周青青，陳志平，張巨勇，徐恩道

(杭州電子科技大學(xué)機械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點自動裝配機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

周青青，陳志平，張巨勇，徐恩道

(杭州電子科技大學(xué)機械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

文中為提高某種新型空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點的裝配精度，對該節(jié)點的構(gòu)型特點進行了分析，并運用現(xiàn)代設(shè)計理念與手段開發(fā)了一臺六自由度的空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點自動裝配機。通過調(diào)整裝配機的末端執(zhí)行器給節(jié)點支腿提供標(biāo)準(zhǔn)位姿，作為節(jié)點支腿的焊接工裝。研制開發(fā)了實驗樣機并運用點位控制的方法獲得了相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，并與理論計算數(shù)據(jù)進行了比較。結(jié)果表明,所設(shè)計的自動裝配機精度良好，達到了使用要求，同時節(jié)省了資源和降低了能耗。

鋼結(jié)構(gòu)；復(fù)雜節(jié)點；自動裝配

引 言

衡量鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)在一個國家的發(fā)展?fàn)顩r，最直觀的指標(biāo)就是建筑用鋼量占全部鋼產(chǎn)量的比率[1]。2010年，我國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的用鋼量達到了3 000多萬噸。盡管我國鋼材產(chǎn)量連續(xù)數(shù)年位居世界第一，但鋼結(jié)構(gòu)建筑的用鋼量僅占全部鋼產(chǎn)量的5%，而日本和美國均已超過50%，在這方面我們和發(fā)達國家相比有著巨大的差距[2-3]。盡管無論從發(fā)展速度還是從發(fā)展規(guī)模來看，我國鋼結(jié)構(gòu)均處世界前列，但要實現(xiàn)其健康可持續(xù)發(fā)展，仍有許多問題亟待解決。如鋼節(jié)點的耗鋼量占整個鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)用鋼量的15%～20%[4]，在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點裝配中，需要生產(chǎn)大量工裝對其進行裝夾定位，不但費時，增加成本，還會浪費大量鋼材[5]。

目前各種新型鋼結(jié)構(gòu)建筑和設(shè)施層出不窮，隨著審美觀念的提高，新的設(shè)計理念和方法以及計算機軟硬件的更新使鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計日益復(fù)雜，節(jié)點變得越來越復(fù)雜，對節(jié)點的裝配精度、結(jié)構(gòu)強度等的要求也越來越高，傳統(tǒng)的節(jié)點加工與裝配方法已越來越不適應(yīng)這些要求。因此，有必要從工程實際出發(fā)，運用現(xiàn)代設(shè)計理念與手段研制新的節(jié)點自動裝配機。

本文以工程項目中某一型號的空間鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點為研究對象，以提高鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的裝配精度、節(jié)省資源、降低能耗等為目的，開發(fā)了一臺空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點自動裝配機。

1 空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點特點分析

本文通過調(diào)研和各類空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點構(gòu)型特點的對比分析，從工業(yè)設(shè)計和工程設(shè)計相融合的視角審視空間鋼結(jié)構(gòu)曲面造型，研究了節(jié)點成形理論。以工程項目中某一型號的空間鋼結(jié)構(gòu)和節(jié)點為例，如圖1(a)所示，節(jié)點是空間桁架的聯(lián)接樞紐，采用焊接連接。其中，單個鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點重達130 kg，分別由上下2個六邊形平板外延6個支腿，6個支腿的截面為標(biāo)準(zhǔn)的矩形方管口，但位姿各異，上下2個六邊形空間錯位,如圖1(b) 所示，為保證矩形方管口的標(biāo)準(zhǔn)形狀，6個支腿的上下表面必然是形狀各異的過渡曲面，在實際加工中變得更加復(fù)雜。該項目中共有200個獨立節(jié)點，且每個節(jié)點的支腿(牛腿)連接方向和扭曲角度各不相同，因此無法采用同一個工裝或模具。若采用鑄鋼節(jié)點，則每個節(jié)點都需要單獨開模，模具重復(fù)利用率低，成本高；若采用焊接節(jié)點，則每個節(jié)點都需要不同的工裝，傳統(tǒng)節(jié)點裝配主要依靠三維模型借用裝配工裝進行手工定位，定位精度低，工裝成本高，裝配效率低。因此，有必要從工程實際出發(fā)，運用現(xiàn)代設(shè)計理念與手段研制新的節(jié)點自動裝配機。

圖1 某工程項目中的鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點

2 空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點自動裝配機工作原理

根據(jù)上述節(jié)點的基本特征，建立了用于其裝配的裝配機理論模型，如圖2所示。圖2中，左側(cè)為方位回轉(zhuǎn)機構(gòu)，可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，作為鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點自動裝配的工作平臺；右側(cè)是一個5自由度機構(gòu)(3T2R)，通過一個機械手和定位板給節(jié)點提供支腿標(biāo)準(zhǔn)位姿，作為節(jié)點支腿的焊接工裝，裝配機末端執(zhí)行器為定位板。節(jié)點自動裝配機含有6個自由度，即6個運動關(guān)節(jié)，由底座、平行機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和轉(zhuǎn)盤機構(gòu)等組成。平行機構(gòu)可采用模塊化設(shè)計，用于預(yù)裝機的X、Y、Z軸向運動，它由絲杠、滑臺、導(dǎo)向支撐座、軸承座、渦輪減速器、200W電機等部件組成，行程約350mm，移動速度約6 mm/s。渦輪減速器帶自鎖功能，單獨的平行機構(gòu)模塊含有1個自由度；旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包含100 W的電機、帶自鎖功能的渦輪減速器、靠山板、連接板等，行程為-20°～20°，轉(zhuǎn)動速度約為2°/s，此機構(gòu)包括2個自由度；轉(zhuǎn)盤機構(gòu)由減速箱、400 W電機、轉(zhuǎn)盤、定位夾具等組成，其旋轉(zhuǎn)行程為0°～340°，旋轉(zhuǎn)速度約為2.5°/s，此機構(gòu)包括1個自由度。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點自動裝配機

3 實驗驗證

本文設(shè)計了實驗以驗證該自動裝配模型的實用性。首先設(shè)置裝配機的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后采集某一型號節(jié)點各個支腿(牛腿)的空間姿態(tài)，利用一套自主設(shè)計的正、逆解算法得到自動裝配機在裝配某一型號節(jié)點的6個支腿各個機械關(guān)節(jié)的理論旋轉(zhuǎn)角度和位移，見表1。如圖3所示，利用伺服電機可控、高精度等特性，運用點位控制法在裝配機上實現(xiàn)支腿空間位姿，對各個關(guān)節(jié)所做的運動進行測量，得到各個關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)。測量時可從伺服電機的編碼器中取出相關(guān)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后得到各關(guān)節(jié)的位移量，見表2。

表1 裝配節(jié)點6個支腿各個機械關(guān)節(jié)的理論數(shù)據(jù)

圖3 運用點位控制法實現(xiàn)支腿空間位姿

表2 裝配節(jié)點6個支腿各個機械關(guān)節(jié)的測量數(shù)據(jù)

對比表1和表2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：已知各個支腿的空間位姿，通過自主設(shè)計的正、逆解算法得出的自動裝配機各關(guān)節(jié)的運動量與實驗仿真得到的各個關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)很接近，不影響節(jié)點的裝配精度。其中2個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的最大偏差角度為0.07°，發(fā)生在裝配第2個支腿，Z軸的轉(zhuǎn)動出現(xiàn)偏差時；3個移動關(guān)節(jié)的最大偏差位移為0.03 mm，發(fā)生在裝配第3個支腿，X軸向直線移動出現(xiàn)偏差時。

綜上所述，所設(shè)計的自動裝配機運用性很好，且誤差小，裝配精度良好。

4 結(jié)束語

本文為解決工程項目中一類新型鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點裝配時對安裝精度和結(jié)構(gòu)強度要求高等問題，研制了1臺六自由度空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點自動裝配機，利用一套自主設(shè)計的正、逆解算法得到了自動裝配機所需要的各關(guān)節(jié)相關(guān)參數(shù)。實驗表明自動裝配機裝配精度良好。

[1] 譚堅, 區(qū)彤, 李松柏,等. 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2011(S1): 829-835.

[2] 姚兵. 鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)科學(xué)發(fā)展的十大課題[J]. 建筑，2011(4)：6-12.

[3] 陳霆.大型體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].山西建筑，2011，37(24):100-101.

[4] 楊林青，仲明明，沙蓓，等. 大型屋頂光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)網(wǎng)架設(shè)計[C]//第十一屆中國光伏大會暨展覽會會議論文集. 南京：東南大學(xué)出版社，2010.

[5] 劉偉, 王若竹. 鋼結(jié)構(gòu)住宅的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2008, 25(3): 27-29.

周青青(1988-)，女，碩士，主要研究方向為機電一體化。

Structure Design of Space Steel Structure Complex Joint Automatic Assembly Machine

ZHOU Qing-qing，CHEN Zhi-ping，ZHANG Ju-yong，XU En-dao

(CollegeofMechanicalEngineering,HangzhouUniversityofElectronicTechnology，Hangzhou310018,China)

In order to improve the assembly accuracy of a new kind of complex steel structure connection, the structure characteristics of this joint is analyzed. An automatic assembly machine with six degree of freedom is developed with the modern design philosophy and methods. The standard pose, which is used as the welding fixture for joint legs, is provided by adjusting the end effector of the machine. A prototype is developed for experiments and the related data, which is compared with the theoretical data, are obtained by point control method. The result shows that the automatic assembly machine has a good accuracy and it satisfies the requirement. Meanwhile, it can reduce the resource and energy consumption.

steel structure; complex joint; automatic assembly

2013-11-20

TH24

A

1008-5300(2014)01-0058-03