船舶封闭格子间焊接机器人研究现状

船舶封闭格子间焊接机器人研究现状1背景

在过去的几十年中，在许多工业领域，机器人研究方面取得了相当大的成就。简单地说，归因于劳动力成本上升、熟练工人的老龄化以及工作环境恶劣，工作难度大、危险性高，促成了机器人研究在很多工业应用领域的成功应用。造船行业仍然是一个劳动密集型产业，需要众多的技术工人，并且，工作环境恶劣、工作难度大、工作危险性高。由于造船工业的性质，提高生产效率将直接提高船东的利润，增加船东在船舶方面进一步投入的能力。在保证质量要求下，造船企业自然会通过密集的投资研发机器人自动化技术集中提高其生产效率[1,2,3]。

近年来，韩国和中国的造船厂接到的订单量已经大幅下滑，总体船舶吨位的供大于求强烈的冲击了新订单，另外中国的一带一路战略将会对海运产生一定的冲击，未来的订单量有可能会进一步下降。此外，在所有工业事故中，相比于其他行业，造船业的工业事故率还是居高不下，尤其是在双层底结构的船舶中。双层底结构的船舶能在外层破裂时防止货物突然流出船体外以及整船的倾覆，然而，这却导致封闭格子间焊接工作困难的进一步增加，而且在封闭格子间焊接时有相当的危险。虽然大多数造船企业已经部分应用自动化机器人在封闭的格子间中进行焊接、喷砂、涂装作业[4,5]。在韩国的统计中，机器人自动化在格子间中的应用在减少工业事故发生率，防止工人暴露于有害工位上起到了重要作用。即便如此，在双层底结构中的平均事故发生率仍然高于所有行业（见表1）。

表1韩国船舶行业事故发生率

年度

2006

2007

2008

2009

2010

船舶行业事故率（%）

1.89

1.55

1.76

1.41

1.20

工业伤亡数

2240

2065

2375

2413

2122

总死亡数

48

46

45

53

47

所有行业平均事故率（%）

0.77

0.72

0.71

0.70

0.69

1封闭格子间组装示意

1示意制造封闭格子间的过程，这是一艘双层底船的一个子模块。船底和开放组采用焊接工艺被分别组装。底壳由宽钢板补强的几个纵向加强筋平行焊接到一起。开放块沿横向插入底壳的纵向加强板，使得每个加强筋滑入其对应的狭缝组装封闭块，该封闭块中必须再进行焊接，最后，必须焊接被封闭的开放区块和底壳接触边界。目前，在顶壳、底部壳、横向幅板和支梁包围的封闭空间内技术工人进行焊接、喷砂、涂装。在封闭组中，这些手工操作仍是技术工人要进行的最困难和最危险的工作如2。实际上，造船企业处于一个两难的位置，虽然产业工人是足够的，但在这种恶劣的工作环境中，还是缺乏愿意从事双层底结构工作的工人。因此，船舶行业对基于机器人系统的自动化解决方案的需要一直很迫切。

2封闭格子间焊接、喷砂、涂装

2智能化小车

在结合了各种类型能实现焊接的机械手的设计后，进行了大量的关于自动化机构的设计，通过仅有4到6轴便携式焊接小车的设计也能实现封闭格子间的焊接。然而，为了改善其可达性，如下3（ａ）所示，小车需要一个驱动行走机构，但由于底板十分不清洁，在运行过程中精度无法达到要求。因为，如果在一定稳健算法下运动控制不成功，则差动驱动的方式不能完全保证平直多道焊接重复性，焊接错位的可能性极高[7]。此外，www.zr-robot.com，在3（b）示出滑架使用一个外部控制器和驱动轮，其结果是，有许多电缆的从外部连接到焊接位置，这又引起这些电缆在复杂的结构中相互缠绕的困难，以及来自相邻工位的电磁干扰。此外，虽然这些智能小车有相对紧凑的尺寸和相对自行式机构焊接机器人更轻的重量，但对工人来说它们仍然太重了，这是需要加以改进的地方。在大多数工业领域，工人每天的负重重量和次数是有明确限制的，例如在韩国，根据职业安全和健康守则，一个人每天的负重25kg时，上下提起不超过10次。因此，为了成功地应用这些焊接小车，工人需要额外的运输设备，以便更轻松的进行焊接小车的移动[8]。

ａｂ

ｃ

3三种类型的焊接机器人设计

示于3（c）中的RRXC（RailRunnerX(RRX)）是一个新型的焊接机器人系统，已经开发用于封闭格子间中U形部位焊接。要点是，它有一个模块化控制器，一个折叠式机架系统取代了驱动轮，6轴关节包括三个直角坐标轴和三个旋转轴。不像之前的智能车，RRXC折起架被两个磁铁固定在底板上，以保证双向多道焊能在同一直线上。此外，它可以将U形部位所有的焊缝一次性焊完，而不再需要工人进行补焊，与之前的智能车相比，它拥有良好的可达性和灵巧的机械手，大大拓展了它的工作空间，为了能便捷的控制，设计者还设计了辅助设备，通过这些设备能在格子间中方便的操控RRXC[9]。

3移动机器人

4（a）展示了喷砂机器人，由日本的日立造船厂开发，这个六轴的喷砂机器人，携带了一个自驱动小车，可以在封闭的格子间进行喷砂作业。但是，这个机器人系统需要一个能穿过的通孔，尺寸为800mm×1600mm，看似不大的扩孔几乎是不可能实现的，因为任何孔的扩大，需要船舶所有者的许可，孔的大小涉及到船舶设计的安全性。这种机器人喷涂系统另一个严重问题是，它不能自如的在横向方向上移动[6]。4（b）展示了西班牙的工业自动化协会（IAI）开发了一个名为ROWER1的机器人系统，这个机器人看起来像蜘蛛，有四条腿，可以折叠，可以自主地移动，因此克服了封闭格子间中遇到的许多焊接障碍，但是不足是它会被分解成七个模块，焊接完一个格子间之后，需要拆除运送到下一个待焊位置然后重新组装定位。重新组装至少需要15分钟。对于大型船舶的格子间焊接来说，这严重影响了系统的生产效率。综合上述机器人系统的优缺点，一个实用的机器人系统，需要满足特殊需求，如机器本体紧凑要可以经过500mm×700mm的通道孔，在封闭的格子间内拥有自主的横向移动能力以及相对高的速度，并具有所需的运行性能特点。

a：Hitachi

b：Rower-1

c：RRX

4a：Hitachi、b：Rower-1、c：RRX

4（c）展示了RRX焊接机器人系统，克服所有以前机器人的缺点，其系统包括：一个Fanuc的小型焊接机器人，焊接格子间U形部分，一个轨道系统，实现在横向上移动该系统，以及沿轨线路分部焊接控制线和焊接电缆线。优秀的馈线轨道Inrotech系统解决方案可输送焊接设备如焊接机器人，轨道系统，电缆，控制器，焊接机，从通道孔进入封闭快内，如5所示，在2009年这种焊接机器人系统已经成功应用，并增加了奥登赛钢铁造船公司（OdenseSteelShipyard）的产值[10]。

5RRX系统分布及穿过通道孔