基于BIM和机器人的H型钢...能自动化生产线关键技术研究_徐能彬.pdf

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1，许友武2，姚谏2，冷新中1，林贤彬1，胡启煜2（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）摘要：立足建筑工业化和智能制造的大背景，以 BIM 技术和机器人技术作为支撑，研发了一套 H 型钢智能生产线，该生产线由“清割岛”系统、“组校焊”系统和智能加工中心组成，由工业机器人通过各个单元的整体协调完成 H型钢的生产过程。同时基于 BIM 数据开发相应的数据处理和智能管理系统，确保设计、生产和管理的全程互通，实现真正的智能自动化。该智能生产线已建成投产，产品合格率达 100%，产能较传统生产线大幅提升。H 型钢智能生产线的建成投产，为建筑工业化和智能制造在建筑行业的实施积累了经验。关键词：BIMH 型钢自动化智能制造中图分类号：TU741.3文献标识码：A文章编号：2095-0748（2023）01-0078-04引言近年来，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。1智能生产线下页图 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，完成零部件的定位收稿日期：2022-05-05第一作者简介：徐能彬（1985），男，浙江天台人，本科，毕业于河北工程大学，高级工程师，从事钢结构的制造和施工管理等工作。总第 223 期2023 年第 1 期现代工业经济和信息化Modern Industrial Economyand InformationizationTotal 223No.1，2023DOI:10.16525/ki.14-1362/n.2023.01.029技术创新2023 年第 1 期图 5智能生产线架构图图 4智能加工中心图 3“组焊校”系统图 2“清割岛”系统图 1智能生产线组装，形成装配式钢结构构件。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。2关键技术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）。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。2.2BIM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设计层清割岛系统组焊校系统智能加工中心设备层边缘计算与数字孪生系统钢结构制造智能管理平台管理层钢构件数据处理系统系统智能加工数据生成软件钢结构深化设计数据徐能彬，许友武，姚谏，等：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79现代工业经济和信息化第 13 卷图 9钢结构制造智能管理平台图 8钢构件数据处理系统图 7BIM信息传递管理技术架构图 6智能生产线与传统生产线对比计图纸转成二维 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。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。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。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。不具备产品信息化、设备自动化、工艺数字化、生产柔性化、过程可视化、信息集成化、管理精益化产线特点人工为主、设备和工具为辅，信息化、自动化、数字化程度低连续生产产线模式间歇生产9 人产线工人18 人产品合格率高，加工精度高，返工少加工质量合格1 h构件平均生产时间23 h高生产效率低约 2.4 万 t年产能约 0.8 万 t3%材料耗损率4%5%整洁工作环境不理想全过程仿真模拟生产过程仿真不具备边缘计算与机器视觉生产过程监控与评估钢结构深化设计 BIM模型边缘计算与数字孪生系统钢结构制造智能管理平台钢构件数据处理系统机器人离线编程软件加工数据生成软件钢结构制造智能管理平台钢构件深化设计端工程目录工程数据文件数据文件准备工程数据入库工程数据提取长度整合H 型钢传统线加工构件H 型钢智能线加工队列H 型钢加工队列（小于 6 m）非 H 型钢构件列构件总信息钢板排布开板数据余料明细整版汇总尾料明细上板数据流加工件数据流智能线排产数据导出802023 年第 1 期图 10数字孪生系统3工程应用该智能生产线已与 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 23 倍。4结语随着“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。参考文献1袁文静，付哲斌，杨光，等.供给侧结构性改革下钢铁企业的财务状况研究以马鞍山钢铁股份有限公司为例J.山西农经，2020（5）：150-151.2张莉.解读 中国制造 2025 J.今日中国，2015，64（7）：58-61.3张德修.中建钢构