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【摘要】根據國家“十三五”重點研發計劃項目課題中立項的一系列關于裝配式建筑工業化生產的課題，引導建筑行業工業化發展。中建科技有限公司深圳分公司科創中心基于六軸機械臂的精準、高效、穩定等特點，研發制造一套解決柔性鋼筋綁扎問題，生產三維立體結構鋼筋網籠構件的自動化、智能化生產線。實現從BIM模型建立到鋼筋預制構件生產的自動化、智能化的生產流程；實現裝配式建筑行業數字化、信息化、自動化的生產模式。

【關鍵詞】機械臂；柔性鋼筋綁扎；數字化模型；裝配式建筑；預制構件

1引言

黨的提出加快建設制造強國，加快發展先進制造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合。近年來，隨著人口紅利的消失，中國的建筑業面臨著巨大的人工成本壓力，以及高危、生產效率低等一系列難題。為適應時代要求，改變建筑行業“危、繁、臟、重”的建造環境成了突破點。近年來，全國建筑行業均加大研發投入，組建專業的研發團隊，加快研究智能建造機器人在裝配式建筑各環節的應用方向與前景，精確定位智能建造機器人在裝配式建筑各個階段的應用與經濟價值，大力促進建筑行業的信息化程度，推進工業4.0在裝配式建筑行業的快速發展、推動中國建筑綠色發展，助力我國低碳經濟發展和生態文明建設。通過對裝配式建筑PC構件生產的全流程分析，選取難度較高、結構較復雜的三維立體鋼筋網籠結構生產進行開發研究。

2工廠智能化生產的重要性

建筑工業化是提高勞動效率、提升建筑質量的重要方式，數字孿生建筑及機器人建造帶動裝配式建造產業智慧化轉型，逐步實現智慧建造、智慧建筑。其中，提高機械化水平，發展建筑結構配件、制品的生產設備是建筑工業化當中的一個重要內容。以機器人智能建造為導向，實現人與機械的協同工作，從而提高操作人員專業水平，拉動產業工人結構分配，打破固有建造模式。目前，在建筑行業中，PC預置構件復雜鋼筋網籠的生產絕大部分為人工作業，人工作業存在成品精度不高、制作效率低、人工成本高等問題。而在制造行業中，工業機器人被廣泛應用，工業機器人的應用優勢主要體現在“自動化”“安全化”以及“高效率”3方面。就自動化而言，與傳統的人工生產相比，工業機器人可在計算機的控制下自動執行相應的動作，實現自動化生產【1】。從安全的角度分析，工業機器人的設計更加精密，且具有完善的故障預警機制。將其應用到制造過程中，將能夠有效降低故障率，預防人員傷亡。從制造效率方面分析，與手工操作相比，工業機器人的動作頻率更高，生產效率更高【2】。作為裝配式工程技術與制造技術研發方向中工廠智能化生產研究方向，將工業機器人應用到PC預置構件鋼筋網籠的生產過程中，已成為一種必然趨勢。

3基于工業機械臂的三維立體鋼筋網籠生產運用

通過對PC預置構件生產流程進行研究，在制作PC構件的流程中引進工業機械臂，開發配套機械臂自動化設備，將鋼筋網籠生產的各個流程一體化、自動化，最終實現鋼筋網籠生產的自動化。以減少預制構件生產中的人工成本，提高預制構件的生產效率。通過調研、研究、研發、仿真、強度分析計算、測試及裝配調試等階段，整體設備可分為4個階段：鋼筋標準化、自動化加工生產；鋼筋自動化分揀碼放并傳送；柔性鋼筋標準化、自動化、智能化擺放綁扎；鋼筋網籠成品下料傳送下一工位。3.1鋼筋標準化、自動化加工生產。為保證三維立體鋼筋網籠預置構件的標準化生產，標準化鋼筋加工是保證整條產線的重要基礎。裝配式建筑行業鋼筋多采用HRB400等級鋼筋，但不同批次鋼筋存在一定的內部應力集中及應力回彈等問題，一般鋼筋彎折設備無法保證自動化加工生產需求，本套設備采用國內先進鋼筋調直彎折自動化加工中心，最快可實現30m/s的鋼筋生產速度，由于加工精度可控制在長度±1mm誤差，角度±1°誤差。為三維立體結構鋼筋網籠的生產提供保障。在實際生產過程中，由于部分鋼筋為人工彎折，很難保證鋼筋的一致性，為保證鋼筋澆筑過程中2cm厚的混凝土保護層，同時又保證鋼筋在混凝土預置構件中的強度，人工彎折作業很難達到生產需求。廢品率高，勞務時間長。3.2鋼筋自動化分揀碼放并傳送。保證標準化鋼筋生產的同時，為對接六軸機械臂的抓取使用，還需將加工完成的鋼筋進行分類擺放固定。加工好的標準化鋼筋通過傳動帶進行傳輸，鋼筋以雜亂無章的形式傳送至傳送帶。在傳輸過程中通過工業相機進行視覺識別，并對較長鋼筋采用視覺拼接方式進行分析，并通過算法進行距離定位。機械臂根據定位距離進行抓取碼放，為保證機械臂、傳送帶及視覺系統之間控制的一致性，采用傳送帶跟蹤技術作為保障。將碼放好的鋼筋通過傳送機構，分別供給多套鋼筋網籠綁扎工作站。在工作站停用的時候，也可直接給人工供料，從而充分發揮鋼筋調直彎折加工中心的生產效率。3.3柔性鋼筋標準化、自動化、智能化擺放綁扎。擺放綁扎工作站采用雙機械臂協同作業，配合旋轉變位機、專用模塊化式夾具及機械臂前端快換工具完成擺放綁扎工作任務。通過SimPro對雙機械臂運行交叉區域進行模擬，通過ViewSelector進行布局，應用Simulation及ModelingaComponent進行三維柔性模擬運動。并通過程序控制，避免工作過程中雙擊相撞。機械臂可通過快換前端工具對不同種類鋼筋進行單根、雙根、多根定位抓取，并通過模塊化式夾具進行定點定位固定，通過前端快換工具的特殊化設計及夾具的設計，解決柔性鋼筋不穩定性問題的同時，提高容錯率，保證重要結構點的精準性。針對鋼筋網籠結構特點，開發適用于三維立體交叉結構的鋼筋綁扎前端工具，可適用于4~12mm鋼筋。并通過opencv框架自主開發視覺算法，搭建雙目視覺系統，對三維立體鋼筋交叉點進行識別定位，并與機械臂控制系統通信，確保綁扎點的精準性及穩定性。視覺識別后，通過視覺標定點位與機械臂前端工具TCP點通過算法進行換算，使得前端工具可以精準達到綁扎點，從技術層面提高生產線的容錯率，提高綁扎效率。針對不同種類鋼筋網籠可采用不同種類夾具套裝，該鋼筋綁扎工作臺采用PLC控制異步電機，通過變位機實現3個回轉面切換3套夾具，夾具通過閥島進行控制，最大限度地節省布管布線的空間，為夾具氣缸提供更多空間。每套夾具設有20~40個不等的伸縮、旋轉氣缸，每個氣缸通過雙傳感器檢測氣缸位置，并傳輸至PLC，進行閉環反饋控制。針對三維立體結構鋼筋，針對不同角度設有不同方向支撐、夾緊氣缸，可針對不同種類結構鋼筋實現柔性定位及夾緊功能【3】。3.4鋼筋網籠成品下料傳送下一工位。綁扎完成的鋼筋籠通過機械臂前端下料工具，對整體鋼筋籠進行抓取，通過傳感器對成品進行精準下料，并將成品通過RGV車運輸至下一道工序，在運輸過程中為解決柔性鋼筋網籠晃動、變形等問題，分別從RGV車上方設置定點定位固定夾具，在輸送過程中設置免急啟停系統【4】。整套系統通過PROFINET工業以太網技術及HMI作為網絡通信層面控制，通過總線閥島進行物理層面控制。分別對以上4大部分及安全防護進行統籌管控，所有安全設備采用冗余設計理念，并實現安全環路保護，最大化確保安全生產。如圖1所示。圖1三維立體飄窗鋼筋網籠擺放綁扎圖隨著中國科技的快速發展，中國勞動力的日益匱乏。從源頭解決建筑行業發展模式及發展方向將會成為建筑行業的一項重大突破。改變傳統以人力為思維導向的工藝標準，從機器人的角度出發，以一套以機器人為核心的工業化建筑4.0標準化工藝流程，譜寫國際建筑行業新篇章【5】。

4結語

基于工業機械臂的三維立體鋼筋網籠生產是目前全球先進技術之一，依托于國家裝配式建筑規劃要求背景，立足于裝配式建筑中預置構件生產環節鋼筋網籠生產工藝，通過智能分析感知系統、人機視覺技術、智能控制技術、機器人技術相融合，實現建筑行業的數字化、智能化、標準化、安全化生產。推動中國建筑行業發展，開啟建筑4.0時代。

【參考文獻】

【1】張建民,許志輝,龍佳樂,等.三維立體視覺機械臂智能抓取分類系統的開發[J].計算機工程與應用,2019,55(15):235-240.

【2】肖爽,孫文磊,樊軍.工業機械臂動力學模型簡化分析與仿真[J].機床與液壓,2020,48(1):141-145.

【3】李玉齊.基于A*與勢場法機械臂三維避障路徑規劃[J].農業裝備與車輛工程,2018,56(12):62-66.

【4】游文輝,王秀鋒,魯文其,等.工業機械臂的軌跡規劃插補系統設計[J].機電工程,2019,36(2):88-94.

【5】李江滔,劉炳杜,楊宏,等.超高層動臂塔式起重機附著結構補強分析[J].建筑技術,2018,49(10):1072-1074.

作者:潘浩 蘇世龍 雷俊 樊則森 單位:中建科技有限公司深圳分公司