基于BIM和机器人的H型钢智能自动化生产线关键技术研究
徐能彬，许友武，姚 谏，冷新中，林贤彬，胡启煜
（1.浙江建工绿智钢结构有限公司，浙江 衢州 324400；
2.衢州学院建筑工程学院，浙江 衢州 324000）
近年来，钢结构由于其工厂加工构件、现场连接的施工特点与装配式建筑完美契合，且钢结构具有绿色、环保、可持续发展等优点，符合绿色建筑的要求，是建筑工业化的主要发展方向，正在国家和地方政府的支持下迅猛发展[1]。我国的钢结构产量，从2010年至今不断增加，年均增速保持在10%以上，且仍保持着快速增长的势头。
但目前钢结构的生产过程仍以人工劳动为主，加工效率、精度和自动化程度较低，而且随着我国经济的发展和国民生活水平的不断提高，愿意从事劳动强度大、工作环境差、简单重复工作的产线工人也越来越少，难以支撑钢结构行业的蓬勃发展。
在世界各国都在大力发展智能制造技术的时代潮流下，我国也越来越重视智能制造技术，国务院于2015年印发的《中国制造2025》战略规划中，大力引导我国智能制造的发展，推动智能制造领域的研究与支持，迎接我国“工业4.0时代”的到来[2]。
钢结构是与生俱来的具有智能制造基因的建筑结构产品，可以参照汽车制造行业引入工业机器人替代人工，实现生产制造的智能自动化。目前已有国内外企业探索钢结构的建筑工业化和智能化，并取得一定成效。比如奥地利之门公司开发了一套用于H型钢上装配焊接各种劲板、连接板、牛腿等的智能加工系统，该套系统是基于热轧H型钢为工件而设计，且其装备结构复杂、造价昂贵，不利于在我国推广应用。中建钢构建设了一条重型H型钢智能生产线，引入六轴工业机器人，对机器人进行深度定制设计，采用机器人离线编程、激光寻位跟踪、焊缝和坡口自适应、零配件三维定位及智能分拣等先进技术，自动完成构件的切割、搬运、焊接等核心工序[3]。该生产线将切割、搬运、焊接等核心工序进行分解，分别建立切割工位、搬运小车和焊接工作站，优势在单一加工工序有利于机器人作业实现；
但各工序分解独立，无法充分保证工序之间衔接的连续性。
为实现钢结构的智能制造，改善已有生产线的不足，浙江建工绿智钢结构有限公司基于数字化经济下的建筑工业化和建筑智能化的发展大背景，研发了基于BIM和机器人的H型钢智能自动化生产线（以下简称智能生产线）。该生产线是一套可复制、柔性的智能化生产线，适用于钢结构智能化生产的BIM信息管理技术，将BIM技术融入整个生产全过程，实现自动化的数据流转和统计分析。该生产线具有装备自动化、工艺数字化、生产柔性化、过程可视化和信息集成化的特点，可降低人工成本、加快构件生产效率、提升产品优良率、实现24 h不间断作业[4]。
下页图1所示即为智能生产线，由“清割岛”系统（下页图2）、“组焊校”系统（下页图3）和智能加工中心（下页图4）组成，“清割岛”是智能生产线的前端备料工序，包括表面处理单元、条板切割单元、桁架搬运单元和清边倒角单元，其功能是将钢板加工成后续所需的条板。“组焊校”是智能生产线的主要工序，包括进料、组立、埋弧焊、除渣、翻转、矫正和锯切等单元，通过各个单元的整体协调以完成H型钢的生产。智能加工中心是钢结构智能装配加工一体化工作站，工作站内切割机器人负责对主构件进行等离子切割，完成开锁口、割圆孔、开坡口等工作，搬运机器人负责辅板上料和自动定位，焊接机器人负责辅板焊接，伺服变位机配合三台机器人协同工作，完成零部件的定位组装，形成装配式钢结构构件。
图1 智能生产线
图2 “清割岛”系统
图3 “组焊校”系统
图4 智能加工中心
如图5所示，为确保设计、生成和管理的全程互通，实现真正的智能自动化，开发“钢构件数据处理系统”和“智能加工数据生成软件”，采集钢结构深化设计端的BIM数据，上传至“钢结构制造智能管理平台”进行归集管理；
通过“边缘计算与数字孪生系统”将管理平台上的加工数据下发至产线设备，指导整个生产线的运行；
“边缘计算与数字孪生系统”实时采集设备运行数据并呈现出设备实际运行状态，对实际运行数据分析处理，将处理后的加工数据即时下发回产线设备、并上传至“钢结构制造智能管理平台”进行归集管理；
从而实现了从设计层—管理层—设备层数据的传递、管理与交互。
图5 智能生产线架构图
2.1 智能线综合设计和设备制造技术
传统的钢构件制造，采用的是自动化或半自动的加工设备，由人工操作设备完成放样、钢板的切割、条板的转运和H型钢的组立焊接等，存在危险性大，产品质量一致性差等缺点。
针对传统钢结构生产过程的自动化程度不足，首次设计并制造了H型钢结构全工序的智能自动化生产线，整条生产线设计了全辊道线+桁架机械手的自动物流，十把割枪自动调节的高效数控切割机，机器人自动焊接系统，高柔性适应多规格构件的组立焊接变位一体化设备，双焊缝自动埋弧焊接设备。各个设备单元的定位、动作传递结合了多种传感，保证设备稳定、可靠、高效，为生产线实现高度自动化、智能化奠定设备结构和机构等硬件基础。智能生产线具有装备自动化、工艺数字化、生产柔性化、过程可视化、信息集成化的特点，可实现降低人工成本、加快构件生产效率、提升产品质量。钢结构智能生产线生产的钢构件产品，具有精度高、质量稳定、综合成本低和柔性制造的优点，与传统的钢结构产品相比，极具市场竞争力（见下页图6）。
图6 智能生产线与传统生产线对比
智能生产线设备配合钢结构制造智能管理平台，可实现从钢板到钢构件的连续自动化加工。“钢构件数据处理系统”和“建筑钢结构智能加工轨迹与指令数据生成软件”，采集钢结构深化设计端的BIM数据，上传至钢结构制造智能管理平台进行智能管理，再通过“边缘计算与数字孪生系统”将管理平台上的加工数据精准下发至产线各设备并驱动其有序工作，实现整条生产线的自动化智能化运行。
2.2 BIM信息传递管理技术
传统钢结构加工，技术人员完成深化设计后将设计图纸转成二维CAD图纸交由加工厂加工，存在数字化程度低、效率低和易出错的缺点。针对传统钢结构加工过程没有充分利用深化设计数据以及人工收集生产数据的不足，开发了建筑钢结构智能加工轨迹与指令数据生成软件（以下简称加工数据生成软件）、钢结构制造智能管理平台等软件系统，实现对钢结构BIM模型数据高效处理、管理和传递，全面打通钢结构件从设计到加工再到生产管理的数据流（见图7），改变现有生产模式，减少人工干预，提高生产效率，保证产品质量的稳定性。同时，将BIM技术融入整个生产全过程，实现自动化的数据流转、统计分析。
图7 BIM信息传递管理技术架构
2.2.1 钢构件数据处理系统
钢构件数据处理系统（见图8），可对多个工程项目的钢构件设计数据进行归并处理，提取出符合H型钢智能自动化生产线加工范围的钢构件；
对归并后的构件数据按截面和长度进行最优排产组合，并对最优排产下的条板进行下料排版，最终形成所需的构件排产数据流，为H型钢智能自动化生产线的有效运行提供数据支持。
图8 钢构件数据处理系统
2.2.2 加工数据生成软件
建筑钢结构智能加工轨迹与指令数据生成软件，用于从深化设计模型中提取机器人作业程序所需的加工数据，打通了钢结构深化设计模型与机器人离线编程软件之间的数据链，有效提高离线编程软件轨迹规划效率。
2.2.3 钢结构制造智能管理
传统钢结构加工管理粗放，一般还采用简单的excel表格来对项目订单、加工任务、工作量统计等进行管理，存在效率低、信息不及时、统计困难等缺点，管理人员无法第一时间得知加工车间的实际情况。针对上述信息化管理不足，项目研发一套契合钢结构制造智能管理、高度集成化和模块化的生产管理系统（见图9），辅助智能线的生产需求，同时将工厂内传统生产线统一管理，协同排产，将车间整体生产能力最优化，管理可视化。
图9 钢结构制造智能管理平台
2.2.4 数字孪生系统
通过Janus边缘计算平台实现了数字模型与智能产线之间的信息交互。数字孪生系统（见下页图10）实时采集设备运行数据并呈现出设备实际运行状态，并对实际运行数据的分析处理，将优化处理后的加工数据即时下发回产线设备、并上传至“钢结构制造智能管理平台”进行归集管理；
从而实现了从设计层—管理层—设备层数据的传递、管理与交互。
图10 数字孪生系统
该智能生产线已与2020年在浙西新型建筑工业化产业园龙游钢结构生产基地建成投产，并于2020年9月28日成功生成首根H型钢。目前，该智能生产线具备日产40 t（8 h）H型钢的能力，所生产的H型钢全部符合要求，合格率达100%。该生产线操作人员为8人，平均50 min内可以生成出一根12 m长的H型钢，约为传统生产线的2～3倍。
随着“工业4.0”时代的到来，智能制造将应用于建筑工程领域，尤其是装配式钢结构建筑。BIM技术作为现在建筑工程领域中不可或缺的关键技术，配合工业机器人，在钢结构智能制造上大有可为。
本文研发的智能生产线，可实现钢结构产品加工质量的提高、加工效率的提升，同时还能大大压缩成本。整条智能生产线的设计和应用，对实际钢结构工程具有重要的指导意义。
猜你喜欢型钢生产线钢结构顶推滑移法在钢结构桥梁施工中的应用建材发展导向(2022年14期)2022-08-19钢结构防火设计规范及要点探讨建材发展导向(2022年14期)2022-08-19首件钢结构构件确认机制在钢结构施工中的应用山东冶金(2022年1期)2022-04-19方便小米粥亿级生产线投入运行今日农业(2021年13期)2021-11-2616000t锻造压力机生产线将交付锻压装备与制造技术(2021年2期)2021-07-19莱钢型钢265m2烧结机高效生产实践山东冶金(2019年5期)2019-11-16莱钢低成本加铌Q345B热轧型钢的试制开发山东冶金(2019年3期)2019-07-10莱钢型钢1#～4#转炉铁合金控制系统应用山东冶金(2018年5期)2018-11-22生长在生产线上现代企业文化(2016年1期)2016-12-23Hazelett生产线熔炼工艺探讨有色金属设计(2015年2期)2015-02-28