起重機大型金屬結(jié)構(gòu)件智能化制造系統(tǒng)

高灼均 黃海珊 劉 捷 鄺偉英 羅健康

廣州起重機械有限公司 廣州 510405

0 引言

在制造過程中，起重機包含了多種多樣的金屬結(jié)構(gòu)件的制造和檢測。目前，國內(nèi)很多企業(yè)的大型金屬結(jié)構(gòu)件在成型后的轉(zhuǎn)場、噴涂、噴涂后的質(zhì)量檢驗等工序還是以人工作業(yè)為主，自動化、信息化程度較低，未能有效地將信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視覺檢驗技術(shù)等數(shù)字制造技術(shù)相融合。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，起重機制造向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型已是大勢所趨。本文以自主研發(fā)的大型金屬結(jié)構(gòu)件制造系統(tǒng)為例，對大型金屬結(jié)構(gòu)件在轉(zhuǎn)場、噴涂、噴涂質(zhì)量檢測等工序?qū)崿F(xiàn)自動化、數(shù)字化進行了分析研究。

1 行業(yè)的現(xiàn)狀

近年來，基于國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目利好政策和宏觀經(jīng)濟發(fā)展良好態(tài)勢的背景下，起重機械行業(yè)市場迎來了爆發(fā)式的增長期，橋門式起重機制造企業(yè)數(shù)量猛增。然而，大部分企業(yè)在金屬結(jié)構(gòu)件制造過程中雖引入機械設(shè)備進行輔助，但仍以獨立設(shè)備為主，未能形成系統(tǒng)性制造措施和生產(chǎn)理念。在工業(yè)4.0 及中國制造2025 等智能制造大背景下，國內(nèi)部分處于領(lǐng)先位置的起重機制造企業(yè)了吸收先進的理念，利用互聯(lián)網(wǎng)思維將智能化、信息化等理念引入到起重機械生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)的相結(jié)合。

2 項目概況及工藝流程的變革

2.1 項目概況

本文所述起重機大型金屬結(jié)構(gòu)件的智能化制造系統(tǒng)集成了智能化起重機控制系統(tǒng)、AGV 控制系統(tǒng)、大型金屬結(jié)構(gòu)件自動化涂裝生產(chǎn)線、智能化調(diào)度與管理系統(tǒng)、數(shù)字化智能涂裝檢驗系統(tǒng)、數(shù)字孿生可視化管理系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運維服務(wù)系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)功能，實現(xiàn)了起重機大型金屬結(jié)構(gòu)件的存放、轉(zhuǎn)運、噴涂、涂裝質(zhì)量檢驗等相關(guān)制造工序的智能化。

2.2 工藝流程的變革

起重機的主梁從板材到產(chǎn)品成品入庫需經(jīng)過多種工藝處理流程，而以往的生產(chǎn)工藝流程已不適應(yīng)智能化制造的需求。因此，通過與智能化生產(chǎn)線的技術(shù)結(jié)合，將主梁的生產(chǎn)工藝流程加以改進，具體流程為：板件開平→板件單面拋丸和車間底漆噴涂→拋丸和涂裝質(zhì)量檢測→板件下料→主梁制作成形→報檢→貼識別碼→轉(zhuǎn)運車識別→轉(zhuǎn)運至橋架車間暫存庫→橋架制作→完工檢驗→AGV 轉(zhuǎn)運車識別→轉(zhuǎn)運至自動化涂裝生產(chǎn)線→智能化起重機吊運→自動化涂裝生產(chǎn)線噴涂作業(yè)→噴涂質(zhì)量檢測→智能化起重機吊運→AGV 轉(zhuǎn)運車運送→成品入庫→發(fā)貨。

3 系統(tǒng)和設(shè)備的研發(fā)與實施

3.1 重載AGV 的研制

一般而言，載重超過5 t 的AGV 便屬于重載型AGV，重載型AGV 憑借大尺寸、高承載等特征可以完成大型工件的加工制造、搬運等操作。重載型AGV 與輕載型AGV 的設(shè)計結(jié)構(gòu)有很大差異，零部件選購標準也有所不同，相對于輕載型AGV 而言，重載型AGV研發(fā)和生產(chǎn)門檻都相對比較高。

1）載重依據(jù)

根據(jù)項目需求，對某公司近8 a 的主梁生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計和分析，其中90%的起重機業(yè)務(wù)訂單的主梁質(zhì)量均在10 t 以下，只有個別訂單業(yè)務(wù)超出范圍?；诮y(tǒng)計得出的數(shù)據(jù)，將AGV按10 t載荷的重載型進行研制。

2）基礎(chǔ)參數(shù)

本項目重載型AGV 的車體尺寸為8 000 mm×2 500 mm×1 000 mm（長×寬×高）；車體的底盤為4 輪結(jié)構(gòu)；由前后雙舵輪驅(qū)動總成＋前后雙萬向輪的方式進行布置；舵輪驅(qū)動機構(gòu)的牽引伺服電動機參數(shù)為3 kW、48 V、1 500 r/min、19 N·m；轉(zhuǎn)向伺服電動機參數(shù)為1.5 kW、48 V、3 000 r/min、4.8 N·m；AGV 最大運行速度為20 m/min；停車精度為±20 mm；升降機構(gòu)采用四點液壓同步舉升的方式；最大舉升載荷為10 t；舉升高度為120 mm。AGV 采用250 Ah、48 V 磷酸鐵鋰電池供電。

3）安全性能設(shè)計

本項目AGV 在室外和室內(nèi)均有實際使用，為減少室外雨水和光線變化對AGV 的干擾，導(dǎo)航方式選擇磁條導(dǎo)航。AGV 車體四周安裝有接觸式防護裝置、非接觸式防護裝置，具有失速保護、執(zhí)行機構(gòu)的安全防護、運行指示燈、聲音報警提醒等功能。該AGV 承載著起重機主梁延伸至車體外部，安全性是非常重要的考核指標?；诖素撦d特性，AGV 除車身四周安裝有壁障雷達，還研發(fā)了無線可拆卸壁障雷達，靈活方便地放置于AGV 運載的主梁前后端，起到多重保護的功能。重載AGV 搬運示意圖如圖1 所示。

圖1 重載AGV 搬運示意圖

3.2 門式起重機的智能化改造

1）控制系統(tǒng)的升級

由傳統(tǒng)人工操縱作業(yè)的起重機已不能滿足智能化制造系統(tǒng)的需求，須將起重機的控制系統(tǒng)進行智能化升級改造。

①門式起重機各機構(gòu)精確定位的實施 精確定位是智能化起重機的重要硬性指標，運動控制系統(tǒng)定位精度的準確性對智能化的實現(xiàn)有嚴重的影響性。若要實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)快速、平穩(wěn)和準確的要求，速度的控制至關(guān)重要。本項目門式起重機的水平運動和垂直運動均采用變頻無級調(diào)速的方式，且控制系統(tǒng)增加電子防搖擺功能。系統(tǒng)的水平運動和垂直運動均采用高精度激光測距儀進行定位，結(jié)合速度曲線的算法計算出最佳運動速度曲線，實現(xiàn)各機構(gòu)運行定位精度在±10 mm 以內(nèi)。

②控制模式的改變 單一的、采用遙控器就近控制的方式已不能滿足智能化控制的需求，起重機在保留原有控制模式的基礎(chǔ)上增加了上位機調(diào)度系統(tǒng)的手動和自動2 種控制模式，從而能更好地滿足智能化控制的需求。在自動控制模式時，可通過上位機控制系統(tǒng)下達和接收任務(wù)，實現(xiàn)自動控制。

③視頻監(jiān)控系統(tǒng)的引入 為更好地實時了解和管理作業(yè)現(xiàn)場，在起重機及周邊范圍安裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)作業(yè)范圍的安全可視化管理。視頻通過網(wǎng)絡(luò)集中傳送到中控系統(tǒng)，管理人員不必親臨現(xiàn)場，在中控室便可對現(xiàn)場進行實時監(jiān)控和管理，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的違規(guī)現(xiàn)象，提高管理效率。

④計算機三維掃描系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用 起重機主梁在AGV 小車及自動化涂裝生產(chǎn)線上的位置并不固定，門式起重機要實現(xiàn)對主梁的精確抓取，需要控制系統(tǒng)科學(xué)自主地找出起重機主梁的重心位置。為此，研發(fā)了三維掃描控制系統(tǒng)，對主梁結(jié)構(gòu)進行掃描分析，并計算出合適的抓取位置，從而現(xiàn)起重機對主梁的精確抓取。

⑤5G 通信技術(shù)的應(yīng)用 利用5G 高速率、大帶寬、低時延的特點，在中控室與起重機之間建立5G 實時通訊，使起重機與上位機控制系統(tǒng)的實時通信更高速、穩(wěn)定。

2）機械部件的升級改造

①智能化吊具的研制 根據(jù)項目的需求研制出一種智能化吊具，該吊具能自動檢測被抓取物的尺寸信息、感知與被吊物體的高度距離值、抓取后的傾斜角度、夾緊狀況等信息。吊具集機電液一體化，能實現(xiàn)抓取的無人化、信息化、自動化。

②負載防搖擺輔助機構(gòu)的設(shè)計 吊具與起重機卷筒采用鋼絲繩柔性連接。在室外作業(yè)時，由于受風(fēng)載因素的影響，起重機在下放主梁過程中主梁會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。為了解決此問題，研制出一種輕巧型負載防搖擺機械輔助裝置，使主梁在下放過程中更平穩(wěn)，減少了旋轉(zhuǎn)的角度范圍。智能化門式起重機搬運示意圖如圖2 所示。

圖2 智能化門式起重機搬運示意圖

3.3 大型金屬結(jié)構(gòu)件自動調(diào)整裝置的設(shè)計與實施

為了確保主梁在自動化涂裝生產(chǎn)線上能按合適的姿態(tài)進行放置，研制出一種用于長形結(jié)構(gòu)件的姿態(tài)調(diào)整裝置，其能將長形結(jié)構(gòu)件姿態(tài)調(diào)正，以確保長形結(jié)構(gòu)件能精準地落在自動化涂裝生產(chǎn)線的小車承托面內(nèi)，以滿足工位中心偏離不大于20 mm 的范圍值。該裝置由4 套伺服電推桿組成，以PLC 控制伺服電動機驅(qū)動電推桿的方式實現(xiàn)運動，并通過接受上位系統(tǒng)發(fā)送主梁的參數(shù)信息，自動運行調(diào)整至合適的距離，從而使大型金屬結(jié)構(gòu)件得以自動調(diào)整。大型金屬結(jié)構(gòu)件自動調(diào)整裝置如圖3 所示。

圖3 大型金屬結(jié)構(gòu)件自動調(diào)整裝置示意圖

3.4 大型金屬結(jié)構(gòu)件自動化涂裝生產(chǎn)線的研發(fā)

傳統(tǒng)的人工噴涂作業(yè)方式存在效率低、噴涂品質(zhì)難以控制、有損工人健康等問題，為了實現(xiàn)產(chǎn)品涂裝的智能化、綠色化，本文研發(fā)了一條自動化涂裝生產(chǎn)線。該自動化涂裝生產(chǎn)線由3 臺6 軸機器人、噴槍、伺服行走機構(gòu)單元、伺服高精鋼絲輸送單元等部件組成。智能自動涂裝生產(chǎn)線可實現(xiàn)30 ～40 min 完成1 臺起重機主梁的涂裝作業(yè)，比人工噴涂作業(yè)的涂裝效率可提高7 ～8倍以上。該自動化涂裝生產(chǎn)線摒棄了人工噴涂作業(yè)的方式，從源頭開展排放物治理，使工作環(huán)境更潔凈，且降低了工人的職業(yè)健康危害。智能自動涂裝生產(chǎn)線采用恒壓集中輸調(diào)漆系統(tǒng)和自動化噴涂技術(shù)，使產(chǎn)品的噴涂精細度更高，大幅度提高了產(chǎn)品外觀質(zhì)量。自動化涂裝生產(chǎn)線的投入使用，實現(xiàn)了環(huán)保標準提升以及生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量的提高。自動化涂裝生產(chǎn)線如圖4 所示。

圖4 自動化涂裝生產(chǎn)線示意圖

3.5 物件表面涂裝質(zhì)量智能檢測系統(tǒng)

以往主梁等金屬結(jié)構(gòu)件在噴涂后的質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)均為人工根據(jù)經(jīng)驗判斷噴涂質(zhì)量是否達標，人為主觀性因素占比較大，存在判斷標準不統(tǒng)一的問題。為此，本文研發(fā)了一種物件表面涂裝質(zhì)量智能檢測系統(tǒng)，采用機器視覺識別技術(shù)實現(xiàn)大型金屬結(jié)構(gòu)件表面涂裝質(zhì)量自動檢測，并建立了涂裝質(zhì)量缺陷圖形庫和缺陷對比算法。該系統(tǒng)通過圖像檢測的方式得到涂漆的表面質(zhì)量信息，通過算法對涂裝瑕疵進行更精準的識別、學(xué)習(xí)，并持續(xù)迭代。另外，采用機器視覺識別技術(shù)的表面涂裝質(zhì)量智能檢測系統(tǒng)能持續(xù)降低檢測成本，解決了人工檢測的錯檢、漏檢等問題。涂裝質(zhì)量智能化檢測如圖5 所示。

圖5 涂裝質(zhì)量智能檢測示意圖

3.6 作業(yè)區(qū)域和作業(yè)過程的可視化管理

為了更好地了解和掌握系統(tǒng)的狀態(tài)和運行情況，采用數(shù)字孿生可視化管理，將數(shù)字孿生技術(shù)與可視化技術(shù)相結(jié)合，將過程數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)相集成，形成具有交互性和可視化的數(shù)字孿生環(huán)境。傳統(tǒng)的管理往往依賴于人力和經(jīng)驗，很難準確地把握實際運營情況；而數(shù)字孿生可視化技術(shù)可以精確地監(jiān)控生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)和信息通過圖像、動畫等形式呈現(xiàn)出來，更直觀地反映系統(tǒng)的各種狀態(tài)和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和應(yīng)用，幫助管理人員及時發(fā)現(xiàn)問題，并采取相應(yīng)的措施加以解決，從而提高生產(chǎn)效率，降低運營成本。本項目通過數(shù)字孿生可視化技術(shù)實現(xiàn)了智能化設(shè)備管理，為工廠的可持續(xù)發(fā)展提供更多的可能性。廠區(qū)三維可視化情況如圖6 所示。

圖6 廠區(qū)三維可視化示意圖

3.7 遠程運維服務(wù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺管理

為了能快速掌握系統(tǒng)的運行狀況和進行數(shù)據(jù)分析，金屬結(jié)構(gòu)件制造系統(tǒng)可接入遠程運維服務(wù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺進行管理。遠程運維服務(wù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、計算機軟件等一體的綜合運用管理平臺，可大大提高生產(chǎn)水平和生產(chǎn)效率。遠程運維服務(wù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺采用圖形化、數(shù)字化的設(shè)計效果，使用移動終端便可實時掌握設(shè)備的實時動態(tài)，管理既方便又快捷。平臺系統(tǒng)可實時采集設(shè)備的狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)挖掘與歷史數(shù)據(jù)分析，能推理、判斷即將發(fā)生的故障，實現(xiàn)安全預(yù)測性警示。遠程運維服務(wù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)如圖7 所示。

圖7 遠程運維服務(wù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)圖

3.8 主梁存放庫WMS 的建立

倉庫管理系統(tǒng)（Warehouse Management System，WMS）是對物料進行管理的軟件，集成出入庫業(yè)務(wù)、盤點業(yè)務(wù)、調(diào)撥業(yè)務(wù)、LED信息顯示、作業(yè)狀態(tài)仿真監(jiān)視、報警顯示等相關(guān)功能。在未實現(xiàn)數(shù)字化、信息化智能制造系統(tǒng)前，主梁存放存在信息不透明、存放不合理等問題。金屬結(jié)構(gòu)件制造系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化、信息化的現(xiàn)代管理措施可實現(xiàn)主梁存放的數(shù)字化與智能化管理，建立主梁存放WMS 管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)對主梁的入庫、出庫、庫存調(diào)撥等業(yè)務(wù)可實現(xiàn)批次整理、庫存盤點以及質(zhì)檢等程序一體化管理，有效地對主梁業(yè)務(wù)進行全方位的控制和跟蹤，解決了以往長起存在的問題痛點。

4 結(jié)論

通過系統(tǒng)性探索、研發(fā)、集成，起重機金屬結(jié)構(gòu)件智能化制造系統(tǒng)取得了良好的實踐效果。起重機金屬結(jié)構(gòu)件智能化制造系統(tǒng)的成功落地，是對大型金屬結(jié)構(gòu)件制造場景的智能化制造的突破，為企業(yè)全面實現(xiàn)數(shù)字化改造和建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗，為起重機行業(yè)乃至大型金屬結(jié)構(gòu)件制造行業(yè)，從單元級到系統(tǒng)級的智能化都有很好的示范作用，對推進高端智能裝備的發(fā)展，尤其是對工業(yè)制造業(yè)智能物流系統(tǒng)的發(fā)展具有重大意義。