基于BIM和機(jī)器人的H型鋼智能自動(dòng)化生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)研究

徐能彬，許友武，姚 諫，冷新中，林賢彬，胡啟煜

（1.浙江建工綠智鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江 衢州 324400；2.衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 衢州 324000）

引言

近年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)由于其工廠加工構(gòu)件、現(xiàn)場(chǎng)連接的施工特點(diǎn)與裝配式建筑完美契合，且鋼結(jié)構(gòu)具有綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色建筑的要求，是建筑工業(yè)化的主要發(fā)展方向，正在國(guó)家和地方政府的支持下迅猛發(fā)展[1]。我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量，從2010年至今不斷增加，年均增速保持在10%以上，且仍保持著快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。

但目前鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過(guò)程仍以人工勞動(dòng)為主，加工效率、精度和自動(dòng)化程度較低，而且隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)民生活水平的不斷提高，愿意從事勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、簡(jiǎn)單重復(fù)工作的產(chǎn)線工人也越來(lái)越少，難以支撐鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

在世界各國(guó)都在大力發(fā)展智能制造技術(shù)的時(shí)代潮流下，我國(guó)也越來(lái)越重視智能制造技術(shù)，國(guó)務(wù)院于2015年印發(fā)的《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃中，大力引導(dǎo)我國(guó)智能制造的發(fā)展，推動(dòng)智能制造領(lǐng)域的研究與支持，迎接我國(guó)“工業(yè)4.0時(shí)代”的到來(lái)[2]。

鋼結(jié)構(gòu)是與生俱來(lái)的具有智能制造基因的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，可以參照汽車(chē)制造行業(yè)引入工業(yè)機(jī)器人替代人工，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的智能自動(dòng)化。目前已有國(guó)內(nèi)外企業(yè)探索鋼結(jié)構(gòu)的建筑工業(yè)化和智能化，并取得一定成效。比如奧地利之門(mén)公司開(kāi)發(fā)了一套用于H型鋼上裝配焊接各種勁板、連接板、牛腿等的智能加工系統(tǒng)，該套系統(tǒng)是基于熱軋H型鋼為工件而設(shè)計(jì)，且其裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，不利于在我國(guó)推廣應(yīng)用。中建鋼構(gòu)建設(shè)了一條重型H型鋼智能生產(chǎn)線，引入六軸工業(yè)機(jī)器人，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行深度定制設(shè)計(jì)，采用機(jī)器人離線編程、激光尋位跟蹤、焊縫和坡口自適應(yīng)、零配件三維定位及智能分揀等先進(jìn)技術(shù)，自動(dòng)完成構(gòu)件的切割、搬運(yùn)、焊接等核心工序[3]。該生產(chǎn)線將切割、搬運(yùn)、焊接等核心工序進(jìn)行分解，分別建立切割工位、搬運(yùn)小車(chē)和焊接工作站，優(yōu)勢(shì)在單一加工工序有利于機(jī)器人作業(yè)實(shí)現(xiàn)；但各工序分解獨(dú)立，無(wú)法充分保證工序之間銜接的連續(xù)性。

為實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的智能制造，改善已有生產(chǎn)線的不足，浙江建工綠智鋼結(jié)構(gòu)有限公司基于數(shù)字化經(jīng)濟(jì)下的建筑工業(yè)化和建筑智能化的發(fā)展大背景，研發(fā)了基于BIM和機(jī)器人的H型鋼智能自動(dòng)化生產(chǎn)線（以下簡(jiǎn)稱(chēng)智能生產(chǎn)線）。該生產(chǎn)線是一套可復(fù)制、柔性的智能化生產(chǎn)線，適用于鋼結(jié)構(gòu)智能化生產(chǎn)的BIM信息管理技術(shù)，將BIM技術(shù)融入整個(gè)生產(chǎn)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和統(tǒng)計(jì)分析。該生產(chǎn)線具有裝備自動(dòng)化、工藝數(shù)字化、生產(chǎn)柔性化、過(guò)程可視化和信息集成化的特點(diǎn)，可降低人工成本、加快構(gòu)件生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品優(yōu)良率、實(shí)現(xiàn)24 h不間斷作業(yè)[4]。

1 智能生產(chǎn)線

下頁(yè)圖1所示即為智能生產(chǎn)線，由“清割島”系統(tǒng)（下頁(yè)圖2）、“組焊校”系統(tǒng)（下頁(yè)圖3）和智能加工中心（下頁(yè)圖4）組成，“清割島”是智能生產(chǎn)線的前端備料工序，包括表面處理單元、條板切割單元、桁架搬運(yùn)單元和清邊倒角單元，其功能是將鋼板加工成后續(xù)所需的條板。“組焊校”是智能生產(chǎn)線的主要工序，包括進(jìn)料、組立、埋弧焊、除渣、翻轉(zhuǎn)、矯正和鋸切等單元，通過(guò)各個(gè)單元的整體協(xié)調(diào)以完成H型鋼的生產(chǎn)。智能加工中心是鋼結(jié)構(gòu)智能裝配加工一體化工作站，工作站內(nèi)切割機(jī)器人負(fù)責(zé)對(duì)主構(gòu)件進(jìn)行等離子切割，完成開(kāi)鎖口、割圓孔、開(kāi)坡口等工作，搬運(yùn)機(jī)器人負(fù)責(zé)輔板上料和自動(dòng)定位，焊接機(jī)器人負(fù)責(zé)輔板焊接，伺服變位機(jī)配合三臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作，完成零部件的定位組裝，形成裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

圖1 智能生產(chǎn)線

圖2 “清割島”系統(tǒng)

圖3 “組焊校”系統(tǒng)

圖4 智能加工中心

如圖5所示，為確保設(shè)計(jì)、生成和管理的全程互通，實(shí)現(xiàn)真正的智能自動(dòng)化，開(kāi)發(fā)“鋼構(gòu)件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”和“智能加工數(shù)據(jù)生成軟件”，采集鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)端的BIM數(shù)據(jù)，上傳至“鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺(tái)”進(jìn)行歸集管理；通過(guò)“邊緣計(jì)算與數(shù)字孿生系統(tǒng)”將管理平臺(tái)上的加工數(shù)據(jù)下發(fā)至產(chǎn)線設(shè)備，指導(dǎo)整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行；“邊緣計(jì)算與數(shù)字孿生系統(tǒng)”實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)并呈現(xiàn)出設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析處理，將處理后的加工數(shù)據(jù)即時(shí)下發(fā)回產(chǎn)線設(shè)備、并上傳至“鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺(tái)”進(jìn)行歸集管理；從而實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)層—管理層—設(shè)備層數(shù)據(jù)的傳遞、管理與交互。

圖5 智能生產(chǎn)線架構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能線綜合設(shè)計(jì)和設(shè)備制造技術(shù)

傳統(tǒng)的鋼構(gòu)件制造，采用的是自動(dòng)化或半自動(dòng)的加工設(shè)備，由人工操作設(shè)備完成放樣、鋼板的切割、條板的轉(zhuǎn)運(yùn)和H型鋼的組立焊接等，存在危險(xiǎn)性大，產(chǎn)品質(zhì)量一致性差等缺點(diǎn)。

針對(duì)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度不足，首次設(shè)計(jì)并制造了H型鋼結(jié)構(gòu)全工序的智能自動(dòng)化生產(chǎn)線，整條生產(chǎn)線設(shè)計(jì)了全輥道線+桁架機(jī)械手的自動(dòng)物流，十把割槍自動(dòng)調(diào)節(jié)的高效數(shù)控切割機(jī)，機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)，高柔性適應(yīng)多規(guī)格構(gòu)件的組立焊接變位一體化設(shè)備，雙焊縫自動(dòng)埋弧焊接設(shè)備。各個(gè)設(shè)備單元的定位、動(dòng)作傳遞結(jié)合了多種傳感，保證設(shè)備穩(wěn)定、可靠、高效，為生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化、智能化奠定設(shè)備結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)等硬件基礎(chǔ)。智能生產(chǎn)線具有裝備自動(dòng)化、工藝數(shù)字化、生產(chǎn)柔性化、過(guò)程可視化、信息集成化的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)降低人工成本、加快構(gòu)件生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)智能生產(chǎn)線生產(chǎn)的鋼構(gòu)件產(chǎn)品，具有精度高、質(zhì)量穩(wěn)定、綜合成本低和柔性制造的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品相比，極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力（見(jiàn)下頁(yè)圖6）。

圖6 智能生產(chǎn)線與傳統(tǒng)生產(chǎn)線對(duì)比

智能生產(chǎn)線設(shè)備配合鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)從鋼板到鋼構(gòu)件的連續(xù)自動(dòng)化加工。“鋼構(gòu)件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”和“建筑鋼結(jié)構(gòu)智能加工軌跡與指令數(shù)據(jù)生成軟件”，采集鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)端的BIM數(shù)據(jù)，上傳至鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺(tái)進(jìn)行智能管理，再通過(guò)“邊緣計(jì)算與數(shù)字孿生系統(tǒng)”將管理平臺(tái)上的加工數(shù)據(jù)精準(zhǔn)下發(fā)至產(chǎn)線各設(shè)備并驅(qū)動(dòng)其有序工作，實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動(dòng)化智能化運(yùn)行。

2.2 BIM信息傳遞管理技術(shù)

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)加工，技術(shù)人員完成深化設(shè)計(jì)后將設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)成二維CAD圖紙交由加工廠加工，存在數(shù)字化程度低、效率低和易出錯(cuò)的缺點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)加工過(guò)程沒(méi)有充分利用深化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及人工收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不足，開(kāi)發(fā)了建筑鋼結(jié)構(gòu)智能加工軌跡與指令數(shù)據(jù)生成軟件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)加工數(shù)據(jù)生成軟件）、鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺(tái)等軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)BIM模型數(shù)據(jù)高效處理、管理和傳遞，全面打通鋼結(jié)構(gòu)件從設(shè)計(jì)到加工再到生產(chǎn)管理的數(shù)據(jù)流（見(jiàn)圖7），改變現(xiàn)有生產(chǎn)模式，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時(shí)，將BIM技術(shù)融入整個(gè)生產(chǎn)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、統(tǒng)計(jì)分析。

圖7 BIM信息傳遞管理技術(shù)架構(gòu)

2.2.1 鋼構(gòu)件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

鋼構(gòu)件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（見(jiàn)圖8），可對(duì)多個(gè)工程項(xiàng)目的鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸并處理，提取出符合H型鋼智能自動(dòng)化生產(chǎn)線加工范圍的鋼構(gòu)件；對(duì)歸并后的構(gòu)件數(shù)據(jù)按截面和長(zhǎng)度進(jìn)行最優(yōu)排產(chǎn)組合，并對(duì)最優(yōu)排產(chǎn)下的條板進(jìn)行下料排版，最終形成所需的構(gòu)件排產(chǎn)數(shù)據(jù)流，為H型鋼智能自動(dòng)化生產(chǎn)線的有效運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。

圖8 鋼構(gòu)件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

2.2.2 加工數(shù)據(jù)生成軟件

建筑鋼結(jié)構(gòu)智能加工軌跡與指令數(shù)據(jù)生成軟件，用于從深化設(shè)計(jì)模型中提取機(jī)器人作業(yè)程序所需的加工數(shù)據(jù)，打通了鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)模型與機(jī)器人離線編程軟件之間的數(shù)據(jù)鏈，有效提高離線編程軟件軌跡規(guī)劃效率。

2.2.3 鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)加工管理粗放，一般還采用簡(jiǎn)單的excel表格來(lái)對(duì)項(xiàng)目訂單、加工任務(wù)、工作量統(tǒng)計(jì)等進(jìn)行管理，存在效率低、信息不及時(shí)、統(tǒng)計(jì)困難等缺點(diǎn)，管理人員無(wú)法第一時(shí)間得知加工車(chē)間的實(shí)際情況。針對(duì)上述信息化管理不足，項(xiàng)目研發(fā)一套契合鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理、高度集成化和模塊化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)（見(jiàn)圖9），輔助智能線的生產(chǎn)需求，同時(shí)將工廠內(nèi)傳統(tǒng)生產(chǎn)線統(tǒng)一管理，協(xié)同排產(chǎn)，將車(chē)間整體生產(chǎn)能力最優(yōu)化，管理可視化。

圖9 鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺(tái)

2.2.4 數(shù)字孿生系統(tǒng)

通過(guò)Janus邊緣計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字模型與智能產(chǎn)線之間的信息交互。數(shù)字孿生系統(tǒng)（見(jiàn)下頁(yè)圖10）實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)并呈現(xiàn)出設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析處理，將優(yōu)化處理后的加工數(shù)據(jù)即時(shí)下發(fā)回產(chǎn)線設(shè)備、并上傳至“鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺(tái)”進(jìn)行歸集管理；從而實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)層—管理層—設(shè)備層數(shù)據(jù)的傳遞、管理與交互。

圖10 數(shù)字孿生系統(tǒng)

3 工程應(yīng)用

該智能生產(chǎn)線已與2020年在浙西新型建筑工業(yè)化產(chǎn)業(yè)園龍游鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)基地建成投產(chǎn)，并于2020年9月28日成功生成首根H型鋼。目前，該智能生產(chǎn)線具備日產(chǎn)40 t（8 h）H型鋼的能力，所生產(chǎn)的H型鋼全部符合要求，合格率達(dá)100%。該生產(chǎn)線操作人員為8人，平均50 min內(nèi)可以生成出一根12 m長(zhǎng)的H型鋼，約為傳統(tǒng)生產(chǎn)線的2～3倍。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著“工業(yè)4.0”時(shí)代的到來(lái)，智能制造將應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，尤其是裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑。BIM技術(shù)作為現(xiàn)在建筑工程領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，配合工業(yè)機(jī)器人，在鋼結(jié)構(gòu)智能制造上大有可為。

本文研發(fā)的智能生產(chǎn)線，可實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品加工質(zhì)量的提高、加工效率的提升，同時(shí)還能大大壓縮成本。整條智能生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，對(duì)實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)工程具有重要的指導(dǎo)意義。