分享：钢筋力学性能全自动测试系统的应用与探索

韩北方

(首钢长治钢铁有限公司,长治 046000) 

摘 要:为了全面提升钢筋的制造水平,对钢筋的生产和质量检测方法提出了更高的要求,主要 体现在以下几个方面:生产和检测系统的自动化、智能化、信息化,以及使用机器人等先进技术;开 拓高端化检测技术的发展思路;探索创新性的钢筋风动送样系统和钢筋力学性能自动化检测技术, 以满足相关的试验方法和产品标准的要求。 

关键词:钢筋;风动送样系统;力学性能测试;自动化 中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)10-0013-04

随着钢筋生产技术的不断创新及对其质量控制 的有效管理,钢筋的质量也不断提升,其高质量发展 对促进钢铁行业的转型升级意义重大。 提升和保证钢筋质量是一项非常重要的工作, 为了保障建筑工程的质量和安全,国际上制定了一 系列的钢筋检测标准,对钢筋的材料性能测试进行 了详细的定义和要求,其中涵盖了拉伸试验、弯曲试 验、重复弯曲试验以及疲劳试验等。国内对钢筋的 生产、使 用 和 质 量 检 测 一 直 有 相 关 的 控 制 标 准, GB/T1499.2—2018《钢筋混凝土用钢 第2部分: 热轧带肋钢筋》已在2018年11月1日正式实施,其 中规定了钢筋混凝土用钢材性能的检测项目和要 求[1],内容主要包括:拉伸试验(下屈服强度、抗拉强 度、断后伸长率、最大力总延伸率、屈强比等)、弯曲 试验、反向弯曲试验、轴向疲劳试验、化学分析、尺寸 测量、相对肋面积的测定、质量偏差的确定、钢筋的 金相检验方法等。该标准同时还对试样的制取、矫 直和人工时效等提出了一些具体要求。 钢筋的力学性能是衡量钢筋产品质量最重要的 指标之一,力学性能测试可以更好地为产品质量管 控提供有效支撑。根据 GB/T1499.2—2018 中的 相关条款规定,对于热轧带肋钢筋,每次测试需要送 检5根试样,以检查钢筋品质和力学性能等。各钢筋 生产企业应按国家现行相关标准的规定抽取试样进 行力学性能测试和质量偏差检验,结果必须符合有关 标准的规定,以杜绝不合格钢筋混入建筑工程中。 1 钢筋检验的现状 

某些钢铁公司坯材检验和物理测试岗位现有工 作人员不足,更不能胜任产能提升的检验任务需求,需要通过自动化、智能化方法提升检验效率,来适应 产能提升后带来的检验任务增加。 某些单位现有检验人员配置不能满足专职人员 开展品种研发检验工作的要求,导致品种开发检验 周期、检验能力不能满足和支撑品种研发要求,也需 要通过自动化、智能化等方法代替人力,分流出部分 人员从事品种开发检验和非常规检验工作。 对于盘卷产品特性,按照国标要求需要进行屈 服强度测试,但在测试过程中,由于矫直工艺差异和 人员操作差异,屈服强度测试结果的稳定性差,易造 成结果误判。 在钢厂的大生产中,需要对生产的产品进行分 析检验,并将试样送至相关的实验室进行检测和分 析,而现在的产品实验室大多设在离生产现场较远 的地方。目前,国内绝大部分实验室在不同的试样 加工工序、加工与试验工序、试样管理、残样清理等 环节,还必须通过人工进行过程流转[2]。人工输送 试样比较耗费时间,影响检验周期。 随着自动化、智能化技术的发展,自动化、智能 化技术已在力学性能测试领域广泛应用。近年来, 某些生产企业也陆续开始采用力学性能自动化检测 技术进行产品检验,避免了人为因素对测试结果的 影响,降低了产品的质量风险,大大提高了工作效 率,降低了操作人员的劳动强度[2]。 经过调研和技术交流可知,钢筋风动送样和钢 筋力学性能自动化检测技术适用于质量检验和质量 管控模式。 

2 风动送样系统 

2.1 风动送样系统的运行模式

为了快速、及时地把试样送到质量检验部门,要 探索一种快速送样系统来实现自动化。 风动送样系统在钢铁企业应用较早,目前依靠 风动送样技术来实现炉前试样的输送是一种非常成 熟的技术,用风动送样技术实现多种介质、不同规格 试样的送样功能,来解决送样不及时、检验结果反馈 慢的难题,值得业内同行探索。 需要开发能传输满足标准要求尺寸试样的正压 单管风动送样系统,用于螺纹钢试样的传输,在生产 现场各取样点与实验室之间快速传递试样和返回空 样盒。利用输送管道内一定压力的压缩空气流产生 的推力,用电气控制来推动装有试样的样盒沿输送 管道从取样现场发送到实验室,实验室拿取试样后再以同样的方式将空样盒发送回取样现场,以此实 现反复输送,最终达到使用风动送样代替人工取样 的操作。 钢筋风动送样系统包括:发送站,即生产现场或 现场取样室;接收站,即分析或实验室;输送管道、动 力源设备及电气控制部件等。现场分站和分析室总 站均设有储气罐和收发柜、输送管道,其两端分别设 置在现场分站和分析室总站的收发柜内;其中,储气 罐的输入端设有输入接口,用于输入压缩空气,其输 出端设有输出接口,收发柜内设有收发气缸,收发气 缸设置在输送管道的端口下方,用于收发试样样盒。 整套系统操作简单、安全可靠,提高了试样的传输效 率。风动送样系统如图1所示。 

2.2 风动送样系统设备说明 

正压 单 管 风 动 送 样 系 统 的 传 输 距 离 约 为 300m,可以运载长度为500mm,直径为50mm,质 量为4kg的螺纹钢、圆钢等试样。 上层按钮操作区主要有:样盒检测显示灯、主站 分站工作显示灯、开关门操作键、异常复位键等。 下层发射柜主要有:可左右移动的样盒承载装 置、样盒限位到位检测及弹送装置、自动开关门移动 装置、 样 气 盒 压 承 阀 载 及 装 移 置 动 要 速 配 度 备 控 专 制 用 装 的 置 输 等 送 。 样盒,底部为 可伸缩的缓冲底座,连接压缩空气管道,后侧有可左 右移动的控制滑行道。 样盒限位到位检测及弹送装置配有检测限位, 控制样盒正确到位,并通过气压将样盒弹出。 样盒到位后,自动开关门装置自动开门弹出样 盒,在操作关门指令发送后,样盒自动移动到发射底 座上,将样盒发出。 钢筋风动送样系统的开发运用,实现了试样快 速传输功能。整套系统操作简单、安全可靠,不仅提 高了试样的传输效率,也减少了操作人员的工作量, 可更有效地提高试样到位时间,降低劳动强度,提高 工作效率。

3 全自动试验系统

3.1 全自动试验系统运行模式 

新建一套一拖二(一套机械手配合两台拉力试 验机)自动拉伸试验系统,用机械手代替人工,完成 指定位置待检试样的自动称重测长、拉伸试验,并自 动上传检验结果,实现全自动检验。该系统包括全 自动引伸计、试样传输机械手、试样架及相应的控制 系统等。 全自动拉伸属于成熟的应用技术,尤其在板材 检测领域,已有10 成功应用了该技术。 a以上的应用经验,某些企业已 某公司棒、线材产品占全部产品的80%以上, 棒、线材产品对检验项目、检验流程的要求一致,试 样的形状和制样的标准相对统一,分析数据量大并 要求及时上传。 轧钢生产按批次取试样后(盘卷试样在线用矫 直机进行矫直),从现有信息系统中获取(或由人工 创建)对应批次批号、牌号、序号等信息,生成并打印 试样信息条码,将条码贴在对应试样上并送至物理 实验室,力学测试人员收到试样后,用全自动拉伸系 统进行扫码登记,建立分析测试任务,并将试样按顺 序放到试样装卸架中,进入自动测试流程。 试样进入自动测试流程后,机械手抓取试样送 至称重测长系统,进行长度、质量测试,自动计算质 量偏差,称重测长完成后,用机械手将弯曲试验试样 送回至卸载试样架,由人工取走进行弯曲试验。拉 伸试样由机械手自动送至拉伸试验工位,拉伸试验 机根据测量长度自动调整夹具间距,试样到位后自 动夹紧,根据试样信息选择拉伸试验程序,自动开展 拉伸试验,自动进行钢屑清理,测试完成后对照判定 标准判定结果是否合格。由机械手卸载试样后,送 至对应标识试样收集工位,完成一个试样试验,根据 检验任务重复上述过程,完成该批次全部试样检测 后,将该批次结果上传至公司质量系统,完成一批次 试样检测[3]。 该系统为一台机械手配合两台自动拉伸试验机 的工艺组合,系统能够自动进行试样排队、任务分配 等功能。

3.2 全自动试验系统主要功能

试样矫直范围为?6~?16mm;替代了人工矫 直过程,大大提高了矫直效率。300,1200kN 电液 伺服拉伸试验机的精度等级均为0.5级,夹持圆试样的直径分别为5.5~32mm,15~60mm。 六轴机械手的工作范围为半径2.55m 的圆形 内;其工作效率为不少于20个/h。选用仿真机械臂 的机器人IRB4600(ABB),测试序列可以根据操作 者要求改变(具有测试优先权)。六轴机械手可自动 抓取最大质量为25kg的试样,抓取时保证运行平 稳,防止试样抖动、歪斜,影响试样的对中位置。在 自动上样前进行试样对中,确保拉伸过程中试样的 同轴性。每个动作控制单元可通过软件进行人工控 制及检测。机械手拿取试样时,具有判定是否拿取 到试样的识别功能;取较短的试样时,如果机械手未 取到,试样夹头不能打开。机械抓手的更换要方便, 并保证人、机安全。 控制系统具备各设备的工作状态显示、控制、故 障提示,各类设备的工作运行状态统计,各设备工作 节点的数据统计,试样在自动化系统上的工作流程、 工作状态、分析结果的留存等功能。控制系统还能 分析数据并自动判定、上传至公司系统。 试验数据接收及传送系统能按通讯协议,接收 上位机有关试样的试验信息,并按此进行设定;试验 结束后能按设定自动上传试验数据,实现与上位机 之间的数据通讯。 操作软件、测试软件在 Windows界面下的控制 软件包(含上位机通讯软件包)的功能包括:拉伸、压 缩、弯曲、循环、设定试验方法、测试结果分析、数据 自动发送、试样排序及试验优先、图像分析软件模 块、记录试验日期和时间,同时包括力值、引伸计的 自动计量程序。 试验程序可安装到其他离线计算机上,以便在 其他计算机上分析、查看试验数据等。 软件能显示试验力、横梁位移、引伸计变形、试 样夹持力、试验时间等。PLC(可编程逻辑控制器) 编程监控软件能实时监测 PLC的运行状态。 试验机控制计算机可自动预判断试验结果是否 合格、有效(试验数据是否符合有关标准规定)。如 试验结果预判定不合格或无效,需在试验结果的数 据上作出标记。试验机控制计算机能永久保留试验 段的数据(大于10000个试样的试验数据),以便操 作人员可在控制计算机上根据试验日期、试验人、试 验批号等条件模糊动态查询到以往的试验结果。 试验机控制计算机具备人工试样登记功能,人 工登记的试验结果也可方便迅速上传到上位机上。 试验机控制计算机上传的数据结构(试验数据 小数点后位数、上传信息的项目)可以被增加和修 改。测控软件可选择自动或手动上传试验结果,上 传的数据结构(试验数据小数点后位数、上传信息的 项目)可根据实际需要进行设置。 系统报警信息以及具体故障点位的查看避免了 数据录入和计算时可能带来的错误,同时保证了数 据的可追溯性。 钢筋力学性能自动化检测系统如图2所示。 

4 结语

(1)在对风动送样系统优化后,试样从发射端 到接收端的时间达到20s,满足该系统的设计标准, 并且实现了公司内部若干条生产线实验室的整合。 (2)该系统可以在自动上样前进行试样对中, 确 保拉伸过程中试样的同轴性,提高了断后伸长率 检测的准确性。另外,自动化手段代替人工操作具 有应变实时测量能力,真正满足精确测量屈服强度 等参数的要求。 (3)钢筋风动送样和全自动试验系统可以实现 钢材试样的力学性能集中检验及钢材的全自动取 样、检验、数据上传,为螺纹钢的检验开辟了新的管 理方式。通过设备及人员的整合,可解决现有人员 短缺与按批检验、产能提升、品种开发检验需求的矛 盾,提高作业效率,降低劳动强度。 (4)全自动试验系统可实现过程操作的标准 化、测试数据的信息化,可最大化减少人为因素对检 验结果的影响,提升分析质量;另外,也可改善实验 室装备的技术水平。