基于PLC的鋼筋籠自動焊接機器人研制

焦 雷

（中鐵二十二局集團有限公司 北京 100043）

1 引言

鋼筋籠是樁基礎的重要組成部分，是樁基礎承受拉應力的主要受力組合材料，因此鋼筋籠加工質量的優(yōu)劣直接影響樁基礎的質量和成樁后地基的穩(wěn)定性，鋼筋籠加工效率的高低在很大程度上影響樁基礎施工的進度［1］。但鋼筋籠加工作業(yè)往往存在以下問題：

（1）加工效率低，生產成本高。盡管市場上半自動鋼筋籠滾焊機和鋼筋繞筋機已經(jīng)普及，但兩種設備在鋼筋籠主筋、固定筋和箍筋的焊接方式上依然以人工焊接為主，需要2名焊工（含1名補焊）和1名調筋人員，焊接效率低且人工成本高［2］。

（2）焊接質量差。人工焊接常出現(xiàn)焊縫長度不足、焊縫不飽滿，缺焊漏焊等情況［3］，導致鋼筋籠在下籠時豎向應力不均，焊縫大面積開焊，嚴重破壞鋼筋籠結構，出現(xiàn)質量問題。

因此，為了提高鋼筋籠焊接效率，提升鋼筋籠焊接質量，降低項目鋼筋加工成本，在鋼筋籠加工作業(yè)中急需有針對性地改進焊接技術，研發(fā)程序化、機械化、自動化、智能化的焊接設備代替人工焊接，從而實現(xiàn)鋼筋籠加工的智能一體化，為企業(yè)降本增效［4］。

2 鋼筋籠加工方式

目前，鋼筋籠機械化加工主要有兩種方式：第一種是采用鋼筋繞筋機，利用鋼筋繞筋機底座雙膠輪定速轉動帶動鋼筋籠（主筋和定位筋提前焊接）旋轉，配合鋼筋調直機完成箍筋繞筋工作，調整箍筋間距后進行人工焊接；第二種是采用鋼筋籠滾焊機，鋼筋籠滾焊機利用配筋旋轉盤固定主筋，人工焊接定位筋后定速轉動帶動鋼筋籠旋轉，同樣需要鋼筋調直機配合完成箍筋繞筋工作，調整箍筋間距后再進行人工焊接。鋼筋繞筋機和鋼筋籠滾焊機如圖1所示。

圖1 鋼筋繞筋機和鋼筋籠滾焊機

兩種鋼筋籠加工方式雖然都利用專用機械設備實現(xiàn)了箍筋的調直和自動繞筋，但繞筋與焊接工序往往不同步、不連續(xù)，箍筋繞筋后焊接不及時，且在主筋不均勻摩擦力影響下，不同位置箍筋徑向拉應力不同，出現(xiàn)箍筋間距變化，需在焊接前進行調整。此外，因國內鋼筋籠滾焊機自帶焊機的焊接質量不及人工焊接，目前鋼筋籠實際加工生產過程中，兩種加工方式均需人工焊接箍筋并進行補焊作業(yè)。

因此，在鋼筋籠加工過程中，如何利用機械原理實現(xiàn)箍筋間距自動調整和焊槍精準定位焊接是鋼筋籠自動焊接技術需要解決的關鍵問題。

3 基于PLC控制的鋼筋籠自動焊接機器人

針對上述鋼筋籠焊接出現(xiàn)的問題，結合鋼筋籠的加工方式，鋼筋籠的自動焊接應從箍筋定位定向、焊槍精準定位、精密焊接和系統(tǒng)操控等多方面進行技術研究，確定機械結構件和電氣元件的適配組合方案，利用PLC系統(tǒng)進行焊接參數(shù)的設置、焊機運轉的控制及焊接過程的監(jiān)控，實現(xiàn)鋼筋籠焊接機器人自動、穩(wěn)定、連續(xù)施焊。自動焊接機器人側面示意見圖2。

圖2 自動焊接機器人側面示意

3.1 鋼筋籠箍筋定位定向系統(tǒng)

鋼筋籠自動焊接機器人在機頭設置上下兩個繞絲滾輪，垂直間距為480 mm。機頭由電機滑桿牽引，滾輪隨機頭實現(xiàn)長距離前后滑動并在焊槍施焊時壓在箍筋上。滾輪裝置本身設置調節(jié)螺桿，負責根據(jù)壓筋程度微調前后距離和角度。每個滾輪上設置一個繞絲卡，在滾輪壓住箍筋的同時，繞絲卡沿箍筋徑向卡住箍筋（繞絲卡左右位置可根據(jù)箍筋走向微調）。鋼筋籠隨滾焊機轉動時，上下兩個繞絲卡按箍筋理論滾動走行同時卡住箍筋，即可鎖定箍筋位置和轉動走向，控制箍筋間距，確保焊槍在上下滾輪間施焊時箍筋與主筋的穩(wěn)定性［5］。此外，上下滾輪均設置同步旋轉電機，配合鋼筋籠同步轉動，為焊槍焊接提供穩(wěn)定的工作平臺。鋼筋籠箍筋定位定向系統(tǒng)模型見圖3。

圖3 鋼筋籠箍筋定位定向系統(tǒng)模型

3.2 焊槍定位系統(tǒng)

焊槍與機頭的垂直滑動機構連接。焊槍末端設置夾緊塊固定，鎖定水平位移；焊槍前端設置支撐塊，限定焊槍頭的垂直位置；焊槍頭設置斜交（斜交角度根據(jù)主筋與箍筋的交角設計）焊槍的主筋卡扣［6］，在推放焊槍焊接作業(yè)時搭卡在主筋上，鎖定焊機頭與焊縫的相對位置［7］。通過對焊槍進行多結構多維度的限位鎖定，提高焊槍前端的穩(wěn)定性，確保箍筋焊接位置的精準性。焊槍定位系統(tǒng)模型見圖4。

圖4 焊槍定位系統(tǒng)模型

3.3 焊接系統(tǒng)

焊接系統(tǒng)主要由焊槍組件、偏心轉動機構（機頭內）和垂直滑動機構組成。由于人工焊接無法準確控制焊縫的寬度和飽滿度，焊接系統(tǒng)利用垂直氣缸推動焊槍向上移動，利用電動推桿控制焊槍向下移動，利用水平氣缸控制焊槍頭前后移動（如圖4所示），采用減速電機（可調速）帶動偏心軸旋轉控制焊槍左右擺動。同時，設置電機調速器控制減速電機的轉速以及電動推桿的下降速度，通過偏心電機和水平氣缸配合實現(xiàn)焊接時間的動態(tài)控制，以保證焊接均勻充分，焊縫連續(xù)飽滿。此外，焊槍自上而下進行焊接，使部分熔化的液態(tài)金屬熔滴能順焊縫下淌，焊縫內金屬熔滴充盈，進一步提高焊縫質量。另外，焊接系統(tǒng)采用左右雙焊槍設計，交替出槍焊接，極大提高了鋼筋籠的焊接效率。

4 焊接機器人PLC控制系統(tǒng)設計

考慮焊接機器人作業(yè)環(huán)境復雜、操作人員操作水平參差不齊等因素，機器人的PLC控制系統(tǒng)應滿足運行平穩(wěn)、焊接動作可靠、操作安全實用、安裝調試方便、維修保養(yǎng)簡易等要求［8］，確保整機的穩(wěn)定性和可靠性。

4.1 PLC自動焊接流程建設

鋼筋籠自動焊接機器人是配合現(xiàn)有鋼筋籠滾焊機的小型焊接設備，在自動焊接流程上要考慮與滾焊機的流程銜接。焊接機器人通過焊槍上移→焊槍定位→出槍焊接→焊槍落位→焊槍上移（往復進行）的簡易流程實現(xiàn)自動焊接［9］，同時流程設置上須保證焊槍定位定向準確、焊接機構穩(wěn)定、焊點精準的性能。此外，還應結合PLC控制系統(tǒng)及周邊設備的功能實現(xiàn)模式來設計焊接機器人自動焊接的流程［10］。自動焊接流程圖如圖5所示。

圖5 機器人自動焊接流程

4.2 輸入輸出（I/0）估算

由自動焊接流程分析，焊接機器人需要通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)焊接參數(shù)設置、焊接控制、狀態(tài)監(jiān)控和故障預警等操控功能。此外，隨著樁基施工的發(fā)展，鋼筋籠的樣式和種類不斷變化［11－12］，不同箍筋形狀在焊點定位上不能完全實現(xiàn)自動化［13］，需要結合主筋的分布和箍筋的徑距手動調節(jié)焊機頭的初始位置和焊接時間，因此I/0設計需要考慮增加手動調節(jié)焊機頭位置的功能。

將兩個焊槍分別定義為1號焊槍和2號焊槍，系統(tǒng)主控數(shù)字輸入信號有：機頭進/退、手動/自動焊接切換、1號焊槍啟動/屏蔽、2號焊槍啟動/屏蔽、焊接方式選擇（梅花焊、滿焊）、單主筋/雙主筋選擇以及在手動焊接模式下機頭控制出/回和焊點位置保存；參數(shù)數(shù)據(jù)輸入有：焊機頭位置、鋼筋籠直徑、箍筋直徑、鋼筋主筋根數(shù)、焊接時間以及1號垂直氣缸緩沖時間、2號垂直氣缸緩沖時間、1號水平氣缸出開始時間、2號水平氣缸出開始時間、1號水平氣缸出/回時間、1號垂直氣缸回時間、2號水平氣缸出/回時間、2號垂直氣缸回時間等；數(shù)字輸出信號有：機頭前后移動、1號水平氣缸出/回、2號水平氣缸出/回、1號垂直氣缸出/回、2號垂直氣缸出/回、1號電動拉桿上/下、2號電動拉桿上/下等；反饋信息有：鋼筋籠轉速、故障報警等。其中I/0輸入、輸出變量分配情況如表1和表2所示。

表1 I/0輸入變量分配

表2 I/0輸出變量分配

4.3 PLC設備選型

目前市場上PLC設備品種頗多，進口知名品牌有 SIEMENS（德國）、GE（美國）、LG（韓國）和三菱（日本），國產品牌有合力、研華等。歐美品牌主做大中型PLC控制機，日韓品牌的PLC控制機相對緊湊小巧，國產品牌穩(wěn)定性稍差。焊接機器人輸入觸點不超過30個，輸出觸點不多于20個，應用指令不超過30條，需要單脈沖設置但內存需求不高。綜合考慮設備性能和安裝條件，焊接機器人選用三菱FX3GA-60型PLC控制器。該控制器可以實現(xiàn)控制顯示、運行監(jiān)控、觸點計數(shù)、時間控制以及各類數(shù)據(jù)的通訊和鏈接功能，擁有定位和脈沖輸出功能，在設備性能不足時可以增加模擬模塊以及功能拓展板，同時兼顧結構緊湊小巧、性價比高等優(yōu)點。

自動焊接機器人以三菱FX3GA-60型PLC控制器為控制核心，適配變頻器、解碼器、減速機、偏心電機、互感器、A/D轉換器以及觸摸屏，利用變頻器和減速機配合氣缸組成PID閉環(huán)控制反饋系統(tǒng)，完成精密的自動焊接動作。

5 人機交互效果展示

自動焊接機器人通過觸摸屏實現(xiàn)人機交互。觸摸屏是PLC功能模塊在操作端的集成，焊接操作人員通過觸摸屏進行基礎參數(shù)設置。線路設計邏輯清晰、操作界面簡潔的觸摸端為設備操作和功能實現(xiàn)提供良好的操控性。因此，在設計人機交互觸摸操作界面時充分考慮了焊接機器人的焊接流程以及PLC控制器的功能實現(xiàn)方式。焊接機器人按焊接流程順序采用層進式界面設計，做到界面簡潔易懂、觸控操作規(guī)范、重點信息突出、反饋預警及時。

5.1 主控界面

主控界面實現(xiàn)焊機頭手/自動切換、單/雙主筋選擇、焊接方式選擇、鋼筋籠尺寸參數(shù)信息輸入、焊機啟/停用設置以及焊接運轉數(shù)據(jù)的展示。該界面可供操作人員完成初始焊接數(shù)據(jù)的設置，同時顯示鋼筋籠的轉速并根據(jù)轉速差設置距離補償來縮短焊槍提升時間，實現(xiàn)焊槍準確勾住主筋。主控界面如圖6所示。

圖6 主控界面

5.2 設置界面

在主控界面右下方點擊設置頁面進入焊接機頭設置界面，該界面供操作人員操作焊機頭手動或自動對位。同時可設置焊槍穩(wěn)定參數(shù)，如設置焊槍垂直氣缸緩沖及緩沖時間來調節(jié)垂直滑動機構的穩(wěn)定性；設置焊槍水平氣缸開始時間來調節(jié)焊接速度、提高焊接效率等。設置界面如圖7所示。

圖7 設置界面

5.3 手動界面

在主控界面右下方點擊手動頁面進入焊槍精細化焊接動作的設置界面，該界面供操作人員設置水平氣缸和垂直氣缸出/回時間參數(shù)并提供系統(tǒng)故障自檢功能。手動界面如圖8所示。

圖8 手動界面

6 應用效果評價

該鋼筋籠自動焊接機器人已經(jīng)研發(fā)成功，經(jīng)多次調試后在國內大型施工單位的鐵路和公路項目進行推廣應用。目前，普遍反映其焊接鋼筋籠的質量良好且設備適配性強，具有以下優(yōu)點：

（1）用機械代替人工進行鋼筋籠焊接并實現(xiàn)自動調整箍筋間距，將焊接操作人員由3人減少為1人，大大降低了人工成本。

（2）采用雙焊槍設計，交替出槍焊接，與人工焊接和單槍焊機相比，提高了鋼筋籠焊接速度，一般9～12 m鋼筋籠僅需要15～20 min即可焊接完成，大大提高了生產效率。

（3）在確保焊槍能夠根據(jù)焊接需求自如活動的同時對焊槍多維度限位，保證了焊縫的軸線方向，提高了焊接的穩(wěn)定性。

（4）通過可調速的減速電機帶動偏心軸旋轉控制焊槍頭左右擺動的速度，確保焊縫飽滿，使焊接質量達到規(guī)范要求。

（5）裝置簡單、結構緊湊，安裝與拆卸迅速。

7 結束語

鋼筋籠自動焊接技術的研究及自動焊接機器人的研發(fā)，為樁基鋼筋籠加工提供了可靠的技術和裝備保障。自動焊接機器人采用PLC控制，不但實現(xiàn)了自動跟隨、焊接鋼筋籠，焊接過程中無需人工參與；而且提高了焊接效率，每個焊點的焊接時間縮短至0.7 s；同時還可精確控制焊接時間和焊接位置，既確保了焊接質量又節(jié)省了焊接材料。此外，機器人的參數(shù)控制系統(tǒng)采用觸摸屏設計，操控焊槍作業(yè)僅需5個實體按鍵完成，操作簡單便捷、易于上手、安全舒適。綜上，應用鋼筋籠自動焊接技術研發(fā)的自動焊接機器人已經(jīng)達到鋼筋籠智能加工的要求，可以大面積推廣應用。