用于與智能噴涂機(jī)器人相互協(xié)作的噴涂房系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與研究

徐文敏 （上海建工（江蘇）鋼結(jié)構(gòu)有限公司，江蘇南通 226100）

0 引言［1-8］

近年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)因具有性能優(yōu)良、易于施工的特點(diǎn)在基礎(chǔ)建設(shè)中得到了大量的應(yīng)用，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑的數(shù)量也在不斷增加。我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)研發(fā)起步較晚，缺乏施工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)涂裝技術(shù)落后于涂料的發(fā)展。PSPC（所有類型船舶專用海水壓載艙和散貨船雙舷側(cè)處所 保護(hù)涂層性能標(biāo)準(zhǔn)）等規(guī)范進(jìn)一步增加了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)涂裝的要求。鋼結(jié)構(gòu)制造需要數(shù)量充足且滿足要求的涂裝房。通過(guò)涂裝房的合理建設(shè)和使用，可以很好地提高涂裝質(zhì)量和效率，降低涂裝成本。涂裝是目前鋼結(jié)構(gòu)制造的重要瓶頸，而涂裝房是影響涂裝質(zhì)量的重要因素，很多鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)因缺少足夠數(shù)量的涂裝房，通過(guò)架設(shè)臨時(shí)涂裝房來(lái)滿足涂裝需求。

1 常規(guī)涂裝房的布局

鋼結(jié)構(gòu)的種類繁多，常規(guī)建筑鋼結(jié)構(gòu)桿件的寬度和高度一般不超過(guò)3 m，長(zhǎng)度不超過(guò)12 m；一些較小的次梁、水平撐，高寬僅300 mm左右，長(zhǎng)度也只有2～3 m；還有一些較窄、較輕的次構(gòu)件，如欄桿、扶手、小平臺(tái)等。

針對(duì)較小的構(gòu)件或較窄、較輕的構(gòu)件，目前已經(jīng)有一些單位采用自行車、汽車鋼板彈簧、大型裝載機(jī)等行業(yè)成熟的鏈?zhǔn)酵垦b流水線模式進(jìn)行噴涂作業(yè)。具體工藝流程為：構(gòu)件上輸送鏈→清灰除塵→噴涂底漆→常溫固化/加溫固化（根據(jù)需求）→噴涂中間漆→常溫固化/加溫固化（根據(jù)需求）→構(gòu)件下輸送鏈。

這是一種高效的噴涂作業(yè)模式，在狹窄的噴涂間內(nèi)采用1～2臺(tái)噴涂機(jī)器人對(duì)構(gòu)件進(jìn)行噴涂施工，并在噴漆后通過(guò)加熱通道對(duì)構(gòu)件進(jìn)行固化，可以提高油漆固化速度，特別在冬季施工時(shí)優(yōu)勢(shì)尤為明顯，并且在布局時(shí)可以將有限的場(chǎng)地充分利用起來(lái)，場(chǎng)地利用率極高。

這種流水線的缺點(diǎn)也是顯而易見的：首先構(gòu)件的質(zhì)量是最主要的參數(shù)，構(gòu)件質(zhì)量越大，整個(gè)結(jié)構(gòu)就越結(jié)實(shí)，鏈結(jié)構(gòu)的承受能力和傳動(dòng)能力都十分有限，即使能滿足要求，成本也會(huì)成倍提高；其次鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)的最小彎弧半徑?jīng)Q定了構(gòu)件的長(zhǎng)度，在考慮構(gòu)件適用范圍時(shí)，要將最小彎弧半徑作為主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)件越長(zhǎng)，則場(chǎng)地利用率越低，設(shè)計(jì)難度也越大；再次，由于流水線作業(yè)對(duì)產(chǎn)品的限制性，在流水線上每一道工序花費(fèi)的時(shí)間都相同，可以在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行拆分，但是如果同批次結(jié)構(gòu)差異度較大，就會(huì)造成噴涂時(shí)間長(zhǎng)短不一，導(dǎo)致工序時(shí)間難以安排，而鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的特點(diǎn)就是差異大，還有一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，無(wú)法用機(jī)器人噴涂，也會(huì)造成機(jī)器人設(shè)備閑置，效率明顯下降；最后，油漆配套不同，固化時(shí)間也有很大差異，如果固化時(shí)間很長(zhǎng)，就不適合流水線操作，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致流水線受此工序影響，整體效率下降。

對(duì)于那些尺寸較大的構(gòu)件，就需要較大的涂裝房，因?yàn)橥垦b房空間越大，堆放的構(gòu)件就越多，更有利于鋼結(jié)構(gòu)的批量涂裝，然而目前我國(guó)許多鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)存在涂裝房不足的窘境。且涂裝房過(guò)大會(huì)大幅度增加涂裝房的使用成本，涂裝房?jī)?nèi)部空間越大，其溫度控制和濕度控制的成本就越大；同時(shí)涂裝房?jī)?nèi)部需要安裝一些自動(dòng)控制和輔助涂裝設(shè)備，涂裝房?jī)?nèi)部空間越大，對(duì)這些自動(dòng)控制和輔助涂裝設(shè)備的數(shù)量和功能的要求就越高，成本也就越高。常規(guī)的做法是，根據(jù)企業(yè)的要求以及實(shí)際情況，選擇一定大小的涂裝房，以實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比。

在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，隨著國(guó)家對(duì)VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）治理要求的不斷加強(qiáng)，原來(lái)一些老企業(yè)的大涂裝房已經(jīng)無(wú)法滿足環(huán)保要求，通過(guò)后期改造，一般是在原有大涂裝房?jī)?nèi)再設(shè)置幾個(gè)可移動(dòng)的小涂裝房。由于小涂裝房空間較小，這樣就能投入較少的成本達(dá)到環(huán)保要求。但是在小型涂裝房里施工仍有諸多弊端，主要弊端如下：（1）小型涂裝房結(jié)構(gòu)尺寸受限于原有大涂裝房的高度和寬度，空間十分有限，里面能夠容納的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件較少，一般只能采用人工噴涂的施工方法進(jìn)行涂裝作業(yè)；（2）因受空間限制，無(wú)法在其內(nèi)部布置大型的自動(dòng)化設(shè)備，即使布置涂裝機(jī)器人，也只能放1～2臺(tái)；（3）有些單位考慮使用叉車或拖車駁運(yùn)構(gòu)件，這樣還要保留車輛的運(yùn)行通道，這也是內(nèi)部小涂裝房寬度受限的原因；（4）有些老廠房改造的涂裝房，內(nèi)部本來(lái)就有起重設(shè)備，但限于高度因素，涂裝房不能太高，只能將小涂裝房的頂部做成活動(dòng)的結(jié)構(gòu)，每次吊運(yùn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，就將屋頂移開，待構(gòu)件擱置在涂裝胎架后再蓋上屋頂，這樣密封效果就很難得到保障；（5）有些單位的小涂裝房長(zhǎng)度太短，雖然對(duì)小構(gòu)件涂裝有利，但無(wú)法滿足大型鋼結(jié)構(gòu)的涂裝要求，即使能將幾個(gè)小涂裝房進(jìn)行接龍式的首尾連接起來(lái)，但對(duì)于長(zhǎng)度有限的大涂裝房來(lái)說(shuō)，將構(gòu)件擺放到涂裝胎架上就位，或用車輛駁運(yùn)變得非常困難；（6）有些單位由于涂裝房布局不合理，導(dǎo)致底漆未完全固化就要移動(dòng)，產(chǎn)生不必要的涂層破壞，既影響涂裝質(zhì)量，又會(huì)導(dǎo)致施工周期延長(zhǎng)。

2 子母涂裝房布局

為了保證鋼結(jié)構(gòu)涂裝質(zhì)量和工期進(jìn)度，結(jié)合公司產(chǎn)品的特點(diǎn)：既有大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也存在一些海外設(shè)備類鋼結(jié)構(gòu)，量身定制了一款子母涂裝房布局，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 子母涂裝房結(jié)構(gòu)Figure 1 Parent-child painting room structure

外部大廠房寬度30 m，僅比小涂裝房寬5 m，均勻分布在小涂裝房?jī)蓚?cè)，僅提供涂裝設(shè)備和人行走道空間。大廠房的房屋高度15 m，長(zhǎng)度180 m。小涂裝房高度8 m，長(zhǎng)度30 m，下部鋪設(shè)120 m的軌道，用于小涂裝房整體移動(dòng)，沿著長(zhǎng)度方向分為4個(gè)工作區(qū)。大廠房?jī)?nèi)部設(shè)置3臺(tái)行車，用于構(gòu)件吊運(yùn)，行車吊運(yùn)構(gòu)件時(shí)，與小涂裝房頂部有一段安全距離，防止構(gòu)件撞擊到小涂裝房屋頂。另外，內(nèi)部安裝了涂裝以及涂裝輔助設(shè)備，可以在控制溫、濕度的前提下完成噴涂施工、涂層修補(bǔ)、漆霧防護(hù)和涂料防爆監(jiān)控等任務(wù)。為了防止涂裝房在4個(gè)工作區(qū)移動(dòng)的過(guò)程中碰觸到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在涂裝房的前后兩側(cè)設(shè)置了柔性門，起到隔離漆霧和保溫等功效。小涂裝房設(shè)有4組交流變頻拖動(dòng)系統(tǒng)，控制涂裝房沿下部軌道做長(zhǎng)距離移動(dòng)。大廠房?jī)?nèi)部除了有軌道的4個(gè)工作區(qū)外，還有提供裝卸構(gòu)件的輸入?yún)^(qū)和輸出區(qū)，具體布局圖如圖2所示。

圖2 大廠房?jī)?nèi)部布局圖Figure 2 Internal layout of large factory building

整個(gè)涂裝房?jī)?nèi)構(gòu)件運(yùn)輸和涂裝等操作流程如下：

（1） 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件從制作場(chǎng)地采用車輛駁運(yùn)到大廠房?jī)?nèi)的輸入?yún)^(qū)，通過(guò)大廠房上方的行車將構(gòu)件吊運(yùn)到A區(qū)。

（2） A區(qū)構(gòu)件布置滿后，開始對(duì)B區(qū)吊運(yùn)構(gòu)件，這個(gè)時(shí)候可以對(duì)A區(qū)構(gòu)件進(jìn)行涂裝前準(zhǔn)備，即對(duì)無(wú)需涂裝的部位進(jìn)行保護(hù)（使無(wú)需涂裝的部位不會(huì)沾染涂料），同時(shí)對(duì)較難涂裝的部位進(jìn)行預(yù)涂。

（3） A區(qū)預(yù)涂完成后將小涂裝房移動(dòng)到A區(qū)進(jìn)行涂裝作業(yè)，這時(shí)B區(qū)構(gòu)件也已經(jīng)布置滿了，可以對(duì)B區(qū)構(gòu)件進(jìn)行涂裝前準(zhǔn)備和預(yù)涂工作，同時(shí)開始對(duì)C區(qū)吊運(yùn)構(gòu)件。

（4） 待A區(qū)涂裝完成后，構(gòu)件就停在A區(qū)等待油漆固化，此時(shí)小涂裝房移動(dòng)到B區(qū)進(jìn)行涂裝作業(yè)，同時(shí)對(duì)C區(qū)構(gòu)件進(jìn)行涂裝前準(zhǔn)備和預(yù)涂工作，并開始對(duì)D區(qū)吊運(yùn)構(gòu)件。

（5） A區(qū)油漆固化后進(jìn)行外觀和膜厚檢查，不滿足質(zhì)量要求的進(jìn)行修補(bǔ)作業(yè)，對(duì)只需噴涂底漆的構(gòu)件可以直接吊運(yùn)至輸出區(qū)，進(jìn)行打包發(fā)運(yùn)裝車工作，完成涂裝的構(gòu)件吊運(yùn)至輸出區(qū)的同時(shí)可以對(duì)A區(qū)吊運(yùn)新的待涂裝構(gòu)件。此時(shí)B區(qū)構(gòu)件開始油漆固化，小涂裝房移動(dòng)到C區(qū)進(jìn)行涂裝作業(yè)，同時(shí)對(duì)D區(qū)構(gòu)件進(jìn)行涂裝前準(zhǔn)備和預(yù)涂工作，依此類推。

（6） 對(duì)要做中間漆的構(gòu)件，完成底漆涂裝后先不吊運(yùn)至輸出區(qū)，而是在D區(qū)完成底漆涂裝作業(yè)后，將小涂裝房移動(dòng)到A區(qū)進(jìn)行中間漆的涂裝作業(yè)，重復(fù)上面的工作。面漆的操作也是如此。

新涂裝房布局設(shè)計(jì)時(shí)考慮到施工場(chǎng)地的最大利用率，采用行車吊運(yùn)構(gòu)件，避免了使用叉車或拖車駁運(yùn)構(gòu)件，還要保留車輛運(yùn)行通道，從而減少了小涂裝房的寬度；同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)在高度上充分考慮了行車吊運(yùn)構(gòu)件的高度，避免構(gòu)件與小涂裝房屋頂?shù)呐鲎?，而造成屋頂移開吊運(yùn)構(gòu)件的麻煩；由于小涂裝房長(zhǎng)度足夠滿足30 m內(nèi)構(gòu)件的涂裝，再配合行車的吊運(yùn)，從而避免了構(gòu)件運(yùn)輸?shù)碾y題；涂裝流水線施工模式的運(yùn)用，避免了構(gòu)件來(lái)回移動(dòng)使得未固化的漆膜遭受破壞；同時(shí)涂裝房的寬度增加了，也可以使用自動(dòng)化噴涂機(jī)器人在小涂裝房?jī)?nèi)完成涂裝作業(yè)；小涂裝房空間相對(duì)較小，加上流水線操作的模式，能在有效場(chǎng)地上最大限度地增加涂裝場(chǎng)地，減少溫、濕度控制的成本，減少處理漆霧的投資。

3 一種新型集成倒掛機(jī)器人的涂裝房系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高效噴涂施工，在子母涂裝房布局的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型集成噴涂房。其結(jié)構(gòu)是在小涂裝房4 m標(biāo)高處設(shè)置一個(gè)二層平臺(tái)，在平臺(tái)下方設(shè)置4組供雙機(jī)倒吊涂裝機(jī)器人行走的軌道框架，即形成4個(gè)噴涂工作區(qū)，每個(gè)框架下部共設(shè)1組（2臺(tái)）倒掛涂裝機(jī)器人，共布置8臺(tái)機(jī)器人。每一組雙機(jī)倒掛機(jī)器人（2臺(tái)）分別對(duì)涂裝房4個(gè)噴涂工作區(qū)域內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行涂裝。在二層平臺(tái)中間布置了一個(gè)機(jī)器人噴涂操作室，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)4組雙機(jī)倒掛機(jī)器人的操控。這4個(gè)噴涂工作區(qū)域之間分別用布簾分開，避免了漆霧相互污染，可以單獨(dú)工作，也可以縱向或橫向組成2個(gè)較大的噴涂工作區(qū)進(jìn)行涂裝作業(yè)，或者兩個(gè)單獨(dú)噴涂工作區(qū)，另外一個(gè)縱向或橫向組合涂裝工作區(qū)。涂裝房的側(cè)面、頂面和二層平臺(tái)都采用保溫板固定，加上前后側(cè)的柔性門，有利于涂裝房?jī)?nèi)溫、濕度的控制。同時(shí)考慮到機(jī)器人噴涂功效高，噴涂使用的涂料桶和攪拌機(jī)構(gòu)布置在小涂裝房外側(cè)，在涂裝房框架上設(shè)置一個(gè)擱置平臺(tái)，一邊攪拌一邊噴涂，萬(wàn)一油漆不夠也可以在外側(cè)直接添加，確保能持續(xù)不斷地供應(yīng)，也避免了人員進(jìn)入涂裝房?jī)?nèi)部影響機(jī)器人涂裝施工。小涂裝房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，為看清內(nèi)部結(jié)構(gòu)，側(cè)墻和屋頂?shù)谋匕逡约扒昂笕嵝蚤T上都設(shè)有顯示。

圖3 小涂裝房?jī)?nèi)部框架結(jié)構(gòu)Figure 3 Internal frame structure of small painting room

這種涂裝房結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）立體布局，場(chǎng)地利用率高：采用二層平臺(tái)結(jié)合倒掛機(jī)器人的方式避免機(jī)器人軌道鋪設(shè)占用大量空間，地面上可以布滿鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，機(jī)器人控制設(shè)備布置在二層平臺(tái)上；（2）多組機(jī)器人同時(shí)噴涂，可以實(shí)現(xiàn)高效噴涂，避免了少量機(jī)器人噴涂時(shí)移動(dòng)范圍大，涂裝設(shè)備布置難度大的問題；（3）涂裝房?jī)?nèi)部格局切換靈活：對(duì)應(yīng)不同大小的構(gòu)件，可以有多種組合工作區(qū)模式，快速用布簾隔離，避免各工作區(qū)漆霧的相互污染。

4 一母多子涂裝房系統(tǒng)

一母多子涂裝房系統(tǒng)將子母涂裝房的布局優(yōu)勢(shì)與集成倒掛機(jī)器人涂裝房的特點(diǎn)相結(jié)合，組合起來(lái)更加體現(xiàn)立體布局的優(yōu)勢(shì)（底層鋪設(shè)構(gòu)件、二層機(jī)器人噴涂、上層行車吊運(yùn)），能極大地提高涂裝房的利用率，采用雙機(jī)倒掛機(jī)器人自動(dòng)噴涂，進(jìn)一步提高噴涂功效?？紤]到許多產(chǎn)品是快速固化的涂料配套體系，可以布置雙子涂裝房，加上合理的流水線設(shè)置，效率會(huì)更高。公司計(jì)劃在已有的內(nèi)部小涂裝房的基礎(chǔ)上先改造新型集成倒掛機(jī)器人的涂裝房，待試用結(jié)果驗(yàn)證后，再考慮布置一母多子涂裝房系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化噴涂是行業(yè)趨勢(shì)，合理的涂裝房設(shè)計(jì)必須要跟上，為了將研究的雙機(jī)倒掛涂裝機(jī)器人［9］用于實(shí)際涂裝作業(yè)，公司目前已經(jīng)完成涂裝房［10］的策劃和設(shè)計(jì)工作，后續(xù)將在實(shí)施過(guò)程中進(jìn)一步優(yōu)化完善。

（致謝：本論文在撰寫過(guò)程中得到南通理工學(xué)院楊鋒先生的幫助，特此感謝!）