橋梁鋼結(jié)構(gòu)智能化涂裝設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用研究

李鴻偉 厲志成 張 岳

（鎮(zhèn)江藍(lán)舶科技股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

常泰長(zhǎng)江大橋鋼梁的涂裝體系主要包括噴砂和噴漆兩道工序，而智能化涂裝總體方案主要由鋼結(jié)構(gòu)梁段的尺寸及結(jié)構(gòu)形式、涂裝廠房的凈空尺寸及相關(guān)配套設(shè)備的擺放影響等多方面因素綜合決定。在常泰長(zhǎng)江大橋鋼梁涂裝項(xiàng)目開工前，對(duì)智能涂裝設(shè)備展開研究和開發(fā)，搭建了一條包含智能化噴砂及噴漆設(shè)備的涂裝生產(chǎn)線。其研究成果及生產(chǎn)線在常泰長(zhǎng)江大橋鋼結(jié)構(gòu)涂裝項(xiàng)目中得到了良好的運(yùn)用，為橋梁制造實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 智能化涂裝設(shè)備總體方案

1.1 噴砂車間智能化設(shè)備布局設(shè)計(jì)

結(jié)合常泰長(zhǎng)江大橋桁梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)中鐵寶橋揚(yáng)州基地的4號(hào)噴砂廠房進(jìn)行改造，在頂部安裝一臺(tái)龍門式噴砂機(jī)器人，底部配備兩臺(tái)可自由移動(dòng)的輪式噴砂機(jī)器人，可對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的絕大部分作業(yè)面進(jìn)行智能化噴砂作業(yè)。

1.2 智能涂裝車間工藝布局設(shè)計(jì)

針對(duì)中鐵寶橋揚(yáng)州基地的5號(hào)涂裝廠房進(jìn)行改造，再涂裝房?jī)蓚?cè)各安裝一臺(tái)懸臂式噴漆機(jī)器人，底部配備兩臺(tái)可自由移動(dòng)的輪式噴漆機(jī)器人，可對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的絕大部分作業(yè)面進(jìn)行智能化噴漆作業(yè)。

2 智能化涂裝設(shè)備功能參數(shù)及相關(guān)工藝流程

2.1 智能化噴砂系統(tǒng)

2.1.1 噴砂設(shè)備基本功能及參數(shù)

（1）頂部天車機(jī)器人的基本功能及參數(shù)。

①通過(guò)機(jī)器人程序自動(dòng)完成橋面板頂面、鋼桁梁頂面及部分側(cè)面的自動(dòng)噴砂施工，天車噴砂機(jī)器人單臺(tái)最多可攜帶兩個(gè)噴砂槍；

②設(shè)備配有安全預(yù)警急停裝置，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或粉塵濃度超標(biāo)時(shí)，自動(dòng)報(bào)警，設(shè)備同時(shí)可一鍵急停；

③程序可通過(guò)離線編程、在線編程、示教編程三種方式進(jìn)行編制；

④噴砂過(guò)程數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄（噴砂設(shè)備電源啟停、空壓機(jī)啟停、機(jī)器人運(yùn)行速度、工作時(shí)機(jī)器人各個(gè)軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)等）；

⑤數(shù)據(jù)可以下載、可上傳。

天車機(jī)器人共配備8個(gè)軸用于控制噴槍，可按工藝參數(shù)要求到達(dá)各個(gè)作業(yè)點(diǎn)，具體各軸參數(shù)如表1所示。

表1 天車式機(jī)器人設(shè)備規(guī)格及參數(shù)

（2）底部輪式噴砂機(jī)器人的基本功能及參數(shù)。

①可通過(guò)機(jī)器人程序或人工操控的方式，完成橋面板底面、鋼桁梁底面及部分側(cè)面的噴砂作業(yè)；

②噴砂過(guò)程中，機(jī)械臂可延梁寬方向勻速行走噴砂區(qū)域，寬幅約為2.6m，行走速度約為1.5~2.5m/min；

③噴砂小車前后部均有清砂鏟，可將地面的鋼砂清除至小車行走路線兩側(cè)，保證小車行走的穩(wěn)定性；

④噴砂作業(yè)時(shí)間、啟停狀態(tài)、故障報(bào)警等信息數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，可以保存。

底部輪式噴砂機(jī)器人通過(guò)可移動(dòng)平臺(tái)，搭載7軸機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴槍的控制，具體各軸參數(shù)如表2所示。

表2 底部輪式噴砂機(jī)器人規(guī)格和參數(shù)

2.1.2 智能化噴砂設(shè)備施工步驟

（1）運(yùn)梁車裝載梁段進(jìn)入噴砂車間。預(yù)先在車間內(nèi)設(shè)置支墩點(diǎn)標(biāo)志，將梁段放置其上。每次落墩位置大致相同，定位精度在50cm以內(nèi)。

（2）噴砂機(jī)器人接入噴砂系統(tǒng)。將機(jī)器人噴砂管線接入噴砂主機(jī)，使其滿足不間斷連續(xù)噴砂。噴砂參數(shù)能與機(jī)器人的行走速度聯(lián)動(dòng)；并具備壓力檢測(cè)、流量檢測(cè)等功能，實(shí)現(xiàn)噴砂作業(yè)時(shí)噴砂主機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）調(diào)用機(jī)器人噴砂程序。調(diào)出梁段對(duì)應(yīng)的機(jī)器人程序，使用優(yōu)化完成的噴砂參數(shù)對(duì)起始點(diǎn)進(jìn)行示教，使用測(cè)量程序?qū)ぜM(jìn)行定位，將機(jī)器人程序微調(diào)。

（4）開啟噴槍對(duì)鋼梁進(jìn)行噴砂處理。天車噴砂機(jī)器人以0.5m/min的速度，沿著梁段的寬度方向定速行進(jìn)，噴砂槍以60°的幅度、100次/min的擺頻擺動(dòng)噴砂，按預(yù)先編排好的工作路徑完成作業(yè)后，噴槍系統(tǒng)停止作業(yè)。整個(gè)系統(tǒng)從噴砂起始點(diǎn)開始進(jìn)行相應(yīng)的噴砂工作，通過(guò)運(yùn)行機(jī)器人程序按既定的行走路徑進(jìn)行噴砂作業(yè)，底部輪式噴砂機(jī)器人駛?cè)腩A(yù)定位置，噴砂槍以60°的幅度、100次/min的擺頻擺動(dòng)噴砂，按預(yù)先編排好的工作路徑完成作業(yè)后，噴槍系統(tǒng)停止作業(yè)。

2.2 智能化噴漆系統(tǒng)

2.2.1 噴漆設(shè)備基本功能及參數(shù)

（1）懸臂機(jī)器人的基本功能及參數(shù)。

①通過(guò)機(jī)器人程序自動(dòng)完成鋼梁頂面、部分側(cè)面的噴漆施工；

②配置的供漆系統(tǒng)采用雙組分自動(dòng)混合供漆系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)即混即用，具備自動(dòng)啟停槍、自動(dòng)供料的功能；

③程序可通過(guò)離線編程、在線編程、示教編程三種方式進(jìn)行編制；

④設(shè)備可從集控室內(nèi)遠(yuǎn)程急停；

⑤在噴漆過(guò)程中的所有技術(shù)數(shù)據(jù)如溫度、壓力、混合比例和流量等需要有詳細(xì)的實(shí)時(shí)記錄，并且可以從設(shè)備上下載形成報(bào)告，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制；

⑥所有工藝參數(shù)均可以數(shù)字化設(shè)定，用戶只需設(shè)定好工藝參數(shù)，噴漆機(jī)器人將按預(yù)設(shè)的程序自動(dòng)運(yùn)行,并保證工藝參數(shù)穩(wěn)定；

⑦數(shù)據(jù)可以下載、可上傳。

懸臂噴漆機(jī)器人共配置10個(gè)軸，采用軌道式安裝方式，可完成鋼梁全部外露面的自動(dòng)噴漆。其中10個(gè)軸用于控制噴槍的運(yùn)動(dòng)，具體各軸參數(shù)如表3所示。

表3 懸臂噴漆機(jī)器人設(shè)備規(guī)格及參數(shù)

（2）底部輪式噴漆機(jī)器人的基本功能及參數(shù)。

①可通過(guò)機(jī)器人程序或人工操控的方式，完成橋面板底面、鋼桁梁底面及部分側(cè)面的噴漆作業(yè)；

②噴漆過(guò)程中，機(jī)械臂可沿梁寬方向勻速行走，寬幅約為2.6m，行走速度約為1.5~2.5m/min；

③配置的供漆系統(tǒng)采用雙組分自動(dòng)混合供漆系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)即混即用，具備自動(dòng)啟停槍、自動(dòng)供料的功能；

④噴砂作業(yè)時(shí)間、啟停狀態(tài)、故障報(bào)警等信息數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，可以保存。

底部輪式噴漆機(jī)器人通過(guò)可移動(dòng)平臺(tái)，搭載7軸機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴槍的控制，具體各軸參數(shù)如表4所示。

表4 底部輪式噴漆機(jī)器人設(shè)備規(guī)格和參數(shù)

2.2.2 智能化噴漆設(shè)備施工步驟

（1）運(yùn)梁車裝載梁段進(jìn)入噴漆車間。預(yù)先在車間內(nèi)設(shè)置支墩點(diǎn)標(biāo)志，將上次橋面板放置在其上。每次落墩位置大致相同，定位精度在50cm以內(nèi)。

（2）噴漆機(jī)器人接入噴漆系統(tǒng)。使用帶有流量、壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控的空壓機(jī)連接至固瑞克噴漆泵，接好氣管、漆管，開啟泵上氣閥。

（3）調(diào)出梁段對(duì)應(yīng)的機(jī)器人程序，使用優(yōu)化完成的噴漆參數(shù)對(duì)起始點(diǎn)進(jìn)行示教，使用測(cè)量程序?qū)ぜM(jìn)行定位，將機(jī)器人程序微調(diào)。

（4）開啟噴槍對(duì)鋼桁梁進(jìn)行噴漆處理。懸臂機(jī)器人以250mm/s的軌跡速度在預(yù)先擬定的工作路徑上運(yùn)行，使用脈沖信號(hào)控制供漆泵在噴槍離開工作面時(shí)提前停槍，在達(dá)到工作面時(shí)提前進(jìn)行開槍程序，完成作業(yè)后自動(dòng)關(guān)閉供漆及供氣系統(tǒng)。

3 智能化中控系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)由工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)工作站（或服務(wù)器）、工業(yè)級(jí)監(jiān)控主機(jī)、終端機(jī)等組成，能實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的調(diào)度、監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和獲取、數(shù)據(jù)貯存、數(shù)據(jù)分發(fā)和上傳、數(shù)據(jù)判斷和統(tǒng)計(jì)分析、生產(chǎn)線工藝管理、產(chǎn)品信息管理、生產(chǎn)任務(wù)和物流信息管理、作業(yè)人員管理、設(shè)備管理等功能。

控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控各設(shè)備的工作狀態(tài)，控制人員通過(guò)控制系統(tǒng)可對(duì)各設(shè)備的作業(yè)流程進(jìn)行設(shè)置。單個(gè)設(shè)備可從生產(chǎn)線分離，用于設(shè)備維修和調(diào)試，不影響生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。管理、監(jiān)測(cè)、控制和調(diào)度各設(shè)備和各設(shè)備間的動(dòng)作、動(dòng)作協(xié)調(diào)、互鎖、安全距離、信息交互、暫停/中止運(yùn)行、關(guān)/開機(jī)。采集或獲取系統(tǒng)內(nèi)各裝置信息，包括但不限于以下內(nèi)容：裝置的名稱、作業(yè)狀態(tài)、報(bào)警信息，并將上述信息進(jìn)行管理、保存和查詢。實(shí)時(shí)圖示化（可視化）顯示生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)、人員狀態(tài)、作業(yè)狀態(tài)。

中控室計(jì)算機(jī)可監(jiān)測(cè)各工序的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)狀態(tài)。機(jī)器人控制系統(tǒng)具備機(jī)器人軌跡監(jiān)測(cè)功能，中控室可在線顯示機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)和位置，噴砂除銹和噴漆工序的自動(dòng)化設(shè)備可通過(guò)各自車間的控制單元，經(jīng)局域網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)（包括噴砂除銹：現(xiàn)場(chǎng)溫度、露點(diǎn)、濕度、噴砂壓力、壓縮空氣流量、作業(yè)起始時(shí)間、噴砂機(jī)器人即時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)、設(shè)備故障反饋等信息；噴漆：現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度、噴漆壓力、噴漆機(jī)器人即時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)、供漆系統(tǒng)料位報(bào)警、可燃?xì)怏w濃度、各類報(bào)警等信息）傳輸至中控室服務(wù)器。通過(guò)搭建涂裝廠房的三維仿真環(huán)境，在中控室計(jì)算機(jī)上模擬機(jī)器人動(dòng)作路徑來(lái)監(jiān)測(cè)各工序的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)狀態(tài)，直觀形象地顯示設(shè)備狀態(tài)、當(dāng)前加工任務(wù)、工作人員等電子信息，中控室的監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)也應(yīng)具備與BIM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能。

4 智能化設(shè)備的先進(jìn)性

4.1 多自由度機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)

（1）噴砂機(jī)器人由頂部龍門機(jī)器人和底部可移動(dòng)式噴砂機(jī)器人組成，定位精準(zhǔn)，移動(dòng)靈活；噴漆機(jī)器人由懸臂十軸機(jī)器人及可移動(dòng)式噴漆機(jī)器人組成，既能較快地完成大平面作業(yè)，又可針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜處進(jìn)行靈活處理。

（2）噴砂機(jī)器人為適應(yīng)打砂間惡劣的工作環(huán)境專門設(shè)計(jì)，本體部分為耐磨抗打擊材料，機(jī)器人的傳動(dòng)及電氣等薄弱部位均為獨(dú)特的密閉性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，穩(wěn)定可靠，在噴砂行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。

（3）噴涂機(jī)器人可處理梁段的上橋面、下橋面、桁架等外表面，并采用正壓防爆設(shè)計(jì)；用途廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)、兼容性強(qiáng)，可以用于各類產(chǎn)品。

4.2 生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控

（1）系統(tǒng)安裝壓縮空氣流量傳感器，監(jiān)測(cè)各噴槍的運(yùn)行情況，是否在正常作業(yè)。

（2）機(jī)器人專用智能數(shù)控型噴砂主機(jī)的空氣壓力調(diào)節(jié)、砂流量調(diào)節(jié)等均為數(shù)控伺服控制，噴砂參數(shù)能與機(jī)器人的行走速度聯(lián)網(wǎng)、聯(lián)動(dòng)；具備壓力檢測(cè)、流量檢測(cè)及壓力自動(dòng)調(diào)整、砂流量自動(dòng)調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)智能化。

（3）噴漆系統(tǒng)設(shè)有涂料流量傳感器，監(jiān)測(cè)噴漆槍的運(yùn)行情況，是否在正常作業(yè)。

（4）如果發(fā)現(xiàn)不正常的情況，系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警，并依據(jù)程序設(shè)定馬上進(jìn)行處理。

4.3 采用標(biāo)準(zhǔn)通用開放的機(jī)器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）簡(jiǎn)單易用：豐富的機(jī)器人模版程序，快速搭建；向?qū)降木幊谭绞剑焖偕鲜郑▏娡浚a垛，跟蹤）；可通過(guò)3D模擬快速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人程序和設(shè)備工藝流程的創(chuàng)建、優(yōu)化、驗(yàn)證和可視化，減少工程師現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。

（2）快速準(zhǔn)確：豐富的加速度曲線類型，機(jī)器人動(dòng)態(tài)表現(xiàn)可快可柔；基于動(dòng)力學(xué)模型，使用扭矩前饋功能，可提高伺服的響應(yīng)速度，提高機(jī)器人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和精度；通過(guò)軸濾波時(shí)間功能，使機(jī)器人的軌跡更平滑，減少抖動(dòng)，提高精度；基于動(dòng)力學(xué)模型的扭矩限制，可以在保護(hù)機(jī)器人硬件本體的前提下，將機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能發(fā)揮到極致。

（3）開放性：示教器畫面客戶可自由編輯和修改；示教器宏指令客戶可根據(jù)需要做修改和開發(fā)；支持快速配置客戶自定義非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人模型；可開發(fā)集成使用C或者C++語(yǔ)言編寫的功能庫(kù)。

5 效益分析

當(dāng)前單臺(tái)噴砂機(jī)器人可滿足120㎡/h的工作效率，對(duì)比以往單臺(tái)人工噴砂效率20㎡/h，其效率提升600%。單臺(tái)噴漆機(jī)器人智能涂裝效率約為400㎡/h，較人工噴漆效率350㎡/h，其效率提升114%。

同時(shí)作業(yè)質(zhì)量較人工相比更加穩(wěn)定，且漆面均勻，油漆附著力較好，滿足常泰大橋涂裝體系質(zhì)量要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，橋梁制造的智能化轉(zhuǎn)型是橋梁發(fā)展歷程的必經(jīng)之路，就涂裝領(lǐng)域而言，利用智能化涂裝設(shè)備來(lái)代替人工作業(yè)，不但可提升作業(yè)效率，還可提升產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，加強(qiáng)勞動(dòng)保護(hù)。目前，橋梁智能化涂裝設(shè)備還有很多類似編程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜處存在移動(dòng)干涉等問(wèn)題，還需要繼續(xù)通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，為橋梁智能制造目標(biāo)再立新功。