一种大型船舶分段自动化涂装系统

摘要

一种大型船舶分段自动化涂装系统，包括滑轨系统，索驱动自动化涂装机器人系统，大型船舶分段船体和支撑柱，其中滑轨系统包括内滑轨和外滑轨，安装于涂装厂房顶部，二者等间距形成环形；大型船舶分段船体用若干支撑柱放置于环形滑轨系统内；索驱动自动化涂装机器人系统包括一级索驱动机器人系统和二级喷涂机器人，一级索驱动机器人系统包括移动定位组件、转台驱动组件、平行索系和吊篮，通过移动定位组件安装在滑轨上，二级喷涂机器人安装在吊篮内。本发明通过索驱动机器人系统实现吊篮和喷涂机器人的定位和移动，通过喷涂机器人完成船舶分段的涂装工作，实现大工作空间、柔性化多平面的自动化喷涂，提高船舶分段涂装的效率和质量。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人与自动化技术领域，特别涉及一种大型船舶分段自动化涂装系统。

背景技术

现代大型船舶绝大多数为钢质焊接船，一般采用分段建造法建造，这样可以使得多个分段船体并行建造，避免钢材过早地生锈并使得建造过程可以在室内或平地进行。船舶建造的生产过程非常复杂，分为船体建造、船舶晒装和船舶涂装三大作业内容。“船舶涂装”不仅可以改变船舶的外观，给海洋船舶增添亮丽外表，还可以阻止海水对船舶的腐蚀，延长船舶的使用寿命。分段涂装是船舶涂装中最主要和最基本的一环，除了特种船舶的特殊部位，船体的各个部位，在分段涂装阶段都要进行涂层的涂装。船舶涂装质量的好坏首先取决于分段涂装的质量。

大型船舶分段面积巨大，其需要涂装的各表面长度可达20m，高度可达近10m，另外船体除包含部分直立面外，还包含大面积的曲面段。受船体分段面积大、曲面大、曲面均一性差的限制，目前船舶行业中的船体分段外表面的涂装工作仍采用传统的人工作业的方式进行，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。为满足大面积涂装的需求，往往采用搭建脚手架、龙门塔吊，或采用移动式吊车、AGV车载式移动涂装作业平台等方式，将涂装作业工人送达预定的涂装作业位置。然而上述方式存在占地面积大、成本高、效率低的缺陷，尤其是龙门塔吊或采用移动式吊车等方式难以在室内实现。

在大型船舶分段自动化涂装方面，部分研究机构提出了采用吸附攀爬式机器人进行喷涂的方案，然而吸附攀爬式机器人在焊缝接口处易脱落，在工作过程中存在安全隐患，喷涂过程灵活性差。另外，由于吸附攀爬式机器人吸附力和负载能力的限制，其行进速度低，喷涂宽度窄，效率低，在船体分段涂装的实际应用中存在诸多局限性。

发明内容

为了克服现有大型船舶分段涂装工艺与技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大型船舶分段自动化涂装系统，用过索驱动自动化机器人涂装系统，实现大工作空间、柔性化、多平面的自动化喷涂，提高船舶分段涂装的效率和质量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种大型船舶分段自动化涂装系统，包括滑轨系统，索驱动自动化涂装机器人系统，大型船舶分段船体8和支撑柱9；

所述的滑轨系统包括安装于涂装厂房顶部的内滑轨1和外滑轨2，所述的内滑轨1和外滑轨2等间距围成环形；

索驱动自动化涂装机器人系统包括一级索驱动机器人系统和二级喷涂机器人7，所述的一级索驱动机器人系统包括安装在滑轨上的移动定位组件3，移动定位组件3上设置有转台驱动组件4、平行索系5和吊篮6；所述的移动定位组件3、转台驱动组件4和平行索系5各有两组，分别设置于吊篮6两侧，吊篮6通过两组平行索系5分别与两侧的转台驱动组件4连接，喷涂机器人7可将吊篮6作为静平台实现二级运动；

大型船舶分段船体8用若干支撑柱9放置于环形滑轨系统内，分段船体8顶部低于滑轨2米以上。

所述的移动定位组件3包括移动台33，移动台33上安装有四个移动轮34，两侧各两个，分别位于内滑轨1和外滑轨2上，通过移动轮34在滑轨上的滚动，可以改变移动定位组件3在滑轨上的位置，外滑轨2内侧布置有定位标识二维码21序列，移动台33上固定有工业相机36，用于识别二维码21确定当前移动台33所处的位置，移动台33上安装有伺服电机31和第一减速器32，第一减速器32与底部连接法兰35同轴连接，可驱动连接法兰35的转动，连接法兰35用于连接转台驱动组件4。

所述的转台驱动组件4与同侧的移动定位组件3通过一个转动副连接，二者可发生相对转动以调整转台驱动组件4的姿态。

所述的转台驱动组件4包括滚筒支撑板46，滚筒支撑板46上设置有转台45，转台45上安装有滚筒43、第二减速器42和驱动电机41，通过驱动电机41的转动带动滚筒43转动，从而实现绳索的收放，转台45上布置有若干滑轮组成滑轮组47，用于改变绳索的缠绕方向，转台45中心安装有转台连接座44。

所述的转台连接座44上部与移动定位组件3的连接法兰35相连接，通过伺服电机31的驱动可实现与移动台33的相对转动，滚筒43通过两侧的滚筒支撑板46安装于转台45侧面，上面分段缠绕有四组绳索。

所述的每组平行索系5的绳索数量为4，4根绳索的出索点组成的四边形和4根绳索与吊篮6的索连接点组成的四边形完全相等。

所述的每组平行索系5的4根绳索分4段缠绕在同一个滚筒43上，4根绳索通过布置在转台驱动组件4中的若干滑轮组47进行位置和方向调整后，通过转台45上的四个滑轮出索点与吊篮6连接，通过滚筒43的转动可实现4根绳索的同步收放。

所述的喷涂机器人7包括用于喷涂面的伸缩和姿态角度的调整的机器人动平台72，通过机器人运动支链71的驱动实现动平台的位置和姿态变化，机器人动平台72上设置有喷枪73。

本发明的有益效果：

本发明采用索驱动机器人作为一级平台，搭载喷涂机器人作为二级平台，实现大型船舶分段自动化涂装。索驱动机器人可实现大范围空间定位运动，将喷涂机器人运送并定位到工作位置，采用平行索设计保证喷涂机器人工作过程中始终保持水平，不产生倾斜和振动。采用索机器人取代传统的塔吊、脚手架或移动式工程车等移动定位方式，减小占用空间，降低成本。另外，所述索驱动机器人可实现快速重组，适应不同大小和位置方向的分段侧面的涂装工作。利用机器人按预先编程的涂装轨迹实现自动化涂装，减少人工参与，保证喷涂的效率和质量，降低涂料对人体产生的危害作用。

附图说明

图1是本发明大型船舶分段自动化涂装系统示意图。

图2是本发明索驱动自动化涂装机器人系统示意图。

图3是本发明大型船舶分段自动化涂装系统中移动定位台组件示意图。

图4是本发明大型船舶分段自动化涂装系统中转台驱动组件示意图。

图5是本发明大型船舶分段自动化涂装系统中一种驱动与滑轮组设计方案示意图。

图6是本发明大型船舶分段自动化涂装系统调整喷涂平面方法示意图。

图7是本发明大型船舶分段自动化涂装系统进行船舷侧曲面涂装工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示是大型船舶分段自动化涂装系统示意图。大型船舶分段自动化涂装系统由滑动轨道、索驱动自动化涂装机器人系统、大型船舶分段船体8和支撑柱9组成，其中滑动轨道分为内轨道1和外轨道2，内外轨道组成环形。内轨道1和外轨道2安装于厂房顶部，高于大型船舶分段船体8顶部2米以上。大型船舶分段船体8用支撑柱9支撑，放置于厂房且位于内外轨道组成的环形区域内。

所述索驱动自动化涂装机器人系统包括一级索驱动机器人系统和二级喷涂机器人7，其中索驱动机器人系统由两个移动定位组件3、两个转台驱动组件4、两组平行索系5和一个吊篮6组成，喷涂机器人7放置于吊篮6内，具体如图1和图2所示。移动定位组件3和转台驱动组件4通过一个转动副相连，二者之间仅存在一个绕垂直轴的转动自由度，该转动由固定在移动台33上的伺服电机31通过第一减速器32驱动。移动定位组件3安装于滑轨之上，可通过移动轮34在滑轨上移动，改变其在滑轨中的位置。吊篮6两侧分别通过四根绳索与两侧的转台驱动组件4连接。转台驱动组件4的出索点ABCD与吊篮同侧的索连接点EFGH完全相等，在运动过程中每侧的四根绳索完全平行，组成平行索系5。当两侧的移动定位组件3在滑轨上的位置固定时，通过平行索系5的收放，吊篮6可在两组转台驱动组件4的水平跨距之间实现平面两自由度移动，运动平面为由两组转台驱动组件4决定的竖直平面。平行索系5的设计可有效抵抗各个方向的力矩，保证了运动过程中吊篮6始终保持水平不产生倾斜。吊篮6中安装有喷涂机器人7，喷涂机器人7可以是并联式喷涂机器人，也可以是普通六轴喷涂机器人等，如图2仅示意了采用并联式两转一移三自由度喷涂机器人的方案。通过改变平行索系5的绳索长度，可实现吊篮6和喷涂机器人7在工作空间中任意位置的定位，实现大型船舶分段船体8不同侧面的涂装工作。

移动定位组件3由伺服电机31、第一减速器32、移动台33、移动轮34、连接法兰35和工业相机36组成，如图3所示。移动台33上安装有四个移动轮34，两侧各两个，分别位于内滑轨1和外滑轨2上。通过移动轮34在滑轨上的滚动，可以改变移动定位组件3在滑轨上的位置。外滑轨2内侧布置有定位标识二维码21序列，移动台33上固定有工业相机36，用于识别二维码21确定当前移动台33所处的位置。移动台33上安装有伺服电机31和第一减速器32，第一减速器32与底部连接法兰35同轴连接，可驱动连接法兰35的转动，连接法兰35用于连接转台驱动组件4。

转台驱动组件4由驱动电机41、第二减速器42、滚筒43、转台连接座44、转台45、滚筒支撑板46和滑轮组47组成，如图4所示。转台连接座44安装于转台45中心，上部与移动定位组件3的连接法兰35相连接，通过伺服电机31的驱动可实现与移动台33的相对转动。滚筒43通过两侧的滚筒支撑板46安装于转台45侧面，上面分段缠绕有四组绳索。滚筒43一端与第二减速器42和驱动电机41同轴连接，通过驱动电机41带动滚筒43转动。缠绕在滚筒43上的四组绳索通过一系列滑轮组47调整其位置和方向，分别从出索点A、B、C、D伸出连接吊篮6一侧。其中，所述的驱动与滑轮组的一种设计方案如图5所示。滑轮组47中的各滑轮安装在转台基座45上，通过滑轮组47的调整作用，使得四根绳索平行伸出，同时在滚筒43上分段缠绕。在运动过程中，滚筒43转动时，缠绕在其上的四根绳索收放的长度一致，保证转台驱动组件4与吊篮6之间的四根绳索始终平行，从而保证吊篮6始终实现两自由度平面移动，而不发生转动。

所述大型船舶分段自动化涂装系统利用索驱动机器人结构，可实现大工作空间，从而实现一次定位，完成整个侧面的喷涂工作。同时，通过调整移动定位组件3的位置，可以调整吊篮6的运动工作空间，实现对大型船舶分段船体8不同侧面的喷涂。如图6示意了自动化涂装系统调整喷涂平面的方法。假设初始时自动化涂装系统在对大型船舶分段船体8的侧面M进行涂装工作，在其完成对侧面M的涂装工作后，对索驱动自动化涂装机器人系统进行移动和调整，使其进行对侧面N的涂装工作。当索驱动自动化涂装机器人系统对侧面M进行涂装工作时，两侧的移动定位组件3和转台驱动组件4分别位于A₁和B₁位置，吊篮6位于C₁位置，吊篮6侧面与涂装侧面M平行。将索驱动自动化涂装机器人系统一侧的移动定位组件3和转台驱动组件4沿着A₁—A₂—A₃—A₄的路径运动到A₄位置，另一侧的移动定位组件3和转台驱动组件4沿着B₁—B₂—B₃—B₄的路径运动到B₄位置，此时吊篮6沿着C₁—C₂—C₃—C₄的路径运动到C₄位置，由此完成吊篮6和喷涂机器人7的位置和方向调整，可进行对大型船舶分段船体8另一侧面N的涂装工作。由图6和上述分析，所述的大型船舶分段自动化涂装系统的具有的位置和方向调整能力，该自动化涂装系统可实现滑轨限定的空间范围内任意角度和位置的侧立面的涂装工作，这一优点使得该系统可以实现对不同尺寸、不同方向放置的大型船舶分段船体8的涂装工作，具有一定的柔性。

大型船舶船舷侧除包含直立平面外，往往还包含曲面段。曲面段的涂装工作中要求喷枪73的姿态可随着曲面的变化实时变化，喷枪73始终以一定的距离垂直于待喷涂表面。借助吊篮6中喷涂机器人7的运动可满足曲面涂装要求。如图7示意了进行船舷侧曲面涂装工作时的示意图。当进行大型船舶分段船体8曲面段涂装工作时，随着喷涂位置的变化，通过机器人运动支链71的驱动和调整，机器人动平台72可实现向喷涂面的伸缩和姿态角度的调整，从而保证喷枪73始终以一定的距离垂直于待喷涂表面，从而完成曲面的涂装工作。

索驱动机器人是将驱动器的运动和力以绳索为介质传递至动平台，并驱动其运动的机构装置。索驱动机器人具有结构简单、运动空间范围大、承载能力强、易拆装、可重组等优点，在吊装、大空间摄像等领域已得到广泛应用。索驱动机器人的诸多优点使得其在大范围自动化涂装领域具有很好的应用潜能，利用索驱动机器人设计大型船舶分段自动化涂装系统，可解决大范围自动化涂装作业的难题，改变传统全人工作业的缺点，提高涂装效率和涂装质量。