鋼筋骨架自動(dòng)焊接技術(shù)應(yīng)用研究

蔣 濤

（1.上海隧道工程有限公司，上海 200233；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200000）

預(yù)制襯砌管片是隧道建設(shè)的重要組成部分，在隧道建設(shè)中對(duì)管片的需求量較大[1]。傳統(tǒng)管片鋼筋骨架普遍采用人工焊接，難以保證焊接質(zhì)量均一性，生產(chǎn)效率不高。此外，當(dāng)前管片制造存在的問(wèn)題降低了隧道建設(shè)的推進(jìn)效率[2-3]。

自動(dòng)焊接已在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)，至今僅有部分單位就鋼筋自動(dòng)焊接相關(guān)內(nèi)容展開(kāi)了前期性探究性工作。通過(guò)鋼筋彎鉤連接方式優(yōu)化[6]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)簡(jiǎn)單鋼筋網(wǎng)片的自動(dòng)化焊接。通過(guò)生產(chǎn)工序和工裝設(shè)計(jì)優(yōu)化[7]，實(shí)現(xiàn)了鋼筋網(wǎng)的自動(dòng)焊接。港珠澳大橋施工中鋼筋自動(dòng)化焊接應(yīng)用，進(jìn)一步表明構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的必要條件[8]。通過(guò)優(yōu)化自動(dòng)焊接設(shè)備及流水線工藝[9]，初步實(shí)現(xiàn)了鋼筋骨架的自動(dòng)化焊接。

基于以上研究思路，為解決當(dāng)前隧道管片鋼筋骨架制作方式單調(diào)、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，文章從焊接加工工藝設(shè)計(jì)、鋼筋骨架裝配和輸運(yùn)工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾個(gè)方面出發(fā)，對(duì)鋼筋骨架自動(dòng)焊接進(jìn)行研究。

1 傳統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

隧道管片鋼筋骨架主要由主筋鋼筋構(gòu)成骨架主體結(jié)構(gòu)，并輔以箍筋在橫向方向上連成整體框架。鋼筋骨架中，單根主筋鋼筋質(zhì)量約為30 kg，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，人工平均效率為每個(gè)花費(fèi)90 min。常用的管片鋼筋骨架的主筋與箍筋總交叉點(diǎn)位有400多個(gè)。在鋼筋骨架側(cè)面垂直方向上，還需要人工焊接200多根輔助筋。此外，鋼筋原材料搬運(yùn)、后期裝夾等工序，均需要通過(guò)人力完成?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)鋼筋骨架加工存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、勞動(dòng)環(huán)境差以及人力消耗大等弊端。由于管片鋼筋骨架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊點(diǎn)位置多，受鋼筋加工、裝夾以及工人水平等的影響，鋼筋骨架制作普遍存在生產(chǎn)效率低、質(zhì)量差以及產(chǎn)品均一性難以把握等問(wèn)題。

2 自動(dòng)焊接工藝分析

為解決人工焊接中存在的問(wèn)題，在充分借鑒類似較成熟自動(dòng)焊接應(yīng)用范例的基礎(chǔ)上，通過(guò)焊接工藝和工序調(diào)整，對(duì)鋼筋骨架進(jìn)行自動(dòng)焊接進(jìn)行研究。一方面，通過(guò)工裝夾具設(shè)計(jì)完成主筋與架立筋交叉點(diǎn)的自動(dòng)焊接，獲得鋼筋網(wǎng)片。另一方面，將箍筋和鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行組裝，由總裝焊接機(jī)械人進(jìn)行焊接，完成整體鋼筋骨架框架的自動(dòng)焊接。

相比于常規(guī)人工焊接，管片鋼筋骨架自動(dòng)焊接的實(shí)現(xiàn)具有諸多優(yōu)勢(shì)：一方面，可以確保焊接質(zhì)量一致和質(zhì)量可溯源；另一方面，鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)焊接工位兩人一組，總裝采用多人協(xié)作模式，在保證焊接質(zhì)量和效率的同時(shí)降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

下面將主要從相關(guān)工藝調(diào)整優(yōu)化和配套夾具設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容出發(fā)，對(duì)管片鋼筋骨架自動(dòng)焊接進(jìn)行詳細(xì)敘述，同時(shí)對(duì)自動(dòng)焊接過(guò)程中的部分環(huán)節(jié)進(jìn)行再優(yōu)化分析。

3 自動(dòng)焊接設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)焊接

自動(dòng)焊接采用六軸焊接機(jī)械手與配套CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝。考慮鋼筋骨架呈彎弧結(jié)構(gòu)，將兩臺(tái)機(jī)械手放在鋼筋內(nèi)彎弧面一側(cè)，如圖1所示。焊接時(shí)，每臺(tái)機(jī)械手均焊接可覆蓋區(qū)域的鋼筋網(wǎng)，可見(jiàn)兩臺(tái)機(jī)械手配合后可實(shí)現(xiàn)整幅鋼筋網(wǎng)片的焊接。

圖1 鋼筋網(wǎng)片焊接平面分布

多臺(tái)機(jī)械手對(duì)稱設(shè)計(jì)主要考慮了以下幾個(gè)方面：首先，使空間利用最大化；其次，避免因主筋縱向長(zhǎng)度大導(dǎo)致機(jī)械手覆蓋區(qū)域不完整的問(wèn)題；最后，多臺(tái)機(jī)械手協(xié)同作業(yè)，焊接動(dòng)作簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定，空載路徑短，且多幅鋼筋網(wǎng)片同時(shí)焊接，能大幅提高生產(chǎn)效率。

圖2為鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)焊接現(xiàn)場(chǎng)工位圖。可見(jiàn)，實(shí)際設(shè)備與設(shè)計(jì)圖保持一致，鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)焊接工位上兩臺(tái)機(jī)械手和兩塊鋼筋網(wǎng)片分布合理，主筋與架立筋鋼筋?yuàn)A具整體布局比較簡(jiǎn)潔，人工協(xié)作順暢、有序。

圖2 鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)焊接圖片

鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)焊接時(shí)，將成型鋼筋構(gòu)件裝配到胎具指定位置，機(jī)械手通過(guò)協(xié)同作業(yè)焊完整副鋼筋網(wǎng)片。焊接結(jié)束后，夾具張開(kāi)，頂出機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將鋼筋網(wǎng)片取出。工人將下一批待焊主筋、架立筋放進(jìn)夾具，機(jī)械手主軸（S軸）旋轉(zhuǎn)，焊接對(duì)側(cè)鋼筋網(wǎng)片，并重復(fù)以上焊接過(guò)程。通過(guò)工藝設(shè)計(jì)使機(jī)械手連續(xù)、不中斷工作，最大化機(jī)械手工作時(shí)間，是提高自動(dòng)焊接效率最直接有效的途徑。

從機(jī)械手啟動(dòng)到鋼筋網(wǎng)片焊接完成，平均焊接速率為每片88 s，單點(diǎn)平均時(shí)間5 s?？梢?jiàn)，較傳統(tǒng)焊接工藝，自動(dòng)焊接技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量可控以及焊接質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。主筋鋼筋較大的長(zhǎng)達(dá)5.3 m、質(zhì)量約34 kg，再加上架立筋，一片鋼筋網(wǎng)片的總質(zhì)量可以達(dá)到58 kg。自動(dòng)焊接過(guò)程中，設(shè)計(jì)兩人一組進(jìn)行配合作業(yè)。

3.2 總裝自動(dòng)焊接

鋼筋骨架總裝自動(dòng)焊接是鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)焊接的延續(xù)。通過(guò)將鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行拼裝焊接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋼筋骨架的焊接?？傃b自動(dòng)焊接時(shí)，鋼筋網(wǎng)片經(jīng)行車吊裝到特定夾具上，再經(jīng)胎架卡槽限位定位，然后用箍筋箍緊，經(jīng)焊接機(jī)械手將主筋與箍筋交叉點(diǎn)順次焊接，得到管片鋼筋骨架總裝結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 鋼筋網(wǎng)組裝構(gòu)成總裝鋼筋骨架

鋼筋骨架總裝自動(dòng)焊接時(shí)，首先根據(jù)圖紙將一定數(shù)量的鋼筋網(wǎng)片依次吊運(yùn)到特定胎架上，用箍筋將鋼筋網(wǎng)片箍緊，確保主筋、箍筋進(jìn)入胎架卡槽內(nèi)完成鋼筋骨架總裝。其次，將總裝鋼筋骨架轉(zhuǎn)運(yùn)到特定區(qū)域，利用液壓制動(dòng)機(jī)構(gòu)完成總裝鋼筋骨架固定。最后，由焊接機(jī)械手自動(dòng)完成鋼筋骨架主筋與箍筋搭接點(diǎn)的焊接。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每個(gè)鋼筋骨架焊接平均需要花費(fèi)24 min。

鋼筋骨架總裝自動(dòng)焊接時(shí)，先對(duì)內(nèi)弧面實(shí)施焊接，待內(nèi)弧面焊接結(jié)束后，通過(guò)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)再對(duì)外弧面進(jìn)行焊接?？紤]總裝鋼筋骨架縱向跨度約有5 m，鋼筋骨架焊接時(shí)采用兩臺(tái)機(jī)械手交叉協(xié)作，實(shí)現(xiàn)焊接鋼筋骨架點(diǎn)位的全覆蓋。此外，多臺(tái)機(jī)械手同時(shí)工作有利于提高整體的工作效率。

3.3 鋼筋骨架自動(dòng)焊接優(yōu)化分析

通過(guò)分解鋼筋網(wǎng)片焊接和鋼筋骨架總裝自動(dòng)焊接，實(shí)現(xiàn)了管片鋼筋骨架的自動(dòng)焊接。鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)焊接中，通過(guò)工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了平均單點(diǎn)1.5 s的焊接效率。鋼筋骨架總裝自動(dòng)焊接，鋼筋骨架總裝需要4～6名工人，在相應(yīng)胎架上完成主筋與箍筋的裝夾定位，總裝需要約50 min，平均焊接時(shí)間約為24 min。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，相較于焊接時(shí)間，總裝約占總時(shí)間的67.6%，嚴(yán)重影響自動(dòng)焊接的焊接效率。鋼筋骨架結(jié)構(gòu)龐大、組成復(fù)雜，又無(wú)現(xiàn)成自動(dòng)焊接經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，前期工作中難免會(huì)存在工序不合理的地方，需對(duì)鋼筋骨架總裝部分進(jìn)行優(yōu)化。目前，在用機(jī)械手路徑規(guī)劃已得到優(yōu)化，下一步將從提高鋼筋骨架總裝裝配效率方面進(jìn)行研究。

3.3.1 鋼筋網(wǎng)片收納管理

文章主要通過(guò)鋼筋網(wǎng)片收納架設(shè)計(jì)及管理和鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)張拉定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化研究。鋼筋網(wǎng)片焊接完后，根據(jù)圖紙主筋數(shù)量要求，將相應(yīng)主筋數(shù)量的鋼筋網(wǎng)片存放到收納架上構(gòu)成一個(gè)鋼筋網(wǎng)片組，如圖4所示。同時(shí)，為了方便鋼筋網(wǎng)片組吊裝，設(shè)計(jì)有固定卡槽抓頭作為配套吊具。鋼筋骨架裝配時(shí)，直接起吊抓頭即可完成對(duì)一定數(shù)量鋼筋網(wǎng)片的同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)，成倍提高了鋼筋網(wǎng)片吊裝效率。圖4虛線方框內(nèi)為抓頭吊具。

圖4 鋼筋網(wǎng)片整理架

鋼筋網(wǎng)片收納配置管理方法，首先使得鋼筋網(wǎng)片生產(chǎn)管理有序化，生產(chǎn)物料堆放更加整潔；其次，實(shí)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)片管理的明晰化，基于抓頭數(shù)量能夠更加快捷、直觀地確定現(xiàn)有鋼筋網(wǎng)片數(shù)量；最后，基于鋼筋網(wǎng)片收納架和專用抓頭的收納管理方式，減少大量的人力搬運(yùn)工作，使得鋼筋網(wǎng)片的快速轉(zhuǎn)移和裝配得以實(shí)現(xiàn)，節(jié)約了勞動(dòng)力。

3.3.2 鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)攤鋪方案設(shè)計(jì)

在原鋼筋骨架總裝胎架基礎(chǔ)上，主筋定位采用推進(jìn)油缸運(yùn)動(dòng)完成，精度為±0.1 mm，大大提高了主筋定位精度，同時(shí)節(jié)約了人力。鋼筋網(wǎng)片組吊運(yùn)到總裝胎架上，鋼筋網(wǎng)片打開(kāi)前套入箍筋，并在縱向方向上對(duì)準(zhǔn)胎架卡槽定位，鋼筋網(wǎng)片在油缸運(yùn)動(dòng)下移動(dòng)到主筋設(shè)定位置，如圖5所示。鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)對(duì)位攤鋪可以實(shí)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)片的精準(zhǔn)對(duì)位和鋼筋骨架總裝的快速裝配，達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。采用鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)對(duì)位攤鋪方案，鋼筋骨架平均總裝時(shí)間縮短為20 min，安裝效率較之前提高1倍以上。

圖5 改造后的鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)攤鋪胎架

目前，基于鋼筋網(wǎng)片收納架和鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)對(duì)位攤鋪的自動(dòng)焊接系統(tǒng)的高效率已在管片鋼筋骨架制造中得到驗(yàn)證。相比優(yōu)化前的自動(dòng)焊接，優(yōu)化后的焊接工藝自動(dòng)化程度更高，焊接效率提高50%以上。此外，它進(jìn)一步節(jié)省了人力投入，大大改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境，且鋼筋攤鋪精度的提升保障了鋼筋骨架的生產(chǎn)質(zhì)量。

4 結(jié)論

文章針對(duì)鋼筋骨架焊接制造現(xiàn)存的焊接質(zhì)量不一、生產(chǎn)效率低下等問(wèn)題，提出了一種可行的自動(dòng)焊接技術(shù)，從焊接工藝和工裝結(jié)構(gòu)改造兩個(gè)方面做了進(jìn)一步優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)鋼筋網(wǎng)片焊接和總裝焊接設(shè)計(jì)，初步實(shí)現(xiàn)了鋼筋骨架自動(dòng)焊接；

（2）通過(guò)網(wǎng)片收納管理和攤鋪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高焊接技術(shù)的自動(dòng)化程度，使得管片鋼筋骨架總裝效率提高近一倍；

（3）優(yōu)化后，自動(dòng)焊接整體效率提高50%以上，說(shuō)明沿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提高自動(dòng)焊接效率的研究方向是正確的；

（4）研究成果可為地下工程建設(shè)的預(yù)制化制造奠定基礎(chǔ)并提供參考方向。