混凝土养护抗压一体化机器人智能检测系统研究

孙 剑 张德东 李景程

（1.上海建科检验有限公司，上海 201108；2.国家建筑工程材料质量检验检测中心，上海 201108）

在混凝土试块抗压强度检测试验中引入工业机器人，一方面可以替代人工操作，大幅减少人力成本；另一方面也可极大降低人为因素对试验的影响，提高检测结果的准确性与可靠性，具有良好的社会和经济效益。目前，国内已有机构开展混凝土抗压测试的自动化检测的研究和试验，主要集中的范围在混凝土抗压测试，但从收样开始直至样品处置实现全流程一体化、自动化的设计案例仍未见报道。本研究从实用性、经济性出发，设计开发了一套混凝土试块养护和抗压一体化机器人智能检测系统（IRISCT），并在上海临港新片区的一家第三方建设工程检测机构成功试运行。

1 研究背景

混凝土是用量较大的建筑材料之一，根据国家发改委发布的《2021年建材行业运行情况》显示，2021年我国商品混凝土产量达33 亿m3。混凝土抗压强度性能直接关系到建筑工程的结构安全，是工程质量控制中的重要指标之一。《混凝土强度检验评定标准》（GB/T 50107—2010）、《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）等标准，对混凝土抗压强度的检测方法进行规范。我国每年需要制作近6 000万组试块用于抗压强度试验。

1.1 典型的混凝土试块抗压强度检测特点

（1）检测规模较大。

以上海市第三方建筑工程类检测机构为例，根据上海市建设工程检测行业协会的统计[1]，2020年上海共有76家第三方见证取样类检测机构，共检测混凝土抗压强度1 162 500组，按365 d计算，平均每家每天需要检测42组。部分大型第三方检测机构每天检测峰值可以超过300组。

（2）检测流程相对清晰。

检测过程包括收样、入库养护、出库抗压及报告出具等环节，流程单向无回路（开环系统），环节间的界面清晰明了，检测方法需要偏离的情况较少。

（3）试块尺寸相对固定。

用于混凝土抗压强度检测的样品形状和尺寸有多种，但在一般工程建设领域，主要是采用边长为100、150、200 mm的正方体试块，材质、形状较为统一，单体试块的尺寸偏差较小。

（4）重复性工作费时费力。

一方面，混凝土试块质量较大，整个检测过程需要耗费大量人力进行多次搬运；另一方面，部分混凝土试块需要在高湿环境中养护，目前养护室大多数采取蒸汽养护方式，能见度较差，在混凝土试块较多的情况下查找、挑选极不方便，导致不规范养护的情况时有发生。

1.2 工业机器人特点

基于混凝土抗压强度检测的特点，引入在制造领域成熟的工业机器人替代人工实现自动化检测就成为可能[2]。

（1）可编程。

工业机器人可随工作环境变化进行编程，能够在柔性制造过程中发挥较好的作用。

（2）拟人化。

工业机器人在机械结构上有类似人的肢体和传感器，对周围环境具有一定自适应能力。

（3）通用性。

一般工业机器人在执行不同作业任务时具有较好通用性，一台机器人通过合理设计可以交叉执行多种任务。

2 设计理念

（1）全流程覆盖。

IRISCT系统将贯穿混凝土试块抗压检测试验，从收样开始直至报告出具的全流程，在主要流程上尽可能减少人工干涉与参与。

（2）一体化控制。

IRISCT系统将检测机构自有的实验室管理信息系统（LMIS）以及上海市建设工程检测行业协会的LMIS和机器人控制系统、混凝土压力试验机控制系统联通整合，对检测过程实施一体化、自动化、无纸化管控。

（3）经济性与可靠性平衡。

综合全国各地的收费水平，混凝土抗压强度检测的收费不高，但机器人自动化改造意味着较高的设备和软件投入。零部件多、系统交互多，说明系统的鲁棒性是设计的重点和难点，在IRISCT系统设计时，应尽可能采用市场通用的工业机器人和其他主要部件，减少高成本定制，考虑了系统的经济性和可靠性的平衡。

IRISCT系统设计如图1所示。

图1 IRISCT系统设计

3 系统功能

整个IRISCT系统包括收样、赋码、养护、测试、报告5个关键环节，开发了自动赋码、智能库管、环境自动控制、试块自动检测等子系统，并与实验室自有LMIS系统和上海市建设工程检测行业协会的检测信息管理系统实现了无缝对接，覆盖混凝土试块从进入实验室到形成结果报告的整个流程。

混凝土试块养护和抗压一体化机器人智能检测系统如图2所示。

图2 混凝土试块养护和抗压一体化机器人智能检测系统

（1）收样。

IRISCT系统考虑了上海地区既存在混凝土抗压试块要求预先埋置信息芯片，第三方检测需要与上海市建设工程检测行业协会联网的情况（如房屋和市政领域），也存在无须预埋芯片和联网的情况（如公路水运领域、非第三方检测实验）。设计包括了与实验室自有的LMIS系统对接以及与建设工程检测行业协会LMIS对接两种模式，收样时予以区分。

（2）赋码。

给每块混凝土试块标识唯一码，使机器人和压力试验机能够识别是IRISCT系统的关键环节。经过大量反复试验，确定采用UV光固化喷涂的方式，在混凝土试块表面喷涂条形码进行标识。采用更传统的条形码而不是二维码，是基于条形码在混凝土试件表面有孔洞、浮灰时能更有效识别。为此，研究团队设计开发了一套自动喷码装置，与LMIS系统对接，既能够通过直接读取预埋芯片的信息识别混凝土试块，也能够在无预埋芯片的情况下通过模糊查询快速定位识别混凝土试块。条码采取Code128条码制，包含了样品唯一号、检验日期、样品尺寸、设计强度等关键信息。

混凝土试块赋码喷涂效果如图3所示。

图3 混凝土试块赋码实样

（3）养护。

每组试块在赋码后放置在统一规格的托板并固定位置，和托板一起转运到专用的送料小车，由人工将送料小车送到指定的上料位置，由机器人按顺序插取，通过读取赋码系统喷涂的条码，识别并记忆每组试块的检验日期、尺寸等关键信息。由机器人送入收样室并自动寻找空位安置并进行养护，试块和托板的入库及出库信息均由智能库管系统进行管理。养护室的温、湿度控制由环境自动控制系统控制，对机器人进出养护室的通道进行了专项自动化门开关和防漏风、防漏湿设计，最大限度保证养护室满足温度（20±2） ℃、湿度≥95%的要求。

混凝土试块送料小车如图4所示。

图4 混凝土试块送料小车

（4）测试。

试件达到养护龄期以后，由机器人将试件从养护室中自动取出。在自动对每个试件进行扫码和尺寸确认无误后，机器人继续将试件送到压力机上自动进行抗压强度检测。压力机自动检测混凝土抗压强度的技术本身已较为成熟，但要与IRISCT系统成为一体，还需要对压力试验机的PLC（可编程逻辑控制器）进行改造，以使压力机接受来自IRISCT系统的指令表，对意外情况进行响应。在每块试块抗压测试结束后，IRISCT系统的推扫装置根据指令区分合格与不合格情况，分别将试块推扫到不同的下料小车，以满足不同留样的要求。

（5）报告。

IRISCT系统会将来自压力机的收集，根据试块来源分别进入上海市建设工程检测行业协会的信息系统和实验室自有的LMIS系统，按照不同系统的要求和流程，生成相应的电子化原始记录表和报告。记录和报告由相应权限的技术人员进行审核和批准后，再经过电子印章系统加盖电子印章，生成完整的电子报告。

4 应用成效

（1）工作效率分析。

IRISCT系统养护室设计的使用空间为600 mm×1 200 mm×300 mm，养护室容量为1 320组混凝土，同空间使用下，容量为传统人工存放时的1.5倍；采用一拖二的设计，每小时可完成15组左右的检测量，检测效率为人工检测的2倍，IRISCT系统极大提高了养护空间使用率和混凝土试件的检测效率。

（2）经济性分析。

传统混凝土试件检测涉及收样、编号、上架养护、查找出库、试件检测和报告出具等，全过程重复性工作费时费力，IRISCT系统可实现混凝土试件抗压强度检测全过程自动化无人化，极大节约了人力成本，具有良好的经济性。

5 结语

检测数字化是检验检测机构发展的重要方向，混凝土试块抗压强度检测作为先行示范项目，将开启检验检测行业的智能化升级序幕，同时可为后续其他试验项目如钢筋拉伸、混凝土试块抗渗等提供智能化应用提供借鉴。