数控钢筋弯箍机工法

数控钢筋弯箍机在高速公路建设中的应用

宁武高速公路(南平段)A13项目经理部

钢筋作为一种特殊的建筑材料在钢筋砼结构、预应力钢筋砼结构中广泛采用。2010年我国钢产量超过6亿吨，全国每年用于砼结构的钢筋总量超过9000万吨，其中高速公路用钢筋量超过650万吨，高速公路建设已成为用钢大户。

目前国内高速公路建设的钢筋加工工艺方法还较为落后，设备和手段普遍陈旧，主要以人工手动操作为主，自动化水平不高，生产效率低下，耗时，制件的质量差，且劳动强度大，成本偏高。采用数控弯箍机将大大提高劳动生产率，相应的占地面积、人工费用、能源消耗都将大幅度降低。同时由于采用人机亲和度高的数控技术，使得操作者的劳动强度大为减轻。

一、数控钢筋弯箍机的特点

1、可加工钢筋的种类多，直径从6mm到16mm不等，因此应用范围较广。

2、具有很高的精度，钢筋加工长度公差控制在+/一1毫米之内，同时加工角度的误差也不超过+/一1度。这种加工精度大大超过了手工操作。

3、工作的范围大。钢筋进给之前，不论是规则摆放(如圆盘)还是不规则摆放，均能顺利进给并校直。

4、能加工热轧和冷拉钢筋，不论它是否是圆盘的形式。

5、确保钢筋的有效利用率。由于它采用计算机控制，进给多少

就加工多少，使钢筋得到了最大限度的利用。

6、进给部分采用伺服电机控制，能在一分钟之内更换不同直径的钢筋，很大程度上减少了更换钢筋所消耗的时间。

7、利用计算机对钢筋加工过程进行控制。改变钢筋加工的形状，只需在控制屏上选择所需加工类型。需增加或删除某种加工形状，对软件进行修改即可完成。

8、除了上述的几个优点之外，它还具有一个显著的特点，就是成本较低，与国外同类产品比较，价格仅为它们的四分之一，有利于产品的推广与销售。

二、数控钢筋弯箍机的组成部分

传统的钢筋加工分为三个部分，首先利用机械对钢筋进行校直，然后扭成所需的形状，最后用锋利的切头将其切断。数控钢筋弯箍机过程与传统的方法很相似，它是由四个部分组成的:第一是钢筋的进给部；二是校直部分，前两部分由一组伺服电机系统驱动，第三是扭头及切断部分由另一组伺服电机系统驱动。最后是计算机控制部分，采用工业控制控制。这四个部分组成了一个有机整体，是高度机电一体化的产品。

三、数控钢筋弯箍机加工原理

1、动力部分

由于钢筋加工需要很大的作用力，根据数控钢筋弯箍机的高频率，作时间长的特点，该机构由1个气缸、一套伺服电机装置，2个主动轮和2个被动轮组成，其主要作用是提供钢筋的送进功能并控制

钢筋的送进量，达到定尺效果。

2、机械部分

数控钢筋弯箍机的机械部分分为三个部分。首先是钢筋的水平校直部分，这部分的主要功能是使弯曲的钢筋在一组主从动轮之间穿过，利用主从动轮之间的相互压力使钢筋在水平方向得以校直;其次是钢筋的垂直校直部分，其方法与水平校直相同；最后进行钢筋成型及切断部分的设计，这部分的主要功能是将钢筋加工成型及切断。钢筋由两组主从动轮引入加工机，经过水平校直、垂直校直后，在扭头部分加工成型。两组主动轮之间由链轮连接，计量轮与光电编码器相连将钢筋进给的位移信息反馈给控制系统，同时扭头与角度传感器连接将扭转角度信息反馈给控制系统。

2.1钢筋进给部分

钢筋通常由圆盘的形式存放。在数控钢筋弯箍机中，钢筋的进给和校直是同时完成的。两组动轮将钢筋由外部带入并同时进行水平校直。其中第二组动轮由伺服电动机经过中间传动机构直接带动，第一组动轮与第二组动轮之间由链轮进行连接，第二组动轮转动时同时用链轮带动第一组轮转动，这样就可以实现将钢筋进给的任务。

2.2扭头与切断部分

扭头是钢筋加工的关键部分，钢筋最终加工成型是由扭头部分完成的。钢筋弯曲的扭头是装在一个可活动盘上的，这个盘由两部分组成:一部分是处在盘一端的扭爪，钢筋的加工成型是通过扭爪对钢筋施加作用力来完成的。另一部分是轴心部分，扭爪在运动时是围绕轴心进行的。通过图所示的需加工的钢筋形状对扭头的运动进行说明。

如图所示， (a)为设计加工钢筋制品。这种加工形状在钢筋加工中属于比较复杂的，因为它涉及到扭头的反转问题。如图 (b)，通过扭爪与钢筋的相互作用力将钢筋扭为图中的形状。为了将钢筋加工为图(a)的形状，扭爪必须转到钢筋的下方对钢筋进行弯曲，这个过程是通过可活动盘的运动来实现的。具体的过程是:a、活动盘朝垂直纸面向里移动，这主要是为了防止活动盘作上下运动时与钢筋发生接触。b、活动盘向上运动直至整个活动盘处于钢筋的上方。c、活动盘朝垂直纸面向外移动，这个过程是第1步的逆过程。d、活动盘转动，此时轴心处于钢筋的上方，而扭爪在钢筋的下方。完成上述四个步骤后，就可以进行钢筋向上弯曲的加工，钢筋就被弯曲为图 (c)中的形状。最后采用同样的方法将扭爪恢复图(b)中的位置，再完成一次图(b)中的加工就可以得到如图(a)钢筋制品。在整个加工过程中，扭爪始终围绕轴心运动。

切断刀头位于扭头部分之前。当一个产品加工结束时，工控机发出信号使电液阀开启以驱动刀头运动切断钢筋。

3、控制部分

数控钢筋弯箍机采用两组伺服系统，一组用来控制钢筋的校直和进给，另一组用来控制扭头的运动。伺服系统中伺服驱动器采用工业控制机对伺服驱动器进行控制。采用C语言及VISUALBASIC进行程序设计，依据伺服驱动器的数模转化关系进行程序设计，控制部分的重点是如何实现对钢筋进给位移及钢筋弯曲角度的控制。控制系统需要完成两方面的控制，首先控制钢筋的进给长度使其达到加工要求，这部分通过旋转编码器反馈的位移信息由一组闭环控制完成；其次对扭头的加工角度进行控制，一次扭转就达到加工设计角度是有困难的，因此由角度传感器传送的角度信息利用另一组闭环控制系统完成对角度的控制。

3.1处理器系统介绍

伺服控制器硬件结构将影响智能控制信息处理方案的合理性，在多环路控制结构中，信息处理方案受到各个处理器之间的数据交换，信号采集等硬件条件的限制。对于采用位置，速度和电流多环路形式的位置伺服系统，其位置环一般建立在速度环的基础上，因此，各种

处理器硬件结构的影响主要体现在对速度环和电流环的动态信息采集与处理方面。

数控钢筋弯箍机的信息处理结构采取多处理器并行信息处理结构。完全并行结构的伺服控制器系统，采用多个CPU完成控制算法，控制指令由各个CPU的共同作用完成。从信息处理的角度，硬件与软件融为一体。

3.2伺服控制器软件设计

数控钢筋弯箍机系统工作时伺服系统主要有自动和点动(Jog)两种工作方式。自动工作运行时，数控主机将运动指令不断发送给伺服控制器。伺服控制器中的单片机则对收到的指令作进一步的运算，生成两组电机的位置指令周期，然后按此周期向伺服驱动装置发出指令脉冲。在本项目所设计的系统中，采用了两组伺服电机，因此系统在实际工作时，数控主机要将不同的运动指令发送给两个单片机。由于交流伺服系统装置中含有电子齿轮，以交流伺服系统为对象的系统软件设计可不考虑机械转动链和数控指令脉冲当量的匹配问题，算法流程如图：

3.3钢筋进给长度的闭环控制

下图为数控钢筋弯箍机钢筋进给部分的简图。从图中可以看出，采用组主从动轮将钢筋带入校直部分。其中第二组由三相交流永磁同步电动机直接带动。第一组主从动轮与第二组主从动轮之间由链轮进行连接，第二组的主动轮转动的同时带动第一组的主动轮转动，这样就可以将钢筋由外界送入进行校直。第一组轮为计量轮，它的作用是测量钢筋进给的长度。计量轮测量的结果由光电编码器处理后形成计算机可处理的脉冲信号，将信息反馈给伺服控制器中的单片机，伺服驱动器带动电动机运转，于是电动机使主从动轮再次运转以使钢筋进给并最终消除差值。

3.4钢筋弯曲角度的闭环控制

钢筋的弯曲由另一组伺服系统控制，由于钢筋加工时一往往需要经过多次弯曲才能达到设计角度，因此适时检测弯曲角度是非常重要的。测量钢筋的弯曲角度采用的是电位式角度传感器，这种传感器输出的电压经过处理后形成计算机可处理的信号。钢筋弯曲角度的闭环控制与进给长度的闭环控制在控制原理和流程上是相似的。钢筋经过水平和垂直校直后进入钢筋的扭头部分，工控机发出信号后钢筋的弯曲加工过程开始:

a、伺服控制器接到信号后驱动伺服电动机启动。

b、扭头圆盘开始转动并带动圆盘上的扭爪作圆周运动，扭爪将钢筋弯曲成一定的角度。

c、角度传感器测量钢筋弯曲的角度，并把测量结果送入伺服控制器的单片机内，测量结果与设计加工角度比较后得出差值，根据差值伺服控制器驱动电动机转动使圆盘再次转动。钢筋弯曲加工过程中控制系统不断进行上述步骤的工作直至加工角度与设计角度在一定的误差范围内。

四、加工成本核算

工地现场加工钢筋的成本，最大、也是最清楚的一项，就是付给包工队的劳务费，根据加工的类型或工程的特点不同，一般每吨从90元到180元不等。钢筋加工损耗实际比例一般从5%到10%不等，

也有极个别更多的或更少的，大部分工地都会超过5%，一般每吨的损耗成本从60元到110元不等。生产和生活用电费和水费，合计每吨从6元到10元不等。另外还有检测费等。这些直接变动成本加起来，每吨一般约从150元到230元不等。再加上机械租赁费、场地硬化费、加工设施临建费用、生活设施费用、管理费用和其它各种费用等项间接固定成本，平摊到每吨里的总成本大约从180元到260元不等。钢筋弯箍机加工与传统现场加工成本对比如下表：

钢筋弯箍机加工与传统现场加工成本对比表

五、结束语

应用数控钢筋弯箍机集中加工钢筋最深刻的体会是：加快施工进度，供货时间有保证；钢材损耗明显降低；大大简化工地管理；彻底解决了工地现场加工场地紧张、电力供应不足等难题。

随着我国高速公路建设的蓬勃发展，人们对钢筋加工工业化的要求和机械化水平的要求将会越来越高，对于具有降耗增效、绿色环保、节能安全的高速公路钢筋专业化集中加工技术来讲无疑会带来新的发展机遇和无限广阔的发展空间。