何幼根，斯圣斌，杜榮來，艾尚江，蔣國文

(中建材輕工業(yè)自動(dòng)化研究所，杭州 310000)

進(jìn)入21世紀(jì)，新一輪產(chǎn)業(yè)變革和科技革命正在逐漸興起，全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出新的發(fā)展特征和態(tài)勢，能源短缺和勞動(dòng)力成本上升成為中國制造業(yè)發(fā)展中面臨的主要問題。事實(shí)證明，傳統(tǒng)制造業(yè)依靠拼資源、拼勞動(dòng)力的粗放型增長模式已難以為繼，電桿行業(yè)也不例外。由于焊接對象的標(biāo)準(zhǔn)化程度低，工人流動(dòng)等原因使得產(chǎn)品品質(zhì)及產(chǎn)量控制存在困難。如何科學(xué)有效地將現(xiàn)代化設(shè)備運(yùn)用到鋼筋骨架焊接中，成為技術(shù)突破的重中之重。

1 鋼筋骨架編程原理及應(yīng)用

機(jī)器人焊接工作站(圖1)可根據(jù)預(yù)設(shè)程序，在圖2的工藝流程中進(jìn)行反復(fù)作業(yè)。機(jī)器人焊接工作站是由一臺(tái)焊接機(jī)器人和兩個(gè)變位器為主體組成的一套自動(dòng)化焊接設(shè)備，主要應(yīng)用于中間法蘭電桿鋼筋骨架的焊接。工作時(shí)變位器帶動(dòng)法蘭盤及卡爪盤同步旋轉(zhuǎn)，使裝夾在卡爪盤上的鋼筋骨架與法蘭進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)焊接。后端托架高度可調(diào)，保證鋼筋骨架與法蘭中心線重合。托架前后可調(diào)，以適應(yīng)不同長度規(guī)格的鋼筋骨架。上料時(shí)，將法蘭安置在有定位銷定位的法蘭盤上，啟動(dòng)裝夾按鈕，氣缸將法蘭夾緊。用行車將待加工鋼筋骨架吊裝至托架上，操作工將鋼筋骨架沿可移動(dòng)托架推入卡爪盤，鋼筋末端與法蘭端面接觸，如發(fā)現(xiàn)鋼筋末端參差不齊，可旋轉(zhuǎn)變位器，用石筆標(biāo)記超差鋼筋，將鋼筋骨架退出卡爪盤后對超差鋼筋進(jìn)行氣割。確認(rèn)無誤后，啟動(dòng)裝夾按鈕，由氣缸驅(qū)動(dòng)的卡爪將鋼筋?yuàn)A緊，卡爪槽內(nèi)呈V字型，以適應(yīng)不同直徑的鋼筋，且卡爪有將鋼筋精確分度的功能。卡爪盤與法蘭盤采用柔性設(shè)計(jì)，卡爪盤可整體拆卸更換，法蘭盤上開有不同規(guī)格的槽口，以應(yīng)對不同規(guī)格的產(chǎn)品。

焊接機(jī)器人的焊槍定位精度可達(dá)到±0.1 mm，溫度帶來的誤差大致在0.01～0.1 mm之間，充分保證焊接精度。工件裝夾完畢后，編程的通用性對這一過程中的焊接質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用。

由于中間法蘭電桿鋼筋骨架的尺寸精度要求(GBT—4623-1994)尚未達(dá)到機(jī)器人焊接所需的水平，中間法蘭電桿的鋼筋骨架滾焊前道工序鋼筋校直機(jī)的偏差在±1.5 mm，且鋼筋的扭曲程度不一，焊接機(jī)器人無法直接通過某一個(gè)鋼筋骨架作為編程樣板，設(shè)計(jì)適用于所有鋼筋骨架的焊接程序。

試驗(yàn)證明，通過機(jī)器人單獨(dú)編程得來的鋼筋骨架成品明顯優(yōu)于人工手工焊接，但是使用此程序進(jìn)行反復(fù)作業(yè)，后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量反而低于人工焊接，具體體現(xiàn)在鋼筋焊傷高溫退火，位置偏差導(dǎo)致的虛焊可以由后道工序進(jìn)行補(bǔ)焊，不影響鋼筋骨架的使用。但焊傷的鋼筋骨架會(huì)嚴(yán)重影響使用，甚至直接報(bào)廢。機(jī)器人焊接工作站試生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的焊傷情況主要由兩種因素造成。一種是由于鋼筋骨架本身的不規(guī)則性扭曲導(dǎo)致的，焊槍在沿預(yù)設(shè)路徑焊接時(shí)，鋼筋扭曲到焊接路徑上，焊絲接觸鋼筋，且直接焊在鋼筋上。另一種是由于編程不合理造成的包括電流過大、冷卻時(shí)間不足等，可以根據(jù)實(shí)際操作中的情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

針對鋼筋骨架個(gè)體進(jìn)行逐個(gè)編程會(huì)消耗大量時(shí)間成本，還大大增加了操作人員的技能要求。自動(dòng)化焊接相對于人工焊接的優(yōu)勢在于簡化了人工操作、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品質(zhì)量，對鋼筋骨架進(jìn)行逐個(gè)編程與這一主旨背道而馳，顯然不現(xiàn)實(shí)?？紤]到焊接過程中，焊絲與焊縫之間的尺寸容余量較大，按照鋼筋矯直后尺寸的中間值作為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，以標(biāo)準(zhǔn)尺寸鋼棒代替鋼筋作為編程標(biāo)準(zhǔn)制作標(biāo)準(zhǔn)器可以規(guī)避因鋼筋尺寸偏差造成的焊接質(zhì)量問題。

除去編程造成的焊接問題，法蘭加工質(zhì)量也會(huì)極大程度上影響焊接效果，焊接自動(dòng)化對于前道工序提出了更高的要求，需要法蘭焊接面有較好的圓度，且法蘭整體同心度要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。上游法蘭供應(yīng)商需要對法蘭焊接面進(jìn)行車削或使用沖壓模具。

編程時(shí)與焊接機(jī)器人的銜接部分也非常重要。通用焊接機(jī)器人一般都由三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分組成：機(jī)械手、控制系統(tǒng)和示教系統(tǒng)。機(jī)械手是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是機(jī)器人的神經(jīng)系統(tǒng)，示教器是機(jī)器人與人的交互接口，在示教過程中它將控制機(jī)器人的全部動(dòng)作。示教也稱導(dǎo)引，由操作人員引導(dǎo)機(jī)器人按實(shí)際焊接路線操作，焊接機(jī)器人在這一過程中記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)等，記錄完成后焊接機(jī)器人將生成一個(gè)連續(xù)動(dòng)作的程序，按照之前的操作路徑進(jìn)行精確動(dòng)作，這就是示教和編程的關(guān)系。示教是機(jī)器人進(jìn)行簡單工件焊接時(shí)的一種常用編程方法。

2 焊接角度控制

由于鋼筋形狀及尺寸不規(guī)則，在使用預(yù)設(shè)程序進(jìn)行焊接時(shí)即使分度均勻，也會(huì)由于鋼筋局部扭曲、翻轉(zhuǎn)，引起焊絲與焊縫間距過大導(dǎo)致虛焊，或焊絲直接接觸鋼筋導(dǎo)致焊傷的情況。以φ14的鋼筋為例，固定在焊接表面時(shí)實(shí)測橫向尺寸在φ13.4～φ15.2之間。采用6 mm焊絲焊接時(shí)仰角過大，鋼筋部分扭轉(zhuǎn)直接接觸焊絲，會(huì)存在焊傷，考慮到焊絲到焊縫的容余量為1～3 mm，可采用30°的焊接角度，減小仰角既可以使機(jī)器人在焊接過程中避讓夾持裝置，也可以通過調(diào)整角度避讓鋼筋防止焊傷且保證焊接質(zhì)量(圖3)。電流控制在220～260 A最佳。其它直徑鋼筋焊接過程中可采用不同仰角，根據(jù)實(shí)際焊接情況決定。

焊接時(shí)如果發(fā)現(xiàn)在同一次變位跨度下的鋼筋存在統(tǒng)一方向上的偏差，說明鋼筋?yuàn)A持裝置存在偏差，也可以通過修改變位器的角度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，消除設(shè)備本身固有誤差。

目前市場上已有機(jī)器人專機(jī)焊縫跟蹤系統(tǒng)，可針對不規(guī)則邊界進(jìn)行跟蹤焊接，檢測精度達(dá)到0.1 mm，控制周期30 ms，視場寬度30～40 mm，與新松、埃夫特、時(shí)代、廣數(shù)等國內(nèi)品牌和以安川、庫卡、發(fā)那科、ABB、松下為代表的國外品牌主流機(jī)器人系統(tǒng)匹配?？蓱?yīng)用于船舶、車橋、鋼管、鋼結(jié)構(gòu)、集裝箱行業(yè)。但由于其價(jià)格成本較高，加裝一套跟蹤系統(tǒng)幾乎會(huì)讓機(jī)器人設(shè)備整體價(jià)格翻倍，需根據(jù)實(shí)際需要選擇。

3 結(jié) 語

自動(dòng)化焊接工藝已經(jīng)成為了一種綜合科技型的先進(jìn)制造技術(shù)。焊接結(jié)構(gòu)朝重型化、大量化、高參數(shù)和精密化的科技化方向發(fā)展。自動(dòng)化焊接設(shè)備會(huì)對上道工序提出要求，使工件工藝水平得到提高，工件制造標(biāo)準(zhǔn)化，倒逼行業(yè)整體進(jìn)步。同時(shí)，對下游客戶而言，自動(dòng)化焊接設(shè)備生產(chǎn)帶來的高質(zhì)量產(chǎn)品是其安心使用的重要保障。伴隨著制造業(yè)發(fā)展的趨勢，自動(dòng)化焊接工藝的水平高低也正在成為電桿行業(yè)重要的砝碼，形成企業(yè)的核心競爭力。