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(shè)計顧問有限公司，上海 200333）

0 引言

《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》目標(biāo)要求到2025年，我國智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的政策體系和產(chǎn)業(yè)體系基本建立，建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化水平顯著提高，建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺初步建立，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、技術(shù)裝備、科技創(chuàng)新能力以及建筑安全質(zhì)量水平全面提升，勞動生產(chǎn)率明顯提高，能源資源消耗及污染排放大幅下降，環(huán)境保護效應(yīng)顯著。推動形成一批智能建造龍頭企業(yè)，引領(lǐng)并帶動廣大中小企業(yè)向智能建造轉(zhuǎn)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(yè)化協(xié)同發(fā)展取得顯著進展，企業(yè)創(chuàng)新能力大幅提升，產(chǎn)業(yè)整體優(yōu)勢明顯增強，“中國建造”核心競爭力世界領(lǐng)先，建筑工業(yè)化全面實現(xiàn)，邁入智能建造世界強國行列[1]。

當(dāng)前我國建筑業(yè)正向工業(yè)化、智能化改造升級，以機器代人、減少人工，是對建筑業(yè)發(fā)展的要求和必然趨勢；但當(dāng)前PC工廠智能化總體水平不高，以人工作業(yè)為主；針對疊合板生產(chǎn)來說，影響智能化發(fā)展主要技術(shù)原因包括：構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)。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(nèi)容

1）模具標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

2）布模工序智能化方案。

3）智能化控制系統(tǒng)的需求。

2 研究目標(biāo)

1）實現(xiàn)疊合板布模工序智能化。

2）實現(xiàn)機器代人、減少人工。

3 規(guī)劃方案

通過模具標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計與應(yīng)用，建立標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)、輸送機控制系統(tǒng)、工業(yè)視覺系統(tǒng)、RFID無線射頻識別系統(tǒng)進行信息互通、實時有效控制；在疊合板生產(chǎn)過程中，可實現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

3.1.1 現(xiàn)況

裝配式建筑疊合板構(gòu)件由于規(guī)格多樣、四周出筋、標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，如圖1所示，導(dǎo)致實際生產(chǎn)過程中疊合板模具也不具有通用性，無法重復(fù)使用；一種規(guī)格疊合板需制作一套對應(yīng)模具，成本較高，也無法滿足生產(chǎn)自動化的需求，如圖2所示。

圖1 疊合板構(gòu)件

圖2 疊合板模具組合

3.1.2 模具設(shè)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(wǎng)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(jié)構(gòu)共同組成，上下層模具可以通過螺栓或者旋轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)長度模具組合成不同長寬規(guī)格，滿足不同規(guī)格疊合板生產(chǎn)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(wǎng)片→布置頂?！舷聦舆B接→壓制磁盒。

3）模具標(biāo)準(zhǔn)長度模數(shù)規(guī)劃 以標(biāo)準(zhǔn)長度為模數(shù)，通過單邊模具組合不超過2種類以滿足不同規(guī)格疊合板生產(chǎn)的需求。模具的標(biāo)準(zhǔn)長度由疊合板規(guī)格決定，以上海地區(qū)某養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)項目為例，以圖5為基準(zhǔn)，疊合板尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示，統(tǒng)計所使用的疊合板規(guī)格尺寸數(shù)據(jù)并分析推導(dǎo)出模具標(biāo)準(zhǔn)長度模數(shù)。

圖5 上海某養(yǎng)老項目標(biāo)準(zhǔn)層疊合板平面布置

表1 疊合板尺寸統(tǒng)計

由此可看出，該項目疊合板規(guī)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(nèi)，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(guī)格范圍在1～7m。根據(jù)疊合板主要規(guī)格采用單根模具布置，最大規(guī)格不超過2根模具組合而成的原則，規(guī)劃模具標(biāo)準(zhǔn)長度為2，3，4m三種規(guī)格，可滿足疊合板最大規(guī)格為8m×8m使用要求。

3.2 建立標(biāo)準(zhǔn)化模具庫

該項目單樓層疊合板數(shù)量為51塊，由此而得，該項目需要建立標(biāo)準(zhǔn)模具庫數(shù)量至少如下：標(biāo)準(zhǔn)模具長2m為72根；標(biāo)準(zhǔn)模具長3m為66根；標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)聯(lián)設(shè)備控制系統(tǒng)的協(xié)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?！鷺?gòu)件吊運→模具回收→模臺清理→底模安裝→噴油→布筋→頂模安裝→預(yù)埋件安裝→砼澆筑、震動→預(yù)養(yǎng)護→拉毛→養(yǎng)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→布置底模→頂模取出→輸送→布置頂模。

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化模具庫

以疊合板模具為存儲對象，平面分成6個存放區(qū)域，平鋪、分別存放各種類模，如圖7所示；標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)系為基準(zhǔn)，其范圍內(nèi)規(guī)劃定出每個模具存放位置及對應(yīng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，模具存放采用重力歸位措施，減少重復(fù)誤差；在生產(chǎn)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(yè)區(qū)（模具回收和布模）與存儲區(qū)（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(shè)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(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)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(xiàn)機器人x、y、z三個方向調(diào)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(tǒng)和機器視覺系統(tǒng)，可實現(xiàn)對模具的自動抓取、移動、旋轉(zhuǎn)等操作。不僅可大幅提高生產(chǎn)效率，而且可極大降低人工成本，非常適合大批量、重復(fù)操作工序。

3.4 智能化控制系統(tǒng)

3.4.1 MES

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

MES貫穿于生產(chǎn)制造工序的每個環(huán)節(jié)，采集數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析、發(fā)出指令，要求與生產(chǎn)線各工序配套設(shè)備的控制系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)模具長度（2，3，4m）為基準(zhǔn)，對于計劃生產(chǎn)的疊合板產(chǎn)品，通過一定算法得出任何一邊采用模具以根數(shù)最少、長度最短的組合（且單邊組合模具根數(shù)不大于2根）來滿足其生產(chǎn)所需。因此產(chǎn)品規(guī)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(chǎn)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(chǎn)的疊合板產(chǎn)品，通過智能布模算法后，可得出每個產(chǎn)品所需標(biāo)準(zhǔn)模具種類、組合位置及所需模臺面積；對于計劃生產(chǎn)的每塊疊合板產(chǎn)品作為一個基本單元，以生產(chǎn)線所用模臺范圍建立相對平面坐標(biāo)系，排模算法原則在每個模臺范圍內(nèi)布置最多生產(chǎn)單元，排模完成后確定了每個生產(chǎn)單元在模臺上的位置，也就確定每個生產(chǎn)單元對應(yīng)的組合模具的相對坐標(biāo)位置及坐標(biāo)數(shù)據(jù)（見圖8）。

圖8 布模定位坐標(biāo)

3）智能倉儲 具有模具可視化分區(qū)管理，按模具種類（底模、底模）及其長度分成6個區(qū)域；與桁架機器人控制系統(tǒng)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(shù)

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(yè)機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)包括光源、光學(xué)系統(tǒng)、圖像捕捉系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機械控制執(zhí)行模塊。首先，采用CCD攝像機或其他圖像拍攝裝置將目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，然后轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布、亮度和顏色等信息，進行各種運算抽取目標(biāo)的特征，根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出判斷結(jié)果[5]。

疊合板生產(chǎn)過程中，構(gòu)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(dāng)工位上接收器接收到模臺側(cè)面安裝的RFID電子標(biāo)簽發(fā)送的信息，并傳送到MES；按預(yù)設(shè)程序MES發(fā)送指令到模具回收桁架機器人控制系統(tǒng)，并啟動模臺上方設(shè)置的工業(yè)照相機進行拍攝，機器視覺系統(tǒng)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(biāo)，并把數(shù)據(jù)提供給桁架機器人控制系統(tǒng)，機器手運行到位并進行抓取、旋轉(zhuǎn)、移動，分類把模具放入底模和頂模輸送槽內(nèi)，進行傳送、清理、入庫或布模。

3.4.3 RFID無線射頻識別技術(shù)

RFID無線射頻識別技術(shù)是利用無線電波對記錄媒體進行讀寫，在標(biāo)簽內(nèi)嵌入可編程的芯片、回路和發(fā)射天線，并通過一定的頻率，能夠?qū)π酒膬?nèi)容進行存儲和讀寫操作，并能夠同時準(zhǔn)確地識別多個目標(biāo)。它通過識別系統(tǒng)發(fā)射的頻率提供能量，不需要電池提供能源，根據(jù)客戶設(shè)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(biāo)簽的唯一性[6]。

在疊合板生產(chǎn)過程中，采用RFID無線射頻識別技術(shù)，結(jié)合MES自動生成FRID識別的電子標(biāo)簽對每個模臺進行標(biāo)識；模臺在各工位間流水移動，當(dāng)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(fā)送到MES；MES按預(yù)定程序發(fā)送指令到相應(yīng)工位配套的輸送機和桁架機器人的控制系統(tǒng)，進行模具的抓取、輸送等。

4 應(yīng)用效果

PC工廠疊合板布模工序智能化方案，可以實現(xiàn)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(qū)PC工廠得以應(yīng)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(chǎn)線，對于脫模、清理、布模、布筋、布料、養(yǎng)護等工序都需要通過軟件的開發(fā)與硬件的提升相結(jié)合以逐步實現(xiàn)智能化的升級，最終實現(xiàn)機器代人、提高效率及產(chǎn)業(yè)升級。

5 結(jié)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(xiàn)建筑業(yè)以機器代人、減少人工的智能化升級，并促進我國建筑工業(yè)化發(fā)展。由于目前建筑行業(yè)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，且規(guī)格和重量也較大，相對配套的智能化技術(shù)和經(jīng)驗積累相對較少，這是妨礙建筑工業(yè)化發(fā)展的原因，因此當(dāng)下建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)型發(fā)展也是機遇和挑戰(zhàn)并存。