建筑鋼結構行業智能機器人應用展望

呂志珍

1. 概述

目前我國從汽車制造、工程機械、鐵路車輛甚至到橋梁鋼結構等很多行業都已經大量應用焊接機器人。建筑鋼結構制造雖然焊接工作量很大，但由于目前國內建筑鋼結構多是非標設計、構件品種多、單件小批量生產、工藝復雜，再加上前道工序下料、組對精度不高等特點，實現機器人自動化焊接存在著較大困難，機器人自動化進程落后很多。但隨著智能編程、智能檢測等關鍵技術的突破，為智能型機器人在建筑鋼結構行業的應用創造了條件。

本文對在鋼結構制造中焊接工作量較大的柱牛腿焊接、H型鋼筋板焊接、箱型梁內隔板焊接、巨型柱及鋼板墻的機器人焊接方案做了簡要介紹，對典型構件的機器人焊接工藝、效率、成本等進行了試驗研究。實踐結果表明，采用機器人進行自動焊接，可得到質量穩定、優良的焊縫，且焊接效率高、綜合成本低，是鋼結構制造企業轉型升級、實現自動化、智能化制造、提高市場競爭力的有效手段。

2. 建筑鋼結構行業引入機器人的重要性

（1）國內外鋼結構行業發展現狀 中國鋼結構產業在近十余年期間發展迅速，已成為全球鋼結構用量最大、制造施工能力最強、產業規模第一、企業規模第一的鋼結構大國。

但是，據統計，我國2013年粗鋼產量已達7.52億t，其中鋼結構用鋼3 700萬t，不足5%，這與國外發達國家鋼結構用鋼量占粗鋼產量的30%相差甚遠。

在歐洲、美國和日本等發達國家，鋼結構制造企業早已實現焊接機器人應用，并開始進行更高水平的自動化應用。例如在日本，鋼結構焊接機器人的導入臺數超過3 000臺，而我國依舊以手工焊接或者半自動焊接為主，焊接自動化的水平與發達國家的差距尤為明顯，焊接機器人的應用處于剛起步階段。

國內在橋梁鋼結構制造上已經開始應用焊接機器人系統，在提高產品質量、提高生產效率和降低生產成本上產生了顯著的效果。

（2）建筑鋼結構行業采用機器人自動焊接的必要性 第一，滿足技能要求的焊工短缺，人工成本高。隨著鋼結構建筑的推廣，到“十三五”末，預計鋼結構用鋼量將從目前的每年3 500萬t增長到7 000萬t，焊工數量將無法滿足生產要求，采用機器人焊接是必然的選擇。這一點在汽車、工程機械、橋梁等大量應用焊接機器人的行業已經得到證實。

第二，高強度結構鋼和大厚度鋼材的廣泛使用，對焊接工藝的要求越來越高，手工焊接或半自動焊接的質量一致性難以保證，采用機器人焊接能確保焊接工藝的嚴格執行。

第三，鋼結構制造存在波峰、波谷，機器人可以實現24h連續生產，確保項目交貨期的要求。

第四，通過提高效率、降低返修率、節約材料，機器人自動焊接可降低焊接的綜合成本。

第五，機器人是實現制作過程自動化、信息化、智能化的有效手段。

（3）鋼結構焊接機器人的關鍵技術 要完成鋼結構行業的工件機器人自動焊接，必須具備以下關鍵技術。

第一，鋼結構行業用離線編程、智能編程軟件。傳統的示教再現使機器人難以適應鋼結構制造過程中產品種類多、單件、小批量生產的特點。只有通過軟件驅動機器人自動焊接，減少示教工作量或者免示教才能在鋼結構行業應用推廣。

離線編程軟件采用Windows視窗界面，其操作與普通PC機一般軟件類似，使初學者感覺親切、上手容易。全部功能及參數設置與實體機器人系統功能保持一致。

在離線編程軟件內編制的程序可直接存儲為機器人系統上專用程序，機器人系統可以直接進行調用修改再生動作；也可以對存儲器上作成的程序或者離線軟件做成的程序進行程序管理、程序變換（平移）等合并、復制、平移及刪除操作。

通過離線示教完成的數據只需簡單甚至不需要修改即可讀入機器人系統進行使用，提高機器人系統適用率，適用多品種小批量生產模式生產。軟件界面如圖1所示。

智能編程軟件是專門針對建筑鋼結構等多品種、小批量或單件生產開發的參數化編程系統。 其工作過程是：通過參數化驅動，自動生成執行程序，然后將預制好的各種焊接程序自動應用到工件上不同位置的相應焊縫上， 實現智能編程。該軟件既可以實現在線編程，也可以實現離線編程。

第二，接觸傳感、電弧跟蹤、數據庫等厚板焊接技術。作為中厚板焊接應用的代表性領域，在建筑鋼結構的結構件焊接中，由于存在工件尺寸、板厚較大，焊接坡口加工、工件組對精度較差的問題，所以為了取得良好的焊接效果，需要機器人具有強勁的跟蹤糾偏功能。

焊絲接觸傳感功能：使用焊絲作為傳感器的開始點傳感、三方向傳感、焊接長傳感、圓弧傳感、根隙傳感及多點傳感等接觸傳感功能的媒介，使機器人在焊接過程不受由于工件的加工、組對拼焊和焊接裝夾定位帶來的誤差的影響，自動尋找焊縫并識別焊接情況，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、可達性好、安全可靠等優點。

圖1

高性能電弧跟蹤功能：該功能包括對焊縫左右和上下兩個方向的高精度跟蹤功能、跟蹤結果記憶功能、坡口幅寬跟蹤功能、往復多層焊接功能等，在多層多道焊接過程中，利用第一層焊接時獲取的工件變化信息，經過控制系統整理計算，將結果直接作用于第二層以后的焊接中，以快速適應工件的變化，提高工作效率和焊接質量。

焊接數據庫功能：具有焊接專家條件數據庫，其中包含實踐中總結出來的為各種焊縫形式而設定的焊接參數及工藝，使用者可以根據工件焊縫形式，直接調用數據庫數據，可以自動生成焊接工藝表，并直接在焊接程序中應用；也可根據客戶自身工藝需求對此工藝表進行修改，人工重新編制并另存（包括焊接層數的確定），方便客戶積累自己的工藝數據，不需大量樣板焊縫工藝試驗，就能達到理想的焊接效果。

焊接數據庫自動切換功能：機器人通過接觸傳感，自動檢測出坡口角度、根部間隙等信息，然后根據上述信息的組合自動調用焊接數據庫，生成多層多道焊接程序，實現機器人自動對應坡口焊縫的功能。

3.典型構件機器人焊接系統研究

（1）柱牛腿焊接系統 適用工件種類主要包括箱型柱、十字柱、圓管柱、H型柱/梁。對象焊縫為柱與牛腿、梁與筋板的連接焊縫。系統方案如圖2所示。本系統由兩臺弧焊機器人（天吊）、兩臺焊接電源、兩臺一軸籠式開口變位機、兩臺天吊三軸移動裝置、一套離線編程系統、一套智能編程軟件組成。系統控制總軸數為20軸，籠式變位機采用自動開口設計，方便上下件，且變位機在軌道上電動行走，方便細長型工件的裝夾，有效解決了工件的撓度變形。

系統采用雙工位，可以實現一個工位組對、另外一個工位機器人焊接，減少因裝卸工件、組對等輔助時間，使機器人能夠連續焊接。采用雙機器人，可以提高單位占地面積的作業效率，并可以實現雙機器人對稱焊接、包角焊接，提高效率，減少焊接變形。

將某工件的規格參數（見圖3、表1）導入機器人系統，導入效果如表2所示。

（2）箱型梁內隔板焊接系統 適用工件種類為箱型柱、十字柱。對象焊縫為柱與牛腿的連接焊縫；箱型柱和內隔板的連接焊縫（蓋板之前）。系統方案如圖4所示。

本系統由兩臺弧焊機器人（天吊）、兩臺焊接電源、一臺一軸頭尾架變位機、兩臺天吊三軸移動裝置、一套離線編程系統、一套智能編程軟件組成。系統控制總軸數為19軸。

箱型梁內隔板焊接作業時由于空間狹小、焊接工作量大等特點，使用人工焊接時，存在工人勞動強度大，焊接參數不穩定，焊接變形不容易控制等問題。使用機器人、輔助翻轉變位裝置可以實現自動焊接，不僅可以將焊工從艱苦的作業環境中解脫出來，而且可以提高生產效率和產品質量、降低焊接成本。

圖2

圖3

表 1

表2 柱牛腿系統的導入效果分析

圖4

（3）便攜式智能機器人MICROBO MICROBO機器人是一款便攜式、全自動焊接機器人，廣泛應用于橋梁鋼結構、建筑鋼結構、船舶、海洋工程、通用機械等行業，具有易搬運、易安裝、易操作的使用特點，為用戶提供了高智能、高品質、高效率的使用體驗，并可以多臺同時應用（詳細應用情況請參見本專題“企業解決方案”欄目）。

（4）智能工廠生產信息管理系統 采用基于Visual Studio可視化界面及Oracle數據庫開發的B/S架構制造信息管理系統由生產管理、設備管理、故障診斷、質量監控、物流及生產狀況視頻監控等五大模塊組成，用戶通過瀏覽器實現設備的在線管理、實時監控和歷史數據查詢、分析報表輸出等，并可以與ERP系統實施互聯，實施全過程的計劃管理。

信息管理系統能實時監控機器人工作站、物流系統及輔助設備等車間所有設備的實時狀態，統計生產過程參數、生產狀況、故障信息和品質管理，同時能夠生產各種報表。管理系統結構如圖5所示。

圖5

國內建筑鋼結構、橋梁鋼結構制造企業已經開始應用焊接機器人系統，在提高產品質量、提高生產效率和降低生產成本上產生了顯著的效果，H型柱/梁機器人焊接系統如圖6所示。

4. 結語

鋼結構制造過程中，焊接作業量巨大，而焊接作業環境差、勞動強度大，同時對操作人員的技能水平要求高，國內外眾多行業的實踐證明，用機器人代替人工從事焊接作業是大勢所趨。鋼結構焊接機器人在國際上已經得到廣泛應用，隨著智能編程、智能檢測等關鍵技術的突破，為智能型機器人在國內鋼結構行業的應用創造了條件。在鋼結構制造中焊接工作量較大的柱牛腿焊接、H型鋼筋板焊接、箱型梁內隔板焊接等工序，已有成熟的機器人系統方案，并在國內也有了成功的業績。智能型機器人、自動物流、自動變位等自動化裝置，再加上從事編程操作、監控、產品檢驗等輔助作業的技術工人，這種人、機協作式智能化制造也應是鋼結構行業發展的必然趨勢。

圖6 H型柱/梁機器人焊接系統