0 引言

　　对于预制装配式混凝土构件制造工艺，生产设备功能不完备、自动化程度低，特别是模具安装、模具拆除等环节人工干预多，自动化、智能化程度低;钢筋生产设备与PC构件生产设备系统联动性差、协同性差、生产效率低成为主要弊端。机器人产业正在全球范围内加速发展，但在建筑行业特别是装配式混凝土构件生产加工领域却鲜有应用。

　　因此，本文提出一套机器人系统，通过信息化管理、智能终端及专用设备、多传感器测量等，结合关键过程、生产工艺及生产节拍的匹配设计，实现PC构件及模具组装过程的自动化功能，可与整个生产线的自动化生产及信息化管理形成联动，达到提高生产效率、降低安全风险、提升产品质量的目的。

　　1 系统总体方案

　　本PC构件生产线工业机器人系统方案，是在不改变现有PC构件生产线整体布局的基础上，通过自动化升级，新增智能物流系统、柔性装配系统、自动检测系统和信息化控制系统，形成一套服务于现有PC构件生产线的辅助系统，实现现有生产线的自动化、智能化升级。该PC构件生产线工业机器人系统主要功能为:(1)钢筋笼、模具在需求位置的信息化识别;(2)钢筋笼的全过程自动物流;(3)边模、磁盒从清理完毕至再次使用的全过程自动物流;(4)钢筋笼与边模的全过程自动化组装和在模台上的自动定位放置并自动压装磁盒;(5)钢筋笼、边模、磁盒等模具装配质量的自动检测。

　　1.1 系统总体布局

　　本PC构件生产线工业机器人系统可根据不同的生产线条件，柔性调整物流通道、设备布局;采用全数字化设计、模块化构架，为快速调整部分设备尺寸，适应多条生产线复制应用预留了条件。本方案所述的物流方式及物流设备可根据现场条件适时调整。图1以内墙板生产线为例，进行各设备布局。

　　

　　图1 内墙板生产线机器人系统布置 

　　 

　　1.2 系统组成框架

　　PC构件生产线工业机器人系统由智能物流系统、柔性装配系统、自动检测系统、信息化管理控制系统4大部分组成。

　　1.2.1 智能物流系统

　　智能物流系统由助力搬运机器人、全向智能移动机器人、自动传送装置等组成。根据不同的现场布局条件，设定好路径后，全向智能移动机器人负责边模、磁盒等的自动转运工作。自动传送装置负责成品钢筋笼的输送。整个物流过程无吊装参与，根据生产节拍全自动运行。

　　1.2.2 柔性装配系统

　　柔性装配系统由边模柔性装配机(简称“装配专机”)和磁盒压装机器人组成。其中，装配专机采用大型双臂桁架机器人实现物料搬运。双臂桁架机器人中，一个4自由度桁架机器人安装边模上料执行器，负责边模自动识别和定位;一个3自由度桁架机器人安装边模自动组装执行器，负责边模与钢筋笼的导向组装，同时完成边模与钢筋笼在模台上的固定。磁盒压装专机采用单臂3自由度桁架机器人，安装有磁盒压装执行器，完成磁盒的自动定位压装。

　　1.2.3 自动检测系统

　　整套工业机器人系统设置RFID射频识别、安全传感、激光扫描及视觉识别、接近到位检测等多种传感检测系统。

　　1)无线射频识别(RFID)技术是构件追踪和记录的常用技术。将RFID标签直接固定安装在模具上(见图2)，用于边模的信息存储和自动识别。在装配专机的边模自动上料执行器上安装射频天线，自动识别各边模信息，对应相应的钢筋笼进行准确安装。

　　

　　图2 边模上RFID标签安装 

　　 

　　2)在线监测传感器由安装在磁盒压装桁架机器人末端的激光扫描传感器、视觉摄像头、拉压力传感器、若干位置限位开关等传感器和相关软件系统组成。激光扫描传感器通过对整体装配模具的扫描，获得模具装配的形位公差，用于产品质量的控制及对比分析;视觉摄像头用于对模具装配质量进行拍照记录，为后续质量查询提供数据支持;位置限位开关用于工件及设备动作的位置检测，为控制系统提供位置信号。模具装配质量在线监测设备原理如图3所示。

　　

　　图3 模具装配质量在线监测设备原理 

　　 

　　1.2.4 信息化控制系统

　　PC构件生产线工业机器人系统建立制造信息系统数据库，对PC构件信息、钢筋笼信息、边模信息、排产计划及其之间的相互关系等进行统一的信息化管理及控制。

　　整个信息化控制系统架构如图4所示。

　　

　　图4 信息化控制系统构架 

　　 

　　2 系统主要设备方案

　　2.1 助力搬运机器人

　　助力搬运机器人主要用于现场人工流程与自动流程之间的物料转载，具体工作包括:(1)将清理完的边模移到存储台架;(2)将绑扎完的钢筋笼移到传送装置。

　　2.2 边模转运全向移动机器人

　　边模转运全向移动机器人(简称“边模转运AGV”)用于将边模从清理工位的边模存储台架自动转运至装配专机的边模供料台架。边模转运全向移动机器人具备全向自动行驶、自动升降和物料自动传送功能。边模转运全向移动机器人设计如图5所示。

　　

　　图5 边模转运全向移动机器人 

　　 

　　2.3 磁盒转运全向移动机器人

　　磁盒转运全向移动机器人(简称“磁盒转运AGV”)与边模转运全向移动机器人共用1套AGV调度管理系统和现场无线通信网络。磁盒转运AGV接收AGV调度管理系统的路径指令和任务信息执行相应物流运输任务，并将任务执行情况、机器人工作状态、电量信息、故障状态等反馈给调度管理系统。

　　磁盒转运AGV采用背负方式。该方案配置1台AGV和2套托架，可实现现场磁盒清理、转运和使用的无缝对接。AGV托起托架转运状态如图6所示。

　　

　　图6 磁盒转运AGV运输托架状态 

　　 

　　2.4 边模柔性装配机

　　边模柔性装配机(简称“装配专机”)针对生产现场工艺要求及生产节拍要求，采用标准工业机器人，搭配不同配套夹具和不同功能执行器，进行自动化设备定制开发，最大限度地提升生产自动化、装配柔性化的智能需求。装配专机设计如图7所示。

　　2.4.1 双臂桁架式机器人

　　该装配专机采用1台双臂桁架式机器人，即在同一套桁架机构上布置1套4自由度操作臂用于边模的上下料，布置1套3自由度操作臂用于边模、钢筋笼的组装以及二者组合后往模台上的定位放置。双臂桁架式机器人方案设计如图8所示。

　　

　　图7 边模装配专机 

　　 

　　

　　图8 双臂桁架式机器人设计 

　　 

　　2.4.2 边模供料台架

　　边模供料台架用于接收全向移动机器人运送来的边模，并通过辊道将边模位置修正。边模供料台架末端设有接近传感器，当边模传送到达辊道末端时，使辊道机构停止工作，同时给出边模准备好信号。

　　2.4.3 钢筋笼传输供料装置

　　钢筋笼供料台架的功能为:(1)接收来自钢筋笼传送设备(传送带)发送来的成品钢筋笼;(2)读取钢筋笼上RFID标签的信息，获得钢筋笼对应的边模型号信息;(3)修正钢筋笼姿态;(4)举升钢筋笼到指定位置;(5)临时承载配套边模。

　　钢筋笼供料台架设计如图9所示。

　　

　　图9 钢筋笼供料装置 

　　 

　　2.4.4 边模自动上料执行器

　　边模上料执行器结构设计与助力搬运机器人的卡具设计类似，不同点在于:边模上料执行器上安装RFID射频识别设备，用于读取边模上RFID标签的信息，识别出不同边模。边模上料执行器设计如图10所示。

　　2.4.5 边模自动组装执行器

　　边模自动组装执行器主要完成钢筋笼出筋向边模的导入(包括钢筋笼出筋的修形梳理)、边模的插装、边模螺钉的自动紧固。可自动根据不同的钢筋笼型号做出形状调整。边模自动组装执行器由组装执行器基体、边模固定移动机构、钢筋出筋梳齿修形机构、螺钉自动紧固机构及相应的控制系统组成。整套边模组装执行器设计如图11所示。

　　

　　图1 0 边模自动上料执行器 

　　 

　　

　　图1 1 边模自动组装执行器 

　　 

　　2.4.6 专机工作区域安全互锁防护系统

　　为保障边模装配专机工作中人员及设备安全，专门设置工作区域安全互锁防护系统，对边模、钢筋笼上料、人员侵入进行严格控制。

　　安全互锁主要包括:(1)桁架式机器人四周无物料输入的空间均设置防护围栏;(2)维修门设置闭锁传感器，未关闭状态不允许设备开机;(3)边模供料入口、钢筋笼供料入口、模台移动通道设置激光扫描防护门，对人员、异物入侵做报警和设备暂停控制;(4)对专机供气压力进行监控，对压力降低进行提前预警;(5)对装配专机的供电情况进行监控，对电源缺相、欠压、断电等情况提前预警。

　　2.5 磁盒压装固定机器人

　　磁盒压装固定机器人(简称“磁盒压装机器人”)采用单臂桁架机器人，设计开发磁盒压装执行器及相关夹具进行机器人系统集成开发。同时，在磁盒压装机器人末端安装模具装配质量在线检测设备(简称“在线检测设备”);在磁盒压装完毕后对模具整体装配质量进行形位公差的在线测量和整体模具的拍照记录。磁盒压装机器人设计如图12所示。

　　3 系统工作流程

　　PC构件生产线工业机器人系统工作流程可分为物流、装配、检测3大流程。本节将依据系统设备构成，对整套系统的工作流程进行详细分解。

　　3.1 物流流程

　　物流流程分为钢筋笼、边模、磁盒3类模块的物流，具体流程如下。

　　

　　图1 2 磁盒压装机器人 

　　 

　　1)磁盒物流清理完毕的磁盒放置在磁盒托架上，磁盒转运机器人行进至托架下方，顶起磁盒托架并运输至压装工位，将托架放下后，顶起上一次留在工位旁的托架并运输至磁盒清理工位，清理好的磁盒摆放回托架等待下一次运输。

　　2)边模物流清理过的模具放置在存储台架上，边模转运机器人顶起边模运输至装配专机的送料工位前，使用辊道将边模传送至供料台架，供料台架对边模摆放位置进行修正，转运机器人则可进行下一次循环。

　　3)钢筋笼物流绑扎完毕的钢筋笼放置在传输装置上，工人使用手持RFID读写器写入型号信息，钢筋笼传输装置将钢筋笼运输至装配专机钢筋的送料口前，装配专机自动识别RFID信息无误后，钢筋笼备用。

　　3.2 装配流程

　　装配流程分为钢筋笼与边模的组装、钢筋笼边模组合体与模台的组装(即磁盒压装)2个流程，具体流程设计如下。

　　1)钢筋笼与边模组装装配专机的钢筋笼供料装置将钢筋笼输送至辊道末端，根据钢筋笼型号调整修正器开度，最后将钢筋笼抬升至指定高度并锁定。与此同时，装配专机根据钢筋笼信息获取模具信息，安装有边模上料执行器的4自由度桁架机器人移动至模具上方识别RFID标签，抓起模具并放置在指定位置。

　　在钢筋和模具均就位后，边模组装执行器根据钢筋笼型号设定组装执行器开度，此时梳齿机构和气动扳手处于收回状态，组装执行器抓取边模后将上臂梳齿机构伸出，收回上、下两臂，将上、下边模安装到位。左、右边模的安装与上、下边模相同。

　　模具安装到位后，组装执行器调整气动扳手对准模具上的螺栓并旋紧，至此模具和钢筋笼组装完毕，只需将模具和钢筋笼抬升并放置在模台指定位置上即可。

　　2)磁盒压装流程模具和钢筋笼在模台上流转到磁盒压装工位后，磁盒压装机器人从磁盒托架上夹取磁盒并放置在模台指定位置处，压下磁盒按钮即可。

　　3.3 检测流程

　　检测流程采用磁盒压装机器人的单臂桁架机器人来完成，具体流程为:磁盒压装完毕后，磁盒压装机器人沿模台行走方向进行扫描，获取形位信息。将获取的信息与构件参数做比较，若误差在允许范围内则通过，否则便发出警报，最后对装配完成的模具和钢筋笼拍照记录。

　　4 结语

　　本工业机器人系统应用于现有PC构件生产线，具有如下优势。

　　1)效率提升以生产工艺为基础，紧密结合现场生产流程，真正有效解决目前该工序的自动化、信息化接口扩展及升级问题，提升现场生产效率，减少人工，实现精益生产。

　　2)质量保证以智能工厂的架构体系为依托，有效将信息化管理、自动化装配设备、自动化运输设备及传感器技术紧密融合，实现当前工序的高度透明化和质量实时监控，可有效监控整个生产过程，提升产品质量。

　　3)安全可靠以安全性为根本，应用多传感器融合技术，通过移动机器人行走激光安全扫描、专机机器人工作空间激光墙入侵隔离、全系统安全控制联锁等手段，实现现场设备、过程及相关人员安全可靠。

　　4)节能环保以节能环保为保障，加强现场设备的节拍匹配，从而降低系统运行功耗，同时约束生产废料产生的条件，相对于传统人工生产线，大大节省能源，对环保方面作出贡献。