鋼筋力學性能全自動測試系統的應用與探索

韓北方

(首鋼長治鋼鐵有限公司, 長治 046000)

隨著鋼筋生產技術的不斷創新及對其質量控制的有效管理，鋼筋的質量也不斷提升，其高質量發展對促進鋼鐵行業的轉型升級意義重大。

提升和保證鋼筋質量是一項非常重要的工作，為了保障建筑工程的質量和安全，國際上制定了一系列的鋼筋檢測標準，對鋼筋的材料性能測試進行了詳細的定義和要求，其中涵蓋了拉伸試驗、彎曲試驗、重復彎曲試驗以及疲勞試驗等。國內對鋼筋的生產、使用和質量檢測一直有相關的控制標準，GB/T 1499.2—2018 《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》已在2018年11月1日正式實施，其中規定了鋼筋混凝土用鋼材性能的檢測項目和要求[1]，內容主要包括：拉伸試驗(下屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、最大力總延伸率、屈強比等)、彎曲試驗、反向彎曲試驗、軸向疲勞試驗、化學分析、尺寸測量、相對肋面積的測定、質量偏差的確定、鋼筋的金相檢驗方法等。該標準同時還對試樣的制取、矯直和人工時效等提出了一些具體要求。

鋼筋的力學性能是衡量鋼筋產品質量最重要的指標之一，力學性能測試可以更好地為產品質量管控提供有效支撐。根據GB/T 1499.2—2018中的相關條款規定，對于熱軋帶肋鋼筋，每次測試需要送檢5根試樣，以檢查鋼筋品質和力學性能等。各鋼筋生產企業應按國家現行相關標準的規定抽取試樣進行力學性能測試和質量偏差檢驗，結果必須符合有關標準的規定，以杜絕不合格鋼筋混入建筑工程中。

1 鋼筋檢驗的現狀

某些鋼鐵公司坯材檢驗和物理測試崗位現有工作人員不足，更不能勝任產能提升的檢驗任務需求，需要通過自動化、智能化方法提升檢驗效率，來適應產能提升后帶來的檢驗任務增加。

某些單位現有檢驗人員配置不能滿足專職人員開展品種研發檢驗工作的要求，導致品種開發檢驗周期、檢驗能力不能滿足和支撐品種研發要求，也需要通過自動化、智能化等方法代替人力，分流出部分人員從事品種開發檢驗和非常規檢驗工作。

對于盤卷產品特性，按照國標要求需要進行屈服強度測試，但在測試過程中，由于矯直工藝差異和人員操作差異，屈服強度測試結果的穩定性差，易造成結果誤判。

在鋼廠的大生產中，需要對生產的產品進行分析檢驗，并將試樣送至相關的實驗室進行檢測和分析，而現在的產品實驗室大多設在離生產現場較遠的地方。目前，國內絕大部分實驗室在不同的試樣加工工序、加工與試驗工序、試樣管理、殘樣清理等環節，還必須通過人工進行過程流轉[2]。人工輸送試樣比較耗費時間，影響檢驗周期。

隨著自動化、智能化技術的發展，自動化、智能化技術已在力學性能測試領域廣泛應用。近年來，某些生產企業也陸續開始采用力學性能自動化檢測技術進行產品檢驗，避免了人為因素對測試結果的影響，降低了產品的質量風險，大大提高了工作效率，降低了操作人員的勞動強度[2]。

經過調研和技術交流可知，鋼筋風動送樣和鋼筋力學性能自動化檢測技術適用于質量檢驗和質量管控模式。

2 風動送樣系統

2.1 風動送樣系統的運行模式

為了快速、及時地把試樣送到質量檢驗部門，要探索一種快速送樣系統來實現自動化。

風動送樣系統在鋼鐵企業應用較早，目前依靠風動送樣技術來實現爐前試樣的輸送是一種非常成熟的技術，用風動送樣技術實現多種介質、不同規格試樣的送樣功能，來解決送樣不及時、檢驗結果反饋慢的難題，值得業內同行探索。

需要開發能傳輸滿足標準要求尺寸試樣的正壓單管風動送樣系統，用于螺紋鋼試樣的傳輸，在生產現場各取樣點與實驗室之間快速傳遞試樣和返回空樣盒。利用輸送管道內一定壓力的壓縮空氣流產生的推力，用電氣控制來推動裝有試樣的樣盒沿輸送管道從取樣現場發送到實驗室，實驗室拿取試樣后再以同樣的方式將空樣盒發送回取樣現場，以此實現反復輸送，最終達到使用風動送樣代替人工取樣的操作。

鋼筋風動送樣系統包括：發送站，即生產現場或現場取樣室；接收站，即分析或實驗室；輸送管道、動力源設備及電氣控制部件等。現場分站和分析室總站均設有儲氣罐和收發柜、輸送管道，其兩端分別設置在現場分站和分析室總站的收發柜內；其中，儲氣罐的輸入端設有輸入接口，用于輸入壓縮空氣，其輸出端設有輸出接口，收發柜內設有收發氣缸，收發氣缸設置在輸送管道的端口下方，用于收發試樣樣盒。整套系統操作簡單、安全可靠，提高了試樣的傳輸效率。風動送樣系統如圖1所示。

圖1 風動送樣系統示意

2.2 風動送樣系統設備說明

正壓單管風動送樣系統的傳輸距離約為300 m，可以運載長度為500 mm,直徑為50 mm,質量為4 kg的螺紋鋼、圓鋼等試樣。

上層按鈕操作區主要有：樣盒檢測顯示燈、主站分站工作顯示燈、開關門操作鍵、異常復位鍵等。

下層發射柜主要有：可左右移動的樣盒承載裝置、樣盒限位到位檢測及彈送裝置、自動開關門移動裝置、氣壓閥及移動速度控制裝置等。

樣盒承載裝置要配備專用的輸送樣盒，底部為可伸縮的緩沖底座，連接壓縮空氣管道，后側有可左右移動的控制滑行道。

樣盒限位到位檢測及彈送裝置配有檢測限位，控制樣盒正確到位，并通過氣壓將樣盒彈出。

樣盒到位后，自動開關門裝置自動開門彈出樣盒，在操作關門指令發送后，樣盒自動移動到發射底座上，將樣盒發出。

鋼筋風動送樣系統的開發運用，實現了試樣快速傳輸功能。整套系統操作簡單、安全可靠，不僅提高了試樣的傳輸效率，也減少了操作人員的工作量，可更有效地提高試樣到位時間，降低勞動強度，提高工作效率。

3 全自動試驗系統

3.1 全自動試驗系統運行模式

新建一套一拖二(一套機械手配合兩臺拉力試驗機)自動拉伸試驗系統，用機械手代替人工，完成指定位置待檢試樣的自動稱重測長、拉伸試驗，并自動上傳檢驗結果，實現全自動檢驗。該系統包括全自動引伸計、試樣傳輸機械手、試樣架及相應的控制系統等。

全自動拉伸屬于成熟的應用技術，尤其在板材檢測領域，已有10 a以上的應用經驗，某些企業已成功應用了該技術。

某公司棒、線材產品占全部產品的80%以上，棒、線材產品對檢驗項目、檢驗流程的要求一致，試樣的形狀和制樣的標準相對統一，分析數據量大并要求及時上傳。

軋鋼生產按批次取試樣后(盤卷試樣在線用矯直機進行矯直)，從現有信息系統中獲取(或由人工創建)對應批次批號、牌號、序號等信息，生成并打印試樣信息條碼，將條碼貼在對應試樣上并送至物理實驗室，力學測試人員收到試樣后，用全自動拉伸系統進行掃碼登記，建立分析測試任務，并將試樣按順序放到試樣裝卸架中，進入自動測試流程。

試樣進入自動測試流程后，機械手抓取試樣送至稱重測長系統，進行長度、質量測試，自動計算質量偏差，稱重測長完成后，用機械手將彎曲試驗試樣送回至卸載試樣架，由人工取走進行彎曲試驗。拉伸試樣由機械手自動送至拉伸試驗工位，拉伸試驗機根據測量長度自動調整夾具間距，試樣到位后自動夾緊，根據試樣信息選擇拉伸試驗程序，自動開展拉伸試驗，自動進行鋼屑清理，測試完成后對照判定標準判定結果是否合格。由機械手卸載試樣后，送至對應標識試樣收集工位，完成一個試樣試驗，根據檢驗任務重復上述過程，完成該批次全部試樣檢測后，將該批次結果上傳至公司質量系統，完成一批次試樣檢測[3]。

該系統為一臺機械手配合兩臺自動拉伸試驗機的工藝組合，系統能夠自動進行試樣排隊、任務分配等功能。

3.2 全自動試驗系統主要功能

試樣矯直范圍為φ6～φ16 mm；替代了人工矯直過程，大大提高了矯直效率。300，1 200 kN電液伺服拉伸試驗機的精度等級均為0.5級，夾持圓試樣的直徑分別為5.5～32 mm，15～60 mm。

六軸機械手的工作范圍為半徑2.55 m的圓形內；其工作效率為不少于20個/h。選用仿真機械臂的機器人IRB4600(ABB)，測試序列可以根據操作者要求改變(具有測試優先權)。六軸機械手可自動抓取最大質量為25 kg的試樣，抓取時保證運行平穩，防止試樣抖動、歪斜，影響試樣的對中位置。在自動上樣前進行試樣對中，確保拉伸過程中試樣的同軸性。每個動作控制單元可通過軟件進行人工控制及檢測。機械手拿取試樣時，具有判定是否拿取到試樣的識別功能；取較短的試樣時，如果機械手未取到，試樣夾頭不能打開。機械抓手的更換要方便，并保證人、機安全。

控制系統具備各設備的工作狀態顯示、控制、故障提示，各類設備的工作運行狀態統計，各設備工作節點的數據統計，試樣在自動化系統上的工作流程、工作狀態、分析結果的留存等功能。控制系統還能分析數據并自動判定、上傳至公司系統。

試驗數據接收及傳送系統能按通訊協議，接收上位機有關試樣的試驗信息，并按此進行設定；試驗結束后能按設定自動上傳試驗數據，實現與上位機之間的數據通訊。

操作軟件、測試軟件在Windows界面下的控制軟件包(含上位機通訊軟件包)的功能包括：拉伸、壓縮、彎曲、循環、設定試驗方法、測試結果分析、數據自動發送、試樣排序及試驗優先、圖像分析軟件模塊、記錄試驗日期和時間，同時包括力值、引伸計的自動計量程序。

試驗程序可安裝到其他離線計算機上，以便在其他計算機上分析、查看試驗數據等。

軟件能顯示試驗力、橫梁位移、引伸計變形、試樣夾持力、試驗時間等。PLC(可編程邏輯控制器)編程監控軟件能實時監測PLC的運行狀態。

試驗機控制計算機可自動預判斷試驗結果是否合格、有效(試驗數據是否符合有關標準規定)。如試驗結果預判定不合格或無效，需在試驗結果的數據上作出標記。試驗機控制計算機能永久保留試驗段的數據(大于10 000個試樣的試驗數據)，以便操作人員可在控制計算機上根據試驗日期、試驗人、試驗批號等條件模糊動態查詢到以往的試驗結果。

試驗機控制計算機具備人工試樣登記功能，人工登記的試驗結果也可方便迅速上傳到上位機上。

試驗機控制計算機上傳的數據結構(試驗數據小數點后位數、上傳信息的項目)可以被增加和修改。測控軟件可選擇自動或手動上傳試驗結果，上傳的數據結構(試驗數據小數點后位數、上傳信息的項目)可根據實際需要進行設置。

系統報警信息以及具體故障點位的查看避免了數據錄入和計算時可能帶來的錯誤，同時保證了數據的可追溯性。

鋼筋力學性能自動化檢測系統如圖2所示。

圖2 鋼筋力學性能自動化檢測系統示意

4 結語

(1) 在對風動送樣系統優化后，試樣從發射端到接收端的時間達到20 s，滿足該系統的設計標準，并且實現了公司內部若干條生產線實驗室的整合。

(2) 該系統可以在自動上樣前進行試樣對中，確保拉伸過程中試樣的同軸性，提高了斷后伸長率檢測的準確性。另外，自動化手段代替人工操作具有應變實時測量能力，真正滿足精確測量屈服強度等參數的要求。

(3) 鋼筋風動送樣和全自動試驗系統可以實現鋼材試樣的力學性能集中檢驗及鋼材的全自動取樣、檢驗、數據上傳，為螺紋鋼的檢驗開辟了新的管理方式。通過設備及人員的整合，可解決現有人員短缺與按批檢驗、產能提升、品種開發檢驗需求的矛盾，提高作業效率，降低勞動強度。

(4) 全自動試驗系統可實現過程操作的標準化、測試數據的信息化，可最大化減少人為因素對檢驗結果的影響，提升分析質量；另外，也可改善實驗室裝備的技術水平。