船舶制造中機器人技術(shù)的應(yīng)用分析

陳紅兵 李文豪

摘要：在《推進(jìn)船舶總裝建造智能化轉(zhuǎn)型行動計劃》的推動下，我國船舶制造質(zhì)量、制造效率以及船舶工業(yè)發(fā)展效益明顯提升，我國船舶行業(yè)在整個國際競爭大市場中也占據(jù)一定優(yōu)勢。而為充分落實船舶建造智能化的轉(zhuǎn)型，更應(yīng)加大機器人技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，加快推廣不同功能機器人在船舶制造行業(yè)中的有效利用?；诖?，本文將對當(dāng)前船舶制造中機器人技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行全面分析，并針對機器人技術(shù)在我國船舶建造中的應(yīng)用問題展開討論，為我國船舶制造工藝的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：船舶制造機器人生產(chǎn)線技術(shù)應(yīng)用

自20世紀(jì)中期以來，現(xiàn)代工業(yè)機器人技術(shù)得到高速發(fā)展。1952年，數(shù)控機床控制系統(tǒng)和四伏電機技術(shù)誕生，這在一定程度上為后續(xù)工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展奠定了強有力的基礎(chǔ)。1954年，可編程控制器的機械手臂面向市場，1959年，世界上第一家工業(yè)機器人制造工廠正式誕生。至此，現(xiàn)代化工業(yè)機器人生產(chǎn)步入正軌，機器人技術(shù)也在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。而作為國民經(jīng)濟的重要支柱型產(chǎn)業(yè)，船舶工業(yè)的高速發(fā)展不僅能為國防建設(shè)、水上交通、海洋開發(fā)以及能源運輸提供相對應(yīng)的技術(shù)裝備，同時也能支撐國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，維系國防安全。在船舶制造領(lǐng)域有效應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)機器人技術(shù)，也有助于實現(xiàn)船舶行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，包括日本、韓國以及相關(guān)歐美國家在內(nèi)的造船先進(jìn)國家已在船用機器人的研發(fā)應(yīng)用方面取得顯著成效。而受到科學(xué)技術(shù)發(fā)展時間的限制，我國機器人技術(shù)發(fā)展應(yīng)用較晚，船舶工業(yè)機器人應(yīng)用規(guī)模普遍偏小。但現(xiàn)階段，隨著“中國制造2025”“5G通信”以及“工業(yè)4.0”等國家戰(zhàn)略的提出，我國船舶行業(yè)也迎來了全新的發(fā)展機遇，我國造船數(shù)量更是顯著提升，機器人技術(shù)也被大規(guī)模應(yīng)用于船舶制造及船舶工業(yè)中[2]。

1船舶制造機器人技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1韓國

早在20世紀(jì)90年代，船舶工業(yè)機器人的研發(fā)便已成為韓國造船領(lǐng)域關(guān)注的重點。作為造船強國，韓國不斷引進(jìn)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，對船舶工業(yè)進(jìn)行了全方位的自主研發(fā)，實現(xiàn)了機器人技術(shù)應(yīng)用的智能化和自動化征集，而且國內(nèi)還成立了專門研發(fā)船舶工業(yè)機器人的特定機構(gòu)，為機器人技術(shù)在船舶制造領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用奠定了強有力的基礎(chǔ)。自1995年開始，船舶工業(yè)機器人便在韓國造船業(yè)得到應(yīng)用，并先后建成了平面分段生產(chǎn)線，分段組裝生產(chǎn)線以及船舶外板涂裝生產(chǎn)線，這些生產(chǎn)線的成立不僅全面提升了韓國船舶工業(yè)自動化的水平，進(jìn)一步提高了韓國船舶制造的生產(chǎn)效率，同時也為韓國成為世界造船強國提供了諸多助力。

進(jìn)入21世紀(jì)后，韓國造船業(yè)的龍頭企業(yè)三星重工完成了打磨機器人的研發(fā)，該機器人的推出不僅有效解決了船舶制造作業(yè)環(huán)境差的問題，還充分規(guī)避了船舶制造過程中的安全隱患，進(jìn)一步提高了船舶外板涂裝質(zhì)量及效率。此后，三星重工又致力于爬行式機器人的研發(fā)，并將此類機器人有效應(yīng)用于自動焊接油輪側(cè)壁作業(yè)中，這也在一定程度上提高了船舶制造的生產(chǎn)效率，全面降低了船舶制造的人工成本。接下來，韓國另一造船龍頭企業(yè)現(xiàn)代重工著力研發(fā)了用于平面分段流水線的平板機器人、搬運機器人以及古材裝焊機器人，此類機器人的使用也促使現(xiàn)代重工造船業(yè)的生產(chǎn)效率進(jìn)一步得到提升[3]。2008年，韓國機器人產(chǎn)業(yè)法規(guī)法案進(jìn)一步完善，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也趨于成熟，截止到目前為止，韓國已擁有30余家機器人研發(fā)機構(gòu)。

在船舶制造中有效應(yīng)用現(xiàn)代機器人技術(shù)，不僅促使韓國造船市場被進(jìn)一步擴大，同時也顯著提升了韓國船舶制造的生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量，當(dāng)下，韓國造船業(yè)新增船型，種類豐富，質(zhì)量較高且訂單充足。其對機器人技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，以及在造船領(lǐng)域豐富成功的經(jīng)驗也值得其他國家效仿學(xué)習(xí)。

1.2日本

自20世紀(jì)70年代開始，日本便著力對造船機器人進(jìn)行全面研究。早在1968年，日本川崎重工便與全美第一家機器人制造公司達(dá)成合作，開始進(jìn)行機器人的研發(fā)及制造。隨后，日本進(jìn)入機器人制造高潮時代，全國范圍內(nèi)開始制造機器人的相關(guān)企業(yè)達(dá)80余家。1970年，川崎重工首次推出造船機器人，隨后，涂裝機器人、焊接機器人、船體爬行機器人以及板材裝配機器人等不同功能類型的造船機器人由此產(chǎn)生[4]。在該階段內(nèi)，日本造船機器人種類豐富，但機器人應(yīng)用并不廣泛。因其可靠性差、作業(yè)精度相對較低，機器人技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用并未顯著提升船舶制造效率，且機器人維護(hù)成本較高，整體價格較為昂貴，因此，機器人技術(shù)并未在造船業(yè)得到大規(guī)模推廣。

為有效解決船舶工業(yè)機器人發(fā)展所面臨的困境，日本相關(guān)機器人生產(chǎn)企業(yè)達(dá)成合作，實現(xiàn)了機器人工業(yè)體系的不斷完善，并明確了行業(yè)發(fā)展規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，隨后，點焊機器人、噴漆機器人等不斷誕生，船舶工業(yè)機器人的種類隨之豐富，其作業(yè)性能也得到了明顯改善，作業(yè)精度及整體生產(chǎn)質(zhì)量更是顯著提升。而進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，機器人技術(shù)的應(yīng)用在日本船舶工業(yè)制造領(lǐng)域已相對常見。以川崎重工為代表的多家企業(yè)開始聚焦于船舶制造機器人的研發(fā)，由川崎重工設(shè)計制造的小型二滲式機器人、移動式弧焊機器人以及火焰切割式機器人被推入市場，由三菱重工設(shè)計制造的涂裝和噴砂機器人也得到大規(guī)模使用。

從20世紀(jì)90年代至今，在船舶焊接自動化領(lǐng)域，機器人技術(shù)更得到了快速發(fā)展。機器人技術(shù)被普遍應(yīng)用到船舶零部件制造、平面分段焊接、船塢焊接、場外焊接等領(lǐng)域。而隨著機器人技術(shù)在船舶制造業(yè)中的有效應(yīng)用，日本已著力將本土造船業(yè)打造成為無污染、無危險、無浪費的全自動化產(chǎn)業(yè)。

1.3中國

我國船舶工業(yè)機器人的研發(fā)始于20世紀(jì)80年代，彼時，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研單位對用于船舶焊接、除銹、切割以及噴涂等領(lǐng)域的機器人技術(shù)進(jìn)行了大力研究，并在這些方面取得了顯著成就。1985年，我國首臺應(yīng)用于船舶制造的焊接機器人由此誕生，而直至20世紀(jì)90年代，機器人技術(shù)才被廣泛應(yīng)用于船舶制造工業(yè)中[5]。近年來，船舶焊接機器人、肋骨冷壓機器人、船板下料機器人船體對接機器人以及噴涂工業(yè)機器人等現(xiàn)代機器人技術(shù)已在船廠船舶建造中得到實際應(yīng)用。目前，我國船舶工業(yè)也已形成相對完善的焊接機器人生產(chǎn)線。

但對比造船業(yè)相對發(fā)達(dá)的其他國家來說，我國船舶工業(yè)機器人發(fā)展仍處于滯后狀態(tài)，船舶制造的產(chǎn)業(yè)化格局也尚未形成，再加上關(guān)于船舶制造機器人技術(shù)的研究成果相對較少，所以機器人技術(shù)在我國船舶制造中的應(yīng)用，與日本、韓國以及相關(guān)歐美國家相比，仍存在明顯不足。

2.機器人技術(shù)在我國船舶制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀及問題

相比日、韓等國家來說，機器人技術(shù)在我國造船工業(yè)中的應(yīng)用規(guī)模仍有待提升，造船工業(yè)機器人的應(yīng)用也存在以下明顯問題。

2.1船體部件生產(chǎn)線改造困難重重

當(dāng)下，國內(nèi)外工業(yè)機器人技術(shù)的應(yīng)用大多集中于汽車領(lǐng)域。因汽車制造所需的通用部件較多，批量生產(chǎn)的總量相對較大，各部件之間的組裝難度較小，且其產(chǎn)品生產(chǎn)周期較短，如出現(xiàn)問題可及時進(jìn)行調(diào)整，依托于現(xiàn)代機器人技術(shù)，汽車生產(chǎn)效率將大大提升。對比之下，船舶生產(chǎn)制造各通用部件單件體量較大，且其量化程度較低，各部件生產(chǎn)周期相對較長，船廠若想滿足船東的多樣化生產(chǎn)需求，就必須具備完整的生產(chǎn)工藝通道，船舶制造各部件的標(biāo)準(zhǔn)化工作更難以實現(xiàn)。作為大型系統(tǒng)性工程，船舶制造項目不但整體工期較長，而且制造所需投入的資金量較大，造船項目所涉及的工藝環(huán)節(jié)雖相對較少，但每一環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，一旦在船舶制造過程中投入使用機器人技術(shù)，則制造生產(chǎn)線中特定環(huán)節(jié)必將面臨改造或增裝，這也在一定程度上影響了全線生產(chǎn)的效率，一旦產(chǎn)品出現(xiàn)生產(chǎn)周期延長，則項目投入資金便難以回收。即使對生產(chǎn)線進(jìn)行重建改造，也面臨重重困難。

2.2造船模式并未成型

從20世紀(jì)70年代至今，世界范圍內(nèi)的造船模式不斷更迭。從最開始的整體制造模式發(fā)展到后來的分段制造，之后又演變?yōu)榉值乐圃欤?dāng)下最常見的則是集成制造模式，在未來的船舶制造領(lǐng)域，敏捷制造模式很可能會得到大規(guī)模采用。隨著造船模式的變更，船廠的生產(chǎn)設(shè)施配置、船塢、碼頭以及車間也會隨之更新，為滿足不同階段造船模式的需求，管道加工、設(shè)備倉儲、分段制作以及船舶區(qū)域涂裝也需不斷調(diào)整。因造船模式并未定型，以至于船廠無法明確選擇嵌于該模式下的制造工藝，更難以精準(zhǔn)選用工業(yè)機器人[6]。若船廠為提升船舶制造效率引入了某分段焊接機器人，而隨后船廠生產(chǎn)模式變更，則引入設(shè)備會被白白浪費。簡而言之，船廠生產(chǎn)模式不成形，機器人技術(shù)便無法在造船工業(yè)中得到廣泛使用。

2.3應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)相對薄弱

近年來，機器人技術(shù)雖在我國船舶制造領(lǐng)域得到一定應(yīng)用，但不僅是造船工業(yè)機器人，當(dāng)下，我國整體工業(yè)機器人的核心元件仍有賴于國外。相關(guān)基礎(chǔ)材料的選材以及一體化集成的總裝皆來源于外國進(jìn)口，技術(shù)含量較高的關(guān)鍵材料的獲取也十分困難。以爬壁式造船工業(yè)機器人為例，此類機器人大多被應(yīng)用于船舶外板除銹，而組成此類機器人的金屬框架材料以及相關(guān)吸附機構(gòu)與行走機構(gòu)的基礎(chǔ)部件單元，往往都是通過國外進(jìn)口獲得，國內(nèi)很難找到這些部件的供應(yīng)商，國內(nèi)研究機構(gòu)進(jìn)行原創(chuàng)開發(fā)的可能性也相對較低。整體而言，機器人技術(shù)在我國船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)仍相對薄弱，國內(nèi)總體的工業(yè)機器人領(lǐng)域大多僅能完成集成制造，而無法實現(xiàn)部件生產(chǎn)，造船工業(yè)機器人也同樣如此。

3.關(guān)于船舶制造中機器人技術(shù)應(yīng)用的思考

3.1船廠需加大造船工業(yè)機器人的開發(fā)及應(yīng)用

機器人技術(shù)在船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用很大程度上由用戶決定，因此，船廠需進(jìn)一步加大造船工業(yè)機器人的開發(fā)及應(yīng)用，實現(xiàn)從用戶向生產(chǎn)商的轉(zhuǎn)變。細(xì)數(shù)世界范圍內(nèi)各大工業(yè)機器人知名企業(yè)，大多都是由用戶轉(zhuǎn)型為生產(chǎn)商，站在用戶角度，才能充分認(rèn)知機器人應(yīng)用的可行性、必要性及可能性，并實現(xiàn)該技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的推廣應(yīng)用。而作為造船工業(yè)機器人的用戶，船廠往往更加明確造船工業(yè)機器人生產(chǎn)制造的各性能指標(biāo)，也能更精準(zhǔn)合理地選擇用于各類生產(chǎn)線上的造船工業(yè)機器人，更能有效反饋各類造船工業(yè)機器人在船舶制造領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)劣勢。在此基礎(chǔ)上，船廠需充分認(rèn)知自身研發(fā)重任，通過加大造船工業(yè)機器人的開發(fā)應(yīng)用，全面提升船舶制造水平及效率。

3.2跟蹤對標(biāo)并學(xué)習(xí)韓國造船技術(shù)

作為世界范圍內(nèi)知名的造船強國，韓國造船領(lǐng)域的機器人技術(shù)已相對成熟，現(xiàn)代工業(yè)機器人的應(yīng)用在韓國造船業(yè)也擁有較大空間。從造船工業(yè)機器人技術(shù)本身角度出發(fā)，日本和歐美地區(qū)的技術(shù)發(fā)展歷史較為悠久，其技術(shù)積累也相對豐厚，但在市場影響下，以上國家對于造船板塊建造生產(chǎn)領(lǐng)域的研發(fā)已逐漸弱化[7]。而目前，我國進(jìn)行造船工業(yè)機器人研究的相關(guān)單位大多仍將日本及歐美國家作為對標(biāo)主體，反而忽視了后起之秀韓國。因此，造船工業(yè)機器人研究人員必須拓寬視野，在全面關(guān)注國內(nèi)外技術(shù)的同時，高度重視國內(nèi)外市場的變化。現(xiàn)階段，韓國已迎來高新技術(shù)船舶建造的高峰時期，為全面提升船舶制造經(jīng)濟效益，降低生產(chǎn)成本，為船舶生產(chǎn)創(chuàng)造更多高附加值，韓國船廠在生產(chǎn)線改造及生產(chǎn)工具的選用方面，已擁有豐富經(jīng)驗。在此基礎(chǔ)上，我國研究人員也需不斷對標(biāo)學(xué)習(xí)韓國造船技術(shù)，跟蹤關(guān)注韓國各船廠機器人技術(shù)應(yīng)用的實踐案例，總結(jié)其成敗經(jīng)驗，為機器人技術(shù)在我國船舶制造中的應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

4.機器人技術(shù)在船舶制造中的發(fā)展趨勢

隨著機器人技術(shù)在國內(nèi)外船舶制造工業(yè)中的應(yīng)用，船舶工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整轉(zhuǎn)型升級發(fā)展已成為大勢所趨，各國制造業(yè)也已走上網(wǎng)絡(luò)化、智能化以及數(shù)字化的技術(shù)變革道路。而隨著勞動力成本的不斷攀升，船廠的人工成本優(yōu)勢已蕩然無存，在船舶制造領(lǐng)域大規(guī)模使用機器人技術(shù)也勢在必行。當(dāng)下，在船舶管道焊接、鋼板切割等建造階段，機器人技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢已逐漸顯現(xiàn)。而在船舶制造領(lǐng)域，現(xiàn)代化機器人技術(shù)工藝也將在造船焊接、裝配以及船舶區(qū)域噴漆等工序中得到廣泛應(yīng)用。隨著全球科技革命及產(chǎn)業(yè)革命的來臨，船舶制造生產(chǎn)工業(yè)也將逐漸實現(xiàn)智能化、信息集成化和自動化的轉(zhuǎn)型發(fā)展。在云計算、大數(shù)據(jù)以及人工智能等先進(jìn)科技的幫助下，機器人技術(shù)必將與這些先進(jìn)科技達(dá)成跨學(xué)科融合，其研發(fā)力度不斷增強，發(fā)展不斷成熟。隨著機器人技術(shù)在船舶制造中的大規(guī)模應(yīng)用，我國船舶工業(yè)的自動化和智能化發(fā)展也終將實現(xiàn)。

5結(jié)語

在船舶制造領(lǐng)域，越來越多先進(jìn)造船技術(shù)的應(yīng)用，促使船舶制造逐漸走向高效化、綠色化和智能化發(fā)展道路。對比日、韓和歐美國家來說，機器人技術(shù)在我國船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用尚未成熟。如何加大機器人技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，如何減少船舶制造生產(chǎn)成本，全面提升船舶生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，是當(dāng)前我國船舶制造領(lǐng)域發(fā)展的重難點問題。在此基礎(chǔ)上，船廠和政府也必須通力合作，通過加大機器人技術(shù)在船舶制造中的研發(fā)應(yīng)用，不斷跟蹤學(xué)習(xí)韓國等國家的造船技術(shù)，在借鑒他國成功經(jīng)驗的同時，提高我國船舶制造工業(yè)發(fā)展水平，實現(xiàn)我國船舶制造工業(yè)的長效可持續(xù)發(fā)展。

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