隔道喷涂作业模式的研究.doc

船板自动喷涂作业车-作业模式的研究船海0803杜开君0120802090320作业模式和断电保护装置的研究（武汉理工大学交通学院 船海0803班 杜开君）摘要：为了改进船舶修造行业喷漆工作落后的、传统的人工作业方式, 设计了一种具有喷漆功能的“船板自动喷涂作业车”装置。本文详细介绍了该作业车的隔道喷涂作业模式、边缘测距识别换向装置和隔道喷涂作业臂横向行走机构。使用该船板自动喷涂作业车代替人工作业, 不仅可以减轻操作工人的劳动强度, 还可提高工作效率、和施工质量, 具有较强的应用价值。关键词：船舶涂装；船体自动喷涂作业车；隔道喷涂作业模式；边缘测距识别换向装置；隔道喷涂作业臂；断电保护装置。1绿色造船模式下的船舶涂装问题1.1船舶涂装工艺船舶涂装是船舶修造时对船舶船体、舱室、附件等进行打磨、喷砂以后，达到除锈、除污、去疤的要求后进行表面涂漆作业的施工。随着国内外船舶建造业的发展及竞争的激烈化，船舶涂装也就变得重要起来。船舶涤装可以承担防锈、防腐、防污装饰、消音、隔热防火以及吸波吸声反红外等特定功能，不仅可以改变船舶的外观，还可以阻止海水对船舶的腐蚀，延长船舶的使用寿命。目前国内涂装施工主要有刷涂、辊涂、无气喷涂等方法。1.2船舶涂装工艺流程目前造船界将船舶底材表面处理和涂料涂装统称为船舶涂装工艺。船舶涂装工艺流程如下：原材料抛丸流水线预处理涂装车间底漆钢材落料、加工、装配分段预舾装分段二次除锈分段涂装船台合拢、舾装船台二次除锈二次涂装船舶下水码头二次除锈、涂装交船前坞内涂装。由上可见，涂装作业贯穿了造船的全过程，因此，必须重视涂装作业的质量,改进喷漆技术。喷漆废气是造修船厂所面临的主要环境污染问题之一。喷漆过程中产生的有机溶剂挥发到空气中, 会污染周围大气环境并影响人们身体健康。1.3船舶涂装污染船舶涂装造成的环境污染主要可分为3类：气体污染、水污染和残渣废弃物污染。这些污染必须加以控制，采用科学的处理方法将其危害降低到最小程度，以保证涂装作业人员的健康安全，保护环境不受到严重破坏。船舶涂装所用的涂料，包括溶剂及稀释剂等绝大部分都是有毒物质，在涂装作业中因挥发会形成大量的有害气体和粉尘；涂装废水中也含有大量有害物质，涂装过程还会产生一些沉渣和废弃物，若处理不当亦会产生污染。1.4绿色造船模式下传统船舶涂装带来的危害随着世界经济的发展，世界各国之间的贸易交流越来越频繁，海上运输也发挥着越来越重要的作用，而船舶作为海上的主要运输工具的重要作用正日益凸显出来。船舶的需求量也在逐渐加大，并且由于船体每天都要浸在海水中，而海水对船体钢板具有一定的腐蚀性，随着船舶使用年限的增加，船体钢板上或多或少会产生部分锈蚀，为了延长船舶的使用寿命，必须定期对船舶进行清理。在造船和对船舶进行清理的过程中，喷漆是必不可少的。船舶喷漆是一项复杂的工艺，通常要喷三到五层不同的漆料。而这些喷漆工作通常都是由工人拿着喷枪来进行喷涂的，这样不仅劳动强度大，而且工人长期处在漆料的有毒空间中，对身体的伤害非常大；另外，油漆中还含有很多易燃物质，容易发生爆炸事故。对于大型船舶来说，有些地方的喷漆操作属于高空作业，危险性比较大，人工操作需要安装较大的防护措施，加大了工程的难度，而且喷漆容易受人为因素干扰，影响喷涂表面的质量。1.5船体自动喷涂作业车设计方案在船舶涂料不断发展的今天,涂装新技术、新工艺、新设备的研究刻不容缓,近20年来,船舶涂层配套不断向高性能化发展,环氧涂料已经统领船舶涂料,并不断向无溶剂、微量溶剂、厚膜型、超厚膜型方向发展,相应的高效低耗涂装设备也应当跟上。基于绿色造船模式，鉴于传统涂装工艺对环境有较大的污染并且劳动强度大，对人体健康有很大的危害，因此一款高效、低耗、安全、环保的现代船体涂装设备的研制刻不容缓。本文提出设计一款船体自动喷涂作业车。本款船体自动喷涂作业车设计方案：本套作业车包括：小车移动系统、电磁定位系统、地面控制系统、喷涂控制系统、有毒气体回收环保系统五大系统。作业车采用无转动双向行走机构，四只行走固定支架通过滑轨和滚珠丝杠螺母机构与作业车主体相连，并采用可活动电磁吸爪吸附于船体，保证作业车在船板上可靠、自由、高速的行走，以减少无效作业时间；作业车顶面配置隔道喷涂作业臂（亦可配置隔道喷涂作业机械手，辅助喷涂空间小、难喷涂的环境），配合作业车的作业方式（隔道喷涂），可实现喷涂作业无间断、无接触式破坏油漆、无需补涂作业的高效喷涂作业方式；喷涂控制系统包括喷涂设备、船板喷涂图像收集处理反馈系统、及涂料物理特性检验设备，可实现喷涂无漏点、喷涂质量高、及反馈船板信息等优点；有毒气体、废料回收环保系统，可降低喷涂作业带来的环境污染；地面控制系统为作业车有序提供涂料，为各套系统提供支持。图1 船板自动喷涂作业车效果图1.6船体自动喷涂作业车的优势本文提出的“船板自动喷涂作业车”的构想，符合绿色造船模式及节能环保大趋势，能够实现高效、低耗、安全、环保的现代船体涂装。船板自动喷涂作业车最显著的特点就是可以快速重复进行相同的操作动作而不厌其烦，因此喷涂质量比较稳定且速度较快；其次机器人的操作动作是程序控制的，对于同样的动作，控制程序是固定不变的，因此可以得到均匀的表面涂层。若能以其取代传统落后的人工作业,将实现船舶涂装的技术革新、改进和自动化作业, 提高施工速度和施工质量，进一步缩短造船周期，引领绿色造船模式！图2 船板自动喷涂作业车 工作示意图2隔道喷涂作业模式的研究为保证本船体自动喷涂作业车在船板上可靠、自由、高速的行走，以最大化的减少无效作业时间，作业车采用无转动双向行走机构，四只行走固定支架通过滑轨和齿轮齿条机构与作业车主体相连，并采用可伸缩电磁吸爪吸附于船体；作业车顶面配置隔道喷涂作业臂，配合作业车的隔道喷涂作业模式，可实现喷涂作业无间断、无接触式破坏油漆、无需补涂作业的高效喷涂作业。本船体自动喷涂作业车通过可伸缩电磁吸爪固定于船体表面，可伸缩电磁吸爪的吸附、断开配合伺服电机驱动的齿轮齿条行走机构，将小车的运动分为车身运动和行走支架运动两种主要形式。本船体自动喷涂作业车隔道喷涂作业模式主要分两向运动：横向运动和垂向运动。横向运动为船体喷涂的主运动方向，垂向运动为换道运动方向。通过横向运动和垂向运动的结合，为作业车提供最简便的无转向运动方式，并为船体喷涂提供快速高效的运动载体。2.1隔道喷涂-横向运动横向运动为船体喷涂的主运动方向，其运动如右图（绿色圆圈代表支脚升起，蓝色代表支脚吸附在船板上）所示主要分7步：1) 左右两支脚处电磁吸爪停止供电，磁力消失，通过提升机构将左右两支脚提升并与船板分离；2) 上下两支脚的行走伺服电机启动，在伺服电机的驱动下，车身主体与左右支脚在齿轮齿条行走机构的带动下开始横向移动；3) 左右两支脚处电磁吸爪开始供电，产生磁力，通过提升机构将左右两支脚落下并与船板吸附；4) 上下两支脚处电磁吸爪停止供电，磁力消失，通过提升机构将左右两支脚提升并与船板分离；5) 上下两支脚的行走伺服电机启动，在伺服电机的驱动下，上下两支脚在齿轮齿条行走机构的带动下开始横向移动；6) 上下两支脚处电磁吸爪开始供电，产生磁力，通过提升机构将上下两支脚落下并与船板吸附；7) 横向行走结束，开始喷涂。2.2隔道喷涂-垂向运动垂向运动为船体喷涂的换道运动方向，其运动如右图（绿色圆圈代表支脚升起，蓝色代表支脚吸附在船板上）所示主要分步：1) 左右两支脚处电磁吸爪停止供电，磁力消失，通过提升机构将左右两支脚提升并与船板分离；2) 左右两支脚的行走伺服电机启动，在伺服电机的驱动下，左右两支脚在齿轮齿条行走机构的带动下开始垂向移动；3) 左右两支脚处电磁吸爪开始供电，产生磁力，通过提升机构将左右两支脚落下并与船板吸附；4) 上下两支脚处电磁吸爪停止供电，磁力消失，通过提升机构将上下两支脚提升并与船板分离；5) 左右两支脚的行走伺服电机启动，在伺服电机的驱动下，车身主体与上下支脚在齿轮齿条行走机构的带动下开始垂向移动；6) 上下两支脚的行走伺服电机启动，在伺服电机的驱动下，上下两支脚在齿轮齿条行走机构的带动下开始横向移动；7) 上下两支脚处电磁吸爪开始供电，产生磁力，通过提升机构将左右两支脚落下并与船板吸附；8) 左支脚升起向下垂向运动，至车中处并落下，与船板吸附。2.3隔道喷涂- 隔道喷涂作业臂本船体自动喷涂作业车通过隔道喷涂作业臂，实现对喷涂上排支脚吸附处的横向为喷涂区域进行隔道喷涂，实现喷涂作业无间断、无接触式破坏油漆、无需补涂作业的高效喷涂作业。为本作业车隔道喷涂作业模式的关键机构。图3 隔道喷涂作业臂图4 隔道喷涂作业臂 螺旋丝杆传动机构3边缘测距识别换向装置本作业车可实现几台同时在一船体上进行作业，为了对边缘（船体边缘、已喷涂区域）进行识别，并将此信息供作业车判定，此时就需要在作业本体上左右各安装红外距离传感器和图像采集模块。在前进电机相连的滚珠丝杠上安装一个位移传感器，选用增量式编码器用于检测机器人的前进和后退的位置。本作业车边缘测距识别换向装置，主要包括测距传感器和边缘测距摄像头视觉系统。3.1测距传感器设计方案的确定传感器是一种以一定精度将被测量（如位移、力、加速度、温度等）转换为与之有确定对应关系、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。根据一般传感器在系统中所发挥的作用，完整的传感器应包括敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分。敏感元件的基本功能是将某种不便测量的物理量转换为易于测量的物理量，转换元件与敏感元件一起构成传感器的结构部分，而基本转换电路是将敏感元件产生的易测量小信号进行变换，使传感器的信号输出符合具体工业系统的要求（如420mA、-55V）。在船板自动喷涂作业车中为了使作业车能够识别边界，及时下移，在作业车上装一个测距传感器。测距传感器可以分为超声波测距传感器、激光测距传感器、红外线测距传感器等。3.1.1三种测距传感器的对比超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。激光传感器在工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。红外测距传感器是利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。3.1.2测距传感器的选择由于船板自动喷涂作业车上用到的测距传感器是用来测量作业车是否已到船体的边缘，且根据作业车的本体结构，可以使传感器与船体表面形成一定角度，以测定前方是否到边缘。综合性价比考虑，采用超声波传感器阵列进行障碍的探测是比较经济可行的。在机器人本体上前后左右各安装1个超声波传感器，用来探测机器人前方的障碍物，并能计算出距障碍物距离。在前进伺服电机相连的齿轮齿条上安装一个位移传感器，选用增量式编码器用于检测作业车的前进和后退的位置。通过对三种测距传感器的比较可以看出，红外测距传感器成本低，且符合船板自动喷涂作业车的使用要求，因此选用红外测距传感器。本小组所研究的船板自动喷涂作业车系统采用的GP2D12是日本SHARP公司生产的红外距离传感器，如图3-4所示。图5 GP2D12红外测距传感器表1 GP2D12红外测距传感器的主要技术参数如下： 范围1080cm刷新频率/周期25Hz/40ms测距方向性运用红外发光二极管定向测距最大允许角度40电源电压4.55.5V模拟输出噪音200mV平均功耗35mA峰值功耗大约200mA图6 SHARPGP2D12的输出曲线如图6所示是红外测距传感器的输出曲线图。由图中的曲线我们可以看出当前方障碍物的距离离传感器越近，电压越高，距离越远则电压越小，最后接近于零。因此当喷漆机器人在行走过程中进行判断的时候，当接收到红外测距传感器的输出电压小于0.45V时，则可以断定前方无障碍物，爬壁机器人到了边缘地带，上位机控制系统向下位机发送转向信号。3.2边缘测距摄像头视觉系统设计方案的确定船体自动喷涂作业车的边缘测距摄像头视觉系统是整个系统的信号检测机构，由摄像头、图像采集卡等硬件设备和图像处理软件组成。视觉系统是整个机器人的“眼睛”，视觉系统将图像数据传送至机器人本体单片机内存，并由程序控制其自动根据采集的视频图像信息完成对颜色目标的分割、识别功能，且能计算出需要的目标信息供上位机控制系统决策使用，以控制船体自动喷涂作业车本体的运动。它的主要任务是实时采集船体表面的图像，然后自动处理、分析和理解图像，并将这些信息提供给上位机进行分析、决策使用。3.2.1边缘测距摄像头视觉系统实现方式的选择视觉系统可以有几种不同的实现方式。包括纯软件方式、纯硬件方式和软硬件综合方式。采用纯软件方式时，图像采集卡只完成图像的数字化转换。这种方式下，图像采集卡的结构简单，通用性强，成本低，但由于主机要完成大量的数字图像信息的处理，工作量很大，实时处理的速度难以保证。采用纯硬件方式时，图像采集卡完成图像的数字化转换、压缩、分析和处理的功能，向主机传送图像处理后的结果。由于大量的图像处理、分析动作都由图像采集卡来完成，减轻了主机的负担，是提高系统的实时处理速度的有利手段。目前，大多采用DSP(Digital SignalProcessing)技术来实现这种方式，图像采集卡上有专用的数字信号处理芯片。采用这种方式，图像采集卡的结构和功能都是根据不同系统的具体要求来设计的，通用性不强，设计的周期较长，设计的成本较高。采用软硬件综合方式时，图像采集卡完成图像的数字化转换、图像压缩等功能。这种方式下，图像的通用性强，成本低，主机处理的图像信息量可以随图像压缩比的增大而减少，在图像处理的精度范围内，提高图像的压缩比可以提高主机的处理速度。而且这种方式的开发周期相对较短。综合考虑本小组的具体情况，采用软硬件综合方式来实现。无论采用哪种方式，边缘测距摄像头视觉系统一般具有如下功能模块：图像分割、目标识别和特征提取。3.2.2边缘测距摄像头视觉系统的体系结构船体自动喷涂作业车边缘测距摄像头视觉系统的主要任务是搜集前进船体表面的图像信息，并判别是否要到达边缘。所以该系统主要关注的是目标物相对于作业车的光学信息。喷漆作业车边缘测距摄像头视觉系统结构如图4-1所示：图7 视觉系统机构示意图本文使用的视觉系统由四个模块所组成，分别为图像采集模块、图像预处理模块、光学特征提取模块以及识别与解释模块。在此系统中，外部场景经图像采集系统采集，经过图像预处理，由光学特征提取模块完成特征提取工作并将结果输入到识别与解释模块进行判别。这里的光学特征是指物体的灰度信息。光学特征提取模块与识别与解释模块的信息交换是双向的，即识别与解释模块不仅根据前三个系统的信息进行识别与解释，反过来，识别与解释模块又指导这三个模块按特定目的完成特征提取工作。3.2.3图像采集模块本作品所用的下位机系统是单片机系统，难以实现处理图像信息的大量数据，因此采用2.4G无线摄像头，通过射频传输直接将拍摄到的图像信息传送到上位机进行处理，在上位机的USB接口插有接收器，接收来自无线摄像头的信息。无线摄像头具有外形小巧，监控方便的优点，且为了避免干扰，配有4个频道可供选择。无阻碍时传输距离可以达到100米。无线摄像头及接收器的实物图分别如图4-2，4-3所示。图8 2.4G无线摄像头 图9 USB接口接收器表2 无线摄像头的性能参数为：成像器件1/3CMOS分辨率628 x 582(PAL)/510 x 492(NTSC)水平清晰度380TV线可视角度62度发射频段ISM 2400MHz2483MHz发射功率10mW/CE；2mW/FCC调制模式FM带宽18MHz工作电源12V增益控制自动传输功率150mW工作电流80 mA&120mA(IR ON)无线传输距离有阻30m空旷100m3.2.4图像处理摄像机所获得的图像对于机器人视觉系统而言，还仅仅是一个矩阵或者数组。经过灰度图的转化，视觉系统的目标是从灰度图像中得到有用的信息，这就要求对图像进行进一步的处理，包括图像划分和特征提取等。在图像采集过程中，由于受到外界干扰和摄像机本身物理条件的影响，难免会有噪声和成像不均匀等问题。为了取得图像中的特征信息，经常还要采取滤波、分割、提取技术。将图像采集模块与传感器处在同一高度，并与船体表面所成角度相同，使传感器所测位置处于所采集图片的中央；经图像采集模块采集的图像，经边缘测距摄像头视觉系统处理过的图像，与红外距离传感器所测距离结合，可得出作业车与已喷涂区域的边缘的距离，并指导作业车行进。4隔道喷涂作业臂横向行走机构的研究隔道喷涂作业臂为隔道喷涂作业模式隔道喷涂的主要机构，其横向行走机构为其提供横向的运动。由于该横向行走机构主要是起到调整作业臂与作业车车身相互位置的作用，对传动精度的要求较高，因此经各方面综合考虑决定选用步进电机带动螺旋传动的方案。图10 隔道喷涂作业臂横向行走机构-螺旋丝杆传动4.1螺旋传动的确定螺旋传动可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋三种。在这里作业车选用的是滚动螺旋传动，即滚珠丝杠螺母机构。滚动螺旋的特点是:(1)摩擦损失小，机械效率高。滚珠丝杠螺母机构的机械效率0.92-0.96，比滑动丝杠高3-4倍。因此驱动滚动丝杠所需要的扭矩可以大幅度地减少；(2)运动灵敏，低速时无爬行。滚动摩擦机构的动摩擦系数和静摩擦系数基本相等，启动力矩小，运动灵敏，低速时不会出现爬行现象；(3)轴向刚度高，反向定位精度高。滚珠丝杠可以完全消除间隙并可预紧。因此与普通丝杠机构比较有较高的轴向刚度，反向运动时无空行程死区，反向定位精度高；(4)具有传动的可逆性。可将旋转运动与直线运动进行相互的转化；(5)使用期限长。滚动摩擦机构磨损很小，使用期限主要决定于材料的表面疲劳；(6)工艺复杂。滚动丝杠和螺母的材料、热处理和加工要求相当于滚珠轴承，螺旋滚道又必须磨削，制造成本较高。根据以上的滚珠丝杠螺母机构的特点，它的特性很适合本设计的要求，所以选用了滚珠丝杠螺母机构。设计中采用了制造级内循环滚珠丝杠螺母机构，滚珠在循环过程中与丝杠始终保持接触，有预紧力，反向时无空行程死区，反向定位精度高。此种结构可提高传动效率和承载能力并减少滚珠数目，缩小径向尺寸，增强轴向刚度。4.2驱动电机的确定本设计选用北京PC公司的滚珠螺旋丝杠和北京斯达特23HS2001型2相混合式步进电机作为丝杠驱动电机，电机经过一对齿轮减速后带动丝杠旋转。电机驱动器选用MS一2H057M型号。步进电机基本参数见下表。表3 步进电机基本参数：电源电压空载转速最大静转矩转动惯量相数重量相电流步距角DCVr/minNmKgcm2相kgA1.824-403000.880.2220.651.71.8步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移(或线位移)的机电元件。步进电机有其独特的优点，归纳起来主要有:1）步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之，转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数;2)位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统;3)可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简单廉价;4)无刷，电动机本体部件少，可靠性高;5)控制性能好。起动、停车、反转及其它运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢步。当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值时，它就可能在一瞬间实现启动和停止;6)停止时有自锁能力;7)步距角选择范围大，可在几度至1800大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定的运行。5结论本文详细介绍了该作业车的隔道喷涂作业模式、边缘测距识别换向装置和隔道喷涂作业臂横向行走机构。使用该船板自动喷涂作业车代替人工作业, 不仅可以减轻操作工人的劳动强度, 还可提高工作效率、和施工质量, 具有较强的应用价值。“船板自动喷涂作业车”的构想，符合绿色造船模式及节能环保大趋势，能够实现高效、低耗、安全、环保的现代船体涂装，为船舶涂装工艺提出了新的研究方向，若能取代目前手工涂装，将进一步缩短造船周期，引领绿色造船模式！参考文献：1 尹龙. 船体表面水下清刷机器人关键技术研究D哈尔滨工程大学, 2004 .2 韩冬桂. 船舶自动除锈设备载体的研究D武汉理工大学, 2003 . 3 唐浩. 船舶壁面除锈爬壁机器人的研究D大连海事大学, 2008 . 4 姜洪源，李曙生，刘淑良，潘沛霖，高学山. 磁吸附检测爬壁机器人的研究J哈尔滨工业大学学报, 1998, (02) . 5 黄磊,周华祥. 喷漆机器人喷漆工艺研究J黄石理工学院学报, 2008, (02) .6 陈厉仁. 日本UTEC公司的自动清洗机器人J机器人技术与应用, 1995, (04) .7 宗光华. 高层建筑擦窗机器人J机器人技术与应用, 1998, (02) 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