馬栓鵬，蘇世龍，靳程銳，樊則森，雷俊，楊博

(中建科技集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518118)

1 引言

2020年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》（建市〔2020〕60 號）（以下簡稱《意見》），《意見》給出了推進(jìn)建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化升級，加快建造方式轉(zhuǎn)變，推動建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見。此文件的發(fā)布更加堅(jiān)定了建筑工業(yè)化的道路。建筑工業(yè)化就是借鑒工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，取其精華,去其糟粕，在應(yīng)用中改進(jìn)落后的建筑生產(chǎn)工藝，既要提高效率，也要充分考慮了建筑業(yè)的現(xiàn)狀?？苿?chuàng)中心在經(jīng)過實(shí)踐和調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的鋼筋工程的作業(yè)不僅機(jī)械化程度低，而且是一個(gè)勞動密集型的工作，同時(shí)普遍存在用工荒的現(xiàn)象。雖然片狀鋼筋網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，但是柱子、飄窗等復(fù)雜鋼筋網(wǎng)籠的綁扎還是由純?nèi)斯ね瓿蒣1]。因此，人工綁扎存在的問題，如綁扎標(biāo)準(zhǔn)化差、下模澆筑時(shí)需要大量的修正等問題普遍存在。此問題的根本原因是鋼筋生產(chǎn)沒有標(biāo)準(zhǔn)化，鋼筋的調(diào)直、折彎不達(dá)標(biāo)，然而調(diào)直折彎的精度確影響著后續(xù)生產(chǎn)能否自動化。因此，本課題意在研究鋼筋標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)直折彎，以及自動化分揀和供料，根源性地解決了后續(xù)工藝需要做的修正工作，為鋼筋籠的自動化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)支撐。

2 工業(yè)機(jī)械臂鋼筋使用中存在的問題

2.1 鋼筋沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

在13部委發(fā)布的《意見》中明確提出了大力發(fā)展裝配式建筑，推動建立以標(biāo)準(zhǔn)部品為基礎(chǔ)的專業(yè)化、規(guī)?；?、信息化生產(chǎn)體系。大力推進(jìn)先進(jìn)制造設(shè)備、智能設(shè)備及智慧工地相關(guān)裝備的研發(fā)、制造和推廣應(yīng)用，提升各類施工機(jī)具的性能和效率，提高機(jī)械化施工程度的要求。建筑工業(yè)化既是機(jī)械化過程也是自動化過程，通過改造舊有生產(chǎn)工藝，解決舊有工藝存在的產(chǎn)品質(zhì)量不一、勞動密集、工作環(huán)境差、生產(chǎn)效率低下等問題，提升舊有生產(chǎn)方式的機(jī)械化和自動化程度。在預(yù)制混凝土構(gòu)件廠，構(gòu)件生產(chǎn)的最重要的一環(huán)就是鋼筋的生產(chǎn)，而鋼筋綁扎的第一步就是鋼筋的調(diào)直折彎，因此，鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)將影響后續(xù)的所有生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)狀況[2]。

2.2 機(jī)械化和自動化水平不高

在PC構(gòu)件生產(chǎn)中，鋼筋加工的機(jī)械化和自動化水平普遍不高。常見的生產(chǎn)工藝是這樣的：鋼筋工人將盤圓鋼筋接到調(diào)直切斷機(jī)，然后手動輸入鋼筋長度和數(shù)量，再然后控制機(jī)器將鋼筋調(diào)直、切斷。加工完的長直筋被運(yùn)送到彎折工位，此工位的工人通過折彎機(jī)對鋼筋進(jìn)行折彎處理。此種生產(chǎn)方式普遍存在著鋼筋長度有的太長，有的尺寸不夠的問題，而且在折彎處理中也存在折彎角度過大或者過小以及折彎位置存在偏差的問題。這些偏差就會影響鋼筋籠綁扎環(huán)節(jié)以及鋼筋籠下模澆筑的工藝，甚至影響構(gòu)件的拼裝效果。

3 解決對策

3.1 調(diào)直折彎問題的解決方法

調(diào)直折彎問題，可采用調(diào)直折彎一體機(jī)解決。它可以將盤圓鋼筋一步到位加工成型，成品鋼筋的尺寸和折彎角度都能得到很好的保證。但是，一體機(jī)也有其局限性。它是一個(gè)獨(dú)立的機(jī)器，目前還不能與后續(xù)工藝工位相串聯(lián)，一體機(jī)生產(chǎn)的鋼筋也是雜亂無章地散落在地上，這對后續(xù)的輸送和自動化抓取極為不利，不能直接為下一工藝的鋼筋網(wǎng)籠的自動綁扎提供標(biāo)準(zhǔn)化、有序的成批鋼筋。因此，將盤圓鋼筋的調(diào)直、折彎、切斷、輸送、分揀放在一個(gè)系統(tǒng)中解決是很有必要的，能有效地解決鋼筋標(biāo)準(zhǔn)化不達(dá)標(biāo)和鋼筋自動化上料的問題[3]。

在本課題的研究中還是采用調(diào)直折彎一體機(jī)加工鋼筋。一體機(jī)加工鋼筋具有一致性好，鋼筋尺寸和折彎角度標(biāo)準(zhǔn)化高的特點(diǎn)。然后，為一體機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)接收裝置，將加工完的鋼筋接收到輸送鏈，通過輸送鏈進(jìn)行輸送。在輸送鏈的正上方放置相機(jī)，相機(jī)與工業(yè)PC相連，PC運(yùn)行視覺算法，算法輸出鋼筋的類型以及位置坐標(biāo)；以以太網(wǎng)為物理連接，通過數(shù)據(jù)協(xié)議發(fā)送給機(jī)械臂；機(jī)械臂通過數(shù)據(jù)解析算法獲得控制指令和數(shù)據(jù)；然后，機(jī)械臂動態(tài)跟蹤輸送鏈，到達(dá)鋼筋上方，并且與輸送鏈保持同速，再然后抓取鋼筋，且放到料盒中。每個(gè)料盒可集中存儲一批鋼筋，料盒滿倉后，由移栽機(jī)將料盒移栽到另一條輸送鏈上，料盒通過輸送鏈可運(yùn)輸?shù)戒摻罱壴詣踊ぷ髡?，也可以為人工綁扎供料[4]。

3.2 視覺識別技術(shù)

此生產(chǎn)工藝使用了以視覺識別為核心的整套技術(shù)。為了突破現(xiàn)有相機(jī)的拍照范圍的局限，采用了圖像拼接技術(shù)，在相機(jī)標(biāo)定的基礎(chǔ)上，根據(jù)特征點(diǎn)將圖像進(jìn)行拼接。將拼接圖像輸入深度學(xué)習(xí)的算法中，在本課題中采集了上千張的優(yōu)質(zhì)圖像用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，可在毫秒級內(nèi)識別出鋼筋的類型。并且根據(jù)鋼筋的類型，通過幾何計(jì)算算法得出鋼筋的抓取點(diǎn)和抓取角度，最后發(fā)送到機(jī)械臂。

在此系統(tǒng)中還融合了輸送鏈跟蹤技術(shù)。相機(jī)作為一個(gè)傳感器為機(jī)械臂提供跟蹤信號，機(jī)械臂在跟蹤信號來臨時(shí)，開始通過旋轉(zhuǎn)變壓器跟蹤輸送鏈運(yùn)行距離，并且實(shí)時(shí)反饋到機(jī)械臂系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)跟蹤下、物料的抓取可以在輸送鏈動態(tài)下實(shí)現(xiàn)，有效地保證了整套系統(tǒng)的效率。

在機(jī)械臂的前端還設(shè)計(jì)了專用的抓取工具，此工具除了抓取功能以外還具有鋼筋姿態(tài)調(diào)整功能。通過伸縮氣缸和旋轉(zhuǎn)電機(jī)對鋼筋進(jìn)行姿態(tài)的調(diào)整，便于將鋼筋整齊地放到料盒，整套前端執(zhí)行器由PLC驅(qū)動，機(jī)械臂與PLC通過Profinet通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信控制，保證了前端工具功能的實(shí)現(xiàn)。

整套系統(tǒng)由安全PLC統(tǒng)籌調(diào)配。首先，操作人員與HMI交互，獲取加工信息；PLC從HMI獲取信息，經(jīng)過處理后，將加工命令發(fā)送到鋼筋調(diào)直折彎一體機(jī)、輸送鏈、機(jī)械臂等控制單元。PLC通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程的智慧建造平臺相連接，工作站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)會上傳到智慧建造平臺，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測工作站的運(yùn)行情況。在未來也可以在辦公室內(nèi)下達(dá)生產(chǎn)命令，在遠(yuǎn)在千里的工廠實(shí)施生產(chǎn)[5]。

4 結(jié)語

基于工業(yè)機(jī)械臂的鋼筋的視覺識別分揀工作站在行業(yè)內(nèi)屬于首例，在以往的鋼筋加工中，各種小型設(shè)備獨(dú)立運(yùn)作，生產(chǎn)單元也相對比較獨(dú)立，無法有效地串聯(lián)起來，形成1+1大于2的效果。在建筑工業(yè)化驅(qū)動下，采用信息化和自動化的手段，將整個(gè)鋼筋加工工藝打通，形成完整的生產(chǎn)流水線，極大地提高了鋼筋加工的效率，也進(jìn)一步推動了建筑業(yè)的發(fā)展?？梢哉f，這在建筑工業(yè)化探索的道路中邁出了一小步。