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摘要:本文對焊接機器人的技術(shù)基礎(chǔ)進行分析,并結(jié)合實際案例,闡述機器人技術(shù)在建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用內(nèi)容與方法,包括參數(shù)選擇、編程方法與焊接工藝等等。以期通過本文研究,實現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)機器人自動焊接目標。根據(jù)應(yīng)用結(jié)果可知,與傳統(tǒng)人工焊接方式相比,機器人焊接的效率更高、質(zhì)量更優(yōu)良,值得全面推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:焊接機器人;鋼結(jié)構(gòu);制造技術(shù)
在國民經(jīng)濟發(fā)展體系中鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的地位不可替代,隨著國內(nèi)鋼產(chǎn)量逐年提升,焊接技術(shù)在建筑中的應(yīng)用也日益普及,對工程安全與功能應(yīng)用具有巨大影響。當前,鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,將焊接機器人引入技術(shù)可引領(lǐng)該行業(yè)逐漸朝著數(shù)字化、工業(yè)化的方向發(fā)展,充分滿足技術(shù)創(chuàng)新與環(huán)保要求,使鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量與效率得到全面提升。
1焊接機器人的技術(shù)基礎(chǔ)
在建筑行業(yè)結(jié)構(gòu)件焊接中,因受到板厚、工件尺寸、坡口加工等因素影響,加工精度可能與實際值有所偏差。為了提高焊接效果可將機器人引入其中,它具有較強的感知功能,與人類的視覺、觸覺十分相近。該系統(tǒng)可用于電弧傳感設(shè)備、激光跟蹤、接觸設(shè)備等,完成焊接起始點定位和焊縫跟蹤等任務(wù)。
1.1接觸傳感功能
在機器人焊接中,可準確檢測焊接工件偏差、坡口尺度、焊縫位置,使焊接過程打破工件加工、裝夾定位、組裝拼接等因素產(chǎn)生的誤差,自動尋找焊縫的起始點進行識別,補償焊縫變形、偏移與坡口長寬變化等等,確保機器人能夠順利焊接。焊縫起始點的位置可以通過工件表面的三維傳感來確定,利用程序計算得出實際值與示教值的差異,再將差值代入編程中明確焊接點,使組對、裝配、焊接更加精準可靠,提高焊接質(zhì)量。在坡口傳感方面,通過焊絲接觸式傳感可方便快捷的確定坡口實際位置,針對坡口寬度、深度進行檢驗,再對坡口角度進行計算,為焊接程序調(diào)整提供有力依據(jù)。
1.2電弧跟蹤功能
該項功能是在焊接中擺動焊接的同時,以電流值為依據(jù)明確焊接中點,盡可能的糾正焊接偏差,特別是在多層多道焊接中,根據(jù)首層焊接時工件變化情況,對系統(tǒng)整理和控制后,將結(jié)果直接應(yīng)用到后續(xù)焊接中。電弧跟蹤主要分為以下兩種:一是焊接線跟蹤,待起始點位置確定后采用該項技術(shù)控制偏差,機器人系統(tǒng)可利用軟件實時監(jiān)控電壓、電流變化情況,計算電弧長度變化,利用軟件對機器人姿態(tài)進行調(diào)整,對焊縫偏移情況進行糾偏,使焊縫位置得到實時跟蹤;二是坡口寬度測量,在正式焊接前選取不同點位測驗,采用先進軟件得出坡口寬度值,了解該項指標的變動情況。在焊接階段,通過自動調(diào)整焊接速度的方式獲得與成型標準相同的焊縫,使焊接質(zhì)量得到顯著提升。
1.3示教編程
焊接機器人均具備示教編程功能,通過教學(xué)盒可以將焊槍移動到起點,并可以定義焊槍的位置、擺動方式、焊槍姿態(tài)等參數(shù),還可以確定周圍設(shè)備的移動速度。焊接過程包括滅弧、起弧、填弧坑等,編程流程點位如圖1所示,在示教結(jié)束后便可開展生產(chǎn)活動[1]。針對形狀不同、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件焊縫,特別是單品無批量焊接件生產(chǎn),人工示教勢必會投入大量時間與精力,降低設(shè)備利用率,還會增加員工勞動強度,而引入焊接機器人后便可有效避免上述問題,使鋼結(jié)構(gòu)制造更加科學(xué)高效。
2建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中焊接機器人的應(yīng)用
2.1工程簡介
以某商業(yè)大廈項目為例,建筑用地面積為30685m2,采用Q460GJC鋼材,最大板厚度為100mm,鋼結(jié)構(gòu)為伸臂桁架、徑向桁架、環(huán)帶桁架等內(nèi)容,并與核心筒連接成一體。該項目鋼材使用量約12萬t,桁架層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在設(shè)計方面利用高強螺栓與焊接連接,單件構(gòu)件重量為90t,焊接質(zhì)量與安裝精度要求嚴格,鋼材以Q345GJC為主,為低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼,板材厚度范圍在20-130mm之間,在實際施工中遵循國外焊接標準進行控制。
2.2應(yīng)用方法
2.2.1參數(shù)確定該建筑中機器人采用模塊化開發(fā)路線,具備軌跡、執(zhí)行器、多自由度焊槍、控制平臺與智能控制模塊等,可與鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝焊接需求充分滿足。為滿足現(xiàn)場多種焊接作業(yè)需求,主要參數(shù)選擇為:在技術(shù)參數(shù)方面,機器人適應(yīng)焊接位置,支持平、立、仰與360°全位置焊接;支持直縫、環(huán)縫、不規(guī)則焊縫,支持直徑超過168mm的環(huán)形工件尺寸,機器人行走速度為每分鐘0-160cm之間;焊槍角擺采用運條方式,擺動速度為每分鐘0-255cm之間,幅度為±25mm;水平跟蹤行程為200mm,垂直為150mm,程控參數(shù)調(diào)整幅度為±20%。在熔化效率方面,厚板長焊縫焊接中,效率超過電弧焊接的1.5倍;機器人磁吸附式軌道為摩擦傳動,本體結(jié)構(gòu)精細小巧,安裝便利[2]。
2.2.2編程方式在線示教編程投入時間較長、工作效率較低,難以在建筑鋼結(jié)構(gòu)中充分利用,只能協(xié)助現(xiàn)場調(diào)整。在線下教學(xué)中,可實現(xiàn)全部鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的編程,充分符合焊接應(yīng)用要求,但因鋼結(jié)構(gòu)類型較多,結(jié)構(gòu)件標準化水平較低,且該企業(yè)采用的CAD軟件生成三維模型后無法直接導(dǎo)入離線軟件中,需要重新構(gòu)建模型,耗費大量時間編輯機器人運動軌跡,因此與實際需求不符。對此,該建筑采用智能離線編程軟件,采用參數(shù)驅(qū)動,類似于積木式原理構(gòu)造焊接的工件模型,采用箱形柱,交叉列工件主體,以支撐、加強板等模塊,自動生成二維模型通過輸入工件主體參數(shù),尺寸,數(shù)量等參數(shù),識別三維模型離線教學(xué)軟件,并根據(jù)輸入的尺寸信息,自動選取與之匹配的數(shù)據(jù)庫,使機器人程序在離線系統(tǒng)中得到檢驗,節(jié)約更多編程時間,使該項目鋼結(jié)構(gòu)焊接效率得到切實保障。
2.2.3焊接工藝此類機器人可按照預(yù)定的路線行走,可長時間重復(fù)操作某項工序,且便于跟蹤控制,系統(tǒng)操作穩(wěn)定可靠,工作效率較高,適用于預(yù)制與現(xiàn)場各處焊接,可使建筑工程中長焊縫、多位置的鋼結(jié)構(gòu)安裝自動化焊接問題得到有效解決。在該項目中,焊接機器人的應(yīng)用包括以下內(nèi)容。在伸臂桁架焊接中,該項目桁架層屬于焊接重難點所在,以Q390GJC材料為主,伸臂桁架立焊縫長度最大值為4m,板厚為140mm,一條焊縫需要兩位焊工連續(xù)作業(yè)40h才可完成。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)焊接的相關(guān)規(guī)定,難度等級達到D級,該項目中共計包括八道桁架層,每道程度在2-4m之間,板材厚度在80-140mm之間,焊縫數(shù)量超過50條。因焊接量較多,人工操作效率較低,且焊接質(zhì)量不夠穩(wěn)定,應(yīng)將機器人技術(shù)引入其中實現(xiàn)高空焊接目標。焊接操作人員結(jié)合現(xiàn)場實際情況確定軌道長度,將自動焊接所需的電源、控制箱、送絲機等配置完畢,將電纜與焊接小車相連,電纜長度約25米。該設(shè)備可在高空放置汽車周圍焊接,焊接保護氣瓶可通過氣管與控制箱連接,確保焊接中熔池中心與焊縫相同,使焊接參數(shù)得以優(yōu)化完善,實現(xiàn)連續(xù)焊接目標。在阻尼器質(zhì)量箱焊接中,該設(shè)備位于125層,高度為27m,125-131層,4組12根,懸掛在131層,具體參數(shù)如表1所示[3]。為了保障根部焊接可靠,在組裝間隙時應(yīng)預(yù)留5mm,在組裝中一般兩側(cè)與中間處放入直徑為5mm的焊絲,再定位焊接,焊縫長為30-40mm之間,間距在400-500mm之間,在小坡口位置定位,且端頭進行點焊固定后打磨光滑,將其當作機器人工作的引弧點。在點位焊接完畢后,利用火焰槍加熱并去除焊絲。將兩臺機器人對稱布置,在確保焊接進度與質(zhì)量的情況下,盡量減少焊接應(yīng)力與變形情況發(fā)生。
2.3應(yīng)用效果
在該項目中利用焊接機器人實現(xiàn)了伸臂桁架、阻尼器質(zhì)量箱的焊接目標,在位置與條件相同的情況下,與傳統(tǒng)焊接模式相比優(yōu)勢顯著,應(yīng)用效果主要體現(xiàn)為:一是焊接質(zhì)量較高,外表成型美觀,焊縫與母材平滑,無損檢定結(jié)果符合標準;二是焊接效率高,在焊接過程中還可自動清渣,實現(xiàn)連續(xù)作業(yè),與以往手工焊接相比效率提高一倍;三是極大減輕人工作業(yè)強度,技術(shù)人員只需對焊接參數(shù)進行調(diào)整,完成焊縫示教活動后,機器人便可自動反復(fù)焊接,十分便利。
3結(jié)論
綜上所述,當前建筑形式多種多樣,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的類型也日益復(fù)雜,且具有小批量無重復(fù)等特點,對焊接機器人功能提出更高要求。在實際項目中,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)實情況選擇恰當參數(shù)與編程方式,應(yīng)用先進可靠的焊接工藝,實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自動焊接目標,彌補以往人工焊接的質(zhì)量缺陷,更加滿足鋼結(jié)構(gòu)制造數(shù)字化、科技化的要求,使構(gòu)件制造更加高效可靠。
參考文獻
[1]楊高陽,龔俊偉,金偉波,等.厚板T形接頭機器人焊接工藝研究與應(yīng)用[J].焊接技術(shù),2019(9):21-23.
[2]孟凡全.超高層建筑鋼結(jié)松關(guān)鍵焊接技術(shù)———超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接機器人技術(shù)應(yīng)用[J].金屬加工:熱加工,2019(3):12-14.
[3]梅寒.焊接機器人專用MAG逆變焊接電源設(shè)計及工藝試驗[D].北京:北京建筑大學(xué),2019.
作者:李雪飛 鄭娟 單位:濱州職業(yè)學(xué)院