劉明輝1,賈麗暉1,李劍峰2,甄瑞斌1,王 瀟1,張紅宇3

(1.武漢鋼鐵有限公司 質量檢驗中心,武漢 430083;2.上海申力試驗機有限公司,上海 201411; 3.江蘇沙鋼集團有限公司 理化檢驗中心,張家港 215625) 

摘 要:介紹了一種熱軋帶肋鋼筋的全自動檢測技術,該技術集成了質量偏差測試儀、拉伸試驗 機、六軸機器人、彎曲試驗機、反向彎曲試驗機、試樣架等設備,并優化了各設備的布局,設備均可鏈 接實驗室管理系統,順利實現了熱軋帶肋鋼筋的質量偏差、室溫拉伸試驗、彎曲試驗、反向彎曲試驗 等的集成自動化。

關鍵詞:熱軋帶肋鋼筋;視頻引伸計;全自動檢測 中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)10-0017-04

鋼筋混凝土結構在橋梁、海洋平臺、房屋建筑等 現代工程建造中應用極其廣泛。混凝土的抗壓能力 強,但抗拉能力弱,而鋼筋是鋼筋混凝土建筑構件的 骨架,在混凝土中主要承受拉應力,具有非常高的抗 拉強度;鋼筋和混凝土的線膨脹系數相似,因而不會 由于環境因素而產生過大的應力;此外,鋼筋和混凝 土之間具有良好的黏結力。 近年來,高 端 控 制 器、視 頻 引 伸 計、工 業 機 器 人等領域的 飛 速 發 展,也 為 實 驗 室 實 現 鋼 筋 自 動 化檢測提供了可靠的工業技術保障。筆者結合相 關國家標準,對 實 現 鋼 筋 自 動 化 檢 測 的 案 例 進 行 了介紹。

1 鋼筋檢測標準及要求

鋼筋對建筑安全、使用壽命、綠色節能等方面的 影響巨大。為了保障建筑工程的質量和安全,國際上 制定了一系列鋼筋產品標準,對鋼筋的材料性能檢測 進行了詳細的定義和要求,主要包括拉伸試驗、彎曲 試驗以及疲勞試驗等。國內對鋼筋的生產、使用和質 量檢測的控制標準現行版本為 GB/T1499.2—2018 《鋼筋混凝土用鋼 第2部分:熱軋帶肋鋼筋》,其中第 8章規定了鋼筋混凝土用鋼材性能檢測項目、數量和 試驗方法(見表1)。另外,標準 GB/T1499.2—2018 規定,鋼筋的顯微組織應主要是鐵素體+珠光體,不 應出現回火馬氏體組織,如供方能保證可不進行檢 驗,而僅在原料、生產工藝、設備有重大變化及新產 品生產時才對鋼筋的疲勞性能、晶粒度、連接性能進 行檢驗,則不進行日常生產性檢驗。

由中國住房和城鄉建設部發布的 《混凝土結構 工程施工質量驗收規范》中,多條為強制性條文,必 須嚴格執行。根據該規范第5.2.1條規定:鋼筋進 場時,應按國家現行相關標準的規定抽取試樣進行 拉伸、彎曲、反向彎曲等力學性能和質量偏差檢驗, 檢驗結果必須符合有關標準的規定,檢驗數量按進 場的批次和產品的抽樣檢驗方案確定。 由以上標準、規范中的相關規定可知:對于日常 生產檢驗,鋼筋主要檢測項目為室溫拉伸、彎曲、反 向彎曲、質量偏差等4個檢測項目。 2 熱軋帶肋鋼筋檢測中的全自動檢測技術 鋼筋室溫拉伸、彎曲、反向彎曲、質量偏差 檢測項目的試樣直徑規格相對固定,外形尺寸 4 不 個 需 要機加工,而且相對復雜的室溫拉伸試驗已經實現 了自動檢測,這為4個項目集成后的鋼筋全流程自 動化檢測奠定了基礎。同時,由于質量偏差測量需 要5個試樣,且屬于非破壞性試驗,因此質量偏差測 量后的5 個 試 樣 可 繼 續 應 用 于 其 他 項 目 的 檢 驗, 2個用于室溫拉伸試驗,2個用于彎曲試驗,1個用 于反向彎曲試驗。因此,鋼筋全流程自動化檢測的 設計思路為:每批待檢試樣取5個,由六軸機器人連 接各試驗儀器,并流轉各工序試樣;首先進行質量偏 差測量,再對質量偏差測量完成后的5個試樣進行 自動化分配,分別進行室溫拉伸、彎曲、反向彎曲試 驗,完成鋼筋的全流程自動化檢測。 2.1 質量偏差測量自動化 采用鋼筋質量偏差稱重測長儀(見圖1)測量鋼 筋的質量偏差,案例中鋼筋質量偏差稱重測長儀結 構為:5個試樣水平支架,每個支架下方配置質量傳 感器,六軸機器人將試樣放置于支架上后,傳感器自 動感應試樣的質量,同時每個支架采用端部定位方 式,一端為試樣長度測量的零點,另一端為氣缸帶動 的高精度測量尺,試樣放置于支架上后,氣缸帶動測 量尺運動并夾緊試樣,從而自動測量試樣長度。長 度和質量測量結果通過 計算后,自動轉換為鋼筋 P 質 LC 量 ( 偏 可 差 編 測 程 量 邏 結 輯 果 控 。 制 為 器 提 ) 高設備精度,減少全流程人為干擾因素,鋼筋質量偏 差稱重測長儀配備了質量控制試樣(以下簡稱質控 試樣),可通過實驗程序設置質控試樣的自動檢測頻 次,六軸機器人自動抓取質控試樣,對稱重測長儀顯 示的質量、長度兩個關鍵指標進行核驗,如果超出設 置偏差,可自動報警,并根據設置進行校準。

2.2 拉伸試驗自動化 

鋼筋質量偏差測量試驗完成后,機器人將其中 2個試樣轉運至拉伸試驗機工位,拉伸試驗機根據 鋼筋質量偏差測量儀測出的試樣長度調整上、下橫 梁間距,開始拉伸試驗。 目前,鋼筋檢測領域用電子萬能試驗機配備六 軸機器人和機械接觸式引伸計,實現了鋼筋拉伸性 能全自動檢測[1]。該模式的主要缺點在于機械接觸 式引伸計的使用,由于鋼筋在拉伸斷裂的過程中產 生較大振動,特別是鋼筋表面帶有橫肋,振動時對機 械接觸式引伸計影響較大,鋼筋表面的氧化鐵受到 振動而脫離基體,變成細小的粉塵彌漫在空氣中,并 附著在機械接觸式引伸計的各個傳動裝置表面,嚴 重影響引伸計的精度,以上原因造成的機械接觸式 引伸計的故障率特別高。除此之外,試樣拉斷后,斷 裂位置具有隨機性,而接觸式引伸計與試樣的接觸 位置相對固定,如果試樣斷裂位置處于引伸計標距 以內,且靠近引伸計與試樣的接觸點,甚至處于引伸 計標距以外,則會造成試樣的形變指標測量結果誤 差較大,尤其對于棒材試樣,這一問題尤其突出。 針對機械接觸式引伸計在鋼筋拉伸試驗中故障 率高、誤差較大的問題,以下案例基于數字圖像相關 (DIC)原理,利用視頻引伸計,對不同直徑的帶肋鋼 筋標距進行標定,應用特定的電荷耦合元件(CCD) 圖像化、數字化成像技術,拍攝鋼筋在拉伸試驗過程中各標定點的變形范圍,并將被測試樣所發生的位 置變化等關聯,由此可見,無論試樣斷裂于何處,視 頻引伸計都可通過分析圖像軟件來優化標距選擇范 圍,使試樣斷裂點始終處于測量標距的合適位置,進 而測量出試樣拉伸過程中所發生的應變與位移,視頻 引伸計跟蹤鋼筋表面特征點示例如圖2所示[2]。經 過測試比對,視頻引伸計完全滿足鋼筋塑性指標測量 的要求。 

為確認采用視頻引伸計后全自動拉伸試驗機測 量結果的精度,使用測量鋼筋標準試樣和不同試驗 機比對兩種方式確認拉伸試驗結果,鋼筋標準試樣 測量結果如表2所示。

下屈服強度的最大偏差為2 MPa,滿足標準試 樣允許偏差±20 MPa的要求;屈服強度的最大偏 差為4MPa,滿足標準試樣允許偏差±15MPa的要 求;斷后伸長率的最大誤差為-0.5%,滿足標準試 樣允許誤差±2%的要求。 在40個熱軋鋼筋棒材上各連續截取2個試樣, 將80個試樣按取樣來源分2組,即每組中的40個 均來自 不 同 的 鋼 筋 棒 材。2 組 試 樣 分 別 在 MTS SHT5605型拉伸試驗機 (配 備 機 械 式 引 伸 計)和 SL1000型拉伸試驗機(配備視頻引伸計)兩臺設備 上進行比對試驗,通過配對 T 檢驗方法對兩臺拉伸 試驗機測量結果進行數據分析,結果如表3所示(表 中P 為假設檢驗概率)。 經過統計分析,兩臺拉伸試驗機的測量結果沒 有明顯差異,說明全自動拉伸試驗機配備視頻引伸 計完全滿足熱軋鋼筋棒材的檢驗需要,有效解決了棒材試樣拉伸斷裂位置隨機性較大,及采用接觸式 引伸計測量試樣斷后伸長率結果誤差較大的問題。 

2.3 彎曲試驗自動化 

在進行拉伸試驗的同時,六軸機器人將鋼筋質 量偏差測量儀上剩余的3個試樣(每批次5個試樣 中的2個已用于拉伸試驗)轉運至彎曲、反向彎曲待 檢試樣架。 彎曲試驗系統由六軸機器人、待檢試樣架、試樣 收集系統等部件組成。該系統可以一鍵自動控制或 接受上位機信號控制,自動完成六軸機器人上下料、 彎曲跨距調整、彎角控制、彎曲等試驗過程。彎曲試 驗機外觀如圖3所示。

彎曲工位采用液壓加荷與微機系統相結合的技 術,由一個垂直油缸將試樣彎曲到規定角度后,利用 主活塞的下降來實現試樣的彎曲,從而完成彎曲試 驗,再調整兩個相對的水平油缸位置,使得試樣可以 自動完成收集和取出。 受視頻自動識別技術的限制,該案例未集成彎 曲試樣結果自動判定功能,彎曲試驗完成后,試樣自 動收集在料車內,需要進行人工彎曲結果判定[3]。

2.4 反向彎曲試驗自動化 

在進行彎曲試驗的過程中,六軸機器人將待檢 試樣架上的1個試樣轉運至自動反向彎曲試驗機 (見圖4)彎曲工位上。 自動反向彎曲工位為臥式結構設計,由兩個油 缸液壓加荷,彎曲支輥由雙向絲杠帶動,支輥同步進 退以便調整支輥距離,活塞上安裝壓輥,可以進行試樣正彎和反彎試驗。PLC 控制液壓缸動作方向及 彎曲角度,一次完成正、反向的試驗過程,不僅工作 效率高,而且運行平穩。 試驗過程中,反向彎曲試驗機接收上位機下達 的試驗指令,自動計算所需要的彎心直徑和支輥跨 距。根據計算結果,左右支座自動調整到計算得出 的支輥跨距,六軸機器人自動上樣,試驗機全自動完 成試驗正向彎曲和反向彎曲兩個過程,六軸機器人 自動下樣,并將試樣放在試樣收集料車內。 與彎曲試驗過程相同,反向彎曲的試驗結果也 需要進行人工判定,未能實現反向彎曲結果的自動 化智能判定。 2.5 熱軋帶肋鋼筋常規檢測項目自動化集成 在實現熱軋帶肋鋼筋的質量偏差、室溫拉伸試 驗、彎曲試驗、反向彎曲試驗的單獨自動化檢測后,對 所有設備進行優化布局,質量偏差測試儀與拉伸試驗 機、六軸機器人組成稱重、測長、拉伸試驗系統,彎曲 試驗機、反向彎曲試驗機、六軸機器人組成彎曲、反向 彎曲檢測系統,兩個系統之間通過試樣架轉接試樣。 同時,該自動化系統可自動接收實驗室管理系統下發 的試驗指令,自動向實驗室管理系統傳輸試驗結果, 從而進一步提高該系統的自動化檢測能力。 

3 結語

(1)采用視頻引伸計自動測量熱軋帶肋鋼筋的 斷后伸長率、最大力總延伸率等塑性指標,不用給出 標距標識,不僅降低了勞動強度,還有效避免了熱軋 帶肋鋼筋在拉伸斷裂時由于振動過大造成引伸計損 壞的問題,提高了全自動測量系統運行的穩定性;同 時,視頻引伸計的使用有效解決了試樣斷裂于接觸 式引伸計標距以外,從而造成形變指標測量結果誤 差較大的問題。 (2)通過優化質量偏差測試儀與拉伸試驗機、 六軸機器人、彎曲試驗機、反向彎曲試驗機、試樣架 等設備布局,實現了熱軋帶肋鋼筋的質量偏差、室溫 拉伸試驗、彎曲試驗、反向彎曲試驗集成自動化檢測 系統。 (3)隨著檢測技術的進步,可充分利用視頻自 動識別技術,集成彎曲和反向彎曲試樣結果自動判 定系統,開展熱軋帶肋鋼筋常規檢測項目的全流程 自動化檢測與自動判定,進一步提高熱軋帶肋鋼筋 的智能檢測水平。

文章來源：材料與測試網