分享：热轧带肋钢筋的全自动检测技术
刘明辉1,贾丽晖1,李剑峰2,甄瑞斌1,王 潇1,张红宇3
(1.武汉钢铁有限公司 质量检验中心,武汉 430083;2.上海申力试验机有限公司,上海 201411; 3.江苏沙钢集团有限公司 理化检验中心,张家港 215625)
摘 要:介绍了一种热轧带肋钢筋的全自动检测技术,该技术集成了质量偏差测试仪、拉伸试验 机、六轴机器人、弯曲试验机、反向弯曲试验机、试样架等设备,并优化了各设备的布局,设备均可链 接实验室管理系统,顺利实现了热轧带肋钢筋的质量偏差、室温拉伸试验、弯曲试验、反向弯曲试验 等的集成自动化。
关键词:热轧带肋钢筋;视频引伸计;全自动检测 中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)10-0017-04
钢筋混凝土结构在桥梁、海洋平台、房屋建筑等 现代工程建造中应用极其广泛。混凝土的抗压能力 强,但抗拉能力弱,而钢筋是钢筋混凝土建筑构件的 骨架,在混凝土中主要承受拉应力,具有非常高的抗 拉强度;钢筋和混凝土的线膨胀系数相似,因而不会 由于环境因素而产生过大的应力;此外,钢筋和混凝 土之间具有良好的黏结力。 近年来,高 端 控 制 器、视 频 引 伸 计、工 业 机 器 人等领域的 飞 速 发 展,也 为 实 验 室 实 现 钢 筋 自 动 化检测提供了可靠的工业技术保障。笔者结合相 关国家标准,对 实 现 钢 筋 自 动 化 检 测 的 案 例 进 行 了介绍。
1 钢筋检测标准及要求
钢筋对建筑安全、使用寿命、绿色节能等方面的 影响巨大。为了保障建筑工程的质量和安全,国际上 制定了一系列钢筋产品标准,对钢筋的材料性能检测 进行了详细的定义和要求,主要包括拉伸试验、弯曲 试验以及疲劳试验等。国内对钢筋的生产、使用和质 量检测的控制标准现行版本为 GB/T1499.2—2018 《钢筋混凝土用钢 第2部分:热轧带肋钢筋》,其中第 8章规定了钢筋混凝土用钢材性能检测项目、数量和 试验方法(见表1)。另外,标准 GB/T1499.2—2018 规定,钢筋的显微组织应主要是铁素体+珠光体,不 应出现回火马氏体组织,如供方能保证可不进行检 验,而仅在原料、生产工艺、设备有重大变化及新产 品生产时才对钢筋的疲劳性能、晶粒度、连接性能进 行检验,则不进行日常生产性检验。
由中国住房和城乡建设部发布的 《混凝土结构 工程施工质量验收规范》中,多条为强制性条文,必 须严格执行。根据该规范第5.2.1条规定:钢筋进 场时,应按国家现行相关标准的规定抽取试样进行 拉伸、弯曲、反向弯曲等力学性能和质量偏差检验, 检验结果必须符合有关标准的规定,检验数量按进 场的批次和产品的抽样检验方案确定。 由以上标准、规范中的相关规定可知:对于日常 生产检验,钢筋主要检测项目为室温拉伸、弯曲、反 向弯曲、质量偏差等4个检测项目。 2 热轧带肋钢筋检测中的全自动检测技术 钢筋室温拉伸、弯曲、反向弯曲、质量偏差 检测项目的试样直径规格相对固定,外形尺寸 4 不 个 需 要机加工,而且相对复杂的室温拉伸试验已经实现 了自动检测,这为4个项目集成后的钢筋全流程自 动化检测奠定了基础。同时,由于质量偏差测量需 要5个试样,且属于非破坏性试验,因此质量偏差测 量后的5 个 试 样 可 继 续 应 用 于 其 他 项 目 的 检 验, 2个用于室温拉伸试验,2个用于弯曲试验,1个用 于反向弯曲试验。因此,钢筋全流程自动化检测的 设计思路为:每批待检试样取5个,由六轴机器人连 接各试验仪器,并流转各工序试样;首先进行质量偏 差测量,再对质量偏差测量完成后的5个试样进行 自动化分配,分别进行室温拉伸、弯曲、反向弯曲试 验,完成钢筋的全流程自动化检测。 2.1 质量偏差测量自动化 采用钢筋质量偏差称重测长仪(见图1)测量钢 筋的质量偏差,案例中钢筋质量偏差称重测长仪结 构为:5个试样水平支架,每个支架下方配置质量传 感器,六轴机器人将试样放置于支架上后,传感器自 动感应试样的质量,同时每个支架采用端部定位方 式,一端为试样长度测量的零点,另一端为气缸带动 的高精度测量尺,试样放置于支架上后,气缸带动测 量尺运动并夹紧试样,从而自动测量试样长度。长 度和质量测量结果通过 计算后,自动转换为钢筋 P 质 LC 量 ( 偏 可 差 编 测 程 量 逻 结 辑 果 控 。 制 为 器 提 ) 高设备精度,减少全流程人为干扰因素,钢筋质量偏 差称重测长仪配备了质量控制试样(以下简称质控 试样),可通过实验程序设置质控试样的自动检测频 次,六轴机器人自动抓取质控试样,对称重测长仪显 示的质量、长度两个关键指标进行核验,如果超出设 置偏差,可自动报警,并根据设置进行校准。
2.2 拉伸试验自动化
钢筋质量偏差测量试验完成后,机器人将其中 2个试样转运至拉伸试验机工位,拉伸试验机根据 钢筋质量偏差测量仪测出的试样长度调整上、下横 梁间距,开始拉伸试验。 目前,钢筋检测领域用电子万能试验机配备六 轴机器人和机械接触式引伸计,实现了钢筋拉伸性 能全自动检测[1]。该模式的主要缺点在于机械接触 式引伸计的使用,由于钢筋在拉伸断裂的过程中产 生较大振动,特别是钢筋表面带有横肋,振动时对机 械接触式引伸计影响较大,钢筋表面的氧化铁受到 振动而脱离基体,变成细小的粉尘弥漫在空气中,并 附着在机械接触式引伸计的各个传动装置表面,严 重影响引伸计的精度,以上原因造成的机械接触式 引伸计的故障率特别高。除此之外,试样拉断后,断 裂位置具有随机性,而接触式引伸计与试样的接触 位置相对固定,如果试样断裂位置处于引伸计标距 以内,且靠近引伸计与试样的接触点,甚至处于引伸 计标距以外,则会造成试样的形变指标测量结果误 差较大,尤其对于棒材试样,这一问题尤其突出。 针对机械接触式引伸计在钢筋拉伸试验中故障 率高、误差较大的问题,以下案例基于数字图像相关 (DIC)原理,利用视频引伸计,对不同直径的带肋钢 筋标距进行标定,应用特定的电荷耦合元件(CCD) 图像化、数字化成像技术,拍摄钢筋在拉伸试验过程中各标定点的变形范围,并将被测试样所发生的位 置变化等关联,由此可见,无论试样断裂于何处,视 频引伸计都可通过分析图像软件来优化标距选择范 围,使试样断裂点始终处于测量标距的合适位置,进 而测量出试样拉伸过程中所发生的应变与位移,视频 引伸计跟踪钢筋表面特征点示例如图2所示[2]。经 过测试比对,视频引伸计完全满足钢筋塑性指标测量 的要求。
为确认采用视频引伸计后全自动拉伸试验机测 量结果的精度,使用测量钢筋标准试样和不同试验 机比对两种方式确认拉伸试验结果,钢筋标准试样 测量结果如表2所示。
下屈服强度的最大偏差为2 MPa,满足标准试 样允许偏差±20 MPa的要求;屈服强度的最大偏 差为4MPa,满足标准试样允许偏差±15MPa的要 求;断后伸长率的最大误差为-0.5%,满足标准试 样允许误差±2%的要求。 在40个热轧钢筋棒材上各连续截取2个试样, 将80个试样按取样来源分2组,即每组中的40个 均来自 不 同 的 钢 筋 棒 材。2 组 试 样 分 别 在 MTS SHT5605型拉伸试验机 (配 备 机 械 式 引 伸 计)和 SL1000型拉伸试验机(配备视频引伸计)两台设备 上进行比对试验,通过配对 T 检验方法对两台拉伸 试验机测量结果进行数据分析,结果如表3所示(表 中P 为假设检验概率)。 经过统计分析,两台拉伸试验机的测量结果没 有明显差异,说明全自动拉伸试验机配备视频引伸 计完全满足热轧钢筋棒材的检验需要,有效解决了棒材试样拉伸断裂位置随机性较大,及采用接触式 引伸计测量试样断后伸长率结果误差较大的问题。
2.3 弯曲试验自动化
在进行拉伸试验的同时,六轴机器人将钢筋质 量偏差测量仪上剩余的3个试样(每批次5个试样 中的2个已用于拉伸试验)转运至弯曲、反向弯曲待 检试样架。 弯曲试验系统由六轴机器人、待检试样架、试样 收集系统等部件组成。该系统可以一键自动控制或 接受上位机信号控制,自动完成六轴机器人上下料、 弯曲跨距调整、弯角控制、弯曲等试验过程。弯曲试 验机外观如图3所示。
弯曲工位采用液压加荷与微机系统相结合的技 术,由一个垂直油缸将试样弯曲到规定角度后,利用 主活塞的下降来实现试样的弯曲,从而完成弯曲试 验,再调整两个相对的水平油缸位置,使得试样可以 自动完成收集和取出。 受视频自动识别技术的限制,该案例未集成弯 曲试样结果自动判定功能,弯曲试验完成后,试样自 动收集在料车内,需要进行人工弯曲结果判定[3]。
2.4 反向弯曲试验自动化
在进行弯曲试验的过程中,六轴机器人将待检 试样架上的1个试样转运至自动反向弯曲试验机 (见图4)弯曲工位上。 自动反向弯曲工位为卧式结构设计,由两个油 缸液压加荷,弯曲支辊由双向丝杠带动,支辊同步进 退以便调整支辊距离,活塞上安装压辊,可以进行试样正弯和反弯试验。PLC 控制液压缸动作方向及 弯曲角度,一次完成正、反向的试验过程,不仅工作 效率高,而且运行平稳。 试验过程中,反向弯曲试验机接收上位机下达 的试验指令,自动计算所需要的弯心直径和支辊跨 距。根据计算结果,左右支座自动调整到计算得出 的支辊跨距,六轴机器人自动上样,试验机全自动完 成试验正向弯曲和反向弯曲两个过程,六轴机器人 自动下样,并将试样放在试样收集料车内。 与弯曲试验过程相同,反向弯曲的试验结果也 需要进行人工判定,未能实现反向弯曲结果的自动 化智能判定。 2.5 热轧带肋钢筋常规检测项目自动化集成 在实现热轧带肋钢筋的质量偏差、室温拉伸试 验、弯曲试验、反向弯曲试验的单独自动化检测后,对 所有设备进行优化布局,质量偏差测试仪与拉伸试验 机、六轴机器人组成称重、测长、拉伸试验系统,弯曲 试验机、反向弯曲试验机、六轴机器人组成弯曲、反向 弯曲检测系统,两个系统之间通过试样架转接试样。 同时,该自动化系统可自动接收实验室管理系统下发 的试验指令,自动向实验室管理系统传输试验结果, 从而进一步提高该系统的自动化检测能力。
3 结语
(1)采用视频引伸计自动测量热轧带肋钢筋的 断后伸长率、最大力总延伸率等塑性指标,不用给出 标距标识,不仅降低了劳动强度,还有效避免了热轧 带肋钢筋在拉伸断裂时由于振动过大造成引伸计损 坏的问题,提高了全自动测量系统运行的稳定性;同 时,视频引伸计的使用有效解决了试样断裂于接触 式引伸计标距以外,从而造成形变指标测量结果误 差较大的问题。 (2)通过优化质量偏差测试仪与拉伸试验机、 六轴机器人、弯曲试验机、反向弯曲试验机、试样架 等设备布局,实现了热轧带肋钢筋的质量偏差、室温 拉伸试验、弯曲试验、反向弯曲试验集成自动化检测 系统。 (3)随着检测技术的进步,可充分利用视频自 动识别技术,集成弯曲和反向弯曲试样结果自动判 定系统,开展热轧带肋钢筋常规检测项目的全流程 自动化检测与自动判定,进一步提高热轧带肋钢筋 的智能检测水平。
文章来源：材料与测试网
