全偉雄 龍漢新

（廣船國際公司辦公室、技術中心）

0 引言

本文提及的鋼結構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。為確保施工質量和工程進度，工廠為此專門開發(fā)設計了智能涂裝系統(tǒng)，實現(xiàn)構件除銹、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)為首次應用。

1 技術工藝難點分析

國內(nèi)外涂裝機器人一般應用在汽車、高鐵車廂等標準化構件中，應用已經(jīng)比較成熟，但均不適用于本項目的大型鋼結構，關鍵技術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構，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致機器人機械、電氣部件及關節(jié)極易老化及損壞，須設計保護方案來適應工況；

（4）鋼殼設計使用年限為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。涂裝質量要求極高且工作量大；

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

2 技術工藝方案設計

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難題，又要充分利用現(xiàn)有的車間及附屬設施，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，研究了以下技術方案。

2.1 整體布局方案

由于工件尺寸超大，智能涂裝設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備提供工件轉運和支撐、水電、動能等生產(chǎn)條件?？紤]工程體量巨大，施工環(huán)境惡劣，智能設備在滿足質量要求的前提下，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。噴砂機器人設計參數(shù)滿足表1 要求。

2.3 設備可靠性實現(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，將噴砂機器人的關節(jié)等運動部件設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。電氣設備的絕緣、管路、外殼采用耐磨材料。設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

在智能方案中設計人機交互界面，總控室對現(xiàn)場設備系統(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)噴涂機器人及往復式自動化噴涂設備的運行狀態(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用

3.1 智能打砂原理

工件的頂面、側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。開啟智能噴砂設備開始除銹作業(yè)，頂噴、側噴、底噴三臺設備同時開啟。天車式噴砂機器人按照預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)段側面施工。噴砂機器人采用伺服電機驅動，將8 軸相結合聯(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整，可固定到最優(yōu)噴砂質量的位置，見圖2 所示。

3.2 智能打砂應用實施過程

（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。

噴砂機器人按預先設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。機器人控制臺設在配有噴砂房觀察窗的控制室中，控制臺上設有系統(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

鋼構件外表面的頂面、側面及底板的噴涂，由1 臺天車式機器人配合1 臺天車式往復式自動化噴涂設備、1 臺地面往復式行走機器人設備組合完成，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，可完成鋼構件外側面噴涂作業(yè)。

天車式往復式自動化噴涂裝備沿桁車橫向移動，架設在鋼構架上的桁車沿廠房縱深移動。往復式自動化噴涂裝備具備噴槍旋轉，噴槍支撐桿沿垂直方向升降等特點。用于超大型鋼結構外表面頂面的往復式自動化設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)由地面往復式行走機器完成，在預設好的軌道往復行走，負責托運自動化噴涂設備和油漆供應系統(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 噴涂機器人與往復式自動化噴涂裝備組合布置圖

圖6 鋼結構外頂面往復式自動化噴涂

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)。往復式自動化噴涂設備配備多軸運動，采用PLC 單元的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)特定復雜面的噴涂作業(yè)。

噴涂機器人及往復式自動化噴涂設備均可按預先設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

設置廢氣處理設備啟停開關，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)物檢測預警，控制單元啟動相應的廢氣處理設備，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)噴涂機器人及往復式自動化噴涂設備的運行狀態(tài)。

4 應用效果

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

4.1 智能噴砂應用效果和工效

通過現(xiàn)場實際運用檢測，噴砂質量完全滿足產(chǎn)品工藝技術要求，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，加上周轉倒運等時間，噴砂施工時間預計為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)導入后，進行虛擬調試，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）機器人噴砂除銹設備可高效持續(xù)作業(yè)，保證小節(jié)段表面處理質量，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量，可全局監(jiān)測作業(yè)、設備運行狀況，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。

5 結束語

智能涂裝的成功實施，有效提高了噴砂、噴涂質量，且質量穩(wěn)定可靠。同時智能涂裝設備故障率低，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難點均得到有效解決，但大型鋼結構的智能涂裝還是起步階段，對智能涂裝大型鋼結構的運用范圍、涂裝質量的在線智能監(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工程中推廣應用。