基于工業(yè)機(jī)械臂的三維立體鋼筋網(wǎng)籠生產(chǎn)的研究與應(yīng)用

潘浩，蘇世龍，雷俊，樊則森

（中建科技有限公司深圳分公司，廣東 深圳518118）

1 引言

黨的十九大提出加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合。近年來(lái)，隨著人口紅利的消失，中國(guó)的建筑業(yè)面臨著巨大的人工成本壓力，以及高危、生產(chǎn)效率低等一系列難題。為適應(yīng)時(shí)代要求，改變建筑行業(yè)“危、繁、臟、重”的建造環(huán)境成了突破點(diǎn)。近年來(lái)，全國(guó)建筑行業(yè)均加大研發(fā)投入，組建專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，加快研究智能建造機(jī)器人在裝配式建筑各環(huán)節(jié)的應(yīng)用方向與前景，精確定位智能建造機(jī)器人在裝配式建筑各個(gè)階段的應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，大力促進(jìn)建筑行業(yè)的信息化程度，推進(jìn)工業(yè)4.0在裝配式建筑行業(yè)的快速發(fā)展、推動(dòng)中國(guó)建筑綠色發(fā)展，助力我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。通過(guò)對(duì)裝配式建筑PC構(gòu)件生產(chǎn)的全流程分析，選取難度較高、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的三維立體鋼筋網(wǎng)籠結(jié)構(gòu)生產(chǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。

2 工廠智能化生產(chǎn)的重要性

建筑工業(yè)化是提高勞動(dòng)效率、提升建筑質(zhì)量的重要方式，數(shù)字孿生建筑及機(jī)器人建造帶動(dòng)裝配式建造產(chǎn)業(yè)智慧化轉(zhuǎn)型，逐步實(shí)現(xiàn)智慧建造、智慧建筑。其中，提高機(jī)械化水平，發(fā)展建筑結(jié)構(gòu)配件、制品的生產(chǎn)設(shè)備是建筑工業(yè)化當(dāng)中的一個(gè)重要內(nèi)容。以機(jī)器人智能建造為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)械的協(xié)同工作，從而提高操作人員專業(yè)水平，拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)工人結(jié)構(gòu)分配，打破固有建造模式。目前，在建筑行業(yè)中，PC預(yù)置構(gòu)件復(fù)雜鋼筋網(wǎng)籠的生產(chǎn)絕大部分為人工作業(yè)，人工作業(yè)存在成品精度不高、制作效率低、人工成本高等問(wèn)題。而在制造行業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在“自動(dòng)化”“安全化”以及“高效率”3方面。就自動(dòng)化而言，與傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)相比，工業(yè)機(jī)器人可在計(jì)算機(jī)的控制下自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)【1】。從安全的角度分析，工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)更加精密，且具有完善的故障預(yù)警機(jī)制。將其應(yīng)用到制造過(guò)程中，將能夠有效降低故障率，預(yù)防人員傷亡。從制造效率方面分析，與手工操作相比，工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作頻率更高，生產(chǎn)效率更高【2】。作為裝配式工程技術(shù)與制造技術(shù)研發(fā)方向中工廠智能化生產(chǎn)研究方向，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用到PC預(yù)置構(gòu)件鋼筋網(wǎng)籠的生產(chǎn)過(guò)程中，已成為一種必然趨勢(shì)。

3 基于工業(yè)機(jī)械臂的三維立體鋼筋網(wǎng)籠生產(chǎn)運(yùn)用

通過(guò)對(duì)PC預(yù)置構(gòu)件生產(chǎn)流程進(jìn)行研究，在制作PC構(gòu)件的流程中引進(jìn)工業(yè)機(jī)械臂，開(kāi)發(fā)配套機(jī)械臂自動(dòng)化設(shè)備，將鋼筋網(wǎng)籠生產(chǎn)的各個(gè)流程一體化、自動(dòng)化，最終實(shí)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)籠生產(chǎn)的自動(dòng)化。以減少預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中的人工成本，提高預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)效率。

通過(guò)調(diào)研、研究、研發(fā)、仿真、強(qiáng)度分析計(jì)算、測(cè)試及裝配調(diào)試等階段，整體設(shè)備可分為4個(gè)階段：鋼筋標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化加工生產(chǎn)；鋼筋自動(dòng)化分揀碼放并傳送；柔性鋼筋標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化擺放綁扎；鋼筋網(wǎng)籠成品下料傳送下一工位。

3.1 鋼筋標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化加工生產(chǎn)

為保證三維立體鋼筋網(wǎng)籠預(yù)置構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化鋼筋加工是保證整條產(chǎn)線的重要基礎(chǔ)。裝配式建筑行業(yè)鋼筋多采用HRB400等級(jí)鋼筋，但不同批次鋼筋存在一定的內(nèi)部應(yīng)力集中及應(yīng)力回彈等問(wèn)題，一般鋼筋彎折設(shè)備無(wú)法保證自動(dòng)化加工生產(chǎn)需求，本套設(shè)備采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)鋼筋調(diào)直彎折自動(dòng)化加工中心，最快可實(shí)現(xiàn)30m/s的鋼筋生產(chǎn)速度，由于加工精度可控制在長(zhǎng)度±1mm誤差，角度±1°誤差。為三維立體結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)籠的生產(chǎn)提供保障。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(guò)程中2cm厚的混凝土保護(hù)層，同時(shí)又保證鋼筋在混凝土預(yù)置構(gòu)件中的強(qiáng)度，人工彎折作業(yè)很難達(dá)到生產(chǎn)需求。廢品率高，勞務(wù)時(shí)間長(zhǎng)。

3.2 鋼筋自動(dòng)化分揀碼放并傳送

保證標(biāo)準(zhǔn)化鋼筋生產(chǎn)的同時(shí)，為對(duì)接六軸機(jī)械臂的抓取使用，還需將加工完成的鋼筋進(jìn)行分類擺放固定。

加工好的標(biāo)準(zhǔn)化鋼筋通過(guò)傳動(dòng)帶進(jìn)行傳輸，鋼筋以雜亂無(wú)章的形式傳送至傳送帶。在傳輸過(guò)程中通過(guò)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別，并對(duì)較長(zhǎng)鋼筋采用視覺(jué)拼接方式進(jìn)行分析，并通過(guò)算法進(jìn)行距離定位。機(jī)械臂根據(jù)定位距離進(jìn)行抓取碼放，為保證機(jī)械臂、傳送帶及視覺(jué)系統(tǒng)之間控制的一致性，采用傳送帶跟蹤技術(shù)作為保障。

將碼放好的鋼筋通過(guò)傳送機(jī)構(gòu)，分別供給多套鋼筋網(wǎng)籠綁扎工作站。在工作站停用的時(shí)候，也可直接給人工供料，從而充分發(fā)揮鋼筋調(diào)直彎折加工中心的生產(chǎn)效率。

3.3 柔性鋼筋標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化擺放綁扎

擺放綁扎工作站采用雙機(jī)械臂協(xié)同作業(yè)，配合旋轉(zhuǎn)變位機(jī)、專用模塊化式夾具及機(jī)械臂前端快換工具完成擺放綁扎工作任務(wù)。通過(guò)Sim Pro對(duì)雙機(jī)械臂運(yùn)行交叉區(qū)域進(jìn)行模擬，通過(guò)View Selector進(jìn)行布局，應(yīng)用Simulation及Modeling a Component進(jìn)行三維柔性模擬運(yùn)動(dòng)。并通過(guò)程序控制，避免工作過(guò)程中雙擊相撞。

機(jī)械臂可通過(guò)快換前端工具對(duì)不同種類鋼筋進(jìn)行單根、雙根、多根定位抓取，并通過(guò)模塊化式夾具進(jìn)行定點(diǎn)定位固定，通過(guò)前端快換工具的特殊化設(shè)計(jì)及夾具的設(shè)計(jì)，解決柔性鋼筋不穩(wěn)定性問(wèn)題的同時(shí)，提高容錯(cuò)率，保證重要結(jié)構(gòu)點(diǎn)的精準(zhǔn)性。

針對(duì)鋼筋網(wǎng)籠結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)適用于三維立體交叉結(jié)構(gòu)的鋼筋綁扎前端工具，可適用于4～12mm鋼筋。并通過(guò)opencv框架自主開(kāi)發(fā)視覺(jué)算法，搭建雙目視覺(jué)系統(tǒng)，對(duì)三維立體鋼筋交叉點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別定位，并與機(jī)械臂控制系統(tǒng)通信，確保綁扎點(diǎn)的精準(zhǔn)性及穩(wěn)定性。

視覺(jué)識(shí)別后，通過(guò)視覺(jué)標(biāo)定點(diǎn)位與機(jī)械臂前端工具TCP點(diǎn)通過(guò)算法進(jìn)行換算，使得前端工具可以精準(zhǔn)達(dá)到綁扎點(diǎn)，從技術(shù)層面提高生產(chǎn)線的容錯(cuò)率，提高綁扎效率。

針對(duì)不同種類鋼筋網(wǎng)籠可采用不同種類夾具套裝，該鋼筋綁扎工作臺(tái)采用PLC控制異步電機(jī)，通過(guò)變位機(jī)實(shí)現(xiàn)3個(gè)回轉(zhuǎn)面切換3套夾具，夾具通過(guò)閥島進(jìn)行控制，最大限度地節(jié)省布管布線的空間，為夾具氣缸提供更多空間。

每套夾具設(shè)有20～40個(gè)不等的伸縮、旋轉(zhuǎn)氣缸，每個(gè)氣缸通過(guò)雙傳感器檢測(cè)氣缸位置，并傳輸至PLC，進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。

針對(duì)三維立體結(jié)構(gòu)鋼筋，針對(duì)不同角度設(shè)有不同方向支撐、夾緊氣缸，可針對(duì)不同種類結(jié)構(gòu)鋼筋實(shí)現(xiàn)柔性定位及夾緊功能【3】。

3.4 鋼筋網(wǎng)籠成品下料傳送下一工位

綁扎完成的鋼筋籠通過(guò)機(jī)械臂前端下料工具，對(duì)整體鋼筋籠進(jìn)行抓取，通過(guò)傳感器對(duì)成品進(jìn)行精準(zhǔn)下料，并將成品通過(guò)RGV車運(yùn)輸至下一道工序，在運(yùn)輸過(guò)程中為解決柔性鋼筋網(wǎng)籠晃動(dòng)、變形等問(wèn)題，分別從RGV車上方設(shè)置定點(diǎn)定位固定夾具，在輸送過(guò)程中設(shè)置免急啟停系統(tǒng)【4】。

整套系統(tǒng)通過(guò)PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及HMI作為網(wǎng)絡(luò)通信層面控制，通過(guò)總線閥島進(jìn)行物理層面控制。分別對(duì)以上4大部分及安全防護(hù)進(jìn)行統(tǒng)籌管控，所有安全設(shè)備采用冗余設(shè)計(jì)理念，并實(shí)現(xiàn)安全環(huán)路保護(hù)，最大化確保安全生產(chǎn)。如圖1所示。

圖1三維立體飄窗鋼筋網(wǎng)籠擺放綁扎圖

隨著中國(guó)科技的快速發(fā)展，中國(guó)勞動(dòng)力的日益匱乏。從源頭解決建筑行業(yè)發(fā)展模式及發(fā)展方向?qū)?huì)成為建筑行業(yè)的一項(xiàng)重大突破。改變傳統(tǒng)以人力為思維導(dǎo)向的工藝標(biāo)準(zhǔn)，從機(jī)器人的角度出發(fā)，以一套以機(jī)器人為核心的工業(yè)化建筑4.0標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程，譜寫國(guó)際建筑行業(yè)新篇章【5】。

4 結(jié)語(yǔ)

基于工業(yè)機(jī)械臂的三維立體鋼筋網(wǎng)籠生產(chǎn)是目前全球先進(jìn)技術(shù)之一，依托于國(guó)家裝配式建筑規(guī)劃要求背景，立足于裝配式建筑中預(yù)置構(gòu)件生產(chǎn)環(huán)節(jié)鋼筋網(wǎng)籠生產(chǎn)工藝，通過(guò)智能分析感知系統(tǒng)、人機(jī)視覺(jué)技術(shù)、智能控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的數(shù)字化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、安全化生產(chǎn)。推動(dòng)中國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展，開(kāi)啟建筑4.0時(shí)代。