预应力钢棒（精选4篇）
预应力钢棒 篇1
摘要：随着预应力技术迅速发展, 预应力材料及工艺设备等日新月异。无粘结预应力钢棒凭借自身在结构受力、便于施工等方面的优势, 在短距离直线预应力材料使用中, 可能会成为钢绞线和精轧螺纹钢的替代品。本文通过无粘结预应力钢棒材料特性及道安7标岩湾河特大桥0#块竖向预应力钢棒施工工艺对其做出详细介绍。
关键词：无粘结预应力钢棒,桥梁施工,施工工艺
1 概况
岩湾河特大桥位于正安县俭平乡芙蓉江的下游, 路线为跨芙蓉江河谷而建。主桥上部结构为 (95+180+95) m三跨预应力混凝土连续刚构箱梁, 0# 块箱梁根部高度11.0m, 长度16m, 宽度12.25m, 设计竖向预应力采用钢绞线。
由于钢绞线和金属波纹管自身的柔韧性, 竖向定位及其困难, 而且墩顶竖向预应力筋需要在墩柱最后6m施工时预埋, 在0# 块施工过程中, 钢绞线必然会严重干扰正常施工。且钢绞线极易被电焊损伤, 波纹管容易被振捣棒碰破而造成漏浆, 导致管道压浆效果普遍不佳。而采用精轧螺纹钢又存在预应力损失大的缺点, 故和设计方沟通后决定采用无粘结预应力钢棒。
2 无粘结预应力钢棒特点
(1) 与精轧螺纹钢比较:精轧螺纹钢强度低、延伸率低, 而预应力混凝土钢棒螺纹锚具组件强度高、延伸率高。且精轧螺纹钢螺距大 (直径32 的螺距为16mm) , 张拉后螺母拧会经常性不到位。
(2) 与钢绞线比较:钢绞线夹片锚具锁紧方式是通过钢绞线应力回缩拉紧, 应力损失量不确定, 而预应力混凝土钢棒螺纹锚具组件锚固螺母的螺距设计为1.5mm, 其锚固回缩量很小, 不超过0.5mm, 锚固时应力损失小[1]。
采用无粘结时省去了传统的后张法预应力混凝土的预埋管道、穿束、压浆、割除多余钢筋等工艺, 简化了施工工艺。同时没有振捣漏浆的风险, 减少了由于压浆不实导致预应力筋应力腐蚀的风险;与混凝土隔绝, 没有氯离子腐蚀的风险, 提高预应力施工质量。
3 无粘结预应力钢棒施工工艺
3.1 施工准备
(1) 做好无粘结预应力钢棒及锚具的检验和试验。 (2) 根据设计要求确定无粘结预应力钢棒的长度及根数。 (3) 标定好千斤顶。
3.2 无粘结预应力钢棒的铺设
(1) 在模板上标出无粘结预应力钢棒的位置, 特别是必须要标注准确钢棒底标高位置。 (2) 采用 Ф16mm以上钢筋将钢棒底标高进行限位, 限位钢筋与主筋焊接牢固, 以确保在混凝土浇筑过程中钢棒不发生移位 (3) 无粘结预应力钢棒铺设完毕, 检查钢棒护套有无破损, 并对破损部位用塑料胶水密性胶带缠绕修补, 严重破损的要报废。
3.3 施工张拉
待混凝土强度达到规范要求后即可进行张拉。张拉前, 必须将张拉槽口内杂物清除干净, 钢棒要露出干净的螺纹, 否则无法进行张拉。无粘结预应力钢棒张拉使用穿心式千斤顶: (1) 首先将张拉头通过螺纹连接到张拉杆上; (2) 其次将张拉头与张拉杆组件通过螺纹连接预应力钢棒的张拉端外露丝扣; (3) 将千斤顶套在张拉杆上, 并将张拉杆上的螺母旋上; (4) 再按照千斤顶的操作规程, 开始张拉; (5) 张拉到规定的力后, 摇动锁紧手柄, 将锚固螺母锁紧; (6) 卸除张拉力, 并将张拉杆后端的螺母取下; (7) 再取下千斤顶和张拉头组件, 完成张拉。
3.4 封端保护
张拉后的无粘结预应力钢棒应立即进行封端保护, 安装锚固挡板, 打紧锚固备母, 用高压水冲洗锚盒槽, 对穴模的凹槽先刷环氧树脂, 再用微膨胀混凝土进行密封。
3.5 预应力钢棒超长段连接
由于岩湾河特大桥0# 块施工竖向束最长达16m (共48 根) , 埋入墩身6m, 而0# 块又分2 次浇筑。为方便施工, 对此48 根竖直预应力钢棒实行分段连接的工艺, 根据施工分段浇筑的特点, 从墩身与梁体的分割处将预应力钢棒分段连接, 而后整体张拉处理。同时为了保证钢棒连接安全性和连接后钢棒的整体性, 对连接器进行了热处理, 特殊设计了配套的连接组件。
4 施工注意事项
(1) 由于张拉螺纹长度是有限的, 所以施工工程中必须要精确定位钢棒标高, 否则会出现张拉后锚固落实高于混凝土顶面情况。 (2) 铺设完成后, 必须要检查护套是否有破损处, 应对破损部位用塑料胶水密性胶带缠绕修补。 (3) 张拉端锚垫板应铺设平整, 且定位一定要准确, 如果锚垫板过于向下, 张拉时, 容易使保护套侵入张拉螺母内, 导致无法拧紧问题。 (4) 张拉前, 必须要将张拉槽口清理干净, 特别是必须要保证钢棒螺纹的清洁。由于采用锚固手柄进行螺栓锚固, 如果螺纹内水泥浆等杂物附着过多, 容易导致无法拧紧问题。
5 总结
预应力钢棒强度高, 刚度大, 综合了精轧螺纹钢及钢绞线的优点, 更便于施工。无粘结预应力钢棒省去了传统的后张法预应力混凝土的预埋管道、穿束、压浆等工艺, 简化了施工工艺, 有效避免压浆不实问题, 提高了预应力施工质量。
参考文献
[1]李兰权编.混凝土工手册 (第三版) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.
预应力钢棒 篇2
关键词：无粘结预应力钢棒,施工工艺,施工技术
近年来, 随着我国高速公路网的迅猛发展, 预应力技术发展迅速, 在预应力混凝土桥梁的设计、结构分析、试验研究、预应力材料及工艺设备、施工工艺等方面日新月异。随之预应力混凝土桥梁病害问题也日渐突出, 预应力钢棒凭借自身在结构受力、便于施工等明显优势, 定会在短距离直线预应力得到广泛的应用。而目前国内外的设计和施工尚无相应的技术规范和标准, 可供借鉴经验的工程实例也不多。在此种情况下, 只能靠现场认真细致的施工总结研究, 实行动态调整, 在确保安全、质量的前提下优化设计和调整施工工艺, 来总结出一套相对完整、成熟的工艺方法和施工流程, 为后续同类型项目的施工提供参考。
1 无粘结预应力钢棒设计原理及特点
无粘结预应力钢棒原材料为中低碳合金钢, 通过冷拔调质工艺得到金相组织为回火索氏体。回火索氏体与索氏体相比较, 其析出的碳化物呈球状弥散地分布于基体中, 故回火索氏体具有更好的综合机械性能, 其延伸率达到7%以上, 一般可以做到10%。钢棒采用的调质工艺强度, 比精轧螺纹钢筋高, 比钢绞线低, 延伸率优于前两者。延伸率的提高使其比钢绞线及精轧螺纹钢筋有更强的抗震吸能性。
无粘结预应力混凝土钢棒螺纹锚具组件在混凝土结构短距离的锚固中, 解决了现有精轧螺纹钢锚自身强度低, 通过增大其截面尺寸以达到锚固载荷要求;也解决了钢绞线夹片回缩量大;造成应力损失大的缺点。
2 无粘结预应力钢棒施工工艺流程及操作要点
2.1 工艺流程
(1) 安装梁或板模板;
(2) 在模板上放出无粘结预应力钢棒的位置线;
(3) 下部非无粘结预应力钢棒铺放、绑扎;
(4) 安装管线预留、预埋;
(5) 安装无粘结预应力钢棒张拉端模板;
(6) 铺放无粘结预应力钢棒;
(7) 修补破损的护套;
(8) 铺放上部非预应力筋;
(9) 隐蔽工程检查验收;
(10) 混凝土浇灌及养护;
(11) 松动穴模、拆除侧模、将穴模内部清理干净穴模内部清理干净;
(12) 张拉无粘结预应力钢棒;
(13) 切除多余无粘结预应力钢棒;
(14) 安装封端罩、端部封闭。
2.2 施工准备
(1) 做好无粘结预应力钢棒及锚具的检验、试验;
(2) 根据设计要求确定无粘结预应力钢棒的长度及根数;
(3) 计算出每根预应力筋的张拉值及伸长值;
(4) 检验同条件养护试块的强度是否达到设计强度的75%以上;
(5) 检测好各种机具、设备, 标定好仪表的油压表读数与千斤顶荷载;
(6) 张拉前测量好无粘结预应力钢棒的外露长度。
2.3 模板支设
底模板在建筑物周边要挑出30cm~40cm, 以便早拆侧模, 松动穴模, 侧模支设要牢固, 以便于可靠固定无粘结预应力钢棒的端部连接件。
2.4 无粘结预应力钢棒的铺设
(1) 底模安装好后, 在模板上标出无粘结预应力钢棒的位置, 并逐根编好号。
(2) 无粘结预应力钢棒与预埋管线发生矛盾时, 预埋管线要稍做移动, 为无粘结预应力钢棒留出空间。
(3) 板中的无粘结预应力筋用间距@1000~1200的马凳钢筋控制无粘结预应力钢棒的标高, 马凳与上部的通长钢筋用电焊固定, 与无粘结预应力钢棒绑扎连接, 梁中的无粘结预应力钢棒与钢筋进行绑扎, 以确保在混凝土浇筑过程中不发生移位。
(4) 无粘结预应力钢棒铺设完毕, 根据编号逐根核查根数和铺设质量, 在铺设过程中如果护套有破损处, 应对破损部位用塑料胶水密性胶带缠绕修补, 严重破损的要报废。
(5) 铺设完毕的无粘结预应力钢棒应露出端模板30cm, 以利于张拉。
2.5 混凝土的浇筑及振捣
混凝土浇筑前要进行隐蔽验收, 重点检查无粘结筋的矢高、位置及端部状况。混凝土浇筑时, 严禁踩踏碰撞无粘结筋、马凳支架以及端部连接节点, 张拉端混凝土必须振捣密实。
2.6 施工张拉
无粘结预应力钢棒张拉使用穿心式千斤顶, 可采用单向张拉或双向同时张拉。
(1) 首先将张拉头通过螺纹连接到张拉杆上;
(2) 其次将张拉头与张拉杆组件通过螺纹连接预应力钢棒的张拉端外露丝扣上;
(3) 再将张拉杆后端的螺母取下;
(4) 再将千斤顶套在张拉杆上, 并将螺母旋上;
(5) 再按照千斤顶的操作规程, 开始张拉;
(6) 张拉到规定的力后, 摇动锁紧手柄, 将锚固螺母锁紧;
(7) 卸除张拉力, 并将张拉杆后端的螺母取下;
(8) 再取下千斤顶和张拉头组件, 一次张拉完成。
2.7 封端保护
张拉后应立即进行封端保护, 用手提砂轮切割机切除张拉后多余的预应力钢棒, 切割处离夹片不小于30mm。对凹槽先刷环氧树脂, 给钢棒加塑料帽, 再用微膨胀混凝土进行密封。
3 无粘结预应力钢棒螺纹锚具的优点
预应力混凝土钢棒螺纹锚具组件, 性价比优于精轧螺纹锚具和钢绞线夹片锚固。锚固采用支承式螺母锚具, 锚固可靠性能高, 危险性小, 坚固性更强。预应力钢棒直径小, 工程造价低低, 容易施工, 降低了钢筋的使用数量。有效地控制了构件的变形, 从而解决了现有预应力混凝土结构中夹片锚固回缩力大, 锚固效率低的缺点, 也解决了精轧螺纹锚强度低、钢材用量大的缺点。
(1) 预应力混凝土钢棒螺纹锚具组件与精轧螺纹钢锚比较
精轧螺纹钢锚强度低、延伸率低, 而预应力混凝土钢棒螺纹锚具组件强度高、延伸率高。精轧螺纹钢锚钢筋直径大, 造成钢材浪费, 而预应力混凝土钢棒螺纹锚具组件预应力钢棒直径小, 可节约25.2%的钢材。
(2) 预应力混凝土钢棒螺纹锚具组件与钢绞线夹片锚比较
钢绞线夹片锚具锚固回缩量、应力损失大, 在3mm以上, 而预应力混凝土钢棒螺纹锚具组件锚固螺母的螺距设计为1.5mm, 其锚固回缩量很小, 不超过0.5mm, 锚固时应力损失小。钢绞线夹片锚具锁紧方式是通过钢绞线应力回缩拉紧, 应力损失量不确定, 施工时张拉力参数不准确, 而预应力混凝土钢棒螺纹锚具组件是通过高强度锚固螺母锁紧, 锚固应力损失小, 施工张拉力准确。
采用无粘结省去了传统的后张法预应力混凝土的预埋管道、穿束、压浆、割除多余钢筋等工艺, 减少了定位管道钢筋数量, 简化了工艺, 缩短了工期。同时采用无粘结时、没有振捣漏浆的风险;减少了由于压浆不实, 预应力筋应力腐蚀的风险;与混凝土隔绝, 没有氯离子腐蚀的风险, 提高预应力施工质量。
4 工程应用
某三跨预应力混凝土连续刚构箱梁桥, 跨径为 (95+180+95) m主桥上部构造按全预应力混凝土设计, 纵向及竖向、横梁预应力钢束采用270级钢绞线, 单根钢绞线直径15.24mm, 公称面积139mm2, 弹性模量1.95×105MPa, 设计锚下张拉控制应1395/1302MPa。纵向预应力束管道采用塑料波纹管成孔, 真空辅助压浆工艺。横、竖向预应力束 (筋) 管道采用预埋金属波纹管成孔。
针对0#块梁高较大, 采用两次浇筑。钢绞线及波纹管会干扰浇筑施工。钢绞线极易被电焊损伤, 波纹管容易被振捣棒碰破而造成漏浆, 导致管道压浆效果不佳。精轧螺纹钢又存在预应力损失大的缺点, 故在0#块处采用无粘结预应力钢棒。
主要施工流程包括:
(1) 当桥梁结构主墩施工至距离顶面2m时, 搭设桥梁主梁的施工模板, 并放样锚固端无粘结预应力钢棒的位置线;
(2) 从0#块梁底铺设并绑扎主梁的普通钢筋至1/2梁高;
(3) 对锚固端无粘结预应力钢棒进行铺放、绑扎;
(4) 铺设并绑扎0#块1/2梁高至梁顶普通钢筋, 绑扎过程中对相应位置的预应力钢棒进行绑扎固定;
(5) 安装无粘结预应力钢棒张拉端模板;在模板上放样张拉端无粘结预应力钢棒的位置线;
(6) 对张拉端无粘结预应力钢棒铺放、绑扎、固定;
(7) 浇筑梁体混凝土并养护;
(8) 梁体养护强度达规范要求后松动穴模、拆除侧模、将穴模内部清理干净穴模内部清理干净;
(9) 通过千斤顶, 张拉端张拉无粘结预应力钢棒并进行固定。
(10) 切除多余无粘结预应力钢棒;
(11) 安装封端罩、端部封闭。
结语
随着预应力混凝土桥梁的发展, 无粘结预应力钢棒凭借自身在结构受力、便于施工等的明显优势, 极大的简化了施工工艺, 降低了施工过程中人为质量事故风险, 能极大提高整体施工质量, 并且解决了现有预应力材料施工技术难题以及质量隐患, 形成新工艺、新材料的成熟应用技术, 具有广泛的推广前景。
参考文献
[1]GB50204—2002, 混凝土结构工程施工质量验收规范[M].北京:中国建筑出版社, 2002.
钢棒切断机的选型与使用 篇3
钢棒切断机是预应力钢筋混凝土桩生产的必备设备,切断机的切断速度直接影响桩的生产效率,切断精度直接影响桩的质量。钢棒切断机由早期的国外进口、仿制、到今天的自主研发,经历了20多年的时间,目前国产的切断机已基本满足了各类预应力桩的生产要求。钢棒切断机从切断方式上大致分为砂轮切断、冲床切断和液压切断;从送料方式上可分为固定式(停止送料状态下)切断和连续式(连续送料状态下)切断。因每种切断机各有其特点,到目前为止在生产中都有应用。但就切断方式上讲,砂轮切断机因其噪声大、效率低、耗材高、污染环境及影响镦头质量,已逐步淡出市场。本文着重讨论固定式切断机和连续式切断机对切断速度和切断质量的影响。
1 钢棒切断机的工作原理
固定式钢棒切断机(见图1)和连续式钢棒切断机(见图2)的结构都是由放料盘、送料机构、切断机构及钢棒导槽、落料板等组成。不同之处在于:固定式切断机是快速送料至钢棒端头到达设定长度后(利用编码器检测长度),送料机构切换至慢速送料,并开始制动放料盘,当钢棒端头碰到切断开关后,夹紧机构夹持钢棒,使钢棒静止,然后切断装置将钢棒切断,落料后各机构复位,继续下一循环;连续式切断机是快速送料至钢棒端头碰到定长挡块后,钢棒继续推动定位挡块及切断机构向前运动,定位挡块离开初始位置,切断装置开始切断,切断中送料轮停止送料并同时制动放料盘,切断过程中钢棒在惯性作用下继续带动切断机构向前运动,落料后各机构复位,继续下一循环。
综上所述,两种切断机最大的区别在于钢棒处于静态条件下切断和动态条件下切断,静态下切断必然影响切断速度,所以固定式切断机切断效率受到限制,动态下切断时只要切断机构导轨足够长,切断速度几乎可以无限提高,且不影响切断精度。
2 影响切断机生产效率及切断质量的主要因素
钢棒切断机的生产效率和切断质量是用户最为关注的性能指标,生产效率直接影响管桩产量,切断质量尤其是切断精度直接影响骨架钢筋张拉时每根钢棒承受张拉力的均匀性,从而影响管桩质量,切断过程中钢棒直线度的保证程度直接关系到能否有效切断和切断后在自动镦头过程中的顺利进行。以下就影响切断机切断速度及切断质量的主要因素进行讨论。
2.1 送料速度对切断精度的影响
我们希望在确保切断精度的条件下,尽可能提高切断速度。对于固定式切断机来说,尽管可以得到很快的送料速度,但在切断前需要钢棒静止下来才能切断,这就需要切断前降低送料速度,送料速度越快,需要的减速距离和时间也就越长,如果减速距离不够,切断前就不能使钢棒静止下来,切断精度就得不到保证,所以固定式切断机无法实现高速送料条件下高精度切断,切断速度一般远小于送料速度。对于连续式切断机来讲,切断时不需要停止送料,钢棒和切断装置一起向前运动,只是瞬间减速,送料速度对切断精度几乎没有影响,所以连续式切断机可以在高速送料条件下保证高精度切断,切断速度可达85m/min以上。
2.2 钢棒刚度对切断精度的影响
由于切断机工作原理上的差异,钢棒刚度对切断精度的影响也不相同,对于固定式切断机来说,切断时只需钢棒慢速触碰到切断开关就完成一次切断,钢棒所受阻力仅仅是触碰切断开关的阻力,所以钢棒的刚度对固定式切断机精度影响可以忽略,但对于连续式切断机来说钢棒的刚度对切断精度就会造成一定的影响,因为切断时钢棒要顶到定长挡块并由刚性连杆带动切断机构一起向前运动,并在运动中切断,刚度较小的钢棒(如覫7.1mm)可在导槽内产生的一定的弯曲,从而导致实际切断长度略长于设定长度,而刚度好的钢棒(如覫9.0mm以上)切断时精度可达±0.2m。
2.3 切断机构运动阻力对切断精度的影响
连续式切断机在切断刚度较小的钢棒时,对切断精度会造成一定的影响,所以降低切断机构的运动阻力可以有效减少切断误差,切断机构运动副采用精密直线导轨可有效降低运动阻力,对提高小直径钢棒的精度效果显著,另外,在落料板上加装轴承,也有利于提高切断精度,同时减少落料板的磨损(如图3所示)。固定式切断机在钢棒静止状态下切断,没有运动机构,只存在导槽阻力,所以运动阻力对切断精度影响很小。
2.4 定长机构对切断精度的影响
两种切断机最大的区别之一就是定长机构的结构:固定式切断机是以钢棒端头触碰定长切断开关,当钢棒触碰到切断开关时,钢棒夹紧机构夹紧钢棒使其完全静止,并随后切断,其精度取决于钢棒触碰到切断开关前的送料速度,当减速后的运料速度较快时,钢棒夹紧机构不足以使钢棒立即静止下来,钢棒可能越过切断开关,这时就会造成很大的切断误差。连续式切断机是在钢棒连续送料至端头触碰到定长限位挡块后,并带动挡块及切断机构继续向前运动,切断机构离开原始位置就立即接收到切断信号,同时上送料轮脱开钢棒,钢棒只在惯性作用下连同切断机构继续向前运动,切断后切断装置立即复位,整个切断过程中钢棒一直是运动状态,只要切断机构导轨足够长,钢棒运动速度和切断精度无关,只与钢棒的刚度和运动阻力有关,因为切断刀和定长挡块之间(即定长尺寸)是通过刚性杆件连成一体,可以确保切断精度。
另外,随着近两年来全自动切断镦头机的广泛应用,自动定长装置的使用也使切断精度进一步得到提高,因为将所有规格的定长挡块固定在预定位置,只要在操作箱上选取所需切断长度,就会自动切出相应尺寸的钢棒,完全消除人工调整定长挡块所产生的误差。
2.5 钢棒转运、吊装对切断质量的影响
钢棒生产后在收线机上卷成覫2200～覫2400mm的盘状打包出厂,卷成这个规格时钢棒处在弹性变形的范围内,即开包后立即恢复为平直状态,从钢棒出厂到切断要经历几次转运、吊装,很多单位只用一根钢丝绳单点吊装,这样吊装很容易造成钢棒产生塑性变形,导致切断时因钢棒弯曲脱离导槽不能切断或无法实现自动镦头,另外单点吊装也会造成放料盘因受力不均早期损坏或变形,所以吊装钢棒时,应尽可能采用三点均匀吊装或使用专用吊具。
2.6 切刀对切断质量的影响
切刀作为切断机的重要工作部件,使用不当不仅影响切断质量,而且严重影响使用寿命,切刀由上刀(动刀)和下刀(静刀)两部位组成(如图4所示),上刀可以通用,而下刀要根据切断钢棒直径更换相应孔径的刀片,否则就会降低下刀的使用寿命,造成钢棒断口不平,影响镦头质量;切刀磨损后要及时修磨,修磨时一定要在水中冷却防止硬度损失,因为切刀多用Cr12MoV材料制造,淬火后回火温度一般在200℃以下,硬度保持在HRC60～65之间,修磨温度一定要控制在回火温度以下,另外,上下刀间隙也要控制在0.2mm以内,以保证钢棒断口平齐。
3 切断机的优化设计
3.1 放料盘的改进
放料盘做为切断机的重要组成部分,有的企业对放料盘的作用重视不够。事实上放料盘对于切断机能否正常工作,保证切断速度与切断精度起到重要的作用,主要体现在以下几个方面。
3.1.1 放料盘的直径
成盘的钢棒外圆直径约在覫2200～覫2400mm之间,放料盘直径应该在覫2800mm以上才好,因为钢棒开卷后弹性很大,增大料盘直径可有效释放弹力,不易伤人;另外,当送料中止时(如切断的瞬间),而制动装置不足以使转动的放料盘立即停下来,这时钢棒会继续向料盘外输送,使钢棒弯曲,而放料盘直径足够大时,钢棒就会有足够的空间在放料盘内被吸收———以盘料直径变大的形式,提高料盘频繁启停的适应能力。
3.1.2 制动可靠
对于固定式切断机,切断时瞬间送料会完全停止,放料盘的制动功能非常关键,如果放料盘制动响应速度慢,钢棒就会在惯性的作用下继续向前送料,这时钢棒就会弯曲(不可恢复的塑性变形),在随后的送料过程中,脱离导槽,感应不到切断信号而不会切断;对连续式切断机切断瞬间送料轮会脱开,钢棒完全由惯性前进,但送料速度也有所降低,这时放线盘的制动功能使料盘减速,也是有益的,所以制动功能的响应速度决定着切断机送料速度的快慢。
3.1.3 放料盘结构的改进
放料盘主要由两部分组成,如图5所示。
图5中的A是与底座连成一体的外护罩部分,该部分的外边部分和出料口部分装有滚轴;B是放置钢棒并随钢棒一起旋转的转盘部分,一盘钢棒有两个端头,当钢棒开卷后,外面端头被拉出放线盘输送到切断机,另外一个端头由于在弹力的作用下会随转盘的旋转不断和外护罩摩擦,由于钢棒弹性大,硬度高且端头锋利,很快就会磨漏护罩及外部滚轴,同时产生很大噪音,另外,由于外护罩与转盘间制作时必须留有一定的间隙,当间隙大于钢棒直径时,就会有钢棒落入间隙内,造成转盘卡死,为此我们对转盘进行了改进,即在转盘外缘部分加装了一圈250～300mm的挡板,挡板高度低于出料口水平滚轴,这个高度对出料不会造成影响,这样钢棒的另一端头就完全被拘束在挡板内与挡板亦无相对移动,与护罩也就没有了摩擦和产生噪音,外护罩的滚轴也就没有了存在的意义,从而降低了料盘造价,另外,由于设置了挡板,也就不必担心钢棒进入护罩与转盘的间隙内,制作时不必严格控制间隙,降低了制造的难度。
3.1.4 切断机与放料盘的距离
切断机与放料盘的安装距离不应少于3m,距离太近时,在送料停止时,就可能因钢棒弹性大而在放料盘惯性作用下弹出,造成安全隐患,或造成钢棒弯曲,不利于切断及自动镦头。
3.2 切断机加装除锈装置的必要性
管桩生产企业往往按一定批量购进钢棒,一般不能在短时间内用完,由于车间内蒸汽的存在,使得湿度较大,存放时间较长钢棒表面就会产生锈蚀,尤其是盘料的最外几层钢棒,锈蚀严重的钢棒对镦头质量影响很大,这是因为锈蚀层会大大增加钢棒表面与夹具的接触电阻,而采用正常参数镦头时,加热电流就会减小,造成“冷镦”,而随着盘料内层钢棒锈蚀的减轻或消失,接触电阻恢复正常,这就是操作人员所说的镦头机工作不稳定的主要原因,而实际上并不是镦头机本身的问题,而是钢棒表面电阻值发生变化而导致的[1]。人工镦头时,可以通过调节镦头机工作参数补救,但随着自动切断镦头一体机的应用,人工补救显然已不适宜,所以在切断机上加装除锈装置就非常必要了。很多业内人士担心自动镦头质量不稳定,其主要是由钢棒表面锈蚀导致镦头质量波动造成的。除锈后的钢棒不仅可以获得稳定一致的镦头质量,在随后的滚焊过程中也同样可起到提高焊接质量的作用。
4 结语
综上所述,两种钢棒切断机在工作中都存在各自的优点与不足:对于固定式切断机,切断精度基本不受切断机构运动阻力和钢棒刚度的影响,但受送料速度影响很大,由于送料速度的变化频繁,所以固定式切断机不适合高速切断;而对于连续式切断机,切断精度受到切断机构运动阻力和钢棒刚度的影响,但基本不受送料速度的影响,所以连续式切断机非常适合高速切断。此外,优化放料盘结构和增加钢棒除锈功能,有利于稳定镦头质量,实现自动化生产。
参考文献
基于机器视觉的钢棒自动计数系统 篇4
近年来,计算机技术与图像处理技术的快速发展,使计算机视觉技术在工业生产中在线检测的应用日益广泛。但工业应用现场环境恶劣,图像背景复杂,如何构建系统及准确提取有用目标,是决定系统成败的关键。本文介绍了2006年成功应用在湘潭钢铁集团有限公司二棒材厂的棒材计数系统的硬件设计、软件技术及系统在实际生产中的应用情况。
1 系统原理及构成
湘钢二棒成品打包设有四个工作区,打包工作面是一个近似室外的开放式环境,光照变化大;打包工作区背景复杂,不时有工作人员、行车等移动物体;需要识别的棒材规格范围大,从50～200 mm,且一捆棒材的数目从几根到99根不等;由于棒材规格的不同,其重量差异也很大;小规格棒材在滚落过程中会发生翘起或撞击,导致端面不齐,有时边缘互有遮挡,还有的棒材隐匿于落下的棒材中,也增加了准确识别棒材数量的难度。
针对现场恶劣环境和不利因素,设计了钢棒自动计数系统的系统结构,如图1所示。四个工作区分别设计了四个CCD摄像系统,每个CCD摄像系统包括摄像头、摄像头保护装置、氮气定时吹扫装置、工作面灯光以及云台等。
根据机器视觉的光学特性,通过调控光源及摄像机的角度,在白天和晚上分别采用不同的光源亮度,这样不管是白天还是晚上,都可以通过摄像机获得清晰的棒材堆放垂直截面图。截面图由采集卡输入下位计算机,下位机对采集到的图像进行分析、处理与模式识别,得到该捆棒材的钢棒数量,识别结果连同生产线相关信息被送入服务器数据库进一步处理,并生成各种现场生产信息统计报告。同时上位机还与轧线控制与调度管理系统进行实时通信,每次打包的钢材规格、钢棒数量、重量等信息,都被传送到轧线控制与生产调度管理系统。生产调度系统会随时将炉号、材质、轧制规格等信息传送到自动计数系统,自动计数系统根据计数结果和生产调度系统提供的生产信息,进行处理与判断。当可能出现混质、混号等情况时,自动计数系统将报警提示操作人员正确操作分钢机,将不同批号、不同材质的钢棒分开打包入库,从而有效防止混质、混号事故的发生。
2图像处理软件设计
2.1图像增强与滤波
由于现场环境恶劣、背景复杂,图像质量受到较大影响,因此,在对图像进行分析之前,必须对图像质量进行改善和增强[1,2,3,4]。系统为提高图像的可识别度,采用图像增强方法将图像中感兴趣的特征有选择地突出,并衰减不需要的特征。图像增强的方法分为空域法和频域法两类,根据现场图像特点采用频域法实现图像的增强,即在图像的某个变换域内,对图像进行操作,修改变换后的系数,再进行反变换得到处理后的图像。
低通滤波在消除噪声的同时,也会将图像中的一些细节模糊掉。为了达到既去除噪声又保持图像细节的目的,我们采用了一种非线性滤波方法,即中值滤波,其工作原理如下:
(1)将模板在图像中漫游,并将模板中心与图中某个象素位置重合;
(2)读取模板下各对应象素的灰度值;
(3)将这些象素的灰度值进行升序排列;
(4)找出队列中的中间值;
(5)将这个中间值赋给模板中心位置的象素。
图2为采用图像增强与滤波处理后的图像与原始图像的对比,经实际应用表明采用中值滤波处理,可有效提高图像识别率。
2.2边缘提取
基于视频的目标提取可以分为两种类型,一是目标边缘提取,二是目标区域提取。经典的边缘检测方法是构造对象素灰度级阶跃变化敏感的微分算子,如拉普拉斯算子、Roberts梯度算子、Sobel梯度算子等。通过构造算子模板进行边缘检测具有计算速度快的优点,但由于阈值选择不合适,得到的检测图像,目标边缘往往是断续的、不完整的结构信息[3,5,6,7,8]。且边缘检测方法对噪声比较敏感。边缘特征受噪声影响较大,而区域特征受噪声影响却要小得多。区域分割的原理是根据区域的相似性以及区域间的差异,将一幅图像分割成若干互不交迭的区域。但区域分割中若阈值选择过高,则过多的目标点将误归为背景,反之会出现相反情况。这势必影响分割出来目标的大小和形状,甚至会使目标丢失,因此确定阈值是区域分割的核心[6,9]。目前区域分割方法中较为经典的自动阈值计算方法主要有双峰法、迭代法、大津法(OTSU法)[4,7]、灰度拉伸大津法[5,8]、Kirsh算子法等几种。
针对目标获取的两种策略,作者分别选取两类方法中的一种算法进行了对比实验。从区域提取法中选用大津法,其原理是计算一个阈值使图像分为两类,并使类间距离(方差)取最大。边缘提取法选用拉普拉斯边缘算子法,在拉普拉斯方法中,首先利用拉普拉斯算子运算,然后进行细化,最后除去孤立的长度小于某个阈值的线段,得到的边缘信息就认为是目标的边界。
图3是典型方法与本系统采用方法的实验结果对比图。图3(a)是系统运行过程中的一张典型抓图,我们的目标就是将图中所有圆柱状棒材自动识别出来。图3(b) 是利用大津法得到的边界结合哈夫(Hough)变换[3]和K-聚类算法[3]之后得到的圆的定位(图中用一个黑点表示),图3(c) 是拉普拉斯法得到的边界结合哈夫变换和K-聚类算法之后得到的圆的定位。从图3(b)和图3(c)中,我们看到仅运用单阈值法或边缘检测方法,都会失去很多边界信息。因此,在实际应用时,这两种方法都不能很好地将全部目标检测出来。本系统设计采用大小两个阈值,并结合数学形态学算法尽可能多地提取相邻圆之间的边界。较小的阈值,能保证目标中灰度值比较低的部分从背景中分割出来。较大阈值的选取,则能保证正确分割出由于钢棒之间的空隙区域光线衍射而导致灰度值过高的背景区域,即提高了高灰度值区域目标的检测。该方法可较好地将全部目标检测出来,如图3(d)所示。
2.3样本学习
由于需要固定样本进行分类识别指导,因此在系统初始化的时候,需要对不同规格的棒材进行样本学习,如图4所示。图4(a)中黑框所圈的棒材即为所选定的一个需要学习的棒材样本(图中棒材为90 mm钢棒)。通过Hough变换,可计算出所选规格棒材在图像中的特征信息,也就是可将棒材的实际直径与图像中的截面直径所占象素数目对应起来。规格为90 mm钢棒对应图像中的圆截面直径象素值为47,其图像处理结果如图4(b)右下角图形所示。整个过程可以反复学习,以取得最佳样本。
2.4棒材计数
Hough变换是利用图像全局特性,将边缘象素连接起来,组成区域封闭边境的一种方法。利用Hough变换可以方便地得到边界曲线,并将不连续的边缘象素连接起来,主要优点是受噪声和曲线间断的影响较小。Hough变换不仅可以用来检测直线和连接在同一条直线上的点,也可以用来检测曲线,如圆。圆的方程为:
(x-a)2+(y-b)2=r2 (1)
式中,a,b为圆心坐标;r为圆半径。这样需要在参数空间构造一个三维的累加数组A,其元素可写为A(a,b,r)。
由于已知象素点,我们可以通过空间变换公式求得圆心坐标,变换公式如下:
undefined
采用k-近邻方法对已得出的圆心进行归类判别。假设棒材直径的类别数为c,则存在棒材规格样本集ω1,ω2,…,ωc,ki为通过Hough计算得到的近邻中属于ω1,ω2,…,ωc类的样本数,其中i=1,2,…,c。
定义的判别函数为:
gi(x1)=ki, i=1,2,…,c (3)
决策规则为:
若undefined
则决策x1∈ωj (4)
图5为计数系统在运行过程中所得到的棒材识别结果图。图中白色框中的数字为经过Hough计算后,最接近圆心的象素数量。
3实验结果与分析
我们对600幅图像分别利用基于大津法、拉普拉斯边缘算子及本系统采用的方法得到的边界进行了对比实验。结果如表1所示,其中识别率是指目标是钢棒且能正确识别的比率,错误率是指本来不是钢棒而误识别为钢棒的比率。平均运算时间是指对一幅图像的计算时间。表1数据的获取是基于Windows 2000操作系统及同一硬件环境:2 GHz赛扬CPU,256 MB内存,64 MB显存。
通过表1中的实验结果可以看出,前两种方法都是由于边界不足而导致识别率比较低。当然,如果哈夫变换时能降低判别的阈值,识别率就能大大提高,但是同时错误率也会急剧提高。尤其当棒材规格较小或者排列不整齐时,将会大大提高后续验证算法的复杂度。从表中我们还可发现大津法的错误率比较高,那是由于对于不同背景的图,大津法分割并不能都达到图3(b)那样令人满意的效果。大津法的运算时间很大部分是由计算阈值花销的,而拉普拉斯的运算时间主要由滤波除噪等操作花销,本系统采用算法的运行时间主要花销在多次腐蚀、开启和闭合上(注:本系统对计数并不要求达到实时)。
从表1我们还可以看出本系统所采用的算法与传统的算法比较,检测精度提高显著,所采用算法的检测精度可以满足棒材生产线打包计数的要求。采用本算法编写的棒材计数系统识别钢棒快捷、准确,可以替代人工点数,从而可取消打包计数员岗位,重要的是棒材自动计数系统能将信息快速反馈到控制台,保证分钢准确,避免打包时出现混号和混质等事故。
4结束语
在进行系统设计时,针对传统方案和算法的不足,充分考虑工业生产现场的不利因素,在硬件配置上采用相应措施,有效避免周围环境变化、光线强弱、粉尘和电磁干扰等对系统的影响;在软件设计上,通过对图像进行增强、滤波及采用先进图像处理算法等方案,保证系统长期稳定可靠运行,且计数准确。本系统已在湘潭钢铁公司棒材生产线投入使用,系统对ϕ50～200 mm之间的各种钢棒进行了实时测试,并通过反复学习,建立了相应特征库。经用户在各种不同环境下测试使用,平均识别率达到98%以上,识别率较高,可满足棒材生产线在线钢棒数量自动识别的要求。
总之,经实际应用证明该系统具有较强的适应性、可移植性,系统维护简单,操作方便,且具有较好的自学习能力,充分利用专家经验,可保证较高的识别率,能避免混号和混质事故的发生,经济效益和社会效益明显,可在棒材生产线推广应用。
摘要：研究了一种基于机器视觉和图像处理的钢棒在线自动计数系统,为该系统设计了一种可从复杂背景图像中提取圆形目标的双阈值结合数学形态学运算的分割算法,并对如何在生产过程中获得复杂背景下钢棒的清晰图像,提取钢棒不同规格的特征参数进行了讨论。系统采用模块化硬件设计,图像处理软件满足实时检测的要求,可以有效地检测出打包的棒材数量。该系统在湘钢使用后,棒材识别率达98.8%,错误率为0,具有显著的经济效益和社会效益。
关键词：图像识别,钢棒计数,机器视觉
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