装和船坞涂装，这就需明确机器人的应用分类，以及相应的技术条件和指标。目前已报道的船舶涂装机器人本体结构通常以爬壁机器人为主要形式，具有机体小、辅助设备简单和灵活方便等特点。此外，采用多轴机械臂方式的喷涂机器人也是研究的热点，其特有的灵活性和技术成熟性有很大的研究潜力。

机器人要能适应大平面或大曲面的涂装作业，同时在对分段结构面和船体结构舱室进行涂装时，需具有更高的智能化水平和空间机动能力。对此，研究开发多功能化机器人，以适应多种任务的需求；通过模块化部件搭载，使机器人兼具喷涂和清洁作业能力，满足多种作业要求。

为实现机器人作业系统和设备集成化，需研发机器人喷涂系统集成控制软件，包括机器人轨迹离线编程规划、工艺状态在线显示、实时故障诊断及操作记录、工艺数据库、自动与手动控制和手动示教等。在离线规划与仿真编程软件的支持下，实现机器人运动控制和喷头喷涂操作控制，在同步跟踪喷涂工件的同时，根据喷涂面改变喷枪的方向和角度，研究机器人喷枪运动轨迹优化、喷涂参数优化的有效实施方法和离线自动编程的成套技术[10]。

3 结 语

本文从船舶喷涂机器人研究设计的角度，对船舶喷涂机器人的技术特征（包括涂层累积成长模型和喷涂试验及分析方法的建立、工艺接口和工艺库设计、机器人本体结构设计等）进行了分析阐述。船舶企业在生产建造船舶过程中引用工业机器人是大势所趋，尽管在实现船舶喷涂机器人普遍应用方面还有许多工艺和技术需要探索，相关研究仍需深入开展，船舶喷涂的复杂性和研发投入的风险性制约着其发展的脚步，但在目前造船市场发展前景不确定的情况下，提升生产技术和制造水平，实现智能化船舶生产建造，是船舶企业摆脱困境、提升竞争力的必然途径，船舶涂装机器人研究发展的前景较为可观。