工业机械臂生产研究与应用

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【摘要】根据国家“十三五”重点研发计划项目课题中立项的一系列关于装配式建筑工业化生产的课题，引导建筑行业工业化发展。中建科技有限公司深圳分公司科创中心基于六轴机械臂的精准、高效、稳定等特点，研发制造一套解决柔性钢筋绑扎问题，生产三维立体结构钢筋网笼构件的自动化、智能化生产线。实现从BIM模型建立到钢筋预制构件生产的自动化、智能化的生产流程；实现装配式建筑行业数字化、信息化、自动化的生产模式。

【关键词】机械臂；柔性钢筋绑扎；数字化模型；装配式建筑；预制构件

1引言

党的提出加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。近年来，随着人口红利的消失，中国的建筑业面临着巨大的人工成本压力，以及高危、生产效率低等一系列难题。为适应时代要求，改变建筑行业“危、繁、脏、重”的建造环境成了突破点。近年来，全国建筑行业均加大研发投入，组建专业的研发团队，加快研究智能建造机器人在装配式建筑各环节的应用方向与前景，精确定位智能建造机器人在装配式建筑各个阶段的应用与经济价值，大力促进建筑行业的信息化程度，推进工业4.0在装配式建筑行业的快速发展、推动中国建筑绿色发展，助力我国低碳经济发展和生态文明建设。通过对装配式建筑PC构件生产的全流程分析，选取难度较高、结构较复杂的三维立体钢筋网笼结构生产进行开发研究。

2工厂智能化生产的重要性

建筑工业化是提高劳动效率、提升建筑质量的重要方式，数字孪生建筑及机器人建造带动装配式建造产业智慧化转型，逐步实现智慧建造、智慧建筑。其中，提高机械化水平，发展建筑结构配件、制品的生产设备是建筑工业化当中的一个重要内容。以机器人智能建造为导向，实现人与机械的协同工作，从而提高操作人员专业水平，拉动产业工人结构分配，打破固有建造模式。目前，在建筑行业中，PC预置构件复杂钢筋网笼的生产绝大部分为人工作业，人工作业存在成品精度不高、制作效率低、人工成本高等问题。而在制造行业中，工业机器人被广泛应用，工业机器人的应用优势主要体现在“自动化”“安全化”以及“高效率”3方面。就自动化而言，与传统的人工生产相比，工业机器人可在计算机的控制下自动执行相应的动作，实现自动化生产【1】。从安全的角度分析，工业机器人的设计更加精密，且具有完善的故障预警机制。将其应用到制造过程中，将能够有效降低故障率，预防人员伤亡。从制造效率方面分析，与手工操作相比，工业机器人的动作频率更高，生产效率更高【2】。作为装配式工程技术与制造技术研发方向中工厂智能化生产研究方向，将工业机器人应用到PC预置构件钢筋网笼的生产过程中，已成为一种必然趋势。

3基于工业机械臂的三维立体钢筋网笼生产运用

通过对PC预置构件生产流程进行研究，在制作PC构件的流程中引进工业机械臂，开发配套机械臂自动化设备，将钢筋网笼生产的各个流程一体化、自动化，最终实现钢筋网笼生产的自动化。以减少预制构件生产中的人工成本，提高预制构件的生产效率。通过调研、研究、研发、仿真、强度分析计算、测试及装配调试等阶段，整体设备可分为4个阶段：钢筋标准化、自动化加工生产；钢筋自动化分拣码放并传送；柔性钢筋标准化、自动化、智能化摆放绑扎；钢筋网笼成品下料传送下一工位。3.1钢筋标准化、自动化加工生产。为保证三维立体钢筋网笼预置构件的标准化生产，标准化钢筋加工是保证整条产线的重要基础。装配式建筑行业钢筋多采用HRB400等级钢筋，但不同批次钢筋存在一定的内部应力集中及应力回弹等问题，一般钢筋弯折设备无法保证自动化加工生产需求，本套设备采用国内先进钢筋调直弯折自动化加工中心，最快可实现30m/s的钢筋生产速度，由于加工精度可控制在长度±1mm误差，角度±1°误差。为三维立体结构钢筋网笼的生产提供保障。在实际生产过程中，由于部分钢筋为人工弯折，很难保证钢筋的一致性，为保证钢筋浇筑过程中2cm厚的混凝土保护层，同时又保证钢筋在混凝土预置构件中的强度，人工弯折作业很难达到生产需求。废品率高，劳务时间长。3.2钢筋自动化分拣码放并传送。保证标准化钢筋生产的同时，为对接六轴机械臂的抓取使用，还需将加工完成的钢筋进行分类摆放固定。加工好的标准化钢筋通过传动带进行传输，钢筋以杂乱无章的形式传送至传送带。在传输过程中通过工业相机进行视觉识别，并对较长钢筋采用视觉拼接方式进行分析，并通过算法进行距离定位。机械臂根据定位距离进行抓取码放，为保证机械臂、传送带及视觉系统之间控制的一致性，采用传送带跟踪技术作为保障。将码放好的钢筋通过传送机构，分别供给多套钢筋网笼绑扎工作站。在工作站停用的时候，也可直接给人工供料，从而充分发挥钢筋调直弯折加工中心的生产效率。3.3柔性钢筋标准化、自动化、智能化摆放绑扎。摆放绑扎工作站采用双机械臂协同作业，配合旋转变位机、专用模块化式夹具及机械臂前端快换工具完成摆放绑扎工作任务。通过SimPro对双机械臂运行交叉区域进行模拟，通过ViewSelector进行布局，应用Simulation及ModelingaComponent进行三维柔性模拟运动。并通过程序控制，避免工作过程中双击相撞。机械臂可通过快换前端工具对不同种类钢筋进行单根、双根、多根定位抓取，并通过模块化式夹具进行定点定位固定，通过前端快换工具的特殊化设计及夹具的设计，解决柔性钢筋不稳定性问题的同时，提高容错率，保证重要结构点的精准性。针对钢筋网笼结构特点，开发适用于三维立体交叉结构的钢筋绑扎前端工具，可适用于4~12mm钢筋。并通过opencv框架自主开发视觉算法，搭建双目视觉系统，对三维立体钢筋交叉点进行识别定位，并与机械臂控制系统通信，确保绑扎点的精准性及稳定性。视觉识别后，通过视觉标定点位与机械臂前端工具TCP点通过算法进行换算，使得前端工具可以精准达到绑扎点，从技术层面提高生产线的容错率，提高绑扎效率。针对不同种类钢筋网笼可采用不同种类夹具套装，该钢筋绑扎工作台采用PLC控制异步电机，通过变位机实现3个回转面切换3套夹具，夹具通过阀岛进行控制，最大限度地节省布管布线的空间，为夹具气缸提供更多空间。每套夹具设有20~40个不等的伸缩、旋转气缸，每个气缸通过双传感器检测气缸位置，并传输至PLC，进行闭环反馈控制。针对三维立体结构钢筋，针对不同角度设有不同方向支撑、夹紧气缸，可针对不同种类结构钢筋实现柔性定位及夹紧功能【3】。3.4钢筋网笼成品下料传送下一工位。绑扎完成的钢筋笼通过机械臂前端下料工具，对整体钢筋笼进行抓取，通过传感器对成品进行精准下料，并将成品通过RGV车运输至下一道工序，在运输过程中为解决柔性钢筋网笼晃动、变形等问题，分别从RGV车上方设置定点定位固定夹具，在输送过程中设置免急启停系统【4】。整套系统通过PROFINET工业以太网技术及HMI作为网络通信层面控制，通过总线阀岛进行物理层面控制。分别对以上4大部分及安全防护进行统筹管控，所有安全设备采用冗余设计理念，并实现安全环路保护，最大化确保安全生产。如图1所示。图1三维立体飘窗钢筋网笼摆放绑扎图随着中国科技的快速发展，中国劳动力的日益匮乏。从源头解决建筑行业发展模式及发展方向将会成为建筑行业的一项重大突破。改变传统以人力为思维导向的工艺标准，从机器人的角度出发，以一套以机器人为核心的工业化建筑4.0标准化工艺流程，谱写国际建筑行业新篇章【5】。

4结语

基于工业机械臂的三维立体钢筋网笼生产是目前全球先进技术之一，依托于国家装配式建筑规划要求背景，立足于装配式建筑中预置构件生产环节钢筋网笼生产工艺，通过智能分析感知系统、人机视觉技术、智能控制技术、机器人技术相融合，实现建筑行业的数字化、智能化、标准化、安全化生产。推动中国建筑行业发展，开启建筑4.0时代。

【参考文献】

【1】张建民,许志辉,龙佳乐,等.三维立体视觉机械臂智能抓取分类系统的开发[J].计算机工程与应用,2019,55(15):235-240.

【2】肖爽,孙文磊,樊军.工业机械臂动力学模型简化分析与仿真[J].机床与液压,2020,48(1):141-145.

【3】李玉齐.基于A*与势场法机械臂三维避障路径规划[J].农业装备与车辆工程,2018,56(12):62-66.

【4】游文辉,王秀锋,鲁文其,等.工业机械臂的轨迹规划插补系统设计[J].机电工程,2019,36(2):88-94.

【5】李江滔,刘炳杜,杨宏,等.超高层动臂塔式起重机附着结构补强分析[J].建筑技术,2018,49(10):1072-1074.

作者:潘浩 苏世龙 雷俊 樊则森 单位:中建科技有限公司深圳分公司