呂志珍

1. 概述

目前我國從汽車制造、工程機械、鐵路車輛甚至到橋梁鋼結(jié)構(gòu)等很多行業(yè)都已經(jīng)大量應(yīng)用焊接機器人。建筑鋼結(jié)構(gòu)制造雖然焊接工作量很大，但由于目前國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)多是非標設(shè)計、構(gòu)件品種多、單件小批量生產(chǎn)、工藝復(fù)雜，再加上前道工序下料、組對精度不高等特點，實現(xiàn)機器人自動化焊接存在著較大困難，機器人自動化進程落后很多。但隨著智能編程、智能檢測等關(guān)鍵技術(shù)的突破，為智能型機器人在建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

本文對在鋼結(jié)構(gòu)制造中焊接工作量較大的柱牛腿焊接、H型鋼筋板焊接、箱型梁內(nèi)隔板焊接、巨型柱及鋼板墻的機器人焊接方案做了簡要介紹，對典型構(gòu)件的機器人焊接工藝、效率、成本等進行了試驗研究。實踐結(jié)果表明，采用機器人進行自動焊接，可得到質(zhì)量穩(wěn)定、優(yōu)良的焊縫，且焊接效率高、綜合成本低，是鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)自動化、智能化制造、提高市場競爭力的有效手段。

2. 建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)引入機器人的重要性

（1）國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 中國鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)在近十余年期間發(fā)展迅速，已成為全球鋼結(jié)構(gòu)用量最大、制造施工能力最強、產(chǎn)業(yè)規(guī)模第一、企業(yè)規(guī)模第一的鋼結(jié)構(gòu)大國。

但是，據(jù)統(tǒng)計，我國2013年粗鋼產(chǎn)量已達7.52億t，其中鋼結(jié)構(gòu)用鋼3 700萬t，不足5%，這與國外發(fā)達國家鋼結(jié)構(gòu)用鋼量占粗鋼產(chǎn)量的30%相差甚遠。

在歐洲、美國和日本等發(fā)達國家，鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)早已實現(xiàn)焊接機器人應(yīng)用，并開始進行更高水平的自動化應(yīng)用。例如在日本，鋼結(jié)構(gòu)焊接機器人的導(dǎo)入臺數(shù)超過3 000臺，而我國依舊以手工焊接或者半自動焊接為主，焊接自動化的水平與發(fā)達國家的差距尤為明顯，焊接機器人的應(yīng)用處于剛起步階段。

國內(nèi)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造上已經(jīng)開始應(yīng)用焊接機器人系統(tǒng)，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本上產(chǎn)生了顯著的效果。

（2）建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)采用機器人自動焊接的必要性 第一，滿足技能要求的焊工短缺，人工成本高。隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的推廣，到“十三五”末，預(yù)計鋼結(jié)構(gòu)用鋼量將從目前的每年3 500萬t增長到7 000萬t，焊工數(shù)量將無法滿足生產(chǎn)要求，采用機器人焊接是必然的選擇。這一點在汽車、工程機械、橋梁等大量應(yīng)用焊接機器人的行業(yè)已經(jīng)得到證實。

第二，高強度結(jié)構(gòu)鋼和大厚度鋼材的廣泛使用，對焊接工藝的要求越來越高，手工焊接或半自動焊接的質(zhì)量一致性難以保證，采用機器人焊接能確保焊接工藝的嚴格執(zhí)行。

第三，鋼結(jié)構(gòu)制造存在波峰、波谷，機器人可以實現(xiàn)24h連續(xù)生產(chǎn)，確保項目交貨期的要求。

第四，通過提高效率、降低返修率、節(jié)約材料，機器人自動焊接可降低焊接的綜合成本。

第五，機器人是實現(xiàn)制作過程自動化、信息化、智能化的有效手段。

（3）鋼結(jié)構(gòu)焊接機器人的關(guān)鍵技術(shù) 要完成鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的工件機器人自動焊接，必須具備以下關(guān)鍵技術(shù)。

第一，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)用離線編程、智能編程軟件。傳統(tǒng)的示教再現(xiàn)使機器人難以適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)制造過程中產(chǎn)品種類多、單件、小批量生產(chǎn)的特點。只有通過軟件驅(qū)動機器人自動焊接，減少示教工作量或者免示教才能在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)應(yīng)用推廣。

離線編程軟件采用Windows視窗界面，其操作與普通PC機一般軟件類似，使初學(xué)者感覺親切、上手容易。全部功能及參數(shù)設(shè)置與實體機器人系統(tǒng)功能保持一致。

在離線編程軟件內(nèi)編制的程序可直接存儲為機器人系統(tǒng)上專用程序，機器人系統(tǒng)可以直接進行調(diào)用修改再生動作；也可以對存儲器上作成的程序或者離線軟件做成的程序進行程序管理、程序變換（平移）等合并、復(fù)制、平移及刪除操作。

通過離線示教完成的數(shù)據(jù)只需簡單甚至不需要修改即可讀入機器人系統(tǒng)進行使用，提高機器人系統(tǒng)適用率，適用多品種小批量生產(chǎn)模式生產(chǎn)。軟件界面如圖1所示。

智能編程軟件是專門針對建筑鋼結(jié)構(gòu)等多品種、小批量或單件生產(chǎn)開發(fā)的參數(shù)化編程系統(tǒng)。 其工作過程是：通過參數(shù)化驅(qū)動，自動生成執(zhí)行程序，然后將預(yù)制好的各種焊接程序自動應(yīng)用到工件上不同位置的相應(yīng)焊縫上， 實現(xiàn)智能編程。該軟件既可以實現(xiàn)在線編程，也可以實現(xiàn)離線編程。

第二，接觸傳感、電弧跟蹤、數(shù)據(jù)庫等厚板焊接技術(shù)。作為中厚板焊接應(yīng)用的代表性領(lǐng)域，在建筑鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件焊接中，由于存在工件尺寸、板厚較大，焊接坡口加工、工件組對精度較差的問題，所以為了取得良好的焊接效果，需要機器人具有強勁的跟蹤糾偏功能。

焊絲接觸傳感功能：使用焊絲作為傳感器的開始點傳感、三方向傳感、焊接長傳感、圓弧傳感、根隙傳感及多點傳感等接觸傳感功能的媒介，使機器人在焊接過程不受由于工件的加工、組對拼焊和焊接裝夾定位帶來的誤差的影響，自動尋找焊縫并識別焊接情況，修正焊縫偏移，保證能夠順利地焊接，焊絲接觸傳感具有精度高、可達性好、安全可靠等優(yōu)點。

圖1

高性能電弧跟蹤功能：該功能包括對焊縫左右和上下兩個方向的高精度跟蹤功能、跟蹤結(jié)果記憶功能、坡口幅寬跟蹤功能、往復(fù)多層焊接功能等，在多層多道焊接過程中，利用第一層焊接時獲取的工件變化信息，經(jīng)過控制系統(tǒng)整理計算，將結(jié)果直接作用于第二層以后的焊接中，以快速適應(yīng)工件的變化，提高工作效率和焊接質(zhì)量。

焊接數(shù)據(jù)庫功能：具有焊接專家條件數(shù)據(jù)庫，其中包含實踐中總結(jié)出來的為各種焊縫形式而設(shè)定的焊接參數(shù)及工藝，使用者可以根據(jù)工件焊縫形式，直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，可以自動生成焊接工藝表，并直接在焊接程序中應(yīng)用；也可根據(jù)客戶自身工藝需求對此工藝表進行修改，人工重新編制并另存（包括焊接層數(shù)的確定），方便客戶積累自己的工藝數(shù)據(jù)，不需大量樣板焊縫工藝試驗，就能達到理想的焊接效果。

焊接數(shù)據(jù)庫自動切換功能：機器人通過接觸傳感，自動檢測出坡口角度、根部間隙等信息，然后根據(jù)上述信息的組合自動調(diào)用焊接數(shù)據(jù)庫，生成多層多道焊接程序，實現(xiàn)機器人自動對應(yīng)坡口焊縫的功能。

3.典型構(gòu)件機器人焊接系統(tǒng)研究

（1）柱牛腿焊接系統(tǒng) 適用工件種類主要包括箱型柱、十字柱、圓管柱、H型柱/梁。對象焊縫為柱與牛腿、梁與筋板的連接焊縫。系統(tǒng)方案如圖2所示。本系統(tǒng)由兩臺弧焊機器人（天吊）、兩臺焊接電源、兩臺一軸籠式開口變位機、兩臺天吊三軸移動裝置、一套離線編程系統(tǒng)、一套智能編程軟件組成。系統(tǒng)控制總軸數(shù)為20軸，籠式變位機采用自動開口設(shè)計，方便上下件，且變位機在軌道上電動行走，方便細長型工件的裝夾，有效解決了工件的撓度變形。

系統(tǒng)采用雙工位，可以實現(xiàn)一個工位組對、另外一個工位機器人焊接，減少因裝卸工件、組對等輔助時間，使機器人能夠連續(xù)焊接。采用雙機器人，可以提高單位占地面積的作業(yè)效率，并可以實現(xiàn)雙機器人對稱焊接、包角焊接，提高效率，減少焊接變形。

將某工件的規(guī)格參數(shù)（見圖3、表1）導(dǎo)入機器人系統(tǒng)，導(dǎo)入效果如表2所示。

（2）箱型梁內(nèi)隔板焊接系統(tǒng) 適用工件種類為箱型柱、十字柱。對象焊縫為柱與牛腿的連接焊縫；箱型柱和內(nèi)隔板的連接焊縫（蓋板之前）。系統(tǒng)方案如圖4所示。

本系統(tǒng)由兩臺弧焊機器人（天吊）、兩臺焊接電源、一臺一軸頭尾架變位機、兩臺天吊三軸移動裝置、一套離線編程系統(tǒng)、一套智能編程軟件組成。系統(tǒng)控制總軸數(shù)為19軸。

箱型梁內(nèi)隔板焊接作業(yè)時由于空間狹小、焊接工作量大等特點，使用人工焊接時，存在工人勞動強度大，焊接參數(shù)不穩(wěn)定，焊接變形不容易控制等問題。使用機器人、輔助翻轉(zhuǎn)變位裝置可以實現(xiàn)自動焊接，不僅可以將焊工從艱苦的作業(yè)環(huán)境中解脫出來，而且可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低焊接成本。

圖2

圖3

表 1

表2 柱牛腿系統(tǒng)的導(dǎo)入效果分析

圖4

（3）便攜式智能機器人MICROBO MICROBO機器人是一款便攜式、全自動焊接機器人，廣泛應(yīng)用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)、建筑鋼結(jié)構(gòu)、船舶、海洋工程、通用機械等行業(yè)，具有易搬運、易安裝、易操作的使用特點，為用戶提供了高智能、高品質(zhì)、高效率的使用體驗，并可以多臺同時應(yīng)用（詳細應(yīng)用情況請參見本專題“企業(yè)解決方案”欄目）。

（4）智能工廠生產(chǎn)信息管理系統(tǒng) 采用基于Visual Studio可視化界面及Oracle數(shù)據(jù)庫開發(fā)的B/S架構(gòu)制造信息管理系統(tǒng)由生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、故障診斷、質(zhì)量監(jiān)控、物流及生產(chǎn)狀況視頻監(jiān)控等五大模塊組成，用戶通過瀏覽器實現(xiàn)設(shè)備的在線管理、實時監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)查詢、分析報表輸出等，并可以與ERP系統(tǒng)實施互聯(lián)，實施全過程的計劃管理。

信息管理系統(tǒng)能實時監(jiān)控機器人工作站、物流系統(tǒng)及輔助設(shè)備等車間所有設(shè)備的實時狀態(tài)，統(tǒng)計生產(chǎn)過程參數(shù)、生產(chǎn)狀況、故障信息和品質(zhì)管理，同時能夠生產(chǎn)各種報表。管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5

國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)、橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)已經(jīng)開始應(yīng)用焊接機器人系統(tǒng)，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本上產(chǎn)生了顯著的效果，H型柱/梁機器人焊接系統(tǒng)如圖6所示。

4. 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)制造過程中，焊接作業(yè)量巨大，而焊接作業(yè)環(huán)境差、勞動強度大，同時對操作人員的技能水平要求高，國內(nèi)外眾多行業(yè)的實踐證明，用機器人代替人工從事焊接作業(yè)是大勢所趨。鋼結(jié)構(gòu)焊接機器人在國際上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，隨著智能編程、智能檢測等關(guān)鍵技術(shù)的突破，為智能型機器人在國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。在鋼結(jié)構(gòu)制造中焊接工作量較大的柱牛腿焊接、H型鋼筋板焊接、箱型梁內(nèi)隔板焊接等工序，已有成熟的機器人系統(tǒng)方案，并在國內(nèi)也有了成功的業(yè)績。智能型機器人、自動物流、自動變位等自動化裝置，再加上從事編程操作、監(jiān)控、產(chǎn)品檢驗等輔助作業(yè)的技術(shù)工人，這種人、機協(xié)作式智能化制造也應(yīng)是鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

圖6 H型柱/梁機器人焊接系統(tǒng)