桥梁钢结构智能化涂装设备的开发与应用研究

李鸿伟 厉志成 张 岳

（镇江蓝舶科技股份有限公司，江苏 镇江 212000）

0 引言

常泰长江大桥钢梁的涂装体系主要包括喷砂和喷漆两道工序，而智能化涂装总体方案主要由钢结构梁段的尺寸及结构形式、涂装厂房的净空尺寸及相关配套设备的摆放影响等多方面因素综合决定。在常泰长江大桥钢梁涂装项目开工前，对智能涂装设备展开研究和开发，搭建了一条包含智能化喷砂及喷漆设备的涂装生产线。其研究成果及生产线在常泰长江大桥钢结构涂装项目中得到了良好的运用，为桥梁制造实现智能化转型奠定了一定的基础。

1 智能化涂装设备总体方案

1.1 喷砂车间智能化设备布局设计

结合常泰长江大桥桁梁的结构特点，对中铁宝桥扬州基地的4号喷砂厂房进行改造，在顶部安装一台龙门式喷砂机器人，底部配备两台可自由移动的轮式喷砂机器人，可对钢结构的绝大部分作业面进行智能化喷砂作业。

1.2 智能涂装车间工艺布局设计

针对中铁宝桥扬州基地的5号涂装厂房进行改造，再涂装房两侧各安装一台悬臂式喷漆机器人，底部配备两台可自由移动的轮式喷漆机器人，可对钢结构的绝大部分作业面进行智能化喷漆作业。

2 智能化涂装设备功能参数及相关工艺流程

2.1 智能化喷砂系统

2.1.1 喷砂设备基本功能及参数

（1）顶部天车机器人的基本功能及参数。

①通过机器人程序自动完成桥面板顶面、钢桁梁顶面及部分侧面的自动喷砂施工，天车喷砂机器人单台最多可携带两个喷砂枪；

②设备配有安全预警急停装置，当设备出现故障或粉尘浓度超标时，自动报警，设备同时可一键急停；

③程序可通过离线编程、在线编程、示教编程三种方式进行编制；

④喷砂过程数据自动记录（喷砂设备电源启停、空压机启停、机器人运行速度、工作时机器人各个轴运动状态数据等）；

⑤数据可以下载、可上传。

天车机器人共配备8个轴用于控制喷枪，可按工艺参数要求到达各个作业点，具体各轴参数如表1所示。

表1 天车式机器人设备规格及参数

（2）底部轮式喷砂机器人的基本功能及参数。

①可通过机器人程序或人工操控的方式，完成桥面板底面、钢桁梁底面及部分侧面的喷砂作业；

②喷砂过程中，机械臂可延梁宽方向匀速行走喷砂区域，宽幅约为2.6m，行走速度约为1.5~2.5m/min；

③喷砂小车前后部均有清砂铲，可将地面的钢砂清除至小车行走路线两侧，保证小车行走的稳定性；

④喷砂作业时间、启停状态、故障报警等信息数据自动记录，可以保存。

底部轮式喷砂机器人通过可移动平台，搭载7轴机械臂，实现对喷枪的控制，具体各轴参数如表2所示。

表2 底部轮式喷砂机器人规格和参数

2.1.2 智能化喷砂设备施工步骤

（1）运梁车装载梁段进入喷砂车间。预先在车间内设置支墩点标志，将梁段放置其上。每次落墩位置大致相同，定位精度在50cm以内。

（2）喷砂机器人接入喷砂系统。将机器人喷砂管线接入喷砂主机，使其满足不间断连续喷砂。喷砂参数能与机器人的行走速度联动；并具备压力检测、流量检测等功能，实现喷砂作业时喷砂主机参数实时监控。

（3）调用机器人喷砂程序。调出梁段对应的机器人程序，使用优化完成的喷砂参数对起始点进行示教，使用测量程序对工件进行定位，将机器人程序微调。

（4）开启喷枪对钢梁进行喷砂处理。天车喷砂机器人以0.5m/min的速度，沿着梁段的宽度方向定速行进，喷砂枪以60°的幅度、100次/min的摆频摆动喷砂，按预先编排好的工作路径完成作业后，喷枪系统停止作业。整个系统从喷砂起始点开始进行相应的喷砂工作，通过运行机器人程序按既定的行走路径进行喷砂作业，底部轮式喷砂机器人驶入预定位置，喷砂枪以60°的幅度、100次/min的摆频摆动喷砂，按预先编排好的工作路径完成作业后，喷枪系统停止作业。

2.2 智能化喷漆系统

2.2.1 喷漆设备基本功能及参数

（1）悬臂机器人的基本功能及参数。

①通过机器人程序自动完成钢梁顶面、部分侧面的喷漆施工；

②配置的供漆系统采用双组分自动混合供漆系统，实现即混即用，具备自动启停枪、自动供料的功能；

③程序可通过离线编程、在线编程、示教编程三种方式进行编制；

④设备可从集控室内远程急停；

⑤在喷漆过程中的所有技术数据如温度、压力、混合比例和流量等需要有详细的实时记录，并且可以从设备上下载形成报告，实现过程控制；

⑥所有工艺参数均可以数字化设定，用户只需设定好工艺参数，喷漆机器人将按预设的程序自动运行,并保证工艺参数稳定；

⑦数据可以下载、可上传。

悬臂喷漆机器人共配置10个轴，采用轨道式安装方式，可完成钢梁全部外露面的自动喷漆。其中10个轴用于控制喷枪的运动，具体各轴参数如表3所示。

表3 悬臂喷漆机器人设备规格及参数

（2）底部轮式喷漆机器人的基本功能及参数。

①可通过机器人程序或人工操控的方式，完成桥面板底面、钢桁梁底面及部分侧面的喷漆作业；

②喷漆过程中，机械臂可沿梁宽方向匀速行走，宽幅约为2.6m，行走速度约为1.5~2.5m/min；

③配置的供漆系统采用双组分自动混合供漆系统，实现即混即用，具备自动启停枪、自动供料的功能；

④喷砂作业时间、启停状态、故障报警等信息数据自动记录，可以保存。

底部轮式喷漆机器人通过可移动平台，搭载7轴机械臂，实现对喷枪的控制，具体各轴参数如表4所示。

表4 底部轮式喷漆机器人设备规格和参数

2.2.2 智能化喷漆设备施工步骤

（1）运梁车装载梁段进入喷漆车间。预先在车间内设置支墩点标志，将上次桥面板放置在其上。每次落墩位置大致相同，定位精度在50cm以内。

（2）喷漆机器人接入喷漆系统。使用带有流量、压力实时监控的空压机连接至固瑞克喷漆泵，接好气管、漆管，开启泵上气阀。

（3）调出梁段对应的机器人程序，使用优化完成的喷漆参数对起始点进行示教，使用测量程序对工件进行定位，将机器人程序微调。

（4）开启喷枪对钢桁梁进行喷漆处理。悬臂机器人以250mm/s的轨迹速度在预先拟定的工作路径上运行，使用脉冲信号控制供漆泵在喷枪离开工作面时提前停枪，在达到工作面时提前进行开枪程序，完成作业后自动关闭供漆及供气系统。

3 智能化中控系统

中央控制系统由工业级数据工作站（或服务器）、工业级监控主机、终端机等组成，能实现整条生产线的调度、监测、数据采集和获取、数据贮存、数据分发和上传、数据判断和统计分析、生产线工艺管理、产品信息管理、生产任务和物流信息管理、作业人员管理、设备管理等功能。

控制系统实时监控各设备的工作状态，控制人员通过控制系统可对各设备的作业流程进行设置。单个设备可从生产线分离，用于设备维修和调试，不影响生产线的正常运行。管理、监测、控制和调度各设备和各设备间的动作、动作协调、互锁、安全距离、信息交互、暂停/中止运行、关/开机。采集或获取系统内各装置信息，包括但不限于以下内容：装置的名称、作业状态、报警信息，并将上述信息进行管理、保存和查询。实时图示化（可视化）显示生产线运行状态、人员状态、作业状态。

中控室计算机可监测各工序的现场生产作业状态。机器人控制系统具备机器人轨迹监测功能，中控室可在线显示机器人的运行状态和位置，喷砂除锈和喷漆工序的自动化设备可通过各自车间的控制单元，经局域网将现场生产作业数据（包括喷砂除锈：现场温度、露点、湿度、喷砂压力、压缩空气流量、作业起始时间、喷砂机器人即时运动参数、设备故障反馈等信息；喷漆：现场温度、湿度、喷漆压力、喷漆机器人即时运动参数、供漆系统料位报警、可燃气体浓度、各类报警等信息）传输至中控室服务器。通过搭建涂装厂房的三维仿真环境，在中控室计算机上模拟机器人动作路径来监测各工序的现场生产作业状态，直观形象地显示设备状态、当前加工任务、工作人员等电子信息，中控室的监控系统平台也应具备与BIM系统进行数据交互的功能。

4 智能化设备的先进性

4.1 多自由度机器人自动化生产

（1）喷砂机器人由顶部龙门机器人和底部可移动式喷砂机器人组成，定位精准，移动灵活；喷漆机器人由悬臂十轴机器人及可移动式喷漆机器人组成，既能较快地完成大平面作业，又可针对结构复杂处进行灵活处理。

（2）喷砂机器人为适应打砂间恶劣的工作环境专门设计，本体部分为耐磨抗打击材料，机器人的传动及电气等薄弱部位均为独特的密闭性结构设计，稳定可靠，在喷砂行业有广泛的应用。

（3）喷涂机器人可处理梁段的上桥面、下桥面、桁架等外表面，并采用正压防爆设计；用途广泛、适应性强、兼容性强，可以用于各类产品。

4.2 生产过程实时监控

（1）系统安装压缩空气流量传感器，监测各喷枪的运行情况，是否在正常作业。

（2）机器人专用智能数控型喷砂主机的空气压力调节、砂流量调节等均为数控伺服控制，喷砂参数能与机器人的行走速度联网、联动；具备压力检测、流量检测及压力自动调整、砂流量自动调整功能，实现智能化。

（3）喷漆系统设有涂料流量传感器，监测喷漆枪的运行情况，是否在正常作业。

（4）如果发现不正常的情况，系统及时报警，并依据程序设定马上进行处理。

4.3 采用标准通用开放的机器人关节控制系统的优点

（1）简单易用：丰富的机器人模版程序，快速搭建；向导式的编程方式，快速上手（喷涂，码垛，跟踪）；可通过3D模拟快速实现机器人程序和设备工艺流程的创建、优化、验证和可视化，减少工程师现场调试时间。

（2）快速准确：丰富的加速度曲线类型，机器人动态表现可快可柔；基于动力学模型，使用扭矩前馈功能，可提高伺服的响应速度，提高机器人的动态响应和精度；通过轴滤波时间功能，使机器人的轨迹更平滑，减少抖动，提高精度；基于动力学模型的扭矩限制，可以在保护机器人硬件本体的前提下，将机器人的动态性能发挥到极致。

（3）开放性：示教器画面客户可自由编辑和修改；示教器宏指令客户可根据需要做修改和开发；支持快速配置客户自定义非标准机器人模型；可开发集成使用C或者C++语言编写的功能库。

5 效益分析

当前单台喷砂机器人可满足120㎡/h的工作效率，对比以往单台人工喷砂效率20㎡/h，其效率提升600%。单台喷漆机器人智能涂装效率约为400㎡/h，较人工喷漆效率350㎡/h，其效率提升114%。

同时作业质量较人工相比更加稳定，且漆面均匀，油漆附着力较好，满足常泰大桥涂装体系质量要求。

6 结束语

综上所述，桥梁制造的智能化转型是桥梁发展历程的必经之路，就涂装领域而言，利用智能化涂装设备来代替人工作业，不但可提升作业效率，还可提升产品质量稳定性，降低劳动强度，加强劳动保护。目前，桥梁智能化涂装设备还有很多类似编程时间过长、工件结构复杂处存在移动干涉等问题，还需要继续通过技术改进，对设备进行优化升级，为桥梁智能制造目标再立新功。