建筑幕墻單元體自動打膠機(jī)的工藝研究與試驗(yàn)

李伯基，馮智寧

（廣州伯樂智能技術(shù)有限公司，廣州 511300）

1 引言

我國建筑幕墻近20a 在商業(yè)大樓得到了廣泛應(yīng)用，但建筑幕墻的生產(chǎn)制造依然采用勞動密集型生產(chǎn)為主，自動化生產(chǎn)程度較低。在建筑幕墻的制作工藝中，包括了幕墻的組裝和打膠2 個重要的工藝，這2 個工藝就是將外框體和玻璃板組裝在一起，然后對玻璃與鋁框之間進(jìn)行打膠，從而將外框體結(jié)合在玻璃板上，打膠質(zhì)量的穩(wěn)定關(guān)乎產(chǎn)品的安全性能和商業(yè)大樓的安全，是產(chǎn)品的核心要求。打膠機(jī)是建筑幕墻加工中的一個重要單元。在建筑幕墻打膠行業(yè)，目前主要的工作方式是全人工操作雙組份打膠機(jī)作業(yè)，由人工完成對幕墻的組裝和打膠施工【1】。

國內(nèi)外自動化技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，帶動各行各業(yè)對自動化的要求不斷增加，企業(yè)期望一種自動打膠的裝置，以替代人工操作，提高效率，降低成本。目前，國外有相關(guān)半自動設(shè)備但仍未有全自動設(shè)備，國內(nèi)其他單位尚無研發(fā)成功的。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本文介紹一種已研發(fā)成功的建筑幕墻單元體自動打膠機(jī)，該建筑幕墻單元體自動打膠機(jī)能夠替代人工操作，提高打膠效率，降低打膠成本，填補(bǔ)了行業(yè)空白。

2 自動打膠機(jī)的結(jié)構(gòu)介紹

2.1 整體結(jié)構(gòu)

本文所述的自動打膠機(jī)能夠自動地完成建筑幕墻的打膠操作，利用機(jī)械臂和視覺系統(tǒng)的配合，在控制器的自動運(yùn)行下，打膠能夠完全替代人工操作，準(zhǔn)確度高。而且該自動打膠機(jī)可以設(shè)置為移動形式，根據(jù)工作需要隨意搬運(yùn)和轉(zhuǎn)移。單元體推車在路軌的限位下，運(yùn)行軌跡固定，從而保證了運(yùn)輸?shù)臏?zhǔn)確性和路徑的準(zhǔn)確。

結(jié)構(gòu)如圖1 所示，建筑幕墻單元體自動打膠機(jī)，包括桁架框體、視覺系統(tǒng)、機(jī)械臂、打膠機(jī)、單元體及推車。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)字化控制系統(tǒng)

設(shè)備采用數(shù)字化控制技術(shù)，設(shè)備控制器采用機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行深度二次開發(fā)，友好的人機(jī)界面，用輸入?yún)?shù)形式，實(shí)現(xiàn)免編程操作。定制的視覺系統(tǒng)軟件采用中控電腦控制，實(shí)現(xiàn)視覺硬件采集計(jì)算后的數(shù)據(jù)與設(shè)備控制器的數(shù)據(jù)傳輸交換?？刂葡到y(tǒng)和中控系統(tǒng)組成了設(shè)備的大腦，計(jì)算控制自動打膠機(jī)的運(yùn)行【2～4】。

2.3 關(guān)鍵部件

三軸桁架：負(fù)責(zé)膠槍、視覺系統(tǒng)的X、Y、Z 直線軸快速高精度運(yùn)動。三關(guān)節(jié)機(jī)器人負(fù)責(zé)膠槍的A、B、C 旋轉(zhuǎn)軸姿態(tài)的軌跡運(yùn)動。視覺相機(jī)與激光測距負(fù)責(zé)測量玻璃角點(diǎn)坐標(biāo)值并反饋到控制系統(tǒng)。3D 打膠槍：負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)膠的注射與坐標(biāo)原點(diǎn)的標(biāo)定。打膠系統(tǒng)：負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)膠的輸出與混膠，對傳統(tǒng)的手動打膠機(jī)進(jìn)行自動化、數(shù)字化打膠的升級改造。

3 具體工作流程

在單元體推車的運(yùn)輸下，幕墻單元體移動到桁架框體的正下方。工人掃描幕墻單元體上面的二維碼，自動輸入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)膠寬度、深度等參數(shù)到控制系統(tǒng)。

啟動設(shè)備后，桁架框體上的攝像頭對下方的幕墻單元體進(jìn)行拍照，拍照完成后，將信息反饋到控制柜的中央控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)幕墻單元體的位置自動計(jì)算軌跡程序。控制系統(tǒng)將程序命令發(fā)送給桁架、機(jī)械臂和打膠機(jī)，桁架框體接收到指令后，桁架和機(jī)械手帶動膠槍調(diào)整到相應(yīng)的位置和姿態(tài)，伸入到打膠縫隙里開始打膠。桁架、機(jī)械手和打膠機(jī)根據(jù)程序相互配合，通過流量檢測補(bǔ)償系統(tǒng)，控制出膠運(yùn)行速度和軌跡，保證打膠的穩(wěn)定和質(zhì)量。

打膠完成后，通過送料小車將完成打膠的幕墻移出工作區(qū)【5】。

4 工藝研究與試驗(yàn)

4.1 打膠數(shù)字化控制

打膠數(shù)字化控制包括位置控制和速度控制。

位置控制：采用視覺系統(tǒng)檢測出幕墻各玻璃的角點(diǎn)位置、角度，通過輸入玻璃厚度c、結(jié)構(gòu)膠高度d、膠槍與玻璃距離a（見圖2）等參數(shù)自動計(jì)算出注膠位置離玻璃的偏移量，系統(tǒng)自動推算出各邊打膠膠槍的起點(diǎn)、終點(diǎn)的位置和姿態(tài)。% %

圖2 參數(shù)示意圖

速度控制：我們采用跟打膠需求量（膠縫容量）關(guān)聯(lián)來控制膠槍行走的速度。行走速度F=K/b×d，其中，F(xiàn) 是速度，b 是結(jié)構(gòu)膠寬度（見圖2），d 是結(jié)構(gòu)膠高度，K 是常量。通過試驗(yàn)，效果比較理想，基本能達(dá)到注膠量較為均勻的要求。

4.2 膠槍刮膠板的創(chuàng)新

膠槍和刮膠板是注膠單元的關(guān)鍵部件，類似加工中心的刀具性質(zhì)。它負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)膠的注射和刮膠工作。一開始我們試驗(yàn)的是L 形膠槍（見圖3），效果不理想，膠易出現(xiàn)外溢造成浪費(fèi)。后來增加活動刮膠板擋膠，解決此膠外溢問題。但由于玻璃厚度、槽偏差大，下槍Z 軸經(jīng)常誤差大，撞壞膠槍，試驗(yàn)了膠槍刮膠板一體的打膠槍，通過優(yōu)化尺寸和材料，得出最終穩(wěn)定使用的膠槍（見圖4）。

圖3 各種試驗(yàn)?zāi)z槍與刮膠板

圖4 穩(wěn)定膠槍

4.3 補(bǔ)償反饋試驗(yàn)

由于人工注膠機(jī)采用壓縮氣體作為動力源，出膠量不穩(wěn)定，而且使用久了易造成管路堵塞，流量也會逐漸減少。如果沒有閉環(huán)檢測流量實(shí)時補(bǔ)償注膠速度，會導(dǎo)致打膠不滿、不穩(wěn)定、浪費(fèi)等現(xiàn)象。

我們嘗試在設(shè)備上增加了流量檢測計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，膠槍移動速度能根據(jù)出膠流量實(shí)時變化調(diào)整。原理是根據(jù)測定的標(biāo)準(zhǔn)流量，對實(shí)時流量與標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)行比對，按流量增大（減少）量與膠槍移動速度增大（減少）量成正比關(guān)系，實(shí)時調(diào)整膠槍移動速度，達(dá)到實(shí)時反饋補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

試驗(yàn)結(jié)果表明，開通流量檢測功能比不開此功能時注膠均勻飽滿，沒發(fā)現(xiàn)有注膠不滿的情況，節(jié)省膠10%以上，注膠速度提升10%以上。

4.4 人工打膠與自動打膠的對比

通過人工打膠和自動打膠機(jī)進(jìn)行打膠幕墻單元體試驗(yàn)。人工打膠操作中，人需要手持5kg 左右的膠槍和膠管，手動控制開關(guān)閥對幕墻單元體的膠縫進(jìn)行打膠，打膠要一段一段拖動膠槍，溢出到擋邊才算打滿，多打部分還需要刮膠。但是否打滿比較難觀察，完全靠經(jīng)驗(yàn)和后續(xù)抽檢割膠破壞性試驗(yàn)。自動打膠操作中，人工輸入或掃描二維碼自動輸入?yún)?shù)，開啟啟動按鈕，設(shè)備自動注膠，無需觀察，無溢出多余的膠，故無需刮膠，打完直接推走至下一工位。

對比發(fā)現(xiàn)，自動打膠機(jī)對比人工打膠有以下優(yōu)點(diǎn)：降低工人勞動強(qiáng)度，利用三軸桁架與關(guān)節(jié)機(jī)械手滿足打膠空間位姿需要，無需人工拖動膠槍。減少對技術(shù)工人依賴和人工的質(zhì)量不穩(wěn)定性，將打膠工藝融合至打膠系統(tǒng)中，根據(jù)幕墻特征自動規(guī)劃打膠軌跡。穩(wěn)定打膠質(zhì)量，自動系統(tǒng)對工藝流程管控嚴(yán)謹(jǐn)，依靠自動化利用穩(wěn)定質(zhì)量，提高產(chǎn)品一致性，減少安全隱患。節(jié)約結(jié)構(gòu)膠，利用機(jī)器人算法及傳感反饋，精確調(diào)節(jié)打膠所需膠量，材料利用率綜合可提升20%～25%（見表1），年節(jié)約材料費(fèi) 30 萬～50 萬元【6～8】。

表1 人工注膠和自動注膠用膠量對比表

5 結(jié)語

總結(jié)上述工藝研究和試驗(yàn)，數(shù)字化控制能解決注膠需求量問題，精確計(jì)算注膠用量；刮膠板通過多種結(jié)構(gòu)和材料的試驗(yàn)創(chuàng)新出適合自動注膠的一體膠槍刮膠板；流量補(bǔ)償反饋等試驗(yàn)驗(yàn)證了流量補(bǔ)償可顯著提升注膠質(zhì)量。并通過了人工打膠和自動打膠的試驗(yàn)對比，得出以下結(jié)論：自動打膠機(jī)提升效率10%、節(jié)約用膠20%～25%，提高打膠質(zhì)量和解決產(chǎn)品安全性等問題。使設(shè)備能夠產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)生較大社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。