盾構隧道管片模具自動清理及脫模劑噴涂設備的研制

王國政

(中鐵十四局集團房橋有限公司,北京 102400)

東六環(huán)(京哈高速—潞苑北大街)改造工程南起京哈高速北至潞苑北大街，項目全長16 km，隧道長9.2 km，其中盾構段長7.4 km。盾構管片外徑15.4 m，厚度650 mm，管片寬度2 000 mm，管片采用通用楔形環(huán)設計、楔形量40 mm。單環(huán)分為10塊，采用7+2+1分塊設計，混凝土強度C60，抗?jié)B等級P12，每環(huán)螺栓86個，管片混凝土方量60.24 m3，單塊標準方量6.56 m3，單塊最大質(zhì)量17.8 t，中鐵十四局集團北京東六環(huán)改造工程管片預制廠承擔盾構管片生產(chǎn)任務3 725環(huán)。該工程連接北京城市副中心，對首都建設發(fā)展起到重要作用，因此對管片質(zhì)量提出更高標準要求。由此需設計盾構隧道管片模具自動清理及脫模劑噴涂設備來規(guī)范管片質(zhì)量標準化水平[1]，提升生產(chǎn)效率。

隨著我國提出“智能制造”規(guī)劃，近年來智能制造迅猛發(fā)展，混凝土預制行業(yè)也邁出了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐，由以前傳統(tǒng)的人工作業(yè)逐步過渡到自動化作業(yè)。在管片流水生產(chǎn)線作業(yè)過程中，模具清理和脫模劑噴涂作業(yè)是直接影響混凝土管片最終質(zhì)量的關鍵工序，該工序行業(yè)內(nèi)一直是人工作業(yè)，標準化程度低，最終作業(yè)效果受人員作業(yè)水平影響很大，所以采用自動化的設備替代人工成為一種必然。研制出的自動化清理噴涂設備，能夠有效地清理管片模具的內(nèi)腔并均勻的噴涂脫模劑，具有作業(yè)標準化、效率高等優(yōu)點，同時還可以極大的降低人工作業(yè)強度。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

本文研究的盾構隧道管片模具自動清理及脫模劑噴涂設備，屬于工業(yè)機器人在基建行業(yè)的應用。工業(yè)機器人在智能制造體系中占有很大的比重，其在汽車制造、航空航天制造等領域中有著廣泛的應用；隨著基建行業(yè)的升級發(fā)展，為了替代傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，工業(yè)機器人的應用也逐漸得到基建行業(yè)的關注，本文即嘗試將工業(yè)機器人應用到盾構隧道管片的自動化作業(yè)中去。隧道管片模具自動清理及脫模劑噴涂設備的研制屬于行業(yè)首創(chuàng)，研究過程經(jīng)過反復試驗和驗證，取得了較好的清理噴涂效果，可以在行業(yè)內(nèi)推廣使用。

2 技術方案

管片模具自動清理及脫模劑噴涂設備由第七軸、工業(yè)機器人、快速轉(zhuǎn)換裝置、清理系統(tǒng)、噴涂系統(tǒng)組成，如圖1、圖2所示。整體設備由第七軸傳動系統(tǒng)帶動工業(yè)機器人沿生產(chǎn)線方向移動，由工業(yè)機器人運動完成清理或者噴涂作業(yè)局部區(qū)域的運動覆蓋，經(jīng)快速轉(zhuǎn)換裝置連接末端執(zhí)行機構完成對應清理或者噴涂作業(yè)，而快速轉(zhuǎn)換裝置可以有效的保證兩種作業(yè)系統(tǒng)之間的切換完成。

圖1 清理噴涂設備模型

圖2 設備各組成部分

3 方案實施

3.1 第七軸硬件設計

該設備選擇六自由度工業(yè)機器人作為設備主體，以確保設備能夠以高重復精度軌跡在相應區(qū)域進行作業(yè)。在考慮項目實際情況后，所選擇工業(yè)機器人具有工作溫度環(huán)境為0～55 ℃，最大工作范圍為2 701 mm，最大有效載荷能力為270 kg，額定有效載荷能力為210 kg，位置重復精度為±0.05 mm等特點。工業(yè)機器人擁有軸數(shù)為6個，本體質(zhì)量約1 077 kg，占地面積為754 mm×754 mm。由于工業(yè)機器人安裝在地面后無法達到作業(yè)所需高度，且沿管片長度方向工業(yè)機器人作業(yè)范圍不能包含整個模具，因此搭建工業(yè)機器人第七軸加以輔助、擴展作業(yè)范圍。

工業(yè)機器人第七軸，整體長度為7 m，平行度±0.1 mm，起始端加有軟硬限位。第七軸沿管片長度方向，整體結構由高強度方鋼、工字鋼焊接而成，包含下方高度支撐結構、機械臂滑臺、伺服電機、減速機、齒輪齒條、導軌滑塊、導軌齒條安裝板等部分。齒條和直線導軌由2 m長度單元拼接而成。工業(yè)機器人安裝在工業(yè)機器人第七軸滑臺上方，由工業(yè)機器人第七軸提供一定高度并通過改變滑臺位置控制工業(yè)機器人所處位置。該第七軸由于考慮防塵問題，需按照全封閉結構設計制作。

該第七軸最終技術參數(shù)設計為：行程L7 000 mm，總質(zhì)量m2 000 kg，最大速度V30 m/min，加速度a0.5 m/s2，驅(qū)動方式為齒輪齒條。

3.2 末端執(zhí)行器功能

末端執(zhí)行結構連接在工業(yè)機器人機械臂末端，在機械臂的控制下進入預定作業(yè)區(qū)域。末端執(zhí)行結構由快速轉(zhuǎn)換裝置、清理系統(tǒng)、噴涂系統(tǒng)組成。

3.2.1 快速轉(zhuǎn)換裝置結構

快速轉(zhuǎn)換裝置(結構如圖3所示)采用航空鋁材制造，包含一個主盤與兩個副盤，通過每個盤上6個氣壓孔提供鎖緊力進行鎖緊，氣壓0.49 MPa時鎖緊力可達5 292 N。主盤安裝于工業(yè)機器人機械臂末端法蘭盤上，在作業(yè)時從支架選取相應副盤進行作業(yè)，副盤分別與清理系統(tǒng)、噴涂系統(tǒng)進行連接。主盤經(jīng)由一導管連接至脫模劑儲存位置，當與噴涂用副盤進行連接后脫模劑可由此進入噴涂用副盤。

圖3 快換裝置結構

3.2.2 清理系統(tǒng)結構

清理系統(tǒng)包含清理刷頭與粉塵收集裝置兩部分。清理刷頭由打磨頭與單向浮動裝置組成，單向浮動裝置首端連接快速轉(zhuǎn)換裝置副盤，可由氣壓鎖緊連接至工業(yè)機器人末端。所選用單向浮動裝置動力為氣動方式，軸向行程0～50 mm，質(zhì)量為2.8 kg，壓力在50～350 N可調(diào)，并有10 mm的壓縮量。通過控制壓力作用于打磨頭從而實現(xiàn)清理效果。打磨頭材料選擇為碳化硅，與單向浮動裝置末端連接，通過旋轉(zhuǎn)對管片模具內(nèi)壁進行相應清理。

粉塵收集裝置依靠工業(yè)吸塵器完成，工業(yè)吸塵器主體安裝于工業(yè)機器人第七軸滑臺上方，吸管沿工業(yè)機器人進行固定，末端與工業(yè)機器人末端平齊。在清理過程中同步開啟吸塵功能，通過吸管將清理過程中產(chǎn)生的殘渣與粉塵排出。

3.2.3 噴涂系統(tǒng)結構

噴涂系統(tǒng)由內(nèi)混式噴槍加以執(zhí)行，涂料供給方法為壓送式，噴涂用快速轉(zhuǎn)換裝置副盤上有固定孔位在與主盤鎖定后聯(lián)通脫模劑儲存裝置。噴槍扇幅大小、霧化范圍、噴嘴開關均可調(diào)節(jié)。

3.3 電氣控制系統(tǒng)作用

控制系統(tǒng)的硬件組成：RFID模具識別標簽，PLC控制器，伺服系統(tǒng)電機，通訊功能模塊，傳感系統(tǒng)模塊。

本次設計因為要將高精度控制的伺服電機作為控制對象，還要與第三方設備進行通訊，因此選用在此項控制方面具有優(yōu)勢的西門子S7-1200系列1212C型號的PLC作為設計基礎。

根據(jù)模具清理噴涂的生產(chǎn)要求，需要對模具內(nèi)腔的表面進行清理噴涂，自動清理噴涂作業(yè)開始前需要在組態(tài)中輸入清理噴涂工藝的相關參數(shù)，RFID讀取模具型號，光電傳感器判斷模具的位置。整套系統(tǒng)在伺服電機的驅(qū)動下，工業(yè)機器人按照示教編程做好的路徑進行清理噴涂作業(yè)，完成工藝要求清理噴涂標準化。

4 現(xiàn)場施工情況

本設備的投入使用滿足了現(xiàn)場對于施工時長以及施工質(zhì)量的要求，現(xiàn)場應用情況如圖4所示。在正常投入使用后，清理作業(yè)耗時9 min，噴涂作業(yè)耗時4 min，工作正常，表明了設備的實用價值。

圖4 現(xiàn)場實際應用情況

5 結束語

通過工程項目應用驗證，研發(fā)的盾構隧道管片模具自動清理及脫模劑噴涂設備能夠有效地清理模具內(nèi)腔并均勻的將脫模劑噴涂于模具內(nèi)腔，另外該作業(yè)過程無須人工干預，可以有效地降低人員作業(yè)強度。該設備的應用有效地滿足了生產(chǎn)施工對于質(zhì)量和時間的要求。工業(yè)機器人在業(yè)內(nèi)屬于首次應用，實現(xiàn)了自動化替代人工的目標，并進一步規(guī)范了施工標準，值得推廣。