橋梁鋼結構智能化涂裝設備的開發與應用研究

李鴻偉 厲志成 張 岳

（鎮江藍舶科技股份有限公司，江蘇 鎮江 212000）

0 引言

常泰長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構梁段的尺寸及結構形式、涂裝廠房的凈空尺寸及相關配套設備的擺放影響等多方面因素綜合決定。在常泰長江大橋鋼梁涂裝項目開工前，對智能涂裝設備展開研究和開發，搭建了一條包含智能化噴砂及噴漆設備的涂裝生產線。其研究成果及生產線在常泰長江大橋鋼結構涂裝項目中得到了良好的運用，為橋梁制造實現智能化轉型奠定了一定的基礎。

1 智能化涂裝設備總體方案

1.1 噴砂車間智能化設備布局設計

結合常泰長江大橋桁梁的結構特點，對中鐵寶橋揚州基地的4號噴砂廠房進行改造，在頂部安裝一臺龍門式噴砂機器人，底部配備兩臺可自由移動的輪式噴砂機器人，可對鋼結構的絕大部分作業面進行智能化噴砂作業。

1.2 智能涂裝車間工藝布局設計

針對中鐵寶橋揚州基地的5號涂裝廠房進行改造，再涂裝房兩側各安裝一臺懸臂式噴漆機器人，底部配備兩臺可自由移動的輪式噴漆機器人，可對鋼結構的絕大部分作業面進行智能化噴漆作業。

2 智能化涂裝設備功能參數及相關工藝流程

2.1 智能化噴砂系統

2.1.1 噴砂設備基本功能及參數

（1）頂部天車機器人的基本功能及參數。

①通過機器人程序自動完成橋面板頂面、鋼桁梁頂面及部分側面的自動噴砂施工，天車噴砂機器人單臺最多可攜帶兩個噴砂槍；

②設備配有安全預警急停裝置，當設備出現故障或粉塵濃度超標時，自動報警，設備同時可一鍵急停；

③程序可通過離線編程、在線編程、示教編程三種方式進行編制；

④噴砂過程數據自動記錄（噴砂設備電源啟停、空壓機啟停、機器人運行速度、工作時機器人各個軸運動狀態數據等）；

⑤數據可以下載、可上傳。

天車機器人共配備8個軸用于控制噴槍，可按工藝參數要求到達各個作業點，具體各軸參數如表1所示。

表1 天車式機器人設備規格及參數

（2）底部輪式噴砂機器人的基本功能及參數。

①可通過機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面的噴砂作業；

②噴砂過程中，機械臂可延梁寬方向勻速行走噴砂區域，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，保證小車行走的穩定性；

④噴砂作業時間、啟停狀態、故障報警等信息數據自動記錄，可以保存。

底部輪式噴砂機器人通過可移動平臺，搭載7軸機械臂，實現對噴槍的控制，具體各軸參數如表2所示。

表2 底部輪式噴砂機器人規格和參數

2.1.2 智能化噴砂設備施工步驟

（1）運梁車裝載梁段進入噴砂車間。預先在車間內設置支墩點標志，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。

（2）噴砂機器人接入噴砂系統。將機器人噴砂管線接入噴砂主機，使其滿足不間斷連續噴砂。噴砂參數能與機器人的行走速度聯動；并具備壓力檢測、流量檢測等功能，實現噴砂作業時噴砂主機參數實時監控。

（3）調用機器人噴砂程序。調出梁段對應的機器人程序，使用優化完成的噴砂參數對起始點進行示教，使用測量程序對工件進行定位，將機器人程序微調。

（4）開啟噴槍對鋼梁進行噴砂處理。天車噴砂機器人以0.5m/min的速度，沿著梁段的寬度方向定速行進，噴砂槍以60°的幅度、100次/min的擺頻擺動噴砂，按預先編排好的工作路徑完成作業后，噴槍系統停止作業。整個系統從噴砂起始點開始進行相應的噴砂工作，通過運行機器人程序按既定的行走路徑進行噴砂作業，底部輪式噴砂機器人駛入預定位置，噴砂槍以60°的幅度、100次/min的擺頻擺動噴砂，按預先編排好的工作路徑完成作業后，噴槍系統停止作業。

2.2 智能化噴漆系統

2.2.1 噴漆設備基本功能及參數

（1）懸臂機器人的基本功能及參數。

①通過機器人程序自動完成鋼梁頂面、部分側面的噴漆施工；

②配置的供漆系統采用雙組分自動混合供漆系統，實現即混即用，具備自動啟停槍、自動供料的功能；

③程序可通過離線編程、在線編程、示教編程三種方式進行編制；

④設備可從集控室內遠程急停；

⑤在噴漆過程中的所有技術數據如溫度、壓力、混合比例和流量等需要有詳細的實時記錄，并且可以從設備上下載形成報告，實現過程控制；

⑥所有工藝參數均可以數字化設定，用戶只需設定好工藝參數，噴漆機器人將按預設的程序自動運行,并保證工藝參數穩定；

⑦數據可以下載、可上傳。

懸臂噴漆機器人共配置10個軸，采用軌道式安裝方式，可完成鋼梁全部外露面的自動噴漆。其中10個軸用于控制噴槍的運動，具體各軸參數如表3所示。

表3 懸臂噴漆機器人設備規格及參數

（2）底部輪式噴漆機器人的基本功能及參數。

①可通過機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面的噴漆作業；

②噴漆過程中，機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配置的供漆系統采用雙組分自動混合供漆系統，實現即混即用，具備自動啟停槍、自動供料的功能；

④噴砂作業時間、啟停狀態、故障報警等信息數據自動記錄，可以保存。

底部輪式噴漆機器人通過可移動平臺，搭載7軸機械臂，實現對噴槍的控制，具體各軸參數如表4所示。

表4 底部輪式噴漆機器人設備規格和參數

2.2.2 智能化噴漆設備施工步驟

（1）運梁車裝載梁段進入噴漆車間。預先在車間內設置支墩點標志，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。

（2）噴漆機器人接入噴漆系統。使用帶有流量、壓力實時監控的空壓機連接至固瑞克噴漆泵，接好氣管、漆管，開啟泵上氣閥。

（3）調出梁段對應的機器人程序，使用優化完成的噴漆參數對起始點進行示教，使用測量程序對工件進行定位，將機器人程序微調。

（4）開啟噴槍對鋼桁梁進行噴漆處理。懸臂機器人以250mm/s的軌跡速度在預先擬定的工作路徑上運行，使用脈沖信號控制供漆泵在噴槍離開工作面時提前停槍，在達到工作面時提前進行開槍程序，完成作業后自動關閉供漆及供氣系統。

3 智能化中控系統

中央控制系統由工業級數據工作站（或服務器）、工業級監控主機、終端機等組成，能實現整條生產線的調度、監測、數據采集和獲取、數據貯存、數據分發和上傳、數據判斷和統計分析、生產線工藝管理、產品信息管理、生產任務和物流信息管理、作業人員管理、設備管理等功能。

控制系統實時監控各設備的工作狀態，控制人員通過控制系統可對各設備的作業流程進行設置。單個設備可從生產線分離，用于設備維修和調試，不影響生產線的正常運行。管理、監測、控制和調度各設備和各設備間的動作、動作協調、互鎖、安全距離、信息交互、暫停/中止運行、關/開機。采集或獲取系統內各裝置信息，包括但不限于以下內容：裝置的名稱、作業狀態、報警信息，并將上述信息進行管理、保存和查詢。實時圖示化（可視化）顯示生產線運行狀態、人員狀態、作業狀態。

中控室計算機可監測各工序的現場生產作業狀態。機器人控制系統具備機器人軌跡監測功能，中控室可在線顯示機器人的運行狀態和位置，噴砂除銹和噴漆工序的自動化設備可通過各自車間的控制單元，經局域網將現場生產作業數據（包括噴砂除銹：現場溫度、露點、濕度、噴砂壓力、壓縮空氣流量、作業起始時間、噴砂機器人即時運動參數、設備故障反饋等信息；噴漆：現場溫度、濕度、噴漆壓力、噴漆機器人即時運動參數、供漆系統料位報警、可燃氣體濃度、各類報警等信息）傳輸至中控室服務器。通過搭建涂裝廠房的三維仿真環境，在中控室計算機上模擬機器人動作路徑來監測各工序的現場生產作業狀態，直觀形象地顯示設備狀態、當前加工任務、工作人員等電子信息，中控室的監控系統平臺也應具備與BIM系統進行數據交互的功能。

4 智能化設備的先進性

4.1 多自由度機器人自動化生產

（1）噴砂機器人由頂部龍門機器人和底部可移動式噴砂機器人組成，定位精準，移動靈活；噴漆機器人由懸臂十軸機器人及可移動式噴漆機器人組成，既能較快地完成大平面作業，又可針對結構復雜處進行靈活處理。

（2）噴砂機器人為適應打砂間惡劣的工作環境專門設計，本體部分為耐磨抗打擊材料，機器人的傳動及電氣等薄弱部位均為獨特的密閉性結構設計，穩定可靠，在噴砂行業有廣泛的應用。

（3）噴涂機器人可處理梁段的上橋面、下橋面、桁架等外表面，并采用正壓防爆設計；用途廣泛、適應性強、兼容性強，可以用于各類產品。

4.2 生產過程實時監控

（1）系統安裝壓縮空氣流量傳感器，監測各噴槍的運行情況，是否在正常作業。

（2）機器人專用智能數控型噴砂主機的空氣壓力調節、砂流量調節等均為數控伺服控制，噴砂參數能與機器人的行走速度聯網、聯動；具備壓力檢測、流量檢測及壓力自動調整、砂流量自動調整功能，實現智能化。

（3）噴漆系統設有涂料流量傳感器，監測噴漆槍的運行情況，是否在正常作業。

（4）如果發現不正常的情況，系統及時報警，并依據程序設定馬上進行處理。

4.3 采用標準通用開放的機器人關節控制系統的優點

（1）簡單易用：豐富的機器人模版程序，快速搭建；向導式的編程方式，快速上手（噴涂，碼垛，跟蹤）；可通過3D模擬快速實現機器人程序和設備工藝流程的創建、優化、驗證和可視化，減少工程師現場調試時間。

（2）快速準確：豐富的加速度曲線類型，機器人動態表現可快可柔；基于動力學模型，使用扭矩前饋功能，可提高伺服的響應速度，提高機器人的動態響應和精度；通過軸濾波時間功能，使機器人的軌跡更平滑，減少抖動，提高精度；基于動力學模型的扭矩限制，可以在保護機器人硬件本體的前提下，將機器人的動態性能發揮到極致。

（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需要做修改和開發；支持快速配置客戶自定義非標準機器人模型；可開發集成使用C或者C++語言編寫的功能庫。

5 效益分析

當前單臺噴砂機器人可滿足120㎡/h的工作效率，對比以往單臺人工噴砂效率20㎡/h，其效率提升600%。單臺噴漆機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%。

同時作業質量較人工相比更加穩定，且漆面均勻，油漆附著力較好，滿足常泰大橋涂裝體系質量要求。

6 結束語

綜上所述，橋梁制造的智能化轉型是橋梁發展歷程的必經之路，就涂裝領域而言，利用智能化涂裝設備來代替人工作業，不但可提升作業效率，還可提升產品質量穩定性，降低勞動強度，加強勞動保護。目前，橋梁智能化涂裝設備還有很多類似編程時間過長、工件結構復雜處存在移動干涉等問題，還需要繼續通過技術改進，對設備進行優化升級，為橋梁智能制造目標再立新功。