钢桥梁智能涂装生产线建设及应用研究

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。

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。

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

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。

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。关键词：色浆厂家，色浆，色浆涂料，水性色浆，油漆色浆，乳胶漆色浆，通用色浆，UV色浆，双组分涂料色浆，木漆涂料，涂料色浆，工业漆。

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。

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。

本文作者：马增岗

本文来源：2021《涂料工业》第2期