孫 劍 張德東 李景程

（1.上海建科檢驗(yàn)有限公司，上海 201108；2.國家建筑工程材料質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心，上海 201108）

在混凝土試塊抗壓強(qiáng)度檢測試驗(yàn)中引入工業(yè)機(jī)器人，一方面可以替代人工操作，大幅減少人力成本；另一方面也可極大降低人為因素對試驗(yàn)的影響，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。目前，國內(nèi)已有機(jī)構(gòu)開展混凝土抗壓測試的自動化檢測的研究和試驗(yàn)，主要集中的范圍在混凝土抗壓測試，但從收樣開始直至樣品處置實(shí)現(xiàn)全流程一體化、自動化的設(shè)計(jì)案例仍未見報(bào)道。本研究從實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套混凝土試塊養(yǎng)護(hù)和抗壓一體化機(jī)器人智能檢測系統(tǒng)（IRISCT），并在上海臨港新片區(qū)的一家第三方建設(shè)工程檢測機(jī)構(gòu)成功試運(yùn)行。

1 研究背景

混凝土是用量較大的建筑材料之一，根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的《2021年建材行業(yè)運(yùn)行情況》顯示，2021年我國商品混凝土產(chǎn)量達(dá)33 億m3?；炷量箟簭?qiáng)度性能直接關(guān)系到建筑工程的結(jié)構(gòu)安全，是工程質(zhì)量控制中的重要指標(biāo)之一?！痘炷翉?qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50107—2010）、《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）等標(biāo)準(zhǔn)，對混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測方法進(jìn)行規(guī)范。我國每年需要制作近6 000萬組試塊用于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.1 典型的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度檢測特點(diǎn)

（1）檢測規(guī)模較大。

以上海市第三方建筑工程類檢測機(jī)構(gòu)為例，根據(jù)上海市建設(shè)工程檢測行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計(jì)[1]，2020年上海共有76家第三方見證取樣類檢測機(jī)構(gòu)，共檢測混凝土抗壓強(qiáng)度1 162 500組，按365 d計(jì)算，平均每家每天需要檢測42組。部分大型第三方檢測機(jī)構(gòu)每天檢測峰值可以超過300組。

（2）檢測流程相對清晰。

檢測過程包括收樣、入庫養(yǎng)護(hù)、出庫抗壓及報(bào)告出具等環(huán)節(jié)，流程單向無回路（開環(huán)系統(tǒng)），環(huán)節(jié)間的界面清晰明了，檢測方法需要偏離的情況較少。

（3）試塊尺寸相對固定。

用于混凝土抗壓強(qiáng)度檢測的樣品形狀和尺寸有多種，但在一般工程建設(shè)領(lǐng)域，主要是采用邊長為100、150、200 mm的正方體試塊，材質(zhì)、形狀較為統(tǒng)一，單體試塊的尺寸偏差較小。

（4）重復(fù)性工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

一方面，混凝土試塊質(zhì)量較大，整個(gè)檢測過程需要耗費(fèi)大量人力進(jìn)行多次搬運(yùn)；另一方面，部分混凝土試塊需要在高濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，目前養(yǎng)護(hù)室大多數(shù)采取蒸汽養(yǎng)護(hù)方式，能見度較差，在混凝土試塊較多的情況下查找、挑選極不方便，導(dǎo)致不規(guī)范養(yǎng)護(hù)的情況時(shí)有發(fā)生。

1.2 工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)

基于混凝土抗壓強(qiáng)度檢測的特點(diǎn)，引入在制造領(lǐng)域成熟的工業(yè)機(jī)器人替代人工實(shí)現(xiàn)自動化檢測就成為可能[2]。

（1）可編程。

工業(yè)機(jī)器人可隨工作環(huán)境變化進(jìn)行編程，能夠在柔性制造過程中發(fā)揮較好的作用。

（2）擬人化。

工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類似人的肢體和傳感器，對周圍環(huán)境具有一定自適應(yīng)能力。

（3）通用性。

一般工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行不同作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好通用性，一臺機(jī)器人通過合理設(shè)計(jì)可以交叉執(zhí)行多種任務(wù)。

2 設(shè)計(jì)理念

（1）全流程覆蓋。

IRISCT系統(tǒng)將貫穿混凝土試塊抗壓檢測試驗(yàn)，從收樣開始直至報(bào)告出具的全流程，在主要流程上盡可能減少人工干涉與參與。

（2）一體化控制。

IRISCT系統(tǒng)將檢測機(jī)構(gòu)自有的實(shí)驗(yàn)室管理信息系統(tǒng)（LMIS）以及上海市建設(shè)工程檢測行業(yè)協(xié)會的LMIS和機(jī)器人控制系統(tǒng)、混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)通整合，對檢測過程實(shí)施一體化、自動化、無紙化管控。

（3）經(jīng)濟(jì)性與可靠性平衡。

綜合全國各地的收費(fèi)水平，混凝土抗壓強(qiáng)度檢測的收費(fèi)不高，但機(jī)器人自動化改造意味著較高的設(shè)備和軟件投入。零部件多、系統(tǒng)交互多，說明系統(tǒng)的魯棒性是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在IRISCT系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能采用市場通用的工業(yè)機(jī)器人和其他主要部件，減少高成本定制，考慮了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性的平衡。

IRISCT系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 IRISCT系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)功能

整個(gè)IRISCT系統(tǒng)包括收樣、賦碼、養(yǎng)護(hù)、測試、報(bào)告5個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開發(fā)了自動賦碼、智能庫管、環(huán)境自動控制、試塊自動檢測等子系統(tǒng)，并與實(shí)驗(yàn)室自有LMIS系統(tǒng)和上海市建設(shè)工程檢測行業(yè)協(xié)會的檢測信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無縫對接，覆蓋混凝土試塊從進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室到形成結(jié)果報(bào)告的整個(gè)流程。

混凝土試塊養(yǎng)護(hù)和抗壓一體化機(jī)器人智能檢測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 混凝土試塊養(yǎng)護(hù)和抗壓一體化機(jī)器人智能檢測系統(tǒng)

（1）收樣。

IRISCT系統(tǒng)考慮了上海地區(qū)既存在混凝土抗壓試塊要求預(yù)先埋置信息芯片，第三方檢測需要與上海市建設(shè)工程檢測行業(yè)協(xié)會聯(lián)網(wǎng)的情況（如房屋和市政領(lǐng)域），也存在無須預(yù)埋芯片和聯(lián)網(wǎng)的情況（如公路水運(yùn)領(lǐng)域、非第三方檢測實(shí)驗(yàn)）。設(shè)計(jì)包括了與實(shí)驗(yàn)室自有的LMIS系統(tǒng)對接以及與建設(shè)工程檢測行業(yè)協(xié)會LMIS對接兩種模式，收樣時(shí)予以區(qū)分。

（2）賦碼。

給每塊混凝土試塊標(biāo)識唯一碼，使機(jī)器人和壓力試驗(yàn)機(jī)能夠識別是IRISCT系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)過大量反復(fù)試驗(yàn)，確定采用UV光固化噴涂的方式，在混凝土試塊表面噴涂條形碼進(jìn)行標(biāo)識。采用更傳統(tǒng)的條形碼而不是二維碼，是基于條形碼在混凝土試件表面有孔洞、浮灰時(shí)能更有效識別。為此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套自動噴碼裝置，與LMIS系統(tǒng)對接，既能夠通過直接讀取預(yù)埋芯片的信息識別混凝土試塊，也能夠在無預(yù)埋芯片的情況下通過模糊查詢快速定位識別混凝土試塊。條碼采取Code128條碼制，包含了樣品唯一號、檢驗(yàn)日期、樣品尺寸、設(shè)計(jì)強(qiáng)度等關(guān)鍵信息。

混凝土試塊賦碼噴涂效果如圖3所示。

圖3 混凝土試塊賦碼實(shí)樣

（3）養(yǎng)護(hù)。

每組試塊在賦碼后放置在統(tǒng)一規(guī)格的托板并固定位置，和托板一起轉(zhuǎn)運(yùn)到專用的送料小車，由人工將送料小車送到指定的上料位置，由機(jī)器人按順序插取，通過讀取賦碼系統(tǒng)噴涂的條碼，識別并記憶每組試塊的檢驗(yàn)日期、尺寸等關(guān)鍵信息。由機(jī)器人送入收樣室并自動尋找空位安置并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，試塊和托板的入庫及出庫信息均由智能庫管系統(tǒng)進(jìn)行管理。養(yǎng)護(hù)室的溫、濕度控制由環(huán)境自動控制系統(tǒng)控制，對機(jī)器人進(jìn)出養(yǎng)護(hù)室的通道進(jìn)行了專項(xiàng)自動化門開關(guān)和防漏風(fēng)、防漏濕設(shè)計(jì)，最大限度保證養(yǎng)護(hù)室滿足溫度（20±2） ℃、濕度≥95%的要求。

混凝土試塊送料小車如圖4所示。

圖4 混凝土試塊送料小車

（4）測試。

試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期以后，由機(jī)器人將試件從養(yǎng)護(hù)室中自動取出。在自動對每個(gè)試件進(jìn)行掃碼和尺寸確認(rèn)無誤后，機(jī)器人繼續(xù)將試件送到壓力機(jī)上自動進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測。壓力機(jī)自動檢測混凝土抗壓強(qiáng)度的技術(shù)本身已較為成熟，但要與IRISCT系統(tǒng)成為一體，還需要對壓力試驗(yàn)機(jī)的PLC（可編程邏輯控制器）進(jìn)行改造，以使壓力機(jī)接受來自IRISCT系統(tǒng)的指令表，對意外情況進(jìn)行響應(yīng)。在每塊試塊抗壓測試結(jié)束后，IRISCT系統(tǒng)的推掃裝置根據(jù)指令區(qū)分合格與不合格情況，分別將試塊推掃到不同的下料小車，以滿足不同留樣的要求。

（5）報(bào)告。

IRISCT系統(tǒng)會將來自壓力機(jī)的收集，根據(jù)試塊來源分別進(jìn)入上海市建設(shè)工程檢測行業(yè)協(xié)會的信息系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室自有的LMIS系統(tǒng)，按照不同系統(tǒng)的要求和流程，生成相應(yīng)的電子化原始記錄表和報(bào)告。記錄和報(bào)告由相應(yīng)權(quán)限的技術(shù)人員進(jìn)行審核和批準(zhǔn)后，再經(jīng)過電子印章系統(tǒng)加蓋電子印章，生成完整的電子報(bào)告。

4 應(yīng)用成效

（1）工作效率分析。

IRISCT系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)室設(shè)計(jì)的使用空間為600 mm×1 200 mm×300 mm，養(yǎng)護(hù)室容量為1 320組混凝土，同空間使用下，容量為傳統(tǒng)人工存放時(shí)的1.5倍；采用一拖二的設(shè)計(jì)，每小時(shí)可完成15組左右的檢測量，檢測效率為人工檢測的2倍，IRISCT系統(tǒng)極大提高了養(yǎng)護(hù)空間使用率和混凝土試件的檢測效率。

（2）經(jīng)濟(jì)性分析。

傳統(tǒng)混凝土試件檢測涉及收樣、編號、上架養(yǎng)護(hù)、查找出庫、試件檢測和報(bào)告出具等，全過程重復(fù)性工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，IRISCT系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)混凝土試件抗壓強(qiáng)度檢測全過程自動化無人化，極大節(jié)約了人力成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

檢測數(shù)字化是檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)發(fā)展的重要方向，混凝土試塊抗壓強(qiáng)度檢測作為先行示范項(xiàng)目，將開啟檢驗(yàn)檢測行業(yè)的智能化升級序幕，同時(shí)可為后續(xù)其他試驗(yàn)項(xiàng)目如鋼筋拉伸、混凝土試塊抗?jié)B等提供智能化應(yīng)用提供借鑒。