前言
在製造過程中，起重機涉及各種金屬結構件的製造和檢測。 目前，國內很多企業在大型金屬結構件形成後的過渡、噴塗、噴塗後的質檢等工序仍以手工作業為主，自動化程度、資訊化程度較低，未能有效融合資訊科技、網路技術、視覺檢測技術等數位化製造技術。 隨著科學技術的不斷發展，起重機製造向數位化、智慧型化轉型已成為大勢所趨。 本文以自主研發的大型金屬結構件製造系統為例，分析研究了大型金屬結構件在過渡、噴塗、噴塗質檢過程中的自動化、數位化。 一、行業現狀近年來，基於國家基礎設施建設專案的利好政策和巨集觀經濟發展的良好趨勢，起重機械行業市場迎來了爆發式增長期，門式起重機製造企業數量猛增。 然而，雖然大多數企業引進機械裝置來輔助金屬結構件的製造過程，但仍然依賴自主裝置，未能形成系統的製造措施和生產理念。 在工業 4 中在0、中國製造2025等智慧型製造背景下，國內一些處於領先地位的起重機製造企業吸收先進理念，運用網際網絡思維，將智慧型化、資訊化的理念引入起重機械生產的各個環節，實現資訊科技與工業技術的結合。 二、專案概況及流程改造2.1 專案概況本文介紹的起重機大型金屬結構件智慧型製造系統整合了智慧型起重機控制系統、一流的控制系統、大型金屬結構件自動塗裝生產線、智慧型排程管理系統、數位化智慧型塗層檢測系統、數字孿生視覺化管理系統、工業網際網絡運維服務系統等相關系統功能，實現起重機大型金屬結構件的儲存、轉移、噴塗、塗裝質量檢測等智慧型製造過程。2.2、工藝流程的轉變起重機的主梁需要經過從板材到成品入庫的多種工藝流程，以前的生產工藝已經不適合智慧型製造的需要。 因此，通過技術與智慧型生產線的結合，改進了主梁的生產工藝，具體工藝為：板材開平整平、板材單面拋丸及車間底漆噴塗、拋丸及塗裝質量檢驗、板材下料、主梁製作成型、檢驗並貼上識別碼、轉運車識別、 轉運至橋梁車間暫存倉庫，橋梁生產，竣工檢驗，轉運車輛鑑定，轉入自動塗裝生產線，智慧型吊裝，自動塗裝生產線噴塗作業，噴塗質檢，智慧型起重機吊裝，將成品運入倉庫並發貨。3. 系統和裝置的研發和實施3.1. 重型汽車的開發一般來說，5T A**以上的負載屬於過載A**型，過載A**可以完成具有大尺寸、高負荷特點的大型工件的加工、製造、搬運等操作。 過載A**和輕載A**的設計結構有很大不同，零件的選擇標準也不同。 3.1.1、根據專案要求，對某公司近80%的主梁生產資料進行了統計分析，其中起重機業務訂單主梁質量90%在10t以下，只有少數訂單超出範圍。 根據統計資料，A**被開發為載重10t的重型型。 3.1.2、基本引數：本專案重型A**型車身尺寸為8000mm、2500mm、1000mm（長、寬、高）; 車身底盤為輪式結構; 按前後雙方向盤驅動總成、前後雙萬向輪方式布置; 方向盤驅動機構牽引伺服電機引數為3KW，48V，1500R min，19N·m; 轉向伺服電機引數為15kw、48v、3000r/min、4.8n·m；a**最大執行速度為20mmin; 停車精度為20mm; 公升降機構採用四點液壓同步公升降方式; 最大起公升載荷為10t; 起公升高度為120mm。 A**由250ah，48V磷酸鐵鋰電池供電。 3.1.3、安全效能設計：本專案在室外和室內均有實際使用，為了減少室外雨光變化對a**的干擾，導航方式為磁條導航。 a**車身裝有接觸式保護裝置和非接觸式保護裝置，具有失速保護、執行機構安全保護、執行指示燈、聲音報警提醒等功能。 a**承載著延伸到車身外側的起重機大樑，安全性是乙個非常重要的考核指標。 基於這一載荷特性，A**除了安裝在車身周圍的屏障雷達外，還開發了一種無線可拆卸的屏障雷達，可以靈活方便地放置在A**攜帶的主波束的前後端，發揮多重保護功能。 過載 A** 處理示意圖如圖 1 所示。 
圖1 過載a**搬運示意圖
3.2、門式起重機的智慧型化改造3.2.1、控制系統的公升級已經不能滿足起重機傳統人工操作對智慧型製造系統的需求，必須對起重機的控制系統進行智慧型化公升級。 門式起重機各機構精確定位的實施，精確定位是智慧型起重機的重要硬指標，運動控制系統定位精度的精度對智慧型化的實現有著嚴重的影響。 速度控制對於實現運動控制系統的快速、平穩和準確要求至關重要。 本專案中門式起重機的水平運動和垂直運動採用變頻無級調速的方式，控制系統增加了電子防搖功能。 系統的水平和垂直運動採用高精度雷射測距儀進行定位，結合速度曲線演算法計算出最優運動速度曲線，實現各機構在10mm以內的定位精度。 控制方式的改變是單一的，利用遙控器控制就近的方式已經不能滿足智慧型控制的需要，起重機在保留原有控制方式的基礎上，增加了上位機排程系統的手動和自動兩種控制方式，從而更好地滿足智慧型控制的需要。 在自動控制模式下，任務可以通過上位機控制系統發出和接收，實現自動控制。 為了更好地了解和實時管理作業現場，在起重機及其周邊地區安裝了監控系統，實現了作業範圍的安全視覺化管理。 **通過網路集中傳輸到中控系統，管理人員不必親臨現場，在中控室可以對現場進行實時監控和管理，及時發現生產過程中的違規行為，提高管理效率。 計算機三維掃瞄系統的發展和應用，起重機大樑在**小車和自動塗裝生產線中的位置不是固定的，門式起重機需要實現對主梁的準確抓取，控制系統需要科學、獨立地找出起重機大樑重心的位置。 為此，開發了一種三維掃瞄控制系統，對主梁結構進行掃瞄分析，計算出合適的抓取位置，從而實現起重機對主梁的精確抓取。 5G通訊技術的應用，利用5G高速、大頻寬、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之間的實時通訊更加高速穩定。 3.2.2 機械零部件的公升級改造 智慧型吊具的發展 根據專案需要開發了一款智慧型吊具，可自動檢測被吊物體的尺寸資訊，感知被吊物體的高度距離值、抓取後的傾斜角度、夾緊情況等資訊。 吊具集機電、液壓於一體，可實現無人化、資訊化、自動化抓取。 負載防搖輔助機構的設計，吊具和起重機滾筒採用鋼絲繩靈活連線。 在戶外工作時，由於風荷載係數的影響，主梁在降低主梁的過程中會旋轉。 為了解決這一問題，研製了一種輕載防搖擺機械輔助裝置，使主梁在下降過程中更加穩定，減小了旋轉角度範圍。 智慧型門式起重機搬運示意圖如圖2所示。 
圖2 智慧型門式起重機搬運示意圖
3.3、大型金屬結構件自動調整裝置的設計與實現為了保證主梁在自動塗裝生產線上能夠按合適的姿態放置，研製了一種針對細長結構件的姿態調整裝置，可以校正細長結構件的姿態，從而保證細長的結構件能夠準確地落在自動塗裝生產線的小車支撐面上， 從而滿足站內中心偏差不大於20mm的量程值。 該裝置由4組伺服電動推桿組成，通過PLC控制伺服電機驅動電動推桿實現運動，接受上部系統傳送的主梁引數資訊，自動執行並調整到合適的距離，使大型金屬結構件自動調整。 大型金屬結構件的自動調整裝置如圖3所示。 
圖3 大型金屬結構件自動調整裝置示意圖
3.4、大型金屬結構件自動塗裝生產線研發為了實現產品的智慧型化、綠色化塗裝，本文開發了自動化塗裝生產線。 全自動塗裝生產線由6軸機械人、噴槍、伺服行走機構單元、伺服高精度鋼絲輸送單元等3套組成。 智慧型化自動塗裝生產線可在30 40分鐘內完成一台起重機主梁的塗裝作業，比人工噴塗作業的塗裝效率高出7 8倍以上。 自動化塗裝生產線摒棄人工噴塗作業，從源頭進行排放控制，使工作環境更清潔，減少工人的職業健康危害。 智慧型全自動塗裝生產線採用恆壓集中調漆混合系統和自動噴塗技術，使產品的噴塗精度更高，大大提高了產品的外觀質量。 全自動塗裝生產線已投入使用，實現了環保標準、生產效率和產品質量的提高。 全自動塗裝生產線如圖4所示。 
圖4 全自動塗裝生產線示意圖
3.5、物體表面塗層質量智慧型檢測系統過去，噴塗後主梁等金屬結構件的質量檢查是人工根據經驗判斷噴塗質量是否達標，人為主觀因素佔比很大，存在判斷標準不統一的問題。 為此，本文開發了一種物體表面塗層質量智慧型檢測系統，利用機器視覺識別技術實現大型金屬結構件表面塗層質量的自動檢測，並建立了塗層質量缺陷圖形庫和缺陷比對演算法。 系統通過影象檢測獲取塗料的表面質量資訊，並利用該演算法更準確地識別、學習和習塗層缺陷，並持續迭代。 此外，採用機器視覺識別技術的智慧型表面塗層質檢系統，可以不斷降低檢測成本，解決人工檢測的誤檢、漏檢等問題。 塗層質量的智慧型檢測如圖5所示。 
圖5 塗層質量智慧型檢測示意圖
3.6、操作區域和操作流程的視覺化管理為了更好地理解和掌握系統的狀態和執行情況，採用數字孿生視覺化管理，將數字孿生技術與視覺化技術相結合，將過程資料與數字孿生模型的資料相結合，形成互動式、視覺化的數字孿生環境。 傳統管理往往依靠人力和經驗，難以準確把握實際操作情況; 數字孿生視覺化技術可以準確監控生產的各個環節，以影象、動畫等形式呈現複雜的資料和資訊，更直觀地反映系統的各種狀態和資料，實現資料的共享和應用，幫助管理者及時發現問題，並採取相應的措施加以解決，從而提高生產效率，降低運營成本。 該專案通過數字孿生視覺化技術實現智慧型裝置管理，為工廠的可持續發展提供了更多可能。 工廠區域的三維視覺化如圖 6 所示。 
圖6 植物區域的三維視覺化
3.7、遠端運維服務、工業網際網絡平台管理為了快速掌握系統的執行狀態並進行資料分析，金屬結構件製造系統可以連線到遠端運維服務工業網際網絡平台進行管理。 遠端運維服務工業網際網絡平台是集網路技術、電子技術、現代通訊技術、計算機軟體等為一體的綜合應用和管理平台，可大大提高生產水平和生產效率。 遠端運維服務工業網際網絡平台採用圖形化、數位化設計效果，利用移動終端實時掌握裝置實時動態，管理方便快捷。 平台系統可以實時採集裝置狀態，進行資料探勘和歷史資料分析，並可以對即將發生的故障進行推理和判斷，實現安全預警。 工業網際網絡平台遠端運維服務架構如圖7所示。 
圖7 遠端運維服務工業網際網絡平台架構圖
3.8、主梁倉儲WMS的建立倉庫管理系統是一款用於物料管理的軟體，集出入庫業務、庫存業務、調配業務、LED資訊顯示、執行狀態監控、報警顯示等相關功能於一體。 在實現數位化、資訊化的智慧型製造系統之前，存在資訊不透明、主梁儲存不合理等問題。 金屬結構件製造系統採用網路化、資訊化的現代化管理措施，實現主梁庫的數位化、智慧型化管理，建立主梁庫的WMS管理系統。 系統可實現對主梁入庫、出庫、盤點、庫存調配的批次分揀、庫存盤點、質檢程式的一體化管理，對主梁業務進行全方位有效管控和跟蹤，解決過去存在的痛點。 四、結語起重機金屬結構件智慧型製造系統通過系統探索、研發、整合，取得了良好的實踐效果。 起重機金屬結構件智慧型製造系統的成功實施，是大型金屬結構件製造場景智慧型製造的一次突破，為企業全面實現數位化轉型和建設積累了寶貴經驗，對起重機行業乃至大型金屬結構件製造行業具有很好的示範作用， 從單元級到系統級，對推動高階智慧型裝備的發展，特別是工業製造業智慧型物流系統的發展具有重要意義。
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作者：廣州起重機械 *** 高卓軍 黃海山 劉傑 匡偉英 羅健康.
*： “起重和運輸機械”。
物流文化願景。
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