船舶制造中机器人技术的应用分析

陈红兵 李文豪

摘要：在《推进船舶总装建造智能化转型行动计划》的推动下，我国船舶制造质量、制造效率以及船舶工业发展效益明显提升，我国船舶行业在整个国际竞争大市场中也占据一定优势。而为充分落实船舶建造智能化的转型，更应加大机器人技术的研发应用，加快推广不同功能机器人在船舶制造行业中的有效利用。基于此，本文将对当前船舶制造中机器人技术的应用情況进行全面分析，并针对机器人技术在我国船舶建造中的应用问题展开讨论，为我国船舶制造工艺的发展提供参考。

关键词：船舶制造机器人生产线技术应用

自20世纪中期以来，现代工业机器人技术得到高速发展。1952年，数控机床控制系统和四伏电机技术诞生，这在一定程度上为后续工业机器人技术的发展奠定了强有力的基础。1954年，可编程控制器的机械手臂面向市场，1959年，世界上第一家工业机器人制造工厂正式诞生。至此，现代化工业机器人生产步入正轨，机器人技术也在各领域得到广泛应用[1]。而作为国民经济的重要支柱型产业，船舶工业的高速发展不仅能为国防建设、水上交通、海洋开发以及能源运输提供相对应的技术装备，同时也能支撑国民经济的高速发展，维系国防安全。在船舶制造领域有效应用现代工业机器人技术，也有助于实现船舶行业的智能化转型。

进入21世纪以后，包括日本、韩国以及相关欧美国家在内的造船先进国家已在船用机器人的研发应用方面取得显著成效。而受到科学技术发展时间的限制，我国机器人技术发展应用较晚，船舶工业机器人应用规模普遍偏小。但现阶段，随着“中国制造2025”“5G通信”以及“工业4.0”等国家战略的提出，我国船舶行业也迎来了全新的发展机遇，我国造船数量更是显著提升，机器人技术也被大规模应用于船舶制造及船舶工业中[2]。

1船舶制造机器人技术国内外研究现状

1.1韩国

早在20世纪90年代，船舶工业机器人的研发便已成为韩国造船领域关注的重点。作为造船强国，韩国不断引进先进的科学技术，对船舶工业进行了全方位的自主研发，实现了机器人技术应用的智能化和自动化征集，而且国内还成立了专门研发船舶工业机器人的特定机构，为机器人技术在船舶制造领域的发展和应用奠定了强有力的基础。自1995年开始，船舶工业机器人便在韩国造船业得到应用，并先后建成了平面分段生产线，分段组装生产线以及船舶外板涂装生产线，这些生产线的成立不仅全面提升了韩国船舶工业自动化的水平，进一步提高了韩国船舶制造的生产效率，同时也为韩国成为世界造船强国提供了诸多助力。

进入21世纪后，韩国造船业的龙头企业三星重工完成了打磨机器人的研发，该机器人的推出不仅有效解决了船舶制造作业环境差的问题，还充分规避了船舶制造过程中的安全隐患，进一步提高了船舶外板涂装质量及效率。此后，三星重工又致力于爬行式机器人的研发，并将此类机器人有效应用于自动焊接油轮侧壁作业中，这也在一定程度上提高了船舶制造的生产效率，全面降低了船舶制造的人工成本。接下来，韩国另一造船龙头企业现代重工着力研发了用于平面分段流水线的平板机器人、搬运机器人以及古材装焊机器人，此类机器人的使用也促使现代重工造船业的生产效率进一步得到提升[3]。2008年，韩国机器人产业法规法案进一步完善，产业的发展也趋于成熟，截止到目前为止，韩国已拥有30余家机器人研发机构。

在船舶制造中有效应用现代机器人技术，不仅促使韩国造船市场被进一步扩大，同时也显著提升了韩国船舶制造的生产效率及生产质量，当下，韩国造船业新增船型，种类丰富，质量较高且订单充足。其对机器人技术的研发应用，以及在造船领域丰富成功的经验也值得其他国家效仿学习。

1.2日本

自20世纪70年代开始，日本便着力对造船机器人进行全面研究。早在1968年，日本川崎重工便与全美第一家机器人制造公司达成合作，开始进行机器人的研发及制造。随后，日本进入机器人制造高潮时代，全国范围内开始制造机器人的相关企业达80余家。1970年，川崎重工首次推出造船机器人，随后，涂装机器人、焊接机器人、船体爬行机器人以及板材装配机器人等不同功能类型的造船机器人由此产生[4]。在该阶段内，日本造船机器人种类丰富，但机器人应用并不广泛。因其可靠性差、作业精度相对较低，机器人技术在船舶制造中的应用并未显著提升船舶制造效率，且机器人维护成本较高，整体价格较为昂贵，因此，机器人技术并未在造船业得到大规模推广。

为有效解决船舶工业机器人发展所面临的困境，日本相关机器人生产企业达成合作，实现了机器人工业体系的不断完善，并明确了行业发展规范及标准，随后，点焊机器人、喷漆机器人等不断诞生，船舶工业机器人的种类随之丰富，其作业性能也得到了明显改善，作业精度及整体生产质量更是显著提升。而进入20世纪80年代后，机器人技术的应用在日本船舶工业制造领域已相对常见。以川崎重工为代表的多家企业开始聚焦于船舶制造机器人的研发，由川崎重工设计制造的小型二渗式机器人、移动式弧焊机器人以及火焰切割式机器人被推入市场，由三菱重工设计制造的涂装和喷砂机器人也得到大规模使用。

从20世纪90年代至今，在船舶焊接自动化领域，机器人技术更得到了快速发展。机器人技术被普遍应用到船舶零部件制造、平面分段焊接、船坞焊接、场外焊接等领域。而随着机器人技术在船舶制造业中的有效应用，日本已着力将本土造船业打造成为无污染、无危险、无浪费的全自动化产业。

1.3中国

我国船舶工业机器人的研发始于20世纪80年代，彼时，哈尔滨工业大学等科研单位对用于船舶焊接、除锈、切割以及喷涂等领域的机器人技术进行了大力研究，并在这些方面取得了显著成就。1985年，我国首台应用于船舶制造的焊接机器人由此诞生，而直至20世纪90年代，机器人技术才被广泛应用于船舶制造工业中[5]。近年来，船舶焊接机器人、肋骨冷压机器人、船板下料机器人船体对接机器人以及喷涂工业机器人等现代机器人技术已在船厂船舶建造中得到实际应用。目前，我国船舶工业也已形成相对完善的焊接机器人生产线。

但对比造船业相对发达的其他国家来说，我国船舶工业机器人发展仍处于滞后状态，船舶制造的产业化格局也尚未形成，再加上关于船舶制造机器人技术的研究成果相对较少，所以机器人技术在我国船舶制造中的应用，与日本、韩国以及相关欧美国家相比，仍存在明显不足。

2.机器人技术在我国船舶制造中的应用现状及问题

相比日、韩等国家来说，机器人技术在我国造船工业中的应用规模仍有待提升，造船工业机器人的應用也存在以下明显问题。

2.1船体部件生产线改造困难重重

当下，国内外工业机器人技术的应用大多集中于汽车领域。因汽车制造所需的通用部件较多，批量生产的总量相对较大，各部件之间的组装难度较小，且其产品生产周期较短，如出现问题可及时进行调整，依托于现代机器人技术，汽车生产效率将大大提升。对比之下，船舶生产制造各通用部件单件体量较大，且其量化程度较低，各部件生产周期相对较长，船厂若想满足船东的多样化生产需求，就必须具备完整的生产工艺通道，船舶制造各部件的标准化工作更难以实现。作为大型系统性工程，船舶制造项目不但整体工期较长，而且制造所需投入的资金量较大，造船项目所涉及的工艺环节虽相对较少，但每一环节都至关重要，一旦在船舶制造过程中投入使用机器人技术，则制造生产线中特定环节必将面临改造或增装，这也在一定程度上影响了全线生产的效率，一旦产品出现生产周期延长，则项目投入资金便难以回收。即使对生产线进行重建改造，也面临重重困难。

2.2造船模式并未成型

从20世纪70年代至今，世界范围内的造船模式不断更迭。从最开始的整体制造模式发展到后来的分段制造，之后又演变为分道制造，而当下最常见的则是集成制造模式，在未来的船舶制造领域，敏捷制造模式很可能会得到大规模采用。随着造船模式的变更，船厂的生产设施配置、船坞、码头以及车间也会随之更新，为满足不同阶段造船模式的需求，管道加工、设备仓储、分段制作以及船舶区域涂装也需不断调整。因造船模式并未定型，以至于船厂无法明确选择嵌于该模式下的制造工艺，更难以精准选用工业机器人[6]。若船厂为提升船舶制造效率引入了某分段焊接机器人，而随后船厂生产模式变更，则引入设备会被白白浪费。简而言之，船厂生产模式不成形，机器人技术便无法在造船工业中得到广泛使用。

2.3应用技术基础相对薄弱

近年来，机器人技术虽在我国船舶制造领域得到一定应用，但不仅是造船工业机器人，当下，我国整体工业机器人的核心元件仍有赖于国外。相关基础材料的选材以及一体化集成的总装皆来源于外国进口，技术含量较高的关键材料的获取也十分困难。以爬壁式造船工业机器人为例，此类机器人大多被应用于船舶外板除锈，而组成此类机器人的金属框架材料以及相关吸附机构与行走机构的基础部件单元，往往都是通过国外进口获得，国内很难找到这些部件的供应商，国内研究机构进行原创开发的可能性也相对较低。整体而言，机器人技术在我国船舶制造领域的应用技术基础仍相对薄弱，国内总体的工业机器人领域大多仅能完成集成制造，而无法实现部件生产，造船工业机器人也同样如此。

3.关于船舶制造中机器人技术应用的思考

3.1船厂需加大造船工业机器人的开发及应用

机器人技术在船舶制造领域的应用很大程度上由用户决定，因此，船厂需进一步加大造船工业机器人的开发及应用，实现从用户向生产商的转变。细数世界范围内各大工业机器人知名企业，大多都是由用户转型为生产商，站在用户角度，才能充分认知机器人应用的可行性、必要性及可能性，并实现该技术在行业内的推广应用。而作为造船工业机器人的用户，船厂往往更加明确造船工业机器人生产制造的各性能指标，也能更精准合理地选择用于各类生产线上的造船工业机器人，更能有效反馈各类造船工业机器人在船舶制造领域应用的优劣势。在此基础上，船厂需充分认知自身研发重任，通过加大造船工业机器人的开发应用，全面提升船舶制造水平及效率。

3.2跟踪对标并学习韩国造船技术

作为世界范围内知名的造船强国，韩国造船领域的机器人技术已相对成熟，现代工业机器人的应用在韩国造船业也拥有较大空间。从造船工业机器人技术本身角度出发，日本和欧美地区的技术发展历史较为悠久，其技术积累也相对丰厚，但在市场影响下，以上国家对于造船板块建造生产领域的研发已逐渐弱化[7]。而目前，我国进行造船工业机器人研究的相关单位大多仍将日本及欧美国家作为对标主体，反而忽视了后起之秀韩国。因此，造船工业机器人研究人员必须拓宽视野，在全面关注国内外技术的同时，高度重视国内外市场的变化。现阶段，韩国已迎来高新技术船舶建造的高峰时期，为全面提升船舶制造经济效益，降低生产成本，为船舶生产创造更多高附加值，韩国船厂在生产线改造及生产工具的选用方面，已拥有丰富经验。在此基础上，我国研究人员也需不断对标学习韩国造船技术，跟踪关注韩国各船厂机器人技术应用的实践案例，总结其成败经验，为机器人技术在我国船舶制造中的应用奠定良好基础。

4.机器人技术在船舶制造中的发展趋势

随着机器人技术在国内外船舶制造工业中的应用，船舶工业结构调整转型升级发展已成为大势所趋，各国制造业也已走上网络化、智能化以及数字化的技术变革道路。而随着劳动力成本的不断攀升，船厂的人工成本优势已荡然无存，在船舶制造领域大规模使用机器人技术也势在必行。当下，在船舶管道焊接、钢板切割等建造阶段，机器人技术的应用优势已逐渐显现。而在船舶制造领域，现代化机器人技术工艺也将在造船焊接、装配以及船舶区域喷漆等工序中得到广泛应用。随着全球科技革命及产业革命的来临，船舶制造生产工业也将逐渐实现智能化、信息集成化和自动化的转型发展。在云计算、大数据以及人工智能等先进科技的帮助下，机器人技术必将与这些先进科技达成跨学科融合，其研发力度不断增强，发展不断成熟。随着机器人技术在船舶制造中的大规模应用，我国船舶工业的自动化和智能化发展也终将实现。

5结语

在船舶制造领域，越来越多先进造船技术的应用，促使船舶制造逐渐走向高效化、绿色化和智能化发展道路。对比日、韩和欧美国家来说，机器人技术在我国船舶制造领域的应用尚未成熟。如何加大机器人技术的研发应用，如何减少船舶制造生产成本，全面提升船舶生产效率和产品质量，是当前我国船舶制造领域发展的重难点问题。在此基础上，船厂和政府也必须通力合作，通过加大机器人技术在船舶制造中的研发应用，不断跟踪学习韩国等国家的造船技术，在借鉴他国成功经验的同时，提高我国船舶制造工业发展水平，实现我国船舶制造工业的长效可持续发展。

参考文献

[1]高正杰，刘建峰，沈新新，等.船舶涂装机器人应用技术分析[J].船舶与海洋工程. 2020，36（3）：56-60.

[2].郝永志，郭飞军，杨其雷.机器人技术在船舶工业中的发展[J].船舶工程. 2020，42（6）：13-16.

[3]胡晓轩，朱琦，杨山林，等.船舶车间焊接机器人智能预测性维护系统[J].船舶工程，2021，43（S1）：415-419.

[4]徐超，周宏，刘建峰，等.船舶外板涂装机器人应用研究[J]. 船舶标准化与质量，2020（3）：41-44.

[5]袁起，杨其雷.机器人技术在船舶工业中的发展[D].广州：华南理工大学，2020.

[6]刘朋，张秋霞.船舶除锈机器人驱动控制系统优化设计[J].舰船科学技术，2018，40（24）：187-189.

[7]顾小燕，黎文航，祁凯，等.船舶焊接机器人技术的研究现状及应用[J].科技视界，2020（3）：233-235.