一種智能注膠單元在建筑幕墻行業(yè)的應(yīng)用探析

柯治成，李伯基，馮智寧，梁祖欣

（廣州伯樂智能技術(shù)有限公司，廣州 511300）

0 引言

隨著現(xiàn)代大型和高層建筑的發(fā)展，建筑幕墻的應(yīng)用越來越廣[1-3]。目前幕墻企業(yè)結(jié)構(gòu)膠完全依賴工人控制雙組份打膠機(jī)膠槍進(jìn)行作業(yè)，生產(chǎn)屬于勞動(dòng)密集型，自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。而且，隨著社會(huì)勞動(dòng)力短缺及人工成本的增加，迫切需要一種智能注膠設(shè)備來改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式。目前，機(jī)器人注膠、自動(dòng)點(diǎn)膠和涂膠設(shè)備在輕工、電子等行業(yè)的應(yīng)用較為普遍，其工藝通常是在目標(biāo)工件的表面進(jìn)行注膠[4]。與上述行業(yè)不同，建筑幕墻因外形不規(guī)則及存在中空和飛邊結(jié)構(gòu)，膠槍需深入面板和鋁合金框架組合后的間隙內(nèi)部注膠，該領(lǐng)域的應(yīng)用在國內(nèi)還處于空白。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文引入一種智能注膠單元，能代替人工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注膠，節(jié)省結(jié)構(gòu)膠，提高效率，改善廠區(qū)環(huán)境，同時(shí)整體提升行業(yè)自動(dòng)化、智能化水平。

1 建筑幕墻

建筑幕墻包括面板和面板外圍起支撐作用的結(jié)構(gòu)組成，面板包括玻璃、石板、陶瓷板等。因玻璃具有較好的美觀性和通透性，在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用較為廣泛，本文將以矩形玻璃幕墻為研究對(duì)象，其截面如圖1所示。墻體有單層和雙層玻璃兩種，本身并不能起到建筑物的支撐作用[5-6]。建筑工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 102—2016《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》、JG/T 475—2015《建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》 對(duì)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制作、安裝施工和密封膠特性都作了明確規(guī)定[7-8]。在玻璃幕墻的制作工藝?yán)?，其中就包括了幕墻的組裝和注膠兩個(gè)重要工藝，這兩個(gè)工藝是將外框體和玻璃板組裝在一起，然后對(duì)封裝的位置（如圖1 中b、d 所示的限定區(qū)域）進(jìn)行注膠，從而將外框體結(jié)合在玻璃板上。注膠工藝是玻璃幕墻加工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[9-10]。

上述a、b、c、d 是幕墻的重要參數(shù)，其決定了膠槍的高度，也影響注膠速度。自動(dòng)注膠時(shí)需要將該參數(shù)輸入到控制系統(tǒng)人機(jī)界面中。

圖1 玻璃與幕墻鋁框截面圖

2 智能注膠單元

2.1 結(jié)構(gòu)組成、工作原理及作業(yè)流程

行業(yè)內(nèi)首次采用3+3 軸機(jī)器人集成技術(shù)，運(yùn)用機(jī)器視覺及激光傳感技術(shù)獲取幕墻角點(diǎn)坐標(biāo)，再將信息反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)合幕墻參數(shù)利用算法自動(dòng)規(guī)劃注膠軌跡并操控機(jī)器人采用插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)的方式執(zhí)行注膠。參數(shù)表和結(jié)構(gòu)模型如表1和圖2所示。

表1 智能注膠單元參數(shù)表

圖2 注膠單元整體結(jié)構(gòu)

作業(yè)流程：清除玻璃幕墻雜物—移送至智能視覺系統(tǒng)的檢測(cè)范圍內(nèi)—玻璃四角貼Mark紙—測(cè)量幕墻參數(shù)輸入視覺系統(tǒng)界面—粗定位相機(jī)獲取幕墻角點(diǎn)的X/Y坐標(biāo)—定位信息傳輸至控制系統(tǒng)—精定位相機(jī)獲取幕墻角點(diǎn)的X/Y坐標(biāo)，激光測(cè)距傳感器獲取幕墻角點(diǎn)Z 坐標(biāo)—定位信息傳輸至控制系統(tǒng)—通過采集到的信號(hào)識(shí)別并通過視覺算法計(jì)算出注膠軌跡—操控六軸聯(lián)動(dòng)完成注膠—移至下一工序。

2.2 三軸桁架

三軸桁架負(fù)責(zé)膠槍、視覺系統(tǒng)X、Y、Z 直線軸快速高精度運(yùn)動(dòng)。因玻璃幕墻應(yīng)用在大型室外建筑，其物理尺寸都較大，常見尺寸從1 m 2 m到4 m 7 m。關(guān)節(jié)機(jī)器人的臂展一般在0.5～3 m，難以適應(yīng)較大的作業(yè)范圍。為此將三關(guān)節(jié)機(jī)器人吊裝在三軸桁架Z 軸的末端，通過六軸的配合以達(dá)到較大的作業(yè)范圍。

三軸桁架主要由支撐立柱、X 軸、Y軸、Z 軸和滑枕等組成，其中：X軸由250 mm 175 mm 10 mm方管鋼、萊德MHTGH02005 斜齒磨削齒條、臺(tái)銀LGS25 直線導(dǎo)軌、伺服電機(jī)和減速機(jī)等組成。Y 軸由200 mm 150 mm 8 mm 方管鋼、萊德MHTGH02005 斜齒磨削齒條、臺(tái)銀LGS25 直線導(dǎo)軌、伺服電機(jī)和減速機(jī)等組成。Z 軸由120 mm 120 mm 歐標(biāo)鋁型材、萊德MHTGH02005 斜齒磨削齒條、臺(tái)銀LGS25 直線導(dǎo)軌及LGS25FA 滑塊、伺服電機(jī)和減速機(jī)等組成。這3 個(gè)軸均相互垂直構(gòu)成一個(gè)空間立體坐標(biāo)系，從而實(shí)現(xiàn)立體的運(yùn)動(dòng)，最終帶動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)立體的位移，再配合機(jī)器人自身的多個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)完成注膠。

2.3 三關(guān)節(jié)機(jī)器人

三關(guān)節(jié)機(jī)器人負(fù)責(zé)膠槍的A、B、C 旋轉(zhuǎn)軸姿態(tài)的軌跡運(yùn)動(dòng)，選用國產(chǎn)廣數(shù)機(jī)器人。在機(jī)器人第三軸上連接膠槍，可以將膠槍任意朝向?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行注膠。其中，A、B、C 活動(dòng)范圍分別為（-360h，+360h）、（-90h，+90h）、（-360h，+360h），待機(jī)時(shí)，A、B、C分別為-180h，90h，90h。結(jié)構(gòu)如圖3所示。三關(guān)節(jié)機(jī)器人具有體積小、重量輕、易維護(hù)、可正裝或倒裝，重復(fù)定位精度高的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 三關(guān)節(jié)機(jī)器人

圖4 注膠槍組件

2.4 注膠槍組件

注膠槍組件的作用是結(jié)構(gòu)膠注射和坐標(biāo)原點(diǎn)的標(biāo)定，是保證注膠質(zhì)量的關(guān)鍵部件。結(jié)構(gòu)如圖4所示。注膠槍和刮膠板初期可通過3D打印制作，優(yōu)點(diǎn)是無需開模、制作周期短。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將注膠槍和刮膠板作為一體，能有效防止結(jié)構(gòu)膠溢出，同時(shí)還啟到整形的作用。高度方向通過滑軌與滑塊配合可實(shí)現(xiàn)高低自適應(yīng)可調(diào)，能補(bǔ)償膠槍高度定位誤差。

2.5 智能視覺系統(tǒng)

智能視覺系統(tǒng)的作用是測(cè)量玻璃角點(diǎn)坐標(biāo)值反饋到控制系統(tǒng)，集成了機(jī)器視覺和激光傳感技術(shù)。由于幕墻尺寸較大，共使用2臺(tái)工業(yè)相機(jī)，分別對(duì)注膠軌跡進(jìn)行大范圍初步定位和小范圍的精確定位。智能視覺系統(tǒng)原理和人機(jī)界面如圖5～6所示。

圖5 智能視覺系統(tǒng)原理

圖6 智能視覺系統(tǒng)人機(jī)界面

開始注膠前需要測(cè)量玻璃幕墻長度、寬度及玻璃上表面到地面高度，并將參數(shù)輸入視覺電腦用于粗定位拍照。桁架內(nèi)側(cè)安裝有激光定位器，用于檢測(cè)幕墻擺放的位置是否在視覺范圍內(nèi)。通常幕墻需擺放（Y方向）正中i 200 mm，偏角5h以內(nèi)，靠設(shè)備后方（X負(fù)方向）邊界基本對(duì)齊擺放。

在運(yùn)行注膠程序的過程中，視覺粗定位、精定位可觀察圖6 所示界面判斷是否正常。其中，粗定位Mark 點(diǎn)中心出現(xiàn)綠色點(diǎn)為正常，精定位玻璃角點(diǎn)出現(xiàn)紅色點(diǎn)為正常，綠色線壓在玻璃上表面邊上重合為正常。

2.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的作用是將智能視覺系統(tǒng)反饋的坐標(biāo)信息結(jié)合幕墻參數(shù)運(yùn)用視覺算法規(guī)劃注膠軌跡，并操控機(jī)器人對(duì)幕墻執(zhí)行注膠。

控制系統(tǒng)選用研華寶元機(jī)器人控制系統(tǒng)，內(nèi)置先進(jìn)的實(shí)時(shí)Linux 架構(gòu)操作系統(tǒng)，通過EtherCAT 總線控制6 軸伺服電機(jī)?？刂破鬟x用研華寶元R8800 系列，能實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)控制，滿足注膠、視覺等功能性需求。另外，外部參數(shù)的輸入通過二次開發(fā)的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)手動(dòng)快速輸入。

3 智能注膠單元在企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)選用矩形玻璃幕墻，開始前檢查以下幾項(xiàng)。

（1）注膠機(jī)氣路是否正常，若氣路系統(tǒng)儲(chǔ)氣罐有凝結(jié)水需排放干凈，保持氣路管內(nèi)干燥；

（2）檢查玻璃與鋁型材邊框結(jié)合處是否有雜物；

（3）單位時(shí)間內(nèi)出膠量是否正常，首次注膠需取樣（出膠量正常約為1.5 kg/min）；

（4）檢查AB 雙組份硅酮結(jié)構(gòu)密封膠混合比例是否適當(dāng)（其中A膠為白色黏稠均勻膏狀物，B膠為黑色黏稠均勻膏狀物，體積配比范圍（9～12）∶1。

智能注膠單元注膠現(xiàn)場(chǎng)及效果如圖7所示。

圖7 智能注膠單元車間現(xiàn)場(chǎng)和注膠效果圖

人工注膠采用的是擺臂式雙組份打膠機(jī)，手持膠管和注膠槍移動(dòng)，通過按手把開關(guān)控制出膠量。注膠現(xiàn)場(chǎng)及效果如圖8所示。從人工注膠效果可以看出，手動(dòng)控制的出膠量不穩(wěn)定，膠體出現(xiàn)間斷性的堆積，需要人工用刮刀二次整形。另外，注膠的過程中由人主觀判斷結(jié)構(gòu)膠是否打滿，經(jīng)常出現(xiàn)膠體過多外溢或注不滿的情況。相反，智能注膠單元出膠量采用流量檢測(cè)實(shí)時(shí)反饋補(bǔ)償系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整膠槍移動(dòng)速度，從而避免因注膠機(jī)流量不穩(wěn)定造成間斷性注不滿，提高了注膠穩(wěn)定性和膠的利用率。

圖8 人工注膠車間現(xiàn)場(chǎng)和注膠效果圖

4 結(jié)束語

智能注膠單元在建筑幕墻行業(yè)的成功應(yīng)用，充分說明了智能注膠技術(shù)能解決產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)格種類不統(tǒng)一的注膠工藝要求，具有應(yīng)用推廣的價(jià)值。同時(shí)，也體現(xiàn)了在掌握單一技術(shù)的基礎(chǔ)上，將各種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成的重要性。智能注膠單元成功解決了生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、注膠不均、結(jié)構(gòu)膠浪費(fèi)多的問題，過程中創(chuàng)造性地應(yīng)用了三大創(chuàng)新技術(shù)。

（1）多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)控制。通過桁架與三關(guān)節(jié)機(jī)器人六軸插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確定位，保證任意運(yùn)動(dòng)位置和姿態(tài)的精度。該技術(shù)可解決注膠不均和注不滿的難題，實(shí)現(xiàn)過程是控制系統(tǒng)根據(jù)人機(jī)界面設(shè)置的幕墻參數(shù)，再結(jié)合膠機(jī)出膠流量監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，控制各軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行速度。

（2）智能視覺定位。通過粗、精二次定位和激光測(cè)距傳感器測(cè)定幕墻玻璃的4 個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)快速大范圍精確定位，定位信息可通過圖形化人機(jī)界面查看，操作方便。

（3）可升降的注膠槍。膠槍采用3D 打印，材料有韌性，再結(jié)合可升降的功能，可避免因視覺定位偏差較大出現(xiàn)膠槍折斷的情況。注膠時(shí)刮膠板使多余的膠填充到縫里，加快刮膠的速度，減少膠的浪費(fèi)，同時(shí)還起到整形的作用。