李佩君

摘 要：工业机器人是第4次工业革命的重要组成部分。油漆喷涂机器人是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，其在信息化基础上采用仿真和自动化技术，从而实现智能化管理，能替代油漆工人的大部分体力劳动，减低施工安全健康风险，提高施工效率和节省工程成本。油漆喷涂机器人在核电工业厂房中的应用，是未来智造的重要发展方向。

关键词：油漆;喷涂机器人;工业厂房

中图分类号：TQ639.8;TP242 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）12-0088-05

Research on Application of Paint Spraying Robot in Nuclear Power Industrial Plants

Li  Peijun

（China General Nuclear Power Group， UK project，Bristol， The United Kingdom， BS8 3LL）

Abstract：Industrial robots are an important part of the fourth Industrial Revolution. Paint spraying robot is an industrial robot that can automatically spray paint or spray other paints， which adopts simulation and automation technology on the basis of informatization. Thus the intelligent management is realized. In addition， paint spraying robots can replace most of the manual labor of painters. Where， construction safety and health risks have been reduced， construction efficiency has been improved， and project costs have been saved. The application of paint spraying robot in nuclear power industrial plants is an important development direction of intelligent manufacturing in the future.

Key words：Paint; Spraying robot; Industrial plants

0 引言

目前油漆機器人在汽车油漆喷涂中大量应用，技术已比较成熟，但在工业厂房中运用较少。建筑业是典型的劳动密集型行业，特别是室内装修和质量检测等环节，全球范围内暂无自动化和智能化产品[1];且建筑施工机器人市场尚不成熟，市场接受度、运营模式和商业模式等均有待探索和创新。本文研究油漆喷涂机器人在核电工业厂房装修工程中代替人工进行油漆喷涂的应用，研究对象是某国际机器人公司推出的智能喷涂机器人。本文依托的目标项目为英国某新建核电站的工业厂房油漆喷涂作业。

1 研究背景及现状

油漆作为工业厂房的主要施工材料，在常用的喷涂过程中，油漆工人主要使用喷枪喷涂或者手工滚筒涂刷方式。但因油漆涂料中含有甲醛、氡、甲苯、二甲苯、苯、乙二醇醚类溶剂等大量有毒化合物，所以油漆喷涂属于有害危险品的高风险施工。喷涂过程中，雾状漆颗粒和漆的有机溶剂易挥发至作业场所空气中，导致苯浓度非常高。油漆除了通过人体肺部吸入，还可以通过皮肤吸收，人体皮肤直接与油漆接触，能溶去皮肤中的脂肪，造成皮肤干裂、发炎的同时侵入体内。若在无防护情况下，人体如果摄入苯过多，轻则会出现再生障碍性贫血，重则会患上白血病。在油漆喷涂过程中，油漆易挥发且易燃，容易发生火灾等安全事故。尤其在核电工业厂房中，由于部分区域的施工空间狭小，通风条件差，施工环境恶劣，喷涂作业存在极大安全风险。因此，如何科学喷涂成为核电施工安全文明施工重要课题和研究方向。

油漆喷涂机器人是一个重要发展方向[2]。目前，大量的油漆机器人应用于厂房车间内，多为固定的六轴，可以完全模拟人工油漆喷涂工作，并施工质量控制良好，性能可靠，例如瑞士的ABB 公司为汽车制造厂设计的汽车油漆喷涂机器人和深圳荣德公司生产的六自由度的串联油漆喷涂机器人。在国内外核电站建设中，土建承包商曾使用油漆机械代替人工进行腻子涂刷工作，但是存在由于技术尚未完成成熟，施工后仍需要人工修补，作业成本高等，施工质量不稳定问题，因此未继续推广，但保留后续研发的可行性。在人工成本日益增加，熟练工种培训难度大等情况下，建造方对生产成本低，施工作业质量可靠，安拆简便，作业标准化，运维方便且能在恶劣环境中自主工作的喷涂机器人有急切的需求和大规模应用的要求。

随着技术的发展，新型智能化机器人结合了机械控制理论、计算机技术、材料科学、人工智能、物联网、仿生科技等跨学科的协同[3]。通过自动控制的主机编程对三轴或以上的机械手臂进行控制，具备替代人工作业的条件，实现从 “人力喷涂” 到 “智能喷涂”变革。油漆喷涂机器人拥有轻型化/微型化，喷涂定位速度快，作业精确度高，主动调整和纠偏，施工质量有保证，作业缺陷少，节省材料和降低入场服务条件等条件，具有很好的应用前景。

2 核电工业厂房喷涂应用场景概述

核电作为应对能源危机和气候变化的有效手段，在国内外作为主要的新能源进行大量建设。油漆在核电站中主要作用为防水，防辐射，抗腐蚀等，一台核电机组的油漆喷涂量较大（约200万m2），油漆采用核级油漆系统，标准人工喷涂施工流程如下：

（1）基层验收：在厂房混凝土施工完成后，油漆施工前将养护剂和各种表面污物清理，用干抹布擦拭干净后，按照标准进行平面平整度验收。

（2）腻子修补。腻子主要用来对基层局部缺陷和密集细小孔洞进行填充，对较大的缺陷和较深的孔洞要添加石英砂，用以保证油漆基底的平整度。

（3）底漆施工。底漆施工前要进行基层含水率、环境温湿度、混凝土表面温度、露点温度检测。含湿率：不大于6%。混凝土表面温度，露点温度：5～35℃，环境温度高于露点温度3℃，底漆采用核级水性环氧聚酰胺涂料，厚度约为40 μm。

（4）中间漆和面漆。中间漆和面漆采用核级水性环氧聚酰胺涂料，厚度约为100 μm。施工前要检测环境温湿度和表面温度，施工过程中要监测湿膜厚度。油漆完成后需要进行附着性和拉拔试验进行验收。

核电工业厂房喷涂工程存在施工作业要求较严格，辅助工序较多，对工人的熟练程度要求高且用工量大，喷涂作业受天气和其他施工作业交叉影响大的特点。由于采用大量人工操作，会存在导致现场施工环境较差，施工质量不稳定，施工效率较低，油漆损耗量多不利于成本节约，安全健康隐患等问题。

因此，油漆喷涂机器人需要以核电工业厂房的现场施工工艺流程为基础，通过仿生学参考和借鉴人工经验进行优化，并依靠大数据的人工智能分析进行合理的设计与规划[4]。

3 油漆喷涂机器人应用设计和试验

根据上述工业厂房喷涂工程的要求，研究的智能喷涂机器人采用的“在线感知-实时规划-喷涂控制”的技术方案[5]，根据涂料工业的“四E”原则（经济、效率、生态和能源）和机器人仿生学的设计方法论[6]，适合喷涂大范围的不规则/规则几何表面，应用场景能覆盖大部分核电工业厂房的标准。由于基层验收和腻子修补可以在土建过程中完成，因此，油漆机器人重点解决室内喷漆和混凝土或者钢板基底的表面喷涂需求，如图1所示。

3.1 油漆机器人设计

油漆喷涂机器人经过多轮设计方案的比选和量产调整后，可满足设计的要求。

（1）油漆喷涂机器人为串联机器人结构，主要由机器人本体，喷涂结构，计算机及相应的传感和控制系统组成。机器人的总体框架包括传感器检测系统，驱动系统，机械臂控制系统，喷枪系统，油料存储系统，防碰撞系统，抗干扰系统，基于以太网的数据传输系统等组成。机器人按照模块分为电源模块，启停/复位模块，控制模块，传感器模块，通讯模块，人机交互模块，数据存储模块。该设计与主流喷涂机器人相近，设备材料技术成熟度高。

（2）在喷涂机器人采用八轴结构模块化设计，在刚度、冗余度和累计误差方面有较大优势。通过电脑集成的控制器进行编程和多轴建协同控制运动作业，应对不同几何结构的盲点，具有很好的灵巧性，能较好地应对曲面结构和喷涂的奇异位的场景，具有达到快速移动，精准定位的特点。

（3）机器人尺寸采取轻量化设计，1.48 m×0.83 m×2.0 m，自重400 kg。通过安装有垂直直线驱动器，使机械手获得3～10 m的涂装高度和0.6～1 m宽度的平面。因此，不需要搭设脚手架，使喷枪精确就位，覆盖大部分喷涂场景，相比人工具有较大优势。

（4）喷漆系统由喷漆泵、自动喷漆枪、软管等组成，覆盖主流品牌涂料系统。可根据不同类型的油漆（单组分型和双组分型（需要预混合）溶剂型涂料，水性涂料油漆等）采用对应的油漆泵和喷枪处理。喷涂采用静电喷涂方式，根据静电吸引的原理，在喷枪的喷头增设高压静电发生器，在涂料中加入导电剂，经过压缩空气吹出的油漆颗粒带正电荷，在电场力作用下直接被吸附在被涂面或物件上。静电吸附使油漆能均匀附着至喷涂区域，控制涂料的喷涂范围和防止油漆颗粒散落在空气中，有效提高利用率。通过智能喷涂软件Smart Paint进行自动化控制喷涂，控制喷涂厚度以减少喷涂油漆的损耗，通过喷嘴自动清洁避免喷嘴损坏。

（5）油漆机器人上采用ASPA（自动扫描、仿真模拟，规划路线和喷涂控制）的软件，可接入建筑信息模型（BIM），可以在任意几何表面进行喷涂，实现全自主作业智能导航。通过解析法的数学运算，将作业环境的空间采用数学方程确定喷涂表面空间位置，自动计算和优化喷涂轨迹。机器人能自动测算作业环境的温湿度，露点温度和湿膜厚度。

（6）通过软件和传感器使喷油喷嘴与喷油表面，通过保持恒定的距离，控制速度和喷漆枪的运动轨迹。通过对喷漆参数的控制，如泵的压力，流量，来实现油漆喷涂质量智能化控制。

（7）机器人采用（ROS） 操作系统，可通过导航操纵杆控制，远程操作，自主导航进行24 h作业。即使在弱光条件下，也能够在指定区域内自行导航。最大可通过坡度12°。安装有防碰撞系统，具有自适应表面跟随， 门/窗/障碍自动规避等功能。

（8）采用模组化快换电池包供电（电压24 V （DC），电池容量96 Ah），一次满电可连续工作4 h，效率为45 m2/h，作业噪声小，响应块，稳定性好。机器人平台集成40 L油漆桶，能覆盖大约120 m2的面积，并通过无线网络实时反馈施工作业状态。

（9）油漆机器人只需要一名操作人员，培训和使用门槛低。在接受正确的机器使用培训后即可操作，无需任何特殊要求。由于施工时不需要人员值守，降低了工业健康风险。

3.2 油漆机器人应用模拟试验

油漆喷涂机器人生产根据与核电商讨的应用模拟试验方案，對混凝土基底的喷涂作业开展模拟试验，试验结果满足设计要求。油漆机器人应用模拟试验示意图如图2所示。

根据模拟试验结果，油漆机器人与人工喷涂的效能对比如表1所示。

4 不足及应用建议

油漆喷涂机器人在模拟试验过程中发现以下问题，同时附解决方案。

（1）机器喷涂路线有重叠，容易造成局部区域二次喷涂。此时可增加模拟试验，收集数据反馈优化处理。

（2）傳感器对窗台孔洞等不需要喷涂区域的喷涂边界识别率低。为此，除提高机器人传感器硬件的灵敏度外，可在非喷涂区域贴设警示条。

（3）机器人主机自动重启和复位的问题。这可通过更新机器人软件处理。

（4）因涂料未及时搅拌而干硬，造成喷枪堵塞等问题。鉴于此，待机器人厂商和油漆供货商协同解决。

除了以上问题外，对机器人的大规模应用还有几点建议：

（1）油漆喷涂机器人可通过OEM代工模式，将技术研发和生产分开，降低每台设备的成本至50万元人民币后可提高设备经济性。

（2）机器人厂家需要给业主提供一整套的解决方案，如油漆喷涂机器人与油漆检测机器人的联动，通过三维扫描和验收，辨别油漆厚度平整度，辅助传统的质量员质检工作，加强施工质量控制。

（3）使用集成远程管理平台（云端），管理员实时地获取油漆喷涂机器人工作状态信息，以便及时对施工质量进行评定和统计数据。

（4）机器人厂家可通过与高校和行业协会的合作，完善油漆喷涂机器人相关的施工作业标准和规范依据。

5 结语

油漆喷涂机器人作为一个技术可行、配套成熟的建筑涂装整体解决方案，在核电领域内得到推广和应用。它可大幅降低人工成本，提高施工效率，节省油漆损耗量，提高现场文明施工程度，降低油漆施工带来的工业污染废物，实现绿色生态环境友好施工。

参考文献

[1]（英）斯利格.机器人学的几何基础[M]. 杨向东译.北京：清华大学出版社，2018.

[2]（美）理查德·摩雷，（中）李泽湘. 机器人操作的数学导论[M]. 北京：机械工业出版社，2014.

[3]陈 雁，邵君奕，张传清，等. 喷涂机器人自动轨迹规划研究进展与展望[J]. 机械设计与制造，2010（02）：149-151.

[4]张永贵. 喷漆机器人若干关键技术研究[D]. 西安：西安理工大学，2008.

[5]GRACO. The Basics of Airless Spraying： Information on Basic Components， Spray Techniques and Safety[M]. Minneapolis：[s.n]， 2012.

[6]THOMAS R， KURFESS. Robotics and Automation Handbook[M]. [S.I.]：CRC Press， 2010.

[7]ASADI E， Li Bingbing， Chen Yiming. A Cooperative Painting Robot for Interior Finishing of Industrial Developments[J]. IEEE Robotics & Automation Magazine， 2018， 25（2）：82-94.