疊合板布模工序智能化方案研究

于文洪，李新華

（上海中森建筑與工程設計顧問有限公司，上海 200333）

0 引言

《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》目標要求到2025年，我國智能建造與建筑工業化協同發展的政策體系和產業體系基本建立，建筑工業化、數字化、智能化水平顯著提高，建筑產業互聯網平臺初步建立，產業基礎、技術裝備、科技創新能力以及建筑安全質量水平全面提升，勞動生產率明顯提高，能源資源消耗及污染排放大幅下降，環境保護效應顯著。推動形成一批智能建造龍頭企業，引領并帶動廣大中小企業向智能建造轉型升級，打造“中國建造”升級版。

到2035年，我國智能建造與建筑工業化協同發展取得顯著進展，企業創新能力大幅提升，產業整體優勢明顯增強，“中國建造”核心競爭力世界領先，建筑工業化全面實現，邁入智能建造世界強國行列[1]。

當前我國建筑業正向工業化、智能化改造升級，以機器代人、減少人工，是對建筑業發展的要求和必然趨勢；但當前PC工廠智能化總體水平不高，以人工作業為主；針對疊合板生產來說，影響智能化發展主要技術原因包括：構件標準化程度較低、模具無法滿足自動化布模要求、工廠無建立信息化管理系統。針對以上問題進行研究分析，并提出具體解決方案。

1 研究內容

1）模具標準化設計。

2）布模工序智能化方案。

3）智能化控制系統的需求。

2 研究目標

1）實現疊合板布模工序智能化。

2）實現機器代人、減少人工。

3 規劃方案

通過模具標準化設計與應用，建立標準化模具庫；建立智能化MES，其通過一定算法能具有智能化布模、排摸功能，具有對模具庫信息化倉儲管理的功能；且MES能與桁架機器人控制系統、輸送機控制系統、工業視覺系統、RFID無線射頻識別系統進行信息互通、實時有效控制；在疊合板生產過程中，可實現模具抓取、輸送及入庫，模具出庫、輸送及布模智能化。

3.1 模具標準化設計

3.1.1 現況

裝配式建筑疊合板構件由于規格多樣、四周出筋、標準化程度較低，如圖1所示，導致實際生產過程中疊合板模具也不具有通用性，無法重復使用；一種規格疊合板需制作一套對應模具，成本較高，也無法滿足生產自動化的需求，如圖2所示。

圖1 疊合板構件

圖2 疊合板模具組合

3.1.2 模具設計

針對疊合板四周出筋情況，提出一種上下分體式模具方案，采用雙層模具形式，鋼筋網片放置其間通過彈性橡膠條擠壓密封；由上層模具、下層模具及彈性橡膠條、連接結構共同組成，上下層模具可以通過螺栓或者旋轉卡鎖快速連接，組模完成后再用磁盒壓制固定于模臺之上，如圖3所示。

圖3 疊合板雙層模具模型

1）模具組合形式 采用幾種標準長度模具組合成不同長寬規格，滿足不同規格疊合板生產需求，如圖4所示。

圖4 疊合板雙層模具組合

2）組模流程 布置底模→放置鋼筋網片→布置頂模→上下層連接→壓制磁盒。

3）模具標準長度模數規劃 以標準長度為模數，通過單邊模具組合不超過2種類以滿足不同規格疊合板生產的需求。模具的標準長度由疊合板規格決定，以上海地區某養老產業項目為例，以圖5為基準，疊合板尺寸數據統計如表1所示，統計所使用的疊合板規格尺寸數據并分析推導出模具標準長度模數。

圖5 上海某養老項目標準層疊合板平面布置

表1 疊合板尺寸統計

由此可看出，該項目疊合板規格主要集中在1～4m，約占全部單樓層疊合板總量的90%以上；其中長度主要集中于3～4m范圍內，約占全部單樓層疊合板總量的72%以上；寬度全部集中于1～3m范圍；該項目規格范圍在1～7m。根據疊合板主要規格采用單根模具布置，最大規格不超過2根模具組合而成的原則，規劃模具標準長度為2，3，4m三種規格，可滿足疊合板最大規格為8m×8m使用要求。

3.2 建立標準化模具庫

該項目單樓層疊合板數量為51塊，由此而得，該項目需要建立標準模具庫數量至少如下：標準模具長2m為72根；標準模具長3m為66根；標準模具長4m為82根。

3.3 智能化流程

3.3.1 布模工序智能化方案

以標準化模具庫為存儲核心，輸送機為模具傳輸手段，終端操作采用桁架機器人；在MES及關聯設備控制系統的協同控制下進行模具的抓取、輸送、入庫及出庫、輸送、布模等過程，如圖6所示。

圖6 布模工序工藝

1）模臺流程 脫模→構件吊運→模具回收→模臺清理→底模安裝→噴油→布筋→頂模安裝→預埋件安裝→砼澆筑、震動→預養護→拉毛→養護→脫模。

2）模具入庫流程 底?；厥铡斔停ㄇ謇恚霂欤ɑ虿贾玫啄＃斈；厥铡斔停ㄇ謇恚霂欤ɑ虿贾庙斈＃?。

3）模具出庫流程 底模取出→布置底?！斈Ｈ〕觥斔汀贾庙斈?。

3.3.2 標準化模具庫

以疊合板模具為存儲對象，平面分成6個存放區域，平鋪、分別存放各種類模，如圖7所示；標準化模具分為底層和頂層模具兩類，長度分別為2，3，4m。以桁架機器人坐標系為基準，其范圍內規劃定出每個模具存放位置及對應坐標數據，模具存放采用重力歸位措施，減少重復誤差；在生產過程中對于輸送機傳送過來的模具，可不需入庫直接布模，提高效率。

圖7 模具庫

3.3.3 輸送機

輸送機是連接作業區（模具回收和布模）與存儲區（模具庫）之間的通道和橋梁，可以采用滾筒輸送機，輸送重量較大，承受較大的沖擊荷載；在輸送過程中設置模具清理機，對收集入庫的模具進行清理。

3.3.4 桁架機器人

桁架機器人由主體、驅動系統和控制系統3個基本部分組成，具有空間上相互獨立垂直的3個移動軸，可以實現機器人x、y、z三個方向調整手臂的空間位置（手臂的升降和伸縮動作）[2]；通過桁架機器人控制系統和機器視覺系統，可實現對模具的自動抓取、移動、旋轉等操作。不僅可大幅提高生產效率，而且可極大降低人工成本，非常適合大批量、重復操作工序。

3.4 智能化控制系統

3.4.1 MES

MES即Manufacturing Execution System的縮寫，是制造企業生產過程執行系統，是直接面向生產車間、屬于執行層的信息化管理系統，因此對比ERP系統，能更有針對性地進行生產管理。在鋼鐵企業生產管理過程中，可以有效傳遞信息，包括從訂單的產生到最終產品的下線整個過程[3-4]。

MES貫穿于生產制造工序的每個環節，采集數據、統計分析、發出指令，要求與生產線各工序配套設備的控制系統互通，并實時控制；在智能化布模過程中對MES的要求如下。

1）智能布模 以標準模具長度（2，3，4m）為基準，對于計劃生產的疊合板產品，通過一定算法得出任何一邊采用模具以根數最少、長度最短的組合（且單邊組合模具根數不大于2根）來滿足其生產所需。因此產品規格確定后，通過算法確定了配置的模具種類、組合位置，也就確定了該產品模具的布置、組合位置及所需模臺面積。

2）智能排模 對于計劃生產的疊合板產品，通過智能布模算法后，可得出每個產品所需標準模具種類、組合位置及所需模臺面積；對于計劃生產的每塊疊合板產品作為一個基本單元，以生產線所用模臺范圍建立相對平面坐標系，排模算法原則在每個模臺范圍內布置最多生產單元，排模完成后確定了每個生產單元在模臺上的位置，也就確定每個生產單元對應的組合模具的相對坐標位置及坐標數據（見圖8）。

圖8 布模定位坐標

3）智能倉儲 具有模具可視化分區管理，按模具種類（底模、底模）及其長度分成6個區域；與桁架機器人控制系統互通且實時有效控制，對模具入庫、出庫、庫存等進行有效管理。

3.4.2 機器視覺技術

用計算機模擬人的視覺功能從客觀事物的圖像中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制。典型的工業機器視覺應用系統包括光源、光學系統、圖像捕捉系統、圖像數字化模塊、數字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機械控制執行模塊。首先，采用CCD攝像機或其他圖像拍攝裝置將目標轉換成圖像信號，然后轉變成數字化信號傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布、亮度和顏色等信息，進行各種運算抽取目標的特征，根據預設的容許度和其他條件輸出判斷結果[5]。

疊合板生產過程中，構件脫模、吊走后，模具隨機平放在模臺上，模臺流水到模具回收工位并鎖定，當工位上接收器接收到模臺側面安裝的RFID電子標簽發送的信息，并傳送到MES；按預設程序MES發送指令到模具回收桁架機器人控制系統，并啟動模臺上方設置的工業照相機進行拍攝，機器視覺系統對圖像進行分析處理得出模具的種類（底模、頂模）、長度及位置坐標，并把數據提供給桁架機器人控制系統，機器手運行到位并進行抓取、旋轉、移動，分類把模具放入底模和頂模輸送槽內，進行傳送、清理、入庫或布模。

3.4.3 RFID無線射頻識別技術

RFID無線射頻識別技術是利用無線電波對記錄媒體進行讀寫，在標簽內嵌入可編程的芯片、回路和發射天線，并通過一定的頻率，能夠對芯片的內容進行存儲和讀寫操作，并能夠同時準確地識別多個目標。它通過識別系統發射的頻率提供能量，不需要電池提供能源，根據客戶設定的密碼和芯片制造商提供的序列號，通過算法生成一個絕對唯一的六位識別碼保證每個標簽的唯一性[6]。

在疊合板生產過程中，采用RFID無線射頻識別技術，結合MES自動生成FRID識別的電子標簽對每個模臺進行標識；模臺在各工位間流水移動，當模臺進入既定工位鎖定后，該工位有接收模臺信息的接收器，接收器收到信息后把模臺信息、工位信息發送到MES；MES按預定程序發送指令到相應工位配套的輸送機和桁架機器人的控制系統，進行模具的抓取、輸送等。

4 應用效果

PC工廠疊合板布模工序智能化方案，可以實現疊合板布模自動化、減少人工、提高效率；部分功能也已在上海地區PC工廠得以應用，取得一定的智能化效果。但對于PC工廠而言需要的是全工序的高效自動化的生產線，對于脫模、清理、布模、布筋、布料、養護等工序都需要通過軟件的開發與硬件的提升相結合以逐步實現智能化的升級，最終實現機器代人、提高效率及產業升級。

5 結語

通過對疊合板布模工序智能化的研究分析，介紹智能化布模實施的解決方案，可實現建筑業以機器代人、減少人工的智能化升級，并促進我國建筑工業化發展。由于目前建筑行業構件標準化程度較低，且規格和重量也較大，相對配套的智能化技術和經驗積累相對較少，這是妨礙建筑工業化發展的原因，因此當下建筑工業化轉型發展也是機遇和挑戰并存。