大型航站樓鋼結構自動定位裝置設計與應用

喬計震

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459)

0 引言

隨著科學技術和城鎮化建設的不斷發展，鋼結構建筑迎來了一個發展機遇，與傳統建筑結構相比，鋼結構建筑具有重量輕、強度高、穩定性好以及綠色無污染等優勢，因此在近年來得到國家政府的大力支持。為了迎合公眾的審美要求以及豐富建筑的使用性能，鋼結構建筑逐漸向大型化、復雜化發展，這使得鋼結構的節點也變得越來越復雜，使用人工進行鋼結構裝配，將耗費大量的人力、物力，裝配時間長、裝配精度低、工程經濟性差等問題日益突出，因此，有必要針對傳統人工裝配方式的不足，設計自動化定位裝配機，以應對大型鋼結構建筑復雜節點的裝配連接施工問題[1]。

張家口軍民合用機場改擴建工程是服務于2022北京冬奧會的重點基礎配套設施工程，其中在既有航站樓西側新建1座航站樓，新建航站樓長171 m，寬48.7 m，建筑面積13860 m2。新建航站樓采用鉆孔灌注樁基礎，地上兩層鋼筋混凝土框架結構，管桁架結構屋頂，金屬復合板屋面，墻面裝修采用玻璃幕墻。管桁架屋頂南北軸方向為主桁架和邊桁架，分為23榀，東西方向為次桁架，分為7榀梁。主管桁架與次桁架通過上下弦支撐連接后形成管桁架屋頂整體受力體系。桁架上弦架頂部設檁條，檁條為屋頂金屬屋面受力點。在KZ11結構頂部設1000×600×30×30 mm鋼梁。桁架上下弦桿、腹桿均采用熱軋無縫鋼管，鋼管、鋼板材質包括Q235C、Q345C、Q345GJC，鋼結構表面采用拋丸噴砂除銹，除銹等級為Sa2 1/2-Sa2.5級，表面粗糙度Ra為40～70 μm。

本文以張家口軍民合用機場改擴建工程為研究背景，設計了一套專門應用于復雜鋼結構焊接節點的自動定位裝配機，以期能為工程鋼結構焊接施工提供幫助。

1 方案選型設計

1.1 技術要求

本工程航站樓鋼結構建筑面積大、工期緊、復雜節點多，因而設計自動定位裝配機的主要目的：一是要提高在單位時間內的鋼結構焊接節點產量，提高工作效率，減少人為因素的影響；二是要提高航站樓鋼結構整體的定位裝配精度，提升施工品質。因此，自動定位裝置必須兼顧以下幾個技術特點：1)高度自動化；2)制造成本低；3)裝配用時少；4)機械構型緊密[2-3]。

1.2 參數設計

借鑒類似產品的設計經驗，同時結合本工程鋼結構節點特征[4-6]，確定自動定位裝置的具體設計參數為：自由度6個、X軸工作行程-150～150 mm、Y軸工作行程-200～200 mm、Z軸工作行程-300～300 mm、OZ軸0～360°、OX和OY軸-20～20°、運動負載200 kg、重復定位精度-0.5～0.5 mm，X軸和Y軸的運行速度均為50 mm/s、Z軸運行速度為60 mm/s。

1.3 方案比選

常用的機械構型包括直角、圓柱、球以及關節坐標四種類型，其中直角坐標型加工方便、操作簡單，因而本文采用直角坐標進行設計。機械驅動采用伺服電動機，減速機選用渦輪蝸桿減速機和RV，X、Y、Z軸平行機構采用絲杠傳動，采用獨立線纜孔解決電機線纜穿線問題。基于以上設計原則，首先設計得到三種自動定位裝置方案，每種設計方案具體情況為：

方案一：主要由兩個變位機(一是節點回轉變位機，二是節點門式變位機)及其輔助結構組成。節點回轉變位機主要由360°可回轉工作臺和90°可俯仰變位機構兩部分組成，前者的主要作用在于固定節點，使其可以實現任意水平方向的旋轉，后者的主要作用在于確保定位裝置在俯仰角度0～90°范圍內實現隨意旋轉變換。通過該結構形式的回轉變位機可以保證最理想的裝配加工位置和焊接效率。節點門式變位機主要由軌道行走機構(平移機構)、夾持機構(固定機構)、以及升降和橫梁機構(平移機構)等組成。軌道行走機構主要作用是保證點定位機在Y方向運動，夾持機構主要作用是對構件固定夾持，同時保證在垂直面-60°～60°內運動，升降和橫梁機構的主要作用是確保自動定位裝置在X方向和Z方向上做自由平移運動。

圖1 總體設計方案

方案二：主要包括節點回轉變位機(也分為平面和俯仰兩種變位機構)、節點門式變位機(行走、平移和夾持機構等組成)、控制平臺及其輔助結構。節點回轉變位機和節點門式變位機的作用與方案一相似，不再贅述。控制平臺可以對角度和方位進行自由調整，可確保節點支腳豎直，進而可以使下一鋼結構節點能夠順利焊接。

方案三：主要包括兩個變位機(節點回轉和節點臥式變位機)以及輔助結構。節點回轉變位機與方案一、二略有不同，主要由回轉工作平臺和夾持機構兩部分組成，工作平臺的主要作用在于確保夾持機構在水平方向上可以實現自由旋轉。節點臥式變位機主要由X軸、Y軸、Z軸三個方向上的平移運動機構以及旋轉定位板等結構組成。

方案三與其他兩種方案相比：不僅能夠減小偏心誤差對牛腿精度安裝的影響，而且能夠對節點偏差實現自動補償，有效減少定位誤差，同時結合工程實際情況和考慮可實施操作性，決定采用方案三作為航站樓鋼結構自動定位裝置的選型設計。

2 結構選型設計

Z軸升降移動方向電機、X軸平動電機和節點回轉變位機伺服電機均選用 ECMA-C20604RS型伺服電機，輸入電壓值為220 V，額定功率大小為400 W，額定轉速大小為3000 r/min，額定扭矩大小為1.27 N·m，轉動慣量大小為68×104kg·m2。

X軸轉動電機選用EWCA-C10602ES，額定輸出功率200 W，額定扭矩0.32 N·m，瞬時最大扭矩0.96 N·m，額定轉速3000 r/min。

X軸和Y軸平動線性模組型號均為KUHCI205L-460，Z軸升降模塊線性模組型號為KK86-740A1。

減速器為WP120型渦輪蝸桿減速器，額定轉矩大小為2.0 N·m，輸入轉速大小為3000 r/min，額定的減速比值為200。

3 實驗分析

3.1 樣機組裝調試

實驗樣機主要包括節點回轉和節點臥式兩個變位機以及底座焊接支架等輔助結構構成。在安裝過程中，首先對底座進行調平，其次將Z軸調豎直，然后利用框式水平儀將Y軸和轉盤調水平，接著將Y軸與轉盤調整至中心共線，將X軸調水平并與Y軸保持垂直，最后將定位板進行固定安裝，并把X軸、Y軸、Z軸的位置全部調整至初始刻度處。自動定位裝置的電氣控制系統主要包括PLC、伺服驅動系統以及文本顯示器等。安裝好實驗樣機之后，還需要對系統進行調試，聯調之前對各線路進行檢查。聯調時，首先打開總電源，按下啟動鍵，綠色指示燈亮，自動定位裝置開始運轉，當某一運動部件超出限定行程范圍時，報警燈亮，操作人員可按急停鍵，停止運行。組裝調試過后的樣機見圖2。

圖2 組裝調試樣機

3.2 實驗過程

為驗證該自動定位裝置的工作性能和裝配精度，選用10 mm厚的亞克力板作為實驗材料，設計了自動定位裝置的節點裝配實驗。實驗過程可簡述為5個步驟：1)將定位孔依次打在節點六邊形底板的對應位置處，然后將節點六邊形底板固定到自動定位裝置的底盤上；2)將加工好的節點(共6個)按焊接裝配順序依次擺放好；3)將自動裝配系統初始調零，然后在系統文本中依次輸入對應的關節數據；4)利用全站儀對靠山板和板材的坐標進行測量，記錄好坐標數據，并以此判斷誤差大小；5)依次對各節點進行測量，每個節點測量5次，取平均值作為最終的測量數據，并與理論節點值做對比。

3.3 實驗結果

實驗得到的6個節點的坐標測量均值與理論值的誤差計算結果見圖3。從圖中可以看到：利用全站儀測得的坐標均值與理論坐標計算值相差不大，最大誤差位于節點3處，最大誤差值為3 mm，最小誤差位于節點2處，最小誤差值為1.6 mm，從節點裝配誤差來講，自動裝配機可將其控制在毫米級范圍內，而在實踐過程中采用人工裝配的誤差常常達到厘米級，在裝配精度上有較大幅度提升，表明本文設計的鋼結構自動定位裝置節點精度較高。

圖3 實驗測量與理論數據對比

3.4 誤差原因分析

雖然本自動定位裝置已具有較高的裝配精度，但仍存在一定的裝配誤差，根據分析，認為產生裝配誤差的原因有三[7]：一是機械誤差，該類型誤差主要來源于節點制造加工誤差以及自動裝配機本身自帶的機械、裝配誤差，針對這些誤差，建議在工程經濟或者工程裝配條件允許的情況下，采用精度更高的伺服電機；二是測量誤差，主要包括節點初始位置測量誤差以及加工過程中的測量誤差(全站儀本身精度為1 mm，也會導致誤差產生)，針對這些誤差，建議在條件允許下選擇更精密的測量儀器進行校驗；三是操作誤差，主要包括可能存在的間隙誤差，操作誤差相對于機械和測量誤差，能夠比較合理的進行減少，在實際操作過程中，在某些特殊部位(如點、線接觸部位)可以通過設置凹槽或者改變焊接方式來提高定位精度。

4 結論

以張家口軍民合用機場改擴建工程航站樓鋼結構工程為例，通過3種設計方案比選，最終確定了以節點回轉變位機和節點臥式變位機為主體的鋼結構自動定位裝配機設計方案，該方案不僅能夠減小偏心誤差對牛腿精度安裝的影響，而且能夠對節點偏差實現自動補償，有效減少定位誤差。通過實驗分析，該自動定位裝置可將傳統手工裝配的厘米級誤差減小至自動裝配的毫米級誤差，能夠大大提升鋼結構的裝配精度和效率，可在類似大型鋼結構工程中予以合理應用。