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(jì)顧問(wèn)有限公司，上海 200333）

0 引言

《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》目標(biāo)要求到2025年，我國(guó)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(tái)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(dòng)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(hù)效應(yīng)顯著。推動(dòng)形成一批智能建造龍頭企業(yè)，引領(lǐng)并帶動(dòng)廣大中小企業(yè)向智能建造轉(zhuǎn)型升級(jí)，打造“中國(guó)建造”升級(jí)版。

到2035年，我國(guó)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展取得顯著進(jìn)展，企業(yè)創(chuàng)新能力大幅提升，產(chǎn)業(yè)整體優(yōu)勢(shì)明顯增強(qiáng)，“中國(guó)建造”核心競(jìng)爭(zhēng)力世界領(lǐng)先，建筑工業(yè)化全面實(shí)現(xiàn)，邁入智能建造世界強(qiáng)國(guó)行列[1]。

當(dāng)前我國(guó)建筑業(yè)正向工業(yè)化、智能化改造升級(jí)，以機(jī)器代人、減少人工，是對(duì)建筑業(yè)發(fā)展的要求和必然趨勢(shì)；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(duì)疊合板生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，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(wú)法滿(mǎn)足自動(dòng)化布模要求、工廠無(wú)建立信息化管理系統(tǒng)。針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行研究分析，并提出具體解決方案。

1 研究?jī)?nèi)容

1）模具標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

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(shí)現(xiàn)疊合板布模工序智能化。

2）實(shí)現(xiàn)機(jī)器代人、減少人工。

3 規(guī)劃方案

通過(guò)模具標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用，建立標(biāo)準(zhǔn)化模具庫(kù)；建立智能化MES，其通過(guò)一定算法能具有智能化布模、排摸功能，具有對(duì)模具庫(kù)信息化倉(cāng)儲(chǔ)管理的功能；且MES能與桁架機(jī)器人控制系統(tǒng)、輸送機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)、RFID無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行信息互通、實(shí)時(shí)有效控制；在疊合板生產(chǎn)過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)模具抓取、輸送及入庫(kù)，模具出庫(kù)、輸送及布模智能化。

3.1 模具標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中疊合板模具也不具有通用性，無(wú)法重復(fù)使用；一種規(guī)格疊合板需制作一套對(duì)應(yīng)模具，成本較高，也無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)自動(dòng)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(jì)

針對(duì)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(guò)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(guò)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(tái)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(zhǎng)度模具組合成不同長(zhǎng)寬規(guī)格，滿(mǎn)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?！胖娩摻罹W(wǎng)片→布置頂?！舷聦舆B接→壓制磁盒。

3）模具標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度模數(shù)規(guī)劃 以標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為模數(shù)，通過(guò)單邊模具組合不超過(guò)2種類(lèi)以滿(mǎn)足不同規(guī)格疊合板生產(chǎn)的需求。模具的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)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(xiàng)目為例，以圖5為基準(zhǔn)，疊合板尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)度模數(shù)。

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

表1 疊合板尺寸統(tǒng)計(jì)

由此可看出，該項(xiàng)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(zhǎng)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(xiàng)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(guò)2根模具組合而成的原則，規(guī)劃模具標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為2，3，4m三種規(guī)格，可滿(mǎn)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(kù)

該項(xiàng)目單樓層疊合板數(shù)量為51塊，由此而得，該項(xiàng)目需要建立標(biāo)準(zhǔn)模具庫(kù)數(shù)量至少如下：標(biāo)準(zhǔn)模具長(zhǎng)2m為72根；標(biāo)準(zhǔn)模具長(zhǎng)3m為66根；標(biāo)準(zhǔn)模具長(zhǎng)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(kù)為存儲(chǔ)核心，輸送機(jī)為模具傳輸手段，終端操作采用桁架機(jī)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(jìn)行模具的抓取、輸送、入庫(kù)及出庫(kù)、輸送、布模等過(guò)程，如圖6所示。

圖6 布模工序工藝

1）模臺(tái)流程 脫模→構(gòu)件吊運(yùn)→模具回收→模臺(tái)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(dòng)→預(yù)養(yǎng)護(hù)→拉毛→養(yǎng)護(hù)→脫模。

2）模具入庫(kù)流程 底?；厥铡斔停ㄇ謇恚霂?kù)（或布置底模）→頂?；厥铡斔停ㄇ謇恚霂?kù)（或布置頂模）。

3）模具出庫(kù)流程 底模取出→布置底?！斈Ｈ〕觥斔汀贾庙斈?。

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化模具庫(kù)

以疊合板模具為存儲(chǔ)對(duì)象，平面分成6個(gè)存放區(qū)域，平鋪、分別存放各種類(lèi)模，如圖7所示；標(biāo)準(zhǔn)化模具分為底層和頂層模具兩類(lèi)，長(zhǎng)度分別為2，3，4m。以桁架機(jī)器人坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，其范圍內(nèi)規(guī)劃定出每個(gè)模具存放位置及對(duì)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(guò)程中對(duì)于輸送機(jī)傳送過(guò)來(lái)的模具，可不需入庫(kù)直接布模，提高效率。

圖7 模具庫(kù)

3.3.3 輸送機(jī)

輸送機(jī)是連接作業(yè)區(qū)（模具回收和布模）與存儲(chǔ)區(qū)（模具庫(kù)）之間的通道和橋梁，可以采用滾筒輸送機(jī)，輸送重量較大，承受較大的沖擊荷載；在輸送過(guò)程中設(shè)置模具清理機(jī)，對(duì)收集入庫(kù)的模具進(jìn)行清理。

3.3.4 桁架機(jī)器人

桁架機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個(gè)基本部分組成，具有空間上相互獨(dú)立垂直的3個(gè)移動(dòng)軸，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人x、y、z三個(gè)方向調(diào)整手臂的空間位置（手臂的升降和伸縮動(dòng)作）[2]；通過(guò)桁架機(jī)器人控制系統(tǒng)和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)模具的自動(dòng)抓取、移動(dòng)、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(xiě)，是制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)，是直接面向生產(chǎn)車(chē)間、屬于執(zhí)行層的信息化管理系統(tǒng)，因此對(duì)比ERP系統(tǒng)，能更有針對(duì)性地進(jìn)行生產(chǎn)管理。在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)管理過(guò)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(gè)過(guò)程[3-4]。

MES貫穿于生產(chǎn)制造工序的每個(gè)環(huán)節(jié)，采集數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)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(shí)時(shí)控制；在智能化布模過(guò)程中對(duì)MES的要求如下。

1）智能布模 以標(biāo)準(zhǔn)模具長(zhǎng)度（2，3，4m）為基準(zhǔn)，對(duì)于計(jì)劃生產(chǎn)的疊合板產(chǎn)品，通過(guò)一定算法得出任何一邊采用模具以根數(shù)最少、長(zhǎng)度最短的組合（且單邊組合模具根數(shù)不大于2根）來(lái)滿(mǎn)足其生產(chǎn)所需。因此產(chǎn)品規(guī)格確定后，通過(guò)算法確定了配置的模具種類(lèi)、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(tái)面積。

2）智能排模 對(duì)于計(jì)劃生產(chǎn)的疊合板產(chǎn)品，通過(guò)智能布模算法后，可得出每個(gè)產(chǎn)品所需標(biāo)準(zhǔn)模具種類(lèi)、組合位置及所需模臺(tái)面積；對(duì)于計(jì)劃生產(chǎn)的每塊疊合板產(chǎn)品作為一個(gè)基本單元，以生產(chǎn)線所用模臺(tái)范圍建立相對(duì)平面坐標(biāo)系，排模算法原則在每個(gè)模臺(tái)范圍內(nèi)布置最多生產(chǎn)單元，排模完成后確定了每個(gè)生產(chǎn)單元在模臺(tái)上的位置，也就確定每個(gè)生產(chǎn)單元對(duì)應(yīng)的組合模具的相對(duì)坐標(biāo)位置及坐標(biāo)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖8）。

圖8 布模定位坐標(biāo)

3）智能倉(cāng)儲(chǔ) 具有模具可視化分區(qū)管理，按模具種類(lèi)（底模、底模）及其長(zhǎng)度分成6個(gè)區(qū)域；與桁架機(jī)器人控制系統(tǒng)互通且實(shí)時(shí)有效控制，對(duì)模具入庫(kù)、出庫(kù)、庫(kù)存等進(jìn)行有效管理。

3.4.2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

用計(jì)算機(jī)模擬人的視覺(jué)功能從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制。典型的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)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(jī)械控制執(zhí)行模塊。首先，采用CCD攝像機(jī)或其他圖像拍攝裝置將目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，然后轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)傳送給專(zhuān)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(jìn)行各種運(yùn)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(guò)程中，構(gòu)件脫模、吊走后，模具隨機(jī)平放在模臺(tái)上，模臺(tái)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(tái)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(jī)器人控制系統(tǒng)，并啟動(dòng)模臺(tái)上方設(shè)置的工業(yè)照相機(jī)進(jìn)行拍攝，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行分析處理得出模具的種類(lèi)（底模、頂模）、長(zhǎng)度及位置坐標(biāo)，并把數(shù)據(jù)提供給桁架機(jī)器人控制系統(tǒng)，機(jī)器手運(yùn)行到位并進(jìn)行抓取、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，分類(lèi)把模具放入底模和頂模輸送槽內(nèi)，進(jìn)行傳送、清理、入庫(kù)或布模。

3.4.3 RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)

RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)是利用無(wú)線電波對(duì)記錄媒體進(jìn)行讀寫(xiě)，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(guò)一定的頻率，能夠?qū)π酒膬?nèi)容進(jìn)行存儲(chǔ)和讀寫(xiě)操作，并能夠同時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別多個(gè)目標(biāo)。它通過(guò)識(shí)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(hù)設(shè)定的密碼和芯片制造商提供的序列號(hào)，通過(guò)算法生成一個(gè)絕對(duì)唯一的六位識(shí)別碼保證每個(gè)標(biāo)簽的唯一性[6]。

在疊合板生產(chǎn)過(guò)程中，采用RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，結(jié)合MES自動(dòng)生成FRID識(shí)別的電子標(biāo)簽對(duì)每個(gè)模臺(tái)進(jìn)行標(biāo)識(shí)；模臺(tái)在各工位間流水移動(dòng)，當(dāng)模臺(tái)進(jìn)入既定工位鎖定后，該工位有接收模臺(tái)信息的接收器，接收器收到信息后把模臺(tái)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(jī)和桁架機(jī)器人的控制系統(tǒng)，進(jìn)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(shí)現(xiàn)疊合板布模自動(dòng)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(duì)于PC工廠而言需要的是全工序的高效自動(dòng)化的生產(chǎn)線，對(duì)于脫模、清理、布模、布筋、布料、養(yǎng)護(hù)等工序都需要通過(guò)軟件的開(kāi)發(fā)與硬件的提升相結(jié)合以逐步實(shí)現(xiàn)智能化的升級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器代人、提高效率及產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)疊合板布模工序智能化的研究分析，介紹智能化布模實(shí)施的解決方案，可實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)以機(jī)器代人、減少人工的智能化升級(jí)，并促進(jìn)我國(guó)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(duì)配套的智能化技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累相對(duì)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(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。