一種智能型鋼筋捆扎系統(tǒng)研究*

汪宋良

（寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息學(xué)院，浙江 寧波 315100）

電動工具的智能化是當(dāng)今世界發(fā)展的必然趨勢，由于其構(gòu)造輕盈、使用便利、效率高、能耗低等特點(diǎn)，已從產(chǎn)業(yè)上普遍使用發(fā)展到家庭生活中不可缺少的工具之一。近年來，隨著市場經(jīng)濟(jì)全球化，電動工具產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。同時，我國制造電動工具比例不斷擴(kuò)大，已經(jīng)成為世界上主要的電動工具產(chǎn)品出口國和全球電動工具消費(fèi)國。因此，未來電動工具行業(yè)發(fā)展的潛力巨大[1]。

建筑業(yè)是一個粗獷型的產(chǎn)業(yè)集群，其手工作業(yè)程度高，機(jī)械化程度不高。隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑工程的成品化、機(jī)械化是一個必然的趨勢，施工現(xiàn)場電動工具的普及化對于提高整體施工技術(shù)水平、減輕人工作業(yè)、提高勞動效率和提高工程質(zhì)量水平有積極的意義。目前，國內(nèi)外建筑工地中的鋼筋捆扎依然使用人力的手工捆扎，即使在歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)，自動鋼筋捆扎技術(shù)也只是一個新興的領(lǐng)域，遠(yuǎn)沒達(dá)到普及的程度。傳統(tǒng)的手工鋼筋捆扎工效低、勞動力成本高、風(fēng)險系數(shù)大，而且對操作工人的熟練程度有一定的要求。手持式全自動鋼筋捆扎機(jī)實(shí)現(xiàn)了以機(jī)器替代手工捆扎鋼筋的所有步驟，不僅比手工捆扎速度快、效率高，而且有效提高了勞動效率和操作的安全性[2]。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

鋼筋捆扎機(jī)是一種建筑用電池類智能型鋼筋快速捆扎電動工具，又名全自動鋼筋捆扎機(jī)（Automatic Rebar Tying Machine）。它是一種智能化工具，內(nèi)置微控制器，能自動完成鋼筋捆扎的所有步驟，可廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域（梁、弧、柱、梯等構(gòu)件鋼筋的綁扎），以代替人工捆扎鋼筋。

鋼筋捆扎機(jī)最早從日本開始研制，如日本美克司（MAX）公司[3]的鋼筋捆扎機(jī)從 20世紀(jì) 90年代初就開始研制，1993年發(fā)明第一代產(chǎn)品并開始推廣市場。到2012年，美克司公司已經(jīng)成功研制出第二代鋼筋捆扎機(jī)產(chǎn)品，其性能非常好，市場份額大，但是價格也很昂貴。近十年來，國內(nèi)也開始研究鋼筋捆扎機(jī)系統(tǒng)，主要是模仿日本產(chǎn)品，也占領(lǐng)了一部分市場。最近，隨著國內(nèi)廠家質(zhì)量的逐步改進(jìn)，部分廠家開始研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，市場占有率也逐步增加，但是離挑戰(zhàn)日本美克司的地位還有很大的差距。比如：寧波九威實(shí)業(yè)有限公司[4]、臺州市新大陸電子科技有限公司[5]、深圳市西鄉(xiāng)冠榮電子廠、廈門美益達(dá)機(jī)械有限公司、桐鄉(xiāng)市嘉程電子機(jī)械有限公司等。該產(chǎn)品目前來說還沒有達(dá)到普及的水平，市場價格比其他同類電動工具高，還沒有被大規(guī)模接受和使用。所以，當(dāng)前主要市場還位于歐美發(fā)達(dá)國家，因?yàn)槠漭^高的勞動力成本以及個人多不愿意從事勞累辛苦的工作，該產(chǎn)品在歐美發(fā)達(dá)市場有著比較大的市場。而國內(nèi)市場還在開發(fā)之中，但相信國內(nèi)市場前景更大。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鋼筋捆扎機(jī)主要由機(jī)體、專用線盤、電池盒、充電器四部分組成，具有重量輕、操作靈活、效率高、質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。它具有自動完成鋼筋捆扎的功能，主要應(yīng)用于建筑、橋梁、礦山等施工現(xiàn)場，實(shí)物中性圖如圖1所示。

機(jī)體包括單片機(jī)控制電路板、捆扎機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)和殼體。其中單片機(jī)電路板負(fù)責(zé)控制整個系統(tǒng)工作狀態(tài)及過程；而捆扎機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)目前國內(nèi)外都申請了很多專利，比如：鋼筋捆扎機(jī)的鋼絲卷筒制動單元[6]，鋼筋捆束機(jī)[7],鋼絲卷筒、鋼筋捆扎機(jī)及鋼筋捆扎機(jī)的操作方法[8]等。線盤為專門定制，一般采用0.8 mm的鍍鋅鐵絲，硬度適中。鐵絲被繞在一個特制的線盤里面，線盤裝入機(jī)器里即可操作使用。每盤鐵絲大概長95 m～100 m之間，根據(jù)機(jī)器型號或者設(shè)定的不同，可以捆扎2圈或者3圈,這樣每卷線盤可以捆扎鋼筋的結(jié)數(shù)大約為180～270。

系統(tǒng)電源使用反復(fù)可充式鎳氫電池供電，其攜帶操作方便，能滿足施工現(xiàn)場的苛刻環(huán)境，實(shí)物中性圖如圖2所示。第一代鋼筋捆扎機(jī)的供電電壓為DC9.6 V，目前國內(nèi)還處于第一代產(chǎn)品的生產(chǎn)研發(fā)中，而以日本美克司為代表的公司已經(jīng)推出了第二代產(chǎn)品，供電電壓為DC14.4 V[3]。

3 系統(tǒng)原理和性能

鋼筋捆扎機(jī)能完成人工鋼筋捆扎的送絲、繞絲、割斷鋼絲及扭絲等所有步驟。上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化檢測，該過程包括送絲裝置檢測及異常報(bào)警、繞絲裝置檢測及異常報(bào)警、扎緊裝置檢測及異常報(bào)警、工作溫度檢測及異常報(bào)警和其他初始狀態(tài)量檢測及異常報(bào)警。系統(tǒng)檢測正常后，工作過程如下：(1)送絲裝置根據(jù)系統(tǒng)規(guī)定參數(shù)送一定長度鋼絲（2圈或者3圈的總長度），誤差在一定范圍內(nèi)；(2)送絲的同時，繞絲裝置根據(jù)系統(tǒng)規(guī)定參數(shù)繞鋼筋結(jié)點(diǎn)，達(dá)到預(yù)設(shè)長度后機(jī)械切斷；(3)扎緊裝置根據(jù)系統(tǒng)規(guī)定的扭矩?cái)Q緊鋼絲；(4)整個捆扎鋼筋結(jié)點(diǎn)過程完成，準(zhǔn)備下次任務(wù)觸發(fā)。程序流程圖如圖3所示。

鋼筋捆扎機(jī)產(chǎn)品的型號各異，根據(jù)捆扎最大范圍主要分為20 mm、40 mm、60 mm等幾個型號，其中以捆扎范圍約40 mm的型號最受市場歡迎。在國內(nèi)，60 mm型號生產(chǎn)企業(yè)很少，大部分企業(yè)以生產(chǎn)中小型號的產(chǎn)品為主。產(chǎn)品技術(shù)性能如下：(1)操作方便簡單，提高工人操作的安全系數(shù)。(2)捆扎速度快 (約為人力操作的 3～4倍)，捆扎時間短(一個結(jié)捆扎 只 需 0.8 s～1.2 s)。 (3)重量輕 (只有 2.5 kg左右)，外觀精巧。(4)電池容量高(可連續(xù)捆扎 1 000個結(jié)以上)，充電時間短(約 1 h)。 (5)兼容大小鉗口產(chǎn)品。(6)自動安全保護(hù)。包括鉗口異常、送絲齒輪卡死、送絲長度不夠、送絲馬達(dá)卡死、送絲線盤轉(zhuǎn)動異常、主軸卡死或過載、電池電壓過低、系統(tǒng)工作溫度過高等。(7)扎緊力度自動控制,也可手動調(diào)節(jié)控制。(8)送絲長度可控。(9)能耐高溫、高強(qiáng)度長時間工作。

圖3 軟件流程圖

鋼筋捆扎機(jī)由外殼、拉桿、控制絲杠、傳動系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)、切絲系統(tǒng)、擰絲系統(tǒng)和復(fù)位系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)是一種供鋼筋捆扎用的手持電動工具，它把簡單的手工推拉運(yùn)動自動連貫地轉(zhuǎn)化為鋼筋捆扎所需的一系列動作，具有捆扎效率高、捆扎質(zhì)量好、節(jié)省材料、體積小、成本低、使用靈活高效、適應(yīng)場合廣泛等特點(diǎn)，市場前景很好。

[1]智研咨詢集團(tuán).2012-2016年中國電動工具市場研究及未來發(fā)展趨勢報(bào)告[R].北京：慧典市場研究報(bào)告網(wǎng)，2012.

[2]慧典市場研究報(bào)告.2010-2015年中國鋼筋捆扎機(jī)市場調(diào)查研究及投資前景分析預(yù)測報(bào)告[R].北京：慧典市場研究報(bào)告網(wǎng),2012.

[3]MAX Co.Ltd.鋼筋捆扎機(jī)[EB/OL](2012-xx-xx)[2013--02-25].http：//www.max-ltd.co.jp.

[4]寧波九威實(shí)業(yè)有限公司.產(chǎn)品展示[EB/OL].(2012-xxxx)[2013-02-25].http：//www.kowytools.com.

[5]臺州市新大陸電子科技有限公司.產(chǎn)品展示[EB/OL].(2012-xx-xx)[2013-02-25].http：//www.xdldz.com.

[6]板垣修.鋼筋捆扎機(jī)的鋼絲卷筒的制動單元：日本,CN102556393A[P].2012-07.

[7]草刈一郎,笠原章.鋼筋捆束機(jī)：日本,CN102322150A[P].2012-07.

[8]中川康.鋼絲卷筒、鋼筋捆扎機(jī)及鋼筋捆扎機(jī)的操作方法：日本,CN102133933A[P].2011-07.