摘要：本文主要对超大船体外表面的喷涂机械臂进行探析。目前国内外船舶行业受船体分段曲面大、曲面均一性差的限制，船体分段外表面的喷涂工作仍采用传统的人工作业的方式，喷涂效率低，喷涂质量稳定性差，造成船体外表面的返喷率较高，严重制约了生产力，同时作业环境恶劣，对工人伤害大。
关键词：船体外表面；喷涂；机械臂；技术；结构
一、引言
近年来随着喷涂机器人机械结构及电气控制技术的发展及成本的下降，同时在提高涂装质量、提高材料利用率、降低涂装成本及环保等方面具有很大优势，因此喷涂机器人已被广泛应用于制造业的各个领域。目前国内大型船舶喷涂行业仍采用工作落后的、传统的人工作业方式，造成员工的劳动强度大工作过程中产生的有害气体影响工人的健康，而且喷涂质量不稳定，造成船体喷涂作业的反喷率较高，制约了生产力，因此研制大型船体自动化涂装设备具有重要的应用价值。
二、船体外表面喷涂的现状简述
日本浦上技术研究所设计的“V-ROBO SYSTEM”，虽然能实现大型船体的喷涂工作，但其最大行进速度为6m/min，喷涂宽度窄，效率低，而且其爬行方式采用真空吸附式，在焊缝接口处容易脱落，工作过程中存在安全隐患，喷涂过程灵活度差。由芬兰的Rautaruukki公司改进的Blastman system，则需要建设特殊的喷涂车间，对于目前国内的船舶喷涂车间进行改造不现实，费用昂贵，可移动性差，不符合现在的喷涂现状。卡塔赫纳理工大学的Ortiz F等设计的XYZ三自由度喷砂机器人，垂直坐标的喷涂方式对复杂曲面的适应性差，而且需要铺设地面轨道，对于喷涂面向下的喷涂场合不适用。
三、超大船体喷涂的关键技术需求
目前真正应用于大型船体的喷涂方面的机器人，主要存在三种类型：爬壁式、桁架式和通过改造车间搭建的轨道式，它们在实现超大船体的喷涂工作都提供了一种实现方式，但针对目前国内超大船体的喷涂现状存在一定的限制性。
船体分段外表面的喷涂曲面尺度大，尤其是高度超过10米的大型船体，为保证喷涂效率，轻量化喷涂机械臂的工作空间提出了更高的要求，同时受液压展臂载重平台的限制，机械臂的自重不能太大，而且喷涂环境为完全封闭环境，灯光照射环境昏暗，随着喷涂时间的延长，空气中的易燃易爆气体浓度逐渐升高，对喷涂机器人的防爆性能提出了很高的要求；船舶长期在海上航行，船舶的喷漆质量直接影响船体的抗腐蚀能力，因此所研制的喷涂机械臂需要保证良好的喷涂效果；不同的分段，在工装上的放置方式各式各样，分段船体的多样性需要整个喷涂装备可以自由在不同的船体分段间自由移动。如下图所示为不同船体分段的放置方式：
四、船体外表面喷涂机械臂结构简述
目前应用于超大船体的喷涂机器人主要分为爬壁式、桁架式和通过改造车间搭建的轨道式，但其都存在喷涂效率低，灵活性差、建造成本高等缺点，而国内船体分段涂装主要采用搭设脚手架进行人工涂装的方法，存在涂装精度不高、效率低的问题，因此，亟待需要掌握船舶分段自动涂装工艺，研究自主作业船舶涂装成套设备。针对国内超大船体的喷涂现状，考虑采用一种液压展臂与轻量化机械臂结合的构型方式，构成十三自由度大型喷涂机械臂，依靠液压展臂工作空间大的特点，完成超大船体分段局部喷涂的定位，依靠轻量化喷涂机械臂灵活性的特点，完成船体的局部喷涂，从而克服超大船体分段由于体积大，曲面不均一造成的喷涂困难的问题。
由于喷涂对象是超大船体的分段，一艘轮船的有200多段分段，喷涂对象的不均一性与尺寸大的特点，给喷涂机械臂的灵活度与适应性提出了更高的要求。船舶在海中航行，喷涂质量直接关系到船体的防锈性能，为了保证喷涂质量，船体分段被放置在封闭的喷涂车间内，因此喷涂机械臂要采用相应的防爆措施，保证人员设备的安全。
五、机械臂关节结构设计
机械臂关节的设计是机械臂结构设计的关键，起到各连杆之间连接与驱动的作用，关节性能的好坏直接影响整个机械臂的性能（下图为机械臂整体结构图）；从图中可以看出整个机械臂主要由安装底座、腰关节部件、肩关节部件、大臂、肘关节部件、小臂、腕部关节部件等组成。腕部根据接口要求设计腕部法兰，直接安装喷涂工具，对船体外表面进行喷涂。
六、机械臂连接结构及防爆结构的设计
为保证轻量化喷涂机械臂与液压展臂的良好结合，针对液压展臂原有的载重平台，在原有的载重平台上进行改装，原有载重平台连接如下图所示，设计轻量化喷涂机械臂与液压展臂的专用接口模块，包括机械臂安装座、变压器安装柜、控制电器柜支撑。机械臂末端接口模块为机械臂的机械臂本体与控制系统硬件提供了安装接口，避免了编码器信号在远距离传输时的干扰，从而间接地提高了机械臂的控制精度。受喷涂工作环境的限制，机械臂在喷涂过程中，会产生大量易燃易爆气体，这就对机械臂的防护性能提出更高的要求，需要对各关节的电气部分进行防爆处理。
参考文献：
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[2]慕金伯.船舱除锈喷漆机器人的设计研究[D].山东科技大学，2009.
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论文作者:吴昌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/9/11
标签：船体论文; 机械论文; 船舶论文; 机器人论文; 涂装论文; 作业论文; 曲面论文; 《基层建设》2019年第16期论文;