建筑鋼結(jié)構(gòu)制造焊接機(jī)器人應(yīng)用

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摘要：本文對(duì)焊接機(jī)器人的技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際案例，闡述機(jī)器人技術(shù)在建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用內(nèi)容與方法，包括參數(shù)選擇、編程方法與焊接工藝等等。以期通過本文研究，實(shí)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)機(jī)器人自動(dòng)焊接目標(biāo)。根據(jù)應(yīng)用結(jié)果可知，與傳統(tǒng)人工焊接方式相比，機(jī)器人焊接的效率更高、質(zhì)量更優(yōu)良，值得全面推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；鋼結(jié)構(gòu)；制造技術(shù)

在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展體系中鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的地位不可替代，隨著國內(nèi)鋼產(chǎn)量逐年提升，焊接技術(shù)在建筑中的應(yīng)用也日益普及，對(duì)工程安全與功能應(yīng)用具有巨大影響。當(dāng)前，鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，將焊接機(jī)器人引入技術(shù)可引領(lǐng)該行業(yè)逐漸朝著數(shù)字化、工業(yè)化的方向發(fā)展，充分滿足技術(shù)創(chuàng)新與環(huán)保要求，使鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量與效率得到全面提升。

1焊接機(jī)器人的技術(shù)基礎(chǔ)

在建筑行業(yè)結(jié)構(gòu)件焊接中，因受到板厚、工件尺寸、坡口加工等因素影響，加工精度可能與實(shí)際值有所偏差。為了提高焊接效果可將機(jī)器人引入其中，它具有較強(qiáng)的感知功能，與人類的視覺、觸覺十分相近。該系統(tǒng)可用于電弧傳感設(shè)備、激光跟蹤、接觸設(shè)備等，完成焊接起始點(diǎn)定位和焊縫跟蹤等任務(wù)。

1.1接觸傳感功能

在機(jī)器人焊接中，可準(zhǔn)確檢測焊接工件偏差、坡口尺度、焊縫位置，使焊接過程打破工件加工、裝夾定位、組裝拼接等因素產(chǎn)生的誤差，自動(dòng)尋找焊縫的起始點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，補(bǔ)償焊縫變形、偏移與坡口長寬變化等等，確保機(jī)器人能夠順利焊接。焊縫起始點(diǎn)的位置可以通過工件表面的三維傳感來確定，利用程序計(jì)算得出實(shí)際值與示教值的差異，再將差值代入編程中明確焊接點(diǎn)，使組對(duì)、裝配、焊接更加精準(zhǔn)可靠，提高焊接質(zhì)量。在坡口傳感方面，通過焊絲接觸式傳感可方便快捷的確定坡口實(shí)際位置，針對(duì)坡口寬度、深度進(jìn)行檢驗(yàn)，再對(duì)坡口角度進(jìn)行計(jì)算，為焊接程序調(diào)整提供有力依據(jù)。

1.2電弧跟蹤功能

該項(xiàng)功能是在焊接中擺動(dòng)焊接的同時(shí)，以電流值為依據(jù)明確焊接中點(diǎn)，盡可能的糾正焊接偏差，特別是在多層多道焊接中，根據(jù)首層焊接時(shí)工件變化情況，對(duì)系統(tǒng)整理和控制后，將結(jié)果直接應(yīng)用到后續(xù)焊接中。電弧跟蹤主要分為以下兩種：一是焊接線跟蹤，待起始點(diǎn)位置確定后采用該項(xiàng)技術(shù)控制偏差，機(jī)器人系統(tǒng)可利用軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓、電流變化情況，計(jì)算電弧長度變化，利用軟件對(duì)機(jī)器人姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)焊縫偏移情況進(jìn)行糾偏，使焊縫位置得到實(shí)時(shí)跟蹤；二是坡口寬度測量，在正式焊接前選取不同點(diǎn)位測驗(yàn)，采用先進(jìn)軟件得出坡口寬度值，了解該項(xiàng)指標(biāo)的變動(dòng)情況。在焊接階段，通過自動(dòng)調(diào)整焊接速度的方式獲得與成型標(biāo)準(zhǔn)相同的焊縫，使焊接質(zhì)量得到顯著提升。

1.3示教編程

焊接機(jī)器人均具備示教編程功能，通過教學(xué)盒可以將焊槍移動(dòng)到起點(diǎn)，并可以定義焊槍的位置、擺動(dòng)方式、焊槍姿態(tài)等參數(shù)，還可以確定周圍設(shè)備的移動(dòng)速度。焊接過程包括滅弧、起弧、填弧坑等，編程流程點(diǎn)位如圖1所示，在示教結(jié)束后便可開展生產(chǎn)活動(dòng)[1]。針對(duì)形狀不同、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件焊縫，特別是單品無批量焊接件生產(chǎn)，人工示教勢(shì)必會(huì)投入大量時(shí)間與精力，降低設(shè)備利用率，還會(huì)增加員工勞動(dòng)強(qiáng)度，而引入焊接機(jī)器人后便可有效避免上述問題，使鋼結(jié)構(gòu)制造更加科學(xué)高效。

2建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中焊接機(jī)器人的應(yīng)用

2.1工程簡介

以某商業(yè)大廈項(xiàng)目為例，建筑用地面積為30685m2，采用Q460GJC鋼材，最大板厚度為100mm，鋼結(jié)構(gòu)為伸臂桁架、徑向桁架、環(huán)帶桁架等內(nèi)容，并與核心筒連接成一體。該項(xiàng)目鋼材使用量約12萬t，桁架層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)方面利用高強(qiáng)螺栓與焊接連接，單件構(gòu)件重量為90t，焊接質(zhì)量與安裝精度要求嚴(yán)格，鋼材以Q345GJC為主，為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，板材厚度范圍在20-130mm之間，在實(shí)際施工中遵循國外焊接標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

2.2應(yīng)用方法

2.2.1參數(shù)確定該建筑中機(jī)器人采用模塊化開發(fā)路線，具備軌跡、執(zhí)行器、多自由度焊槍、控制平臺(tái)與智能控制模塊等，可與鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝焊接需求充分滿足。為滿足現(xiàn)場多種焊接作業(yè)需求，主要參數(shù)選擇為：在技術(shù)參數(shù)方面，機(jī)器人適應(yīng)焊接位置，支持平、立、仰與360°全位置焊接；支持直縫、環(huán)縫、不規(guī)則焊縫，支持直徑超過168mm的環(huán)形工件尺寸，機(jī)器人行走速度為每分鐘0-160cm之間；焊槍角擺采用運(yùn)條方式，擺動(dòng)速度為每分鐘0-255cm之間，幅度為±25mm；水平跟蹤行程為200mm，垂直為150mm，程控參數(shù)調(diào)整幅度為±20%。在熔化效率方面，厚板長焊縫焊接中，效率超過電弧焊接的1.5倍；機(jī)器人磁吸附式軌道為摩擦傳動(dòng)，本體結(jié)構(gòu)精細(xì)小巧，安裝便利[2]。

2.2.2編程方式在線示教編程投入時(shí)間較長、工作效率較低，難以在建筑鋼結(jié)構(gòu)中充分利用，只能協(xié)助現(xiàn)場調(diào)整。在線下教學(xué)中，可實(shí)現(xiàn)全部鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的編程，充分符合焊接應(yīng)用要求，但因鋼結(jié)構(gòu)類型較多，結(jié)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化水平較低，且該企業(yè)采用的CAD軟件生成三維模型后無法直接導(dǎo)入離線軟件中，需要重新構(gòu)建模型，耗費(fèi)大量時(shí)間編輯機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，因此與實(shí)際需求不符。對(duì)此，該建筑采用智能離線編程軟件，采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)，類似于積木式原理構(gòu)造焊接的工件模型，采用箱形柱，交叉列工件主體，以支撐、加強(qiáng)板等模塊，自動(dòng)生成二維模型通過輸入工件主體參數(shù)，尺寸，數(shù)量等參數(shù)，識(shí)別三維模型離線教學(xué)軟件，并根據(jù)輸入的尺寸信息，自動(dòng)選取與之匹配的數(shù)據(jù)庫，使機(jī)器人程序在離線系統(tǒng)中得到檢驗(yàn)，節(jié)約更多編程時(shí)間，使該項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)焊接效率得到切實(shí)保障。

2.2.3焊接工藝此類機(jī)器人可按照預(yù)定的路線行走，可長時(shí)間重復(fù)操作某項(xiàng)工序，且便于跟蹤控制，系統(tǒng)操作穩(wěn)定可靠，工作效率較高，適用于預(yù)制與現(xiàn)場各處焊接，可使建筑工程中長焊縫、多位置的鋼結(jié)構(gòu)安裝自動(dòng)化焊接問題得到有效解決。在該項(xiàng)目中，焊接機(jī)器人的應(yīng)用包括以下內(nèi)容。在伸臂桁架焊接中，該項(xiàng)目桁架層屬于焊接重難點(diǎn)所在，以Q390GJC材料為主，伸臂桁架立焊縫長度最大值為4m，板厚為140mm，一條焊縫需要兩位焊工連續(xù)作業(yè)40h才可完成。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)焊接的相關(guān)規(guī)定，難度等級(jí)達(dá)到D級(jí)，該項(xiàng)目中共計(jì)包括八道桁架層，每道程度在2-4m之間，板材厚度在80-140mm之間，焊縫數(shù)量超過50條。因焊接量較多，人工操作效率較低，且焊接質(zhì)量不夠穩(wěn)定，應(yīng)將機(jī)器人技術(shù)引入其中實(shí)現(xiàn)高空焊接目標(biāo)。焊接操作人員結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況確定軌道長度，將自動(dòng)焊接所需的電源、控制箱、送絲機(jī)等配置完畢，將電纜與焊接小車相連，電纜長度約25米。該設(shè)備可在高空放置汽車周圍焊接，焊接保護(hù)氣瓶可通過氣管與控制箱連接，確保焊接中熔池中心與焊縫相同，使焊接參數(shù)得以優(yōu)化完善，實(shí)現(xiàn)連續(xù)焊接目標(biāo)。在阻尼器質(zhì)量箱焊接中，該設(shè)備位于125層，高度為27m，125-131層，4組12根，懸掛在131層，具體參數(shù)如表1所示[3]。為了保障根部焊接可靠，在組裝間隙時(shí)應(yīng)預(yù)留5mm，在組裝中一般兩側(cè)與中間處放入直徑為5mm的焊絲，再定位焊接，焊縫長為30-40mm之間，間距在400-500mm之間，在小坡口位置定位，且端頭進(jìn)行點(diǎn)焊固定后打磨光滑，將其當(dāng)作機(jī)器人工作的引弧點(diǎn)。在點(diǎn)位焊接完畢后，利用火焰槍加熱并去除焊絲。將兩臺(tái)機(jī)器人對(duì)稱布置，在確保焊接進(jìn)度與質(zhì)量的情況下，盡量減少焊接應(yīng)力與變形情況發(fā)生。

2.3應(yīng)用效果

在該項(xiàng)目中利用焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了伸臂桁架、阻尼器質(zhì)量箱的焊接目標(biāo)，在位置與條件相同的情況下，與傳統(tǒng)焊接模式相比優(yōu)勢(shì)顯著，應(yīng)用效果主要體現(xiàn)為：一是焊接質(zhì)量較高，外表成型美觀，焊縫與母材平滑，無損檢定結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)；二是焊接效率高，在焊接過程中還可自動(dòng)清渣，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，與以往手工焊接相比效率提高一倍；三是極大減輕人工作業(yè)強(qiáng)度，技術(shù)人員只需對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，完成焊縫示教活動(dòng)后，機(jī)器人便可自動(dòng)反復(fù)焊接，十分便利。

3結(jié)論

綜上所述，當(dāng)前建筑形式多種多樣，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的類型也日益復(fù)雜，且具有小批量無重復(fù)等特點(diǎn)，對(duì)焊接機(jī)器人功能提出更高要求。在實(shí)際項(xiàng)目中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況選擇恰當(dāng)參數(shù)與編程方式，應(yīng)用先進(jìn)可靠的焊接工藝，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自動(dòng)焊接目標(biāo)，彌補(bǔ)以往人工焊接的質(zhì)量缺陷，更加滿足鋼結(jié)構(gòu)制造數(shù)字化、科技化的要求，使構(gòu)件制造更加高效可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]楊高陽，龔俊偉，金偉波，等.厚板T形接頭機(jī)器人焊接工藝研究與應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2019（9）：21-23.

[2]孟凡全.超高層建筑鋼結(jié)松關(guān)鍵焊接技術(shù)———超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用[J].金屬加工:熱加工，2019（3）：12-14.

[3]梅寒.焊接機(jī)器人專用MAG逆變焊接電源設(shè)計(jì)及工藝試驗(yàn)[D].北京：北京建筑大學(xué)，2019.

作者：李雪飛 鄭娟 單位：濱州職業(yè)學(xué)院