戴為志，俞海濤，王繼文

1.中國工程建設焊接協(xié)會 北京 100082

2.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團有限公司 浙江紹興 312030

3.安徽工布智造工業(yè)科技有限公司 安徽巢湖 230000

1 序言

隨著中國制造技術的不斷發(fā)展，汽車、軌道交通、工程機械、船舶、鋼結(jié)構(gòu)及電力裝備等行業(yè)，都在加快智能制造的步伐[1-3]。機器人作為智能制造中不可或缺的關鍵設備，如何實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)制造中機器人的快速應用，一直是工程技術人員不斷研究的課題，并且已經(jīng)取得了很好的成果。比如，大興機場與港珠澳大橋等工程中機器人焊接的成功應用[4]。因此，未來隨著焊接應用技術進步的不斷加速，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)普遍采用焊接機器人肯定是焊接應用技術的發(fā)展方向之一。

2 鋼結(jié)構(gòu)焊接機器人應用過程與現(xiàn)狀

1986年，由中冶集團建筑研究總院與北京市機械施工有限公司合作開發(fā)的自動橫焊設備，應用于第一個由國內(nèi)施工單位實施總承包管理的京城大廈全鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑，這是國內(nèi)焊接自動化設備在建筑鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場的首次應用。

2005年，在鳥巢工程施工期間，由北京石油化工學院和浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團有限公司共同研發(fā)的焊接機器人在鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工中得到了應用，該機器人基本滿足了鳥巢鋼結(jié)構(gòu)焊接現(xiàn)場施工的要求。后續(xù)又對機器人焊接設備進行了升級改造，使其具有焊縫軌跡示教、焊接參數(shù)儲存記憶、焊接電源聯(lián)動控制等功能，同時也實現(xiàn)了焊縫電弧跟蹤控制、多層多道自動排道等技術[5]。

此外，浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團有限公司進口了日本的一套梁貫通節(jié)點焊接機器人，此設備開發(fā)應用得比較成功。

近幾年，由中鐵山橋集團有限公司、中鐵寶橋集團有限公司和唐山開元機器人系統(tǒng)有限公司聯(lián)合研發(fā)的焊接機器人在港珠澳大橋鋼箱梁U形肋中得到了成功應用。此外，還研發(fā)了板單元自動組裝和機器人定位焊系統(tǒng)、U形肋和板肋單元機器人焊接系統(tǒng)、橫隔板單元機器人焊接系統(tǒng)、腹板軌道式機器人焊接系統(tǒng)，建成了正交異性板單元的機器人焊接生產(chǎn)線。同時，開發(fā)了小型焊接機器人，用于鋼箱梁整體拼裝時斜底板對接焊和索塔鋼錨箱焊接。

由寶鋼鋼構(gòu)有限公司和唐山開元機器人系統(tǒng)有限公司聯(lián)合研發(fā)的焊接機器人在建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中得到了應用。開發(fā)了一套可滿足建筑鋼結(jié)構(gòu)常規(guī)構(gòu)件進行機器人焊接的系統(tǒng)，以及適用于非標件機器人焊接的快速、智能軟件編制技術；初步建立了非標件焊接機器人工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并嘗試解決機器人焊接精度和零部件裝配偏差件與安裝精度不高的矛盾。

針對箱型鋼結(jié)構(gòu)施工安裝現(xiàn)場的環(huán)縫焊接問題，清華大學和中鐵建設集團有限公司聯(lián)合開發(fā)了一種直-弧組合軌道式焊接機器人系統(tǒng)，并提出了綜合軌跡規(guī)劃法，使機器人以最少的自由度在箱型鋼結(jié)構(gòu)環(huán)縫焊接時實現(xiàn)焊槍任意空間位姿調(diào)整功能，焊接軌跡規(guī)劃更加簡便高效。

另外，中建鋼構(gòu)有限公司、中建三局第一建設工程有限責任公司等鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)也開展了機器人焊接應用實踐工作。

綜合分析以上機器人焊接技術在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應用情況可看出，現(xiàn)階段在橋梁鋼結(jié)構(gòu)領域，尤其是橋梁板單元的焊接制造中，焊接機器人的應用已比較成熟，得到行業(yè)普遍認可。在建筑鋼結(jié)構(gòu)領域，尚處于應用初始階段，例如機器人焊接小批量、復雜構(gòu)造或制造和安裝精度較低的構(gòu)件中還存在各種問題，尚不成熟。但隨著鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件標準化設計程度的提升、機器人智能化程度的提高以及焊接數(shù)據(jù)庫的豐富，機器人焊接技術必將在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)揮重要作用。

提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模塊化、系列化、標準化設計是機器人焊接技術在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)應用的基礎。構(gòu)建完善的焊接數(shù)據(jù)庫，開發(fā)智能編程軟件，提升焊接機器人智能化程度，以逐步解決鋼結(jié)構(gòu)機器人焊接技術應用的難題，這也許是鋼結(jié)構(gòu)焊接機器人技術的工作方向。

需要指出的是，目前在建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中，焊接機器人大多數(shù)應用在鋼結(jié)構(gòu)制作工廠，除北京大興機場鋼結(jié)構(gòu)焊接工程成功應用北京石油化工學院研制的焊接機器人，以及浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團有限公司在一些重點工程中多次應用了焊接機器人外，在其他鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場很少應用。盡管如此，我國在施工現(xiàn)場應用焊接機器人的規(guī)模和水平在全球范圍內(nèi)，仍然處于領先地位。

總體上說，隨著鋼結(jié)構(gòu)用鋼量的持續(xù)增加和人工成本的不斷攀升，開展機器人智能化焊接技術在鋼結(jié)構(gòu)領域的研發(fā)和應用已成為共識，許多鋼結(jié)構(gòu)制造施工企業(yè)與科研機構(gòu)、大專院?；蛟O備廠商聯(lián)合攻關，取得了一些成果。但相比于汽車、工程機械、鍋爐壓力容器等焊接機器人利用率較高的行業(yè)，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)機器人焊接技術的應用發(fā)展較遲緩，這一點和除日本之外的大多數(shù)國家相同。

3 鋼結(jié)構(gòu)焊接機器人的具體技術

機器人產(chǎn)業(yè)是高端技術產(chǎn)業(yè)，是當代科技進步的重要標志，是中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。機器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展有其深厚的客觀原因，從長期因素來看，隨著中國社會老齡化的不斷加深，勞動力資源短缺和勞動力成本不斷提高，需要不斷裝備機器人來代替人的簡單重復的勞動；從國內(nèi)外制造業(yè)發(fā)展環(huán)境來看，客戶定制、柔性制造、成本效率，以及全球資源整合成為核心要素，在此大背景下，機器人不斷發(fā)展成為重要裝備。

由于機器人最忠實執(zhí)行WPS的工藝紀律，故對于操作人員的焊接技術水平要求較低，焊接過程中受人為因素的影響小，并且具有焊縫成形美觀，焊接過程穩(wěn)定，焊接效率高等優(yōu)勢。因此，在厚壁、長焊縫、多位置焊接的建筑鋼結(jié)構(gòu)工程建設中，機器人自動焊具有很大的應用空間。

焊接機器人是指具有三個和三個以上可自由編程的軸，并能將焊接工具按要求送到預定空間位置，按要求軌跡及速度移動焊接工具（焊槍）的機器；比較完整的機器人自動焊應有精密焊接質(zhì)量閉環(huán)控制系統(tǒng)、機器人控制電源、焊接過程動態(tài)建模與控制、自主跟蹤等系統(tǒng)，并隸屬于焊接專家系統(tǒng)。

因此，全套技術分為兩大部分，即機器人部分和焊接電源部分。目前，由于大專院校專業(yè)設置的問題，所以我國既懂得機器人技術，又懂得焊接技術的工程技術人員太少，遠遠不能滿足企業(yè)需求。

3.1 機器人部分

機器人同其他自動化機器的根本區(qū)別是自動化編程，實現(xiàn)自動焊接，目前編程技術分為以下4種。

（1）離線編程 針對建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊接，試圖通過離線編程來解決。由機器人工程師通過專用三維軟件對構(gòu)件上每道焊縫，對機器人運動姿態(tài)以及焊接工藝進行描述，生成機器人可執(zhí)行的焊接指令。

但是目前零部件加工工序基本依靠半自動和手工，焊縫位置偏差大，重復件少，弊端明顯，主要表現(xiàn)為：①每個工件均需要離線編程或者人工示教等大量重復性工作，效率低下。②編程根據(jù)工程師能力分質(zhì)量高低，后期無法持續(xù)改進。

這個技術理論無差，但其可靠性需實踐檢驗，僅適合單道焊縫的工程。目前離線編程技術是大專院校的主要方向。

（2）示教程序 根據(jù)焊接技師的經(jīng)驗，操縱機器人進行有效焊接，每進行一次，儲存一次到數(shù)據(jù)庫，每一種結(jié)構(gòu)（板厚及坡口）都需要作一種成功的示教。在以后的工程中，相同類型的結(jié)構(gòu)可調(diào)出直接使用。

顯而易見，示教程序工作量巨大，成本很高。但實踐證實，示教編程是最可靠的技術之一。

（3）可視性編程 這是編程的高端技術，要求機器人帶有視覺能力，機器人數(shù)據(jù)庫準確而龐大?？上攵?，機器人的成本和建立機器人數(shù)據(jù)庫的成本都是非常高的。

（4）可視性建模編程 指應用相機拍攝現(xiàn)場坡口形態(tài)，調(diào)出或自動生成相應工藝參數(shù)進行自動焊接。目前，這是成本最低、最先進的技術，但是僅限于角焊縫的焊接。

3.2 焊接電源

這部分常被人們忽視，這是因為目前焊接電源質(zhì)量和可靠性有所提高，在同機器人匹配中比較隨意，忽略了自動焊對電弧的要求。同機器人匹配的焊接電源多數(shù)為MIG/MAG氣體保護焊機，電弧為普通電弧，對脈沖特殊電弧開發(fā)研究不夠，同時極少數(shù)應用埋弧焊焊機。

焊接工藝的開發(fā)研究，離不開焊接設備和材料，焊接機器人自動焊技術應當重視焊接工藝的研究，才能有效地使用機器人。

3.3 焊接機器人貼角焊縫焊接技術

安徽工布智造工業(yè)科技有限公司利用Tekla等三維軟件，開發(fā)了一種應用于金屬結(jié)構(gòu)的智能焊接系統(tǒng)，可實現(xiàn)無需人工示教和編程，解決了非標金屬結(jié)構(gòu)件的智能焊接問題。

具體創(chuàng)新點如下[6]：

1）開發(fā)了焊接模擬系數(shù)軟件（S m a r t Moder），可快速建立焊縫模型，并同機器人進行數(shù)字互聯(lián)。

2）開發(fā)了構(gòu)件自動快速定位技術，通過點對點快速定位方式，將模型與構(gòu)件對應，可實現(xiàn)非標構(gòu)件一次性自動焊接。

3）研發(fā)了相機自動識別和三維數(shù)字處理技術，通過激光定位與糾偏，可快速計算工件位置，自動形成精準的焊接路徑及運動姿態(tài)。

4）研發(fā)了焊接程序自動生成技術，應用與機器人相匹配的數(shù)據(jù)格式和接口參數(shù)，可自動調(diào)用、修改存儲焊接參數(shù)，根據(jù)焊接路徑快速生成焊接程序，實現(xiàn)貼角焊縫智能焊接。

該技術工作原理與焊接現(xiàn)場如圖1、圖2所示。由于其可靠性及效率較高，所以目前在全國范圍內(nèi)貼角焊縫機器人自動焊已得到廣泛應用。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)智能焊接工作原理

圖2 鋼結(jié)構(gòu)智能焊接現(xiàn)場

3.4 埋弧焊與機器人匹配的貼角焊縫焊接及全熔透焊縫

H形鋼智能化焊接制造示范線由浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團有限公司牽頭實施，由中國京冶工程技術有限公司、北京時代科技股份有限公司共同參與建成。該示范線集成了基于焊接起始位置自動識別、激光跟蹤的焊道定位、跟蹤與糾偏的機器人智能焊接技術，以及相控陣超聲波傳感的焊接質(zhì)量在線監(jiān)測技術等，集成創(chuàng)新了焊道自動糾偏、智能檢測，實現(xiàn)了H形鋼智能焊接裝備國產(chǎn)化，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。其中焊槍運動軌跡通過激光跟蹤系統(tǒng)控制，焊接位置采用船型焊。以不同翼板、腹板厚度為主要影響因素，焊接參數(shù)以標準工藝為基礎進行調(diào)整，開展了不同規(guī)格H形鋼構(gòu)件的焊接試驗，形成了用于H形鋼機器人智能焊接制造示范線的焊接參數(shù)。

H形鋼的埋弧焊由機器人智能焊接工作站（見圖3）完成，工作站由2套直角懸臂機器人組成，每套機器人由機器人主體、集成控制系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、焊劑輸送回收裝置、激光跟蹤裝置、輔助及安全裝置等組成。在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)，我國第一次采用埋弧焊技術同機器人匹配，實用價值很高，并獲得了成功。

圖3 H形鋼機器人智能焊接工作站

埋弧焊焊接機器人是機器人智能焊接工作站的主體，主要用于控制、調(diào)整焊接機頭的運行軌跡及位置。集成控制系統(tǒng)由控制柜、手持操作器及連接電纜等組成，具備示教和離線編程等軌跡引導功能和急停、暫停、斷點恢復等安全功能。焊接系統(tǒng)由埋弧焊接電源、送絲裝置、埋弧焊接機頭、線纜及附件等組成，可與控制系統(tǒng)信息連成一體，操作調(diào)整更加便捷。焊劑回收裝置由焊劑輸送回收一體機、電動料斗、輸送與回收管路等組成，回收位置可調(diào)，其操作集成于控制系統(tǒng)。激光跟蹤系統(tǒng)主要由激光器、光學傳感器和中央處理器、防護裝置、線纜等組成。工作過程中可把焊縫偏移反饋給控制系統(tǒng)，引導焊槍實時跟隨焊縫行走。

機器人智能焊接工作站集成了基于接觸傳感和空間坐標變換的鋼結(jié)構(gòu)機器人焊接位置精準識別技術，解決了焊縫定位偏差導致的焊接程序失效問題；集成了激光跟蹤定位技術，利用光學傳播與成像原理，基于激光掃描區(qū)域內(nèi)各個點的位置信息，檢測到實際焊縫與焊槍之間的偏差（見圖4）；通過專用的程序算法輸出偏差數(shù)據(jù)，由運動執(zhí)行機構(gòu)實時糾正偏差，實現(xiàn)焊接過程焊縫的實時定位、跟蹤和糾偏。

圖4 H形鋼埋弧焊接激光跟蹤

H形鋼構(gòu)件采用機器人智能埋弧焊接，是十分容易掌握的實用技術。在工作實踐中，焊接速度的平均值為58cm/min，即機器人焊接1m構(gòu)件的基本時間為6.9min（已考慮H形鋼構(gòu)件有四條焊縫），構(gòu)件吊裝、翻身消耗的輔助時間為基本時間的3%，調(diào)節(jié)程序、設備及過程監(jiān)控消耗的服務時間為基本時間的5%，休息時間為基本時間的2%，即焊接1m構(gòu)件總耗時7.6min，且機器人智能化焊接工作站配有2套機器人焊接系統(tǒng)，則機器人智能化焊接工序的時間定額為0.2632m/min，每日可加工構(gòu)件284.2m。

埋弧焊工藝同機器人匹配，是建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接機器人在一次成形的焊接工程應用中最實用的技術。由于埋弧焊技術具有自動化程度高、熔敷量大、焊接性能可靠等特點，所以同機器人匹配如虎添翼。另外，埋弧焊容易一次成形，因此避開了焊接坡口熱變形的問題，使機器人工作穩(wěn)定可靠，不僅提高了生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，而且使貼角焊縫達到教科書式的成形質(zhì)量，如圖5所示。

圖5 埋弧焊工藝同機器人匹配貼角焊縫宏觀金相

此外，該技術實現(xiàn)了25mm板厚的H形鋼不開坡口一次成形全熔透，焊接接頭的力學性能和微觀金相全部達到技術標準要求，這對提高鋼結(jié)構(gòu)制作效率和質(zhì)量有很大意義。貼角焊縫全熔透宏觀金相如圖6所示。

圖6 埋弧焊工藝同機器人匹配貼角焊縫全熔透宏觀金相

3.5 采用MIG/MAG技術同機器人匹配

有專家斷言，在目前的焊接設備狀況下，提高熔敷金屬的效率必須從新型電弧研究開發(fā)開始。目前我國的新型電弧研究開發(fā)已初見成效。

快速脈沖壓縮電弧工藝適合與焊接機器人匹配，該技術熔敷效率高，熔深大，基本無飛濺。浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團有限公司試驗結(jié)果顯示，厚度為45mm的全熔透焊縫模擬機器人自動焊，用快速脈沖壓縮電弧工藝需焊接28道；而模擬機器人自動焊采用相同焊接參數(shù)，用傳統(tǒng)GMAW常規(guī)純CO2保護需焊接32道。經(jīng)分析，快速脈沖壓縮電弧焊接工藝較傳統(tǒng)GMAW常規(guī)純CO2焊接工藝，熔敷效率提高了12.5%。

4 焊接機器人技術的發(fā)展方向

在我國，隨著制造業(yè)更新?lián)Q代、轉(zhuǎn)型升級，國內(nèi)對工業(yè)機器人的需求，已經(jīng)不再是高端用戶的概念，眾多中小企業(yè)對使用工業(yè)機器人有更加強烈和迫切的意愿，這為我們國產(chǎn)機器人的發(fā)展提供了很好的時機。同時，借助獨特的服務優(yōu)勢和了解國情的優(yōu)勢，可以設計出更加滿足國情的強適用型弧焊機器人系統(tǒng)。

機器人焊接技術的核心是信息技術，是融合人的感官信息（焊接過程視覺、聽覺、觸覺）、經(jīng)驗知識（熔池行為、電弧聲音、焊縫外觀）、推理判斷（焊接經(jīng)驗知識學習、推理與決策）、焊接過程控制以及工藝各方面專門知識的交叉學科。突破機器人焊接智能化關鍵技術，是機器人智能焊接技術在鋼結(jié)構(gòu)領域應用的迫切需要。

針對機器人智能化焊接技術應用難題，國內(nèi)外各研究機構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)開展了大量研究工作，主要集中在鋼結(jié)構(gòu)機器人焊接數(shù)據(jù)庫、焊縫跟蹤技術研究、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件智能化制造生產(chǎn)線等方面。

4.1 焊接數(shù)據(jù)庫技術

數(shù)據(jù)庫是鋼結(jié)構(gòu)機器人焊接的核心，開發(fā)研究工作量巨大且十分復雜。包括軌跡規(guī)劃、焊槍位姿、焊接電流、電弧電壓及焊接速度等多個焊接參數(shù)。由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件為非標構(gòu)件，接頭形式復雜，材料種類、規(guī)格繁多，且裝配間隙及坡口角度偏差大，為滿足準確編程的要求，需要基于實際裝配間隙和坡口角度建立焊接數(shù)據(jù)庫，可見適用于鋼結(jié)構(gòu)機器人焊接的數(shù)據(jù)庫規(guī)模將十分龐大。

優(yōu)化焊接數(shù)據(jù)庫，使其適應鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)是研究重點。加強鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及焊接節(jié)點的標準化設計，是有效減小焊接數(shù)據(jù)庫規(guī)模的重要途徑。

4.2 焊縫跟蹤技術

焊縫跟蹤技術是焊接過程糾偏的重要途徑，也是焊接機器人技術研究開發(fā)的重點之一。

在實際焊接過程中，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件裝配偏差和焊接變形會導致焊縫軌跡偏離，需要采用焊縫跟蹤技術實時糾偏焊接軌跡。電弧跟蹤技術是焊縫跟蹤技術的一種，通過焊接電弧的擺動，利用電弧與工件之間距離變化引起的焊接參數(shù)變化來探測焊槍位置偏差，從而檢測焊縫的中心位置，實現(xiàn)實時跟蹤。電弧跟蹤具有反饋速度快、跟蹤實時性好的特點，且不受焊接弧光、飛濺和煙塵的影響，特別適用于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的焊縫跟蹤。

4.3 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件智能化制造生產(chǎn)線

（1）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件機器人焊接智能化制造生產(chǎn)工藝 要研究適用于機器人焊接的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件接頭類型、焊接位置、焊接方法、焊接方式、坡口類型及坡口尺寸等，開發(fā)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件智能化制造生產(chǎn)工藝。

（2）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件機器人焊接智能化制造數(shù)據(jù)庫技術 建立基于專家系統(tǒng)的焊接智能化制造數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)生產(chǎn)參數(shù)的自動調(diào)用、修正和智能化生成。

（3）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件機器人焊接制造用焊接材料的研制 研究焊絲原材料盤條的化學成分、力學性能及生產(chǎn)制造工藝對其送絲穩(wěn)定性的影響規(guī)律，發(fā)展適用于焊接機器人用的配套焊接材料。

（4）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件智能化制造生產(chǎn)線的示范 基于機器人焊接的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件智能化制造技術、焊接質(zhì)量在線監(jiān)測技術及數(shù)據(jù)庫技術，升級智能化鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制造生產(chǎn)線，并開展應用示范。

（5）焊接機器人工作站匹配物流自動化 這是建成鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件智能化制造生產(chǎn)線的最基本的思維方法。