地鐵盾構(gòu)隧道管片流水線生產(chǎn)智能化技術(shù)

張立宇

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700）

1 引言

管片是地鐵盾構(gòu)隧道施工中對質(zhì)量要求非常高的鋼筋混凝土裝配式構(gòu)件。地鐵盾構(gòu)隧道管片生產(chǎn)質(zhì)量影響地鐵工程的施工進度、運營安全、使用壽命及后期維護等多個方面。

目前，盡管地鐵盾構(gòu)隧道管片的預(yù)制基本實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)和部分自動化施作，但是一些管片廠還未實現(xiàn)全面智能化管控和生產(chǎn)，生產(chǎn)效率與產(chǎn)品精度存在問題。本文通過引入物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，構(gòu)筑地鐵盾構(gòu)隧道管片物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)對地鐵盾構(gòu)隧道管片預(yù)制生產(chǎn)的智能化控制和全生命周期的信息化管理。另外，引入地鐵盾構(gòu)隧道管片鋼筋骨架自動焊接機器人、自動化抹面機器人，采用3D 掃描技術(shù)對地鐵盾構(gòu)隧道管片外形尺寸進行檢測。實際生產(chǎn)驗證采用新工序更為便捷，成品質(zhì)量更為優(yōu)良。

2 智能化控制總體方案

通過應(yīng)用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)[1-3]，打造地鐵盾構(gòu)隧道管片物聯(lián)網(wǎng)平臺，開發(fā)盾構(gòu)隧道地鐵盾構(gòu)隧道管片預(yù)制管理系統(tǒng)，將二維碼、傳感器、3D 掃描器等信息傳感掃描裝備接入地鐵盾構(gòu)隧道管片預(yù)制管理系統(tǒng)，通過信息交換及通信，實現(xiàn)對地鐵盾構(gòu)隧道管片生產(chǎn)全過程的自動化識別、判斷、定位、管控、監(jiān)視和管理。同時引入機器人等自動化設(shè)備提升裝配精度與效率[4-6]。

2.1 地鐵盾構(gòu)隧道管片廠物聯(lián)網(wǎng)平臺的組成

地鐵盾構(gòu)隧道管片物聯(lián)網(wǎng)平臺結(jié)構(gòu)詳見圖1。感知層借助智能溫控系統(tǒng)、紅外測溫儀等相關(guān)傳感器，智能手機、二維碼、智能一體機等微機電系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)對地鐵盾構(gòu)隧道管片的鋼筋加工、混凝土澆筑、養(yǎng)護等加工生產(chǎn)全過程的自動識別、信息收集處理和自動化控制，并借助通信模塊把地鐵盾構(gòu)隧道管片的相關(guān)構(gòu)件加工生產(chǎn)施工數(shù)據(jù)傳送至互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)層。

圖1 地鐵盾構(gòu)隧道管片物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層通常進行信息的傳送以及控制，構(gòu)建地鐵盾構(gòu)隧道管片加工生產(chǎn)特定內(nèi)部局域網(wǎng)。數(shù)據(jù)經(jīng)過科學分析處理后再與外網(wǎng)進行聯(lián)通，以確保數(shù)據(jù)的科學性、安全性。

應(yīng)用層是地鐵盾構(gòu)隧道管片物聯(lián)網(wǎng)和管片廠技術(shù)團隊的對接應(yīng)用。通過相關(guān)應(yīng)用軟件的開發(fā)構(gòu)建，管片廠技術(shù)團隊能夠便捷地對地鐵盾構(gòu)隧道管片加工生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的動態(tài)進行實時監(jiān)控，并分析地鐵盾構(gòu)隧道管片尺寸、溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，另外借助軟件程序?qū)ΜF(xiàn)場技術(shù)員的施工過程進行制約和指導。借助應(yīng)用層實時監(jiān)控和記錄地鐵盾構(gòu)隧道管片加工生產(chǎn)全過程，一直到地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)束生產(chǎn)，以及監(jiān)控后續(xù)地鐵盾構(gòu)隧道管片的運輸拼裝，最終實現(xiàn)地鐵盾構(gòu)隧道管片物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

2.2 平面布置

如圖2所示的管片流水生產(chǎn)線車間布置圖中，地鐵盾構(gòu)隧道管片預(yù)制核心區(qū)域分布有智控室裝配服務(wù)器、電腦終端和大屏顯示器，在鋼筋骨架制作車間裝配鋼筋骨架自動焊接機器人，在流水生產(chǎn)線車間裝配地鐵盾構(gòu)隧道管片標識管理智能機、考勤機和智能溫控設(shè)備[7]。管片流水生產(chǎn)線車間配置智能溫控系統(tǒng)，在地鐵盾構(gòu)隧道管片混凝土的澆筑、抹面、靜養(yǎng)、脫模、起吊、入池環(huán)節(jié)開展構(gòu)件溫度及濕度的養(yǎng)護全過程控制。此外，在澆筑線和養(yǎng)護線處配置射頻識別（RFID）固定讀卡終端設(shè)備。

圖2 管片流水生產(chǎn)線車間布置圖

總體來看，該流水生產(chǎn)線除配置能夠編程的邏輯控制器（PLC）自動化控制系統(tǒng)之外，還配置地鐵盾構(gòu)隧道管片物聯(lián)網(wǎng)信息管理系統(tǒng)中的射頻識別處理、智能溫控、地鐵盾構(gòu)隧道管片標識管理、混凝土生產(chǎn)，以及身份備案和驗證系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對地鐵盾構(gòu)隧道管片制造設(shè)備和制品構(gòu)件的智能化管理。

2.3 工藝流程

隨著智能化發(fā)展，地鐵盾構(gòu)隧道管片物聯(lián)網(wǎng)管理平臺下的預(yù)制工藝流程越來越科學，可以通過增設(shè)手持機讀卡器、自動讀卡器、手機掃碼、試驗報告掃描存儲等新型智能化配置提高智能化水平。地鐵盾構(gòu)隧道管片預(yù)制工藝流程如圖3所示。

圖3 管片預(yù)制工藝流程

3 關(guān)鍵性自動化設(shè)備

3.1 地鐵盾構(gòu)隧道管片鋼筋骨架自動焊接機器人

地鐵盾構(gòu)隧道管片鋼筋骨架自動焊接機器人遵循兩步法鋼筋骨架制作流程，通過有別于電阻焊的CO2氣體保護焊接方式，實現(xiàn)地鐵盾構(gòu)隧道管片鋼筋骨架的智能化焊接[8]。下文將對地鐵盾構(gòu)隧道管片鋼筋骨架自動焊接技術(shù)進行詳細介紹。

3.1.1 自動焊接過程流程

將鋼筋通過智能彎弧機彎折成型，然后將加工成型的鋼筋裝配到鋼筋網(wǎng)片自動焊接機器人上焊接成網(wǎng)片，接著把網(wǎng)片組裝成完整的地鐵盾構(gòu)隧道管片鋼筋骨架，最后通過焊接機器人將鋼筋骨架自動焊接。

3.1.2 鋼筋網(wǎng)片自動焊接結(jié)構(gòu)

在鋼筋網(wǎng)片自動焊接夾具的設(shè)計中，點擋式限位裝置制作方便、節(jié)約成本，而且鋼筋構(gòu)件裝配十分快捷。鋼筋結(jié)構(gòu)骨架經(jīng)過焊接后容易出現(xiàn)變形，影響焊接后的鋼筋結(jié)構(gòu)，導致不容易進行脫模。因此，在夾具底部設(shè)置液壓頂出裝置，方便頂出網(wǎng)片。

3.1.3 CO2氣體保護焊及自動焊接

在鋼筋網(wǎng)片自動焊接中采用CO2氣體保護焊方式，與傳統(tǒng)電阻焊接方式相比，CO2氣體保護焊具有成本更低、操作更方便等優(yōu)勢。

綜合考慮鋼筋網(wǎng)片縱向長度比較大、夾具橫向?qū)挾瘸蕽u變外延分布等因素，將2臺小臂展焊接機械手在鋼筋主筋內(nèi)弧面內(nèi)部進行編排工位設(shè)計，以機械手連線為軸，鋼筋骨架支座夾具呈對稱形式分布。在安裝位置方面，自動焊接鋼筋網(wǎng)片采取雙機對稱結(jié)構(gòu)形式，實現(xiàn)空間最大化利用，并有效提高鋼筋骨架生產(chǎn)效率。

3.1.4 鋼筋骨架自動焊接效果分析

實踐證明，通過自動焊接形成的鋼筋骨架焊接點外觀比較均勻順滑，焊接質(zhì)量遠高于人工焊接方式。另外，單個鋼筋骨架自動焊接裝置可以連續(xù)作業(yè)，日最大產(chǎn)量可以達到48 個，而人工焊接日產(chǎn)量最多為6個。

3.2 自動抹面工藝及設(shè)備

地鐵盾構(gòu)隧道管片抹面施工受周邊環(huán)境濕度、溫度、混凝土振搗密實程度、坍落度以及技術(shù)員的熟練程度等客觀條件影響較大。因此，抹面必須根據(jù)環(huán)境濕度、溫度和混凝土坍落度、配合比等，對間隔時間進行有效調(diào)控，確?；炷脸跄巴瓿赡?。

3.2.1 自動粗收抹面

自動粗收抹面機器人能將管片表面的混凝土刮平，并填補凹陷，清除表面氣泡，具有用工成本低、收面效率高、地鐵盾構(gòu)隧道管片密實度及平整度顯著提升等優(yōu)勢。

自動粗收抹面機器人主要由粗收抹平機構(gòu)、控制系統(tǒng)、主體桁架，以及X、Y、Z三軸行走裝置組成，如圖4所示。

圖4 自動粗收抹面機器人結(jié)構(gòu)

自動粗收抹面機器人構(gòu)造含氣動懸浮調(diào)節(jié)工裝、A軸90°旋轉(zhuǎn)工裝、B軸曲面旋轉(zhuǎn)工裝、大灰鏟和邊模清潔工裝、導向工裝，其結(jié)構(gòu)與各部件名稱如圖5所示。

圖5 自動粗收抹面機器人構(gòu)造

3.2.2 自動精收抹面

自動精收抹面機器人能夠模擬人工，通過大灰鏟進行抹面動作，順著弧面從下到上進行壓平收光，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 自動精收抹面機器人結(jié)構(gòu)

因為自動精收抹面機器人結(jié)構(gòu)和自動粗收抹面機器人結(jié)構(gòu)主要子系統(tǒng)裝置相同，所以本文只介紹精收抹面機器人主結(jié)構(gòu)。其主結(jié)構(gòu)含A軸180°旋轉(zhuǎn)組件、B軸曲面旋轉(zhuǎn)組件及大灰鏟，其結(jié)構(gòu)與各部件名稱如圖7所示。

圖7 自動精收抹面機器人構(gòu)造

3.2.3 實施效果

通過運用自動抹面機器人，地鐵管片外弧面的光滑度有效改善，施工工效提升。

3.3 尺寸智能化檢測

傳統(tǒng)的地鐵管片尺寸檢測方式通常采用內(nèi)徑千分尺、游標卡尺或者卷尺等傳統(tǒng)的方法進行測量，存在檢測效率不高、精度不高的弊端，難以符合質(zhì)量標準。一些先進的管片廠引入全新的地鐵盾構(gòu)隧道管片外形尺寸3D掃描機器人（以下簡稱“3D掃描機器人”），可以克服以上缺點。

3.3.1 技術(shù)特點

基于高精度光學追蹤的3D掃描機器人應(yīng)用廣泛，不僅能自動定位、自動檢測各種尺寸的地鐵盾構(gòu)隧道管片，還能夠?qū)z測成果進行輸出與管理。此外，它不僅具有較高的檢測效率（8～12 min /塊），還具有較高的檢測精度。該系統(tǒng)所運用的智能光學追蹤 3D 掃描機器人，在靜止狀態(tài)檢測，精度達0.08 mm；在運動狀態(tài)檢測，精度達0.1 ～ 0.2 mm，符合檢測精度標準[9-10]。

3.3.2 檢測流程方案實施

3D掃描機器人對管片成品檢測的流程如下：①把地鐵盾構(gòu)隧道管片放置在專用軌道車上；②在地鐵盾構(gòu)隧道管片軌道車上合理調(diào)節(jié)地鐵盾構(gòu)隧道管片位置；③管片軌道車移動至檢測區(qū)域；④將檢測裝置和軟件啟動；⑤對3D點云數(shù)據(jù)展開掃描；⑥在獨立檢測區(qū)域借助上位機軟件控制機械裝置和3D 掃描裝置，開始處理數(shù)據(jù)，與設(shè)計模型和設(shè)計參數(shù)進行有效對比；⑦準確輸出和上傳檢測成果。

3.3.3 3D 掃描機器人結(jié)構(gòu)

（1）主體機械框架。為滿足所有地鐵盾構(gòu)隧道管片的外形尺寸檢測，整套裝置設(shè)計尺寸為長度為8.3 m，高度為5.0 m，寬度為 5.7 m。其主體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖8所示，包含掃描儀、跟蹤儀和定位標志點等。為確保系統(tǒng)的整體空間的高精度，把定位標志點安裝在3D掃描機器人兩邊。

圖8 3D 掃描機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

（2）地鐵盾構(gòu)隧道管片軌道車。為達到 3D 掃描機器人的自動化檢測需求，必須滿足地鐵盾構(gòu)隧道管片裝載精準定位和自動運輸?shù)木珳识ㄎ唬鐖D9所示。

圖9 地鐵盾構(gòu)隧道管片軌道車示意

3.3.4 上位機軟件

圖10為軟件通信控制流程圖，能對獲取的數(shù)據(jù)進行智能化分析處理。

圖10 軟件通信控制流程

通過點云數(shù)據(jù)和點云處理算法對數(shù)據(jù)處理模塊展開智能處理，相關(guān)處理流程如圖11所示。通過此流程得出的某地鐵管片廠檢測報表詳見表1。

表1 地鐵盾構(gòu)隧道管片鋼模檢查表 mm

圖11 軟件數(shù)據(jù)處理流程

3.3.5 檢測成果數(shù)據(jù)管理平臺

地鐵盾構(gòu)隧道管片成品和地鐵盾構(gòu)隧道管片模具檢測成果能自動地上傳到數(shù)據(jù)管理平臺。該平臺具備統(tǒng)計、分析、查詢等功能。

3.3.6 應(yīng)用效果

3D掃描機器人在某地鐵盾構(gòu)隧道管片廠應(yīng)用后，隨機對2 m環(huán)寬的地鐵盾構(gòu)隧道管片模具展開3D掃描檢測。地鐵管片寬度重復(fù)精度統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)重復(fù)性精度的最大誤差僅有0.15 mm，平均誤差為0.04 mm，證明其重復(fù)性精度十分穩(wěn)定。地鐵盾構(gòu)隧道管片寬度絕對精度統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，計算絕對精度中誤差只有0.06 mm，3D掃描機器人的絕對精度為0.18 mm。

實踐證明，3D掃描機器人不僅能實現(xiàn)地鐵盾構(gòu)隧道管片成品與地鐵盾構(gòu)隧道管片模具的智能化檢測，而且能夠智能地輸出檢測報表，自動上傳檢測成果，檢測過程不需要進行過多人工操作。在地鐵盾構(gòu)隧道管片的不同尺寸檢測實踐中發(fā)現(xiàn)3D掃描機器人最高檢測效率為8 min/塊，檢測精度達0.1 mm，具有速度快、精度高等優(yōu)勢，可以滿足地鐵盾構(gòu)隧道管片成品和地鐵盾構(gòu)隧道管片模具的檢測要求，很好解決地鐵盾構(gòu)隧道管片生產(chǎn)過程中的管片成品外觀尺寸精確度低的難題。

4 結(jié)束語

地鐵盾構(gòu)隧道管片生產(chǎn)智能化、數(shù)字化是發(fā)展趨勢。借助地鐵盾構(gòu)隧道管片物聯(lián)網(wǎng)管理平臺的同時，引入地鐵盾構(gòu)隧道管片鋼筋骨架自動焊接和自動化抹面、3D 掃描機器人等，助力提高地鐵盾構(gòu)隧道管片的預(yù)制質(zhì)量、施工效率，另外在節(jié)約勞動力、降低技術(shù)人員勞動強度、降本增效、綠色環(huán)保等方面成效凸顯，極大提升管片自動化生產(chǎn)線的智能化水平，值得同類管片廠學習借鑒。