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建筑钢结构制造焊接机器人应用

建筑钢结构制造焊接机器人应用

摘要:本文对焊接机器人的技术基础进行分析,并结合实际案例,阐述机器人技术在建筑钢结构制造中的应用内容与方法,包括参数选择、编程方法与焊接工艺等等。以期通过本文研究,实现建筑钢结构机器人自动焊接目标。根据应用结果可知,与传统人工焊接方式相比,机器人焊接的效率更高、质量更优良,值得全面推广应用。

关键词:焊接机器人;钢结构;制造技术

在国民经济发展体系中钢结构行业的地位不可替代,随着国内钢产量逐年提升,焊接技术在建筑中的应用也日益普及,对工程安全与功能应用具有巨大影响。当前,钢结构建筑结构形式复杂,将焊接机器人引入技术可引领该行业逐渐朝着数字化、工业化的方向发展,充分满足技术创新与环保要求,使钢结构焊接质量与效率得到全面提升。

1焊接机器人的技术基础

在建筑行业结构件焊接中,因受到板厚、工件尺寸、坡口加工等因素影响,加工精度可能与实际值有所偏差。为了提高焊接效果可将机器人引入其中,它具有较强的感知功能,与人类的视觉、触觉十分相近。该系统可用于电弧传感设备、激光跟踪、接触设备等,完成焊接起始点定位和焊缝跟踪等任务。

1.1接触传感功能

在机器人焊接中,可准确检测焊接工件偏差、坡口尺度、焊缝位置,使焊接过程打破工件加工、装夹定位、组装拼接等因素产生的误差,自动寻找焊缝的起始点进行识别,补偿焊缝变形、偏移与坡口长宽变化等等,确保机器人能够顺利焊接。焊缝起始点的位置可以通过工件表面的三维传感来确定,利用程序计算得出实际值与示教值的差异,再将差值代入编程中明确焊接点,使组对、装配、焊接更加精准可靠,提高焊接质量。在坡口传感方面,通过焊丝接触式传感可方便快捷的确定坡口实际位置,针对坡口宽度、深度进行检验,再对坡口角度进行计算,为焊接程序调整提供有力依据。

1.2电弧跟踪功能

该项功能是在焊接中摆动焊接的同时,以电流值为依据明确焊接中点,尽可能的纠正焊接偏差,特别是在多层多道焊接中,根据首层焊接时工件变化情况,对系统整理和控制后,将结果直接应用到后续焊接中。电弧跟踪主要分为以下两种:一是焊接线跟踪,待起始点位置确定后采用该项技术控制偏差,机器人系统可利用软件实时监控电压、电流变化情况,计算电弧长度变化,利用软件对机器人姿态进行调整,对焊缝偏移情况进行纠偏,使焊缝位置得到实时跟踪;二是坡口宽度测量,在正式焊接前选取不同点位测验,采用先进软件得出坡口宽度值,了解该项指标的变动情况。在焊接阶段,通过自动调整焊接速度的方式获得与成型标准相同的焊缝,使焊接质量得到显著提升。

1.3示教编程

焊接机器人均具备示教编程功能,通过教学盒可以将焊枪移动到起点,并可以定义焊枪的位置、摆动方式、焊枪姿态等参数,还可以确定周围设备的移动速度。焊接过程包括灭弧、起弧、填弧坑等,编程流程点位如图1所示,在示教结束后便可开展生产活动[1]。针对形状不同、结构复杂的结构件焊缝,特别是单品无批量焊接件生产,人工示教势必会投入大量时间与精力,降低设备利用率,还会增加员工劳动强度,而引入焊接机器人后便可有效避免上述问题,使钢结构制造更加科学高效。

2建筑钢结构制造中焊接机器人的应用

2.1工程简介

以某商业大厦项目为例,建筑用地面积为30685m2,采用Q460GJC钢材,最大板厚度为100mm,钢结构为伸臂桁架、径向桁架、环带桁架等内容,并与核心筒连接成一体。该项目钢材使用量约12万t,桁架层结构复杂,在设计方面利用高强螺栓与焊接连接,单件构件重量为90t,焊接质量与安装精度要求严格,钢材以Q345GJC为主,为低合金高强度结构钢,板材厚度范围在20-130mm之间,在实际施工中遵循国外焊接标准进行控制。

2.2应用方法

2.2.1参数确定该建筑中机器人采用模块化开发路线,具备轨迹、执行器、多自由度焊枪、控制平台与智能控制模块等,可与钢结构现场安装焊接需求充分满足。为满足现场多种焊接作业需求,主要参数选择为:在技术参数方面,机器人适应焊接位置,支持平、立、仰与360°全位置焊接;支持直缝、环缝、不规则焊缝,支持直径超过168mm的环形工件尺寸,机器人行走速度为每分钟0-160cm之间;焊枪角摆采用运条方式,摆动速度为每分钟0-255cm之间,幅度为±25mm;水平跟踪行程为200mm,垂直为150mm,程控参数调整幅度为±20%。在熔化效率方面,厚板长焊缝焊接中,效率超过电弧焊接的1.5倍;机器人磁吸附式轨道为摩擦传动,本体结构精细小巧,安装便利[2]。

2.2.2编程方式在线示教编程投入时间较长、工作效率较低,难以在建筑钢结构中充分利用,只能协助现场调整。在线下教学中,可实现全部钢结构构件的编程,充分符合焊接应用要求,但因钢结构类型较多,结构件标准化水平较低,且该企业采用的CAD软件生成三维模型后无法直接导入离线软件中,需要重新构建模型,耗费大量时间编辑机器人运动轨迹,因此与实际需求不符。对此,该建筑采用智能离线编程软件,采用参数驱动,类似于积木式原理构造焊接的工件模型,采用箱形柱,交叉列工件主体,以支撑、加强板等模块,自动生成二维模型通过输入工件主体参数,尺寸,数量等参数,识别三维模型离线教学软件,并根据输入的尺寸信息,自动选取与之匹配的数据库,使机器人程序在离线系统中得到检验,节约更多编程时间,使该项目钢结构焊接效率得到切实保障。

2.2.3焊接工艺此类机器人可按照预定的路线行走,可长时间重复操作某项工序,且便于跟踪控制,系统操作稳定可靠,工作效率较高,适用于预制与现场各处焊接,可使建筑工程中长焊缝、多位置的钢结构安装自动化焊接问题得到有效解决。在该项目中,焊接机器人的应用包括以下内容。在伸臂桁架焊接中,该项目桁架层属于焊接重难点所在,以Q390GJC材料为主,伸臂桁架立焊缝长度最大值为4m,板厚为140mm,一条焊缝需要两位焊工连续作业40h才可完成。根据钢结构焊接的相关规定,难度等级达到D级,该项目中共计包括八道桁架层,每道程度在2-4m之间,板材厚度在80-140mm之间,焊缝数量超过50条。因焊接量较多,人工操作效率较低,且焊接质量不够稳定,应将机器人技术引入其中实现高空焊接目标。焊接操作人员结合现场实际情况确定轨道长度,将自动焊接所需的电源、控制箱、送丝机等配置完毕,将电缆与焊接小车相连,电缆长度约25米。该设备可在高空放置汽车周围焊接,焊接保护气瓶可通过气管与控制箱连接,确保焊接中熔池中心与焊缝相同,使焊接参数得以优化完善,实现连续焊接目标。在阻尼器质量箱焊接中,该设备位于125层,高度为27m,125-131层,4组12根,悬挂在131层,具体参数如表1所示[3]。为了保障根部焊接可靠,在组装间隙时应预留5mm,在组装中一般两侧与中间处放入直径为5mm的焊丝,再定位焊接,焊缝长为30-40mm之间,间距在400-500mm之间,在小坡口位置定位,且端头进行点焊固定后打磨光滑,将其当作机器人工作的引弧点。在点位焊接完毕后,利用火焰枪加热并去除焊丝。将两台机器人对称布置,在确保焊接进度与质量的情况下,尽量减少焊接应力与变形情况发生。

2.3应用效果

在该项目中利用焊接机器人实现了伸臂桁架、阻尼器质量箱的焊接目标,在位置与条件相同的情况下,与传统焊接模式相比优势显著,应用效果主要体现为:一是焊接质量较高,外表成型美观,焊缝与母材平滑,无损检定结果符合标准;二是焊接效率高,在焊接过程中还可自动清渣,实现连续作业,与以往手工焊接相比效率提高一倍;三是极大减轻人工作业强度,技术人员只需对焊接参数进行调整,完成焊缝示教活动后,机器人便可自动反复焊接,十分便利。

3结论

综上所述,当前建筑形式多种多样,钢结构构件的类型也日益复杂,且具有小批量无重复等特点,对焊接机器人功能提出更高要求。在实际项目中,应结合现实情况选择恰当参数与编程方式,应用先进可靠的焊接工艺,实现钢结构构件自动焊接目标,弥补以往人工焊接的质量缺陷,更加满足钢结构制造数字化、科技化的要求,使构件制造更加高效可靠。

参考文献

[1]杨高阳,龚俊伟,金伟波,等.厚板T形接头机器人焊接工艺研究与应用[J].焊接技术,2019(9):21-23.

[2]孟凡全.超高层建筑钢结松关键焊接技术———超高层建筑钢结构焊接机器人技术应用[J].金属加工:热加工,2019(3):12-14.

[3]梅寒.焊接机器人专用MAG逆变焊接电源设计及工艺试验[D].北京:北京建筑大学,2019.

作者:李雪飞 郑娟 单位:滨州职业学院