工信部高技术船舶课题:船舶外场涂装绿色生产技术与装备研发
我国船舶制造业已逐渐进入高速发展阶段,迫切需要高效自动化制造和维护设备的支撑。大型船舶表面积巨大、形貌复杂、施工难度大,舷侧的高度可达50米,长度可达数百米,涂装成本可达造船成本的8%-10%,其涂装和维护工作量巨大,成本高昂,亟需通过技术进步来提高作业效率和降低涂装成本。传统的刚性运动平台以及爬壁机器人在成本、负载、效率、灵活性等方面具有难以调和的矛盾。
针对这一困境,实验室面向大型船舶外板涂装及维护作业,设计开发了具有宏微两级结构的索驱动船舶涂装机器人,为大型船舶舷侧平直区域的高效高质量自动化涂装作业提供解决方案。

图1 索驱动船舶涂装机器人装备设计与开发
(1)索驱动船舶涂装机器人装备
绳索爬壁式喷涂机器人的结构采用宏微两级机器人的组合,以有效地满足不同尺度作业的工作要求。宏机器人主要负责实现大空间内的二自由度运动,采用2组3平行索进行驱动。微机器人专注于局部精细的喷涂任务,采用3组共驱平行绳索进行驱动,并借助一台气缸提供辅助张紧力,微机器人可以实现三自由度的平动,并确保动平台始终与静平台保持平行。宏微两级机器人均采用模块化设计,宏机器人的6台驱动可以独立安装和控制,以适应不同的安装布局。微机器人可以整体拆装和替换,根据具体的涂装作业环境,可以选择采用导轨式机构的微机器人运动系统。
通过宏微机器人的协作,最终能够实现大型船舶舷侧平直区域的高效高质量自动化涂装作业。利用该装备开展大型船舶舷侧涂装实验,实验结果证明,其涂装效率高、涂装质量良好,涂层具有良好的光洁度和均一性。

图2 索驱动船舶涂装机器人装备
(2)索驱动船舶涂装机器人稳定性综合控制技术
针对索驱动船舶涂装机器人在涂装作业过程中所受外源扰动特性,从被动和主动两方面开展研究。
被动方面,基于凸包方法提出了索并联机器人抗外扰性能分析方法及性能评价指标体系,基于提出的性能指标完成了尺度综合优化设计,有效提高了机器人的整体抗外扰性能水平,从而不易受到外界扰动发生虚牵等情况,使机器人即使发生振动,也只会是由于绳索弹性引起的高频、小幅弹性振动。
主动方面,通过轨迹规划和主动抑振装置两种策略实现抑振控制。轨迹规划方面,根据机器人的固有频率在工作空间中的分布,在轨迹规划过程中对相应的频率进行规避,以减少振动能量的引入。抑振装置方面,设计了抑振控制旋翼的主动抑振装置,有效抑制机器人的残余振动。
绳索爬壁式喷涂机器人的结构采用宏微两级机器人的组合,以有效地满足不同尺度作业的工作要求。宏机器人主要负责实现大空间内的二自由度运动,采用2组3平行索进行驱动。微机器人专注于局部精细的喷涂任务,采用3组共驱平行绳索进行驱动,并借助一台气缸提供辅助张紧力,微机器人可以实现三自由度的平动,并确保动平台始终与静平台保持平行。宏微两级机器人均采用模块化设计,宏机器人的6台驱动可以独立安装和控制,以适应不同的安装布局。微机器人可以整体拆装和替换,根据具体的涂装作业环境,可以选择采用导轨式机构的微机器人运动系统。
通过宏微机器人的协作,最终能够实现大型船舶舷侧平直区域的高效高质量自动化涂装作业。利用该装备开展大型船舶舷侧涂装实验,实验结果证明,其涂装效率高、涂装质量良好,涂层具有良好的光洁度和均一性。

图3 索驱动船舶涂装机器人稳定性控制技术
(3)索驱动船舶涂装机器人高效高质量喷涂轨迹规划技术
面向利用索驱动船舶涂装机器人开展高效高质量自动化喷漆作业的需求,针对机器人结构及性能特点,依次完成了片区及站位划分研究、以及喷涂工艺及轨迹规划研究。针对大型船舶舷侧面面积巨大,难以一次性完成全区域喷涂的特点,结合索驱动船舶涂装机器人宏微结构特性,设计了喷涂片区划分及站位规划方法。针对船舶外板的典型片区形貌,开展涂料沉积速率模型研究,结合涂层累积模型以及机器人性能特点,建立了兼顾涂装质量与效率的喷涂轨迹规划方法。最终形成了分区域、逐片喷涂的轨迹规划方法,有效地确保了船舶侧舷外场的高效高质量自动化涂装作业。

图4 索驱动船舶涂装机器人片区划分及站位规划
(4)应用效果及知识产权
利用索驱动船舶涂装机器人工程样机,在沪东中华开展了喷涂实验以及示范性应用,在大型LNG船舷侧宽15m、高18m的区域安装设备,并针对侧板典型平直区域开展了涂装作业。喷涂实验表明,绳索爬壁式喷涂 机器人适用于船舶舷侧平直区域的自动化涂装作业,其涂装效率较高,涂层质量良好,具有较大的推广应用价值。装备性能通过上海市质量监督检验技术研究院认证,涂装效率较现有水平提高30.8%。
面向利用索驱动船舶涂装机器人开展高效高质量自动化喷漆作业的需求,针对机器人结构及性能特点,依次完成了片区及站位划分研究、以及喷涂工艺及轨迹规划研究。针对大型船舶舷侧面面积巨大,难以一次性完成全区域喷涂的特点,结合索驱动船舶涂装机器人宏微结构特性,设计了喷涂片区划分及站位规划方法。针对船舶外板的典型片区形貌,开展涂料沉积速率模型研究,结合涂层累积模型以及机器人性能特点,建立了兼顾涂装质量与效率的喷涂轨迹规划方法。最终形成了分区域、逐片喷涂的轨迹规划方法,有效地确保了船舶侧舷外场的高效高质量自动化涂装作业。

图5 工程样机示范应用现场
供稿:段金昊