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摘要：船舶及海工涂装发展至今，喷砂除锈由人工操作进行，效率低，车间内喷砂作业施工环境恶劣，劳动强度高，对人体危害大，面临招工难、劳动力短缺、人工成本上升等问题。喷砂作业的高效、绿色环保已刻不容缓。论文主要是研究船舶及海工涂装车间自动化喷砂的应用途径，以供大家思考。
Abstract： With the development of ship and marine engineering coating， sand blasting is carried out by manual operation， with low efficiency， bad construction environment， high labor intensity and great harm to human body. It is difficult to recruit workers， labor shortage and rising labor cost. It is urgent to improve the efficiency and environmental protection of sand blasting operation. This paper mainly studies the application of automatic sandblasting in ship and marine blasting workshop for your consideration.
关键词：船舶;自动化喷砂;喷砂车间
Key words： ship;automatic sandblasting;blasting workshop
中图分类号：TQ637.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0040-02
1 涂装车间现状
船舶及海工涂装车间处理的工件包括船体分段、组块结构片、导管架、工艺管线等。目前，涂装车间喷砂间基本采用喷砂工手持喷枪进行喷砂作业，磨料回收采用推砂车推至集丸斗上方通过皮带机、斗式提升机、丸尘分离器等自动输送到储丸箱，储丸箱下方设置气动放料阀，与双缸喷砂缸控制连锁，实现磨料回砂、加砂的自动化运行，但喷砂仍为喷砂工手持喷枪在作业环境很差的喷砂间内手工作业。
喷砂使用的磨料一般为钢砂，采用压缩空气为动力，形成高速喷射束将磨料高速喷射到工件表面，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，把工件表面的锈蚀清除，使工件表面获得一定的清洁度和粗糙度。喷砂处理后工件钢材表面粗糙度在40～70μm，清理质量等级一般为Sa2.5。
2 自动化喷砂研究必要性
随着人民生活水平和对职业健康安全环境条件要求的提高，愿意从事船厂喷砂作业的工人越来越少，参考其它行业喷涂作业情况，由机器人代替人工是大势所趋。但因船厂分段的大尺寸、单件、小批量等特性，在自动化智能化应用方面落后于其它行业。
2.1 生产效率和质量
喷砂作业由人工操作进行，在处理等级达到Sa2.5级的标准时，一个熟练喷砂工平均效率约为12～15m2/h，且存在喷砂质量不稳定状况。当前道和后道工序（组立、合拢）都存在大量自动化作业大幅降低生产时间提高生产效率时，喷砂作业将成为整个生产链的瓶颈。
2.2 职业健康卫生
①喷砂作业产生大量粉尘，影响呼吸、视觉，虽然喷砂工配备了专用一体式喷砂服，但防护结果不理想，职业病发病率依然很高。
②包含大量高空作业，具有较大危险性。
③喷砂作业过程中，钢砂和分段表面撞击时产生高分贝噪音。
2.3 劳动力短缺，人工成本上升
由于作业环境恶劣，喷砂工将面临招工难、流动性大的问题，人工成本日益见长也是将来控制涂装作业成本必须要解决的要务之一。
2.4 行业未来的发展方向
国内船厂近些年实现了一些自动化喷砂的试点应用。广船国际对现有一喷一涂改造，针对深圳至中山跨江通道沉管隧道沉管钢壳（基本为标准件，外形尺寸、结构形式相同）利用行车+机械臂式机器人实现喷砂喷漆的自动化、地面铺设钢轨悬挑式喷砂机器人。外高桥造船采用爬壁式机器人对外场分段合拢的焊缝进行自动化涂装。
船舶及海工领域的涂装生产工艺正处于自动化智能化升级时期，自动化喷砂是船舶及海工行业未来的发展方向。
3 自动化喷砂应用研究
3.1 分段适应性
主要应用于敞开式分段（甲板分段、上建分段）、局部大开口分段（隔舱分段）、未成型的整舱分段（舷侧分段）、单层组块结构片或桥梁等。
3.2 分段外部及上部
分段外部及上部是最容易達到自动化的区域，可以考虑利用行车+机械臂式机器人实现喷砂的自动化。
3.3 分段底部
在一辆四驱小车上安装一个多自由度机械手，实现对分段底部仰喷作业。小车的设计和操控要根据喷砂环境特别设计制造。仰喷是人工作业比较吃力的部分，用小车替代人容易实现。
3.4 分段内部
对分段内部的喷涂，现状是由工人拖着喷砂管喷漆管钻进一个个舱室进行作业。目前来看，对这一部分要实现机器人自动喷涂困难最大，可以考虑增加机械手自由度，或者采用柔性机械手。 4 涂装车间自动化喷砂设备
借鉴芬兰BLASTMAN公司的喷砂机器人，采用行车/小车+机械臂式机器人及配套的喷砂罐、磨料回收系统和控制系统，实现船体分段外板和开口分段喷砂的自动化，有效解决喷砂除锈的部分工作。
4.1 天车式喷砂机器人
天车式喷砂机器人固定在房体两侧的侧墙上方的桥式轨架上，通常配置两台，一台伸缩臂的运动范围小，适用各种大型工件的上表面;一台伸缩臂的运动范围大，根据厂房的高度设计，适用各种大型工件的上表面+四侧面的喷砂。
天车式喷砂机器人，为伺服电机驱动，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，可使控制速度、位置精度非常准确。
喷砂机器人本体为6轴机器人，天车运行为2轴，共计8轴。（图1）
喷砂机器人的结构和部件须坚固且防尘，满足极端苛刻的喷砂环境使用要求，耐用性要高。主要组件包括：
①桥式轨架：用来引导喷砂机械臂在喷砂房内深度方向移动;
②活动架：用来引导喷砂机械臂在喷砂房内宽度方向移动;
③喷砂机械臂：包括旋转臂、上下伸缩臂、‘肩部’水平臂、‘肘部’水平臂、‘腕部’臂首，用来指引喷嘴;
④大型号喷嘴：16毫米直径;
⑤机器人控制系统：根据工件形状和喷砂位置，控制8个运动轴位协调动作;
⑥电缆和喷砂管管理设备：管理电缆盒、喷砂管跟随喷砂路径协同动作。
4.2 小车式喷砂机器人
在一辆四驱小车上安装一个多自由度机械手，实现对分段底部仰喷作业。小车式喷砂机器人的喷枪按需要调整与工件的距离及角度，固定到最优喷砂质量的位置，由人开着小车进行喷砂作业。
小车是电动驱动，所有的轴均为伺服电机驱动，小车配备的驾驶舱装配控制装置和操纵杆用于移动和喷砂。
4.3 悬挑式喷砂机器人
悬挑式喷砂机器人通常喷砂间两侧各一台，喷砂间两侧的地面上设固定小车轨道，轨道宽度大约2米，小车上设可垂直升降的悬挑式机器臂，机器臂上配置行走的喷砂机器人。
悬挑式喷砂机器人本体为4轴机器人，悬挑臂为4轴，共计8轴。
4.4 机器人设备控制系统
喷砂机器人的电气系统和控制系统由控制柜、控制台、传感设备、接线盒、电缆传送装置等构成。控制系统采用可靠的现场总线技术以及一个以PLC 为基础的控制系统。现场总线技术的采用可以使电线的数量最小化，同时为机器人配备先进的控制技术。机器人控制系统内的所有组件需要根据苛刻的喷砂房环境设计。
机器人用于自动喷砂。可选择操作模式有自动操作、点对点编程控制面板操作、离线编程三种操作模式。机器人自动操作适用于相似工件的重复生产。点对点编程控制面板控制机械人各运动轴，使喷嘴到达各个目标位置，这些目标位置由人工确定、机器人接收，控制系统自动计算路线，各轴联动。离线编程软件系统包含自动喷砂机器人编程软件和编程电脑基站等相关的整套硬件，由专业人员根据工件特征编制机器人运动路径。
4.5 自动喷砂配套设备
自动喷砂配套设备主要有双舱喷砂缸、磨料回收系统、磨料及压缩空气柔性供应系统以及常规的真空吸砂系统、局部除尘系统、全室除尘送风系统、除湿送风系统。[1]
5 结语
研究自动化喷砂在船舶及海工行业涂装车间的应用，为将来实现涂装车间智能化提供了可行的解决方案。但同时也应认识到，自动化喷砂技术还不够成熟，在舱室内应用还有很强的局限性，需要配备专业的编程人员，而且投资很高。在改造或者新建自动化喷砂车间时，应综合考虑喷砂对象特征、自动化喷砂设备的组合形式、车间规划、投资等因素，确定合理的生产适用的自动化喷砂方案。
参考文献：
[1]GB/T 51405-2019，船厂总体设计标准[S].
[2]张卫军，刘玲，王宁.纤维桩表面喷砂处理技术的研究进展（综述）[J].中国城乡企业卫生，2013-08-15.
[3]全伟雄，龙汉新.智能涂装在超大型钢结构工程中的应用[J].广船科技，2020-06-20.
[4]詹春贵，赵洪波，乔海波，李伟.PASSIM卷接机组布带轮的改进[J].烟草科技，2011-10-20.
[5]孙武衡.谈幕墙钢骨架及装饰钢构件的防腐處理[J].企业科技与发展，2012-07-20.
[6]徐汇音.高速列车刹车片检修工艺的分析[J].实验室研究与探索，2012-05-15.
[7]邹华娟.关于PVD表面处理技术及其应用[J].锻造与冲压， 2021-02-15.
[8]陈冲，刘德波，彭勤卫，孔令文.不同表面处理与高性能树脂相结合——一种经济的金属基制造新技术[J].印制电路信息，2011-04-10.
Abstract： With the development of ship and marine engineering coating， sand blasting is carried out by manual operation， with low efficiency， bad construction environment， high labor intensity and great harm to human body. It is difficult to recruit workers， labor shortage and rising labor cost. It is urgent to improve the efficiency and environmental protection of sand blasting operation. This paper mainly studies the application of automatic sandblasting in ship and marine blasting workshop for your consideration.
关键词：船舶;自动化喷砂;喷砂车间
Key words： ship;automatic sandblasting;blasting workshop
中图分类号：TQ637.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0040-02
1 涂装车间现状
船舶及海工涂装车间处理的工件包括船体分段、组块结构片、导管架、工艺管线等。目前，涂装车间喷砂间基本采用喷砂工手持喷枪进行喷砂作业，磨料回收采用推砂车推至集丸斗上方通过皮带机、斗式提升机、丸尘分离器等自动输送到储丸箱，储丸箱下方设置气动放料阀，与双缸喷砂缸控制连锁，实现磨料回砂、加砂的自动化运行，但喷砂仍为喷砂工手持喷枪在作业环境很差的喷砂间内手工作业。
喷砂使用的磨料一般为钢砂，采用压缩空气为动力，形成高速喷射束将磨料高速喷射到工件表面，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，把工件表面的锈蚀清除，使工件表面获得一定的清洁度和粗糙度。喷砂处理后工件钢材表面粗糙度在40～70μm，清理质量等级一般为Sa2.5。
2 自动化喷砂研究必要性
随着人民生活水平和对职业健康安全环境条件要求的提高，愿意从事船厂喷砂作业的工人越来越少，参考其它行业喷涂作业情况，由机器人代替人工是大势所趋。但因船厂分段的大尺寸、单件、小批量等特性，在自动化智能化应用方面落后于其它行业。
2.1 生产效率和质量
喷砂作业由人工操作进行，在处理等级达到Sa2.5级的标准时，一个熟练喷砂工平均效率约为12～15m2/h，且存在喷砂质量不稳定状况。当前道和后道工序（组立、合拢）都存在大量自动化作业大幅降低生产时间提高生产效率时，喷砂作业将成为整个生产链的瓶颈。
2.2 职业健康卫生
①喷砂作业产生大量粉尘，影响呼吸、视觉，虽然喷砂工配备了专用一体式喷砂服，但防护结果不理想，职业病发病率依然很高。
②包含大量高空作业，具有较大危险性。
③喷砂作业过程中，钢砂和分段表面撞击时产生高分贝噪音。
2.3 劳动力短缺，人工成本上升
由于作业环境恶劣，喷砂工将面临招工难、流动性大的问题，人工成本日益见长也是将来控制涂装作业成本必须要解决的要务之一。
2.4 行业未来的发展方向
国内船厂近些年实现了一些自动化喷砂的试点应用。广船国际对现有一喷一涂改造，针对深圳至中山跨江通道沉管隧道沉管钢壳（基本为标准件，外形尺寸、结构形式相同）利用行车+机械臂式机器人实现喷砂喷漆的自动化、地面铺设钢轨悬挑式喷砂机器人。外高桥造船采用爬壁式机器人对外场分段合拢的焊缝进行自动化涂装。
船舶及海工领域的涂装生产工艺正处于自动化智能化升级时期，自动化喷砂是船舶及海工行业未来的发展方向。
3 自动化喷砂应用研究
3.1 分段适应性
主要应用于敞开式分段（甲板分段、上建分段）、局部大开口分段（隔舱分段）、未成型的整舱分段（舷侧分段）、单层组块结构片或桥梁等。
3.2 分段外部及上部
分段外部及上部是最容易達到自动化的区域，可以考虑利用行车+机械臂式机器人实现喷砂的自动化。
3.3 分段底部
在一辆四驱小车上安装一个多自由度机械手，实现对分段底部仰喷作业。小车的设计和操控要根据喷砂环境特别设计制造。仰喷是人工作业比较吃力的部分，用小车替代人容易实现。
3.4 分段内部
对分段内部的喷涂，现状是由工人拖着喷砂管喷漆管钻进一个个舱室进行作业。目前来看，对这一部分要实现机器人自动喷涂困难最大，可以考虑增加机械手自由度，或者采用柔性机械手。 4 涂装车间自动化喷砂设备
借鉴芬兰BLASTMAN公司的喷砂机器人，采用行车/小车+机械臂式机器人及配套的喷砂罐、磨料回收系统和控制系统，实现船体分段外板和开口分段喷砂的自动化，有效解决喷砂除锈的部分工作。
4.1 天车式喷砂机器人
天车式喷砂机器人固定在房体两侧的侧墙上方的桥式轨架上，通常配置两台，一台伸缩臂的运动范围小，适用各种大型工件的上表面;一台伸缩臂的运动范围大，根据厂房的高度设计，适用各种大型工件的上表面+四侧面的喷砂。
天车式喷砂机器人，为伺服电机驱动，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，可使控制速度、位置精度非常准确。
喷砂机器人本体为6轴机器人，天车运行为2轴，共计8轴。（图1）
喷砂机器人的结构和部件须坚固且防尘，满足极端苛刻的喷砂环境使用要求，耐用性要高。主要组件包括：
①桥式轨架：用来引导喷砂机械臂在喷砂房内深度方向移动;
②活动架：用来引导喷砂机械臂在喷砂房内宽度方向移动;
③喷砂机械臂：包括旋转臂、上下伸缩臂、‘肩部’水平臂、‘肘部’水平臂、‘腕部’臂首，用来指引喷嘴;
④大型号喷嘴：16毫米直径;
⑤机器人控制系统：根据工件形状和喷砂位置，控制8个运动轴位协调动作;
⑥电缆和喷砂管管理设备：管理电缆盒、喷砂管跟随喷砂路径协同动作。
4.2 小车式喷砂机器人
在一辆四驱小车上安装一个多自由度机械手，实现对分段底部仰喷作业。小车式喷砂机器人的喷枪按需要调整与工件的距离及角度，固定到最优喷砂质量的位置，由人开着小车进行喷砂作业。
小车是电动驱动，所有的轴均为伺服电机驱动，小车配备的驾驶舱装配控制装置和操纵杆用于移动和喷砂。
4.3 悬挑式喷砂机器人
悬挑式喷砂机器人通常喷砂间两侧各一台，喷砂间两侧的地面上设固定小车轨道，轨道宽度大约2米，小车上设可垂直升降的悬挑式机器臂，机器臂上配置行走的喷砂机器人。
悬挑式喷砂机器人本体为4轴机器人，悬挑臂为4轴，共计8轴。
4.4 机器人设备控制系统
喷砂机器人的电气系统和控制系统由控制柜、控制台、传感设备、接线盒、电缆传送装置等构成。控制系统采用可靠的现场总线技术以及一个以PLC 为基础的控制系统。现场总线技术的采用可以使电线的数量最小化，同时为机器人配备先进的控制技术。机器人控制系统内的所有组件需要根据苛刻的喷砂房环境设计。
机器人用于自动喷砂。可选择操作模式有自动操作、点对点编程控制面板操作、离线编程三种操作模式。机器人自动操作适用于相似工件的重复生产。点对点编程控制面板控制机械人各运动轴，使喷嘴到达各个目标位置，这些目标位置由人工确定、机器人接收，控制系统自动计算路线，各轴联动。离线编程软件系统包含自动喷砂机器人编程软件和编程电脑基站等相关的整套硬件，由专业人员根据工件特征编制机器人运动路径。
4.5 自动喷砂配套设备
自动喷砂配套设备主要有双舱喷砂缸、磨料回收系统、磨料及压缩空气柔性供应系统以及常规的真空吸砂系统、局部除尘系统、全室除尘送风系统、除湿送风系统。[1]
5 结语
研究自动化喷砂在船舶及海工行业涂装车间的应用，为将来实现涂装车间智能化提供了可行的解决方案。但同时也应认识到，自动化喷砂技术还不够成熟，在舱室内应用还有很强的局限性，需要配备专业的编程人员，而且投资很高。在改造或者新建自动化喷砂车间时，应综合考虑喷砂对象特征、自动化喷砂设备的组合形式、车间规划、投资等因素，确定合理的生产适用的自动化喷砂方案。
参考文献：
[1]GB/T 51405-2019，船厂总体设计标准[S].
[2]张卫军，刘玲，王宁.纤维桩表面喷砂处理技术的研究进展（综述）[J].中国城乡企业卫生，2013-08-15.
[3]全伟雄，龙汉新.智能涂装在超大型钢结构工程中的应用[J].广船科技，2020-06-20.
[4]詹春贵，赵洪波，乔海波，李伟.PASSIM卷接机组布带轮的改进[J].烟草科技，2011-10-20.
[5]孙武衡.谈幕墙钢骨架及装饰钢构件的防腐處理[J].企业科技与发展，2012-07-20.
[6]徐汇音.高速列车刹车片检修工艺的分析[J].实验室研究与探索，2012-05-15.
[7]邹华娟.关于PVD表面处理技术及其应用[J].锻造与冲压， 2021-02-15.
[8]陈冲，刘德波，彭勤卫，孔令文.不同表面处理与高性能树脂相结合——一种经济的金属基制造新技术[J].印制电路信息，2011-04-10.