建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人研究與應(yīng)用

王磊

1. 建筑鋼結(jié)構(gòu)工件特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)由于以下特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化焊接存在著較大瓶頸。

第一，建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件大多是非標(biāo)設(shè)計(jì)、單件生產(chǎn)的情況，工件設(shè)計(jì)趨于個(gè)性化，導(dǎo)致焊縫沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使傳統(tǒng)的示教再現(xiàn)型機(jī)器人難以應(yīng)用。

第二，柱子形式以使用焊接箱型、十字、H型柱為主， 結(jié)構(gòu)件尺寸、重量很大（見(jiàn)圖1），傳統(tǒng)變位、裝夾方式很難適應(yīng)，在車間焊接時(shí)只能依靠天車翻轉(zhuǎn)工件的方式，變位效率低。當(dāng)采用變位機(jī)裝夾時(shí)，由于工件多為桿件，中間還設(shè)置有牛腿，所以簡(jiǎn)單的兩頭裝夾變位，在其自重的影響下很容易造成工件的撓度變形，因此需要研究新形式的變位機(jī)。

第三，工件的切割下料、組裝等前道工序加工精度低，板厚也普遍在20~30mm以上，但是大部分焊縫需開坡口焊接，并且需要多層多道焊，焊接工藝要求高，焊接難度大，這對(duì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊造成了一定困難，對(duì)機(jī)器人的厚板焊接能力、智能識(shí)別焊縫的能力要求更高。

2. 國(guó)內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)主要包括：①建筑鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)從節(jié)能、節(jié)材、降低成本出發(fā)，開始重視標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，著重進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)工件的結(jié)構(gòu)、焊縫規(guī)范化設(shè)計(jì)。②鋼結(jié)構(gòu)住宅、學(xué)校、辦公及商業(yè)設(shè)施將快速發(fā)展，軋制型鋼開始成功運(yùn)用，特別是方鋼管開始普及。③近年來(lái)國(guó)內(nèi)用工成本直線上升，焊接作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，滿足技能要求的焊工越來(lái)越難招，并且人員流動(dòng)性越來(lái)越大，企業(yè)留住焊接技師的難度逐年增加。④業(yè)主對(duì)項(xiàng)目工期、焊接質(zhì)量的要求越來(lái)越高。⑤其他行業(yè)機(jī)器人的大量應(yīng)用實(shí)踐證明，機(jī)器人焊接的運(yùn)行成本低于手工焊接。

基于上述發(fā)展趨勢(shì)，很多鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)開始關(guān)注機(jī)器人焊接，我公司也開始與鋼結(jié)構(gòu)用戶進(jìn)行廣泛的技術(shù)交流。

3. 其他行業(yè)焊接機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展情況

在介紹建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)機(jī)器人焊接系統(tǒng)之前，首先了解一下目前中厚板焊接機(jī)器人在其他行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展情況。

國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)在2007年以前基本都是手工、半自動(dòng)焊接，經(jīng)過(guò)6年的發(fā)展，整個(gè)行業(yè)已累計(jì)安裝約2 000臺(tái)套機(jī)器人焊接系統(tǒng)及生產(chǎn)線，機(jī)器人系統(tǒng)在整個(gè)行業(yè)中承擔(dān)著大部分中厚板焊接工作，在工件的制作過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。

目前國(guó)內(nèi)的工程機(jī)械、煤炭機(jī)械、機(jī)床、電力等行業(yè)均大量采用了厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)。在各種行業(yè)的成功運(yùn)用，充分證明了厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)的技術(shù)成熟、穩(wěn)定，也為建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)研發(fā)機(jī)器人焊接系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 箱型柱

近兩年機(jī)器人焊接系統(tǒng)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)同樣得到了迅猛發(fā)展，鋼箱梁板單元的廠內(nèi)制造及現(xiàn)場(chǎng)拼裝在2011年之前都是采用手工半自動(dòng)焊接，2012年以港珠澳大橋工程為契機(jī)，國(guó)內(nèi)橋梁行業(yè)普遍采用了板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)，使機(jī)器人焊接系統(tǒng)得到了迅速的推廣及應(yīng)用。

4. 建筑鋼結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接系統(tǒng)

國(guó)外建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展近況：①工件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，形成批量制造。②結(jié)構(gòu)形式為軋制方管、圓管、H型鋼為主。③工廠制造和安裝現(xiàn)場(chǎng)普遍使用機(jī)器人焊接。各種鋼結(jié)構(gòu)工件的機(jī)器人焊接系統(tǒng)以及焊縫外觀如圖2、圖3所示。

通過(guò)比較國(guó)內(nèi)、外建筑鋼結(jié)構(gòu)工件形式、焊縫的差別，總結(jié)吸取國(guó)外機(jī)器人焊接系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)以及成熟的工件裝夾、變位技術(shù)，唐山開元機(jī)器人系統(tǒng)有限公司研發(fā)了適用國(guó)內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)工件的機(jī)器人焊接系統(tǒng)：柱組裝機(jī)器人焊接系統(tǒng)。并且在國(guó)內(nèi)某大型鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)中成功應(yīng)用，該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)焊接的實(shí)景如圖4所示。

該套系統(tǒng)能夠焊接建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的H柱、梁，箱型柱，十字柱等多種工件，是一套兼容性很強(qiáng)的機(jī)器人焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)由神鋼弧焊機(jī)器人ARCMAN—MP、神鋼焊接電源UC500、籠式開口變位機(jī)、三軸移動(dòng)裝置、控制電腦、離線編程系統(tǒng)及智能編程系統(tǒng)組成。系統(tǒng)控制總軸數(shù)達(dá)到11軸，采用雙工位、單機(jī)器人布置，在滿足機(jī)器人焊接的同時(shí)，又方便客戶進(jìn)行手工補(bǔ)焊。系統(tǒng)使用了籠式開口變位機(jī)用于工件的變位，不在工件的兩端裝夾，很大程度上避免了工件由于自重產(chǎn)生的變形，同時(shí)采用國(guó)外成熟的變位機(jī)開口設(shè)計(jì)，方便了工人上、下工件，提高了整套設(shè)備的生產(chǎn)效率。

該套系統(tǒng)在編程方面成功運(yùn)用了神鋼機(jī)器人高智能化的離線編程和智能編程系統(tǒng)。其中智能示教系統(tǒng)是神鋼最新研發(fā)的專用于橋梁、建筑鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的輔助示教編程系統(tǒng)，其工作過(guò)程是采用離線編程得到的主程序，通過(guò)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)生成執(zhí)行程序，智能對(duì)應(yīng)工件上不同位置上的相同焊縫。該系統(tǒng)專門針對(duì)橋梁、建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)工件的特點(diǎn)（多品種、小批量且具有大量類似焊縫）而開發(fā)，除具有操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)特點(diǎn)外，而且不需要現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工件進(jìn)行編程，通過(guò)輸入工件的相關(guān)參數(shù)即可自動(dòng)生成焊接程序。

5. 結(jié)語(yǔ)

柱組裝機(jī)器人焊接系統(tǒng)作為國(guó)內(nèi)首套鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的機(jī)器人焊接系統(tǒng)，這一項(xiàng)目的成功對(duì)于今后鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的積極影響不言而喻。尤其是成功運(yùn)用了籠式開口變位機(jī)、神鋼機(jī)器人高智能化的離線編程和智能編程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人免試教焊接，克服了建筑鋼結(jié)構(gòu)工件品種多、批量小、工藝復(fù)雜等制約自動(dòng)焊接設(shè)備應(yīng)用的難題，為今后建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)使用厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

圖2 圓管柱機(jī)器人焊接系統(tǒng)

圖3 方管柱機(jī)器人焊接系統(tǒng)

圖4 柱組裝機(jī)器人焊接系統(tǒng)