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我國(guó)現(xiàn)階段從造橋總量來(lái)說(shuō)，已成為世界第一，但離造橋強(qiáng)國(guó)還有一定差距，無(wú)論在精細(xì)化方面，還是在工藝裝備先進(jìn)性方面，均落后于美國(guó)和日本。近年來(lái)，隨著港珠澳大橋等工程的建造，在鋼橋制造的機(jī)械化、自動(dòng)化、工廠化、大型化方面取得了重大突破和提升，但作為影響橋梁全壽命周期最關(guān)鍵耐久性的表面涂裝施工仍然處于傳統(tǒng)的手工作業(yè)階段。尤其隨著社會(huì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，愿意從事手工噴砂和涂裝等苦、臟、累作業(yè)的技術(shù)工人越來(lái)越少，人工成本逐年上升，必將嚴(yán)重制約行業(yè)的健康發(fā)展涂料在線coatingol.com。因此，研究、開(kāi)發(fā)機(jī)械化、智能化的涂裝施工生產(chǎn)線是行業(yè)發(fā)展的迫切需要。本文結(jié)合溫州甌江北口大橋鋼桁梁項(xiàng)目，對(duì)鋼橋梁智能化噴砂系統(tǒng)和噴漆系統(tǒng)、智能控制等方面進(jìn)行了深入研究[1]，成功開(kāi)發(fā)并建造一條適合鋼桁梁橋涂裝作業(yè)的智能化生產(chǎn)線。

１智能涂裝生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)方案

1.1鋼桁梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

溫州甌江北口大橋是世界首座三塔四跨雙層公路鋼桁梁懸索橋，系國(guó)家“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)工程，是交通部首批8個(gè)綠色公路建設(shè)典型示范項(xiàng)目中唯一一座橋梁工程。主橋鋼桁梁采用整節(jié)段制造和安裝，全橋共計(jì)110個(gè)制造大節(jié)段。

綜合考慮鋼桁梁大節(jié)段整體尺寸特點(diǎn)，制定“分級(jí)分步”制造和涂裝工藝，將大節(jié)段劃分為2個(gè)主桁桁片及上、下橋面塊體分別進(jìn)行制造和防腐涂裝，再進(jìn)行大節(jié)段總拼，有效提高大節(jié)段制造效率，如圖1所示。

圖1 鋼桁梁大節(jié)段結(jié)構(gòu)及分塊圖

主桁桁片最大外輪廓凈尺寸為20.2m×14.7m×3.8m，形狀不規(guī)則，高低落差較大，腹桿與弦桿連接處結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，騰挪空間狹?。粯蛎鎵K體外輪廓凈尺寸為36.2m×20.2m×2.5m，橫向跨度較大，下部U肋數(shù)量較多，工件本身支墩數(shù)需求多，支墩高度相對(duì)較低。

1.2智能?chē)娚败?chē)間工藝布局設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼桁梁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)分析研究，擬對(duì)中鐵寶橋（揚(yáng)州）有限公司現(xiàn)有4號(hào)噴砂車(chē)間進(jìn)行改造，即在現(xiàn)有噴砂車(chē)間基礎(chǔ)上增加頂部行車(chē)噴砂機(jī)器人和底部輪式噴砂機(jī)器人代替人工，同時(shí)通過(guò)電氣控制系統(tǒng)把噴砂車(chē)間的噴砂機(jī)、回砂系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)等生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集成，實(shí)現(xiàn)智能控制。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，現(xiàn)有噴砂間內(nèi)部長(zhǎng)度約52m，內(nèi)空寬度23.46m，內(nèi)空高度7.8m，砂房立柱截面尺寸300mm×400mm，間距7.5m。經(jīng)計(jì)算分析，在砂房?jī)蓚?cè)鋼結(jié)構(gòu)立柱上焊接牛腿支撐機(jī)器人行走龍門(mén)架，龍門(mén)大梁上布置雙梁機(jī)器人，跨度約23m，大梁行走軌道長(zhǎng)度約45m，大梁的支撐高度約5m，大梁及行走軌道總質(zhì)量約8t，可滿足鋼桁梁頂部和側(cè)部的噴砂除銹。底部輪式機(jī)器人可自行驅(qū)動(dòng)在鋼桁梁底部自由行走，實(shí)現(xiàn)底部和側(cè)面的噴砂除銹，總體布局如圖2所示。

圖2 智能?chē)娚败?chē)間布置

1.3智能涂裝車(chē)間工藝布局設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼桁梁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)涂裝車(chē)間設(shè)備和系統(tǒng)的智能化研究，擬在中鐵寶橋（揚(yáng)州）有限公司現(xiàn)有5號(hào)涂裝車(chē)間增加2臺(tái)智能懸臂式噴漆機(jī)器人，懸臂機(jī)器人采用地面軌道行走方式，在現(xiàn)有的混凝土承載地面上鋪設(shè)行走軌道，無(wú)需對(duì)廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造?，F(xiàn)有噴漆車(chē)間內(nèi)空長(zhǎng)度約56m，內(nèi)空寬度約32.5m，凈空高度約8.1m。機(jī)器人軌道縱向長(zhǎng)度46.99m,中心間距21.6m,總體布局如圖3所示。

圖3 智能涂裝車(chē)間布置

2 智能涂裝裝備技術(shù)研究

2.1智能?chē)娚跋到y(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

2.1.1頂部天車(chē)機(jī)器人

頂部天車(chē)機(jī)器人噴砂系統(tǒng)采用龍門(mén)雙梁設(shè)計(jì)，搭載噴涂機(jī)械臂，機(jī)械臂端頭攜帶噴砂槍頭。機(jī)器人共配置8個(gè)軸用于控制噴槍的運(yùn)動(dòng)，噴槍的8個(gè)自由度如表1和圖4所示（圖中的8個(gè)軸同表1中的8個(gè)軸）。

表1 頂部龍門(mén)八軸機(jī)器人參數(shù)

圖4 頂部龍門(mén)八軸機(jī)器人

頂部天車(chē)機(jī)器人在運(yùn)行前，根據(jù)橋面塊體和鋼桁片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，編輯運(yùn)行軌跡并生成專(zhuān)用程序，如圖5所示。頂部天車(chē)機(jī)器人從始點(diǎn)開(kāi)始，配合8軸聯(lián)動(dòng)完成橋面塊體和桁片的噴砂除銹工作。

圖5 頂部天車(chē)機(jī)器人噴砂運(yùn)行軌跡

選取噴槍壓力為8kgf/cm2時(shí)，分別按距離工件200mm、300mm、400mm、500mm、600mm、700mm、800mm、900mm、1000mm、1200mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：(1)當(dāng)距離＜700mm時(shí)，砂粒速度還沒(méi)有加速到最大，噴砂打擊力量較小，噴砂效率低，當(dāng)距離＞1200mm時(shí)，砂粒飛行速度衰減比較厲害，噴砂效果比較差。（2）在700~1200mm范圍內(nèi)，距離越近，打擊力量越大；但噴射出來(lái)的砂粒覆蓋面積小，為達(dá)到均勻噴砂效果，需要更快的擺動(dòng)速度和更頻繁的姿勢(shì)變換。噴槍距離工件的距離選擇800~1000mm比較合適。

此外，噴嘴流量與噴嘴直徑、噴嘴工作壓力的關(guān)系（多次試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及類(lèi)比計(jì)算）如表2所示。

表2 噴嘴流量與噴嘴直徑、噴嘴工作壓力的關(guān)系

通過(guò)工藝試驗(yàn)比對(duì)，選取最佳工藝參數(shù)：噴嘴直徑17mm,噴砂壓力8.4kgf/cm2，流量為40m3/min，噴距為800～1000mm，噴槍擺動(dòng)角度70°，噴幅寬度S=2*L*tan(70/2)=1120mm，移動(dòng)速度1.5～3m/min，搭接寬度8～10cm，噴砂效率S=1*1.5*60～1*3*60=90～180。

2.1.2底部輪式機(jī)器人

底部輪式機(jī)器人噴砂系統(tǒng)采用可移動(dòng)小車(chē)搭載機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式，機(jī)械臂端頭攜帶噴砂槍頭，小車(chē)上配有觀察室，施工人員可及時(shí)觀察噴涂作業(yè)時(shí)的情況，并在觀察室內(nèi)可控制小車(chē)的移動(dòng)、轉(zhuǎn)向、啟停及機(jī)械臂的移動(dòng)。機(jī)器人也配置8個(gè)自由度，可兼顧鋼桁架底部及橋面塊體底部的自動(dòng)噴砂。

底部噴砂機(jī)器人技術(shù)參數(shù)如表3和圖6（圖中的8個(gè)軸同表1中的8個(gè)軸）所示。

表3 底部噴砂機(jī)器人參數(shù)

圖6 底部噴砂機(jī)器人

底部噴砂機(jī)器人在運(yùn)行前，根據(jù)橋面塊體和主桁桁片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，編輯運(yùn)行軌跡并生成專(zhuān)用程序，如圖7所示。機(jī)器人從起始點(diǎn)開(kāi)始配合8軸聯(lián)動(dòng)完成整個(gè)橋面板鋼橋面和桁片的噴涂的工作。

圖7 底部噴砂機(jī)器人噴砂運(yùn)行軌跡

通過(guò)工藝試驗(yàn)比對(duì)，底部噴砂機(jī)器人工藝參數(shù)與頂部噴砂機(jī)器人參數(shù)基本一致，即,噴砂壓力8.4kgf/cm2，流量為40m3/min，噴距為800～1000mm，噴槍擺動(dòng)角度70°，噴幅寬度S=2*l*tan(70/2)=1120mm，移動(dòng)速度1.5～3m/min，搭接寬度8～10cm，噴砂效率S=1*1.5*60～1*3*60=90～180。

2.2智能化噴漆系統(tǒng)研發(fā)及運(yùn)用

智能化噴漆系統(tǒng)由2臺(tái)懸臂式機(jī)器人構(gòu)成，懸臂噴漆機(jī)器人共配置8個(gè)軸用于控制噴槍的運(yùn)動(dòng)。噴漆機(jī)器人技術(shù)參數(shù)如表4和圖8所示。

表4 懸臂噴漆機(jī)器人參數(shù)

圖8 懸臂噴漆機(jī)器人

整個(gè)系統(tǒng)從噴涂起始點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的噴涂工作，工作路徑的方向如圖9所示。配合8軸聯(lián)動(dòng)，完成整個(gè)橋面板鋼橋面及斜頂面的噴涂的工作。

圖9 懸臂噴漆機(jī)器人噴漆運(yùn)行路徑

經(jīng)多次實(shí)際噴漆實(shí)驗(yàn)，當(dāng)噴槍距離工件太近時(shí)，漆霧霧化效果差，影響涂層成膜質(zhì)量。當(dāng)噴槍距離工件太遠(yuǎn)時(shí)，油漆上漆率低、油漆浪費(fèi)嚴(yán)重，綜合考慮后，選取最佳工藝參數(shù)：噴嘴直徑0.055in，噴嘴型號(hào)855，噴涂幅寬0.5～0.8m，搭接寬度3～5cm，移動(dòng)速度150～300mm/s，噴漆壓力為0.6MPa，流量為3m3/min，噴距為500mm，噴槍與工作面夾角為目視90°噴漆效率：S=0.377*(120～250)*3600/1000=163～340m2/h。

懸臂噴漆機(jī)器人工作實(shí)況如圖10所示。

圖10 懸臂噴漆機(jī)器人工作實(shí)況

3智能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)

根據(jù)智能涂裝作業(yè)需求，開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)精細(xì)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，根據(jù)集散控制原則（集中控制與分散控制相結(jié)合），用可編輯邏輯控制器（PLC）對(duì)主要設(shè)備、閥門(mén)進(jìn)行全面控制，各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)都會(huì)在顯示屏上反映。以顯示屏加觸摸屏作為系統(tǒng)的操作及監(jiān)控平臺(tái)，整個(gè)系統(tǒng)分為設(shè)備層、控制層、監(jiān)控層3個(gè)層次。設(shè)備層以PLC遠(yuǎn)程連接各I/O受控設(shè)備，控制層以PLC作為系統(tǒng)的控制主機(jī)，監(jiān)控層以顯示器和彩色觸摸屏作為系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)，動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)I/O設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。為操作人員提供一個(gè)人性化的操作環(huán)境，及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀況（集控室）,如圖11所示。

圖11 智能監(jiān)控大屏

此外，系統(tǒng)集成控制配有管理軟件系統(tǒng)，管理系統(tǒng)包括以下內(nèi)容：動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)I/O設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行/停止；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能化涂裝系統(tǒng)的作業(yè)情況進(jìn)行視頻監(jiān)控，并歸檔為施工錄像；另外還可對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的報(bào)警信息的時(shí)間及相關(guān)問(wèn)題（因設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，所以故障定位的報(bào)警信息非常精確）、設(shè)備運(yùn)行情況、設(shè)備維護(hù)記錄、歷史操作記錄、操作時(shí)間（包括相對(duì)應(yīng)的噴涂的梁段號(hào)）、操作人員等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，以上信息均可通過(guò)工業(yè)5G網(wǎng)傳輸至建筑信息模型（BIM）系統(tǒng)，使智能施工作業(yè)的整體過(guò)程具有可追溯性。

同時(shí)，涂裝房?jī)?nèi)配備有溫濕度傳感器、粉塵濃度傳感器、漆霧測(cè)爆儀等傳感報(bào)警裝置，供料系統(tǒng)中配備有壓力傳感器，可監(jiān)測(cè)噴砂壓力、噴漆壓力等數(shù)據(jù)，以保證涂裝施工環(huán)境及設(shè)備狀態(tài)滿足要求。

4智能涂裝生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)

4.1功效提升

以為溫州甌江北口大橋標(biāo)準(zhǔn)大節(jié)段為例進(jìn)行功效分析，如表5所示。

表5 功效分析

由表5可以看出，噴砂功效整體提升500%，噴漆功效提升114%，整體提升效果明顯，后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，提升功效。

4.2質(zhì)量提升

智能?chē)娚皺C(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)控制，能夠保證鋼梁表面噴砂質(zhì)量均勻一致，噴涂均勻，質(zhì)量穩(wěn)定，安全高效。用機(jī)械裝備代替人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化作業(yè)，在線智能監(jiān)測(cè)，生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少人工因個(gè)人習(xí)慣、工作經(jīng)驗(yàn)等導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷發(fā)生，系統(tǒng)具備對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)優(yōu)化、在線監(jiān)測(cè)和故障診治、制造信息全程跟蹤和產(chǎn)品質(zhì)量追溯、精益生產(chǎn)管理等功能，在中央計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理下智能協(xié)調(diào)工作。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，溫州甌江北口大橋首輪鋼桁梁節(jié)段涂層厚度均勻一致，厚度偏差控制在±30μm以內(nèi)，涂層附著力最低6.8MPa，平均8.5MPa，均超過(guò)規(guī)范要求。

4.3安全提升

用機(jī)械裝備取代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化作業(yè)，在線智能監(jiān)測(cè)，生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)備故障診斷與預(yù)警，系統(tǒng)具有可視化流程及離線編程軌跡規(guī)劃功能，大大減少人工作業(yè)時(shí)間和空間，提升了本質(zhì)安全。噴漆系統(tǒng)采取防爆設(shè)計(jì)，選用防爆型電機(jī)及電器元件，主要電控元件布置在防爆電控箱內(nèi)，保證噴涂系統(tǒng)運(yùn)行安全。針對(duì)噴砂、噴漆過(guò)程中產(chǎn)生的危險(xiǎn)因素建立了安全隱患預(yù)判預(yù)警、系統(tǒng)智能運(yùn)行，保障安全生產(chǎn)。

5結(jié)語(yǔ)

智能涂裝生產(chǎn)線作為鋼橋梁智能制造研究成果之一，已成功應(yīng)用在溫州甌江北口大橋鋼桁梁涂裝施工中，大幅提升了鋼桁梁橋涂裝生產(chǎn)效率和質(zhì)量，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在行業(yè)內(nèi)具有廣泛推廣價(jià)值。

橋梁涂裝智能化是未來(lái)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，將會(huì)得到更普及的應(yīng)用。為了更好地促進(jìn)涂裝行業(yè)的發(fā)展，上下游企業(yè)仍須在智能涂裝設(shè)備的性能上不斷的優(yōu)化和完善，繼續(xù)優(yōu)化智能涂裝設(shè)備在復(fù)雜空間應(yīng)用性能，如鋼橋梁一些死角、棱邊加勁等位置，不斷提高設(shè)備的穩(wěn)定性，繼續(xù)深入開(kāi)展智能涂裝質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用等。