智能化焊接机器人在钢结构的应用

摘要：文中阐述了建筑钢结构行业构件的特点以及焊接机器人在建筑钢结构行业应用面临的难题。通过对几种焊接机器人功能及优缺点的阐述，分析了焊接机器人在建筑钢结构行业目前应用的现状。焊接机器人与新兴技术的融合必将会推动钢结构行业智能化制造的进程。

关键词：焊接机器人；人工示教；激光扫描

随着建筑钢结构行业的快速发展，大跨度、场馆类、超高层建筑钢结构越来越多，构件类型也日趋复杂，其设计、制作精度要求较高。目前，焊接手工操作的低效率和质量的不稳定往往成为生产效率的提高和产品质量稳定性的最大障碍。钢结构制造企业的焊接水平特别是自动焊水平的提高，是实现钢结构技术快速发展的关键所在，实际制作构件如图1所示。建筑钢结构制造行业虽然焊接工作量很大，但由于目前我国建筑钢结构多是非标设计、构件品种多、单件小批量生产、工艺复杂，再加上前道工序下料、组装精度不高等特点，实现全自动化焊接存在着较大困难［1］；但是钢结构制造行业先进焊接技术的不断革新及高效智能焊接设备的应用，正逐步提升着钢结构的质量。

1机器人应用难点

焊接机器人因为自身效率高、性能高、质量高的特点，已在汽车制造、医疗器械等行业成熟应用，这些产品均有标准化、批量大的特点。但是，由于建筑钢结构产品的特点，相应的焊接机器人的应用需要克服如下难点：（1）当下机器人仍处于在线编程或者离线编程阶段，需要专业人员投入较多的时间，钢结构产品各异性驱使着机器人编程向简易化方向发展；（2）钢结构生产涉及人工操作工序较多，各工序误差叠加；机器人对零部件组装精度适应性要强；（3）各种类型的焊接坡口形式均在各类钢结构产品中体现，焊接机器人的焊接工艺参数库覆盖范围要广。

2焊接机器人应用

目前，绝大多数的钢结构企业考虑到焊接机器人成本高及应用不成熟的情况，在焊接机器人应用方面仍处于观望阶段。随着焊接机器人行业的发展，其中在桥梁项目U肋与板单元的焊接中，机器人的应用比较成熟；且在非桥梁项目已有企业将焊接机器人及配套的工装系统投入到实际构件生产线中；在机器人蓬勃发展的大浪潮下，小型焊接机器人及新兴技术的涌现，也在推动着钢结构焊接智能化的应用。2．1Mini型弧焊机器人。目前，在钢结构制造行业中应用性比较高的是Mini型焊接机器人，在日本钢结构的制作中应用较为广泛。Mini型焊接机器人由焊接电源、控制箱、机器人本体、示教器、送丝装置、焊枪及线缆组成；其借助直线型轨道可以实现多种焊接位置及焊接坡口形式的自动焊接，主要适用于一些平直构件主焊缝的焊接，在钢结构件的制造厂及安装现场均可应用，如图2所示。Mini型焊接机器人最大的优点是在丰富的焊接数据库的前提下，机器人可以自动识别实际的坡口信息，并根据数据库，自动生成焊接层道次及焊接参数，此种方式大大提高了焊接的智能化及效率。但它也存在着焊前调试及参数库填充耗费时间长的不足，其优缺点见表1。2．2柔性轨道机器人。在钢结构制作构件中，弧形构件占有很大的比例，且不满足现有埋弧焊等设备的范围，此类构件的焊缝焊接主要依靠人工焊接，人工分段焊接，其焊缝成形水平参差不齐。当下的自动化设备主要是适用直线焊缝焊接，此类弧形构件若采用自动化设备需要借助于弧形轨道，不同弧度需匹配相应轨道，导致设备成本增加。因此，柔性轨道机器人产品可以解决此类问题，借助柔性轨道利用强磁吸附于构件外表面，实现弧形焊缝的自动焊接应用场景如图3所示，其优缺点见表2。2．3视觉识别焊接机器人。当前各行各业应用的焊接机器人基本都是通过在线编程或者离线编程技术将焊接指令传至焊接机器人，即通过示教编程的功能，通过手动操控示教器来指引焊枪到起始点，然后在系统内选择焊枪的摆动方式、焊接工艺参数等，以此来生成焊接程序［2］，实现焊接功能。在钢结构行业应用焊接机器人，示教编程必然会成为一大阻碍，对于结构复杂、构件形式不一的焊缝，示教编程必然会耗费大量时间，且需要专业人员进行编程。随着行业的发展，市场上出现的视觉识别焊接机器人，研发者是将当下时兴的视觉拍照、激光扫描与焊接机器人结合在一起，在电脑端通过视觉拍照选取所要焊接的起始点和结束点，并在系统内对焊缝形式进行定义，定义完成后机器人接收指令进行实际焊缝位置的激光扫描来自动纠偏，最终实现焊缝的自动焊接。此种方式的一大优势即是省略了人工示教的程序，大大节约了在线操作编程的时间。但同时对于激光扫描采集的信息准确性也提出了更高的要求。目前，我国已有多家企业正在焊缝的三维扫描、实时跟踪反馈、不同焊缝形式的自动焊接等方面进行研发，致力于焊接机器人在钢结构中的应用，如图4，5所示。

3结语

（1）由于建筑钢结构行业产品的特点，焊接机器人的应用面临着简化编程、组装偏差、焊接参数数据库完善等难题。（2）通过对3种焊接机器人各自特点进行分析，从钢构件制作的难点出发，从点向面扩展，逐步实现钢结构焊接机器人的焊接。（3）新兴的数字化、信息化等技术的融合，势必会推动焊接机器人在钢结构构件制造中的成功应用。

参考文献：

［1］王磊．建筑钢结构焊接机器人研究与应用［J］.焊接与切割，2015（24）：26－27．

［2］刘春波，贺明玄．焊接机器人在建筑钢结构制造中的应用［C］/钢结构建筑工业化与新技术应用，2016：130-143.

作者:周军红 高如国 栾公峰 王春林 严亚飞 邱明辉 唐宁 单位:中建钢构有限公司