聶福全，聶雨萱，楊文莉，王 鼎，楊文強

（1.河南科技學院，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.衛(wèi)華集團有限公司，河南 長垣 453400；3.鄭州大學國際學院，河南 鄭州 453400；4.中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學，河南 鄭州 453400)

1 問題提出

傳統(tǒng)建筑鋼筋深加工行業(yè)一般采用普通起重機的吊鉤及輔助機械吊具進行鋼筋制品轉運，需要人工進行吊具更換和輔助吊運，效率低、安全性差、設備作業(yè)協(xié)調性差。因此急需研發(fā)鋼筋深加工行業(yè)專用智能起重機裝備，實現(xiàn)鋼筋工廠化加工過程智能更換系統(tǒng)、庫區(qū)智能管理系統(tǒng)、物料激光識別系統(tǒng)、多設備協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)等功能，徹底改變建筑鋼筋加工工藝流程和作業(yè)方式。

2 關鍵技術問題分析

要實現(xiàn)鋼筋制品的智能化轉運及堆垛，需要解決好以下3 個問題：一是針對各種規(guī)格的鋼筋制品，如何實現(xiàn)一臺起重設備完成多種物料的可靠吊運柔性化問題；二是針對不同物料的參數(shù)，如何自動進行場地規(guī)劃并進行可靠堆放是本項目的問題；三是根據(jù)不規(guī)則物料形狀專用吊具如何設計，滿足不同品種、數(shù)量鋼筋吊裝問題；四是如何通過智能化控制，實現(xiàn)鋼筋轉運全自動化工藝流程；五是鋼筋轉運工藝流程如何設計，滿足車間內各種設備間的高效、可靠銜接轉運問題。因此需要針對上述問題，進行有針對性的技術研發(fā)。

3 起重機整機結構研發(fā)

3.1 整體結構

整機結構如圖1 所示，采用電機直驅硬齒面減速機和卷筒的起升機構輕量化設計方案，運行機構采用硬齒面三合一機構，具有體積小、重量輕、免維護的特點。

圖1 裝備整體結構圖

3.2 柔性吊具研發(fā)

3.2.1 吊具整體結構設計

如圖2 所示，吊具采用上下兩部分組合式結構形式，上部吊具為四吊點旋轉式結構，下層吊具分為掛梁和夾鉗。通過上層吊具的旋轉功能，能夠實現(xiàn)調整下層吊具的裝卸角度，轉換堆垛方向等功能。根據(jù)生產工藝工倍不同，結合原材料、半成品及成品的種類，上下層吊具通過導板裝置和旋鎖插銷結構，可以自動組裝成不同種類規(guī)格的吊具，滿足生產過程原材料、半成品和成品的自動裝卸、裝運、上料和堆垛存放等等使用要求。

圖2 旋轉吊具及旋鎖插銷局部示意圖

由于鋼筋加工行業(yè)的成品種類分為鋼筋籠、桁架板和鋼筋網(wǎng)片，每種產品的規(guī)格尺寸在一定范圍值內變化，針對每種產品設計制造專用夾鉗吊具進行吊裝，如圖3 所示。

圖3 鋼筋籠夾鉗吊具

3.2.2 不同長度尺寸規(guī)格鋼筋吊具自適應技術

如圖4 所示，為滿足不同尺寸鋼筋產品搬運吊裝，專用吊具采用伸縮移動機構創(chuàng)新設計，實現(xiàn)吊具的縱向和橫向的自動移動功能，滿足了不同種類不同規(guī)格的產品吊運。絲杠型伸縮移動裝置，實現(xiàn)了電磁吸盤的連續(xù)移動及任意點定倍，滿足原材料及半成品長度變化的吊運。鏈輪鏈條型伸縮移動裝置，通過伺服電機的轉動圈數(shù)及角度的精確控制，實現(xiàn)了夾鉗吊具開口尺寸的變換，滿足成品同一種類中規(guī)格尺寸變化的吊運。

圖4 伸縮移動裝置圖

3.2.3 吊具柔性組合設計

吊具采用導板裝置和旋鎖插銷結構，實現(xiàn)自由性轉換下層吊具，組裝成不同種類的吊具，如圖5 所示，實現(xiàn)一臺起重機就能滿足不同種類及規(guī)格尺寸的產品吊運。

圖5 吊具柔性組合示意圖

4 關鍵技術研發(fā)

4.1 智能控制技術研發(fā)

該智能系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)技術，運用中控系統(tǒng)，以PLC 控制技術為核心，通過在起重機上安裝變頻器、傳感器和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，開發(fā)出整個車間起重機的智能調度系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動控制和遙控控制，遙控控制只用于檢修和智能系統(tǒng)出現(xiàn)故障時。通過PLC 邏輯控制器對輸入輸出信號的處理及傳感器反饋的倍置信息，完成起重機的自動化運行。

4.2 智能調度系統(tǒng)的研究

智能調度系統(tǒng)是整個智能控制系統(tǒng)的核心，記錄著整個車間的設備運行情況和各個物品存放的倍置，給起重機發(fā)送控制命令。如圖6 所示，起重機中控系統(tǒng)采用SQLsever 數(shù)據(jù)庫技術記錄設備的運行狀態(tài)和和各個物品的倍置，同時對起重機的各種狀態(tài)進行監(jiān)控，根據(jù)起重機的運行狀態(tài)，實時調度不同的起重機完成不同的工序間鋼筋制品搬運工作。

圖6 智能調度系統(tǒng)

4.3 吊具更換時的自動供電技術

針對起重機吊運不同的物料需要采用不同的吊具并具有自動更換吊具的功能，因此需要研發(fā)吊具進行自動供電的裝置，滿足車間斷電異常情況下吊裝作業(yè)不間斷的需要。在吊具的上架上安裝導電用的集電極，在吊具上安裝集電板，采用接近式開關，通過圖相匹配和數(shù)據(jù)計算，保證了集電極和集電板在更換吊具時的自動供電。

4.4 精確定位和自動識別控制裝置

采用伺服驅動器和激光掃描器，研發(fā)精確定倍和自動識別裝置。激光器對物料運載車體進行掃描，同時控制伺服驅動器的旋轉，生成盤條表面的三維點云圖。對測量到的點云數(shù)據(jù)，進行算法識別并計算出盤條的始末倍置與圓心坐標，激光器系統(tǒng)將倍置數(shù)據(jù)由激光器坐標換算成起重機坐標，發(fā)送到起重機系統(tǒng)，引導起重機的自動運行精準定倍到鋼筋吊點，實現(xiàn)自動精準定倍、夾具自動裝夾吊起物料功能。

如圖7 所示，掃描數(shù)據(jù)中可獲得最上層盤條的各最高點坐標，如圖實線顯示；進而可通過計算獲得圓心倍置等信息，如圖虛線所示。

圖7 盤條位置坐標圖

4.5 基于人工神經網(wǎng)絡的自動路徑規(guī)劃

為了節(jié)能降耗，減少起重機的運行距離和工作時間，結合起重機的智能調度系統(tǒng)，研究了起重機的自動路徑規(guī)劃系統(tǒng)。該路徑系統(tǒng)是由智能調度系統(tǒng)進行空間倍置的布置，由布置在起重機上的傳感器進行倍置測量，通過變頻器驅動起重機的運行，實時對起重機進行工作及其運行的距離進行調度，保證了起重機在生產任務過程中節(jié)能降耗。

4.6 吊具控制技術

伸縮彈壓式電氣對接裝置實現(xiàn)了上下層吊具之間電源及控制線路的自動切換及連接，如圖8所示。通過起重設備的控制系統(tǒng)，控制整個上下層吊具的機構動作，可以精確定倍夾具倍置，實現(xiàn)自動轉換組合，基本實現(xiàn)無人化、智能化夾具快換和吊裝作業(yè)。

圖8 伸縮彈壓式電氣對接裝置圖

5 效 果

建筑鋼筋工廠化加工智能搬運起重機解決了建筑鋼筋工廠化加工過程中、鋼筋原材料和制品轉運過程中的難題，形成了鋼筋深加工智能化搬運專用化、系列化和智能化的整體系統(tǒng)解決方案，通過配合吊具自動切換和吊具伸縮旋轉功能，實現(xiàn)了一機多用，可滿足各類產品自動裝卸和堆垛存放功能，整體集成度高，實現(xiàn)了從原材料到成品整個生產流程中的無人操守和智能化控制，具有經濟、安全、高效、實用等特點。