智能涂裝在超大型鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

全偉雄 龍漢新

（廣船國際公司辦公室、技術(shù)中心）

0 引言

本文提及的鋼結(jié)構(gòu)工程為某項國家超級工程的隧道沉管鋼殼，用鋼量多達32 萬噸，如此大體量的鋼殼在國內(nèi)乃至全世界尚屬首例。為確保施工質(zhì)量和工程進度，工廠為此專門開發(fā)設(shè)計了智能涂裝系統(tǒng)，實現(xiàn)構(gòu)件除銹、噴涂兩道工序的智能作業(yè)。本文介紹的智能涂裝實現(xiàn)了智能涂裝、遠程監(jiān)控、安全環(huán)保的先進作業(yè)方式，在國內(nèi)為首次應(yīng)用。

1 技術(shù)工藝難點分析

國內(nèi)外涂裝機器人一般應(yīng)用在汽車、高鐵車廂等標準化構(gòu)件中，應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但均不適用于本項目的大型鋼結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵技術(shù)難點有以下幾個方面：

（1）本項目中智能涂裝生產(chǎn)對象為平直框架式鋼結(jié)構(gòu)，單個工件長23 米，寬15 米，高10.6 米，尺寸超大，目前已有的智能涂裝方案不適用本工程的超大工件；

（2）當前應(yīng)用的爬壁式、桁架式和軌道式的噴涂機器人存在效率低、靈活性差、覆蓋范圍小等缺點，不適用于本工程中的超大工件；

（3）打砂工序采用高壓氣流帶動鋼砂的噴丸模式，工作環(huán)境十分惡劣，布滿金屬粉塵的車間會導(dǎo)致機器人機械、電氣部件及關(guān)節(jié)極易老化及損壞，須設(shè)計保護方案來適應(yīng)工況；

（4）鋼殼設(shè)計使用年限為100 年，外表面接觸海水，使用環(huán)境惡劣，海水腐蝕嚴重，涂裝采用玻璃鱗片漆，干膜厚度達700～1000μm。涂裝質(zhì)量要求極高且工作量大；

（5）鋼殼工件有澆筑管、透氣管、預(yù)埋件以及凸起的結(jié)構(gòu)，容易妨礙設(shè)備運行，如發(fā)生碰撞，將損毀設(shè)備以及產(chǎn)生其他安全隱患。

2 技術(shù)工藝方案設(shè)計

為解決本工程在智能涂裝推行中的瓶頸問題，需要在現(xiàn)有的智能制造理論基礎(chǔ)上進行發(fā)展、創(chuàng)新，創(chuàng)造出新的智能涂裝解決方案，既要解決上述提到的工藝技術(shù)難題，又要充分利用現(xiàn)有的車間及附屬設(shè)施，同時不再做大規(guī)模的硬件投資，控制成本和整體進度。針對上述要求，研究了以下技術(shù)方案。

2.1 整體布局方案

由于工件尺寸超大，智能涂裝設(shè)備在橫向及縱深方向必須有足夠的運行覆蓋范圍，保證可全覆蓋工件的上表面和側(cè)面以及部分底部區(qū)域。布局方案在考慮不重建新廠房的前提條件下，對現(xiàn)有廠房進行改造，沿整個車間縱向方向布置天車軌道，配備伸縮臂的天車式智能機器人沿車間縱向及橫向方向移動，保證覆蓋面積足夠大。伸縮臂沿垂直方升降范圍不小于工件高度（10.6m），覆蓋工件側(cè)面區(qū)域。底面采用移動小車式機器人，可沿縱橫方向移動，可移動范圍大于工件投影區(qū)域（23m*15m）。

2.2 設(shè)備功能及配置方案

不考慮重建廠房，利用現(xiàn)有車間及配套附屬設(shè)備提供工件轉(zhuǎn)運和支撐、水電、動能等生產(chǎn)條件。考慮工程體量巨大，施工環(huán)境惡劣，智能設(shè)備在滿足質(zhì)量要求的前提下，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控，高效率智能作業(yè)。根據(jù)合同工期要求，高峰時段兩個月交付一個大管節(jié)（每個大管節(jié)由22 個小節(jié)段組成），智能涂裝每月完成11 個小節(jié)段涂裝方能滿足生產(chǎn)要求。噴砂機器人設(shè)計參數(shù)滿足表1 要求。

2.3 設(shè)備可靠性實現(xiàn)方案

由于作業(yè)環(huán)境惡劣，車間內(nèi)飛行速度為200 米/秒的研磨劑容易對機器人本體造成損壞。根據(jù)上述工況，將噴砂機器人的關(guān)節(jié)等運動部件設(shè)計為空氣正壓的密封腔體，防止惡劣條件下砂粒、砂塵侵入腔體損壞運動部件。電氣設(shè)備的絕緣、管路、外殼采用耐磨材料。設(shè)計方案通過在打砂材料及廠房改造改善施工環(huán)境。施工采用鋼砂，因為其硬度高，不易破碎，不僅能確保工藝要求和粗糙度，而且在噴砂過程中不易因自身破碎而引起粉塵。噴砂車間地面鋪設(shè)鋼板，避免鋼砂與土地接觸混入灰塵。與此同時，車間配備自動除塵設(shè)備，改善作業(yè)工況。通過上述措施，保證機器人及其附屬機構(gòu)能長期在噴砂環(huán)境中穩(wěn)定工作，同時減少維護次數(shù)。

表1 噴砂機器人設(shè)計參數(shù)

表2 小節(jié)段外表面噴砂實際工效分析

表3 小節(jié)段內(nèi)部行車道噴砂實際工效分析

2.4 防阻礙方案

為解決設(shè)備運行通暢問題，我們在電腦中建立工件三維模型，提前模擬好機械臂的運行軌跡，避免阻礙。同時考慮發(fā)生碰撞后自動處理故障，方案設(shè)計在機器人與噴槍連接處增加壓力管路，實時監(jiān)測壓力值判斷設(shè)備與工件有無碰撞，碰撞后壓力傳感器報警，機器人停止動作，待處理故障后重新啟動程序，保障安全生產(chǎn)作業(yè)。硬件的設(shè)計方案為：將噴砂軟管與機器人相連接，噴砂過程中軟管與機器人一同移動，軟管因此不會對機器人造成移動影響和阻礙。

2.5 遠程監(jiān)控方案

在智能方案中設(shè)計人機交互界面，總控室對現(xiàn)場設(shè)備系統(tǒng)進行監(jiān)控、收集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)。監(jiān)控車間內(nèi)噴涂機器人及往復(fù)式自動化噴涂設(shè)備的運行狀態(tài)，反饋每臺機器人噴涂吐出量、霧化扇幅等參數(shù)。系統(tǒng)軟件通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)保存和管理機器人數(shù)據(jù)，監(jiān)控機器人的函數(shù)（運行狀態(tài)、位置等參數(shù)）。

3 智能涂裝的原理及實施應(yīng)用

3.1 智能打砂原理

工件的頂面、側(cè)面及底板的噴砂除銹由2 臺天車式機器人配合一臺小車式移動機器人完成。開啟智能噴砂設(shè)備開始除銹作業(yè)，頂噴、側(cè)噴、底噴三臺設(shè)備同時開啟。天車式噴砂機器人按照預(yù)先編制好的程序軌跡沿廠房縱向及橫向方向移動完成外頂面區(qū)域的施工。天車伸縮臂沿垂直方向根據(jù)噴砂機器人作業(yè)區(qū)域間斷動作，完成鋼殼小節(jié)段側(cè)面施工。噴砂機器人采用伺服電機驅(qū)動，將8 軸相結(jié)合聯(lián)動，可以實現(xiàn)特殊區(qū)域的自動噴砂，易解決工件外頂面澆筑孔、排氣孔及預(yù)埋件周邊的噴砂除銹，見圖1所示。

小車式噴砂機器人負責對工件外底板進行噴砂除銹作業(yè)，離線編程規(guī)劃運行路徑避開支墩，進行自主噴砂作業(yè)。鋼殼噴砂作業(yè)的程序采用離線編程系統(tǒng)和編程模擬軟件完成。小車式噴砂機器人的噴槍按需要與工件的距離及角度均可調(diào)整，可固定到最優(yōu)噴砂質(zhì)量的位置，見圖2 所示。

3.2 智能打砂應(yīng)用實施過程

（1）自動進料噴砂機器人供料系統(tǒng)配備多組壓力噴砂罐，每組噴砂罐內(nèi)設(shè)有兩個艙，艙中配有控制循環(huán)操作的水平傳感器以實現(xiàn)不間斷操作，可在噴砂作業(yè)期間停止噴砂后自主加砂，實現(xiàn)不間斷自動進料。

圖1 噴砂機器人布置圖

圖2 小車式噴砂機器人示意圖

圖3 智能機器人噴砂作業(yè)

圖4 機器人操縱桿

（2）自動噴砂

操作員選擇示點對點示教方式、離線編程等兩種方式進行編輯機器人噴砂作業(yè)程序。點對點示教編程操作：控制面板采用傳統(tǒng)的點對點方式生成機器人程序，控制系統(tǒng)自動計算路線，各軸聯(lián)動；離線編程操作：噴砂機器人離線編程軟件操作便捷，編制新程序的所需要的編程時間少。

噴砂機器人按預(yù)先設(shè)定的程序自動噴砂作業(yè)。在生產(chǎn)作業(yè)過程中，工件進入噴砂廠房內(nèi)，操作員調(diào)取已編輯好的程序，觸動啟動按鈕，機器人即可按固定的軌跡進行噴砂作業(yè)，見圖3 所示。

（3）自動回砂

涂裝廠房配備機械式回砂系統(tǒng)將鋼丸循環(huán)至壓力噴砂罐。散落在小節(jié)段表面處的鋼砂通過噴砂機器人吹落，并可選擇配備小型真空吸砂機輔助回砂。

（4）遠程監(jiān)控

每臺噴砂機器人的控制器中均設(shè)有VPN（遠程監(jiān)控、診斷）連接功能。操作人員通過互聯(lián)網(wǎng)VPN（遠程監(jiān)控、診斷）設(shè)置實時檢測機器人控制器的操作，對噴砂廠房內(nèi)的生產(chǎn)作業(yè)情況進行遠程監(jiān)控。出現(xiàn)錯誤時，操作員可以通過用戶界面瀏覽系統(tǒng)各組件的狀態(tài)，從而快速的發(fā)現(xiàn)問題。機器人控制臺設(shè)在配有噴砂房觀察窗的控制室中，控制臺上設(shè)有系統(tǒng)操作按鈕和控制系統(tǒng)觸摸屏。機器人的軸位運動通過使用操縱桿控制完成，見圖4 所示。

3.3 智能噴涂原理

鋼構(gòu)件外表面的頂面、側(cè)面及底板的噴涂，由1 臺天車式機器人配合1 臺天車式往復(fù)式自動化噴涂設(shè)備、1 臺地面往復(fù)式行走機器人設(shè)備組合完成，見圖5 所示。

配備伸縮臂的天車式智能噴涂機器人按照預(yù)先編制好的程序軌跡沿廠房縱向及橫向方向移動，伸縮臂可沿垂直方向根據(jù)智能噴涂機器人作業(yè)區(qū)域間斷動作，可完成鋼構(gòu)件外側(cè)面噴涂作業(yè)。

天車式往復(fù)式自動化噴涂裝備沿桁車橫向移動，架設(shè)在鋼構(gòu)架上的桁車沿廠房縱深移動。往復(fù)式自動化噴涂裝備具備噴槍旋轉(zhuǎn)，噴槍支撐桿沿垂直方向升降等特點。用于超大型鋼結(jié)構(gòu)外表面頂面的往復(fù)式自動化設(shè)備可全覆蓋鋼殼上頂面噴涂作業(yè)，并針對澆筑孔、排氣孔等特定位置進行避讓，見圖6所示。

外底板噴涂作業(yè)由地面往復(fù)式行走機器完成，在預(yù)設(shè)好的軌道往復(fù)行走，負責托運自動化噴涂設(shè)備和油漆供應(yīng)系統(tǒng)。

3.4 智能噴涂施工過程

（1）自動攪拌、自動配比噴涂作業(yè)涂料混合前，為使油漆罐內(nèi)的油漆能夠保證充分分散均勻，在油漆罐上均設(shè)置低剪切電動攪拌器。噴涂作業(yè)時，電子配比涂料計量，涂料可精確配比，經(jīng)靜態(tài)混合器混合后即時噴出。噴涂作業(yè)可實現(xiàn)自動配比、計量、即混即噴。

圖5 噴涂機器人與往復(fù)式自動化噴涂裝備組合布置圖

圖6 鋼結(jié)構(gòu)外頂面往復(fù)式自動化噴涂

圖7 噴涂機器人系統(tǒng)

圖8 噴砂后粗糙度測量

圖9 智能涂裝噴涂效果

圖10 膜厚測量

（2）自動噴漆

噴涂機器人是6 軸緊湊型噴涂機器人。機器人由6 個伺服電機軸進行控制，且具有中空手腕，因此可將供料和供氣管置于機器人手臂內(nèi)。往復(fù)式自動化噴涂設(shè)備配備多軸運動，采用PLC 單元的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)特定復(fù)雜面的噴涂作業(yè)。

噴涂機器人及往復(fù)式自動化噴涂設(shè)備均可按預(yù)先設(shè)定的程序自動噴涂作業(yè)，見圖7 所示。在噴涂作業(yè)過程中，小節(jié)段進入噴涂廠房內(nèi)，操作員可調(diào)取已編輯好的程序，觸動啟動按鈕，機器人即可按固定的軌跡進行噴涂作業(yè)。

（3）自動漆霧回收

設(shè)置廢氣處理設(shè)備啟停開關(guān)，與中控室控制系統(tǒng)相連，通過廠房內(nèi)漆霧及有機揮發(fā)物檢測預(yù)警，控制單元啟動相應(yīng)的廢氣處理設(shè)備，在降低能耗的同時有效將噴涂作業(yè)過程產(chǎn)生的漆霧及有機氣體回收吸附催化處理。

（4）遠程監(jiān)控

通過人機交互界面，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)噴涂機器人及往復(fù)式自動化噴涂設(shè)備的運行狀態(tài)。

4 應(yīng)用效果

本項目成功實現(xiàn)了除銹、噴涂兩道工序的智能作業(yè)，解決了大型鋼結(jié)構(gòu)智能涂裝的關(guān)鍵技術(shù)難點，智能設(shè)備運行順暢，施工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率大幅提高。

4.1 智能噴砂應(yīng)用效果和工效

通過現(xiàn)場實際運用檢測，噴砂質(zhì)量完全滿足產(chǎn)品工藝技術(shù)要求，見圖8 所示。根據(jù)涂裝工藝要求，小節(jié)段表面噴砂處理檢驗合格后4 小時內(nèi)進行底漆涂裝，所以單個小節(jié)段的打砂工序的施工周期應(yīng)控制在一天之內(nèi)，當天打砂當天完成報驗工作。智能打砂工效情況統(tǒng)計如下，外表面噴砂工效分析見表2。小節(jié)段內(nèi)部行車道噴砂工效分析見表3。

從工效統(tǒng)計可以看出，小節(jié)段外表面噴砂施工約5 小時，內(nèi)部行車道噴砂施工約4 小時，由于內(nèi)外表面同時施工，加上周轉(zhuǎn)倒運等時間，噴砂施工時間預(yù)計為7 小時，可以滿足每天完成一個小節(jié)段的噴砂施工。

表4 小節(jié)段外表面噴漆實際工效分析

表5 小節(jié)段內(nèi)部行車道噴涂實際工效分析

4.2 智能噴涂實用工效

為滿足生產(chǎn)進度需要，智能涂裝必須滿足兩個月完成22 個小節(jié)段涂裝的生產(chǎn)能力。智能涂裝工效情況統(tǒng)計如下，小節(jié)段外表面噴漆效率分析見表4。小節(jié)段內(nèi)表面噴漆效率分析見表5。

從表4 和表5 中可以看出，小節(jié)段外表面一道油漆涂層噴涂施工約需要3 小時，內(nèi)部行車道噴涂施工約需要2 小時，由于內(nèi)外表面同時施工，則只需按3 小時考慮。每道油漆之間預(yù)留3 小時固化間隔時間，則一個小節(jié)段油漆施工時間約需15 小時，加上固化時間和轉(zhuǎn)運時間，可以滿足每天完成一個小節(jié)段的噴漆施工。

綜合考慮各方因素，每個月完成一節(jié)沉管鋼殼共計22 小節(jié)段，完全可以滿足工期要求。

4.3 智能涂裝質(zhì)量效果

智能涂裝軟件通過工件模型及工藝模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，進行虛擬調(diào)試，得出最優(yōu)噴涂軌跡、噴涂吐出量、霧化扇幅等參數(shù)，在滿足涂裝效率的前提下，保證噴涂均勻順暢，漆膜厚度控制合理，涂層質(zhì)量穩(wěn)定可靠，有效解決了因為漆層膜厚控制不當而造成的一些常見的涂裝缺陷，如流掛、薄噴、露底等。噴涂效果見圖9 和圖10。

4.4 智能涂裝產(chǎn)生效益

本項目智能涂裝的成功應(yīng)用，產(chǎn)生的有益成效有以下幾個方面：

（1）機器人噴砂除銹設(shè)備可高效持續(xù)作業(yè)，保證小節(jié)段表面處理質(zhì)量，有效避免人工噴砂的勞動強度大、作業(yè)效率低、施工環(huán)境差等缺點。

（2）小節(jié)段噴涂工序采用的噴涂機器人系統(tǒng)仿形噴涂軌跡精確，提高涂膜的均勻性等外觀噴涂質(zhì)量，可全局監(jiān)測作業(yè)、設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)精密化生產(chǎn)，保障涂裝作業(yè)穩(wěn)定性。

（3）工程涂裝面積超大，且鋼殼干膜極厚，達700～1000μm，工程涂料用量巨大。智能涂裝對涂層厚度控制良好，可節(jié)省大量的油漆，對生產(chǎn)成本控制有重大意義。

（4）促進鋼殼隧道工程低能耗、環(huán)境友好型標準化施工。為船舶行業(yè)分段智能涂裝實現(xiàn)打下堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

智能涂裝的成功實施，有效提高了噴砂、噴涂質(zhì)量，且質(zhì)量穩(wěn)定可靠。同時智能涂裝設(shè)備故障率低，生產(chǎn)節(jié)拍控制合理，進度可控，生產(chǎn)效率成倍提高，滿足大體量的涂裝工作要求。此外，智能涂裝將工人從有毒有害的施工環(huán)境中脫離出來，有效保護工人職業(yè)健康，避免了涂裝工人職業(yè)病的產(chǎn)生。通過項目實施驗證，項目立項初期所面臨的工藝技術(shù)難點均得到有效解決，但大型鋼結(jié)構(gòu)的智能涂裝還是起步階段，對智能涂裝大型鋼結(jié)構(gòu)的運用范圍、涂裝質(zhì)量的在線智能監(jiān)測等方面還有許多需要進一步攻克。下一步將考慮繼續(xù)優(yōu)化智能涂裝方案，實現(xiàn)遠程漆膜測厚等更多功能，力爭在船舶建造、橋梁建造等類似鋼構(gòu)工程中推廣應(yīng)用。