海底沉管高性能混凝土智能浇筑机器人关键技术及应用论文_韦东进

随着社会发展进步，桥梁施工行业日益注重优化产业工人的作业环境，同时在减少人员劳动强度方面，以及对工程实体精度及质量方面，要求也不断攀升。因此，在未来，施工设备智能化、无人化必将引领桥梁施工行业发展。

1、 深中通道沉管智能浇筑机器人研发背景

深中通道是连接珠江两岸战略性跨江通道，是集超宽海底隧道、超大跨桥梁、深水人工岛、水下互通"四位"一体集群工程，规模空前、建设条件异常复杂、综合技术难度再上新高，是继港珠澳大桥之后，我国又一项世界级重大跨海交通工程。深中通道东侧联接深圳保安机场，西至中山翠亨新区（马鞍岛）。

图1深中通道桥址

深中通道沉管段采用“三明治”结构钢壳混凝土沉管（以下简称钢壳混凝土沉管），其总长5035m、拟划分为33个节段（26×165m+6×123m+7m），标准横断面尺寸46.0×10.6m，钢壳管节总重约37万吨，混凝土约90万m3。单节标准管节浇筑完成后，重量约7.6万吨。

　图2 深中通道海底沉管模型图

深中通道S08合同段负责E23-E32管节的预制及沉放安装，为响应深中通道管理中心的智慧深中和海底沉管智能浇筑要求，特研发该智能浇筑机器人。

2 、智能浇筑机器人的先进性

智能浇筑机器人可实现自动往返接收高性能混凝土（自动接料）；接料完成后，可自动行走至所要浇筑的隔仓，并且让智能浇筑机器人浇筑管与隔仓压头管对齐（自动寻位）；浇筑管自动下落到隔仓底部，开启浇筑泵，并根据混凝土液面上升，自动提起浇筑管（自动浇筑）；单个隔离浇筑完成后，重新自动寻找指定的下一个隔仓。即智能浇筑机器人可实现自动接料，自动寻位，自动浇筑的全程无人化、智能化的管节浇筑作业，极大程度地减少产业工人劳动强度，保证浇筑质量，达到国内领先水平。

3、智能浇筑机器人介绍

管节行车道孔内长宽高净空126*18.3*7.6米，作业平面宽阔。并且，考虑到隔仓浇筑顺序不连续，两个连续浇筑的隔仓最远相对距离相差10米以上。为避免频繁拆泵管造成混凝土废方，也避免废料清理，减少产业工人工作量，特研制龙门架式浇筑机器人。智能浇筑机器人通过控制机箱PLC（中控台）控制行走大车及浇筑料斗在轨道上横纵移，实现隔仓浇筑全覆盖。

图4行浇筑机器人横纵移动机构

机器人在横纵移动完成粗定位后，在图形识别仪的摄像头监控和PLC计算控制下，实现精准定位。精准定位完成，下降放料浇筑管，开启浇筑泵。

图5机器人工作机构

为随时监控隔仓内浇筑情况，特设置激光测距仪。测距仪作为智能浇筑机器人的眼睛，实施检测混凝土液面情况。

图6 智能浇筑现场

4、智能浇筑机器人作业流程

智能浇筑机器人的浇筑作业，主要包括接料，行走寻位，下料浇筑管口对位，下放下料浇筑管，放料浇筑，及后提管，完成单个隔仓浇筑。 具体步骤如下：

1）将智能浇筑机器人安装在纵向轨道上，将其浇筑料斗拼装后架设在顶部的横移轨道上，连接好PLC电器控制单元，调试完成。浇筑前检查，确认具备浇筑条件；

2）启动浇筑按钮，智能浇筑机器人在控制机箱PLC（中控台）程序指导下，行走大车和浇筑料斗自动纵横移动，行走至设定的装料处；

3）将混凝土输送至智能浇筑机器人的浇筑料斗中，完成接料；

4）智能浇筑机器人通过行走大车和浇筑料斗在PLC控制下，分别自动纵横移动。走完事先计算好的距离，行走大车和浇筑料斗行走至设定的隔仓进行浇筑附近，即粗定位完成；

5）智能浇筑机器人将下料浇筑管与隔仓压头管中心对位，自动下放浇筑下料管，插入压头管，直至隔仓底部；

6）自动打开浇筑泵，控制出料口大小，将混凝土灌注至隔仓内部；

7）混凝土灌注满隔仓后，自动关闭浇筑泵，停止混凝土浇筑；

8）智能浇筑机器人行走大车和浇筑料斗自动纵、横行走，回归至设定的装料处；

9）等待装料并准备浇筑下一个隔舱。

按照上述技术方案，上述流程中，智能浇筑机器人的下料浇筑管与隔仓压头管中心对位是智能机器人成败的关键及核心技术。

5、智能浇筑机器人核心技术

智能浇筑机器人之所以能实现全自动浇筑的无人化施工，是因为其满足以下几项关键的核心技术：

1）智能浇筑机器人的行走大车及浇筑料斗的粗定位；

智能浇筑机器人通过PLC程序设定接料处及指定浇筑隔仓的相对位移，自动往返接料。通过指定行走大车和浇筑料斗的行走距离、行走时间、行走速度，实现浇筑料斗自动行走至指定隔仓上方，并可以将下料浇筑管与压头管中心在平面上的相对距离误差控制在25mm以内。

2）下料浇筑管与隔仓压头管的圆心精准定位——图形识别技术

如上节所叙，智能浇筑机器人的浇筑下料与隔仓压头管中心对位是成败的关键及核心技术。智能浇筑机器人行走大车和浇筑料斗是横纵轨道上行走，尽管行走轮按PLC程序设定，走完接料处与隔仓压头管的相对距离。但由于行走轮与横纵轨道存在间隙，导致智能浇筑机器人行走完设定行程后，下料浇筑管与隔仓压头管中心存在偏差（±25mm）。为解决该问题，智能浇筑机器人通过采用图形识别技术，记录下料浇筑管口圆形以及压头管圆形。通过摄像头监控，并将两者的圆心平面位置加以比较，再将偏位情况信息输送给PLC。PLC通过计算，重新驱动智能浇筑机器人行走轮，实现两圆心平面位置偏差在±10mm以内，满足下料浇筑管自动下放要求，实现精准定位。

3）隔仓混凝土液面高度监控+自动提管——激光测距与无线传输技术

在隔仓浇筑前，事先在隔仓排气口处设置激光测距仪。智能浇筑机器人精准定位成功，开始浇筑。随着隔仓浇筑液面上升，激光测距仪器将混凝土液面高度信号通过发射器，以无线信号输送给PLC。PLC接到液面高度信号，再通过反算，得出相应的提管高度，最后驱动提管电机将下料浇筑管提升至相应高度。

当PLC判断液面达到浇筑完成的指定高度，停止浇筑，并收起下料浇筑管。智能浇筑机器人完成单个隔仓浇筑。

6、结论

通过智能浇筑机器人的反复调试，及实践应用，得出以下结论：

在下料浇筑管口与压头管口对位过程中，即核心的精准定位过程，所需时间控制在120秒时间以内，能够快速、准确定位，满足施工要求。当浇筑过程出现紧急出故障，比如智能浇筑机器人接收不到液面高度或者设备硬件出故障，浇筑机器人第一时间停止浇筑，并发出故障警报，提醒管理人员应急处理。

因此，该智能浇筑机器人在功能上和实操方面，可顺利完成隔仓的无人化浇筑作业。该机器人设计科学合理，可实现无人化施工；可实现连续作业，可避免劳累、情绪不稳定等人为因素造成的质量隐患，达到国内同行业的领先水平。

论文作者:韦东进

论文发表刊物:《建筑实践》2020年第1期

论文发表时间:2020/4/27

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