鋼結構復雜節點自動裝配系統設計

廉 正 旭

(山西潞安工程有限公司，山西 長治 046204)

隨著施工技術的不斷進步，鋼結構建筑的規模不斷增大，建筑物的功能日益豐富，施工難度也越來越高。在鋼結構建筑物的建設過程中，節點加工是關鍵環節之一，想要保證建筑物的質量和安全，就一定要確保節點的安全可靠，由于如今鋼結構建筑物的實際結構日益復雜，因此節點也越來越復雜，節點裝配難度也越來越高，在此背景下，有必要進一步探討鋼結構復雜節點自動裝配系統的設計方法，以促進節點裝配效率，提高裝配精度。

1 工程實例

某鋼結構建筑物，屋蓋的平面尺度較大，該建筑物屬于鋼管桁架結構，在密排的菱形桁架體系之下，布有十分復雜的結構構件，匯交桿件數量較多，同時匯交桿件的鋼管截面規格較大，整個建筑物中的節點構造特別復雜。另外在本次工程中，節點設計原則主要為“節點與構件等強”，其目的就是為了保證建筑物在使用過程中的質量和性能，保證節點不會在構件破壞之前發生破壞，考慮到該工程中節點構造復雜，節點形式比較多樣，并且在設計方法方面，尚且沒有比較明確的規定，因此為了保證鋼結構建筑物工程的質量安全，設計人員在設計節點時，嚴格進行試驗和計算，以確保設計方案的合理性。另一方面，本次工程中獨立節點共計有200個左右，而且不同節點的支腿扭曲角度、支腿連接方向都存在一定的差異，在加工節點時不能夠使用相同的模具或者工裝，如果使用鑄鋼節點，各節點均需要獨立的模具，那么不僅成本較高，并且模具重復利用率低，浪費資源，如果采用焊接節點，各節點均需要獨立的工裝，而且需要手工定位，因此裝配效率過低，成本較高，定位精度偏差，為了節約資源，提升節點裝配精度，減少能耗，最終經過反復研討，本次工程中還開發了鋼結構復雜節點自動裝配系統，經過實驗驗證，本次自動裝配系統的裝配比較良好，本文在此以該項目中某一型號的空間鋼結構節點為例，研究鋼結構復雜節點自動裝配系統的設計策略。

2 自動裝配系統的設計

在鋼結構建筑物中，節點就是空間桁架的連接樞紐，通過一系列的焊接，進而形成完整的建筑結構，本次工程中，某型號節點的三維模型如圖1所示。

該節點單個重量為130 kg，上面和下面均為六邊形平板，共外延六個支腿，所有支腿的截面均是矩形方管口，但是六個支腿的位姿有所不同，上面的六邊形平板與下面的六邊形平板空間錯位。為了確保矩形方管口的形狀符合要求，因此六個支腿的上表面以及下表面都要作為過渡曲面，并且形狀各異，這樣就導致節點加工更加復雜。

按照節點的基本特點，首先應構建自動裝配系統的理論模型，本次工程中，某型號節點的自動裝配系統理論模型如圖2所示。

在圖2中，系統的左側部分主要是方位回轉機構，能夠旋轉360°，此部分主要是作為自動裝配系統中的工作平臺，而系統的右側部分則主要是5自由度機構，具有定位板和機械手，能夠為節點提供支腿標準位姿，此部分主要是作為節點支腿的焊接工裝，同時在自動裝配系統中，是以定位板作為末端執行器。

自動裝配系統具有6個自由度，換言之，系統中具備6個運動關節，主要由轉盤機構、平行機構、旋轉機構以及底座構成。其中平行機構的設計采取模塊化設計，主要由電機(200 W)、導向支撐座、渦輪減速器、絲杠、軸承座、滑臺等部分構成，通過平行機構可以實現預裝機的X,Y,Z軸向運動，移動速度在6 mm/s左右，行程在350 mm左右。旋轉機構主要由渦輪減速器、連接板、電機、靠山板等部分構成，轉動速度在2°/s左右，行程在-20°～20°的范圍內。轉盤機構主要由轉盤、電機、定位夾具等部分構成，旋轉速度2.5°/s左右，旋轉行程在0°～340°范圍內。

3 實驗驗證

首先設定自動裝配系統的各項結構參數，之后采集節點各支腿的空間姿態，通過正、逆解算法進行計算，進而得出節點支腿各個機械關節的位移理論值以及旋轉角度理論值，計算結果如表1所示。

表1 節點支腿各個機械關節的位移理論值以及旋轉角度理論值

采取點位控制法，充分利用伺服電機精度高、可控度高等優勢，通過自動裝配系統來實現支腿空間位姿，經過測量獲取各關節的實際運動數據，計算各關節位移量，具體計算結果如表2所示。

表2 各關節位移量計算結果

通過比較表1以及表2中的數據可知，各關節位移量與理論值十分接近，因此可以說明，本次自動裝配系統的裝配精度比較良好，具有實用性。

4 結語

當今人們對建筑物質量、功能、美觀性、安全性的要求不斷提高，因此鋼結構建筑物的實際結構日益復雜，同時節點也越來越復雜，這給節點裝配工作帶來了嚴峻的挑戰，本文在此結合工程實例，分析了鋼結構復雜節點自動裝配系統的設計方法，經過實驗驗證可知，本次自動裝配系統的裝配精度比較良好，具有實用性。希望本文內容可以為相關工作開辟思路，未來如何進一步改善鋼結構復雜節點自動裝配系統的裝配精度，還需要廣大同仁繼續探索。