CN111013882A - 面向船体分段的自动化行架式喷涂系统 - Google Patents

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Abstract

一种面向船体分段的自动化行架式喷涂系统，包括：路径规划模块、运动控制模块以及活动设置于行车轨道上的喷涂系统，喷涂系统分别与路径规划模块和运动控制模块相连，接收来自路径规划模块的路径控制指令和来自运动控制模块的喷涂操作指令并向运动控制模块反馈实时工况信息，路径规划模块将三维船舶分段图纸转化为运动控制模块可执行的喷涂路径文件并输出至运动控制模块，运动控制模块将喷涂系统的喷枪的运动轨迹转换为喷涂操作指令。本发明基于船厂分段车间的现有设备、现有的船舶分段三维数据库以及规划单元，实现对行架式自动喷涂系统的喷枪运动轨迹的控制。自动喷涂系统防爆设计均满足EXd2b T4防爆等级。

Description

面向船体分段的自动化行架式喷涂系统
技术领域
本发明涉及的是一种船舶建造领域的技术，具体是一种面向船体分段的自动化行架式喷涂系统。
背景技术
我国船舶喷涂技术与国外相比仍存在较大的差距，主要是喷涂周期长、效率低、成本高等方面。喷涂机器人作为现代工业机器人的一种，可以有效提高喷涂效率，提高喷涂质量，避免了人体与有毒有害物质的接触。但现有的喷涂机器人设计以是小型爬吸式机器人为主，不但喷涂速度慢、喷涂质量差，而且喷涂区域有限，只适用于船舶分段上的大型非结构面喷涂。并且当前的喷涂机器人只能完成喷砂或喷漆中的一种工作，不具备喷漆、喷砂的兼容喷涂能力。
发明内容
本发明针对现有人工喷涂效率低、质量差、原料消耗高等缺点，提出一种面向船体分段的自动化行架式喷涂系统，基于船厂分段车间的现有设备、现有的船舶分段三维数据库以及规划单元，实现对船舶分段的自动喷涂。可以有效减少原材料消耗、喷涂时间和人力成本、本发明的自动喷涂系统防爆设计均满足EXd2b T4防爆等级。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：路径规划模块、运动控制模块以及活动设置于行车轨道上的喷涂机器人，其中：喷涂机器人分别与路径规划模块和运动控制模块相连，接收来自路径规划模块的路径控制指令和来自运动控制模块的喷涂操作指令并向运动控制模块反馈实时工况信息，路径规划模块将三维船舶分段图纸转化为运动控制模块可执行的喷涂路径文件并输出至运动控制模块，运动控制模块将喷涂机器人的喷枪的运动轨迹转换为喷涂操作指令。
所述的喷涂机器人包括：依次相连的运动机构、垂直伸缩臂、用于搭载工人对船体分段的喷涂死角进行喷涂的载人平台以及喷涂操纵机构，其中：运动机构活动设置于行车轨道上并接收路径规划模块的路径控制指令，垂直伸缩臂以及喷涂操纵机构分别接收喷涂操作指令并进行喷涂操作，喷涂操纵机构实时反馈喷涂效果至运动控制模块。
所述的运动机构包括：行车机构和轨道车，其中：行车机构架设于车间顶部纵梁的钢轨上，轨道车滑动设置于行车箱型横梁的两侧的钢轨上，轨道车底部与垂直伸缩臂刚性相连。
所述的垂直伸缩臂包括：依次套接的两个垂直伸缩臂管节、垂直伸缩臂驱动机构和垂直伸缩臂升降机构，其中：垂直伸缩臂驱动机构固定设置于第二垂直伸缩臂管节的顶端，垂直伸缩臂升降机构与驱动机构相连并位于第二垂直伸缩臂管节内。
所述的喷涂操纵机构包括：六轴机械手臂和与之相连的喷枪，其中：六轴机械手臂设置于载人平台的底部，喷枪设置于六轴机械手臂末端的夹具上。
所述的运动控制模块包括：控制器和与之相连的触摸屏，其中：控制器分别与触摸屏和路径规划模块相连，将喷枪的运动路径规划转化为行车、轨道车、垂直伸缩臂和六轴机械手臂运动轨迹，以及喷枪的实时流量控制，并将机器人状态反馈到触摸屏与路径规划模块上。
所述的喷涂操纵机构与漆源、砂源和高压气源通过独立管路相连，该管路包括：喷漆管路、喷砂管路和高压气路，其中：高压气路作为六轴机械手臂末端喷枪的气源，喷漆管路提供油漆，喷砂管路提供钢砂。
技术效果
与现有技术相比，本发明技术效果包括：
1)采用了行架式横梁、轨道车与垂直伸缩臂的组合，可以实现三维方向多达数十米的移动范围，保证了喷涂系统对大型分段构件侧面或顶面大面积的非结构面进行高速喷涂作业，喷涂效率与喷涂质量要大大优于现有的喷涂系统或人力劳动。
2)通过六轴机器人控制喷枪的小范围精确运动，涂装机器人能够对船舶分段开放式结构面进行喷涂，这是现有涂装机器人所不能到达的效果。并且采用了六轴机械手臂以后，配合对喷漆或喷砂流量的控制，可以达到高精度的漆膜厚度控制，提高涂装质量的同时，还节省了喷涂过程中大量原料成本。
3)在六轴机械手臂末端安装了可拆卸式夹具，并且在涂装机器人的坦克拖链内部同时留有喷漆管路与喷砂管路，使得本发明具有较好的喷漆、喷砂兼容性，大大节省了造船企业的初期成本投入。
4)利用船厂的船体分段三维数据库、规划单元和运动控制模块的运动控制单元，使得本发明具有全自动化喷涂功能，单人便可操作喷涂系统，节省了大量的人力劳动，大大提高生产效率。
附图说明
图1为本实施例提供的喷涂系统的车间布置图；
图2为喷涂系统的总体结构示意图；
图3为轨道车驱动机构的结构示意图；
图4为线缆管路具体结构示意图；
图5为垂直伸缩臂驱动机构的结构图；
图中：线缆管路1、行车轨道2、第一收线器3、喷枪4、油漆罐5、钢砂罐6、高压气罐7、运动控制模块8、路径规划模块9、电气柜10、网线11、玻璃监控窗12、集控台13、船体分段14、分段支墩15、行车机构16、垂直伸缩臂17、六轴机械手臂18、载人平台19、第二收线器20、轨道车21、车间立柱22、桁架钢梁23、管路101、线缆102、护线套103、坦克拖链104、胶轮161、减速机162、伺服电机控制器163、防爆伺服电机164、电机刹车165、横梁166、传动轴167、第一垂直伸缩臂管节171、齿条172、铜轴套173、尼龙齿轮174、第二垂直伸缩臂管节175、行星减速机176、伺服控制器177、电机刹车178、齿条避让槽179、铜轴套1710、防爆伺服电机1711、轨道车胶轮211、车架212、伺服电机控制器213、防爆伺服电机214、减速机215、驱动轴216。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种面向船体分段的自动化行架式喷涂系统的具体应用场景，其中包含：喷涂车间划分为办公区域和喷涂区域，办公区域的集控台13通过网线11与路径规划模块9相连并组成局域网，操作人员在办公区域内通过玻璃监控窗12与集控台13监控喷涂机器人的运行状态，并对喷涂机器人实施控制，路径规划模块9与运动控制模块8通过工业网线相连传输喷枪运动路径信息，运动控制模块8的输出端与电气柜10相连并传输喷涂机器人各轴运动指令信息，电气柜10同时作为喷涂机器人的动力电电源，线缆管路1分别与从车间地面的电气柜10、油漆罐5、钢砂罐6、高压气罐7接出，线缆管路1装入坦克拖链内后，依次连接设置于行车轨道2末端的第二收线器20、行车机构16、设置于行车机构16上的第一收线器3、轨道车21、固定设置于轨道车21底部的垂直伸缩臂17、六轴机械手臂18和喷枪4，行车轨道2位于车间顶部，选用起重钢轨保证轨道有足够的承载能力，行车机构16在行车轨道2上沿车间的长边运行，船体分段14压载在分段支墩15上。
所述的垂直伸缩臂17的底部与载人平台19固定连接，六轴机械手臂18设置于载人平台19的底部，喷枪4设置于六轴机械手臂末端的夹具上。
所述的第一收线器3与第二收线器20内部设有由伺服电机和减速机驱动的绞盘，该绞盘上缠绕有坦克拖链104。收线器根据喷涂系统的运动位置与运动速度实时控制绞盘的转速与转动角度，保证线缆与管路紧随机器人各部件运动。
为了保证喷涂机器人的控制精度，行车机构16结构强度需要满足最大挠度小于横梁跨度的1/1000。
所述的路径规划模块9包括：规划单元、无风扇全封闭式机箱和防爆监控显示器，其中：机箱通过网线11与外部集控台13相连接，用于接收需要喷涂分段的3维数据，路径规划模块机箱与运动控制模块8通过工业级网线相连接，规划单元规划喷枪的运动轨迹后向运动控制模块8传输涂装机器人喷枪的运动路径规划并接收运动控制模块8反馈的喷涂机器人的实时工况信息，通过防爆监控显示器显示喷涂机器人的当前运行状态。
所述的机箱表面布有散热片，防止机箱表面温度超过EXd2b T4防爆标准。
所述的防爆监控显示器由显示器与防爆壳组成，防爆壳为不锈钢制成，表面设有钢化玻璃，钢化玻璃与不锈钢外壳之间嵌入密封条；不锈钢防爆壳上设有两个O型密封圈，封圈内通过显示器电源线与显示器数据线；显示器数据线与路径规划模块机箱相连接。
所述的运动控制模块8包括：内置运动控制单元的控制器和与之相连的触摸屏，其中：控制器通过工业网线与路径规划模块相连，通过TCP/IP协议进行相互通信，控制器将路径规划模块发送的喷枪的运动路径参数转化为喷涂机器人上各伺服电机的转速、旋转角度参数，并发送给各伺服电机控制器；控制器根据喷枪的运动速度、现场温度、湿度，调整喷砂或油漆的流量，并通过PROFIBUS-DP现场总线与高压电管理箱、伺服控制器177、六轴机械手臂控制器、喷枪控制器进行通讯，发送或接受控制器的运动参数；控制器通与喷涂机器人上的限位传感器、光电传感器等传感器相连；控制器实时监测喷涂机器人的电流、温度、流量等模拟信号。
所述的触摸屏内设有操作界面程序，通过操作触摸屏可以调整喷漆或喷砂的工艺参数，实现喷涂机器人参数的标定以及手动控制喷涂机器人的运动。
如图2所示，所述的行车机构16左右两端各设有一套行车驱动机构，该行车驱动机构包括：胶轮161、减速机162、伺服电机控制器163、防爆伺服电机164、电机刹车165、横梁166和传动轴167，其中：伺服电机控制器163接收运动控制模块8的指令信息，控制防爆伺服电机164的运转，防爆伺服电机164输出轴与减速机162的输入轴相连，减速机162内部的齿轮组将防爆伺服电机164的扭矩放大，并将扭矩传递到传动轴167上，传动轴167带动胶轮161旋转，达到控制横梁166前进与后退的功能。
所述的行车轨道2采用起重钢轨，铺设在分段喷涂车间顶部的桁架钢梁23上。
所述的行车轨道2与胶轮161采用钢轨与硬橡胶轮的组合，取代传统的钢轮、钢轨组合，避免行走机构产生火花，起到防爆的作用。
所述的横梁166采用箱型结构，箱型结构两边各铺设一条轨道168，轨道车21通过胶轮211行驶在轨道168上。轨道车21能够沿着轨道168在行车机构16上左右移动，所述的垂直伸缩臂17固定设置于轨道车21底部，载人平台19固定设置于垂直伸缩臂17的底部，六轴机械手臂18设置于载人平台19的底部，喷枪4设置于六轴机械手臂末端的夹具上。
所述的载人平台19包括：用于控制喷涂系统的控制台、用于安装喷枪的工装夹具和钢结构平台，其中：钢结构平台与垂直伸缩臂底部刚性连接。
所述的六轴机械手臂18包括：六轴机械手臂、机械臂控制器和夹具，其中：六轴机械手臂采用已有的防爆工业机器人；夹具位于六轴机械手臂末端，用于安装固定喷枪4。当需要喷砂时喷枪4采用喷砂枪，并连接高压气路与喷砂管路；当需要喷漆时，拆卸喷砂枪，替换为喷漆枪并连接高压气路与喷漆管路。
如图3所示，所述的轨道车21包括：载重小车车架212和轨道车驱动机构，该轨道车驱动机构包括轨道车胶轮211、伺服电机控制器213、防爆伺服电机214、减速机215、驱动轴216，其中：伺服电机控制器214接收运动控制模块8的指令信息，控制防爆伺服电机214的运转。防爆伺服电机214输出轴与减速机215的输入轴相连。减速机215内部的齿轮组将防爆伺服电机214的扭矩放大，并将扭矩传递到传动轴216上。传动轴216带动轨道车胶轮211旋转，达到控制轨道车21前进与后退的功能。轨道车胶轮211在轨道168上滚动，采用钢轨与硬橡胶轮的组合，以满足防爆要求。防爆伺服电机214上安装了电机刹车165，起到急停保护的作用。
如图4所示，本装置为了具有较大的移动范围，喷涂机器人上的线缆与管路需要合理的安装设计、防爆设计并能够随器械部件做大范围运动。
所述的线缆管路1包括：分别与厂房内的油漆罐、钢砂罐和高压气罐相连的管路101和放置在护线套103内的线缆102。
所述的线缆102包括：电源线、现场总线、传感器信号线。
所述的护线套103采用铜合金编织物制成，具有较好的柔性，护线套需要良好接地，防止产生静电火花。
所述的护线套103和管路101均固定设置于坦克拖链104内部；当喷涂机器人运动时，坦克拖链104从收线器内拉出或被卷入收线器内。
如图5所示，所述的垂直伸缩臂17包括：依次套接的两个垂直伸缩臂管节171和175、垂直伸缩臂驱动机构和垂直伸缩臂升降机构，其中：垂直伸缩臂驱动机构固定设置于第二垂直伸缩臂管节175的顶端，垂直伸缩臂升降机构与驱动机构相连并位于第二垂直伸缩臂管节175内。
所述的垂直伸缩臂管节171和175的截面形状为圆形，第二垂直伸缩臂管节175间的内、外径各不相同；两个垂直伸缩臂管节171和175之间嵌入铜轴套173和1710以保证管节间的润滑，起到直线轴承的作用，一个铜轴套173固定设置于第二垂直伸缩臂管节175上，另一个铜轴套1710固定设置于第一垂直伸缩臂管节171上。
垂直伸缩臂管壁最小厚度大于5mm，第二垂直伸缩臂管节175的数量根据实际需要进行选择，若厂房高度较高，船体分段较高，可适当增加第二垂直伸缩臂管节175的数量。
所述的垂直伸缩臂驱动机构包括：防爆伺服电机1711、伺服控制器177、防爆行星齿轮减速机6。
所述的垂直伸缩臂驱动机构上进一步设有与防爆伺服电机输出轴相连的电机刹车178，该电机刹车178具体位于防爆伺服电机后部，起到断电保护作用，在断电时会自动锁死伺服电机，用于防止运行过程中，喷涂机器人突然断电而导致垂直伸缩臂坠落。
所述的垂直伸缩臂升降机构采用齿轮齿条爬行机构，其中齿轮4设置于减速机8的输出法兰上且具有较好的耐磨性与自润滑性；齿条172采用钢尺条，固定设置于第一垂直伸缩臂管节171的内管壁上。
所述的第二垂直伸缩臂管175的外壁上设有齿条避让槽179，保证垂直伸缩臂的顺畅运行。
所述的两个垂直伸缩臂管节171和175的外表面设有多个限位传感器与超声波传感器，其中：限位传感器用于监测垂直伸缩臂的伸缩长度，当第二垂直伸缩臂管节175过度伸出或过度收回时，会触发喷涂系统急停装置；超声波传感器用于监测垂直伸缩臂四周的障碍物，当垂直伸缩臂与障碍物距离过小时，触发机器人急停装置，防止垂直伸缩臂与周边障碍物发生碰撞。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种面向船体分段的自动化行架式喷涂系统，其特征在于，包括：路径规划模块、运动控制模块以及活动设置于行车轨道上的喷涂机器人，其中：喷涂机器人分别与路径规划模块和运动控制模块相连，接收来自路径规划模块的路径控制指令和来自运动控制模块的喷涂操作指令并向运动控制模块反馈实时工况信息，路径规划模块将三维船舶分段图纸转化为运动控制模块可执行的喷涂路径文件并输出至运动控制模块，运动控制模块将喷涂机器人的喷枪的运动轨迹转换为喷涂操作指令；
所述的喷涂机器人包括：依次相连的运动机构、垂直伸缩臂、用于搭载工人对船体分段的喷涂死角进行喷涂的载人平台以及喷涂操纵机构，其中：运动机构活动设置于行车轨道上并接收路径规划模块的路径控制指令，垂直伸缩臂以及喷涂操纵机构分别接收喷涂操作指令并进行喷涂操作，喷涂操纵机构实时反馈喷涂效果至运动控制模块。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的运动机构包括：行车机构和轨道车，其中：行车机构架设于车间顶部纵梁的钢轨上，轨道车滑动设置于行车箱型横梁的两侧的钢轨上，轨道车底部与垂直伸缩臂刚性相连。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的行车机构左右两端各设有一套行车驱动机构，该行车驱动机构包括：胶轮、减速机、伺服电机控制器、防爆伺服电机、电机刹车、横梁和传动轴。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的轨道车包括：载重小车车架和轨道车驱动机构，该轨道车驱动机构包括轨道车胶轮、伺服电机控制器、防爆伺服电机、减速机、驱动轴。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征是，所述的垂直伸缩臂包括：依次套接的两个垂直伸缩臂管节、垂直伸缩臂驱动机构和垂直伸缩臂升降机构，其中：垂直伸缩臂驱动机构固定设置于第二垂直伸缩臂管节的顶端，垂直伸缩臂升降机构与驱动机构相连并位于第二垂直伸缩臂管节内。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的垂直伸缩臂管节和的截面形状为圆形，第二垂直伸缩臂管节间的内、外径各不相同；两个垂直伸缩臂管节和之间嵌入铜轴套和以保证管节间的润滑，起到直线轴承的作用，一个铜轴套固定设置于第二垂直伸缩臂管节上，另一个铜轴套固定设置于第一垂直伸缩臂管节上。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的垂直伸缩臂驱动机构包括：防爆伺服电机、伺服控制器、防爆行星齿轮减速机；
所述的垂直伸缩臂驱动机构上进一步设有与防爆伺服电机输出轴相连的电机刹车，该电机刹车具体位于防爆伺服电机后部，起到断电保护作用，在断电时会自动锁死伺服电机，用于防止运行过程中，喷涂机器人突然断电而导致垂直伸缩臂坠落。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的喷涂操纵机构包括：六轴机械手臂和与之相连的喷枪，其中：六轴机械手臂设置于载人平台的底部，喷枪设置于六轴机械手臂末端的夹具上。
9.根据权利要求1或8所述的系统，其特征是，所述的喷涂操纵机构与漆源、砂源和高压气源通过独立管路相连，该管路包括：喷漆管路、喷砂管路和高压气路，其中：高压气路作为六轴机械手臂末端喷枪的气源，喷漆管路提供油漆，喷砂管路提供钢砂。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的运动控制模块包括：控制器和与之相连的触摸屏，其中：控制器分别与触摸屏和路径规划模块相连，将喷枪的运动路径规划转化为行车、轨道车、垂直伸缩臂和六轴机械手臂运动轨迹，以及喷枪的实时流量控制，并将机器人状态反馈到触摸屏与路径规划模块上。
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