建筑钢结构焊接机器人研究与应用

王磊

1. 建筑钢结构工件特点

目前国内建筑钢结构由于以下特点，实现机器人自动化焊接存在着较大瓶颈。

第一，建筑钢结构构件大多是非标设计、单件生产的情况，工件设计趋于个性化，导致焊缝没有统一的标准，使传统的示教再现型机器人难以应用。

第二，柱子形式以使用焊接箱型、十字、H型柱为主， 结构件尺寸、重量很大（见图1），传统变位、装夹方式很难适应，在车间焊接时只能依靠天车翻转工件的方式，变位效率低。当采用变位机装夹时，由于工件多为杆件，中间还设置有牛腿，所以简单的两头装夹变位，在其自重的影响下很容易造成工件的挠度变形，因此需要研究新形式的变位机。

第三，工件的切割下料、组装等前道工序加工精度低，板厚也普遍在20~30mm以上，但是大部分焊缝需开坡口焊接，并且需要多层多道焊，焊接工艺要求高，焊接难度大，这对实现自动焊造成了一定困难，对机器人的厚板焊接能力、智能识别焊缝的能力要求更高。

2. 国内建筑钢结构行业发展趋势

国内建筑钢结构行业发展趋势主要包括：①建筑钢结构企业从节能、节材、降低成本出发，开始重视标准化设计，着重进行钢结构工件的结构、焊缝规范化设计。②钢结构住宅、学校、办公及商业设施将快速发展，轧制型钢开始成功运用，特别是方钢管开始普及。③近年来国内用工成本直线上升，焊接作业劳动强度大，满足技能要求的焊工越来越难招，并且人员流动性越来越大，企业留住焊接技师的难度逐年增加。④业主对项目工期、焊接质量的要求越来越高。⑤其他行业机器人的大量应用实践证明，机器人焊接的运行成本低于手工焊接。

基于上述发展趋势，很多钢结构企业开始关注机器人焊接，我公司也开始与钢结构用户进行广泛的技术交流。

3. 其他行业焊接机器人的应用与发展情况

在介绍建筑钢结构行业机器人焊接系统之前，首先了解一下目前中厚板焊接机器人在其他行业的应用与发展情况。

国内工程机械行业在2007年以前基本都是手工、半自动焊接，经过6年的发展，整个行业已累计安装约2 000台套机器人焊接系统及生产线，机器人系统在整个行业中承担着大部分中厚板焊接工作，在工件的制作过程中发挥着重要作用。

目前国内的工程机械、煤炭机械、机床、电力等行业均大量采用了厚板机器人焊接系统。在各种行业的成功运用，充分证明了厚板机器人焊接系统的技术成熟、稳定，也为建筑钢结构行业研发机器人焊接系统奠定了坚实的基础。

图1 箱型柱

近两年机器人焊接系统在桥梁钢结构行业同样得到了迅猛发展，钢箱梁板单元的厂内制造及现场拼装在2011年之前都是采用手工半自动焊接，2012年以港珠澳大桥工程为契机，国内桥梁行业普遍采用了板单元机器人焊接系统，使机器人焊接系统得到了迅速的推广及应用。

4. 建筑钢结构机器人焊接系统

国外建筑钢结构发展近况：①工件标准化设计，形成批量制造。②结构形式为轧制方管、圆管、H型钢为主。③工厂制造和安装现场普遍使用机器人焊接。各种钢结构工件的机器人焊接系统以及焊缝外观如图2、图3所示。

通过比较国内、外建筑钢结构工件形式、焊缝的差别，总结吸取国外机器人焊接系统的优势以及成熟的工件装夹、变位技术，唐山开元机器人系统有限公司研发了适用国内建筑钢结构工件的机器人焊接系统：柱组装机器人焊接系统。并且在国内某大型钢结构企业中成功应用，该系统现场焊接的实景如图4所示。

该套系统能够焊接建筑钢结构行业的H柱、梁，箱型柱，十字柱等多种工件，是一套兼容性很强的机器人焊接系统，该系统由神钢弧焊机器人ARCMAN—MP、神钢焊接电源UC500、笼式开口变位机、三轴移动装置、控制电脑、离线编程系统及智能编程系统组成。系统控制总轴数达到11轴，采用双工位、单机器人布置，在满足机器人焊接的同时，又方便客户进行手工补焊。系统使用了笼式开口变位机用于工件的变位，不在工件的两端装夹，很大程度上避免了工件由于自重产生的变形，同时采用国外成熟的变位机开口设计，方便了工人上、下工件，提高了整套设备的生产效率。

该套系统在编程方面成功运用了神钢机器人高智能化的离线编程和智能编程系统。其中智能示教系统是神钢最新研发的专用于桥梁、建筑钢结构系统的辅助示教编程系统，其工作过程是采用离线编程得到的主程序，通过参数化驱动，自动生成执行程序，智能对应工件上不同位置上的相同焊缝。该系统专门针对桥梁、建筑钢结构行业工件的特点（多品种、小批量且具有大量类似焊缝）而开发，除具有操作简单，实用性强特点外，而且不需要现场对工件进行编程，通过输入工件的相关参数即可自动生成焊接程序。

5. 结语

柱组装机器人焊接系统作为国内首套钢结构行业的机器人焊接系统，这一项目的成功对于今后钢结构行业的积极影响不言而喻。尤其是成功运用了笼式开口变位机、神钢机器人高智能化的离线编程和智能编程系统，实现了机器人免试教焊接，克服了建筑钢结构工件品种多、批量小、工艺复杂等制约自动焊接设备应用的难题，为今后建筑钢结构行业使用厚板机器人焊接系统奠定了基础。

图2 圆管柱机器人焊接系统

图3 方管柱机器人焊接系统

图4 柱组装机器人焊接系统