陳曉明 孟凡全 盛林峰 黃繼強(qiáng)

1.上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072；2.北京石油化工學(xué)院 北京 102617

1 工程概況

昆山市中環(huán)高架跨線橋橋面標(biāo)準(zhǔn)寬為22 m，跨徑44 m+70 m+36 m，橋箱梁采用單箱三室斜腹板截面，頂板寬22 m，底板寬14 m，箱梁懸臂長(zhǎng)2.5 m。鋼箱梁頂板厚16 mm，中支點(diǎn)15 m范圍內(nèi)頂板加厚為20 mm。橋箱梁本體總質(zhì)量約3 500 t（圖1）。

圖1 鋼箱梁斷面

B線橋、C線橋橋跨長(zhǎng)度為36 m+70 m+44 m，均分為26 聯(lián)，每聯(lián)箱梁頂推到位后進(jìn)行焊接連接，頂板單條對(duì)接焊縫長(zhǎng)近21 m，共50 條（圖2），累計(jì)焊縫長(zhǎng)度超過1 000 m。由于跨線鋼橋承受動(dòng)載荷，焊縫質(zhì)量要求等級(jí)為一級(jí)，需進(jìn)行100%無損探傷。由于人工焊接該條長(zhǎng)焊縫時(shí)，每米要移動(dòng)一次工位，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)焊接接頭，長(zhǎng)21 m的焊縫將有20 處接頭，由于接頭處是焊接缺陷易發(fā)部位，會(huì)導(dǎo)致返修焊時(shí)對(duì)母材金屬力學(xué)性能造成不利影響。為保證工程質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)焊接過程不間斷，減少接頭數(shù)量，避免焊工主觀因素和現(xiàn)場(chǎng)客觀條件影響焊接質(zhì)量，采用雙槍焊接機(jī)器人技術(shù)，優(yōu)質(zhì)地完成了跨線橋橋面對(duì)接焊接。

圖2 橋面焊縫布置

2 雙槍全位置焊接機(jī)器人組成

上海機(jī)施集團(tuán)與北京石油化工學(xué)院合作開發(fā)全位置雙槍自動(dòng)焊接機(jī)器人，通過平行于焊縫的前后2 把焊槍同時(shí)焊接，并配合可鋪設(shè)于待焊軌跡的軌道，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軌跡全位置高效自動(dòng)焊接。全位置焊接機(jī)器人采用模塊化開發(fā)路線，新型智能化焊接機(jī)器人整套裝備主要包括控制箱、觸摸屏、手控盒焊接小車和導(dǎo)軌（圖3）[1]。

2.1 控制箱

控制箱是自動(dòng)堆焊機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部件，裝有包括電源接口、手控接口、聯(lián)機(jī)接口、驅(qū)動(dòng)接口、信號(hào)接口在內(nèi)的多個(gè)接口，分別連接手控盒、焊接電源和焊接小車，通過接收手控盒和觸摸屏的指令，控制焊接小車的動(dòng)作和焊接電源的啟停，從而實(shí)現(xiàn)不同的焊接模式、運(yùn)動(dòng)控制方式以及不同參數(shù)控制方式下的智能化焊接[2]。

2.2 觸摸屏

觸摸屏位于控制箱頂部的黑色小箱中，通過它可以選擇焊接模式、根據(jù)工件狀況設(shè)定焊接層數(shù)和道數(shù)，并可在參數(shù)表中輸入車速、電流、電壓等焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)厚板坡口的多層多道自動(dòng)焊接，并可在焊接中實(shí)時(shí)監(jiān)控電流、電壓等焊接參數(shù)，在必要時(shí)還可以通過它來進(jìn)行焊接機(jī)器人的啟停操作。

圖3 焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成

2.3 手控盒

手控盒是堆焊機(jī)器人重要的控制部件，通過手控盒可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接機(jī)器人各種焊接操作的控制。調(diào)整焊槍位置、選擇擺動(dòng)方式、調(diào)整焊車行走速度、行走方向，調(diào)整焊槍擺速、擺幅及左右滯時(shí)等焊槍運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)參數(shù)； 執(zhí)行“軌跡存儲(chǔ)”，對(duì)焊縫軌跡進(jìn)行記憶存儲(chǔ)；執(zhí)行“坡口規(guī)劃”，對(duì)坡口形狀進(jìn)行記憶存儲(chǔ)；與觸摸屏配合，進(jìn)行選擇不同的焊接方式；控制焊接電源的啟停，調(diào)整焊接電流和電壓。

3 雙槍全位置焊接機(jī)器人特點(diǎn)

新型雙槍焊接機(jī)器人是一種具有參數(shù)記憶、坡口規(guī)劃、軌跡存儲(chǔ)等功能的智能化焊接專用設(shè)備，主要用于厚板的橫焊、立焊及堆焊，雙槍同時(shí)焊接可以大幅提高焊接效率，降低生產(chǎn)成本。在現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，將焊接機(jī)器人安裝在磁吸式軌道上，在行走機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，沿軌道行走。當(dāng)2 把焊槍處于同一狀態(tài)時(shí)，可成倍提高焊接效率。當(dāng)進(jìn)行打底焊或其他僅需要單只焊槍工作的場(chǎng)合，可控制單只焊槍進(jìn)行焊接[3]。它的主要特點(diǎn)包括：

1）可根據(jù)需要建立橫焊、堆焊、立焊3 種參數(shù)表，并分別存儲(chǔ)多種焊接參數(shù)，適應(yīng)不同場(chǎng)合的焊接需要；

2）特有的“坡口規(guī)劃”功能，可將坡口內(nèi)每個(gè)焊道的位置信息進(jìn)行存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)厚板坡口的自動(dòng)焊接；

3）具有“軌跡存儲(chǔ)”功能，可記憶焊縫位置偏差及焊槍高度偏差，因而在焊接過程中自動(dòng)調(diào)節(jié)焊槍以適應(yīng)焊縫的變化；

4）特有的“坡口偏差自動(dòng)校正”功能。對(duì)于兩端寬度不同的坡口，只需輸入坡口起點(diǎn)寬度、終點(diǎn)寬度以及焊縫長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，機(jī)器人可自動(dòng)完成該坡口的焊接；

5）提供焊接電源控制接口，可協(xié)調(diào)控制2 組焊接電源的焊接電流、電壓，實(shí)現(xiàn)焊接過程的聯(lián)動(dòng)控制，提高焊接質(zhì)量和效率；

6）手控盒與觸摸屏控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊車運(yùn)動(dòng)與焊接參數(shù)的智能化控制。

4 雙槍焊接機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝參數(shù)設(shè)置

4.1 現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝參數(shù)優(yōu)化、存儲(chǔ)

在全位置焊接施工中，由于焊接位置不同，焊接電流、焊接電壓、焊接速度、焊槍擺動(dòng)速度、焊槍傾斜角度等都有較大變化，需要根據(jù)不同焊接位置調(diào)節(jié)各種焊接參數(shù)，以保證焊接質(zhì)量。采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié)各種焊接參數(shù)的方式難以適應(yīng)全位置全自動(dòng)焊，將成熟的焊接工藝參數(shù)存儲(chǔ)于系統(tǒng)中，并在焊接過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)用，能有效解決這一難題。

在采用焊接參數(shù)程序控制之前，必須通過焊接工藝試驗(yàn)，獲得滿足焊接工藝要求的各焊接工藝參數(shù)，并通過控制箱上的液晶觸摸屏將這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)中。在焊接過程中，系統(tǒng)將能夠自動(dòng)判斷焊接機(jī)器人所處的焊接位置，并調(diào)用與該位置相對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，通過控制系統(tǒng)輸出，去控制焊接機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，以滿足焊接過程中對(duì)多種參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的需要。

我們采用雙槍全位置焊接機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了大量焊接工藝試驗(yàn)，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。經(jīng)超聲檢測(cè)和力學(xué)性能測(cè)試，該焊縫外觀和內(nèi)部質(zhì)量均達(dá)一級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)，力學(xué)性能優(yōu)于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)焊接軌跡規(guī)劃

昆山市中環(huán)跨線橋現(xiàn)場(chǎng)焊接施工，焊縫數(shù)量多，橋面板對(duì)接焊縫皆為長(zhǎng)21 m的直焊縫，在雙槍焊接機(jī)器人中運(yùn)用在線焊縫軌跡示教功能，使焊接機(jī)器人能夠快速適應(yīng)此類焊縫的施工。

首先通過手控盒上的控制按鈕來啟動(dòng)在線焊縫軌跡示教操作。該操作將焊接機(jī)器人定位于焊縫起始點(diǎn)，并記憶焊接機(jī)器人所在位置信息。記憶完第一點(diǎn)后將焊接機(jī)器人移動(dòng)至下一記憶點(diǎn)，再次記憶該點(diǎn)所在的位置信息，直至記憶到焊縫終點(diǎn)的位置信息為止。在記憶完焊縫位置信息后將焊接機(jī)器人定位于焊縫起始點(diǎn)，同時(shí)系統(tǒng)將所記憶的相鄰焊縫點(diǎn)位置信息進(jìn)行分段線性化，從而擬合出焊接機(jī)器人焊縫跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡。在焊縫軌跡示教成功后退出在線焊縫軌跡示教模式，該焊接機(jī)器人便可按示教的運(yùn)動(dòng)軌跡來進(jìn)行焊接操作。該示教控制可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的分段線性化，而適應(yīng)復(fù)雜多變的不規(guī)則焊縫的機(jī)器人自動(dòng)焊接。

5 現(xiàn)場(chǎng)焊接機(jī)器人工程應(yīng)用

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人可沿著固定軌道往復(fù)運(yùn)行，軌跡重復(fù)性高，易于實(shí)現(xiàn)跟蹤控制，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，效率較高，適用于預(yù)制及現(xiàn)場(chǎng)全位置焊接?？山鉀Q建筑工程中厚壁、長(zhǎng)焊縫、多種焊接位置的鋼結(jié)構(gòu)安裝現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化焊接問題[4]。

雙槍焊接機(jī)器人成功應(yīng)用于昆山市中環(huán)跨線橋現(xiàn)場(chǎng)焊接施工中，在相同位置和條件下，與手工焊接方法相比較，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

1）采用長(zhǎng)10 m焊接軌道，使整條焊縫的焊接接頭大幅減少90%；

2）焊接質(zhì)量?jī)?yōu)異，表面成形美觀，焊縫與母材過渡平滑，無損檢測(cè)合格率達(dá)100%；

3）焊接效率高，在焊接的同時(shí)，焊工可以完成焊縫的焊渣清理等工作，焊接過程可實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。與氣保焊、手工焊接相比，焊接效率提高100%以上；

4）工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，焊接機(jī)器人操作焊工只需調(diào)整好焊接參數(shù)，完成焊縫的示教工作，焊接機(jī)器人可以自動(dòng)進(jìn)行焊縫的往復(fù)焊接。

實(shí)踐表明，該全位置焊接機(jī)器人系統(tǒng)操作方便，可控性好，焊接工作過程穩(wěn)定，焊縫成形好，焊接質(zhì)量高，能滿足鋼結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)焊接施工作業(yè)的需要（圖4）。

圖4 焊縫外觀效果

6 結(jié)語

全位置雙槍焊接機(jī)器人具有在線焊縫軌跡示教、全位置焊接參數(shù)示教、離線焊接參數(shù)設(shè)置等智能控制手段，可適應(yīng)不規(guī)則焊縫的軌跡跟蹤、實(shí)現(xiàn)多層多道焊及全位置焊的自動(dòng)化焊接，并可靈活方便地完成多臺(tái)焊接電源的焊接參數(shù)設(shè)置，將焊接機(jī)器人應(yīng)用于工程焊接中，不僅可以實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)自動(dòng)化，大幅度提高焊接質(zhì)量和效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鋼結(jié)構(gòu)工程的品質(zhì)和可靠性。而且在各類鋼結(jié)構(gòu)工程焊接施工中加以推廣應(yīng)用，可以極大提高企業(yè)自動(dòng)化裝備技術(shù)水平，增加企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。