建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)智能機(jī)器人應(yīng)用展望

呂志珍

1. 概述

目前我國(guó)從汽車(chē)制造、工程機(jī)械、鐵路車(chē)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(jī)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(guó)內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)多是非標(biāo)設(shè)計(jì)、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(duì)精度不高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化焊接存在著較大困難，機(jī)器人自動(dòng)化進(jìn)程落后很多。但隨著智能編程、智能檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)的突破，為智能型機(jī)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(duì)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(jī)器人焊接方案做了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)典型構(gòu)件的機(jī)器人焊接工藝、效率、成本等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。實(shí)踐結(jié)果表明，采用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)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(jí)、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化制造、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。

2. 建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)引入機(jī)器人的重要性

（1）國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 中國(guó)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(qiáng)、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(guó)。

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

在歐洲、美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)早已實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人應(yīng)用，并開(kāi)始進(jìn)行更高水平的自動(dòng)化應(yīng)用。例如在日本，鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人的導(dǎo)入臺(tái)數(shù)超過(guò)3 000臺(tái)，而我國(guó)依舊以手工焊接或者半自動(dòng)焊接為主，焊接自動(dòng)化的水平與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距尤為明顯，焊接機(jī)器人的應(yīng)用處于剛起步階段。

國(guó)內(nèi)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造上已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用焊接機(jī)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(jī)器人自動(dòng)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(jì)鋼結(jié)構(gòu)用鋼量將從目前的每年3 500萬(wàn)t增長(zhǎng)到7 000萬(wàn)t，焊工數(shù)量將無(wú)法滿足生產(chǎn)要求，采用機(jī)器人焊接是必然的選擇。這一點(diǎn)在汽車(chē)、工程機(jī)械、橋梁等大量應(yīng)用焊接機(jī)器人的行業(yè)已經(jīng)得到證實(shí)。

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

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

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

第五，機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)制作過(guò)程自動(dòng)化、信息化、智能化的有效手段。

（3）鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 要完成鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的工件機(jī)器人自動(dòng)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(jī)器人難以適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中產(chǎn)品種類多、單件、小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。只有通過(guò)軟件驅(qū)動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)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(jī)一般軟件類似，使初學(xué)者感覺(jué)親切、上手容易。全部功能及參數(shù)設(shè)置與實(shí)體機(jī)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(chǔ)為機(jī)器人系統(tǒng)上專用程序，機(jī)器人系統(tǒng)可以直接進(jìn)行調(diào)用修改再生動(dòng)作；也可以對(duì)存儲(chǔ)器上作成的程序或者離線軟件做成的程序進(jìn)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(guò)離線示教完成的數(shù)據(jù)只需簡(jiǎn)單甚至不需要修改即可讀入機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行使用，提高機(jī)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(mén)針對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)等多品種、小批量或單件生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的參數(shù)化編程系統(tǒng)。 其工作過(guò)程是：通過(guò)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)生成執(zhí)行程序，然后將預(yù)制好的各種焊接程序自動(dòng)應(yīng)用到工件上不同位置的相應(yīng)焊縫上， 實(shí)現(xiàn)智能編程。該軟件既可以實(shí)現(xiàn)在線編程，也可以實(shí)現(xiàn)離線編程。

第二，接觸傳感、電弧跟蹤、數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)精度較差的問(wèn)題，所以為了取得良好的焊接效果，需要機(jī)器人具有強(qiáng)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(kāi)始點(diǎn)傳感、三方向傳感、焊接長(zhǎng)傳感、圓弧傳感、根隙傳感及多點(diǎn)傳感等接觸傳感功能的媒介，使機(jī)器人在焊接過(guò)程不受由于工件的加工、組對(duì)拼焊和焊接裝夾定位帶來(lái)的誤差的影響，自動(dòng)尋找焊縫并識(shí)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(dá)性好、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

圖1

高性能電弧跟蹤功能：該功能包括對(duì)焊縫左右和上下兩個(gè)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(guò)程中，利用第一層焊接時(shí)獲取的工件變化信息，經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)整理計(jì)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(kù)功能：具有焊接專家條件數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包含實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)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(kù)數(shù)據(jù)，可以自動(dòng)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(duì)此工藝表進(jìn)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(yàn)，就能達(dá)到理想的焊接效果。

焊接數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)切換功能：機(jī)器人通過(guò)接觸傳感，自動(dòng)檢測(cè)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(dòng)調(diào)用焊接數(shù)據(jù)庫(kù)，生成多層多道焊接程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)對(duì)應(yīng)坡口焊縫的功能。

3.典型構(gòu)件機(jī)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(duì)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(tái)弧焊機(jī)器人（天吊）、兩臺(tái)焊接電源、兩臺(tái)一軸籠式開(kāi)口變位機(jī)、兩臺(tái)天吊三軸移動(dòng)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(jī)采用自動(dòng)開(kāi)口設(shè)計(jì)，方便上下件，且變位機(jī)在軌道上電動(dòng)行走，方便細(xì)長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)一個(gè)工位組對(duì)、另外一個(gè)工位機(jī)器人焊接，減少因裝卸工件、組對(duì)等輔助時(shí)間，使機(jī)器人能夠連續(xù)焊接。采用雙機(jī)器人，可以提高單位占地面積的作業(yè)效率，并可以實(shí)現(xiàn)雙機(jī)器人對(duì)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(jiàn)圖3、表1）導(dǎo)入機(jī)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(duì)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(tái)弧焊機(jī)器人（天吊）、兩臺(tái)焊接電源、一臺(tái)一軸頭尾架變位機(jī)、兩臺(tái)天吊三軸移動(dòng)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(shí)由于空間狹小、焊接工作量大等特點(diǎn)，使用人工焊接時(shí)，存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接參數(shù)不穩(wěn)定，焊接變形不容易控制等問(wèn)題。使用機(jī)器人、輔助翻轉(zhuǎn)變位裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，不僅可以將焊工從艱苦的作業(yè)環(huán)境中解脫出來(lái)，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(jī)器人MICROBO MICROBO機(jī)器人是一款便攜式、全自動(dòng)焊接機(jī)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(jī)械等行業(yè)，具有易搬運(yùn)、易安裝、易操作的使用特點(diǎn)，為用戶提供了高智能、高品質(zhì)、高效率的使用體驗(yàn)，并可以多臺(tái)同時(shí)應(yīng)用（詳細(xì)應(yīng)用情況請(qǐng)參見(jiàn)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(kù)開(kāi)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(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)設(shè)備的在線管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)查詢、分析報(bào)表輸出等，并可以與ERP系統(tǒng)實(shí)施互聯(lián)，實(shí)施全過(guò)程的計(jì)劃管理。

信息管理系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人工作站、物流系統(tǒng)及輔助設(shè)備等車(chē)間所有設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)、生產(chǎn)狀況、故障信息和品質(zhì)管理，同時(shí)能夠生產(chǎn)各種報(bào)表。管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5

國(guó)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(kāi)始應(yīng)用焊接機(jī)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(jī)器人焊接系統(tǒng)如圖6所示。

4. 結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中，焊接作業(yè)量巨大，而焊接作業(yè)環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)對(duì)操作人員的技能水平要求高，國(guó)內(nèi)外眾多行業(yè)的實(shí)踐證明，用機(jī)器人代替人工從事焊接作業(yè)是大勢(shì)所趨。鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人在國(guó)際上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，隨著智能編程、智能檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)的突破，為智能型機(jī)器人在國(guó)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(jī)器人系統(tǒng)方案，并在國(guó)內(nèi)也有了成功的業(yè)績(jī)。智能型機(jī)器人、自動(dòng)物流、自動(dòng)變位等自動(dòng)化裝置，再加上從事編程操作、監(jiān)控、產(chǎn)品檢驗(yàn)等輔助作業(yè)的技術(shù)工人，這種人、機(jī)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(shì)。

圖6 H型柱/梁機(jī)器人焊接系統(tǒng)