盾構(gòu)隧道管片模具自動清理及脫模劑噴涂設(shè)備的研制

王國政

(中鐵十四局集團房橋有限公司,北京 102400)

東六環(huán)(京哈高速—潞苑北大街)改造工程南起京哈高速北至潞苑北大街，項目全長16 km，隧道長9.2 km，其中盾構(gòu)段長7.4 km。盾構(gòu)管片外徑15.4 m，厚度650 mm，管片寬度2 000 mm，管片采用通用楔形環(huán)設(shè)計、楔形量40 mm。單環(huán)分為10塊，采用7+2+1分塊設(shè)計，混凝土強度C60，抗?jié)B等級P12，每環(huán)螺栓86個，管片混凝土方量60.24 m3，單塊標(biāo)準(zhǔn)方量6.56 m3，單塊最大質(zhì)量17.8 t，中鐵十四局集團北京東六環(huán)改造工程管片預(yù)制廠承擔(dān)盾構(gòu)管片生產(chǎn)任務(wù)3 725環(huán)。該工程連接北京城市副中心，對首都建設(shè)發(fā)展起到重要作用，因此對管片質(zhì)量提出更高標(biāo)準(zhǔn)要求。由此需設(shè)計盾構(gòu)隧道管片模具自動清理及脫模劑噴涂設(shè)備來規(guī)范管片質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化水平[1]，提升生產(chǎn)效率。

隨著我國提出“智能制造”規(guī)劃，近年來智能制造迅猛發(fā)展，混凝土預(yù)制行業(yè)也邁出了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐，由以前傳統(tǒng)的人工作業(yè)逐步過渡到自動化作業(yè)。在管片流水生產(chǎn)線作業(yè)過程中，模具清理和脫模劑噴涂作業(yè)是直接影響混凝土管片最終質(zhì)量的關(guān)鍵工序，該工序行業(yè)內(nèi)一直是人工作業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，最終作業(yè)效果受人員作業(yè)水平影響很大，所以采用自動化的設(shè)備替代人工成為一種必然。研制出的自動化清理噴涂設(shè)備，能夠有效地清理管片模具的內(nèi)腔并均勻的噴涂脫模劑，具有作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、效率高等優(yōu)點，同時還可以極大的降低人工作業(yè)強度。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

本文研究的盾構(gòu)隧道管片模具自動清理及脫模劑噴涂設(shè)備，屬于工業(yè)機器人在基建行業(yè)的應(yīng)用。工業(yè)機器人在智能制造體系中占有很大的比重，其在汽車制造、航空航天制造等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用；隨著基建行業(yè)的升級發(fā)展，為了替代傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，工業(yè)機器人的應(yīng)用也逐漸得到基建行業(yè)的關(guān)注，本文即嘗試將工業(yè)機器人應(yīng)用到盾構(gòu)隧道管片的自動化作業(yè)中去。隧道管片模具自動清理及脫模劑噴涂設(shè)備的研制屬于行業(yè)首創(chuàng)，研究過程經(jīng)過反復(fù)試驗和驗證，取得了較好的清理噴涂效果，可以在行業(yè)內(nèi)推廣使用。

2 技術(shù)方案

管片模具自動清理及脫模劑噴涂設(shè)備由第七軸、工業(yè)機器人、快速轉(zhuǎn)換裝置、清理系統(tǒng)、噴涂系統(tǒng)組成，如圖1、圖2所示。整體設(shè)備由第七軸傳動系統(tǒng)帶動工業(yè)機器人沿生產(chǎn)線方向移動，由工業(yè)機器人運動完成清理或者噴涂作業(yè)局部區(qū)域的運動覆蓋，經(jīng)快速轉(zhuǎn)換裝置連接末端執(zhí)行機構(gòu)完成對應(yīng)清理或者噴涂作業(yè)，而快速轉(zhuǎn)換裝置可以有效的保證兩種作業(yè)系統(tǒng)之間的切換完成。

圖1 清理噴涂設(shè)備模型

圖2 設(shè)備各組成部分

3 方案實施

3.1 第七軸硬件設(shè)計

該設(shè)備選擇六自由度工業(yè)機器人作為設(shè)備主體，以確保設(shè)備能夠以高重復(fù)精度軌跡在相應(yīng)區(qū)域進行作業(yè)。在考慮項目實際情況后，所選擇工業(yè)機器人具有工作溫度環(huán)境為0～55 ℃，最大工作范圍為2 701 mm，最大有效載荷能力為270 kg，額定有效載荷能力為210 kg，位置重復(fù)精度為±0.05 mm等特點。工業(yè)機器人擁有軸數(shù)為6個，本體質(zhì)量約1 077 kg，占地面積為754 mm×754 mm。由于工業(yè)機器人安裝在地面后無法達(dá)到作業(yè)所需高度，且沿管片長度方向工業(yè)機器人作業(yè)范圍不能包含整個模具，因此搭建工業(yè)機器人第七軸加以輔助、擴展作業(yè)范圍。

工業(yè)機器人第七軸，整體長度為7 m，平行度±0.1 mm，起始端加有軟硬限位。第七軸沿管片長度方向，整體結(jié)構(gòu)由高強度方鋼、工字鋼焊接而成，包含下方高度支撐結(jié)構(gòu)、機械臂滑臺、伺服電機、減速機、齒輪齒條、導(dǎo)軌滑塊、導(dǎo)軌齒條安裝板等部分。齒條和直線導(dǎo)軌由2 m長度單元拼接而成。工業(yè)機器人安裝在工業(yè)機器人第七軸滑臺上方，由工業(yè)機器人第七軸提供一定高度并通過改變滑臺位置控制工業(yè)機器人所處位置。該第七軸由于考慮防塵問題，需按照全封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計制作。

該第七軸最終技術(shù)參數(shù)設(shè)計為：行程L7 000 mm，總質(zhì)量m2 000 kg，最大速度V30 m/min，加速度a0.5 m/s2，驅(qū)動方式為齒輪齒條。

3.2 末端執(zhí)行器功能

末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)連接在工業(yè)機器人機械臂末端，在機械臂的控制下進入預(yù)定作業(yè)區(qū)域。末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)由快速轉(zhuǎn)換裝置、清理系統(tǒng)、噴涂系統(tǒng)組成。

3.2.1 快速轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)

快速轉(zhuǎn)換裝置(結(jié)構(gòu)如圖3所示)采用航空鋁材制造，包含一個主盤與兩個副盤，通過每個盤上6個氣壓孔提供鎖緊力進行鎖緊，氣壓0.49 MPa時鎖緊力可達(dá)5 292 N。主盤安裝于工業(yè)機器人機械臂末端法蘭盤上，在作業(yè)時從支架選取相應(yīng)副盤進行作業(yè)，副盤分別與清理系統(tǒng)、噴涂系統(tǒng)進行連接。主盤經(jīng)由一導(dǎo)管連接至脫模劑儲存位置，當(dāng)與噴涂用副盤進行連接后脫模劑可由此進入噴涂用副盤。

圖3 快換裝置結(jié)構(gòu)

3.2.2 清理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

清理系統(tǒng)包含清理刷頭與粉塵收集裝置兩部分。清理刷頭由打磨頭與單向浮動裝置組成，單向浮動裝置首端連接快速轉(zhuǎn)換裝置副盤，可由氣壓鎖緊連接至工業(yè)機器人末端。所選用單向浮動裝置動力為氣動方式，軸向行程0～50 mm，質(zhì)量為2.8 kg，壓力在50～350 N可調(diào)，并有10 mm的壓縮量。通過控制壓力作用于打磨頭從而實現(xiàn)清理效果。打磨頭材料選擇為碳化硅，與單向浮動裝置末端連接，通過旋轉(zhuǎn)對管片模具內(nèi)壁進行相應(yīng)清理。

粉塵收集裝置依靠工業(yè)吸塵器完成，工業(yè)吸塵器主體安裝于工業(yè)機器人第七軸滑臺上方，吸管沿工業(yè)機器人進行固定，末端與工業(yè)機器人末端平齊。在清理過程中同步開啟吸塵功能，通過吸管將清理過程中產(chǎn)生的殘渣與粉塵排出。

3.2.3 噴涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

噴涂系統(tǒng)由內(nèi)混式噴槍加以執(zhí)行，涂料供給方法為壓送式，噴涂用快速轉(zhuǎn)換裝置副盤上有固定孔位在與主盤鎖定后聯(lián)通脫模劑儲存裝置。噴槍扇幅大小、霧化范圍、噴嘴開關(guān)均可調(diào)節(jié)。

3.3 電氣控制系統(tǒng)作用

控制系統(tǒng)的硬件組成：RFID模具識別標(biāo)簽，PLC控制器，伺服系統(tǒng)電機，通訊功能模塊，傳感系統(tǒng)模塊。

本次設(shè)計因為要將高精度控制的伺服電機作為控制對象，還要與第三方設(shè)備進行通訊，因此選用在此項控制方面具有優(yōu)勢的西門子S7-1200系列1212C型號的PLC作為設(shè)計基礎(chǔ)。

根據(jù)模具清理噴涂的生產(chǎn)要求，需要對模具內(nèi)腔的表面進行清理噴涂，自動清理噴涂作業(yè)開始前需要在組態(tài)中輸入清理噴涂工藝的相關(guān)參數(shù)，RFID讀取模具型號，光電傳感器判斷模具的位置。整套系統(tǒng)在伺服電機的驅(qū)動下，工業(yè)機器人按照示教編程做好的路徑進行清理噴涂作業(yè)，完成工藝要求清理噴涂標(biāo)準(zhǔn)化。

4 現(xiàn)場施工情況

本設(shè)備的投入使用滿足了現(xiàn)場對于施工時長以及施工質(zhì)量的要求，現(xiàn)場應(yīng)用情況如圖4所示。在正常投入使用后，清理作業(yè)耗時9 min，噴涂作業(yè)耗時4 min，工作正常，表明了設(shè)備的實用價值。

圖4 現(xiàn)場實際應(yīng)用情況

5 結(jié)束語

通過工程項目應(yīng)用驗證，研發(fā)的盾構(gòu)隧道管片模具自動清理及脫模劑噴涂設(shè)備能夠有效地清理模具內(nèi)腔并均勻的將脫模劑噴涂于模具內(nèi)腔，另外該作業(yè)過程無須人工干預(yù)，可以有效地降低人員作業(yè)強度。該設(shè)備的應(yīng)用有效地滿足了生產(chǎn)施工對于質(zhì)量和時間的要求。工業(yè)機器人在業(yè)內(nèi)屬于首次應(yīng)用，實現(xiàn)了自動化替代人工的目標(biāo)，并進一步規(guī)范了施工標(biāo)準(zhǔn)，值得推廣。