船舶分段非结构面涂装装备
课题来源：
工信部高技术船舶课题：船舶分段智能制造装备解决方案及关键共性技术研究
船舶长时间处于水中，涂层是船舶抗腐蚀的第一道也是最重要的防线，涂层防护的失效将引发累积腐蚀，带来安全隐患。船舶涂装与船舶制造占据着同等重要的地位，其工作量约占船舶制造工作量的20%。大型船舶的表面积巨大，形貌复杂，且涂层质量要求高，因此涂装工作量大，施工难度高，目前主要依赖人工作业。导轨式、爬壁式以及龙门桁架式的喷涂机器人在一定程度上完成了一些尺度较大的物体外表面喷涂工作，但不能很好地解决大型的船体分段表面的喷涂问题。
针对当前超大空间曲面喷涂领域的现状，本实验室针对船舶分段非结构面涂装作业需求，设计了基于AGV平台、升降机构和六轴工业机器人的超大空间冗余自由度智能喷涂机器人系统，实现喷涂机器人系统在大范围空间内的移动和喷涂作业，从而推动我国船舶涂装工艺水平发展、提高我国造船行业竞争力。
超大空间冗余自由度智能喷涂装备开发与优化
1.超大空间冗余自由度智能喷涂装备开发
船舶长时间处于水中，涂层是船舶抗腐蚀的第一道也是最重要的防线，涂层防护的失效将引发累积腐蚀，带来安全隐患。船舶涂装与船舶制造占据着同等重要的地位，其工作量约占船舶制造工作量的20%。大型船舶的表面积巨大，形貌复杂，且涂层质量要求高，因此涂装工作量大，施工难度高，目前主要依赖人工作业。导轨式、爬壁式以及龙门桁架式的喷涂机器人在一定程度上完成了一些尺度较大的物体外表面喷涂工作，但不能很好地解决大型的船体分段表面的喷涂问题。
针对当前超大空间曲面喷涂领域的现状，本实验室针对船舶分段非结构面涂装作业需求，设计了基于AGV平台、升降机构和六轴工业机器人的超大空间冗余自由度智能喷涂机器人系统，实现喷涂机器人系统在大范围空间内的移动和喷涂作业，从而推动我国船舶涂装工艺水平发展、提高我国造船行业竞争力。
超大空间冗余自由度智能喷涂装备及其涂装作业现场
图层质量及均一性检验
2.船舶分段非结构面三维重构技术
喷涂机器人应用过程中需要获取喷涂表面的三维形貌信息以调节自身的移动以及喷涂姿态。针对上述问题，采用激光雷达和曲面重建技术，在喷涂作业前，通过预设的激光雷达对实际待喷涂表面的三维信息进行采集，利用曲面识别和重构算法实现待喷涂表面的三维重构，从而降低摆放位姿偏差和局部加工误差对喷涂作业的影响，实现喷涂过程中机器人的准确定位和运动导向功能。
根据涂装工艺要求，机器人末端并不直接接触船舶分段表面，机器人的末端运动面与船舶分段表面之间存在一定的法向偏移，从而机器人末端执行器的运动表面实际是船舶分段表面的外包络面。根据涂装工艺要求以及待喷涂表面曲率等参数，综合选取机器人末端和船舶分段表面间的法向偏移距离，基于微分几何学实现机器人末端运动包络曲面的重构及参数化描述，从而协助实现喷涂轨迹规划。
船舶分段非结构面的三维重构
3.喷涂作业片区划分及轨迹规划技术
根据喷涂作业表面的几何形貌的特性差异，制定相应的喷涂作业策略，并实现相应轨迹规划。大面积小曲率表面，选用AGV运动为主的喷涂策略，喷涂机器人只需进行微调以对误差进行补偿。对于曲率变化较为复杂的表面，选用机器人运动为主的喷涂策略，在船舶分段非结构面包络重构研究基础上，根据包络曲面的结构特点，对其进行片区划分，获取若干站位片区。采用AGV和升降平台实现片区转移，机器人实现片区内部喷涂。充分考虑片区曲率特性和片区边界处的喷幅交叠现象，对涂装作业中喷涂机器人末端姿态、运行速度和轨迹开展优化，从而获得兼顾质量与效率的喷涂轨迹。
开发了涂装路径规划软件，可根据输入的船舶分段及涂装工艺信息自动生成涂装作业路径及其关键点，从而辅助轨迹规划作业的开展。基于DELMIA仿真平台开发了工艺规划与离线编程仿真软件，实现针对新型喷涂装备的船舶分段非结构面涂装作业轨迹规划、仿真验证、干涉检查和路径优化等功能，基于路径规划软件生成的关键点信息，依照涂装工艺要求生成较优的喷涂轨迹，并保证机器人的运动可达性。
船舶分段喷涂策略
船舶分段路径规划及轨迹规划软件
4.船舶分段喷涂机器人控制系统
开发了船舶分段非结构面喷涂机器人控制系统，在控制系统中接入大量传感设备，实现了基于多传感器信息融合的状态感知和自动调控；开发了远程操作上位机软件，为操作者提供简单易用的人机交互界面，最终实现对喷涂装备的远程实时监测与控制。
