全自动钢筋捆扎机设计研究

全自动钢筋捆扎机设计研究

摘要:目前建筑工地、大型桥梁、道路、铁路建设、隧道建设等大型工程都需要

用到钢筋,捆扎钢筋的质量严重依赖工人熟练程度和经验。因此为了提高建筑业钢

筋捆扎作业的效率,提高生产效率，节省劳动力成本,以及得到稳定的捆扎质量。

本文设计了一款手持式自动钢筋捆扎机完全可以代替人工捆扎钢筋，设计中采用PIC16F877单片机进行自动控制电路设计，通过示波器进行系统工作参数测试，

传感器检测送丝长度和咬紧程度，并对所设计的硬件进行试验。

关键词：捆扎钢筋；PIC16F877单片机；传感器

0 研究意义

电动工具的智能化是当今世界发展的必然趋势,由于其体积小、使用便利、效

率高、能耗低等特点，已在产业上普遍使用。同时，我国制造自动工具比例不断

扩大，已经成为世界上主要的电动工具产品出口国和全球电动工具消费国。因此，未来电动工具行业发展的潜力巨大[1]。

目前国内建筑业中钢筋捆扎大多数是采用人工捆扎方式,机械化程度低。这种

方法不仅浪费了大量的时间,增加了工人的劳动强度,而且捆扎质量不易保证。国

外进口自动钢筋捆扎机，价格较贵成本较高，且若对国外产品形成了依赖，十分

不利于我国同类型产品的自主研发以及生产该产品的企业的发展。经过二十多年

的发展，我国打捆机设备的生产已经逐渐形成一个包装机械行业，各种捆扎工具

广泛应用于很多行业，称为现代工业社会必备的设备。然而我国目前所能生产制

造的打捆机多为应用于轻工、服务行业的手动、半自动和全自动打捆包装设备，

且只是一些通用型的捆扎机械，很少涉足建筑行业钢筋捆扎方式。采用自动钢筋

捆扎机大大缩短了捆扎的时间并降低了劳动成本。因此设计一种机械化的钢筋自

动捆扎机，并且可以手持，小巧方便。采用机械机构创新，实现钢筋自动捆扎，

具有结构简单，工作可靠，成本低廉，并提高了钢筋捆扎操作的安全性。同时也

为目前已有的钢筋捆扎机存在的问题提供了新的思路。

1 国内外现状

钢筋捆扎机是一种建筑用电池类智能型钢筋快速捆扎电动工具，又名全自动

钢筋捆扎机（Automatic Rebar Tying Machine）。它是一种智能化工具，内置微控

制器，能自动完成钢筋捆扎的所有步骤，可广泛应用于建筑工程领域（梁、弧、柱、梯等构件钢筋的捆扎），以代替人工捆扎钢筋。

钢筋捆扎机最早从日本开始研制，如日本美克斯（MAX）公司[2]的钢筋捆扎

机从20世纪90年代初就开始研制，1993年发明第一代产品并开始推广市场。到2012年，美克斯公司已经成功研制出第二代钢筋捆扎机产品，其性能非常好，市场份额大，但是价格也很昂贵。近十年来，国内也开始研究钢筋捆扎机系统，主

要模仿日本产品，也占领了一部分市场。最近，随着国内厂家质量的逐步改进，

部分厂家开始研发自主知识产权的产品，市场占有率也逐步增加，但是离挑战日

本美克斯的地位还有很大的差距。

2钢筋捆扎机的工作原理

首先将被捆棒材夹紧成圆形(由棒材夹紧成形装置完成) ，小机架通过升降油

缸带动∩形机构下降，∩形机构的内弧顶置于成形圆棒材的上圆顶部，扭结臂分别置于成形圆棒材截面的两侧，扭结臂下端导丝夹紧块置于成形圆棒材下圆底的下

方，便于在成形圆棒材下圆底穿捆丝，然后完成下面所述动作。

1) 送丝: 将预制好长度的捆丝放入送丝槽内，通过人工手推或自动送丝机构将捆丝送入∩形机构扭结臂下端的导丝夹紧块穿捆丝孔内，捆丝长度 1/2 的对等中点，置于∩形机构中心线的位置，使∩形机构中心线两边的捆丝的长度对等。由限位装置控制。

2) 紧丝: 将捆丝穿入扭结臂下端的导丝夹紧块穿捆丝孔后，在顶丝机构的作用下将捆丝顶压在成形圆棒材下圆底，使其不可松动。小机架在升降油缸的推动下

沿垂直轨道向上运行带动∩形机构与扭结臂的导丝夹紧块上升，同时，夹紧油缸

的活塞杆拉动拉杆，通过拉板带动扭结臂向内夹紧。由于扭结臂的上升与夹紧的

作用，捆丝将沿成形圆棒材截面的外表面运行。在∩形机构与扭结臂上升夹紧时

捆丝沿棒材外表面运行时，始终保持倒“Ω”形状的形态包裹棒材。

3) 扭结: 当∩形机构扭结臂下端导丝夹紧块带动捆丝上升、夹紧到成形圆棒材

顶圆上方所设定的扭结距离后，也就是导丝夹紧块将捆丝的两头像钳口一样夹紧。液压扭结马达通过齿轮箱的齿轮组( 即主动齿轮与被动齿轮) 、主传动轴、∩形机

构扭结臂与捆丝头开始旋转扭结，旋转到所设定的扭结角度后停止。通过夹紧油

缸将扭结臂打开。

4) 复位: ∩形机构与扭结臂在液压马达通过齿轮箱的齿轮组( 即主动齿轮与被

动齿轮) 、主传动轴带动下开始反转，扭结臂下端的导丝夹紧块两穿丝孔的中心

线反转到一定的角度后与送丝机构的中线互相重合成一条线后停止。反转后的角

度与精度由精确的定位机构控制。顶丝机构的顶压头在顶板、旋转板、连接杆、

油缸的反向运动退回到原位待命，准备下一次的捆扎。

3钢筋捆扎机的硬件电路设计

根据系统设计要求，为了进一步提高钢筋捆扎控制系统精度和扎紧力度以及

集成度，本系统PIC16F877单片机采用C语言设计了输入与输出接口、JTAG下载

接口、电源控制电路、送丝和捆扎等传感器电路和声光指示电路等。

该系统从结构上分为传感器检测单元、电机驱动单元、电源稳压单元、传感

器检测单元包括送钢丝长度检测、绕钢丝检测、霍尔传感器检测捆扎钢丝力度检测，把数据发送给决策控制器；电机驱动单元包括捆扎电机驱动单元和送钢丝电

机驱动单元，负责送入指定长度钢丝和拧紧钢丝；电源稳压单元通过TLE4275芯

片将充电池电压稳压为5V，供系统工作[3]。

3.1主控芯片的选择

本系统采用PIC16F877芯片作为核心部件，PIC16F877片内含有32KB的ROM，1024位的E2PROM和2048位的RAM，52个I/O口，2个8位，3个16位的定时

器/计数器，12路模拟输入A/D通道，5个CCP（捕捉/比较/脉宽调制）模块，2

个异步串行通信口（USART）。片内A/D转换器将1个模拟输入信号转换为对应

的10位数字量。当CCP工作在脉宽调制（PWM）方式下，在外部接上简单的低

通滤波器即可实现简单的D/A输出，该I/O口单元包括开关触发，圈数调节，捆

扎力度调节[4]。

3.2电机的驱动电路

本系统采用两片IR2110驱动芯片通过单片机输出4路PWM波来驱动H桥电

路4片MOSFET管间接的驱动直流电机，当VT1，VT4导通时，电机正转送丝，

VT2,VT3导通时，电机反转剪断和绞紧。

3.3送丝长度检测