马增岗（中铁宝桥（扬州）有限公司）
摘要：相比较汽车等行业,我国钢桥梁涂装施工机械化、智能化水平还处于空白。本文以温州瓯江北口大桥钢桁梁桥为依托,结合钢桁梁节段结构特点,研究、开发了适合钢桁梁桥涂装施工的顶部天车喷砂机器人、底部轮式喷砂机器人、悬臂喷漆机器人等机械化装备,通过反复工艺试验,选取得出最佳工艺参数;通过5G网络和视频监控将喷砂系统喷漆系统进行智能集成,形成了智能监控系统,实现了涂装全过程机械化和智能化,并成功应用在温州瓯江北口大桥钢桁梁涂装施工中,取得了良好的经济效益和社会效益,在行业内具有广泛推广价值。
关键词：钢桥梁 智能涂装 生产线 桥梁涂装
我国现阶段从造桥总量来说，已成为世界第一，但离造桥强国还有一定差距，无论在精细化方面，还是在工艺装备先进性方面，均落后于美国和日本。近年来，随着港珠澳大桥等工程的建造，在钢桥制造的机械化、自动化、工厂化、大型化方面取得了重大突破和提升，但作为影响桥梁全寿命周期最关键耐久性的表面涂装施工仍然处于传统的手工作业阶段。尤其随着社会的进步和人民生活水平的提高，愿意从事手工喷砂和涂装等苦、脏、累作业的技术工人越来越少，人工成本逐年上升，必将严重制约行业的健康发展。因此，研究、开发机械化、智能化的涂装施工生产线是行业发展的迫切需要。本文结合温州瓯江北口大桥钢桁梁项目，对钢桥梁智能化喷砂系统和喷漆系统、智能控制等方面进行了深入研究[1]，成功开发并建造一条适合钢桁梁桥涂装作业的智能化生产线。
１智能涂装生产线总体设计方案
1.1钢桁梁结构特点
温州瓯江北口大桥是世界首座三塔四跨双层公路钢桁梁悬索桥，系国家“十三五”规划重点工程，是交通部首批8个绿色公路建设典型示范项目中唯一一座桥梁工程。主桥钢桁梁采用整节段制造和安装，全桥共计110个制造大节段。
综合考虑钢桁梁大节段整体尺寸特点，制定“分级分步”制造和涂装工艺，将大节段划分为2个主桁桁片及上、下桥面块体分别进行制造和防腐涂装，再进行大节段总拼，有效提高大节段制造效率，如图1所示。
图1 钢桁梁大节段结构及分块图
主桁桁片最大外轮廓净尺寸为20.2m×14.7m×3.8m，形状不规则，高低落差较大，腹杆与弦杆连接处结构较为复杂，腾挪空间狭小；桥面块体外轮廓净尺寸为36.2m×20.2m×2.5m，横向跨度较大，下部U肋数量较多，工件本身支墩数需求多，支墩高度相对较低。
1.2智能喷砂车间工艺布局设计
根据钢桁梁产品结构特点，经分析研究，拟对中铁宝桥（扬州）有限公司现有4号喷砂车间进行改造，即在现有喷砂车间基础上增加顶部行车喷砂机器人和底部轮式喷砂机器人代替人工，同时通过电气控制系统把喷砂车间的喷砂机、回砂系统、除尘系统等生产设备进行网络集成，实现智能控制。
根据现场勘测，现有喷砂间内部长度约52m，内空宽度23.46m，内空高度7.8m，砂房立柱截面尺寸300mm×400mm，间距7.5m。经计算分析，在砂房两侧钢结构立柱上焊接牛腿支撑机器人行走龙门架，龙门大梁上布置双梁机器人，跨度约23m，大梁行走轨道长度约45m，大梁的支撑高度约5m，大梁及行走轨道总质量约8t，可满足钢桁梁顶部和侧部的喷砂除锈。底部轮式机器人可自行驱动在钢桁梁底部自由行走，实现底部和侧面的喷砂除锈，总体布局如图2所示。
图2 智能喷砂车间布置
1.3智能涂装车间工艺布局设计
根据钢桁梁产品结构特点，通过对涂装车间设备和系统的智能化研究，拟在中铁宝桥（扬州）有限公司现有5号涂装车间增加2台智能悬臂式喷漆机器人，悬臂机器人采用地面轨道行走方式，在现有的混凝土承载地面上铺设行走轨道，无需对厂房结构进行改造。现有喷漆车间内空长度约56m，内空宽度约32.5m，净空高度约8.1m。机器人轨道纵向长度46.99m,中心间距21.6m,总体布局如图3所示。
图3 智能涂装车间布置
2 智能涂装装备技术研究
2.1智能喷砂系统研发及应用
2.1.1顶部天车机器人
顶部天车机器人喷砂系统采用龙门双梁设计，搭载喷涂机械臂，机械臂端头携带喷砂枪头。机器人共配置8个轴用于控制喷枪的运动，喷枪的8个自由度如表1和图4所示（图中的8个轴同表1中的8个轴）。
表1 顶部龙门八轴机器人参数
图4 顶部龙门八轴机器人
顶部天车机器人在运行前，根据桥面块体和钢桁片结构特点，编辑运行轨迹并生成专用程序，如图5所示。顶部天车机器人从始点开始，配合8轴联动完成桥面块体和桁片的喷砂除锈工作。
图5 顶部天车机器人喷砂运行轨迹
选取喷枪压力为8kgf/cm2时，分别按距离工件200mm、300mm、400mm、500mm、600mm、700mm、800mm、900mm、1000mm、1200mm进行实验，得出以下结论：(1)当距离＜700mm时，砂粒速度还没有加速到最大，喷砂打击力量较小，喷砂效率低，当距离＞1200mm时，砂粒飞行速度衰减比较厉害，喷砂效果比较差。（2）在700~1200mm范围内，距离越近，打击力量越大；但喷射出来的砂粒覆盖面积小，为达到均匀喷砂效果，需要更快的摆动速度和更频繁的姿势变换。喷枪距离工件的距离选择800~1000mm比较合适。
此外，喷嘴流量与喷嘴直径、喷嘴工作压力的关系（多次试验测试数据及类比计算）如表2所示。
表2 喷嘴流量与喷嘴直径、喷嘴工作压力的关系
通过工艺试验比对，选取最佳工艺参数：喷嘴直径17mm,喷砂压力8.4kgf/cm2，流量为40m³/min，喷距为800～1000mm，喷枪摆动角度70°，喷幅宽度S=2*L*tan(70/2)=1120mm，移动速度1.5～3m/min，搭接宽度8～10cm，喷砂效率S=1*1.5*60～1*3*60=90～180。
2.1.2底部轮式机器人
底部轮式机器人喷砂系统采用可移动小车搭载机械臂的结构形式，机械臂端头携带喷砂枪头，小车上配有观察室，施工人员可及时观察喷涂作业时的情况，并在观察室内可控制小车的移动、转向、启停及机械臂的移动。机器人也配置8个自由度，可兼顾钢桁架底部及桥面块体底部的自动喷砂。
底部喷砂机器人技术参数如表3和图6（图中的8个轴同表1中的8个轴）所示。
表3 底部喷砂机器人参数
图6 底部喷砂机器人
底部喷砂机器人在运行前，根据桥面块体和主桁桁片结构特点，编辑运行轨迹并生成专用程序，如图7所示。机器人从起始点开始配合8轴联动完成整个桥面板钢桥面和桁片的喷涂的工作。
图7 底部喷砂机器人喷砂运行轨迹
通过工艺试验比对，底部喷砂机器人工艺参数与顶部喷砂机器人参数基本一致，即,喷砂压力8.4kgf/cm2，流量为40m³/min，喷距为800～1000mm，喷枪摆动角度70°，喷幅宽度S=2*l*tan(70/2)=1120mm，移动速度1.5～3m/min，搭接宽度8～10cm，喷砂效率S=1*1.5*60～1*3*60=90～180。
2.2智能化喷漆系统研发及运用
智能化喷漆系统由2台悬臂式机器人构成，悬臂喷漆机器人共配置8个轴用于控制喷枪的运动。喷漆机器人技术参数如表4和图8所示。
表4 悬臂喷漆机器人参数
图8 悬臂喷漆机器人
整个系统从喷涂起始点进行相应的喷涂工作，工作路径的方向如图9所示。配合8轴联动，完成整个桥面板钢桥面及斜顶面的喷涂的工作。
图9 悬臂喷漆机器人喷漆运行路径
经多次实际喷漆实验，当喷枪距离工件太近时，漆雾雾化效果差，影响涂层成膜质量。当喷枪距离工件太远时，油漆上漆率低、油漆浪费严重，综合考虑后，选取最佳工艺参数：喷嘴直径0.055in，喷嘴型号855，喷涂幅宽0.5～0.8m，搭接宽度3～5cm，移动速度150～300mm/s，喷漆压力为0.6MPa，流量为3m³/min，喷距为500mm，喷枪与工作面夹角为目视90°喷漆效率：S=0.377*(120～250)*3600/1000=163～340m2/h。
悬臂喷漆机器人工作实况如图10所示。
图10 悬臂喷漆机器人工作实况
3智能监控系统技术
根据智能涂装作业需求，开发实时精细化生产数据管理系统，根据集散控制原则（集中控制与分散控制相结合），用可编辑逻辑控制器（PLC）对主要设备、阀门进行全面控制，各个设备的运行状态都会在显示屏上反映。以显示屏加触摸屏作为系统的操作及监控平台，整个系统分为设备层、控制层、监控层3个层次。设备层以PLC远程连接各I/O受控设备，控制层以PLC作为系统的控制主机，监控层以显示器和彩色触摸屏作为系统的监控平台，动态显示各个I/O设备的运行状态。为操作人员提供一个人性化的操作环境，及时了解现场设备状况（集控室）,如图11所示。
图11 智能监控大屏
此外，系统集成控制配有管理软件系统，管理系统包括以下内容：动态显示各个I/O设备的运行状态、控制现场设备的运行/停止；对现场智能化涂装系统的作业情况进行视频监控，并归档为施工录像；另外还可对设备产生的报警信息的时间及相关问题（因设备采用模块化设计，所以故障定位的报警信息非常精确）、设备运行情况、设备维护记录、历史操作记录、操作时间（包括相对应的喷涂的梁段号）、操作人员等数据进行统计记录，以上信息均可通过工业5G网传输至建筑信息模型（BIM）系统，使智能施工作业的整体过程具有可追溯性。
同时，涂装房内配备有温湿度传感器、粉尘浓度传感器、漆雾测爆仪等传感报警装置，供料系统中配备有压力传感器，可监测喷砂压力、喷漆压力等数据，以保证涂装施工环境及设备状态满足要求。
4智能涂装生产优势
4.1功效提升
以为温州瓯江北口大桥标准大节段为例进行功效分析，如表5所示。
表5 功效分析
由表5可以看出，喷砂功效整体提升500%，喷漆功效提升114%，整体提升效果明显，后续将进一步优化工艺参数，提升功效。
4.2质量提升
智能喷砂机器人系统通过系统控制，能够保证钢梁表面喷砂质量均匀一致，喷涂均匀，质量稳定，安全高效。用机械装备代替人工作业，实现智能自动化作业，在线智能监测，生产过程实时监控，减少人工因个人习惯、工作经验等导致的质量缺陷发生，系统具备对生产过程数据和工艺参数优化、在线监测和故障诊治、制造信息全程跟踪和产品质量追溯、精益生产管理等功能，在中央计算机统一管理下智能协调工作。经统计，温州瓯江北口大桥首轮钢桁梁节段涂层厚度均匀一致，厚度偏差控制在±30μm以内，涂层附着力最低6.8MPa，平均8.5MPa，均超过规范要求。
4.3安全提升
用机械装备取代人工作业，实现智能自动化作业，在线智能监测，生产过程实时监控，设备故障诊断与预警，系统具有可视化流程及离线编程轨迹规划功能，大大减少人工作业时间和空间，提升了本质安全。喷漆系统采取防爆设计，选用防爆型电机及电器元件，主要电控元件布置在防爆电控箱内，保证喷涂系统运行安全。针对喷砂、喷漆过程中产生的危险因素建立了安全隐患预判预警、系统智能运行，保障安全生产。
5结语
智能涂装生产线作为钢桥梁智能制造研究成果之一，已成功应用在温州瓯江北口大桥钢桁梁涂装施工中，大幅提升了钢桁梁桥涂装生产效率和质量，取得良好的经济效益和社会效益，在行业内具有广泛推广价值。
桥梁涂装智能化是未来行业发展趋势，将会得到更普及的应用。为了更好地促进涂装行业的发展，上下游企业仍须在智能涂装设备的性能上不断的优化和完善，继续优化智能涂装设备在复杂空间应用性能，如钢桥梁一些死角、棱边加劲等位置，不断提高设备的稳定性，继续深入开展智能涂装质量检测设备的研发及应用等。
本文来源：2021《涂料工业》第2期
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