建筑鋼結構焊接機器人研究與應用

王磊

1. 建筑鋼結構工件特點

目前國內建筑鋼結構由于以下特點，實現機器人自動化焊接存在著較大瓶頸。

第一，建筑鋼結構構件大多是非標設計、單件生產的情況，工件設計趨于個性化，導致焊縫沒有統一的標準，使傳統的示教再現型機器人難以應用。

第二，柱子形式以使用焊接箱型、十字、H型柱為主， 結構件尺寸、重量很大（見圖1），傳統變位、裝夾方式很難適應，在車間焊接時只能依靠天車翻轉工件的方式，變位效率低。當采用變位機裝夾時，由于工件多為桿件，中間還設置有牛腿，所以簡單的兩頭裝夾變位，在其自重的影響下很容易造成工件的撓度變形，因此需要研究新形式的變位機。

第三，工件的切割下料、組裝等前道工序加工精度低，板厚也普遍在20~30mm以上，但是大部分焊縫需開坡口焊接，并且需要多層多道焊，焊接工藝要求高，焊接難度大，這對實現自動焊造成了一定困難，對機器人的厚板焊接能力、智能識別焊縫的能力要求更高。

2. 國內建筑鋼結構行業發展趨勢

國內建筑鋼結構行業發展趨勢主要包括：①建筑鋼結構企業從節能、節材、降低成本出發，開始重視標準化設計，著重進行鋼結構工件的結構、焊縫規范化設計。②鋼結構住宅、學校、辦公及商業設施將快速發展，軋制型鋼開始成功運用，特別是方鋼管開始普及。③近年來國內用工成本直線上升，焊接作業勞動強度大，滿足技能要求的焊工越來越難招，并且人員流動性越來越大，企業留住焊接技師的難度逐年增加。④業主對項目工期、焊接質量的要求越來越高。⑤其他行業機器人的大量應用實踐證明，機器人焊接的運行成本低于手工焊接。

基于上述發展趨勢，很多鋼結構企業開始關注機器人焊接，我公司也開始與鋼結構用戶進行廣泛的技術交流。

3. 其他行業焊接機器人的應用與發展情況

在介紹建筑鋼結構行業機器人焊接系統之前，首先了解一下目前中厚板焊接機器人在其他行業的應用與發展情況。

國內工程機械行業在2007年以前基本都是手工、半自動焊接，經過6年的發展，整個行業已累計安裝約2 000臺套機器人焊接系統及生產線，機器人系統在整個行業中承擔著大部分中厚板焊接工作，在工件的制作過程中發揮著重要作用。

目前國內的工程機械、煤炭機械、機床、電力等行業均大量采用了厚板機器人焊接系統。在各種行業的成功運用，充分證明了厚板機器人焊接系統的技術成熟、穩定，也為建筑鋼結構行業研發機器人焊接系統奠定了堅實的基礎。

圖1 箱型柱

近兩年機器人焊接系統在橋梁鋼結構行業同樣得到了迅猛發展，鋼箱梁板單元的廠內制造及現場拼裝在2011年之前都是采用手工半自動焊接，2012年以港珠澳大橋工程為契機，國內橋梁行業普遍采用了板單元機器人焊接系統，使機器人焊接系統得到了迅速的推廣及應用。

4. 建筑鋼結構機器人焊接系統

國外建筑鋼結構發展近況：①工件標準化設計，形成批量制造。②結構形式為軋制方管、圓管、H型鋼為主。③工廠制造和安裝現場普遍使用機器人焊接。各種鋼結構工件的機器人焊接系統以及焊縫外觀如圖2、圖3所示。

通過比較國內、外建筑鋼結構工件形式、焊縫的差別，總結吸取國外機器人焊接系統的優勢以及成熟的工件裝夾、變位技術，唐山開元機器人系統有限公司研發了適用國內建筑鋼結構工件的機器人焊接系統：柱組裝機器人焊接系統。并且在國內某大型鋼結構企業中成功應用，該系統現場焊接的實景如圖4所示。

該套系統能夠焊接建筑鋼結構行業的H柱、梁，箱型柱，十字柱等多種工件，是一套兼容性很強的機器人焊接系統，該系統由神鋼弧焊機器人ARCMAN—MP、神鋼焊接電源UC500、籠式開口變位機、三軸移動裝置、控制電腦、離線編程系統及智能編程系統組成。系統控制總軸數達到11軸，采用雙工位、單機器人布置，在滿足機器人焊接的同時，又方便客戶進行手工補焊。系統使用了籠式開口變位機用于工件的變位，不在工件的兩端裝夾，很大程度上避免了工件由于自重產生的變形，同時采用國外成熟的變位機開口設計，方便了工人上、下工件，提高了整套設備的生產效率。

該套系統在編程方面成功運用了神鋼機器人高智能化的離線編程和智能編程系統。其中智能示教系統是神鋼最新研發的專用于橋梁、建筑鋼結構系統的輔助示教編程系統，其工作過程是采用離線編程得到的主程序，通過參數化驅動，自動生成執行程序，智能對應工件上不同位置上的相同焊縫。該系統專門針對橋梁、建筑鋼結構行業工件的特點（多品種、小批量且具有大量類似焊縫）而開發，除具有操作簡單，實用性強特點外，而且不需要現場對工件進行編程，通過輸入工件的相關參數即可自動生成焊接程序。

5. 結語

柱組裝機器人焊接系統作為國內首套鋼結構行業的機器人焊接系統，這一項目的成功對于今后鋼結構行業的積極影響不言而喻。尤其是成功運用了籠式開口變位機、神鋼機器人高智能化的離線編程和智能編程系統，實現了機器人免試教焊接，克服了建筑鋼結構工件品種多、批量小、工藝復雜等制約自動焊接設備應用的難題，為今后建筑鋼結構行業使用厚板機器人焊接系統奠定了基礎。

圖2 圓管柱機器人焊接系統

圖3 方管柱機器人焊接系統

圖4 柱組裝機器人焊接系統